热红外遥感技术在江西寻乌地区地热勘查中的应用

任正情，方泓锦，王学平

(1.安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽 六安 237000；2.长沙自然资源综合调查中心，湖南 长沙 410000；3.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430000)

0 引 言

热红外遥感技术在地热资源勘查中的应用主要通过遥感热红外传感器获取人眼无法看到的地物辐射的热红外辐射信息，并根据这种辐射信息反演地表参数(如温度、发射率、热惯量等)及判别地物(李小文等，2001)，遥感因具有经济、便捷、探测范围大等优点而被广泛应用于地热异常圈定与远景区划定(余先川等，2015)。

以江西寻乌地区为研究区，采用单窗算法对Landsat 8的热红外影像进行地表温度反演并验证有效性，研究已有地热点和地质构造背景以及二者与地表温度的空间分布特点，总结分析地热异常圈定的有利条件，为该区地热勘查提供有效依据。

1 研究区概况

研究区位于江西东南边陲武夷山与九连山余脉交会处，属亚热带季风气候，气候温暖湿润，雨量充沛。地形以山地丘陵为主，其中山地占总面积的76%以上。

该区地热水资源丰富，出露热泉约16处、热水点多处，是江西地热出露较多的区域。热泉和热水孔主要分布于研究区东部低山丘陵地带，多出露于中生代白垩纪碎屑岩、侏罗纪火山碎屑岩和燕山期花岗岩中或边缘部位，受断裂构造控制明显，尤其是受新华夏系断裂构造控制，其次受旋扭构造带和东西向构造体系的断裂构造控制。

2 数据源

采用Landsat 8热红外数据(TIRS10)，选取2017-01-01T10:45(北京时间)的卫星影像，研究区影像无云，且冬季影像可在一定程度上减少太阳辐射对地表温度的影响，质量符合应用要求。MODIS数据选取与Landsat过境时间基本一致的MOD02数据用于地温反演，MOD11_L2地表温度产品用于精度分析。

数据源信息见表1。

表1 数据源信息Table 1 Information of remote sensing data sources

3 地表温度反演

(1)

式(1)中：Ts为地面实际温度，K；K2为TIRS10的定标常数；C、D为中间参数，C=ε10τ10，D=(1-τ10)[1+(1-ε10)τ10]，其中，ε10为Landsat 8 TIRS10热红外波段的地表比辐射率，τ10为其大气透过率；T10为其亮温值，K；Ta为大气平均作用温度，K。

根据上述算法公式对研究区TIRS10波段分别进行参数估算。

(1)估算大气透过率τ10。大气水汽含量ω的不同会影响大气透过率τ10拟合公式的选取(表2)(覃志豪等，2003)，对收集的MOD02数据采用通道比值法估算大气水汽含量(崔林林等，2019)，得到研究区大气水汽面密度约为2.25 g/cm2，并知其所属范围为0.4～3.0 g/cm2，根据表2计算得到研究区大气透过率τ10约为0.75。

表2 TIRS10波段大气水汽面密度与大气透过率的关系Table 2 Relationship between atmospheric water vapor density and atmospheric transmittance in TIRS10 band

(2)估算地表比辐射率ε10。结合Landsat 8 多光谱影像数据估算地表比辐射率ε10，对Landsat 8的多光谱影像进行监督分类，将地表覆被分为城镇地表(如建筑物、道路等)、自然地表(如农田、林草地等)、水体和裸地4类，并依据宋挺等(2015)的研究结果将植被、建筑物表面、水体纯净像元的地表发射率分别设为0.987、0.965和0.997，同时结合植被覆盖度获得研究区地表比辐射率图。

然后利用ε10和τ10值计算C、D中间参数。

(3)估算大气平均作用温度Ta。利用近地表的温度观测数据估算大气平均作用温度Ta(覃志豪等，2003)，公式为：

Ta(中纬度冬季)=19.270 4+0.911 18T0

(2)

式(2)中，T0为近地面气温。

(4)亮温T10反演。对TIRS10热红外波段进行亮温反演，公式为：

(3)

式(3)中：T10为TIRS10的亮温，K；L为该波段辐射值，通过辐射定标获取；K1、K2为TIRS10的定标常数，直接在影像头文件中查取。

4 结果分析

MOD11_L2产品由多通道反演计算方法获得，包括反演地表温度和比辐射率，实验证明，在天气晴朗的情况下该温度产品误差在1 K以下，该产品是Landsat影像反演结果常用的验证数据(林平等，2018)。MOD11_L2产品的分辨率为1 km，因此需将Landsat 8 反演的温度数据同样重采样为1 km。由于该产品在研究区北侧一小块无数据，为验证其可靠性，扩大范围选择Landsat 8整幅影像范围为验证区域。

