遙感技術(shù)在干熱巖選區(qū)中的應(yīng)用
——以魯東地區(qū)為例

何雪琴，鄧清海，高宗軍，林海斌，耿許可

(山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266950)

地?zé)豳Y源是指埋藏于地殼內(nèi)、能被經(jīng)濟(jì)合理地開發(fā)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?zé)豳Y源的代表，一般是指埋深 2～6km、溫度介于150～650°C 之間、內(nèi)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(jīng)濟(jì)效益的清潔能源。干熱巖資源開發(fā)利用在我國(guó)尚屬起步階段，但以其取之不盡用之不竭的地?zé)崽N(yùn)藏量和清潔可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)受到廣泛的關(guān)注[2]。目前，我國(guó)松遼盆地、青海盆地、東南沿海等區(qū)域均已勘查出干熱巖資源[3-6]，但尋找干熱巖的技術(shù)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(fèi)用較高且局限到點(diǎn)；物探不僅周期長(zhǎng)、投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，還可能對(duì)地?zé)豳Y源可持續(xù)性的發(fā)展造成危害。而遙感技術(shù)可以快速地檢測(cè)地表熱場(chǎng)的變化，在短時(shí)間內(nèi)獲取大面積地面溫度場(chǎng)信息，且受地面條件限制小，所以被廣泛用于探測(cè)地?zé)?。該文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用遙感這項(xiàng)高新技術(shù)，以魯東地區(qū)為例，對(duì)干熱巖的靶區(qū)尋找展開研究。

1 研究區(qū)概況

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

該次研究利用Landsat 8熱紅外數(shù)據(jù)開展了魯東地區(qū)地?zé)嵝畔⑻崛」ぷ? Landsat8衛(wèi)星攜帶有TIRS熱紅外傳感器和OLI陸地成像儀，采用Landsat8 OLI數(shù)據(jù)的多光譜波段Bandl0與其全色波段PAN進(jìn)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(dá)15m)。

2 遙感解譯

遙感技術(shù)探測(cè)地?zé)岬闹饕绞绞峭ㄟ^地?zé)岙惓：涂責(zé)針?gòu)造的遙感解譯來提取有關(guān)地?zé)豳Y源的信息。在淺層地?zé)峄蛘哂袩崛植嫉牡貐^(qū),直接利用熱紅外遙感圖像就可以獲取地?zé)?(異常) 信息。但對(duì)于深部地?zé)針?gòu)造而言,直接利用熱紅外遙感技術(shù)無法獲取地?zé)岙惓Ｐ畔?而一般要通過對(duì)控?zé)針?gòu)造，如隱伏巖體、活動(dòng)斷裂和深大斷裂的遙感解譯間接獲取地?zé)岙惓Ｐ畔ⅰ?/p>

2.1 地質(zhì)構(gòu)造解譯

衛(wèi)星遙感圖像具有直觀、綜合、宏觀的特點(diǎn),在反映地質(zhì)構(gòu)造,特別是線性和環(huán)形形跡的分析時(shí)可提供大量新的地質(zhì)信息。計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的應(yīng)用使這些地質(zhì)形跡得以突出增強(qiáng),它客觀形象地反映區(qū)域構(gòu)造特征與差異,為分析地質(zhì)構(gòu)造開拓了一個(gè)嶄新的技術(shù)途徑[10]。在遙感圖像上那些與地質(zhì)作用有關(guān)的或受地質(zhì)構(gòu)造控制的線性影像可稱之為線性構(gòu)造。線性構(gòu)造解譯主要通過色調(diào)、水系及地貌等間接解譯標(biāo)志來表現(xiàn):色調(diào)標(biāo)志為差異色調(diào)界線,呈直線或近似直線狀;水系標(biāo)志為河流的直角拐彎或近直角拐彎,串珠狀水系重復(fù)出現(xiàn);地貌標(biāo)志有斷層崖及錯(cuò)斷山脊等。環(huán)形構(gòu)造是地球內(nèi)部熱源在地殼中活動(dòng)后在地表的反應(yīng)，包括基底穹隆以及各時(shí)代沉積巖系的隆起、坳陷、背斜及向斜構(gòu)造、火山機(jī)構(gòu)等[11]。環(huán)形構(gòu)造異常區(qū)通常與雜巖體群、礦體、火山構(gòu)造等相對(duì)應(yīng)，環(huán)形構(gòu)造異常區(qū)與其成正相關(guān)，揭示了熱源巖體的位置。環(huán)形構(gòu)造解譯標(biāo)志主要是通過色調(diào)和形狀來表現(xiàn),除此之外,地貌、水系也是識(shí)別環(huán)形構(gòu)造的重要標(biāo)志。

通過對(duì)landsat 8影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再進(jìn)行人工目視解譯，得到了工作區(qū)的線環(huán)形構(gòu)造分布圖(圖1)。

1—線性構(gòu)造；2—環(huán)形構(gòu)造圖1 遙感構(gòu)造解譯圖

該次共解譯出環(huán)形構(gòu)造27個(gè)，其主要分布特征如下：

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

(2)研究區(qū)域北部萊州招遠(yuǎn)蓬萊一帶，包括R10～R19共10個(gè)環(huán)形構(gòu)造，也是自西南向東北延伸，沿線分布有大田鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、夏甸鎮(zhèn)、招遠(yuǎn)市區(qū)、玲瓏鎮(zhèn)、下丁家鎮(zhèn)以及蓬萊部分市區(qū)。

