本書(shū)是一部研究高鐵地震學(xué)震源機(jī)理、地震波傳播規(guī)律及應(yīng)用的著作。書(shū)中分為震源表達(dá)、高鐵地震信號(hào)特征分析及應(yīng)用、記錄資料成像與反演、廣義彈性波方程及應(yīng)用、觀測(cè)系統(tǒng)等部分，集合了跨部門(mén)多單位近4年的研究成果,對(duì)高鐵地震學(xué)的方方面面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。書(shū)中相關(guān)研究成果有助于保證高鐵安全行駛，推動(dòng)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高鐵領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新具有重要意義。

李幼銘，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所研究員，地球物理學(xué)家。1963年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系。早期從事核爆炸工程防護(hù)與理論地球物理研究。1988年起組織"八五"“九五"國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和大慶油田聯(lián)合資助的重大基金項(xiàng)目，開(kāi)創(chuàng)了產(chǎn)、學(xué)、研一體化科學(xué)研究組織范式。兩期重大基金項(xiàng)目產(chǎn)出了豐碩的成果，同時(shí)為我國(guó)培養(yǎng)了一大批油氣地球物理勘探人才。李幼銘教授近年致力于發(fā)展高鐵地震學(xué)，獲得了引人矚目的進(jìn)展。

1.研究高鐵地震震源機(jī)理、地震波傳播規(guī)律及應(yīng)用的科學(xué)著作。 2.相關(guān)研究成果推動(dòng)了高鐵震源地震波場(chǎng)對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)及監(jiān)測(cè)等變革性技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而為高鐵安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

