遥感地热GIS预测方法研究——以江西宁都地区为例

袁 晶,陈 艳,唐春花,孙 超,宛 胜,钱正江,唐 枭,汪明有

(1.江西省地质调查勘查院,江西 南昌 330030;2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083)

地热资源是可再生清洁能源,随着我国对改善能源结构、发展清洁能源的要求与日俱增,地热资源的开发利用越来越受到重视。遥感技术作为地热资源综合勘查技术之一,在地热预测与勘查中发挥着重要的作用[1-4]。前人基于遥感技术的地热预测方法可概括为两类:一是遥感热红外地热预测法[5-11],利用热红外反演的地表温度圈定地热异常。例如,WANG K等[7]、任正情等[9]、杨俊颖等[10]采用两种不同的遥感热红外数据分别圈定了辽宁丹东、江西寻乌、西藏尼木地区9处、11处、21处地热异常区,异常面积大但精度低;二是基于遥感热红外的多元信息地热预测法[12-19],在热红外反演温度的基础上添加多元综合信息开展预测。例如,闫佰忠等[12]基于TM数据反演了长白山地区地表温度,结合布格重力及磁场等物探因子,采用判别分析法对地热异常进行了识别,预测了5处地热远景区;姚金等[13]基于ETM+热红外反演温度,结合地层、断裂和地形地貌条件,在粤北地区圈定了7个I级和9个Ⅱ级地热远景区;熊永柱等[14]同样基于ETM+热红外反演温度,结合断裂和岩体条件,预测了腾冲地区8处地热异常;SARA M等[15]基于Landsat8 TIRS反演地表温度,结合断层、地震活动密度、大地热流、重力等因子,预测了埃及苏伊士湾沿海地区7处地热异常;郝明等[19]同样基于Landsat8 TIRS反演地表温度,分别从全局、局部分块和高程分区等多视角提取温度异常,采用D-S证据理论方法融合多角度信息,结合断裂构造缓冲区圈定青岛市11处地热异常。前述预测的地热异常经实地调查已得到验证,部分异常内发现了地热。上述研究表明,遥感热红外法可以有效预测地热,但需结合地层、岩体、断裂、地形地貌、重力、磁法等因子进行综合分析,提升预测结果的精度和准度。因此,选择有利的预测因子,可以提高预测的精准度。

江西宁都地热地质条件优越,目前已发现地热7处,其中水温>60 ℃的高温地热水2处(蓝田、李村)[20]。近几年,中国地质调查局水文地质环境地质研究所、江西省自然资源厅分别在小布镇陂下[21]、安福乡罗陂开展了地热勘查工作,分别探获43.6 ℃、45 ℃的地热水,说明宁都地区地热资源潜力较大。因此,本文以江西宁都为研究区,分析区内地热地质特征及成热规律,在前人总结的预测因子基础上,继续增加与地热相关的因子,运用GIS技术开展地热预测及综合分析,圈定地热有利区,以期进一步提高地热预测精准度。

1 研究区地热地质特征

1.1 地质背景

研究区主要出露新元古代—寒武纪、泥盆纪—二叠纪和白垩纪地层(图1)。新元古代—寒武纪地层主要为一套中浅变质岩,广泛分布于研究区北部大沽乡、东山坝,中部青塘、湛田及南部对坊—固村,构成褶皱基底;泥盆纪—二叠纪地层以碎屑岩和碳酸盐岩为主,主要出露于研究区中部青塘一带;白垩纪地层为一套红色碎屑岩,主要呈NNE向条带状分布于黄石—东山坝一带,员布、赖村、固村等地亦零星分布,构成区内规模不等的断陷盆地。岩浆活动强烈,以加里东期为主,多形成花岗岩基,如研究区北部大金竹岩体和中南部的鹅婆、会同岩体,岩性主要为斑状黑云母二长花岗岩。其次为燕山期,多形成花岗岩基、岩株,如研究区北部的黄陂、带源岩体和南部的湖坊岩体,岩性主要为黑云(二云)二长花岗岩。断裂发育,以NNE向、NE向为主,其次为NW向,少量呈近EW向。NNE向断裂规模最大,常具多期活动特征,如鹰潭—安远断裂带纵贯研究区,控制了宁都断陷盆地的展布。NE向断裂规模次之,变化较大,在变质岩和花岗岩体中尤为发育。NW向断裂规模一般不大,形成较晚。

