2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——地下地質(zhì)聲學(xué)特性研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)。）1.在理想彈性介質(zhì)中，聲波的傳播速度主要取決于介質(zhì)的（）。A.密度B.彈性模量C.密度和彈性模量D.溫度2.地球內(nèi)部P波速度顯著降低的界面，通常被稱為（）。A.康拉德面B.莫霍洛維奇面（莫霍面）C.古登堡面D.貝克勒爾面3.當(dāng)聲波從波速較高的介質(zhì)入射到波速較低的介質(zhì)界面時(shí)，發(fā)生全反射的條件是（）。A.入射角大于臨界角B.入射角小于臨界角C.入射角等于零D.界面波速比等于14.下列哪種巖石物理參數(shù)通常與巖石孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系？（）A.聲速B.密度C.衰減系數(shù)D.波阻抗5.在進(jìn)行淺層地震勘探時(shí)，常用的震源類型包括（）。A.爆破震源B.探地雷達(dá)發(fā)射天線C.空氣槍D.手動(dòng)錘擊6.能夠同時(shí)探測(cè)到P波和S波的主動(dòng)源方法通常是（）。A.探地雷達(dá)B.微震監(jiān)測(cè)C.地震反射法D.環(huán)境噪聲法7.聲波法探測(cè)地下水主要利用的是聲波在含水層和含水體之間傳播特性的（）差異。A.波速B.頻率C.衰減D.反射系數(shù)8.下列哪項(xiàng)不是影響巖石聲速的主要因素？（）A.巖石類型B.地應(yīng)力C.地表溫度D.化學(xué)成分9.在聲波反射法資料解釋中，通常將能量強(qiáng)、周期長(zhǎng)的反射波解釋為（）。A.柔軟地層界面B.堅(jiān)硬地層界面C.地表淺層反射D.深部構(gòu)造反射10.利用非線性聲學(xué)效應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.可探測(cè)微弱信號(hào)B.能區(qū)分不同類型界面C.對(duì)復(fù)雜介質(zhì)敏感度高D.數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其頻率由__________決定，而波速和波長(zhǎng)由__________決定。2.巖石的聲速測(cè)井資料是評(píng)價(jià)__________、__________和__________等地質(zhì)參數(shù)的重要依據(jù)。3.地震勘探中，P波和S波在同一介質(zhì)中的傳播速度之比，是區(qū)分__________和__________的重要標(biāo)志。4.聲波衰減是指聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其__________和__________隨距離增加而降低的現(xiàn)象。5.探測(cè)地下水常用的被動(dòng)源聲學(xué)方法是__________，其原理是分析地下介質(zhì)活動(dòng)產(chǎn)生的微弱聲波信號(hào)。6.聲波反射法中，反射系數(shù)的大小主要取決于兩個(gè)界面兩側(cè)介質(zhì)的__________和__________的差值。7.巖石的孔隙度越高，通常其聲波衰減系數(shù)__________，而聲速__________。8.影響聲波在巖石中傳播的地質(zhì)因素包括巖石類型、__________、含水飽和度、__________等。9.地震勘探中，共中心點(diǎn)（CSP）道集的繪制是為了分離__________和__________。10.隨著勘探深度的增加，地震勘探對(duì)聲源的能量要求和記錄的__________要求通常都更高。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述聲波反射法和透射法的基本原理及其主要應(yīng)用區(qū)別。2.解釋什么是聲波衰減，并簡(jiǎn)述孔隙流體性質(zhì)對(duì)巖石聲波衰減的影響機(jī)制。3.簡(jiǎn)述影響地下地質(zhì)聲波探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素有哪些。4.為什么說(shuō)聲波法是進(jìn)行工程地質(zhì)勘察和地基檢測(cè)的一種有效手段？5.簡(jiǎn)述P波速度測(cè)井在油氣勘探中的主要作用。四、計(jì)算題（每題10分，共20分。請(qǐng)列出計(jì)算步驟并給出結(jié)果。）1.已知某巖石樣本的密度為2500kg/m3，縱波速度為3500m/s，橫波速度為2000m/s。計(jì)算該巖石的縱橫波速度比（Vp/Vs）和巖石的體積彈性模量（K）。（假設(shè)巖石為各向同性）2.在一聲波透射實(shí)驗(yàn)中，聲波從介質(zhì)A（聲速3400m/s）傳播到介質(zhì)B（聲速3000m/s）的界面，入射波和反射波的時(shí)差（Δt）為1.2ms。假設(shè)聲波在界面處的入射角為30°，計(jì)算介質(zhì)B的厚度（假設(shè)聲波垂直入射）。五、論述題（15分。