安康石泉縣溫度場、水熱蝕變與主要斷裂帶空間關系

許 力，馬潤勇，潘愛芳，張 璠

安康石泉縣溫度場、水熱蝕變與主要斷裂帶空間關系

許 力1，馬潤勇1，潘愛芳2，張 璠1

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2. 長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054)

斷裂構造、水熱蝕變信息與地表真實溫度場是地熱資源的重要指示標志。為研究三者空間分布關系，基于石泉地區的Landsat8 OLI遙感影像數據，采用輻射傳輸方程的方法反演地表溫度場；并選用主成分分析法提取羥基水熱蝕變信息。以已知斷裂為中心，向斷裂帶兩側建立等間距的緩沖區，統計緩沖區內的平均地表溫度與蝕變強度；以距斷裂帶中心平均距離為橫軸，繪制三者之間的關系曲線，進一步描述真實溫度場、水熱蝕變分布與主要斷裂構造之間的關系。結果表明，北西走向的兩河–池河斷裂帶影響范圍內平均溫度最高，平均溫度比為22.582%，與城關–池河斷裂帶和近南北走向的兩河斷裂相似，斷裂帶位置與地表溫度場和蝕變信息之間存在較強的相關性；北西走向的兩河–后柳斷裂帶、兩河–曾溪斷裂帶處于平均溫度曲線梯度變化范圍內，推測斷裂帶兩側可能分屬不同的溫度場；對平均溫度、蝕變強度分布具有較強控制作用的斷裂帶具有較強的活動性；最多斷裂帶交匯點處的蝕變面積比為4.263 2%，平均溫度比為21.178%，反映了斷裂帶交匯點處的活動性較強。

空間分析；斷裂活動性；地熱；遙感；石泉縣

作為高溫熱流體運移的通道，斷裂構造是地熱資源勘查的標志之一，其與地熱資源空間分布之間存在著密切的聯系[1-4]。深部高溫熱水(氣)沿活動斷裂向淺表運移將在地表形成溫度異常，在與圍巖、礦石等發生相互作用后可能形成蝕變帶[5-8]，因此，分析斷裂構造與地表溫度場、水熱蝕變空間關系，對了解區域熱環境、熱構造特征，判斷研究區構造活動劇烈程度及預測地熱資源成熱遠景區具有重要意義。遙感影像具有時間和空間連續性強、信息提取方法多樣、數據成本低廉、來源豐富等優點，在地學領域發揮著重要作用[9]。多年來，國內外許多學者開展遙感影像的紅外波段反演地表溫度場與地質構造活動間關聯的研究，主要為2個方面：①地表紅外遙感信息和隱伏構造間的關系，例如，根據衛星紅外遙感波段信息反演地表的熱異常，綜合分析不同構造層的熱特征，解釋隱伏構造[10]；通過對多波段熱紅外遙感信息的處理，分析區內地裂縫帶地表熱異常的關系[11]。②探索地表熱現象與構造活動間的聯系，例如，通過分析研究斷裂兩側熱紅外輻射亮溫差異，間接證明斷裂兩側的活動性差異[12]；通過系統研究某一區域多年地表熱紅外影像，對高溫異常條帶進行分區統計整理發現，地震年份地表平均溫度數值顯著高于非震年份，由此可佐證構造活動發生位置與地表溫度場空間分布之間存在聯系[13]。前人曾對遙感影像反演水熱蝕變的方法技術及相關應用開展較深入的研究，張玉君等[14]系統研究各蝕變信息提取方法的適用性，建立蝕變信息提取流程方法；李淼淼等[15]采用比值法與主成分分析法相結合的手段，對新疆且末地區的ASTER數據進行蝕變信息提取，有效消除數據冗余和背景噪聲。此外，國外一些研究者也關注到地熱資源富集區往往存在斷裂帶與地表熱異常區、蝕變礦物異常富集區相伴出現的特征并展開研究，D. Y. Mengistu等[16]使用Langsat8 TIRS遙感數據提取埃塞俄比亞主要裂谷的地表熱異常分布，認為該區高地熱異常背景分布與區內斷裂發育分布基本一致，使用TRI遙感分析技術與區域地質構造、地熱發育機制相結合是探測地熱遠景區的有效方法。K. Drüppel等[17]發現萊茵河上游地塹地熱開采中與基底相連的斷裂和裂隙構造內的蝕變礦物含量，溶蝕量的多少主要取決于背景溫度值。目前，研究者已認識到斷裂構造與地表熱現象及蝕變信息分布之間存在相關性，但多數研究仍停留在定性階段，尚缺少對三者之間關系的定量分析。