由于Landsat 8反演温度空间分辨率较高，而城区内地表覆盖类型复杂，地表温度差异大，为避免分辨率带来的误差，验证点选取尽量避免城区内的点。以Landsat 8影像范围为界，共选取了60个验证地点，且基本平均分布在全区(图1)。统计最大值、最小值和平均值，然后根据这些数据指标评价反演结果(宋挺等，2015)。

图1 验证点位置图Fig.1 Location of verification points

在ArcGIS平台上，通过叠加分析功能获取各点的Landsat 8反演温度和MOD11_L2温度值。根据统计结果(表3)，Landsat 8 反演的温度平均值为18.71 ℃，MOD11_L2温度平均值为19.66 ℃，二者差值为0.95 ℃，最大值差为0.74 ℃，最小值差为0.53 ℃，虽MOD11_L2温度值总体上比Landsat 8反演温度高，但误差均低于1 ℃，其差异仍在规定范围内，表明Landsat 8反演结果有效。

表3 温度结果对比Table 3 Comparison of temperature results

5 地热异常的圈定与分析

5.1 地热与地温的关系

热泉是地壳深部热水沿断裂构造运动、富集并向上涌出地球表面的结果，也是地热散发的一种重要方式。根据地热点与反演温度的空间叠加关系，提取热泉和地热点所处位置的地表温度(表4)。研究地热点与地表温度的关系可知，区内地热点分布在地表温度较高的19～26 ℃之间，可将19 ℃作为地热异常提取下限并进行分割(赵珍等，2019)。据分割结果统计，19～38 ℃范围的面积占研究区总面积的61%，故将该区间作为圈定地热异常的初始区域(图2)。

表4 已知地热对应的地表温度Table 4 Surface temperature corresponding to known geothermal temperature

图2 已知地热与地表温度叠加图Fig.2 Known geothermal points superimposed on surface temperatures

地热引起的地表温度增高只是地表温度异常的一种，由于地表温度异常受多种因素影响，因此地热异常圈定应结合地物类型、地质背景、已有地热资料、地表温度等综合分析，剔除假性异常区，进一步提取潜在地热异常区。

5.2 地热与地质构造的关系

5.2.1 地质构造 研究区位于武夷山新华夏系构造带和南岭东西向构造带的交接复合部位，构造形迹错综复杂，尤以新华夏系的断裂构造较为发育，主干构造主要为北北东、北东走向的大型断裂，其次为北西向断裂，且区内断裂构造常以平行斜列方式带状展布。

研究区在早更新世构造上升剧烈，至全新世构造运动较为稳定，而全新世以来活动过的断裂主要有新华夏系北东向断裂、北北东向断裂及其派生的武平(环状)旋扭构造中的大部分断裂和三南—寻乌东西向构造。其中，东西向断裂构造控制了侏罗世火山岩分布；北北东向断裂是区域深大断裂，属晚、近期活动性构造，控制着留车断陷盆地的展布，不仅规模大、延伸长、切割深，且至今仍有活动迹象，沿带出露多处地热泉水；武平环状构造带由一系列北东东、东西、北西、北西西向断裂组成，为新华夏系扭动派生而出，总体呈环状，区内仅见南西半环，也是区内重要的控热导热构造。

5.2.2 地热与地质构造的关系 将已有热泉点和地热点与区内断裂构造叠加，研究分析其空间分布规律和断裂构造对地热的影响(图3)。

图3 地热与断裂构造叠加图1-地热点；2-热泉；3-已知断裂；4-活动性断裂；5-解译构造Fig. 3 Map of geothermal points superimposed on fault structure

(1)地热与北北东向构造。留车断陷带是研究区地热分布较集中的区域，新华夏系北北东向扭压性断裂构造是该区重要的控热导热构造，沿构造带分布有狮子峰热泉、横泾村热泉、岭石背热泉、岭石背南西热泉、灵石热泉等多处地热，北北东向扭压性主干断裂构造具有多期活动的特点，其低序次断裂及节理发育，均为地热水出露提供了通道。

(2)地热与北东东向构造。虎岗热泉、新塘村热泉、新田圩热泉位于北东东向扭压性断裂与次级张性断裂复合三角带或低序次北西向断裂上，地热点呈北东东向分布。断层内裂隙较发育且张开程度好，有利于地热水出露。区内各期断裂构造均有发育，除北东东向扭压性主干断裂和北西向次级断裂外，附近近东西向的纬向构造体系压型主干断裂带节理、劈理和小断裂均较发育，且有石英脉贯入，具多次活动特点，是重要的控热导热构造。

