遙感技術在干熱巖選區中的應用
——以魯東地區為例

何雪琴，鄧清海，高宗軍，林海斌，耿許可

(山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266950)

地熱資源是指埋藏于地殼內、能被經濟合理地開發出來的熱能,包括蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱型和巖漿巖型等5種類型[1]。而干熱巖，作為干熱型地熱資源的代表，一般是指埋深 2～6km、溫度介于150～650°C 之間、內部不存在流體或僅有少量地下流體的致密不透水的高溫巖體，是一種具有巨大經濟效益的清潔能源。干熱巖資源開發利用在我國尚屬起步階段，但以其取之不盡用之不竭的地熱蘊藏量和清潔可循環利用等優勢受到廣泛的關注[2]。目前，我國松遼盆地、青海盆地、東南沿海等區域均已勘查出干熱巖資源[3-6]，但尋找干熱巖的技術還是很不成熟，大都用地球物理的方法[7-9]。其中鉆探雖然直觀，但費用較高且局限到點；物探不僅周期長、投資大、風險高，還可能對地熱資源可持續性的發展造成危害。而遙感技術可以快速地檢測地表熱場的變化，在短時間內獲取大面積地面溫度場信息，且受地面條件限制小，所以被廣泛用于探測地熱。該文在前人研究的基礎上，利用遙感這項高新技術，以魯東地區為例，對干熱巖的靶區尋找展開研究。

1 研究區概況

研究區為沂沭斷裂帶及其以東地區，包括日照、煙臺、威海、青島四市的全區，濰坊、臨沂部分區域；北、南瀕臨渤海、黃海，面積約50100km2。區域中部為膠萊盆地,其余地區屬于典型的中低山丘陵區，地勢起伏較大，大部分區域海拔高度在100～300m，地勢總體上表現為內陸較高，近海較低。研究區地處中緯度，屬于暖溫帶季風型半濕潤大陸性氣候區，四季分明，氣候溫和。

該次研究利用Landsat 8熱紅外數據開展了魯東地區地熱信息提取工作, Landsat8衛星攜帶有TIRS熱紅外傳感器和OLI陸地成像儀，采用Landsat8 OLI數據的多光譜波段Bandl0與其全色波段PAN進行融合處理，獲得的圖像具有較好的光譜分辨率和較高的空間分辨率(達15m)。

2 遙感解譯

遙感技術探測地熱的主要方式是通過地熱異常和控熱構造的遙感解譯來提取有關地熱資源的信息。在淺層地熱或者有熱泉分布的地區,直接利用熱紅外遙感圖像就可以獲取地熱 (異常) 信息。但對于深部地熱構造而言,直接利用熱紅外遙感技術無法獲取地熱異常信息,而一般要通過對控熱構造，如隱伏巖體、活動斷裂和深大斷裂的遙感解譯間接獲取地熱異常信息。

2.1 地質構造解譯

衛星遙感圖像具有直觀、綜合、宏觀的特點,在反映地質構造,特別是線性和環形形跡的分析時可提供大量新的地質信息。計算機圖像處理技術的應用使這些地質形跡得以突出增強,它客觀形象地反映區域構造特征與差異,為分析地質構造開拓了一個嶄新的技術途徑[10]。在遙感圖像上那些與地質作用有關的或受地質構造控制的線性影像可稱之為線性構造。線性構造解譯主要通過色調、水系及地貌等間接解譯標志來表現:色調標志為差異色調界線,呈直線或近似直線狀;水系標志為河流的直角拐彎或近直角拐彎,串珠狀水系重復出現;地貌標志有斷層崖及錯斷山脊等。環形構造是地球內部熱源在地殼中活動后在地表的反應，包括基底穹隆以及各時代沉積巖系的隆起、坳陷、背斜及向斜構造、火山機構等[11]。環形構造異常區通常與雜巖體群、礦體、火山構造等相對應，環形構造異常區與其成正相關，揭示了熱源巖體的位置。環形構造解譯標志主要是通過色調和形狀來表現,除此之外,地貌、水系也是識別環形構造的重要標志。

通過對landsat 8影像進行數據處理后，再進行人工目視解譯，得到了工作區的線環形構造分布圖(圖1)。

1—線性構造；2—環形構造圖1 遙感構造解譯圖

該次共解譯出環形構造27個，其主要分布特征如下：

(1)工作區南部的莒縣、五蓮、青島一帶，包含R01～R09共9個環形構造，自西南向東北延伸，其中面積較大的R02覆蓋了寨里河鄉、龍山、中樓鎮以及文疃鎮區域，面積為514.167km2，膠南的R08面積有395.973km2。而在五蓮縣區域，出現了環形構造疊加區。主要分布于石場街頭前魏家河山一線，發育有R04、R05和R06環形構造，在影像色澤、紋理上表現清晰，巖性變化明顯，弧形構造發育，結合前人研究成果分析，該區域的環形構造可能為火山作用形成。