2017年11月中旬，第二次地學(xué)人工智能全國(guó)會(huì)議期間，李幼銘研究員邀請(qǐng)與會(huì)代表探討當(dāng)前地震波的重要科研命題，他建議大家考慮選擇“高鐵列車的運(yùn)行安全問(wèn)題”。這一關(guān)乎民生安全的重大科研選題，獲得了大家的一致認(rèn)同，于是大家共同商議，于2018年1月，由西安交通大學(xué)承辦一次高鐵地震專題討論會(huì)。此次會(huì)議共邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球物理研究所、同濟(jì)大學(xué)、北京大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)等20余家單位的青年學(xué)者，會(huì)上大家各抒己見(jiàn)，針對(duì)高鐵地震的震源特征、傳播機(jī)理、數(shù)據(jù)處理方案，特別是潛在的淺、中、深三級(jí)應(yīng)用前景，展開(kāi)了集中而又深入的討論。繼而,2018年,西安交通大學(xué)又連續(xù)承辦了三次高鐵地震專題討論會(huì)。與此同時(shí)，李幼銘研究員也組織了熱烈的線上討論，吸引了包括沙特阿拉伯國(guó)家石油公司（后文簡(jiǎn)稱“沙特阿美”）在內(nèi)的同行專家的廣泛關(guān)注和積極參與，極大地推動(dòng)了高鐵地震相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究。同年，李幼銘研究員正式提出并闡述了“高鐵地震學(xué)”的名稱及內(nèi)涵，并決定成立以全國(guó)20余家單位研究組為成員的“高鐵地震學(xué)聯(lián)合研究組”。2018年春節(jié)前夕，北京大學(xué)寧杰遠(yuǎn)教授課題組將在深圳采集到的高鐵地震數(shù)據(jù)逐一分享給“高鐵地震學(xué)聯(lián)合研究組”的各單位相關(guān)課題組，以供數(shù)據(jù)分析和研究，極大地推動(dòng)了相關(guān)研究工作的開(kāi)展。2018年11月，北京大學(xué)聯(lián)合西安交通大學(xué)召開(kāi)了“全國(guó)高鐵地震學(xué)專題研討會(huì)”，與會(huì)代表普遍認(rèn)為高鐵震源重復(fù)性強(qiáng)、分布范圍廣，是一種新型優(yōu)質(zhì)震源，尤其適于地下介質(zhì)演化的監(jiān)測(cè)。從此，“高鐵地震學(xué)”一詞以全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議的形式推向?qū)W術(shù)界，在學(xué)術(shù)層面上有力地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)“高鐵地震學(xué)”的研究。2018年12月,沙特阿美北京研發(fā)中心在陜西實(shí)地采集了七條高鐵線路的高鐵地震數(shù)據(jù),并做了詳細(xì)研究；2019年8月,北京大學(xué)又在舉辦“國(guó)際勘探地球物理學(xué)家學(xué)會(huì)（SEG）專題研討會(huì)”期間，在斯坦福中心和中關(guān)新園舉行了“高鐵地震學(xué)”專題報(bào)告會(huì)；同年，李幼銘研究員受《地球物理學(xué)報(bào)》編委會(huì)之托，匯總了高鐵地震學(xué)聯(lián)合研究組已取得的成果，在《地球物理學(xué)報(bào)》上以研究專欄形式集中發(fā)表。從此，高鐵地震學(xué)在全國(guó)范圍內(nèi)被地球物理領(lǐng)域的專家學(xué)者接受和認(rèn)同。
《高鐵地震學(xué)引論》是國(guó)內(nèi)外第一本研究高鐵地震震源機(jī)理、地震波傳播規(guī)律及應(yīng)用的科學(xué)著作，書(shū)中集合跨部門(mén)多單位近4年研究的成果，涉及以下內(nèi)容。
第一部分　震源表達(dá)
第一章　在固定源格林函數(shù)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了移動(dòng)點(diǎn)源的格林函數(shù)，并利用線性疊加原理進(jìn)一步導(dǎo)出相應(yīng)于移動(dòng)點(diǎn)源組合和移動(dòng)線源的格林函數(shù)。
第二章　闡述了行進(jìn)在平地和高架橋上的高速列車震源屬性與數(shù)學(xué)表達(dá)。
第二部分　高鐵地震信號(hào)特征分析及應(yīng)用
第三章　提出了基于擠壓時(shí)頻變換的高鐵地震信號(hào)分析及列車運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)估計(jì)方法。
第四章　提出了一種高鐵震源地震信號(hào)的稀疏化建模，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從接收數(shù)據(jù)中分離出窄頻帶高鐵震源地震信號(hào)及寬頻帶背景信號(hào)。
第五章　從時(shí)域、頻域?qū)Ω呒軜蚰Ｊ降母哞F地震波場(chǎng)進(jìn)行分析，充分挖掘了其中的穩(wěn)定特征，并推廣到二維的臺(tái)陣上，結(jié)合其隨時(shí)間的變化提出了四維地頻圖的概念。
第六章　介紹在雄安地區(qū)進(jìn)行高鐵地震數(shù)據(jù)采集時(shí)的地震儀布設(shè)，相應(yīng)地給出了數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
第三部分　記錄資料成像與反演
第七章　推導(dǎo)了基于高鐵震源函數(shù)的全波形反演，通過(guò)模型數(shù)據(jù)驗(yàn)證了利用高鐵信號(hào)實(shí)現(xiàn)近地表監(jiān)測(cè)的合理性。最后利用實(shí)際采集的高鐵地震信號(hào)進(jìn)行了近地表速度建模試算。
第八章　研究了地震干涉法用于高鐵地震數(shù)據(jù)時(shí)存在的多源串?dāng)_問(wèn)題。
第九章　推導(dǎo)了平地和高架橋兩種情況下的高鐵地震波場(chǎng)解析解，首次從理論上證明了橋墩在探測(cè)地球深部結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用；分析了高鐵地震波場(chǎng)中可用干涉法提取的波場(chǎng)類型，首次從實(shí)測(cè)高鐵地震波場(chǎng)中成功提取出了面波和面波散射，并將其應(yīng)用于近地表成像和反演。
第十章　研究了高鐵地震信號(hào)的特征,并提出了一套適用于此信號(hào)的時(shí)間域成像方法。
笫十一章　研究并在實(shí)際資料上驗(yàn)證了高鐵地震波場(chǎng)中有效面波信號(hào)的提取方法,進(jìn)而利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高鐵地震信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)反演，獲得了淺層剪切波的速度結(jié)構(gòu)。
第十二章　分析了分布式光纖聲波傳感（DAS）設(shè)備記錄的高鐵地震信號(hào)的基本特征，研究并建立了基于DAS數(shù)據(jù)的高鐵地震信號(hào)面波的干涉提取方法與淺層橫波速度反演方法。
第四部分　廣義彈性波方程及應(yīng)用
第十三章　在第二章基礎(chǔ)上，考慮到高鐵列車這一特殊移動(dòng)震源的復(fù)雜性，以及聚焦于高鐵地震波傳播過(guò)程中和介質(zhì)的相互作用，本章提出在廣義連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架下推導(dǎo)出兩種廣義彈性波方程，用于對(duì)高鐵地震波進(jìn)行數(shù)值模擬，并開(kāi)展與高鐵實(shí)際記錄比對(duì)的分析。
第十四章　給出地震波傳播尺度效應(yīng)的定義，并應(yīng)用于廣義彈性波方程進(jìn)行尺度效應(yīng)分析。在處理高鐵震源這一類復(fù)雜震源所產(chǎn)生的復(fù)雜地震波時(shí)，通過(guò)設(shè)置表征介質(zhì)平均顆粒直徑的特征尺度參數(shù)模型，研究介質(zhì)微結(jié)構(gòu)非連續(xù)性對(duì)高鐵地震波的具體影響。
第十五章　針對(duì)廣義連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架下的介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息提取方法的必要性，提出由構(gòu)建多層介質(zhì)特征尺度參數(shù)模型進(jìn)行全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的反演驗(yàn)證途徑，可實(shí)現(xiàn)由地震記錄中直接獲得介質(zhì)特征尺度參數(shù)，從而為應(yīng)用于高鐵地震記錄的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
第五部分　觀測(cè)系統(tǒng)
第十六章　重點(diǎn)介紹六分量地震儀（三分量平動(dòng)+三分量旋轉(zhuǎn)），尤其是當(dāng)前引起地震學(xué)界廣泛關(guān)注的旋轉(zhuǎn)分量及其科學(xué)意義。
第十七章　詳細(xì)介紹了應(yīng)用前景廣泛的分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)工作原理。
需要特別指出的是，北京化工大學(xué)的王之洋教授給出了在廣義連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架下的“廣義彈性波方程”的全面推導(dǎo)，并將其用于高鐵地震波場(chǎng)數(shù)值模擬，取得了良好的應(yīng)用效果。這一全新理論框架下的廣義彈性波方程也必將在其他領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
基于高鐵地震學(xué)研究在全國(guó)的有序開(kāi)展和高鐵運(yùn)行安全等國(guó)家重大需求，2021年3月，中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部發(fā)布了“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專項(xiàng)申報(bào)指南，其中“高鐵地震學(xué)研究”被列為第29項(xiàng)研究課題。該項(xiàng)目的正式立項(xiàng)也標(biāo)志著由李幼銘研究員倡導(dǎo)的“高鐵地震學(xué)”研究獲得了國(guó)家的認(rèn)同及支持，相關(guān)研究成果必將推動(dòng)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)及監(jiān)測(cè)等變革性技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)而為高鐵安全運(yùn)行保駕護(hù)航，滿足國(guó)家重大需求。