請(qǐng)結(jié)合實(shí)例或原理，深入闡述下列問(wèn)題。）結(jié)合聲波傳播的反射和折射原理，論述如何利用地震反射波數(shù)據(jù)推斷地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)（如層位、斷層、圈閉等）。在論述中，請(qǐng)說(shuō)明需要關(guān)注哪些關(guān)鍵要素，并簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)處理和解釋的基本思路。試卷答案一、選擇題1.C*解析：聲波在理想彈性介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)的密度（ρ）和彈性模量（E）決定，具體關(guān)系式為V=√(E/ρ)。因此，速度同時(shí)取決于兩者。2.B*解析：莫霍洛維奇面（莫霍面）是地球內(nèi)部固態(tài)巖石圈和液態(tài)地幔之間的分界面，P波通過(guò)該界面時(shí)速度發(fā)生顯著突變，這是其重要標(biāo)志。3.A*解析：全反射發(fā)生在光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，且入射角大于臨界角。對(duì)于聲波在介質(zhì)中傳播，同樣遵循此規(guī)律，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，聲波將被完全反射回原介質(zhì)。4.C*解析：巖石的孔隙度越高，巖石骨架的比例相對(duì)減少，孔隙中充滿流體，通常使得聲波在介質(zhì)中傳播的路徑更加曲折，能量損失更大，因此衰減系數(shù)增大。同時(shí)，流體填充使得整體介質(zhì)變得“疏松”，聲速相對(duì)降低。5.D*解析：探地雷達(dá)利用高頻電磁波，空氣槍用于海洋地震勘探，爆破和手動(dòng)錘擊是陸地淺層地震勘探中常用的簡(jiǎn)單、低能量的聲波震源。6.C*解析：地震反射法是通過(guò)人工激發(fā)產(chǎn)生P波和S波，然后接收這些波在地下不同界面上的反射信號(hào)，從而探測(cè)地下結(jié)構(gòu)。其他方法要么只探測(cè)P波（如探地雷達(dá)），要么是被動(dòng)接收自然或微弱聲源產(chǎn)生的信號(hào)（如微震、環(huán)境噪聲法）。7.C*解析：聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)衰減，不同類型介質(zhì)（如巖石、含水層、空氣）對(duì)聲波的衰減程度不同。利用這種衰減特性的差異，可以探測(cè)地下空洞、含水層邊界等。8.C*解析：地應(yīng)力主要影響巖石的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響聲波傳播速度?；瘜W(xué)成分是巖石的基本構(gòu)成，影響彈性模量和密度。地表溫度對(duì)聲波在短距離內(nèi)傳播速度影響較小，且通常在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或忽略溫度梯度時(shí)簡(jiǎn)化處理。巖石類型、孔隙度、含水飽和度等是更直接和主要的因素。9.B*解析：在地震勘探資料解釋中，堅(jiān)硬地層的聲阻抗（密度×聲速）通常大于相鄰軟地層，導(dǎo)致界面處反射波能量強(qiáng)。同時(shí)，高頻成分更容易在剛性介質(zhì)中傳播并保持，因此強(qiáng)反射波通常周期短、頻率高。能量強(qiáng)、周期長(zhǎng)（或頻率低）通常對(duì)應(yīng)軟硬對(duì)比弱或特定巖性的界面，但強(qiáng)能量是硬反射的主要特征。10.C*解析：非線性聲學(xué)效應(yīng)（如諧波產(chǎn)生、亞諧波產(chǎn)生、混頻等）通常在強(qiáng)聲場(chǎng)或復(fù)雜非線性介質(zhì)中顯著。地質(zhì)介質(zhì)往往是非線性的（如存在裂紋、孔隙流體流動(dòng)等），利用非線性效應(yīng)可以增強(qiáng)對(duì)介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)（如流體存在）的敏感性，提供傳統(tǒng)線性方法難以獲取的信息。二、填空題1.源；介質(zhì)*解析：聲波是由振動(dòng)源產(chǎn)生的，其頻率（f）由聲源的物理屬性決定。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，速度（v）和波長(zhǎng)（λ）由介質(zhì)的彈性和慣性性質(zhì)決定，遵循關(guān)系v=fλ。2.孔隙度；滲透率；巖石力學(xué)性質(zhì)*解析：聲波測(cè)井（特別是聲速測(cè)井）可以反映地層的致密程度（與孔隙度反相關(guān)）、流體性質(zhì)（影響波速和衰減）、以及巖石的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)。3.巖石圈；地幔*解析：地球內(nèi)部存在顯著的P波速度界面。莫霍面是P波速度由地殼急劇增加到地幔的界面，而古登堡面是P波速度在地幔內(nèi)部發(fā)生顯著變化，特別是S波不能傳播的界面，標(biāo)志著地幔上部和下部的分界。