我院宁杰远课题组确认高铁地震波场中存在多普勒效应

　　一直以来，地震学界将道路振动视为影响地震观测的噪声。近年来，国内外学者开始探索利用这类绿色震源对地下结构进行探测和监测。十多年来，我国进行了大规模的高速铁路建设，高铁覆盖密度高、车次多，且具有很好的可重复性，因而成为国内学者的首要研究对象。相关研究成果有助于将高铁等道路噪声转化为优质地震信号，对地下结构进行高精度探测和监测，服务于高铁地基安全、浅层勘探、地下空间利用、智慧城市建设、地震预测等重大需求。

　　以高铁为代表的道路震源是典型的移动组合源，和传统点源显著不同，需要进一步研究其波场特征。震源的位置随着列车的行驶而改变，会产生相应的多普勒效应。明确高铁地震波场中的多普勒效应及其影响是理解其波场特征的关键，也是利用高铁地震波场进行高精度地下结构探测和监测的基础。

　　在最近的研究中，北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理研究所宁杰远教授团队基于理论推导和与观测资料的对比，确认了高铁地震波场中多普勒效应的存在，揭示了多普勒效应对高铁地震波场特征的影响模式。进一步地，他们提出了一种基于多普勒效应的介质波速测量方法，展示了高铁多普勒效应的应用潜力。研究成果以“高铁地震波场中的多普勒效应及应用” 为题发表于《中国科学：地球科学》中英文版2022年第3期，并被遴选为封面文章(图1)。

　　

　　图1 期刊封面及文章首页

　　文章提出，对于运行在高架桥上的高速列车，车厢周期性产生的一系列特征频率（“车频”）不会产生多普勒效应；相反地，由桥墩周期性产生的特征频率（“桥频”）则存在多普勒效应，在列车前后存在蓝移与红移。多数情况下，“车频”的基频约为3.2 Hz，“桥频”的基频约为2.5 Hz。实际资料中，二倍“桥频”处有明显的频率移动，四倍红移“桥频”与三倍“车频”、五倍蓝移“桥频”与四倍“车频”分别耦合而产生能量增强，与理论分析结果完全一致(图2)。

　　

　　图2 三个合成记录(a~c)和两个实际记录(d、e)

(a) 单节车厢单组轮子；(b) 单节车厢4组轮子；(c) 多节车厢4组轮子。横轴是频率，纵轴是振幅谱的幅值。蓝色，车到前；红色，车到后。(d)和(e)中蓝色和红色箭头分别标明拾取到的车到前、车到后二倍桥频的位置

　　文章进一步提出了基于多普勒效应的介质波速测量方法。利用高铁的重复性进行多车次叠加后，可以有效提高测量精度(图3)。论文通过不同观测点的测量结果显示，该方法具有很好的一致性和稳定性，可用于监测高铁沿线地基的波速变化。

　　

　　图3 利用叠加频谱测量得到桥频(a、b)及其对应的介质波速(c、d)

(a)和(c)的结果来自于RD002台站；(b)和(d)的结果来自于所有台站。横坐标表示桥墩段与RD002台的距离，以北向为正；每个点及纵向线段分别表示对应6组记录测量结果的平均值和标准差。(a)和(b)中黑点为车到前二倍桥频的测量结果，灰色点为车到后二倍桥频的测量结果；(d)中为了图像清晰，剔除了标准差大于300m/s的测速结果

　　

　　出版信息

　　中文: 蒋一然, 宁杰远, 温景充, 石永祥. 2022. 高铁地震波场中的多普勒效应及应用. 中国科学: 地球科学, 52(3): 438−449, doi: 10.1360/SSTe-2021-0053

　　英文: Jiang Y, Ning J, Wen J, Shi Y. 2022. Doppler effect in high-speed rail seismic wavefield and its application. Science China Earth Sciences, 65(3): 414−425,https://doi.org/10.1007/s11430-021-9843-0