高铁地震学引论

本书是一部研究高铁地震学震源机理、地震波传播规律及应用的著作。书中分为震源表达、高铁地震信号特征分析及应用、记录资料成像与反演、广义弹性波方程及应用、观测系统等部分，集合了跨部门多单位近4年的研究成果,对高铁地震学的方方面面进行了详细的介绍。书中相关研究成果有助于保证高铁安全行驶，推动地下介质结构探测等技术的发展，对高铁领域的研发创新具有重要意义。

李幼铭，中国科学院地质与地球物理所研究员，地球物理学家。1963年毕业于北京大学物理系。早期从事核爆炸工程防护与理论地球物理研究。1988年起组织"八五"“九五"国家自然科学基金委员会和大庆油田联合资助的重大基金项目，开创了产、学、研一体化科学研究组织范式。两期重大基金项目产出了丰硕的成果，同时为我国培养了一大批油气地球物理勘探人才。李幼铭教授近年致力于发展高铁地震学，获得了引人瞩目的进展。

2017年11月中旬，第二次地学人工智能全国会议期间，李幼铭研究员邀请与会代表探讨当前地震波的重要科研命题，他建议大家考虑选择“高铁列车的运行安全问题”。这一关乎民生安全的重大科研选题，获得了大家的一致认同，于是大家共同商议，于2018年1月，由西安交通大学承办一次高铁地震专题讨论会。此次会议共邀请中国科学院地质地球物理研究所、同济大学、北京大学、长安大学等20余家单位的青年学者，会上大家各抒己见，针对高铁地震的震源特征、传播机理、数据处理方案，特别是潜在的浅、中、深三级应用前景，展开了集中而又深入的讨论。继而,2018年,西安交通大学又连续承办了三次高铁地震专题讨论会。与此同时，李幼铭研究员也组织了热烈的线上讨论，吸引了包括沙特阿拉伯国家石油公司（后文简称“沙特阿美”）在内的同行专家的广泛关注和积极参与，极大地推动了高铁地震相关的基础理论研究。同年，李幼铭研究员正式提出并阐述了“高铁地震学”的名称及内涵，并决定成立以全国20余家单位研究组为成员的“高铁地震学联合研究组”。2018年春节前夕，北京大学宁杰远教授课题组将在深圳采集到的高铁地震数据逐一分享给“高铁地震学联合研究组”的各单位相关课题组，以供数据分析和研究，极大地推动了相关研究工作的开展。2018年11月，北京大学联合西安交通大学召开了“全国高铁地震学专题研讨会”，与会代表普遍认为高铁震源重复性强、分布范围广，是一种新型优质震源，尤其适于地下介质演化的监测。从此，“高铁地震学”一词以全国学术会议的形式推向学术界，在学术层面上有力地推动了国内“高铁地震学”的研究。2018年12月,沙特阿美北京研发中心在陕西实地采集了七条高铁线路的高铁地震数据,并做了详细研究；2019年8月,北京大学又在举办“国际勘探地球物理学家学会（SEG）专题研讨会”期间，在斯坦福中心和中关新园举行了“高铁地震学”专题报告会；同年，李幼铭研究员受《地球物理学报》编委会之托，汇总了高铁地震学联合研究组已取得的成果，在《地球物理学报》上以研究专栏形式集中发表。从此，高铁地震学在全国范围内被地球物理领域的专家学者接受和认同。
《高铁地震学引论》是国内外第一本研究高铁地震震源机理、地震波传播规律及应用的科学著作，书中集合跨部门多单位近4年研究的成果，涉及以下内容。
第一部分　震源表达
第一章　在固定源格林函数的基础上推导了移动点源的格林函数，并利用线性叠加原理进一步导出相应于移动点源组合和移动线源的格林函数。
第二章　阐述了行进在平地和高架桥上的高速列车震源属性与数学表达。
第二部分　高铁地震信号特征分析及应用
第三章　提出了基于挤压时频变换的高铁地震信号分析及列车运行状态参数估计方法。
第四章　提出了一种高铁震源地震信号的稀疏化建模，进而实现从接收数据中分离出窄频带高铁震源地震信号及宽频带背景信号。
第五章　从时域、频域对高架桥模式的高铁地震波场进行分析，充分挖掘了其中的稳定特征，并推广到二维的台阵上，结合其随时间的变化提出了四维地频图的概念。
第六章　介绍在雄安地区进行高铁地震数据采集时的地震仪布设，相应地给出了数据分析结果。
第三部分　记录资料成像与反演
第七章　推导了基于高铁震源函数的全波形反演，通过模型数据验证了利用高铁信号实现近地表监测的合理性。最后利用实际采集的高铁地震信号进行了近地表速度建模试算。
第八章　研究了地震干涉法用于高铁地震数据时存在的多源串扰问题。
第九章　推导了平地和高架桥两种情况下的高铁地震波场解析解，首次从理论上证明了桥墩在探测地球深部结构中的关键作用；分析了高铁地震波场中可用干涉法提取的波场类型，首次从实测高铁地震波场中成功提取出了面波和面波散射，并将其应用于近地表成像和反演。
第十章　研究了高铁地震信号的特征,并提出了一套适用于此信号的时间域成像方法。
笫十一章　研究并在实际资料上验证了高铁地震波场中有效面波信号的提取方法,进而利用循环神经网络对高铁地震信号进行实时反演，获得了浅层剪切波的速度结构。
第十二章　分析了分布式光纤声波传感（DAS）设备记录的高铁地震信号的基本特征，研究并建立了基于DAS数据的高铁地震信号面波的干涉提取方法与浅层横波速度反演方法。
第四部分　广义弹性波方程及应用
第十三章　在第二章基础上，考虑到高铁列车这一特殊移动震源的复杂性，以及聚焦于高铁地震波传播过程中和介质的相互作用，本章提出在广义连续介质力学框架下推导出两种广义弹性波方程，用于对高铁地震波进行数值模拟，并开展与高铁实际记录比对的分析。
第十四章　给出地震波传播尺度效应的定义，并应用于广义弹性波方程进行尺度效应分析。在处理高铁震源这一类复杂震源所产生的复杂地震波时，通过设置表征介质平均颗粒直径的特征尺度参数模型，研究介质微结构非连续性对高铁地震波的具体影响。
第十五章　针对广义连续介质力学框架下的介质结构信息提取方法的必要性，提出由构建多层介质特征尺度参数模型进行全卷积神经网络下的反演验证途径，可实现由地震记录中直接获得介质特征尺度参数，从而为应用于高铁地震记录的应用奠定基础。
第五部分　观测系统
第十六章　重点介绍六分量地震仪（三分量平动+三分量旋转），尤其是当前引起地震学界广泛关注的旋转分量及其科学意义。
第十七章　详细介绍了应用前景广泛的分布式光纤测量系统工作原理。
需要特别指出的是，北京化工大学的王之洋教授给出了在广义连续介质力学框架下的“广义弹性波方程”的全面推导，并将其用于高铁地震波场数值模拟，取得了良好的应用效果。这一全新理论框架下的广义弹性波方程也必将在其他领域产生深远的影响。
基于高铁地震学研究在全国的有序开展和高铁运行安全等国家重大需求，2021年3月，中华人民共和国科学技术部发布了“变革性技术关键科学问题”重点专项申报指南，其中“高铁地震学研究”被列为第29项研究课题。该项目的正式立项也标志着由李幼铭研究员倡导的“高铁地震学”研究获得了国家的认同及支持，相关研究成果必将推动地下介质结构探测及监测等变革性技术的发展,进而为高铁安全运行保驾护航，满足国家重大需求。

