地震波動力學_宋鵬

1、中國海洋大學本科生課程大綱課程名稱地震波動力學(Seismic Wave dynamics)課程代碼081502201289課程屬性學科基礎(chǔ)課時/學分48/3課程性質(zhì)必修實踐學時0責任教師宋鵬課外學時4課程屬性：公共基礎(chǔ)/通識教棄/學科基礎(chǔ)/專業(yè)知識/工作技能，課程性質(zhì)：必修、選修一、課程介紹1. 課程描述：地震波動力學課程是勘查技術(shù)與工程專業(yè)和地球信息科學與技術(shù)專業(yè)的學科基礎(chǔ) 必修課。本課程的內(nèi)容主要分為兩大部分，笫一部分是彈性力學內(nèi)容，主要是應(yīng)用微 積分、泰勒展式、場論分析等數(shù)學工具以及各種力學基礎(chǔ)定律研究微觀條件下的弾性 動力學問題，得出描述位移與應(yīng)力、應(yīng)變與位移以及應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的

2、基本方程； 第二部分是波動力學內(nèi)容，其研究任務(wù)為應(yīng)用數(shù)值解、達朗貝爾解、克?；舴蚍e分、 格林函數(shù)等數(shù)學工具求解波動方程，并基于波動方程的解探討地震波的傳播規(guī)律。通 過本課程學習，要求學生掌握描述位移與應(yīng)力、應(yīng)變與位移以及應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系 的基本方程，掌握應(yīng)用基本方程推導(dǎo)波動方程，掌握應(yīng)用波動方程描述地震波的傳播 規(guī)律。2. 設(shè)計思路：本課程理論性較強，第一部分彈性力學內(nèi)容，對于基礎(chǔ)數(shù)學工具應(yīng)用較為廣泛； 第二部分波動力學內(nèi)容其理論公式推導(dǎo)更為復(fù)雜，且部分內(nèi)容較為抽象（如涉及地震 波的傳播規(guī)律的相關(guān)內(nèi)容），理解難度較大。在講授本課程時，應(yīng)針對不同的教學內(nèi)容 進行針對性的教學設(shè)計，釆用不同的教學

3、方式，力求達到理想的教學效果。（1）彈性力學內(nèi)容本部分主要包括應(yīng)力分析、應(yīng)變分析以及應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系等內(nèi)容，其主要研究任 務(wù)為應(yīng)用微積分、泰勒展式、場論分析等數(shù)學工具以及各種力學基礎(chǔ)定律研究微觀條 件下的弾性動力學問題，得出描述位移與應(yīng)力、應(yīng)變與位移以及應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系 的基本方程，為此，授課前應(yīng)對每堂課內(nèi)容所涉及的數(shù)學工具進行系統(tǒng)地梳理，在實 際講授時，每堂課結(jié)束前都應(yīng)明確提出下一堂課所涉及的數(shù)學工具，讓學生提前預(yù)習； 針對一些常用的基礎(chǔ)數(shù)學工具，還應(yīng)在課堂上進行系統(tǒng)推導(dǎo)加深學生對于數(shù)學工具的 理解。在具體講授時，采用PPT為主，板書講授為輔的教學方式。大部分教學內(nèi)容涉及 的簡單數(shù)學推導(dǎo)過程

4、通過PPT的動畫形式一步步展示，而對于某些關(guān)鍵點的數(shù)學推導(dǎo) 過程、重要的定理或常用數(shù)學工具的講解則通過板書的形式重點展開討論。此外，一 些特殊情況下，也可靈活采用課堂討論和總結(jié)的方式引發(fā)學生思考，激發(fā)學生的學習 興趣。（2）波動力學內(nèi)容本部分主要包括彈性動力學問題的建立、無限彈性介質(zhì)中的彈性波、波動方程解的 積分表達以及分層介質(zhì)中彈性波的傳播等內(nèi)容，其研究任務(wù)為建立波動方程，并應(yīng)用 數(shù)值解、達朗貝爾解、克希霍夫積分、格林函數(shù)等方法求解波動方程，并基于波動方 程的解探討地震波的傳播規(guī)律。在具體講授時，釆用PPT為主，板書講授為輔的教學方式。大部分教學內(nèi)容涉及的 簡單數(shù)學推導(dǎo)過程通過PPT的動畫形

