遙感技術在塔什庫爾干谷地地熱資源調(diào)查中的應用

于浩，史杰，阮傳明

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊，新疆 昌吉 831100)

地球表面溫度的產(chǎn)生主要來源于太陽能的輻射加溫作用，其次來源于地球深部熱源[1]。前者以電磁波輻射形式進行熱傳遞，對地球表面的增熱起主導作用，覆蓋所有地表。后者為需要研究的地熱資源，是以傳導和對流方式進行傳遞，主要由構(gòu)造控制，受地層巖石的物理性質(zhì)影響，在地表形成熱異常，屬局部增溫現(xiàn)象,是尋找地熱資源的直接線索[2-3]。冬至前后是全年太陽高度最低，地面接收的太陽輻射量最少的時段，此時地球深部的熱源對地表溫度的貢獻較高，選擇該時段進行熱紅外數(shù)據(jù)地熱異常信息提取為最佳時間窗口。

近年來，隨著遙感技術的發(fā)展，許多學者開展了基于熱紅外遙感技術的地熱異常區(qū)地表溫度反演研究，取得了較好的效果。楊波等利用TM6數(shù)據(jù)在騰沖地區(qū)西南部進行地熱異常信息提取[4]，結(jié)合地質(zhì)解譯對地熱資源進行了預測；辛磊等基于Landsat8 數(shù)據(jù)進行單窗算法反演石家莊地區(qū)地表溫度[5]，結(jié)合夜間熱紅外影像、遙感構(gòu)造解譯,査明了潛在地熱異常分布區(qū)；賀金鑫等基于Landsat8 數(shù)據(jù)對遼東地熱區(qū)地表溫度進行反演[6]，并對高溫異常區(qū)和已知溫泉點的空間分布特征進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)溫泉點均位于高溫異常區(qū)。

2010—2016 年，新疆地礦局第二水文地質(zhì)工程大隊在塔什庫爾干縣提孜那甫鄉(xiāng)曲曼村一帶開展了地熱資源勘查和研究工作，首次在新疆圈定了高溫地熱資源1處，利用地質(zhì)調(diào)查分析、物探、地熱鉆探、化探及槽探等綜合方法，實現(xiàn)了地熱資源的新突破。本文利用遙感技術對該區(qū)進行地熱異常信息提取與驗證，充分發(fā)揮遙感快速、經(jīng)濟、定量化熱量資源和熱場分布所具有的優(yōu)勢，為地熱有利區(qū)優(yōu)選提供理論和技術支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔什庫爾干谷地北段沖洪積平原區(qū)，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制，谷地近NS向展布，東西兩側(cè)為高山，谷地內(nèi)總體地勢南高北低、西高東低，海拔3 040～4 700 m，谷地較寬處約15 km，較窄處不足3 km，總體呈“U”形。新生代以來，隨著NS 向構(gòu)造應力的持續(xù)作用，研究區(qū)形成了以塔什庫爾干斷裂為主導的控制性斷裂[7]，以右旋走滑為主，伴生發(fā)育NE向、NNE向次級斷裂。研究區(qū)西、南側(cè)發(fā)育的喜山期侵入巖熱輻射是主要地熱熱量來源，塔什庫爾干斷裂帶的形成和演化為巖體的侵入、構(gòu)造裂隙的形成提供了空間和動力來源，對深部地熱流體起到連通、運移和儲存作用，屬控熱斷裂。異常區(qū)熱儲蓋層由第四系含泥砂礫石層、亞粘土層，新近系泥質(zhì)砂礫巖組成，粘土層、泥巖、泥質(zhì)巖隔水性好，熱導率低，具保溫效果，為理想的蓋層[8]。蓋層厚度多小于300 m，據(jù)EH4 物探結(jié)果顯示，地熱田深部斷裂破碎帶發(fā)育，具較好的連通性，導致熱儲呈近面狀展布，隨深度增大，由500 m至800 m深度熱儲面積逐漸減小、寬度逐漸變窄，并表現(xiàn)出NE向、NNE 向的帶狀展布特征。受斷裂構(gòu)造控制，地熱地質(zhì)條件及潛水位埋深等存在較大差異，北部熱儲埋深普遍較淺，恒溫帶埋深小于10 m；南部不具有良好的淺層地溫顯示，其恒溫帶深度在70 m 以上。研究區(qū)存在多眼地熱井，地熱流體溫度約100℃，部分在140℃以上，鉆孔揭露最高地溫161℃，最高流體溫度144℃。熱儲受構(gòu)造斷裂控制，為帶狀熱儲構(gòu)造復雜的I-2型高溫地熱田。

