本書是一部研究高鐵地震學震源機理、地震波傳播規律及應用的著作。書中分為震源表達、高鐵地震信號特征分析及應用、記錄資料成像與反演、廣義彈性波方程及應用、觀測系統等部分，集合了跨部門多單位近4年的研究成果,對高鐵地震學的方方面面進行了詳細的介紹。書中相關研究成果有助于保證高鐵安全行駛，推動地下介質結構探測等技術的發展，對高鐵領域的研發創新具有重要意義。

李幼銘，中國科學院地質與地球物理所研究員，地球物理學家。1963年畢業于北京大學物理系。早期從事核爆炸工程防護與理論地球物理研究。1988年起組織"八五"“九五"國家自然科學基金委員會和大慶油田聯合資助的重大基金項目，開創了產、學、研一體化科學研究組織范式。兩期重大基金項目產出了豐碩的成果，同時為我國培養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展高鐵地震學，獲得了引人矚目的進展。

2017年11月中旬，第二次地學人工智能全國會議期間，李幼銘研究員邀請與會代表探討當前地震波的重要科研命題，他建議大家考慮選擇“高鐵列車的運行安全問題”。這一關乎民生安全的重大科研選題，獲得了大家的一致認同，于是大家共同商議，于2018年1月，由西安交通大學承辦一次高鐵地震專題討論會。此次會議共邀請中國科學院地質地球物理研究所、同濟大學、北京大學、長安大學等20余家單位的青年學者，會上大家各抒己見，針對高鐵地震的震源特征、傳播機理、數據處理方案，特別是潛在的淺、中、深三級應用前景，展開了集中而又深入的討論。繼而,2018年,西安交通大學又連續承辦了三次高鐵地震專題討論會。與此同時，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家石油公司（后文簡稱“沙特阿美”）在內的同行專家的廣泛關注和積極參與，極大地推動了高鐵地震相關的基礎理論研究。同年，李幼銘研究員正式提出并闡述了“高鐵地震學”的名稱及內涵，并決定成立以全國20余家單位研究組為成員的“高鐵地震學聯合研究組”。2018年春節前夕，北京大學寧杰遠教授課題組將在深圳采集到的高鐵地震數據逐一分享給“高鐵地震學聯合研究組”的各單位相關課題組，以供數據分析和研究，極大地推動了相關研究工作的開展。2018年11月，北京大學聯合西安交通大學召開了“全國高鐵地震學專題研討會”，與會代表普遍認為高鐵震源重復性強、分布范圍廣，是一種新型優質震源，尤其適于地下介質演化的監測。從此，“高鐵地震學”一詞以全國學術會議的形式推向學術界，在學術層面上有力地推動了國內“高鐵地震學”的研究。2018年12月,沙特阿美北京研發中心在陜西實地采集了七條高鐵線路的高鐵地震數據,并做了詳細研究；2019年8月,北京大學又在舉辦“國際勘探地球物理學家學會（SEG）專題研討會”期間，在斯坦福中心和中關新園舉行了“高鐵地震學”專題報告會；同年，李幼銘研究員受《地球物理學報》編委會之托，匯總了高鐵地震學聯合研究組已取得的成果，在《地球物理學報》上以研究專欄形式集中發表。從此，高鐵地震學在全國范圍內被地球物理領域的專家學者接受和認同。
《高鐵地震學引論》是國內外第一本研究高鐵地震震源機理、地震波傳播規律及應用的科學著作，書中集合跨部門多單位近4年研究的成果，涉及以下內容。
第一部分　震源表達
第一章　在固定源格林函數的基礎上推導了移動點源的格林函數，并利用線性疊加原理進一步導出相應于移動點源組合和移動線源的格林函數。
第二章　闡述了行進在平地和高架橋上的高速列車震源屬性與數學表達。
第二部分　高鐵地震信號特征分析及應用
第三章　提出了基于擠壓時頻變換的高鐵地震信號分析及列車運行狀態參數估計方法。
第四章　提出了一種高鐵震源地震信號的稀疏化建模，進而實現從接收數據中分離出窄頻帶高鐵震源地震信號及寬頻帶背景信號。
第五章　從時域、頻域對高架橋模式的高鐵地震波場進行分析，充分挖掘了其中的穩定特征，并推廣到二維的臺陣上，結合其隨時間的變化提出了四維地頻圖的概念。
第六章　介紹在雄安地區進行高鐵地震數據采集時的地震儀布設，相應地給出了數據分析結果。
第三部分　記錄資料成像與反演
第七章　推導了基于高鐵震源函數的全波形反演，通過模型數據驗證了利用高鐵信號實現近地表監測的合理性。最后利用實際采集的高鐵地震信號進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據時存在的多源串擾問題。
第九章　推導了平地和高架橋兩種情況下的高鐵地震波場解析解，首次從理論上證明了橋墩在探測地球深部結構中的關鍵作用；分析了高鐵地震波場中可用干涉法提取的波場類型，首次從實測高鐵地震波場中成功提取出了面波和面波散射，并將其應用于近地表成像和反演。
第十章　研究了高鐵地震信號的特征,并提出了一套適用于此信號的時間域成像方法。
笫十一章　研究并在實際資料上驗證了高鐵地震波場中有效面波信號的提取方法,進而利用循環神經網絡對高鐵地震信號進行實時反演，獲得了淺層剪切波的速度結構。
第十二章　分析了分布式光纖聲波傳感（DAS）設備記錄的高鐵地震信號的基本特征，研究并建立了基于DAS數據的高鐵地震信號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用
第十三章　在第二章基礎上，考慮到高鐵列車這一特殊移動震源的復雜性，以及聚焦于高鐵地震波傳播過程中和介質的相互作用，本章提出在廣義連續介質力學框架下推導出兩種廣義彈性波方程，用于對高鐵地震波進行數值模擬，并開展與高鐵實際記錄比對的分析。
第十四章　給出地震波傳播尺度效應的定義，并應用于廣義彈性波方程進行尺度效應分析。在處理高鐵震源這一類復雜震源所產生的復雜地震波時，通過設置表征介質平均顆粒直徑的特征尺度參數模型，研究介質微結構非連續性對高鐵地震波的具體影響。
第十五章　針對廣義連續介質力學框架下的介質結構信息提取方法的必要性，提出由構建多層介質特征尺度參數模型進行全卷積神經網絡下的反演驗證途徑，可實現由地震記錄中直接獲得介質特征尺度參數，從而為應用于高鐵地震記錄的應用奠定基礎。
第五部分　觀測系統
第十六章　重點介紹六分量地震儀（三分量平動+三分量旋轉），尤其是當前引起地震學界廣泛關注的旋轉分量及其科學意義。
第十七章　詳細介紹了應用前景廣泛的分布式光纖測量系統工作原理。
需要特別指出的是，北京化工大學的王之洋教授給出了在廣義連續介質力學框架下的“廣義彈性波方程”的全面推導，并將其用于高鐵地震波場數值模擬，取得了良好的應用效果。這一全新理論框架下的廣義彈性波方程也必將在其他領域產生深遠的影響。
基于高鐵地震學研究在全國的有序開展和高鐵運行安全等國家重大需求，2021年3月，中華人民共和國科學技術部發布了“變革性技術關鍵科學問題”重點專項申報指南，其中“高鐵地震學研究”被列為第29項研究課題。該項目的正式立項也標志著由李幼銘研究員倡導的“高鐵地震學”研究獲得了國家的認同及支持，相關研究成果必將推動地下介質結構探測及監測等變革性技術的發展,進而為高鐵安全運行保駕護航，滿足國家重大需求。