據報道[18]，石泉縣近鄰的漢陰縣蒲溪鎮已發現具備開采價值的地熱田，且在井深1 600 m發現50℃熱水；處于相似構造帶內的漢中市勉縣已大規模開發建設其境內的九昱溫泉[19]，上述證據表明石泉縣具備地熱資源的賦存條件。筆者以石泉縣域為研究對象，Landsat8 OLI衛星遙感影像為數據源，使用大氣校正、輻射傳輸方程的方法反演地表溫度場，選取主成分分析法提取地表羥基蝕變信息。在此基礎上，定量分析石泉縣主要斷裂帶與水熱蝕變強度、地表溫度場之間的空間關系，以此特征來指示斷裂帶的活動性強弱及地熱開發潛力。

1 研究區構造背景概況

陜西省安康市石泉縣位于揚子板塊北緣的巴山–大別巨型逆沖推覆帶西段邊緣，屬于揚子板塊北緣與南秦嶺褶皺系交匯地帶(圖1)。新生代以來，受板塊間碰撞后期相互擠壓作用的影響，新構造活動十分活躍[20]。區內構造單元主要有秦嶺造山帶前陸逆沖斷褶帶、巴山–大別南緣巨型推覆前鋒逆沖帶、南秦嶺南部晚古生代隆升帶、勉略縫合帶[21]。

石泉縣新生代以來的構造運動屬于安康盆地新構造運動體系，位于安康盆地的北西側。由于古近紀揚子板塊向東俯沖運動的幅度逐漸加強，南秦嶺造山帶的整體抬升[22]，導致安康盆地南緣的安康月河斷裂發生左旋走滑運動，斷裂安康–恒口段出現拉分斷陷區，相鄰的石泉–漢陰段則發生推擠；伴隨著拉分量的增大，原始盆地成形；新近紀末期，盆地北緣斷裂發生強烈的逆沖作用，盆地整體抬升，拉分作用終止[23]。新生代以來，該盆地整體表現為不等速間歇性升降；與此同時，鄰區旬陽北部發現大量熱水沉積，表明區周圍火山活動頻繁[24]。受此影響，區內構造活動比較復雜，北西向、近南北向、北東向走向的斷裂相互疊加交織、改造利用，構成石泉縣新生代以來的構造格局(圖2)。

研究區主要發育有北西走向的兩河–池河斷裂(F3)、城關–池河斷裂(F6)、兩河–后柳斷裂(F4)、兩河–曾溪斷裂(F5)、曾溪–喜河斷裂(F7)；近東西走向的兩河–饒峰斷裂(F2)與兩河斷裂(F1)；北東走向的喜河–熨斗斷裂(F8)。其中，F3為安康盆地主控斷裂月河大斷裂的石泉地區段。

圖1 研究區區域構造單元劃分

1—第四系；2—平行不整合界面；3—含球狀分異的輝長巖；4—偉晶巖脈；5—實測斷層；6—主要斷層編號；7—花崗斑巖；8—二疊系下統；9—石炭系下統；10—石炭系中統；11—石炭系上統；12—寒武系下統；13—奧陶-寒武系； 14—下元古界西鄉群；15—含黑云母花崗巖、片麻狀斑狀花崗巖；16—泥盆系公館組下部；17—泥盆系韓城溝組上部；18—志留系下統；19—奧陶系；20—寒武系中-上統；21—泥盆系韓城溝組下部；22—泥盆系蟠龍山組；23—二疊系中統；24—三疊系中-下統；25—新近系；26—志留系鄖西群；27—志留系耀嶺河群