5、式一步步展示，而對于某些關(guān)鍵點的數(shù)學推導(dǎo)過 程、重要的定理或常用數(shù)學工具的講解則通過板書的形式重點展開討論。此外，涉及 地震波傳播規(guī)律內(nèi)容的講授過程中，應(yīng)利用有限差分數(shù)值模擬方法來對理論公式推導(dǎo) 出的地震波各種傳播規(guī)律（如地震波傳播過程中的反射、透射、轉(zhuǎn)換、兒何擴散、波 形變化等）進行模擬驗證，使得學生對于各種地震波及其傳播規(guī)律都有較深的感性認 識，提升教學效果。3. 課程與其他課程的關(guān)系：本課程的先修課程數(shù)學物理方法，同時該課程是地震勘探原理的先修課程，是地震 勘探原理、地震勘探數(shù)據(jù)處理和地震數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)與應(yīng)用實習課程的理論基礎(chǔ)課 程，這四門課程構(gòu)成了整個地震勘探技術(shù)的課程群，而本門課程

6、是整個課程群的基礎(chǔ)。二、課程目標本課程的口標是培養(yǎng)學生應(yīng)用微積分、泰勒展式、場論分析等數(shù)學工具以及各種 力學基礎(chǔ)定律研究微觀條件下的弾性動力學問題的能力，培養(yǎng)學生應(yīng)用波動方程研究 地震波傳播規(guī)律的能力，為學生建立學習地震勘探原理以及地震勘探數(shù)據(jù)處理等課程 的理論基礎(chǔ)。學習本門課程，學生具體應(yīng)：（1）掌握應(yīng)用微積分、泰勒展式、場論分析等數(shù)學工具以及各種力學基礎(chǔ)定律進 行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析以及應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系分析的方法，并能建立十五個基本方程；（2）掌握應(yīng)用十五個基本方程構(gòu)建波動方程的方法；（3）掌握應(yīng)用數(shù)值解、達朗貝爾解、克?；舴蚍e分、格林函數(shù)等方法求解波動方 程，并基于波動方程的解探討地震波的傳

7、播規(guī)律的能力。三、學習要求要求學生掌握描述位移與應(yīng)力、應(yīng)變與位移以及應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的基本方程, 掌握應(yīng)用基本方程推導(dǎo)波動方程，掌握應(yīng)用波動方程描述地震波的傳播規(guī)律，為學生建 立學習地震勘探原理以及地震勘探數(shù)據(jù)處理等課程的理論基礎(chǔ)。要達到以上學習任務(wù), 學生必須：（1）課前認真完成老師提出的預(yù)習任務(wù)，充分理解相關(guān)數(shù)學工具的推導(dǎo)過程，并掌 握其應(yīng)用方法。（2）按時上課，不遲到，不早退；上課認真聽講，跟緊老師的授課節(jié)奏，認真思考,積極參與課堂討論和課堂總結(jié)。（3）課下認真完成復(fù)習任務(wù)，并認真完成老師布置的相關(guān)作業(yè)，有問題要及時是通 過電子郵件或微信群與老師溝通交流。四.教學進度序號專題 或主題劃

