关键词：虚拟地震测深方法；SsPmp 震相；地壳结构探测
引 言
Moho 面是地球内部重要的间断面之一，是地壳和地幔之间的过渡面. 不同的构造单元对应不同的 Moho 面形态，如稳定克拉通地区的 Moho 面形态相对平缓，地壳厚度接近全球大陆平均地壳厚度（Teng et al., 2013, 2014; Zhang et al., 2011b）；部分克拉通地区，如华北克拉通，因发生一系列复杂构造运动，Moho 面起伏变化较大，地壳结构复杂（ 武 岩 等 ， 2018； 朱 日 祥 ， 2007； 朱 日 祥 等 ，2012）；造山带下方的 Moho 面形态较为复杂，起伏剧烈，地壳厚度变化较大（嘉世旭和张先康,2005; Laske et al., 2013; Xu et al., 2015; 张明辉等,2015; Zhang et al., 2011a, 2013, 2014; Zheng et al.,2009）. 因此，研究 Moho 面的形态和地壳厚度有助于理解研究区域的构造环境和演化过程（高锐等, 2009; 刘震等, 2015; Liu et al., 2017），能为地下深部结构的精细探测提供约束（Liu et al., 2017;
Tian et al., 2015; Xu et al., 2015; 张明辉等, 2015）.传统探测 Moho 面形态的方法主要是深反射地震探测（又称近垂直反射地震探测）（高锐等, 2009; Lüet al., 2015）和宽角反射/折射地震探测（Teng et al,2013, 2014; 张 明 辉 等 , 2015; Zhang et al., 2011a,2011b, 2013, 2014）. 深反射地震探测采用小当量震源激发，接收来自炮点下方浅层地壳中各主要界面的反射波，探测壳内波阻抗界面的结构信息，具有较高的横向和垂向分辨率. 宽角反射/折射地震探测采用大当量震源激发，接收来自地壳和上地幔特定深度的反射波和回折波，因记录的震相在空间上具有较好的连续可追踪性，该方法具有较高的横向分辨率，能得到较高精度的地壳速度结构. 但是，由于传统人工地震探测方法成本高，易受区域环境影响，且在资料解释方法上较多依赖于人为经验，制约了该类方法在大范围深部探测中的应用。
天然地震成像方法利用自然界发生的地震，探测成本相对较低，且震源能量大，能探测大尺度深部结构（刘晏廷等，2024）. 其中，接收函数法是地震领域一直使用的、通过远震 Pms 或 Smp 转换震相对岩石圈内不连续面进行成像的方法（Chenand Ai, 2009; Kind et al., 2002; 武振波等, 2016; 张晓青等, 2024）. 但是，由于 Moho 面多次波震相的干扰，及壳内强的速度间断面对 Moho 面震相识别的影响，制约了接收函数法对 Moho 界面识别的准确性. 利用从背景噪声中提取的面波和体波信息也可以获得岩石圈内部界面信息（李奇等, 2021; 马小军和吴庆举, 2025; Tibuleac and von Seggern, 2012），但是，由于信噪比相对较低，该方法在探测界面方面应用较少. Owens 和 Zandt（1997）利用 1991—1992 年中美合作在青藏高原布设的流动台阵数据 ， 首 先 从 原 始 波 形 垂 向 分 量 中 分 别 提 取 了SsPmp 震相和 Sp 震相相对于直达 S 波的到时差，通过波形模拟两个震相，估计了台阵下方的地壳厚度和泊松比. SsPmp 震相是远震 S 波在地表激发的下行 P 波在 Moho 面反射的震相，在地表的激发点类似于人工源炮点，能量强、信噪比高，利用SsPmp 震相可以研究地壳的厚度（Liu et al., 2019;Zandt and Randall, 1985; Zhou et al., 2000）. Tseng等（2009）通过发展这种方法成功探测了青藏高原的地壳厚度，并将该方法称为虚拟地震测深（virtual deep seismic sounding, VDSS） . 