Vp/Vs比值在巖石圈和地幔中存在明顯差異。4.能量；振幅*解析：聲波衰減涉及聲波在傳播過(guò)程中能量（通常以功率或強(qiáng)度表示）和振幅隨距離的指數(shù)衰減。5.微震監(jiān)測(cè)（或環(huán)境噪聲分析）*解析：微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專門用于接收由地下微小破裂活動(dòng)（如巖體變形、地下水活動(dòng)、小規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng)）產(chǎn)生的聲波信號(hào)，通過(guò)分析這些信號(hào)可以研究地下介質(zhì)的活動(dòng)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)。6.聲阻抗；密度*解析：聲波反射系數(shù)（ρ?V?-ρ?V?)/(ρ?V?+ρ?V?)，其中ρ是密度，V是聲速。因此，反射系數(shù)主要取決于兩個(gè)界面兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗（ρV）的差值。聲阻抗本身是密度和聲速的乘積。7.增大；降低*解析：如簡(jiǎn)答題第4題解析所述，孔隙度越高，衰減越大，聲速越低。8.溫度；圍壓*解析：溫度升高通常使巖石變得疏松，聲速降低。圍壓（地應(yīng)力）可以改變巖石的致密程度和晶格排列，顯著影響聲速和衰減。9.裝置波（或共反射點(diǎn)）；反射波*解析：共中心點(diǎn)（CSP）道集是將同一炮點(diǎn)（共中心點(diǎn)）激發(fā)、不同檢波點(diǎn)接收到的反射波記錄匯集在一起。繪制CSP道集的主要目的是為了分離與炮點(diǎn)附近反射界面相關(guān)的裝置波（如炮點(diǎn)多次波、初至波干擾）和來(lái)自遠(yuǎn)處真實(shí)地層的反射波。10.信噪比*解析：深層地震勘探需要探測(cè)的反射信號(hào)能量較弱，且傳播路徑更長(zhǎng)，受到的噪聲干擾也更嚴(yán)重。因此，為了獲得清晰的地質(zhì)信息，對(duì)震源的能量要求更高，同時(shí)需要提高接收信號(hào)的信噪比（Signal-to-NoiseRatio,SNR）。三、簡(jiǎn)答題1.聲波反射法是通過(guò)人工激發(fā)聲源（如錘擊、爆炸、振動(dòng)器），使聲波向下傳播，遇到不同地質(zhì)界面時(shí)發(fā)生反射，接收器接收這些反射波，根據(jù)反射波到達(dá)的時(shí)間、強(qiáng)度、波形等信息，推斷地下界面的位置、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。其基本原理是利用聲波在介質(zhì)中傳播的反射現(xiàn)象。主要應(yīng)用在于探測(cè)地下淺層結(jié)構(gòu)，如基巖頂面、隱伏斷層、空洞、含水層等。聲波透射法則是將聲源和接收器置于同一介質(zhì)中（或不同位置），讓聲波穿過(guò)介質(zhì)傳播到對(duì)側(cè)或內(nèi)部，通過(guò)分析透射波的強(qiáng)度、衰減、波形變化來(lái)了解介質(zhì)內(nèi)部的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。其原理是利用聲波在介質(zhì)中傳播的穿透性。主要應(yīng)用在于探測(cè)介質(zhì)內(nèi)部的異常體（如空洞、軟弱帶）、評(píng)估介質(zhì)均勻性、進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部檢測(cè)等。2.聲波衰減是指聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量和振幅隨傳播距離增加而逐漸減小的現(xiàn)象?？紫读黧w性質(zhì)對(duì)巖石聲波衰減的影響主要體現(xiàn)在：①流體填充：孔隙中充滿流體（特別是液體）后，聲波在骨架和流體之間的界面上發(fā)生多次散射，增加了聲波傳播的路徑，導(dǎo)致衰減增大。流體的粘滯性也會(huì)阻礙振動(dòng)能量在流體中的傳播，進(jìn)一步增加衰減。②流體類型：不同流體的密度和粘滯性不同，影響散射和粘滯損耗的程度，從而影響衰減。例如，含水飽和度高的巖石通常比干燥或含油氣飽和的巖石衰減更大。③相對(duì)滲透率：流體的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)影響衰減，通常存在一個(gè)“最佳含水飽和度”對(duì)應(yīng)相對(duì)較低的衰減。④界面效應(yīng)：孔隙流體與巖石骨架之間的聲阻抗差異是產(chǎn)生散射和衰減的關(guān)鍵因素。3.影響地下地質(zhì)聲波探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素包括：①聲源因素：聲源的頻率、能量、波形是否穩(wěn)定，激發(fā)方式是否有效。②接收因素：接收換能器（如檢波器）的靈敏度、頻響特性、穩(wěn)定性，記錄系統(tǒng)的信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、采樣率等。