一直以來，地震學界将道路振動視為影響地震觀測的噪聲。近年來，國内外學者開始探索利用這類綠色震源對地下結構進行探測和監測。十多年來，我國進行了大規模的高速鐵路建設，高鐵覆蓋密度高、車次多，且具有很好的可重複性，因而成為國内學者的首要研究對象。相關研究成果有助于将高鐵等道路噪聲轉化為優質地震信号，對地下結構進行高精度探測和監測，服務于高鐵地基安全、淺層勘探、地下空間利用、智慧城市建設、地震預測等重大需求。

以高鐵為代表的道路震源是典型的移動組合源，和傳統點源顯著不同，需要進一步研究其波場特征。震源的位置随着列車的行駛而改變，會産生相應的多普勒效應。明确高鐵地震波場中的多普勒效應及其影響是理解其波場特征的關鍵，也是利用高鐵地震波場進行高精度地下結構探測和監測的基礎。

在最近的研究中，beat365官方网站理論與應用地球物理研究所甯傑遠教授團隊基于理論推導和與觀測資料的對比，确認了高鐵地震波場中多普勒效應的存在，揭示了多普勒效應對高鐵地震波場特征的影響模式。進一步地，他們提出了一種基于多普勒效應的介質波速測量方法，展示了高鐵多普勒效應的應用潛力。研究成果以“高鐵地震波場中的多普勒效應及應用”為題發表于《中國科學：地球科學》中英文版2022年第3期，并被遴選為封面文章(圖1)。

圖1 期刊封面及文章首頁

文章提出，對于運行在高架橋上的高速列車，車廂周期性産生的一系列特征頻率（“車頻”）不會産生多普勒效應；相反地，由橋墩周期性産生的特征頻率（“橋頻”）則存在多普勒效應，在列車前後存在藍移與紅移。多數情況下，“車頻”的基頻約為3.2Hz，“橋頻” 的基頻約為2.5Hz。實際資料中，二倍“橋頻”處有明顯的頻率移動，四倍紅移“橋頻”與三倍“車頻”、五倍藍移“橋頻”與四倍“車頻”分别耦合而産生能量增強，與理論分析結果完全一緻(圖2)。

圖2 三個合成記錄(a~c)和兩個實際記錄(d、e)

(a)單節車廂單組輪子；(b)單節車廂4組輪子；(c)多節車廂4組輪子。橫軸是頻率，縱軸是振幅譜的幅值。藍色，車到前；紅色，車到後。(d)和(e)中藍色和紅色箭頭分别标明拾取到的車到前、車到後二倍橋頻的位置

文章進一步提出了基于多普勒效應的介質波速測量方法。利用高鐵的重複性進行多車次疊加後，可以有效提高測量精度(圖3)。論文通過不同觀測點的測量結果顯示，該方法具有很好的一緻性和穩定性，可用于監測高鐵沿線地基的波速變化。

圖3 利用疊加頻譜測量得到橋頻(a、b)及其對應的介質波速(c、d)

(a)和(c)的結果來自于RD002台站；(b)和(d)的結果來自于所有台站。橫坐标表示橋墩段與RD002台的距離，以北向為正；每個點及縱向線段分别表示對應6組記錄測量結果的平均值和标準差。(a)和(b)中黑點為車到前二倍橋頻的測量結果，灰色點為車到後二倍橋頻的測量結果；(d)中為了圖像清晰，剔除了标準差大于300 m/s的測速結果

出版信息

中文:蔣一然,甯傑遠,溫景充,石永祥. 2022.高鐵地震波場中的多普勒效應及應用.中國科學:地球科學, 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