近 年 来 ，VDSS 已经成为一种新的壳幔边界成像方法，并已成功应用于澳大利亚（Thompson et al., 2019）、美国 东 西 部 地 区 （ Parker Jr et al., 2016; Yu et al.,2016）、青藏高原及其周边地区（Chen and Jiang,2020; 亢豆等, 2017; 史克旭等, 2020; Tian et al.,2015; Tseng et al., 2009）、峨眉山大火成岩省（Liuet al., 2017）、华北克拉通（Liu et al., 2018, 2020）等地区的地壳厚度探测中. 本文旨在概述 VDSS 的工作原理、优势、局限性，展示其在不同地质环境中的应用案例，并探讨其未来的发展方向。
1 方法原理
地震波在传播过程中遇到速度界面会发生反射、折射，并在此过程中会发生 P 波和 S 波之间的转换，这种转换充当了速度界面后续反射的虚拟源. 当直达 S 波在自由表面经过一次反射后，部分转换为P 波，下行 P 波在 Moho 界面反射后被台站接收到的震相，为 SsPmp 震相（图 1a）. 对于 SsPmp 震相，自由表面下的 S 波到 P 波的转换是 Moho 面后续 P 波反射的虚拟源。
1.1 探测原理
对于层状各向同性介质，SsPmp 震相与直达Ss 波震相的到时差为：
其中， 表示 SsPmp 与 Ss 之间的到时差，H 表示地壳厚度，VP 表示地壳 P 波速度，pβ 表示入射 S 波的射线参数. 本质上，到时差 是地壳中 P 波的双向传播时间，主要依赖于地壳厚度、地壳 P 波速度和入射 S 波的射线参数的变化.对于震中距在 30°～50°之间的深源地震事件，射线参数 pβ 一般大于最上层地幔中的 P 波速度的倒数，下行 P 波会在 Moho 面发生全反射，这部分转换能量几乎能全部被反射回地表，会产生振幅与地震图垂直分量上的直达 S 波相当的 SsPmp 震相（ Liu et al., 2017; Yu et al., 2012, 2016） . 利 用SsPmp 震相与 Ss 波的相对到时差，通过已知的 P波速度和射线参数，可以反演地壳厚度，研究 Moho面的深度。
1.2 影响因素及广泛适应性
SsPmp 震相到时差及波形主要与地壳厚度、Pn 波速度、Sn 波速度、地壳平均 P 波速度、S 波速度及射线参数等因素有关（Chen et al., 2013; Liuet al., 2018, 2020; 刘震等, 2015; Yu et al., 2013）. 地壳厚度只影响 SsPmp 与 Ss 震相之间的到时差，Pn波速度、Sn 波速度、壳内 S 波速度的改变不会影响到时差，但会对 SsPmp 的相位产生影响，导致SsPmp 震相的波形发生改变；射线参数和壳内 P 波速度对到时差和 SsPmp 的相位均有影响. 当岩石圈具有明显的横向非均匀性时，可用射线理论对震相到时进行定量建模，即在可观察到可靠的具有较强振幅的 SsPmp 震相的情况下，可以利用反投影方法对壳幔边界进行成像，其准确性取决于我们对该区岩石圈结构的了解程度，但这种情况下会进一步扭曲 SsPmp 的平面波前面假设，此时将无法利用射 线 理 论 对 该 震 相 进 行 正 演 模 拟 （ Liu et al.,2018）. 当壳幔边界存在明显间断时，SsPmp 震相相移受下地壳 P 波速度、上地幔 P 波速度和射线参数控制，表明 SsPmP 震相可以约束下地壳和上地幔 P 波速度（Liu et al., 2018）.