2 地質(zhì)構(gòu)造解譯

利用國產(chǎn)高分7 號遙感數(shù)據(jù)，以塔什庫爾干斷裂為主干進行地質(zhì)構(gòu)造解譯（圖1），由東向西分別提取F1、F2、F3、F44條次級斷裂，這些斷層的活動控制著塔什庫爾干谷地基底形態(tài)、地質(zhì)地貌發(fā)育和演化過程。從展布形態(tài)看，斷層間相互切割錯斷，東部斷層傾向西、西部斷層傾向東，在谷地中形成了復雜的“網(wǎng)”狀斷裂系統(tǒng)。斷裂長期活動并橫向擴展，使塔什庫爾干地區(qū)形成寬約3～15 km的斷陷谷地，谷地內(nèi)部形成地塹、地壘的構(gòu)造組合。谷地兩側(cè)山麓地帶地形呈梯狀下降，保留了連續(xù)發(fā)育的斷層三角面、斷層陡坎、斷層谷等地貌景觀。這些斷裂構(gòu)造的發(fā)育為地熱資源的形成、儲存、運移等提供了必要的空間條件。

圖1 遙感地質(zhì)構(gòu)造解譯圖Fig.1 Interpretation map of remote sensing geological structure

F1斷層位于谷地東邊界斷層，傾向西，傾角不明，地表行跡清晰，切割了元古界變質(zhì)巖山體和沖溝中的全新統(tǒng)沖洪積地層，形成斷層陡坎、斷層崖以及斷層溝谷等構(gòu)造地貌，使山脊、河流、沖溝等發(fā)生明顯的右行錯動，最大錯動距離約70 m，在地表形成明顯的線狀斷裂構(gòu)造。

F2、F3、F4為張拉性斷裂，向北延伸至托爾推其山，巖體侵入于中—上元古界片麻巖中，變質(zhì)變形較強。巖石呈灰色，具鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，其余部分隱伏在覆蓋層下部，斷層多具韌-脆性特點，斷面多南傾，傾角較緩，其兩側(cè)斷層形成對沖組合模式，控制了混雜巖帶的物質(zhì)組成。區(qū)物探調(diào)查顯示，該二維地震剖面較明顯的反映了3 條斷層的基本特征，F(xiàn)2、F3傾向西，傾角65°～80°，F(xiàn)4傾向東，傾角50°～80°。地磁測量及可控源剖面均有明顯異常顯示，屬導熱、儲熱斷層，具較好通導性。

3 地熱異常提取

采用Landsat8 OLI/TIRS 遙感數(shù)據(jù)，成像時間選擇冬至前后，且無云雪覆蓋，獲取研究區(qū)過境的影像數(shù)據(jù)，時間分別為：2014年12月15日、2015年12月2日、2016年12月20日、2019年12月29日、2020年12月31日，共計5期。

對每期遙感數(shù)據(jù)分別進行輻射校正、地表溫度反演，形成地表溫度時間序列數(shù)據(jù)，逐像元計算方差，表示地表溫度離散度。研究發(fā)現(xiàn)，地表受到陰影、云體、雪、植被等遮擋，太陽輻射不能直達，對地面受熱產(chǎn)生影響，需作為干擾地物消除。優(yōu)選一期Landsat8 OLI 數(shù)據(jù)進行輻射校正、大氣糾正，提取干擾地物作為掩膜，對方差數(shù)據(jù)進行掩膜處理，采用均值濾波去除孤立圖斑，通過閾值分割提取地熱異常（圖2）。