陈文超（西安交通大学教授）
二○二二年三月六日

第一部分　震源表达
第一章　移动线源与格林函数（陈景波，王浩，王之洋，李幼铭）2

第二章　高架桥系统下的高铁地震波激发过程研究（王之洋，陈朝蒲，白文磊，李幼铭）16


第二部分　高铁地震信号特征分析及应用
第三章　高铁震源地震信号的时频域特征分析（王晓凯，陈文超，温景充，宁杰远，李嘉琪）36

第四章　复杂环境下高铁震源地震信号提取方法（王晓凯，陈建友，陈文超，蒋一然，鲍铁钊，宁杰远）50

第五章　四维地频图及其应用（蒋一然，鲍铁钊，李幼铭，刘磊，宁杰远）64

第六章　雄安高铁地震观测台阵及波场分析（温景充，石永祥，鲍铁钊，李幼铭，伍晗，包乾宗，宁杰远）104


第三部分　记录资料成像与反演
第七章　高铁地震信号全波形反演（胡光辉，孙思宇，李幼铭）120

第八章　高铁地震数据干涉成像技术（张唤兰，王保利，宁杰远，李幼铭）154

第九章　高铁地震波场特征及其对干涉成像的影响（刘玉金，骆毅，刘璐，李幼铭）172

第十章　高铁地震信号的时间域成像方法研究（刘璐，骆毅）192

第十一章　利用循环神经网络的高铁地震信号实时反演（刘璐，刘玉金，骆毅）204

第十二章　分布式光纤高铁地震面波提取与速度反演（邵婕，王一博，钟世超，姚艺，郑忆康）220


第四部分　广义弹性波方程及应用
第十三章　广义弹性波方程及在高铁地震学中的应用（王之洋，白文磊，陈朝蒲，李幼铭）232

第十四章　广义连续介质力学框架下高铁地震波的尺度效应（王之洋，白文磊，陈朝蒲，李幼铭）266

第十五章　介质特征尺度参数反演（朱孟权，李幼铭，王之洋，张成方）286


第五部分　观测系统
第十六章　地震旋转量观测与六分量地震仪（操玉文，陈彦钧，朱兰鑫，阳春霞，曾卫益，张丁凡，李正斌）308

第十七章　分布式光纤振动传感在铁路行业的应用（SIGL Thomas，杨峰）344


附录　利用开源网络的搭建说明357

后记362