(2)研究區域北部萊州招遠蓬萊一帶，包括R10～R19共10個環形構造，也是自西南向東北延伸，沿線分布有大田鎮、郭家店鎮、夏甸鎮、招遠市區、玲瓏鎮、下丁家鎮以及蓬萊部分市區。

(3)研究區東部濱海地區，包括R21～R27共7個環形構造，分布于海陽、乳山、文登以及榮城等地區。其中乳山市出現了環形構造疊加區，發育有R25和R26，從衛星影像圖上看呈心型，但R26因構造運動的作用，已不太規則。

(4)環形構造R20和R21則獨立分布于煙臺市與棲霞市的接壤處，且R21處有火山遺跡出現。

由Arcmap10.2面積統計功能，按照環形構造面積由大到小的原則，將環形構造評價指標劃分為：>400km2，為適宜；300～400km2，為較適宜；200～300km2，為一般適宜；100～200km2，為較不適宜；<100km2，為不適宜。

2.2 地表溫度反演

由于地熱資源的存在，會使得地表溫度比背景值高。所以地表溫度異常是地熱區域的重要指示器。紅外遙感通過測量地面物體輻射的紅外線來計算地物的溫度，是可以直接指示地熱資源遠景區。因此，可以利用遙感紅外攝影圖像資料圈定地表高溫異常區。圈定高溫異常區需排除地表建筑物，水體等因子的干擾，并結合當地氣溫，圈出高于當地最高氣溫的高溫異常區。

目前，地表溫度反演方法也是研究熱點。不同區域實際情況不同，選擇的方法也不相同。該次地表溫度反演主要利用熱紅外波段，Landsat8熱紅外波段主要是第10和11波段，采用大氣校正法(也稱為輻射傳輸方程：Radiative Transfer Equation-RTE)[12]，利用Landsat8數據反演出地表溫度?；诖髿庑Ｕ?，基本原理為首先估計大氣對地表熱輻射的影響, 然后把這部分大氣影響從衛星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去, 從而得到地表熱輻射強度, 再把這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度。

根據大氣校正法，利用Envi5.3反演出工作區地表溫度，然后進行密度分割，將反演的結果分為4個等級(圖2)：①大于35℃，為地表溫度異常區；②31～35℃，為高溫區；③28～31℃，為溫度較高區；④<28℃，低溫度區。

2.3 水熱蝕變信息提取

熱水汽與巖體的相互作用時，使得巖體發生化學變化。水熱蝕變最重要的蝕變反應為水解反應，水解反應的重要產物為羥基[13]。水熱蝕變異常區可以用來間接反映出干熱巖有利靶區。不同地物之間波譜特征的差異是遙感識別地物的基本依據。因其組成、結構、成分上明顯異于常規礦物，含羥基水熱蝕變礦物的波譜特征較其他礦物也會表現出較大的不同，據此利用遙感影像來提取羥基蝕變信息。根據典型含羥基礦物(如高嶺石、葉臘石、綠泥石等)的反射波譜特征，該類礦物在波長2.2～2.3μm(大體等效于OLI的第7波段范圍)附近有很強的吸收譜帶(圖3)，使得這類水熱蝕變礦物的波譜曲線會在OLI的5波段和7波段產生一個異常低值，而在OLI的2波段和6波段則會產生一個相對的高值。因此，選取OLI的第2,5,6,7波段進行主成分變換，生成4個主成分分量。

根據變換特征的向量矩陣，波段2，6前系數同符號(同為正或負號)，波段5，7前系數同符號，但2組符號不同者對應的分量中即包含羥基信息。對選定的分量進行統計分析，分別以“均值+N倍標準差”(N=3，2.5，2，1)為閾值，提取羥基蝕變一級、二級、三級、四級異常區。最后，將三景結果鑲嵌為一景，得到研究區羥基蝕變分布圖(圖4)。圖中紅色、黃色、綠色及湖藍色區域分別為羥基蝕變一級、二級、三級和四級異常區。

對比研究區的地質圖可以發現，羥基蝕變區主要分布在花崗侵入巖體(環形構造)附近、線性構造帶或者河床沿海沖(沉)積物上。圖5、圖6為典型蝕變區的遙感圖像對照圖。

1—大于35℃；2—31～35℃；3—28～31℃；4—小于28℃圖2 工作區地表溫度反演結果圖

圖3 典型粘土類礦物的反射波譜特征圖

1—一級異常；2—二級異常；3—三級異常；4—四級異常；5—背景色圖4 研究區羥基蝕變分布圖

圖5 分布于線性構造帶的羥基蝕變區

圖5蝕變區位于山東威海乳山市西北部，據遙感圖像特征推測區內有礦石開采活動，圖中紅色一級異常區可能對應礦點及尾礦庫，根據地質資料，該區域NNW，SSE向斷裂發育，二三級異常區走向與斷裂方向基本一致。