VDSS 方法一般选择深源地震，以排除源区其他震相的干扰，而 Yu 等（2013）对 VDSS 方法进行了改进，通过提取垂向与径向分量的 S 子波信号并对其进行反褶积来消除近源区散射的影响，使得该方法不仅可以利用深源地震记录，也可以利用浅源地震记录来约束地壳厚度. Kang 等（2016）利用 SsPmp 与 Ss 震相到时差随震中距（或射线参数）的关系，通过将两者的到时差的显著变化作为距离的函数改进了 VDSS，建立了关于地壳厚度 H 和地壳平均 P 波速度的线性方程（公式 2），通过最小二乘法求解，可得到地壳厚度与地壳平均 P 波速度的最佳估计值及其不确定性，通过利用澳大利亚两个永久台站的地震数据，展示了该方法在实际应用中的有效性和可行性. Chen 和 Chen（2020）在利用上述方法同时确定地壳厚度 H 和地壳平均 P 波速度的基础上，引入 Sp 震相（即 SV 波在 Moho面上的转换 P 波），通过测量 Sp 震相与直达 Ss 波震相的到时差，确定了地壳平均 S 波速度（公式 3）。
VDSS 方法一般针对单个地震台站数据，而针对复杂的构造区域，该方法测量出的直达 Ss 波与全反射 SsPmp 波之间的到时差比真实值要小，且只对 P 波速度敏感，所以得出的地壳厚度结果一般与接收函数结果和 Airy 重力均衡模型预测结果相差较大. 针对该问题，魏晓拙等（2018）对 VDSS方法进行改良，通过直接测量测线上的直达 Ss 波与反射 SsPmp 波震相的走时，搜索得到满足到时差方程的地壳厚度解，解决了单台 VDSS 方法无法应用于 S 波速度梯度较大的地区的缺点. 该方法被成功应用于一条跨龙门山构造带的线性台阵的地震数据上，且结果显示出了与地表构造较高的一致性（魏晓拙等，2018）.
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结论与展望
Moho 面是地球内部重要的间断面之一，其形态和地壳厚度有助于理解研究区域的构造环境和演化过程，能为地下深部结构的精细探测提供约束.VDSS 是一种新的壳幔边界成像方法，利用对 Moho面细节不敏感的大而清晰的全反射震相 SsPmp 与直达 Ss 波震相到时差，提供了对整个地壳厚度的稳健估计. VDSS 方法中的激发点类似于人工源炮点，但相比于人工源测深法，不仅成本低，还因所使用的 SsPmp 震相具有能量强、信噪比高的特点而不易受近地表沉积层、地壳小尺度结构扰动及接收点环境噪声的影响，即使 Moho 面相对比较复杂，利用单个质量好的远震事件也可以很好地确定地壳的平均特性. VDSS 方法具有广泛的适应性，不仅适用于深源地震和孤立台站的数据，也可应用于浅源地震和密集台阵数据中，并成功应用于青藏高原地区、造山带与盆地地区、峨眉山大火成岩省等多种不同地质环境中. 因此，VDSS 作为一种新兴的地壳结构探测技术，以其独特的优势在地震学领域展现出巨大的潜力。
SsPmp 震相到时差受地壳厚度、地壳平均 P 波速度及射线参数的影响. 利用 SsPmp 与 Ss 震相之间的到时差与震中距（或射线参数）的关系，可以同时获得地壳厚度与地壳平均 P 波速度. SsPmp 震相的相位会受到 Pn 波速度、Sn 波速度、壳内 S 波速度、射线参数和壳内 P 波速度的影响. 当壳幔边界存在明显间断时，SsPmP 震相又可以约束下地壳和上地幔 P 波速度. 此外，反射波的振幅大小与界面上下岩层的波阻抗差直接相关，波阻抗差越大，反射波的振幅越强. 因此，未来工作中可将反射波振幅的横向变化纳入地壳结构的探测中，以期对壳幔边界的深度变化有更好的诊断。
VDSS 对发生全反射的速度界面敏感，而接收函数方法对界面两侧速度差较大的界面敏感，两者结合可以对地壳厚度、地壳平均 P 波速度和上地幔顶部 P 波速度等信息进行更加严格的约束. 此外，将 VDSS 与地震层析成像、重力测量等其他地球物理方法结合，有望提供更全面的地壳结构图像. 因此，通过不断的技术革新和跨学科融合，VDSS 将在未来地壳结构研究中扮演着更加重要的角色。
参考文献（略）
