移动震源——高铁激发的地震波理论和实用化探索

From the seismological point of view, high-speed train is a kind of moving source, and the resulting vibration of the ground surface contains abundant information about the medium of the Earth. Utilization of the vibration information is a kind of beneficial supplement to understanding of the underground medium and distribution of active faults by natural earthquakes and artificial sources. It is therefore the basis to study in detail the seismic wave field due to moving source, which are of significance in both theory and practice. Compared with the prevailing numerical simulation, the essential property of the wave caused by moving source can be analyzed theoretically by applying the Green’s function of moving point source, which are the unique advantage of theoretical analysis. In this project, we plan to extend the method we presented in previous work on exact closed-form of the Lamb’s problem to the case of moving source. We plan to obtain the Green’s function for moving sources, and construct simplified models for high-speed trains, and study the property of wave field theoretically. We plan to apply the properties of seismic source extracted from the recorded vibrations to adjust the moving source model, and improve the method for synthetic seismograms. Also, we will make a primary attempt to apply the method to inversion of the medium of the Earth.

从地震学角度看，高铁列车是一种移动震源，它所产生的地表振动富含近地表地球介质的信息。充分利用这些信息，将对于用天然地震或人工源产生的地震波了解地下介质结构和活断层分布是个有益的补充。因此从理论上详细地研究移动源辐射的地震波场，是实现上述目标的基础，无疑具有重要的理论和现实意义。相较于目前主流的数值模拟，基于理论分析得到的移动源Green函数可以将波场最本质的特点解析地提取出来加以理论研究，因此具有独特的优势。在本项目研究中，拟将前期所做关于Lamb问题的闭合形式解析解的工作推广到移动点源的情况，获得移动源Green函数，并基于此构建高铁的简化震源模型，从理论上研究其波场性质。根据对观测资料所做分析得到的高铁的性质，进一步修正高铁震源模型，完善其对应的合成理论地震图方法，并对运用其进行地进行地球介质的反演进行初步的尝试。

与天然地震和人工爆破的震源相比，以运行的高铁列车为代表的移动震源具有为数众多、可重复性好、稳定性高，且绿色环保等特点。为了利用这种新型震源产生的振动信息进行浅层结构探测，需要充分认识运动源产生的波场特点。为此，在本项目中，我们构建了在地表运动的点源模型，分别通过理论分析得到了半空间内部和表面的波场，并研究了其特征。此外，我们还针对均匀半空间和双层均匀弹性介质模型，分别得到了面波激发公式，成功地实现了面波成分的分离。具体地说，本项目取得了以下成果：1. 基于Bakker et al.(1999)的半空间内部位移的积分解，通过深入的理论分析得到了广义闭合形式解。数值结果显示了不同运动速度对位移波形的影响很大。2. 特别针对观测点位于地表的情况，推导了在地表运动的点源导致的位移场的积分解和广义闭合形式解，发现Rayleigh极点和运动项极点在位移中占很大的比重，同时根据位移信息清晰地显示出多普勒效应；3. 针对半空间介质，研究了Rayleigh波的激发问题，获得了解析的Rayleigh波激发公式。首次展示了由点源激发的近场Rayleigh波质点运动轨迹为斜椭圆，随着震中距的增大逐渐变为直立椭圆，这对经典的平面Rayleigh波的结果是个补充；4. 将介质模型推广为双层介质，得到了双层介质中Rayleigh波和Love波的解析激发公式，并据此获得了各自的质点运动轨迹和面波地震图。此外，在本项目的支持下，还开展了若干有关震源动力学的研究，并发表了标注论文。本项目的研究成果增进了对于地震波本质的认识，并为进一步开展利用运动源激发的地震波记录反演浅层构造奠定了基础。