2 數據處理

2.1 數據預處理

2.2 研究區地表溫度提取

地表真實溫度(LST)是指地表吸收太陽輻射后溫度升高，經測量后所顯示的溫度值。根據適用條件的不同，常見的地表溫度反演方法分為單通道算法[26-27]、劈窗算法[28]、多通道算法[29]。石泉縣處于秦巴山脈之間，植被覆蓋率高，水系發達，本次選用單通道算法的輻射傳輸方程法作為研究區地表真實溫度的反演方法[30]，輻射亮度、地表比輻射率與植被覆蓋率是輻射傳輸方程法反演地表溫度場所需的3個主要參數。采用混合像元分解法對預處理后的研究區遙感影像進行處理，獲取研究區地表植被覆蓋率v，計算公式[31]如下：

式中：為歸一化差異植被指數；s和v分別為裸土和純植被區的，分別賦值為0.05與0.70[31]。在計算過程中，若某區域值大于純植被區，則定義v值為1；若某區域值小于裸土區，則認為v值為0[32]。

地表比輻射率反映地表像元地物組分的構成比例及成分。根據前人的研究成果[33]，將研究區地物比輻射率分為水體、城鎮與自然表面3組，水體的比輻射率定義為0.995，城鎮與自然表面比輻射率可由Van經驗算法估算得到[32]，即：

式中：b和s分別為城鎮和自然表面的比輻射率。

在NASA(https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)為Landsat 8所提供大氣參數查詢網站中輸入遙感影像的中心經緯度、遙感信息獲取時間等參數，即可獲得本次地表真實溫度場反演所需的大氣透過率、大氣下行輻射、大氣上行輻射等大氣參數[33]，經過輻射傳輸方程計算可以獲取研究區的輻射亮度，將之代入普朗克公式的反函數中[31]，可獲取研究區地表真實溫度場分布情況(圖3)。

2.3 研究區羥基OH-蝕變信息提取

比值法[15]、光譜角法和主成分分析法[34]常被用于多光譜數據提取礦化蝕變信息。為保證蝕變信息提取精度，本次選用主成分分析法來提取羥基蝕變信息。主成分分析法通過線性變換去除波段間的相關性，使變換后的各主成分分量分別代表不同的地質意義，且相互獨立、互不重復，實現蝕變信息主要集中在某一向量內[35]。根據含羥基礦物的波譜特征(圖4)，0.5、1.6 μm處的吸收谷對應Landsat 8數據的Band 2(0.45~0.515 μm)和Band 6(1.56~1.66 μm)；0.8、2.2 μm處的反射峰對應于Landsat 8數據的Band 5(0.845~0.885 μm)和Band 7(2.1~2.3 μm)。

對Band2、Band5和Band6、Band7進行主成分分析，其特征向量值(表1)表明第4主成分向量(PC4)滿足羥基蝕變信息在Band2和Band6上吸收符號為負、Band5和Band7上反射符號為正的特征。

將符合上述要求的PC4進行濾波，以消除噪聲；對濾波后的圖像數據進行統計分析，其數據近似符合正態分布。對提取的蝕變信息均值加2、2.5、3倍標準差作為閾值，對蝕變信息進行分級[34]，獲得研究區蝕變分布圖(圖5)。

圖3 石泉縣地表溫度分布

1—高嶺土；2—明礬石；3—蒙脫石；4—白云母；5—綠泥石

表1 波段(2、5、6、7) 特征向量值

圖5 石泉縣羥基蝕變分布

2.4 結果驗證

研究區縱橫交錯的輸電、鐵路等線路工程所產生的熱異?？赡軙Φ乇碚鎸崪囟确囱莸慕Y果造成影響。為驗證其結果的可靠性，在研究區進行了650 km2的地溫測量，在排除人類活動所產生的異常干擾后，得到研究區淺層土壤溫度測量成果圖(圖6)。

通過以上步驟產生的空調系統，同樣需要進行三種驗證。第一，主要設備額定流量的匹配；第二，末端溫度滿足預設值；第三，動力設備壓頭達到要求。滿足以上要求，可視為空調系統合理。

圖6 石泉縣淺層土壤測量溫度

對比圖3與圖6異常高溫區與斷裂帶的出現位置，可以看出斷裂帶F3周圍存在比較明顯的北西向橢圓形高溫異常帶，且與F3斷裂空間越靠近，其溫度值越大。兩幅圖的對比結果說明了反演方法選擇合理，證明反演結果的可信性。