8、時主要內(nèi)容概述實驗實踐 內(nèi)容 或課外練習等1緒論2天然地震和勘探地震概 述；地震勘探原理、研究內(nèi) 容及其與地震波動力學的關(guān) 系；地震波動力學的具體研 究內(nèi)容及其基本假設(shè)；動畫演示： 地震勘探視頻 及正演模擬動 畫演示2應(yīng)力分析6外力、內(nèi)力和截面法； 應(yīng)力與應(yīng)力分量；物體內(nèi)一 點的應(yīng)力狀態(tài)；主應(yīng)力和主 方向；最大與最小應(yīng)力；平 衡和運動微分方程；課堂討論： 應(yīng)力分量的影 響因素和物體 內(nèi)一點的應(yīng)力 狀態(tài)影響因素3應(yīng)變分析8位移分量和旋轉(zhuǎn)分量； 應(yīng)變與應(yīng)變分量；應(yīng)變分量 和位移分量的關(guān)系；旋轉(zhuǎn)分 量和位移分量的關(guān)系；物體 內(nèi)一點的應(yīng)變狀態(tài)；主應(yīng)變 和主方向；體積應(yīng)變；無旋 變形和等體積變形、位移矢

9、 量公式；應(yīng)變協(xié)調(diào)方程；課堂討論： 物體內(nèi)一點的 應(yīng)變狀態(tài)影響 因素；物體內(nèi)一 點的應(yīng)變狀態(tài) 影響因素4應(yīng)力與應(yīng)變 關(guān)系4廣義虎克定律；工程彈 性常數(shù)及相互關(guān)系；簡單和 復(fù)雜狀態(tài)下彈性應(yīng)變能和應(yīng) 變能密度工程彈性常數(shù)及相 互關(guān)系；能量密度和能通量 密度；5彈性動力學 問題的建立2彈性動力學的基本方 程；彈性動力學問題的提法； 以位移表示的運動微分方程 拉梅（Lmne）方程；6無限彈 性介質(zhì)中的10彈性波控制方程；聲波 方程的建立；均勻各向同性動畫演示： 地震波在復(fù)雜彈性波無限彈性介質(zhì)中的平面波； 一般波前面與彈性介質(zhì)中波 的傳播速度；均勻各向同性 無限彈性介質(zhì)中的球面波； 無限彈性介質(zhì)中柱面波

10、；諧 波；平面波的能量；構(gòu)造介質(zhì)中的 正演模擬課下作業(yè)： 聲波方程正演 模擬7波動方程解 的積分表示6克?；舴蚍e分；格林函 數(shù)法；8分層介 質(zhì)中彈性波 的傳播8平面諧波在自曲界面的 傳播規(guī)律；平面諧波在兩種 介質(zhì)分界面的傳播規(guī)律；勒 夫（Love）面波；斯通萊（Stonely）面波；頻散時相 速度和群速度；動畫演示： 地震波在自由 界面的傳播規(guī) 律；地震波在兩 種介質(zhì)分界面 的傳播規(guī)律；面 波傳播規(guī)律9地震波 動力學的發(fā) 展方向及其 在勘探地震 學中的應(yīng)用； 期末復(fù)習2地震波動力學的發(fā)展方 向；地震波動力學在勘探地 震學中的應(yīng)用；大作業(yè)講解： 復(fù)習；答疑。動畫演示： 逆時偏移、全波 形反演以及

11、 SRME等當前 先進地震數(shù)據(jù) 處理技術(shù)五、參考教材與主要參考書1、推薦使用教材：彈性波場論基礎(chǔ)編 者：劉喜武出版社：中國海洋大學出版社出版時間及版次：2008年4月第1版2、主要參考書：1）杜世通，地震波動力學，石油大學出版社，1996年第1版；2）鄭仙種，崔力科，波動理論在地震勘探中的應(yīng)用，石油工業(yè)出版社3）牛濱華等，各向同性固體連續(xù)介質(zhì)與地震波傳播，石油工業(yè)出版社，2002年笫 1版4）謝樹藝，矢量分析與場論，高等教育出版社，1985年第2版5）朱廣生等，勘探地震學教程，武漢大學出版社，2005年12月。六、成績評定（-）考核方式A : A.閉卷考試B.開卷考試C.論文D.考查E.其他（二）成績綜合