遥感技术在干热岩选区中的应用——以鲁东地区为例

何雪琴，邓清海，高宗军，林海斌，耿许可

(山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266950)

地热资源是指埋藏于地壳内、能被经济合理地开发出来的热能,包括蒸汽型、热水型、地压型、干热型和岩浆岩型等5种类型[1]。而干热岩，作为干热型地热资源的代表，一般是指埋深 2～6km、温度介于150～650°C 之间、内部不存在流体或仅有少量地下流体的致密不透水的高温岩体，是一种具有巨大经济效益的清洁能源。干热岩资源开发利用在我国尚属起步阶段，但以其取之不尽用之不竭的地热蕴藏量和清洁可循环利用等优势受到广泛的关注[2]。目前，我国松辽盆地、青海盆地、东南沿海等区域均已勘查出干热岩资源[3-6]，但寻找干热岩的技术还是很不成熟，大都用地球物理的方法[7-9]。其中钻探虽然直观，但费用较高且局限到点；物探不仅周期长、投资大、风险高，还可能对地热资源可持续性的发展造成危害。而遥感技术可以快速地检测地表热场的变化，在短时间内获取大面积地面温度场信息，且受地面条件限制小，所以被广泛用于探测地热。该文在前人研究的基础上，利用遥感这项高新技术，以鲁东地区为例，对干热岩的靶区寻找展开研究。

1 研究区概况

研究区为沂沭断裂带及其以东地区，包括日照、烟台、威海、青岛四市的全区，潍坊、临沂部分区域；北、南濒临渤海、黄海，面积约50100km2。区域中部为胶莱盆地,其余地区属于典型的中低山丘陵区，地势起伏较大，大部分区域海拔高度在100～300m，地势总体上表现为内陆较高，近海较低。研究区地处中纬度，属于暖温带季风型半湿润大陆性气候区，四季分明，气候温和。

该次研究利用Landsat 8热红外数据开展了鲁东地区地热信息提取工作, Landsat8卫星携带有TIRS热红外传感器和OLI陆地成像仪，采用Landsat8 OLI数据的多光谱波段Bandl0与其全色波段PAN进行融合处理，获得的图像具有较好的光谱分辨率和较高的空间分辨率(达15m)。

2 遥感解译

遥感技术探测地热的主要方式是通过地热异常和控热构造的遥感解译来提取有关地热资源的信息。在浅层地热或者有热泉分布的地区,直接利用热红外遥感图像就可以获取地热 (异常) 信息。但对于深部地热构造而言,直接利用热红外遥感技术无法获取地热异常信息,而一般要通过对控热构造，如隐伏岩体、活动断裂和深大断裂的遥感解译间接获取地热异常信息。

2.1 地质构造解译

卫星遥感图像具有直观、综合、宏观的特点,在反映地质构造,特别是线性和环形形迹的分析时可提供大量新的地质信息。计算机图像处理技术的应用使这些地质形迹得以突出增强,它客观形象地反映区域构造特征与差异,为分析地质构造开拓了一个崭新的技术途径[10]。在遥感图像上那些与地质作用有关的或受地质构造控制的线性影像可称之为线性构造。线性构造解译主要通过色调、水系及地貌等间接解译标志来表现:色调标志为差异色调界线,呈直线或近似直线状;水系标志为河流的直角拐弯或近直角拐弯,串珠状水系重复出现;地貌标志有断层崖及错断山脊等。环形构造是地球内部热源在地壳中活动后在地表的反应，包括基底穹隆以及各时代沉积岩系的隆起、坳陷、背斜及向斜构造、火山机构等[11]。环形构造异常区通常与杂岩体群、矿体、火山构造等相对应，环形构造异常区与其成正相关，揭示了热源岩体的位置。环形构造解译标志主要是通过色调和形状来表现,除此之外,地貌、水系也是识别环形构造的重要标志。

通过对landsat 8影像进行数据处理后，再进行人工目视解译，得到了工作区的线环形构造分布图(图1)。

1—线性构造；2—环形构造图1 遥感构造解译图

该次共解译出环形构造27个，其主要分布特征如下：

(1)工作区南部的莒县、五莲、青岛一带，包含R01～R09共9个环形构造，自西南向东北延伸，其中面积较大的R02覆盖了寨里河乡、龙山、中楼镇以及文疃镇区域，面积为514.167km2，胶南的R08面积有395.973km2。而在五莲县区域，出现了环形构造叠加区。主要分布于石场街头前魏家河山一线，发育有R04、R05和R06环形构造，在影像色泽、纹理上表现清晰，岩性变化明显，弧形构造发育，结合前人研究成果分析，该区域的环形构造可能为火山作用形成。