(3)地热与武平(环状)旋扭构造带。热水塘热泉、麻地凹热泉、上津村热泉等地热点位于武平环状构造带中的红层断陷盆地边缘，均在北西向压扭性断裂带上出露，带内节理发育，压扭性节理为区内地热重要的导热节理，同时带内常见硅化挤压构造透镜体，并有石英脉贯入，表明近期仍有活动迹象。

此外，在鹅子湖—菖蒲一带出露有中和热水村热泉、河角热泉、徐溪热泉、上坪热水村热泉，空间上呈北北东向展布，构造上位于新华夏系断裂带与东西向构造体系断裂带的复合部位，热泉出露于北北东向扭压性断裂上盘节理中或张性断裂带上。

综上可知，研究区地热分布规律为：主要分布于北东东、北北东向压扭性断裂构造上，其次在武平环状构造带的北西向断裂构造或环状构造上，部分位于北东东向扭压性断裂与低序次张性断裂复合三角带上，东西向构造带上的地热仅出露于研究区西南侧。根据地质资料研究，活动性断裂构造对地热异常有着重要的控制作用，区内地热异常主要由北北东向构造、北东东向构造和旋扭构造带的北西向构造控制，且全新世以来均有活动迹象。

5.3 地热异常圈定与假异常剔除

根据对已有地热资料、地质构造背景、地表反演温度以及三者相互关系的研究分析，建立地热异常圈定依据，主要如下。

(1)研究地热点与地表温度之间的关系，确定19～38 ℃地热范围为异常划定初步范围。

(2)分析已有地质构造资料认为，新华夏系北东东向、北北东向断裂构造及其派生的武平(环状)旋扭构造中的大部分断裂和东西向构造为区内重要的活动性构造，对区内地热的形成均具有重要的控制作用。

(3)根据已有地热与区内重要断裂构造分布规律的分析，发现主要热泉及地热点沿北北东向、北东东向、北西向和东西向活动性断裂构造分布，或沿附近次一级断裂或交会三角带出露，这几条主干性断裂构造具有重要的控热导热作用，而其低序次断裂及节理是地热形成的重要导热导水构造。

地热反演常受地形的影响，光照面温度较高，阴影面温度低，因此高地热假异常位于山体阳坡且与背阴坡地温对比明显，此类异常对比地形或真彩色影像予以剔除。其次，城区内工厂、水泥建筑物等反演温度较高，部分裸地温度也偏高，均需仔细分析剔除。

将地热异常远景区与构造断裂叠加，最终圈定11个潜在地热异常区(图4)。① 潜在异常区Q1、Q2、Q3、Q11、Q4、Q5均沿北北东向扭压性断裂构造带分布。其中，Q1、Q2位于留车断陷带内，区内构造发育，不仅已有地热点多，且地表温度较高，分布范围与北北东向构造走向一致，面积较大，属高地热异常区；Q4、Q5应属北北东向断裂与东西向断裂的交会处，多向构造较发育，属地热高异常区。② 潜在异常区Q6、Q7位于武平(环状)旋扭构造带上，其地表温度稍高，高温区分布不密集，但同样处于红层盆地内，构造发育，属地热高异常区。③ 潜在异常区Q9位于2条北东东向活动断裂带之间，其地表高温区较为分散，属地热中异常区。④ Q8、Q10位于北北东向和北东东向断裂上，附近断裂发育，但远离活动构造，由于地表反演温度较高，需进一步研究。

图4 寻乌地区潜在地热异常区1-T<17 ℃;2-17～19 ℃;3-19～21 ℃;4-21～23 ℃;5-T>23 ℃;6-地热点；7-热泉；8-已知断裂；9-活动性断裂；10-解译构造；11-地热异常区Fig. 4 Potential geothermal anomaly areas in Xunwu area

6 结 论

(1)针对Landsat 8的热红外影像，采用单窗算法进行地表温度反演，并结合MOD11_L2地表温度数据进行结果的有效性验证，两者温度差最大值为0.74 ℃，最小值为0.53 ℃，平均温差为0.95 ℃，均低于1 ℃，证明了结果的有效性，且其热红外波段的实际分辨率为100 m，远高于MODIS产品的1 km。

(2)分析寻乌地区已有地热点的空间分布规律及其与地表温度的关系，初步圈定了地热异常区。研究已有地热与地质背景条件，认为区内地热受构造严格控制，北北东、北东东向构造及武平环状构造带的北西向构造均为区内重要控热导热构造，其次是近东西向构造。通过各类数据的空间叠加分析其空间分布规律，进一步建立异常划定的依据，同时剔除假异常，最终圈定区内11个潜在地热异常区，表明热红外遥感技术在该区地热勘查中效果明显。

(3)热红外遥感技术结合已有的地质资料、地热资料，可以获取多方面的地热成矿有利条件及空间分布规律，更深入地研究区域上的地热异常成因模式。