2025年大学《地球物理学》专业题库- 地震波制作与地球内部结构成像

2025年大学《地球物理学》专业题库——地震波制作与地球内部结构成像考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填入括号内）1.在地球内部，地震P波速度最低的圈层是？A.地壳B.莫霍面以下的地幔顶部C.古登堡面以下的地核D.莫霍面2.能够同时传播纵波和横波的地球介质界面是？A.莫霍面B.古登堡面C.球面波节点面D.任何地震波传播的界面3.下列哪种地震波是体波？A.瑞利波B.横波C.L波D.勒夫波4.地震震源的时间函数描述的是？A.震源位置B.震源释放能量的方式随时间的变化C.地震波在地壳中的传播速度D.地震矩张量5.根据地震反射原理，反射波的能量主要取决于？A.入射波频率B.介质界面的倾角C.震源强度D.A和B6.在地震射线追踪中，如果射线从介质1垂直入射到介质2界面，且v1>v2，则反射角等于？A.0度B.90度C.入射角D.入射角的一半7.地震层析成像（Tomography）主要解决的科学问题是？A.确定震源位置B.确定震源强度C.探测地球内部密度分布D.分析地震波的振幅变化8.以下哪项不是地震波成像方法需要克服的主要挑战？A.仪器噪声干扰B.地震射线覆盖不完全C.介质均匀性假设D.计算资源限制9.球面坐标系中，地震射线参数（γ）的定义是？A.射线在径向方向上的投影速度B.射线与极轴的夹角C.在垂直于射线路径的平面内，射线方向与径向方向的夹角D.射线传播的虚拟距离10.使用空气枪作为人工震源的主要优点是？A.产生的地震波频率高B.对环境的振动影响小C.可在海上和陆上方便使用D.震源能量可控性好二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填入横线处）1.地震波按传播方式可分为______波和______波。2.地震震源在球面坐标系中通常用震源深度、震中距和______来定位。3.地震波从波速较快的介质进入波速较慢的介质时，其波fronts会______。4.斯涅尔定律描述了入射角、反射角和______之间的关系。5.地震层析成像利用地震波的______信息来推断地球内部结构。6.地震矩张量是描述震源______和______的数学工具。7.面波（如瑞利波）是在______上传播的地震波。8.地震射线追踪算法的目的是计算射线的______和______。9.当地震波遇到波阻抗差异较大的界面时，会发生______和______现象。10.人工地震勘探中，选择震源类型时需要考虑震源产生的______、______和成本。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述地震P波和S波的主要区别。2.简述地震震源机制解的物理意义。3.简述地震反射和折射的基本原理。4.简述地震射线追踪在地球内部结构研究中的作用。四、计算题（每题10分，共20分。请列出必要的公式和计算步骤）1.已知地震波在介质1中的速度为v1=8km/s，在介质2中的速度为v2=4km/s。一束地震射线从介质1垂直入射到介质2界面，求反射波和透射波的走时差（Δt=t_reflect-t_transmit）。（假设入射波在界面上的作用时间忽略不计）2.假设地球是一个同心球层模型，地壳厚度为35km，地幔顶部速度为8km/s，地幔底部速度为13km/s。一个地震震源位于地壳底部，震中距为1000km。求该地震产生的P波到达距离震源800km处的台站所需的时间。（忽略地核的影响）五、论述题（每题10分，共20分。请结合所学知识，深入分析和阐述下列问题）1.论述地震层析成像的原理及其在研究地球内部结构方面的优势与局限性。2.论述地震波速度结构成像与密度结构成像之间的关系，并说明为什么通常需要分别进行。---试卷答案一、选择题1.C2.A3.B4.B5.D6.C7.C8.C9.C10.C二、填空题1.体；面2.方位角3.收缩4.折射角5.走时6.类型；大小7.球面8.路径；出射角（或传播时间）9.反射；折射10.频谱；能量三、简答题1.解析思路：对比P波和S波在传播速度、质点运动方向、能否在固体中传播、传播方式（体波/面波）等基本性质上的差异。*答案要点：P波是纵波，质点振动方向与波传播方向一致，速度较快，能在固体、液体和气体中传播；S波是横波，质点振动方向垂直于波传播方向，速度较慢，只能在固体中传播。2.解析思路：解释震源机制解如何揭示震源发震的物理过程，即断层破裂的方式、走向、倾角和滑动方向。*答案要点：地震矩张量是描述震源物理量（力偶矩）的数学工具，通过分析地震波数据得到震源机制解。解可以确定震源破裂面的产状（走向、倾角）和滑动方向，揭示地震是介质如何破裂和变形。3.解析思路：分别阐述波在遇到介质界面时，由于速度发生变化，部分能量返回原介质形成反射波，部分能量进入另一介质形成透射波的现象和原因。*答案要点：当地震波从一种介质传播到另一种介质界面时，由于两种介质的物理性质（如密度、波速）不同，导致波速发生变化。根据界面的边界条件（连续性方程、牛顿运动定律），一部分能量会沿着原介质方向返回形成反射波，另一部分能量会进入另一介质沿界面或向下传播形成透射波。4.解析思路：说明射线追踪如何模拟地震波在地下的实际传播路径，为解释地震观测数据、建立地球模型提供基础。*答案要点：地震射线追踪是计算地震波从震源出发，经过地球内部不同介质传播的路径和旅行时的一种计算方法。它通过求解波动方程的近似解（如几何光学近似），模拟射线路径，帮助解释地震记录，推断地下介质的速度结构，是地震成像和地球结构研究的重要工具。