(2)研究区域北部莱州招远蓬莱一带，包括R10～R19共10个环形构造，也是自西南向东北延伸，沿线分布有大田镇、郭家店镇、夏甸镇、招远市区、玲珑镇、下丁家镇以及蓬莱部分市区。

(3)研究区东部滨海地区，包括R21～R27共7个环形构造，分布于海阳、乳山、文登以及荣城等地区。其中乳山市出现了环形构造叠加区，发育有R25和R26，从卫星影像图上看呈心型，但R26因构造运动的作用，已不太规则。

(4)环形构造R20和R21则独立分布于烟台市与栖霞市的接壤处，且R21处有火山遗迹出现。

由Arcmap10.2面积统计功能，按照环形构造面积由大到小的原则，将环形构造评价指标划分为：>400km2，为适宜；300～400km2，为较适宜；200～300km2，为一般适宜；100～200km2，为较不适宜；<100km2，为不适宜。

2.2 地表温度反演

由于地热资源的存在，会使得地表温度比背景值高。所以地表温度异常是地热区域的重要指示器。红外遥感通过测量地面物体辐射的红外线来计算地物的温度，是可以直接指示地热资源远景区。因此，可以利用遥感红外摄影图像资料圈定地表高温异常区。圈定高温异常区需排除地表建筑物，水体等因子的干扰，并结合当地气温，圈出高于当地最高气温的高温异常区。

目前，地表温度反演方法也是研究热点。不同区域实际情况不同，选择的方法也不相同。该次地表温度反演主要利用热红外波段，Landsat8热红外波段主要是第10和11波段，采用大气校正法(也称为辐射传输方程：Radiative Transfer Equation-RTE)[12]，利用Landsat8数据反演出地表温度。基于大气校正法，基本原理为首先估计大气对地表热辐射的影响, 然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去, 从而得到地表热辐射强度, 再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。

根据大气校正法，利用Envi5.3反演出工作区地表温度，然后进行密度分割，将反演的结果分为4个等级(图2)：①大于35℃，为地表温度异常区；②31～35℃，为高温区；③28～31℃，为温度较高区；④<28℃，低温度区。

2.3 水热蚀变信息提取

热水汽与岩体的相互作用时，使得岩体发生化学变化。水热蚀变最重要的蚀变反应为水解反应，水解反应的重要产物为羟基[13]。水热蚀变异常区可以用来间接反映出干热岩有利靶区。不同地物之间波谱特征的差异是遥感识别地物的基本依据。因其组成、结构、成分上明显异于常规矿物，含羟基水热蚀变矿物的波谱特征较其他矿物也会表现出较大的不同，据此利用遥感影像来提取羟基蚀变信息。根据典型含羟基矿物(如高岭石、叶腊石、绿泥石等)的反射波谱特征，该类矿物在波长2.2～2.3μm(大体等效于OLI的第7波段范围)附近有很强的吸收谱带(图3)，使得这类水热蚀变矿物的波谱曲线会在OLI的5波段和7波段产生一个异常低值，而在OLI的2波段和6波段则会产生一个相对的高值。因此，选取OLI的第2,5,6,7波段进行主成分变换，生成4个主成分分量。

根据变换特征的向量矩阵，波段2，6前系数同符号(同为正或负号)，波段5，7前系数同符号，但2组符号不同者对应的分量中即包含羟基信息。对选定的分量进行统计分析，分别以“均值+N倍标准差”(N=3，2.5，2，1)为阈值，提取羟基蚀变一级、二级、三级、四级异常区。最后，将三景结果镶嵌为一景，得到研究区羟基蚀变分布图(图4)。图中红色、黄色、绿色及湖蓝色区域分别为羟基蚀变一级、二级、三级和四级异常区。

对比研究区的地质图可以发现，羟基蚀变区主要分布在花岗侵入岩体(环形构造)附近、线性构造带或者河床沿海冲(沉)积物上。图5、图6为典型蚀变区的遥感图像对照图。

1—大于35℃；2—31～35℃；3—28～31℃；4—小于28℃图2 工作区地表温度反演结果图

图3 典型粘土类矿物的反射波谱特征图

1—一级异常；2—二级异常；3—三级异常；4—四级异常；5—背景色图4 研究区羟基蚀变分布图

图5 分布于线性构造带的羟基蚀变区

图5蚀变区位于山东威海乳山市西北部，据遥感图像特征推测区内有矿石开采活动，图中红色一级异常区可能对应矿点及尾矿库，根据地质资料，该区域NNW，SSE向断裂发育，二三级异常区走向与断裂方向基本一致。