3 蝕變信息、地表溫度場與斷裂帶空間關系

在反演后的地表溫度和羥基蝕變分布圖上，以斷裂構造為中線，將斷裂兩側6 km的范圍等距離劃分為60個緩沖單元。使用分段均值法統計緩沖區內地表平均溫度[36]；引入加權蝕變強度()，對研究區蝕變異常場的異常強度進行分析處理，將其定義為：

式中：α表示單位像元的蝕變量；S表示單位像元面積；表示單個緩沖區總面積。

以距斷裂中心的平均距離為自變量，繪制平均距離與地表平均溫度、蝕變強度間的相關曲線(圖7)，圖中橫軸0的位置表示斷裂帶的中心，曲線延伸方向與斷裂帶走向方向正交；正負則表示與斷裂帶的相對位置。

由圖7可見，隨著與斷裂帶中心距離的增大，地表平均溫度、蝕變強度呈減弱趨勢，這一規律在斷裂帶F1、F3、F6、F8處表現得尤為明顯。從地質構造上來講，斷裂F3和F6呈北西走向，其中F3為區域主控斷裂月河大斷裂在石泉縣境內的分段，F6斷裂為F3斷裂的次級斷裂，這兩條斷裂由早古生代隆起軸部產生的斷裂所形成，新生代活動明顯，至第四紀仍有活動；斷裂F1與F8形成期次較晚，構造活動比較活躍。進一步分析可以發現，斷裂帶F2與F4的斷裂中心處于溫度變化梯度范圍內，推斷其斷裂兩側可能分屬2個更大尺度的溫度帶；斷裂帶F5蝕變強度峰值和平均溫度峰值與斷裂帶中心并不重合，且2個峰值出現位置也不重合，推斷這3條斷裂構造活動性均較弱，是造成上述現象的主要原因。F7斷裂走向北西西，對斷裂兩側平均溫度控制作用較強；距斷裂中心距離越大，溫度值越小，而蝕變強度則并未表現出這種趨勢。

一般而言，斷裂帶交匯處會表現出更加活躍的地質構造運動，為進一步探究斷裂帶、地表平均溫度與蝕變強度之間的關系，以斷裂交匯處為中心，劃定15個間隔為200 m的等距環形緩沖區，分別統計各緩沖區蝕變強度、地表平均溫度值。將環形緩沖區分別與蝕變信息、地表真實溫度圖進行疊加，統計緩沖單元內的蝕變強度、平均溫度；繪制蝕變強度、地表平均溫度與距斷裂交匯中心平均距離的相關曲線(圖8)。

圖7 不同斷裂平均地表溫度、蝕變強度與平均距離關系曲線

圖8 斷裂交匯中心半徑3 km范圍內蝕變強度、平均溫度值隨平均距離變化曲線

由統計結果可知，F1—F5(圖8a)與F3和F6(圖8b)斷裂交匯點表現出隨與斷裂交匯中心距離增大，蝕變強度、平均溫度值減小的趨勢，但F3和F6交匯點處數據開始減小的位置稍微與交匯中心有所偏移。F5和F7交匯點(圖8c)、F4和F7交匯點(圖8d)與F8和F7交匯點(圖8e)處并沒有明顯表現出這種趨勢。通過綜合對比圖7與圖8可以看出，F3斷裂對羥基蝕變、地表真實溫度場具有較強的控制及影響作用；而F4F5與F7對異常場的控制作用較弱，因此，分析認為圖8a與圖8b中數值變化規律性主要受斷裂帶F3的控制。從空間上看，研究區蝕變信息與地表真實溫度場的高值異常分布呈北西走向，近似與斷裂帶F3和F6重合，而斷裂帶F4、F5與F7影響范圍內未表現出明顯的羥基蝕變信息，地表真實溫度場也未出現顯著異常。由此說明研究區構造活動最為活躍的斷裂應該是兩河–池河(F3)斷裂及城關–池河(F6)斷裂。