图1 研究区地质构造简图Fig. 1 Geological sketch of the study area

1.2 热源

区域大地热流、花岗岩放射性生热率均表明研究区地热背景值较高,同时区内深大断裂的发育有助于深部热量向地表运移,具备形成地热的良好热源条件。

1.2.1 大地热流

江西省已知有代表性的25个实测大地热流值为57.8～101 mW/m2,平均热流值70.14 mW/m2,略高于大陆整体的平均热流值63 mW/m2,其中赣南地区平均热流值76.03 mW/m2,高于全省平均值[22-23]。宁都北部大地热流值为81～106 mW/m2,平均热流值93.6 mW/m2,高于周边的兴国县(平均热流值为79.7 mW/m2)和万安县(平均热流值74.1 mW/m2),远高于全省大地热流平均值和中国陆区平均大地热流值(61.5±13.9 mW/m2)[24]。

1.2.2 放射性生热

花岗岩放射性元素(U、Th、K)含量较高,放射性元素衰变生热是本区地热形成的主要热源[25]。赣南地区岩石放射性背景值较高,花岗岩的放射性生热率平均值为3.3 μW/m3[26],宁都北部地区花岗岩放射性生热率平均值高达6.47 μW/m3[24]。刘峰等[24]测得燕山期黄陂岩体放射性生热率平均值5.32～8.01 μW/m3,属高产热(HHP)花岗岩。产于黄陂岩体中的小布地热井水温45 ℃[21],而产于加里东期会同岩体中的蓝田和李村地热井水温分别达到了82 ℃和63 ℃[25],推测会同岩体放射性生热率高于黄陂岩体。

1.2.3 地下水深循环

地下水深循环为地热水热源之一。研究区已知地热全部分布于NNE向和NE向区域性断裂带上,以鹰潭—安远、大余—南城、驿前—黄岗山断裂带为代表,普遍经历多次活动,切割深,破碎带宽,成为良好的控热导热构造,并为热水的形成提供沟通深部热源的良好通道。

1.3 水文地质

研究区地下水主要类型有碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水、变质岩类裂隙水、花岗岩类裂隙水。碎屑岩类裂隙孔隙水以红色碎屑岩裂隙孔隙水为主,分布于白垩纪红盆中,地下水赋存空间以孔隙为主,溶隙、裂隙甚少。碳酸盐岩类岩溶水含水岩组为石炭纪—二叠纪灰岩、白云岩,岩溶较发育,富水性好;变质岩类裂隙水含水岩组为新元古代—寒武纪变质岩,岩石破碎,裂隙发育,透水性较好。区内长期的断裂活动导致花岗岩中裂隙和节理发育,花岗岩类裂隙水丰富。

1.4 地热分布

研究区已发现地热水7处(表1),其中2处水温超过60 ℃,蓝田水温达82 ℃。已知地热受区域NNE向、NE向断裂控制,其中,肖田和罗陂地热受NNE向鹰潭—安远深大断裂带控制,桃源村地热受NE向招携—小江断裂带控制,石上、蓝田和李村地热受驿前—黄岗山断裂带控制,小布地热受大余—南城断裂带控制。已知地热与花岗岩关系密切,有6处位于花岗岩体内或岩体边缘,如会同、黄陂和带源岩体等,仅罗陂地热位于白垩纪沉积岩与变质岩接触带上。

2 预测因子及取值

研究区NE向、NNE向断裂以及花岗岩体是控制地热水的主要因素。遥感、物探等信息对成热具有指示作用,比如特定区间的热红外反演温度、羟基异常、土壤湿度、航磁、重力等信息可以指导地热找矿。按“已知预测未知”的思路,分析研究区地质、遥感、物探等多元信息与已知地热的相关性,优选能够应用于未知地区的预测因子(表2)。