陳文超（西安交通大學教授）
二○二二年三月六日

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

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


第二部分　高鐵地震信號特征分析及應用
第三章　高鐵震源地震信號的時頻域特征分析（王曉凱，陳文超，溫景充，寧杰遠，李嘉琪）36

第四章　復雜環境下高鐵震源地震信號提取方法（王曉凱，陳建友，陳文超，蔣一然，鮑鐵釗，寧杰遠）50

第五章　四維地頻圖及其應用（蔣一然，鮑鐵釗，李幼銘，劉磊，寧杰遠）64

第六章　雄安高鐵地震觀測臺陣及波場分析（溫景充，石永祥，鮑鐵釗，李幼銘，伍晗，包乾宗，寧杰遠）104


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

第八章　高鐵地震數據干涉成像技術（張喚蘭，王保利，寧杰遠，李幼銘）154

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

第十章　高鐵地震信號的時間域成像方法研究（劉璐，駱毅）192

第十一章　利用循環神經網絡的高鐵地震信號實時反演（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用
第十三章　廣義彈性波方程及在高鐵地震學中的應用（王之洋，白文磊，陳朝蒲，李幼銘）232

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

第十五章　介質特征尺度參數反演（朱孟權，李幼銘，王之洋，張成方）286


第五部分　觀測系統
第十六章　地震旋轉量觀測與六分量地震儀（操玉文，陳彥鈞，朱蘭鑫，陽春霞，曾衛益，張丁凡，李正斌）308

第十七章　分布式光纖振動傳感在鐵路行業的應用（SIGL Thomas，楊峰）344


附錄　利用開源網絡的搭建說明357

后記362