進一步對斷裂帶兩側及交匯點處緩沖區內溫度場、蝕變信息分布情況進行分析，統計緩沖區內平均溫度值與研究區背景溫度值之間的比值，命名為平均溫度比r：

式中：T為緩沖區內的平均溫度；a為研究區的溫度背景值。

統計緩沖區內蝕變區面積與緩沖區總面積之間的比值，命名為蝕變面積比：

得到統計結果見表2、表3。

表2 斷裂帶兩側緩沖區內異常分布統計

表3 斷裂帶交匯點處異常分布統計

由統計結果可知，斷裂帶兩側緩沖區內平均溫度比最高為22.582%，最高蝕變面積比為1.423 7%；且出現最高值空間位置并不重合；斷裂交匯點處最高平均溫度比為21.178%，最高蝕變面積比為4.263 2%；且二者均位于最多斷裂交匯點影響范圍內；由此可知，斷裂交匯點處的蝕變強度與溫度值大于斷裂帶附近，其構造運動也更加活躍。

4 結論

a.羥基蝕變強度、地表平均溫度值的大小與距斷裂帶中心平均距離相關性的穩定程度取決于斷裂帶的活動性強弱；這一規律在兩河斷裂(F1)、兩河–池河(F3)斷裂及城關–池河(F6)斷裂處表現得尤為明顯。

b.兩河–后柳斷裂(F4)與兩河–曾溪斷裂(F5)的斷裂中心處于平均溫度曲線的梯度變化范圍內，推斷其斷裂兩側可能分屬于不同的溫度場。

c.斷裂交匯點處的平均溫度比與蝕變面積比數值較大，反映了該區域活動性較強。

d.通過蝕變面積比與平均溫度比的統計，可知兩河–池河斷裂(F3)、城關–池河斷裂(F6)對地表真實溫度與水熱蝕變控制作用較強，宜將兩條斷裂影響范圍劃做地熱資源賦存遠景區進行重點勘查。

e. 地表溫度場、水熱蝕變與斷裂構造是研究地熱問題的3個重要方面，協同使用3個因子解釋同一問題可以有效避免主觀因素的影響。

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Spatial relationship between temperature field, hydrothermal alteration and main faults in Shiquan County, Ankang

XU Li1，MA Runyong1，PAN Aifang2，ZHANG Fan1

(1. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China; 2. School of Earth Science and Land Resource, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

The fault structure, hydrothermal alteration information and the true surface temperature field are important indicators of geothermal resources. In order to study the spatial distribution of the three, based on the Landsat8 OLI data in Shiquan area, the radiative transfer equation method was used to invert the land surface temperature(LST); and the principal component analysis method was used to extract the hydroxyl hydrothermal alteration information. With the known fault as the center, equally spaced buffer zones on both sides of the fault zone were set up to calculate the average surface temperature and hydrothermal alteration distribution in the buffer zone; the average distance from the center of the fault zone was used as the horizontal axis to plot the relationship among the three. The curve further described the relationship among the true temperature field, the hydrothermal alteration distribution and the main fault structures. The results showed that the NW-trending Lianghe-Chihe fault zone had the highest average temperature in the affected area, with an average temperature ratio of 22.582%, which was similar to the Chengguan-Chihe fault zone and the nearly north-south Lianghe fault. The location of the fault zone was consistent with the surface temperature field. There was a strong correlation between the alteration information; the NW-trending Lianghe-Houliu fault zone and Lianghe-Zengxi fault zone were within the gradient of the average temperature curve. It is speculated that the two sides of the fault zone may have different temperatures field; the fault zone that has a strong control effect on the average temperature and alteration intensity distribution has strong activity; the alteration area ratio at the intersection of the fault zone is 4.263 2%, and the average temperature ratio is 21.178%, reflecting the activity at the intersection of the fault zone is strong.

spatial analysis;fault activity; geothermal; remote sensing; Shiquan County

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P624.6

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.028

1001-1986(2020)06-0207-10

2020-08-14；

2020-11-09

國家自然科學基金項目(41572264)

National Natural Science Foundation of China(41572264)

許力，1995年生，男，陜西洛南人，碩士研究生，從事巖土工程研究工作. E-mail：478291998@qq.com

馬潤勇，1961年生，陜西子洲人，博士，教授，從事巖土工程、地質工程研究工作. E-mail：13572091368@163.com

許力，馬潤勇，潘愛芳，等. 安康石泉縣溫度場、水熱蝕變與主要斷裂帶空間關系[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：207–216.

XU Li，MA Runyong，PAN Aifang，et al. Spatial relationship between temperature field，hydrothermal alteration and main faults in Shiquan County，Ankang[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：207–216.

(責任編輯 周建軍)