表2 研究区地热预测因子及取值表Table 2 Geothermal predictors and their values in the study area

2.1 地质因子

2.1.1 地层因子

研究区出露地层主要有新元古代—寒武纪变质岩、泥盆纪—二叠纪沉积岩和白垩纪沉积岩。新元古代—寒武纪变质岩中分布已知地热有2处,分别为肖田和罗陂地热,其中肖田地热位于变质岩与花岗岩接触带,罗陂地热位于变质岩与宁都断陷盆地西侧接触带。泥盆纪—二叠纪沉积岩中未见已知地热分布;白垩纪沉积岩中分布已知地热2处,分别为罗陂地热和石上地热,分列宁都盆地西、东缘。根据地层与已知地热的相关性,将地层因子从高至低分为两级,Ⅰ级为新元古代—寒武纪变质岩,Ⅱ级为白垩纪沉积岩(表2)。

2.1.2 岩浆岩因子

研究区主要出露加里东期和燕山期花岗岩。加里东期花岗岩体中发现地热3处(蓝田、李村、石上),水温较高,其中>60 ℃有2处。燕山期花岗岩中发现地热3处(小布、桃源村、肖田),水温偏低,最高45 ℃。加里东期花岗岩成热条件优于燕山期。根据岩浆岩与已知地热的相关性,将岩浆岩因子从高至低分为两级,Ⅰ级为加里东期花岗岩,Ⅱ级为燕山期花岗岩(表2)。

2.1.3 断裂构造因子

鹰潭—安远、招携—小江、大余—南城、驿前—黄岗山断裂带为已知控热断裂(表1),均为区域性深大断裂带,断裂辐射范围广。研究区多数已知地热分布于控热断裂500 m范围内,少数地热离断裂800～900 m,因此,提取已知控热断裂1 000 m缓冲区作为预测因子。区域次一级NE向、NNE向断裂为推测控热断裂,提取推测控热断裂500 m缓冲区作为预测因子。NW向、近EW向断裂常形成地下水排泄的通道,为控水断裂,提取控水断裂250 m缓冲区作为预测因子。构造体系的复合地段,由于各种应力作用集中和叠加,断裂构造复杂,为热水的运移和向地表排泄创造了良好条件。肖田、桃源村、石上、蓝田、李村5处已知地热分布于NW向、近EW向断裂与已知控热断裂交汇处,提取控水断裂与控热断裂节点250 m缓冲区作为预测因子(表2)。

2.2 遥感因子

2.2.1 热红外反演温度

白天和夜间遥感热红外数据的联合应用是一种有效的地热预测方法[7],本文分别选择ETM+和ASTER数据开展研究区地表温度反演。

(1)ETM+热红外反演。为尽量减少人类活动等干扰因素,选择城市扩张之前的数据开展反演。本文选择时相为2000年1月27日的Landsat-7 ETM+数据,共2景,分别为121/41与121/42,数据重采样分辨率为30 m×30 m,热红外温度反演采用大气校正法[7,27]。

表3 已知地热的遥感、物探反演结果Table 3 Remote sensing and physical inversion results of known geothermal

(a).ETM+温度反演图;(b).ASTER温度反演图;(c).羟基异常图;(d).土壤湿度图;(e).DEM图;(f).水系图图2 基于遥感数据的预测因子图Fig. 2 Predictors based on remote sensing data

已知地热与中温异常相关性最好,蓝田、李村、石上、罗陂和小布地热分布于中温区;已知地热与中低温异常相关性次之,桃源村、肖田地热分布于中低温区。因此,与地热相关的ETM+热红外反演异常由高至低分为两级,Ⅰ级为7.23～8.58 ℃,Ⅱ级为6.6～7.23 ℃(表2)。