圖6 分布于環形構造區(侵入巖)的羥基蝕變區

圖6蝕變區位于日照市北部山區，東南與日照水庫相鄰，主要為二級、三級異常區，受區內侵入巖體控制，蝕變帶呈似環形分布。

3 干熱巖有利選區

結合遙感解譯出的因子，在查閱相關文獻的基礎上[14-16],綜合選取了重力異常、大地熱流、地溫梯度3個因子輔助干熱巖靶區的選定。研究區布格重力異常值在-30～40mGal之間變化，且在招遠、威海、五蓮、青島呈現極低負異常圈閉區，在膠萊盆地、煙臺、臨沂、莒縣呈現極高正異常圈閉區。研究區的重力異常變化與地形起伏之間的相關性極高。異常值較高對應沉積盆地或是凹陷的部位；異常值較低對應構造的隆起部位。綜上所述，按照布格重力異常值由高到低的原則，將重力異常評價指標分為：>20mGal，為適宜；10～20mGal，為較適宜；0～10mGal，為一般適宜；-10～0mGal，為較不適宜；<-10mGal，為不適宜。大地熱流值介于49.83～85.41mW/m2之間變化[17]，其算數平均值為62.45mW/m2，接近全球平均大地熱流值(62.81mW/m2)，這是由于研究區中生代受印支-燕山運動影響，古板塊發生活化作用導致的。在大地構造上可劃分為2個較高和1個較低地熱異常區，有2個較高熱異常區與膠北隆起和文登隆起分別相對應，一個較低地熱異常區與膠萊盆地相對應，因此將大地熱流值評價指標劃分為：>80mW/m2，為適宜；70～80mW/m2，為較適宜；60～70mW/m2，為一般適宜；50～60mW/m2，為較不適宜；<60mW/m2，為不適宜。地溫梯度是衡量地下溫度變化快慢的度量，通常用恒溫帶以下每深入地下 100m 所增加的溫度值來表示。該次研究搜集了研究區內相關地溫資料來獲取地溫梯度數據，參考部分數據整理繪制研究區地溫梯度等值線圖(圖7(c))，按照地溫梯度值由高到低的原則，將地溫梯度評價指標分為：>25 ℃/km，為適宜；20～25 ℃/km，為較適宜；15～20 ℃/km，為一般適宜；10～15 ℃/km，為較不適宜；<15 ℃/km，為不適宜。

圖7 (a)重力異常圖；(b)大地熱流值圖；(c)地溫梯度圖

將研究區以市區為單位，劃分為30個評價單元，采用專家打分法，對每個評價單元的6個評價因子進行打分。然后采用層次分析法,進行權重分析。層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)用來建立系統層次結構模型，是美國運籌學家T.L.Saaty于20世紀70年代提出的一種定量與定性相結合的層次化系統分析方法[18]，將復雜問題按照隸屬關系組成分級層次機構，適用于難以分析的系統問題，具有較高的有效性和可行性。

表1 判斷矩陣打分標準及其含義

首先通過表1打分標準，為該次評價體系涉及的6個評價指標構造判斷矩陣。然后通過Excel 2007進行權重計算，結果如下表2。

最后，魯東地區開發適宜性選區綜合評價[19]使用公式:

式中：P為評價單元的 EGS勘查開發選區適宜性綜合評分值；n為評價因子的總數，該次評價中取 6；Pi為第i個評價因子的給定指數；Ai為第i個評價因子的權重，根據層次分析法得出的權重見表3。

表2 權重分析結果

表3 研究區綜合評分

4 結論

魯東地區位于歐亞板塊與太平洋板塊的邊緣俯沖帶上，強烈的俯沖、擠壓作用，形成較高的地溫梯度區。該區中生代時期巖漿活動劇烈，巖漿活動過程中，從深部傳導大量熱量，在該區域可以形成理想的干熱巖資源。文章通過遙感解譯，對魯東地區的構造，地熱異常，水熱蝕變進行了等級劃分，并結合收集的布格重力異常、大地熱流地熱異常、地溫梯度地熱異常等數據，最終得到如下結論：

(1)遙感技術適合大范圍對地觀測研究，解譯精度較高，同時結合地溫地熱資料，可以輔助干熱巖靶區的確定。

(2)干熱巖開發適宜區主要是日照市，較適宜區有招遠市、棲霞市、諸城市、五蓮縣、莒南縣、青島市、即墨區，其他市區相比較較不適宜。

(3)干熱巖的有利賦存條件與其當地的地質背景有關，特別是地熱地溫異常區，是干熱巖在近地表的溫度反應，預示下部存在高溫巖體。

(4)此次研究將對改善地方投資、帶動地方資源利用發揮重要作用，對有效改善魯東地區能源供應結構、促進經濟社會可持續發展具有良好的社會效益。