遥感技术在塔什库尔干谷地地热资源调查中的应用

于浩，史杰，阮传明

(1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局信息中心，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队，新疆 昌吉 831100)

地球表面温度的产生主要来源于太阳能的辐射加温作用，其次来源于地球深部热源[1]。前者以电磁波辐射形式进行热传递，对地球表面的增热起主导作用，覆盖所有地表。后者为需要研究的地热资源，是以传导和对流方式进行传递，主要由构造控制，受地层岩石的物理性质影响，在地表形成热异常，属局部增温现象,是寻找地热资源的直接线索[2-3]。冬至前后是全年太阳高度最低，地面接收的太阳辐射量最少的时段，此时地球深部的热源对地表温度的贡献较高，选择该时段进行热红外数据地热异常信息提取为最佳时间窗口。

近年来，随着遥感技术的发展，许多学者开展了基于热红外遥感技术的地热异常区地表温度反演研究，取得了较好的效果。杨波等利用TM6数据在腾冲地区西南部进行地热异常信息提取[4]，结合地质解译对地热资源进行了预测；辛磊等基于Landsat8 数据进行单窗算法反演石家庄地区地表温度[5]，结合夜间热红外影像、遥感构造解译,査明了潜在地热异常分布区；贺金鑫等基于Landsat8 数据对辽东地热区地表温度进行反演[6]，并对高温异常区和已知温泉点的空间分布特征进行了对比研究，发现大多数温泉点均位于高温异常区。

2010—2016 年，新疆地矿局第二水文地质工程大队在塔什库尔干县提孜那甫乡曲曼村一带开展了地热资源勘查和研究工作，首次在新疆圈定了高温地热资源1处，利用地质调查分析、物探、地热钻探、化探及槽探等综合方法，实现了地热资源的新突破。本文利用遥感技术对该区进行地热异常信息提取与验证，充分发挥遥感快速、经济、定量化热量资源和热场分布所具有的优势，为地热有利区优选提供理论和技术支撑。

1 研究区概况

研究区位于塔什库尔干谷地北段冲洪积平原区，受区域地质构造控制，谷地近NS向展布，东西两侧为高山，谷地内总体地势南高北低、西高东低，海拔3 040～4 700 m，谷地较宽处约15 km，较窄处不足3 km，总体呈“U”形。新生代以来，随着NS 向构造应力的持续作用，研究区形成了以塔什库尔干断裂为主导的控制性断裂[7]，以右旋走滑为主，伴生发育NE向、NNE向次级断裂。研究区西、南侧发育的喜山期侵入岩热辐射是主要地热热量来源，塔什库尔干断裂带的形成和演化为岩体的侵入、构造裂隙的形成提供了空间和动力来源，对深部地热流体起到连通、运移和储存作用，属控热断裂。异常区热储盖层由第四系含泥砂砾石层、亚粘土层，新近系泥质砂砾岩组成，粘土层、泥岩、泥质岩隔水性好，热导率低，具保温效果，为理想的盖层[8]。盖层厚度多小于300 m，据EH4 物探结果显示，地热田深部断裂破碎带发育，具较好的连通性，导致热储呈近面状展布，随深度增大，由500 m至800 m深度热储面积逐渐减小、宽度逐渐变窄，并表现出NE向、NNE 向的带状展布特征。受断裂构造控制，地热地质条件及潜水位埋深等存在较大差异，北部热储埋深普遍较浅，恒温带埋深小于10 m；南部不具有良好的浅层地温显示，其恒温带深度在70 m 以上。研究区存在多眼地热井，地热流体温度约100℃，部分在140℃以上，钻孔揭露最高地温161℃，最高流体温度144℃。热储受构造断裂控制，为带状热储构造复杂的I-2型高温地热田。

2 地质构造解译

利用国产高分7 号遥感数据，以塔什库尔干断裂为主干进行地质构造解译（图1），由东向西分别提取F1、F2、F3、F44条次级断裂，这些断层的活动控制着塔什库尔干谷地基底形态、地质地貌发育和演化过程。从展布形态看，断层间相互切割错断，东部断层倾向西、西部断层倾向东，在谷地中形成了复杂的“网”状断裂系统。断裂长期活动并横向扩展，使塔什库尔干地区形成宽约3～15 km的断陷谷地，谷地内部形成地堑、地垒的构造组合。谷地两侧山麓地带地形呈梯状下降，保留了连续发育的断层三角面、断层陡坎、断层谷等地貌景观。这些断裂构造的发育为地热资源的形成、储存、运移等提供了必要的空间条件。

图1 遥感地质构造解译图Fig.1 Interpretation map of remote sensing geological structure

F1断层位于谷地东边界断层，倾向西，倾角不明，地表行迹清晰，切割了元古界变质岩山体和冲沟中的全新统冲洪积地层，形成断层陡坎、断层崖以及断层沟谷等构造地貌，使山脊、河流、冲沟等发生明显的右行错动，最大错动距离约70 m，在地表形成明显的线状断裂构造。