(2)ASTER热红外反演。本文选择时相为2017年6月22日的ASTER夜间数据,共3景,分别为AST_LIT_00302132017143058、AST_LIT_00302132017143049和AST_LIT_00302132017143 040,数据重采样分辨率为90 m×90 m,热红外温度反演采用大气校正法[7,27]。

已知地热与中温异常相关性最好,蓝田、李村、桃源村、石上和肖田地热分布于中温异常区;与中低温异常相关性其次,罗陂和小布地热分布于中低温异常区。因此,与地热相关的ASTER热红外反演异常由高至低分为两级,Ⅰ级为7.48～8.51 ℃,Ⅱ级为6.44～7.48 ℃(表2)。

2.2.2 羟基异常

2.2.3 土壤湿度

2.2.4 DEM

地热水空间分布与地形地貌及水系有关,研究区已知地热分布于相对地势较低的地区,大多分布在山间低洼的河谷和溪流边。基于ArcGIS平台,运用水文分析法[34-35],利用10 m分辨率DEM数据提取等高线和水系(图2(e)、图2(f))。高程较低且相对高差大有利于水源补给及排泄,已知地热出露海拔为206～348 m(表3),本文高程因子提取海拔低于350 m的地区为有利区(表2)。河流、水沟等水系附近是形成地热水的有利位置,已知地热分布于水系两侧54～230 m内(表3),可提取水系250 m缓冲区作为预测因子(表2)。

2.3 物探因子

2.3.1 航磁

据1∶20万航磁等值线图,研究区航磁-130～220 nT,已知地热均分布于50～130 nT正磁异常区(表3),因此与地热相关的航磁因子提取50～130 nT(表2)。

2.3.2 重力

据1∶20万布格重力等值线图,研究区处于低重力区,布格重力-72～-32 m/s2,已知地热全部分布于低于-50 m/s2的地区(表3),因此与地热相关的重力因子提取-72～-50 m/s2(表2)。

3 地热预测

3.1 证据权法

3.1.1 预测方法及流程

证据权法是开展成矿预测的常用方法[36-38],本文应用到地热预测中来。基于MOPAS 3.0平台,主要预测流程:① 提取并建立与成热相关的预测因子;② 建立网格单元,网格大小250 m×250 m;③ 预测网格单元二值化;④ 已知地热点叠加分析;⑤ 计算先验概率;⑥ 计算各因子与成热的相关性;⑦ 计算成热概率。

3.1.2 预测结果

证据权法预测成果图(图3(a))显示,异常总体呈NNE向、NE向串珠状分布,与已知控热断裂相关性较高。单异常呈次圆状、不规则椭圆状、哑铃状,异常分带性好,浓集中心明显,多具1～2个浓集中心。根据等值线图,以成热概率0.47为下限圈定有利预测单元❶,因预测结果高度集中,由高至低分为两级,其中成热概率≥0.7为ⅠZ级,0.7>成热概率≥0.47为ⅡZ级,成热概率<0.47不具成热条件。已知地热全部分布于ⅠZ级有利单元中,且多数位于异常中心。

(a).证据权法预测图;(b).找矿信息量法预测图;(c).特征分析法预测图图3 研究区基于不同方法的预测成果图Fig. 3 Prediction results based on different methods in the study area

3.2 找矿信息量法

3.2.1 预测方法及流程

找矿信息量法是以地质异常理论为指导,以地质、物探、化探、遥感、矿产分布等找矿信息为基础,通过统计途径计算各地质因素、找矿标志所提供的找矿信息量,定量地评价控矿因素和找矿标志对指示找矿作用的大小,确定有利成矿部位。该方法广泛应用于找矿靶区或远景区的圈定[39-41]。本文将找矿信息量法首次运用于地热预测,基于MOPAS 3.0平台,主要预测流程:① 提取并建立与成热相关的预测因子;② 建立网格单元,网格大小250 m×250 m;③ 预测网格单元二值化;④ 已知地热点叠加分析;⑤ 计算各预测因子信息量;⑥ 计算各预测网格单元信息量。