四、计算题1.解析思路：利用几何关系和Snell定律计算反射波和透射波的走时。反射波走时是界面作用时间加上从界面向接收点的距离除以v1。透射波走时是界面作用时间加上从界面向接收点的距离除以v2。注意界面作用时间对两者是相同的，可以抵消。最终计算的是两者传播距离造成的走时差。*答案要点：*设界面为x=0平面，震源在x=0处，接收点在x=d处（d=800km）。*入射波垂直入射，路径为0->0->d。*反射波路径为0->0'->d，0'是入射波与界面的交点，0=0'，反射波传播距离为2d。*透射波路径为0->0''->d，0''是入射波与界面的交点，0=0''，透射波传播距离为d。*反射波走时t_reflect=2d/v1=2*800km/8km/s=160s。*透射波走时t_transmit=d/v2=800km/4km/s=200s。*走时差Δt=t_reflect-t_transmit=160s-200s=-40s。（或直接计算Δt=2d/v1-d/v2=d(2/v1-1/v2)=800(2/8-1/4)=800(1/4-1/4)=800*0=0s。此处几何设定需重新审视，通常考虑射线路径长度差异。更准确的模型应考虑射线路径角度，几何光学近似下，对于垂直入射，反射波走时=2*(界面深度/v1)，透射波走时=2*(界面深度/v2)。设界面深度为h=35km，则t_reflect=2h/v1=2*35/8=8.75s。t_transmit=2h/v2=2*35/4=17.5s。Δt=8.75-17.5=-8.75s。原题条件可能简化或设定有误，按标准几何光学近似计算如上。若题目意图仅考察速度比，可简化为t_reflect=h/v1,t_transmit=h/v2,Δt=h(1/v1-1/v2)=h(v2-v1)/v1v2=35(4-8)/(8*4)=-35*4/32=-35/8=-4.375s。）**修正计算：对于垂直入射，反射波走时t_r=2h/v1，透射波走时t_t=2h/v2。走时差Δt=t_t-t_r=2h/v2-2h/v1=2h(v1-v2)/(v1v2)=2*35*(8-4)/(8*4)=70*4/32=280/32=35/4=8.75s。*(此为标准计算)2.解析思路：将地球简化为水平分层模型，根据震源位置和接收点位置确定射线穿过的介质层。计算射线在每一层中的传播距离和走时，然后累加得到总走时。*答案要点：*设震源位于地壳底部，深度h=35km。接收点距离震源水平距离R=1000km。*地震射线从震源出发，首先在地幔顶部（速度v_m1=8km/s）传播。由于是水平层，射线路径为直线，穿过地幔顶层的深度为震源深度h=35km。*射线在地幔顶层传播的距离s1=sqrt(R^2+h^2)=sqrt(1000^2+35^2)km≈sqrt(1000000+1225)km≈sqrt(1001125)km≈1000.06km。*射线在该层段的走时t1=s1/v_m1=1000.06km/8km/s≈125.01s。*射线到达地幔底层界面，进入地幔底部（速度v_m2=13km/s）。假设射线水平掠过整个地幔底层到达接收点，则在地幔底层传播的距离s2=R=1000km。*射线在地幔底层传播的走时t2=s2/v_m2=1000km/13km/s≈76.92s。*总走时T=t1+t2=125.01s+76.92s≈201.93s。五、论述题1.解析思路：阐述地震层析成像的基本原理（利用走时差异反演速度结构），说明其优势（提供三维图像、揭示不均匀性），并分析其局限性（对射线覆盖的要求、对走时的精度要求、对非均匀性的假设限制）。*答案要点：*原理：地震层析成像利用地震射线从震源到台站传播的走时信息来反演地球内部的速度结构。基本假设是地震射线在其路径上近似遵循最短路径（费马原理），走时主要受路径上介质速度的影响。通过收集大量地震射线数据，构建走时残差（观测走时与理论走时之差），将残差与速度扰动联系起来，利用优化算法迭代修正速度模型，使得计算走时逼近观测走时，最终得到速度结构图像。*优势：*能够提供地球内部三维的速度结构图像，揭示地壳、地幔、地核等不同圈层内部的精细结构和横向变化。*可以探测到速度异常体，有助于理解地球内部的物质分布、密度结构、温度场以及构造活动等。*是目前研究地球内部结构最强大的工具之一。*局限性：*射线覆盖不完全：地震射线的分布是有限的，尤其在地球深部覆盖稀疏，导致成像存在盲区，分辨率受限。*走时精度限制：地震仪器的噪声、地球结构的非均匀性以及射线走时计算模型的不完善都会影响走时数据的精度，进而影响成像质量。*模型假设：层析成像通常基于简化的地球模型（如均匀介质、各向同性），而实际地球介质是复杂的、各向异性的，这些假设会限制成像的准确性。*无法直接成像密度：常规地震层析成像主要反演的是速度结构，虽然速度与密度有关，但不能直接得到密度图像，需要结合其他信息（如重力数据）进行推断。2.解析思路：解释地震波速度与介质密度之间的关系（波速受声速和密度共同影响），说明为什么通常需要分别进行速度和密度成像。速度成像主要用于研究结构，密度成像用于研究成分和状态。*答案要点：*关系：地震波在地球介质中的传播速度（特别是P波速度）与介质的物理性质密切相关，包括介质的密度（ρ）和弹性模量（K,μ）。P波速度（v_p）和S波速度（v_s）可以表示为v_p=sqrt((K+4μ/3)/ρ)，v_s=sqrt(μ/ρ)。其中K是体积弹性模量，μ是剪切模量。速度不仅依赖于密度，还依赖于介质的弹性刚