陳文超（西安交通大學(xué)教授）
二○二二年三月六日

第一部分　震源表達(dá)
第一章　移動(dòng)線源與格林函數(shù)（陳景波，王浩，王之洋，李幼銘）2

第二章　高架橋系統(tǒng)下的高鐵地震波激發(fā)過(guò)程研究（王之洋，陳朝蒲，白文磊，李幼銘）16


第二部分　高鐵地震信號(hào)特征分析及應(yīng)用
第三章　高鐵震源地震信號(hào)的時(shí)頻域特征分析（王曉凱，陳文超，溫景充，寧杰遠(yuǎn)，李嘉琪）36

第四章　復(fù)雜環(huán)境下高鐵震源地震信號(hào)提取方法（王曉凱，陳建友，陳文超，蔣一然，鮑鐵釗，寧杰遠(yuǎn)）50

第五章　四維地頻圖及其應(yīng)用（蔣一然，鮑鐵釗，李幼銘，劉磊，寧杰遠(yuǎn)）64

第六章　雄安高鐵地震觀測(cè)臺(tái)陣及波場(chǎng)分析（溫景充，石永祥，鮑鐵釗，李幼銘，伍晗，包乾宗，寧杰遠(yuǎn)）104


第三部分　記錄資料成像與反演
第七章　高鐵地震信號(hào)全波形反演（胡光輝，孫思宇，李幼銘）120

第八章　高鐵地震數(shù)據(jù)干涉成像技術(shù)（張喚蘭，王保利，寧杰遠(yuǎn)，李幼銘）154

第九章　高鐵地震波場(chǎng)特征及其對(duì)干涉成像的影響（劉玉金，駱毅，劉璐，李幼銘）172

第十章　高鐵地震信號(hào)的時(shí)間域成像方法研究（劉璐，駱毅）192

第十一章　利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高鐵地震信號(hào)實(shí)時(shí)反演（劉璐，劉玉金，駱毅）204

第十二章　分布式光纖高鐵地震面波提取與速度反演（邵婕，王一博，鐘世超，姚藝，鄭憶康）220


第四部分　廣義彈性波方程及應(yīng)用
第十三章　廣義彈性波方程及在高鐵地震學(xué)中的應(yīng)用（王之洋，白文磊，陳朝蒲，李幼銘）232

第十四章　廣義連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架下高鐵地震波的尺度效應(yīng)（王之洋，白文磊，陳朝蒲，李幼銘）266

第十五章　介質(zhì)特征尺度參數(shù)反演（朱孟權(quán)，李幼銘，王之洋，張成方）286


第五部分　觀測(cè)系統(tǒng)
第十六章　地震旋轉(zhuǎn)量觀測(cè)與六分量地震儀（操玉文，陳彥鈞，朱蘭鑫，陽(yáng)春霞，曾衛(wèi)益，張丁凡，李正斌）308

第十七章　分布式光纖振動(dòng)傳感在鐵路行業(yè)的應(yīng)用（SIGL Thomas，楊峰）344


附錄　利用開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)的搭建說(shuō)明357

后記362