3.2.2 预测结果

找矿信息量成果图(图3(b))显示,异常总体呈NNE向、NE向串珠状展布,与已知控热断裂相关性较高。信息量的上限为20,以信息量10为下限圈定有利单元❶,由高至低分为三级,其中信息量≥16.25为ⅠX级,16.25>信息量≥13.75为ⅡX级,13.75>信息量≥10为ⅢX级,信息量<10则不具成热条件。已知地热有5处分布于ⅠX级有利单元内,2处(肖田、小布)分布于ⅡX级有利单元内。

3.3 特征分析法

3.3.1 预测方法及流程

特征分析法是传统类比法的一种定量化方法,通过研究模型单元的控矿变量特征,查明变量之间的内在联系,确定各个变量的成矿和找矿意义,建立起某种类型矿产资源的成矿有利度类比模型,然后将预测单元与模型单元的各种特征进行类比,用它们的相似程度表示预测单元的成矿有利性,并据此圈定出有利的成矿单元。该方法在矿产资源潜力评价中广泛应用,效果显著[42-44]。本文运用MARS 2.0平台开展特征分析法地热预测,主要预测流程:① 提取并建立与成热相关的预测因子;② 建立网格单元,网格大小250 m×250 m;③ 预测因子存在标志提取;④ 设置矿化等级;⑤ 模型区选择;⑥ 变量二值化;⑦ 预测变量优选;⑧ 构置预测模型;⑨ 计算因素权重;⑩ 靶区优选。

3.3.2 预测结果

特征分析法预测成果图(图3(c))显示,有利单元总体呈NNE向、NE向带状、串珠状展布,与已知控热断裂相关性较高。以成热概率0.5为下限圈定有利单元❶,由高至低分为三级,其中成热概率≥0.8为ⅠT级,0.8>成热概率≥0.65为ⅡT级,0.65>成热概率≥0.5为ⅢT级,成热概率<0.5不具成热条件。已知地热有5处分布于ⅠT级有利单元内,2处(肖田、罗陂)分布于ⅡT级有利单元内。

4 讨论

4.1 预测方法分析

4.1.1 预测因子的选择是关键

基于遥感技术的地热预测,最初仅利用遥感热红外反演温度异常圈定远景区,预测精度低,且假异常较多[5-11]。随着预测方法不断改进,在热红外反演的基础上,增加多元信息预测因子3～7个,预测精度得到了明显提高[12-19]。本文开展江西宁都地热预测,充分考虑了遥感反演温度与已知地热的关联程度,提取ETM+热红外反演温度6.6～8.58 ℃、ASTER热红外反演温度6.44～8.51 ℃、羟基异常2.43～4.02、土壤湿度0.14～0.31为有利的预测因子。本文基于研究区成热地质条件,将遥感、物探相结合,提取各类预测因子13个,以期能够剔除假异常,提高预测精度。

4.1.2 多种预测方法的对比

以往基于GIS技术的地热预测采用单一方法[15,45-46],本文应用了3种方法开展地热预测,有助于对比研究,取长补短。其中,证据权法和特征分析法预测结果表达方式都是成热概率(0～1),成热概率高则寻找地热更有利,已知地热分布在成热概率≥0.7的地区。证据权法预测的有利单元具有高度集中、定位精准的特点,而特征分析法预测的有利单元面积较证据权法更大,但其优势在于不会遗漏有利区。找矿信息量法预测结果是以信息量累加值来表达,信息量值越大,代表成热越有利,已知地热分布在找矿信息量≥13.75的地区。证据权法和找矿信息量法都是通过对区内已知地热的分析建立各预测因子的影响值或权重,两者异常高值区高度相似(图3(a)、图3(b)),但因取值下限的表达方式不同,找矿信息量法预测有利单元范围更广,弥补了证据权法的不足。综上,证据权法预测地热有利区的精准性略高于找矿信息量法,优于特征分析法;特征分析法预测地热有利区的全面性优于找矿信息量法,远高于证据权法。