圖2 研究區(qū)地表溫度離散度分布圖Fig.2 Distribution map of surface temperature dispersion

3.1 地表溫度反演

目前熱紅外遙感技術在反演地表溫度方面非常成熟，具代表性的算法有：Jiménez-Munoz 等人的單通道算法[9]、覃志豪等人的單窗算法[10]、Rozenstein等人的劈窗算法[11]。本文采用覃志豪等人提出的單窗算法進行地表溫度反演，計算公式見式(1)～(3)。

式中：Ts為地表溫度（K）；a、b 為常數(shù)；ε為地表比輻射率；τ為大氣透過率；Ta為大氣平均作用溫度（K）；Tb為亮度溫度。

3.2 離散度計算

將多期地表溫度反演數(shù)據(jù)進行疊加，形成時間序列數(shù)據(jù)，逐像元計算方差，統(tǒng)計每期數(shù)據(jù)相對均值的偏離情況，并使用平方的方式進行求和取平均，避免正負數(shù)相互抵消，得到研究區(qū)地表溫度離散程度圖。方差越小，表明數(shù)據(jù)越聚集，離散度越低；方差越大，表明數(shù)據(jù)越離散，離散度越高。

式中：x為像元對應的某期反演地表溫度值；M為像元對應地表溫度平均值；n為期數(shù)；S2為方差。

4 驗證及分析

研究區(qū)發(fā)育不同期次的活動斷裂，構(gòu)成復雜的斷裂裂隙系統(tǒng)，斷裂性質(zhì)以張性及張剪性為主，其間具較好的聯(lián)通性。調(diào)查結(jié)果顯示，斷裂兩側(cè)圍巖以元古界變質(zhì)巖為主，呈高阻性，覆蓋層以下，呈低阻性，為良好熱儲，熱儲受區(qū)內(nèi)斷裂裂隙控制，由斷裂破碎帶及周邊裂隙構(gòu)成。隨深度由500 m 增大至800 m，熱儲面積逐漸減小、寬度逐漸變窄，在地表呈NE 向和NNE 向帶狀分布特征，與遙感解譯的地質(zhì)構(gòu)造基本一致（圖3）。

圖3 研究區(qū)地熱異常信息提取圖Fig.3 Geothermal anomaly information extraction map

對研究區(qū)地表離散度數(shù)據(jù)進行掩膜和濾波處理，剔除水系沉積區(qū)、陽坡、以及暗色地層的干擾，重點關注斷裂、斷裂交匯處、侵入巖接觸帶的異常，共提取具有一定規(guī)模的異常區(qū)5 處，主要分布在曲曼村北、塔什庫爾干河岸西側(cè)及附近山前沖擊平原地帶。與工程勘查結(jié)果對比，1 號、2 號異常區(qū)為一處完整地熱體，3號、4號異常區(qū)為一處完整地熱體（表1）。5號異常區(qū)位于塔什庫爾干河東岸河漫灘，位于F1斷裂處，屬新發(fā)現(xiàn)地熱異常體。

表1 地熱異常區(qū)工程勘查情況表Table 2 Engineering exploration in geothermal abnormal area

5 結(jié)論

（1）冬至前后是全年太陽輻射最少的時段，此時地球深部的熱源致使地表溫度異常突顯，選擇該時段遙感數(shù)據(jù)進行地熱異常信息提取為最佳時間窗口。

（2）研究區(qū)西、南側(cè)發(fā)育的喜山期侵入巖熱輻射是主要熱量來源。以塔什庫爾干斷裂為主，遙感解譯提取次級斷裂4 條，均屬導熱、儲熱斷層，斷裂構(gòu)造的發(fā)育為地熱資源的形成、儲存、運移等提供了必要的空間條件。

（3）通過遙感地質(zhì)構(gòu)造解譯，結(jié)合工程勘查成果，研究區(qū)共提取5 處地熱異常區(qū)，其中有4 處與實地情況吻合，1處有待于驗證，表明該方法能夠快速、有效地確定地熱場形態(tài)和范圍，為地熱資源調(diào)查與工程勘查提供參考依據(jù)。