③介質(zhì)因素：傳播路徑上介質(zhì)的不均勻性（如存在層理、褶皺、斷層、空洞、裂隙），介質(zhì)物理性質(zhì)（聲速、衰減）的橫向變化，含水飽和度變化，溫度梯度等。④幾何因素：聲源與接收器之間的距離、偏移距，接收器排列方式，覆蓋次數(shù)等。⑤環(huán)境因素：風(fēng)噪聲、交通噪聲、工業(yè)噪聲、地震干擾等地面噪聲，地下存在大型障礙物（如管道、電纜）的屏蔽或干擾。4.聲波法之所以是進(jìn)行工程地質(zhì)勘察和地基檢測(cè)的有效手段，主要基于以下幾點(diǎn)：①非破壞性：聲波探測(cè)（如聲波透射法、淺層地震法、探地雷達(dá)等）可以在不破壞或極少破壞被探測(cè)對(duì)象（如地基、路基、隧道、壩體、建筑物基礎(chǔ)）的前提下進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)和結(jié)構(gòu)評(píng)估。②原位測(cè)試：可以在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量巖石、土壤或結(jié)構(gòu)材料的聲學(xué)參數(shù)（如聲速、衰減），這些參數(shù)能直接反映其當(dāng)前的物理狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。③靈敏度高：聲波對(duì)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化、密度異常、含水狀態(tài)、損傷程度等比較敏感。例如，裂隙、空洞會(huì)顯著降低聲速、增大衰減；含水飽和度的變化也會(huì)影響聲學(xué)參數(shù)。④應(yīng)用范圍廣：可用于檢測(cè)地基承載力、評(píng)估巖體完整性、探查隱伏斷層或軟弱夾層、檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷（如空洞、裂縫）、監(jiān)測(cè)地基或結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性等。5.P波速度測(cè)井在油氣勘探中的主要作用包括：①巖性識(shí)別與劃分：不同類型的巖石（如砂巖、石灰?guī)r、頁(yè)巖）具有不同的P波速度，測(cè)井資料可以幫助識(shí)別地層巖性，劃分巖層界面。②地層對(duì)比：利用P波速度在橫向上的變化規(guī)律，可以對(duì)比不同井之間的地層，進(jìn)行區(qū)域地層格架的建立。③儲(chǔ)層評(píng)價(jià)：P波速度是計(jì)算巖石孔隙度的重要參數(shù)之一（通過(guò)聲波時(shí)差），可用于估算儲(chǔ)層孔隙度。同時(shí)，速度的變化也可以反映儲(chǔ)層的物性（如滲透率）和含油氣飽和度（某些情況下，油氣的存在可能使聲速發(fā)生變化）。④儲(chǔ)層厚度與孔隙體積計(jì)算：結(jié)合井徑測(cè)井等資料，可以計(jì)算儲(chǔ)層的厚度和孔隙體積，為油氣儲(chǔ)量估算提供依據(jù)。⑤蓋層封閉性評(píng)價(jià)：通過(guò)分析上覆地層的P波速度和厚度，可以間接評(píng)價(jià)蓋層的封閉能力。⑥復(fù)雜構(gòu)造解釋：在斷層、褶皺等復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)，P波速度的變化有助于更準(zhǔn)確地解釋地下構(gòu)造形態(tài)。四、計(jì)算題1.解：*縱橫波速度比Vp/Vs=Vp/Vs=3500/2000=1.75*體積彈性模量K=ρ(Vp2-Vs2/2)（適用于各向同性介質(zhì)）*K=2500*(35002-20002/2)*K=2500*(12250000-2000000/2)*K=2500*(12250000-1000000)*K=2500*11250000*K=28125000000Pa*K=28.125GPa2.解：*垂直入射時(shí)，入射角θ?=0°，反射角θ?=0°。*根據(jù)折射定律，sin(θ?)/sin(θ?)=V?/V?。垂直入射時(shí)，sin(0°)/sin(0°)=V?/V?，即V?/V?=V?/V?，該關(guān)系始終成立，不直接影響厚度計(jì)算。*反射波與入射波之間的時(shí)差Δt=2*t?，其中t?是聲波在介質(zhì)B中傳播一次（去程）所需的時(shí)間。*t?=厚度d/介質(zhì)B中的聲速V?*Δt=2*(d/V?)*d=Δt*(V?/2)*已知Δt=1.2ms=1.2*10?3s，V?=3000m/s*d=(1.2*10?3)*(3000/2)*d=1.2*10?3*1500*d=1.8m五、論述題利用地震反射波數(shù)據(jù)推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要基于聲波（特別是P波）在介質(zhì)中傳播的反射和折射原理。當(dāng)一束聲波（通常是人工激發(fā)的平面波或點(diǎn)源波）進(jìn)入地下傳播時(shí)，會(huì)遇到聲阻抗（ρV，密度ρ與