图6 分布于环形构造区(侵入岩)的羟基蚀变区

图6蚀变区位于日照市北部山区，东南与日照水库相邻，主要为二级、三级异常区，受区内侵入岩体控制，蚀变带呈似环形分布。

3 干热岩有利选区

结合遥感解译出的因子，在查阅相关文献的基础上[14-16],综合选取了重力异常、大地热流、地温梯度3个因子辅助干热岩靶区的选定。研究区布格重力异常值在-30～40mGal之间变化，且在招远、威海、五莲、青岛呈现极低负异常圈闭区，在胶莱盆地、烟台、临沂、莒县呈现极高正异常圈闭区。研究区的重力异常变化与地形起伏之间的相关性极高。异常值较高对应沉积盆地或是凹陷的部位；异常值较低对应构造的隆起部位。综上所述，按照布格重力异常值由高到低的原则，将重力异常评价指标分为：>20mGal，为适宜；10～20mGal，为较适宜；0～10mGal，为一般适宜；-10～0mGal，为较不适宜；<-10mGal，为不适宜。大地热流值介于49.83～85.41mW/m2之间变化[17]，其算数平均值为62.45mW/m2，接近全球平均大地热流值(62.81mW/m2)，这是由于研究区中生代受印支-燕山运动影响，古板块发生活化作用导致的。在大地构造上可划分为2个较高和1个较低地热异常区，有2个较高热异常区与胶北隆起和文登隆起分别相对应，一个较低地热异常区与胶莱盆地相对应，因此将大地热流值评价指标划分为：>80mW/m2，为适宜；70～80mW/m2，为较适宜；60～70mW/m2，为一般适宜；50～60mW/m2，为较不适宜；<60mW/m2，为不适宜。地温梯度是衡量地下温度变化快慢的度量，通常用恒温带以下每深入地下 100m 所增加的温度值来表示。该次研究搜集了研究区内相关地温资料来获取地温梯度数据，参考部分数据整理绘制研究区地温梯度等值线图(图7(c))，按照地温梯度值由高到低的原则，将地温梯度评价指标分为：>25 ℃/km，为适宜；20～25 ℃/km，为较适宜；15～20 ℃/km，为一般适宜；10～15 ℃/km，为较不适宜；<15 ℃/km，为不适宜。

图7 (a)重力异常图；(b)大地热流值图；(c)地温梯度图

将研究区以市区为单位，划分为30个评价单元，采用专家打分法，对每个评价单元的6个评价因子进行打分。然后采用层次分析法,进行权重分析。层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)用来建立系统层次结构模型，是美国运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代提出的一种定量与定性相结合的层次化系统分析方法[18]，将复杂问题按照隶属关系组成分级层次机构，适用于难以分析的系统问题，具有较高的有效性和可行性。

表1 判断矩阵打分标准及其含义

首先通过表1打分标准，为该次评价体系涉及的6个评价指标构造判断矩阵。然后通过Excel 2007进行权重计算，结果如下表2。

最后，鲁东地区开发适宜性选区综合评价[19]使用公式:

式中：P为评价单元的 EGS勘查开发选区适宜性综合评分值；n为评价因子的总数，该次评价中取 6；Pi为第i个评价因子的给定指数；Ai为第i个评价因子的权重，根据层次分析法得出的权重见表3。

表2 权重分析结果

表3 研究区综合评分

4 结论

鲁东地区位于欧亚板块与太平洋板块的边缘俯冲带上，强烈的俯冲、挤压作用，形成较高的地温梯度区。该区中生代时期岩浆活动剧烈，岩浆活动过程中，从深部传导大量热量，在该区域可以形成理想的干热岩资源。文章通过遥感解译，对鲁东地区的构造，地热异常，水热蚀变进行了等级划分，并结合收集的布格重力异常、大地热流地热异常、地温梯度地热异常等数据，最终得到如下结论：

(1)遥感技术适合大范围对地观测研究，解译精度较高，同时结合地温地热资料，可以辅助干热岩靶区的确定。

(2)干热岩开发适宜区主要是日照市，较适宜区有招远市、栖霞市、诸城市、五莲县、莒南县、青岛市、即墨区，其他市区相比较较不适宜。

(3)干热岩的有利赋存条件与其当地的地质背景有关，特别是地热地温异常区，是干热岩在近地表的温度反应，预示下部存在高温岩体。

(4)此次研究将对改善地方投资、带动地方资源利用发挥重要作用，对有效改善鲁东地区能源供应结构、促进经济社会可持续发展具有良好的社会效益。