F2、F3、F4为张拉性断裂，向北延伸至托尔推其山，岩体侵入于中—上元古界片麻岩中，变质变形较强。岩石呈灰色，具鳞片粒状变晶结构、块状构造，其余部分隐伏在覆盖层下部，断层多具韧-脆性特点，断面多南倾，倾角较缓，其两侧断层形成对冲组合模式，控制了混杂岩带的物质组成。区物探调查显示，该二维地震剖面较明显的反映了3 条断层的基本特征，F2、F3倾向西，倾角65°～80°，F4倾向东，倾角50°～80°。地磁测量及可控源剖面均有明显异常显示，属导热、储热断层，具较好通导性。

3 地热异常提取

采用Landsat8 OLI/TIRS 遥感数据，成像时间选择冬至前后，且无云雪覆盖，获取研究区过境的影像数据，时间分别为：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，共计5期。

对每期遥感数据分别进行辐射校正、地表温度反演，形成地表温度时间序列数据，逐像元计算方差，表示地表温度离散度。研究发现，地表受到阴影、云体、雪、植被等遮挡，太阳辐射不能直达，对地面受热产生影响，需作为干扰地物消除。优选一期Landsat8 OLI 数据进行辐射校正、大气纠正，提取干扰地物作为掩膜，对方差数据进行掩膜处理，采用均值滤波去除孤立图斑，通过阈值分割提取地热异常（图2）。

图2 研究区地表温度离散度分布图Fig.2 Distribution map of surface temperature dispersion

3.1 地表温度反演

目前热红外遥感技术在反演地表温度方面非常成熟，具代表性的算法有：Jiménez-Munoz 等人的单通道算法[9]、覃志豪等人的单窗算法[10]、Rozenstein等人的劈窗算法[11]。本文采用覃志豪等人提出的单窗算法进行地表温度反演，计算公式见式(1)～(3)。

式中：Ts为地表温度（K）；a、b 为常数；ε为地表比辐射率；τ为大气透过率；Ta为大气平均作用温度（K）；Tb为亮度温度。

3.2 离散度计算

将多期地表温度反演数据进行叠加，形成时间序列数据，逐像元计算方差，统计每期数据相对均值的偏离情况，并使用平方的方式进行求和取平均，避免正负数相互抵消，得到研究区地表温度离散程度图。方差越小，表明数据越聚集，离散度越低；方差越大，表明数据越离散，离散度越高。

式中：x为像元对应的某期反演地表温度值；M为像元对应地表温度平均值；n为期数；S2为方差。

4 验证及分析

研究区发育不同期次的活动断裂，构成复杂的断裂裂隙系统，断裂性质以张性及张剪性为主，其间具较好的联通性。调查结果显示，断裂两侧围岩以元古界变质岩为主，呈高阻性，覆盖层以下，呈低阻性，为良好热储，热储受区内断裂裂隙控制，由断裂破碎带及周边裂隙构成。随深度由500 m 增大至800 m，热储面积逐渐减小、宽度逐渐变窄，在地表呈NE 向和NNE 向带状分布特征，与遥感解译的地质构造基本一致（图3）。

图3 研究区地热异常信息提取图Fig.3 Geothermal anomaly information extraction map

对研究区地表离散度数据进行掩膜和滤波处理，剔除水系沉积区、阳坡、以及暗色地层的干扰，重点关注断裂、断裂交汇处、侵入岩接触带的异常，共提取具有一定规模的异常区5 处，主要分布在曲曼村北、塔什库尔干河岸西侧及附近山前冲击平原地带。与工程勘查结果对比，1 号、2 号异常区为一处完整地热体，3号、4号异常区为一处完整地热体（表1）。5号异常区位于塔什库尔干河东岸河漫滩，位于F1断裂处，属新发现地热异常体。

表1 地热异常区工程勘查情况表Table 2 Engineering exploration in geothermal abnormal area

5 结论

（1）冬至前后是全年太阳辐射最少的时段，此时地球深部的热源致使地表温度异常突显，选择该时段遥感数据进行地热异常信息提取为最佳时间窗口。

（2）研究区西、南侧发育的喜山期侵入岩热辐射是主要热量来源。以塔什库尔干断裂为主，遥感解译提取次级断裂4 条，均属导热、储热断层，断裂构造的发育为地热资源的形成、储存、运移等提供了必要的空间条件。

（3）通过遥感地质构造解译，结合工程勘查成果，研究区共提取5 处地热异常区，其中有4 处与实地情况吻合，1处有待于验证，表明该方法能够快速、有效地确定地热场形态和范围，为地热资源调查与工程勘查提供参考依据。