4.2 综合预测结果及可信度

4.2.1 综合预测结果

证据权法、找矿信息量法和特征分析法预测结果既有共性也有差别,应进一步优化预测成果,缩小预测有利区,达到定位更精准、更有效的目的。根据3种方法预测成果划分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级,本着求同的原则,采取叠加分析的方法,将地热有利区按成热潜力由高到低划分为A、B、C三类,分类依据见表4。A类地热有利区:同时满足证据权法预测结果达ⅠZ级、找矿信息量法预测结果达ⅠX级、特征分析法预测结果达ⅠT,求取三者交集。B类地热有利区:同时满足证据权法预测结果≥ⅡZ级、找矿信息量法预测结果≥ⅡX级、特征分析法预测结果≥ⅡT级,求取三者交集。C类地热有利区:同时满足找矿信息量法预测结果≥ⅢX级、特征分析法预测结果≥ⅢT级,求取二者交集。

表4 地热有利区分类依据Table 4 Classification standard of geothermal favorable areas

按上述分类依据,研究区共圈定79处地热有利区,其中A类12个、B类22个,C类45个(图4)。有利区面积0.53～13 km2,平均面积为3.99 km2。

图4 研究区地热综合预测成果图Fig. 4 Comprehensive prediction results of geothermal resource in the study area

4.2.2 预测结果可信度

已知地热全部分布于A类、B类有利区中,其中5个A类有利区存在已知地热,分别为A5-桃源村、A6-罗陂、A7-石上、A8-蓝田和A10-李村,2个B类有利区存在已知地热,分别为B1-肖田和B11-小布,C类有利区无已知地热。

本文主要对A9、A11有利区开展了野外验证。A9分布于驿前—黄岗山断裂带的次一级NE向断裂上,出露斑状黑云母二长花岗岩,实测地下水6处,水温22～27 ℃,平均水温24.3 ℃,具明显的高温异常。A11分布于鹰潭—安远断裂带上,西侧为鹅婆花岗岩体,东侧为白垩纪红层,测地下水水温20.5 ℃,无异常,水质清澈,实测偏硅酸含量为50.06 mg/L,达到天然饮用矿泉水标准。

综上,已知地热全部与A类、B类有利区吻合,实地验证了两处A类有利区,其中1处高温异常明显,均证明本文预测结果可信度较高。

5 结论

(1)ETM+热红外反演温度6.6～8.58 ℃、ASTER热红外反演温度6.44～8.51 ℃、羟基异常2.43～4.02、土壤湿度0.14～0.31是江西宁都地区指示地热的有利标志。

(2)提出了地层、岩浆岩、控热断裂、控水断裂、断裂交汇、ETM+热红外反演温度、ASTER热红外反演温度、羟基异常、土壤湿度、高程、水系、航磁、重力等13个地热预测因子。

(3)运用证据权法、找矿信息量法和特征分析法开展地热预测,综合分析圈定地热有利区79处,其中A类12处、B类22处、C类45处。已知地热与A类、B类有利区吻合,部分A类有利区经野外查证发现地热异常,表明预测结果可信度较高。

(4)本文研究采用了2种遥感数据,提取了13个预测因子,运用了3种预测方法,具有遥感数据多源、预测因子多、智能化等特征,证明遥感地热GIS预测方法是一种实用有效的预测方法,能极大减少野外调查工作量,可作为地热资源调查中的一种常规技术方法使用。

致谢：本文基于“遥感方法在地热资源调查与预测中的应用”项目成果编写而成,是项目全体人员集体成果的结晶。中国地质大学(武汉)张志教授团队在遥感专业技术方面给予了极大的帮助,江西省地质局余忠珍教授级高工、唐维新教授级高工、周雷教授级高工,江西省地质调查勘查院楼法生教授级高工在研究过程中提出了宝贵的建议,在此一并表示感谢!匿名审稿专家对本文进行了认真、专业的审阅,并提出了具有指导意义的意见和建议,在此表示衷心感谢!

注释

❶ 江西省地质调查勘查院.遥感方法在地热资源调查与预测中的应用成果报告(内部资料) .2021.