(3)研究區(qū)東部濱海地區(qū)，包括R21～R27共7個(gè)環(huán)形構(gòu)造，分布于海陽、乳山、文登以及榮城等地區(qū)。其中乳山市出現(xiàn)了環(huán)形構(gòu)造疊加區(qū)，發(fā)育有R25和R26，從衛(wèi)星影像圖上看呈心型，但R26因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，已不太規(guī)則。

(4)環(huán)形構(gòu)造R20和R21則獨(dú)立分布于煙臺(tái)市與棲霞市的接壤處，且R21處有火山遺跡出現(xiàn)。

由Arcmap10.2面積統(tǒng)計(jì)功能，按照環(huán)形構(gòu)造面積由大到小的原則，將環(huán)形構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)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?zé)豳Y源的存在，會(huì)使得地表溫度比背景值高。所以地表溫度異常是地?zé)釁^(qū)域的重要指示器。紅外遙感通過測(cè)量地面物體輻射的紅外線來計(jì)算地物的溫度，是可以直接指示地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)。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(qū)。圈定高溫異常區(qū)需排除地表建筑物，水體等因子的干擾，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁兀Τ龈哂诋?dāng)?shù)刈罡邭鉁氐母邷禺惓^(qū)。

目前，地表溫度反演方法也是研究熱點(diǎn)。不同區(qū)域?qū)嶋H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(shù)據(jù)反演出地表溫度?；诖髿庑Ｕ?，基本原理為首先估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響, 然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去, 從而得到地表熱輻射強(qiáng)度, 再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。

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

2.3 水熱蝕變信息提取

熱水汽與巖體的相互作用時(shí)，使得巖體發(fā)生化學(xué)變化。水熱蝕變最重要的蝕變反應(yīng)為水解反應(yīng)，水解反應(yīng)的重要產(chǎn)物為羥基[13]。水熱蝕變異常區(qū)可以用來間接反映出干熱巖有利靶區(qū)。不同地物之間波譜特征的差異是遙感識(shí)別地物的基本依據(jù)。因其組成、結(jié)構(gòu)、成分上明顯異于常規(guī)礦物，含羥基水熱蝕變礦物的波譜特征較其他礦物也會(huì)表現(xiàn)出較大的不同，據(jù)此利用遙感影像來提取羥基蝕變信息。根據(jù)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(zhǎng)2.2～2.3μm(大體等效于OLI的第7波段范圍)附近有很強(qiáng)的吸收譜帶(圖3)，使得這類水熱蝕變礦物的波譜曲線會(huì)在OLI的5波段和7波段產(chǎn)生一個(gè)異常低值，而在OLI的2波段和6波段則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的高值。因此，選取OLI的第2,5,6,7波段進(jìn)行主成分變換，生成4個(gè)主成分分量。

根據(jù)變換特征的向量矩陣，波段2，6前系數(shù)同符號(hào)(同為正或負(fù)號(hào))，波段5，7前系數(shù)同符號(hào)，但2組符號(hào)不同者對(duì)應(yīng)的分量中即包含羥基信息。對(duì)選定的分量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別以“均值+N倍標(biāo)準(zhǔn)差”(N=3，2.5，2，1)為閾值，提取羥基蝕變一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)異常區(qū)。最后，將三景結(jié)果鑲嵌為一景，得到研究區(qū)羥基蝕變分布圖(圖4)。圖中紅色、黃色、綠色及湖藍(lán)色區(qū)域分別為羥基蝕變一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)異常區(qū)。

對(duì)比研究區(qū)的地質(zhì)圖可以發(fā)現(xiàn)，羥基蝕變區(qū)主要分布在花崗侵入巖體(環(huán)形構(gòu)造)附近、線性構(gòu)造帶或者河床沿海沖(沉)積物上。圖5、圖6為典型蝕變區(qū)的遙感圖像對(duì)照?qǐng)D。

1—大于35℃；2—31～35℃；3—28～31℃；4—小于28℃圖2 工作區(qū)地表溫度反演結(jié)果圖

圖3 典型粘土類礦物的反射波譜特征圖

1—一級(jí)異常；2—二級(jí)異常；3—三級(jí)異常；4—四級(jí)異常；5—背景色圖4 研究區(qū)羥基蝕變分布圖

圖5 分布于線性構(gòu)造帶的羥基蝕變區(qū)

圖5蝕變區(qū)位于山東威海乳山市西北部，據(jù)遙感圖像特征推測(cè)區(qū)內(nèi)有礦石開采活動(dòng)，圖中紅色一級(jí)異常區(qū)可能對(duì)應(yīng)礦點(diǎn)及尾礦庫，根據(jù)地質(zhì)資料，該區(qū)域NNW，SSE向斷裂發(fā)育，二三級(jí)異常區(qū)走向與斷裂方向基本一致。

圖6 分布于環(huán)形構(gòu)造區(qū)(侵入巖)的羥基蝕變區(qū)

圖6蝕變區(qū)位于日照市北部山區(qū)，東南與日照水庫相鄰，主要為二級(jí)、三級(jí)異常區(qū)，受區(qū)內(nèi)侵入巖體控制，蝕變帶呈似環(huán)形分布。

3 干熱巖有利選區(qū)

結(jié)合遙感解譯出的因子，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[14-16],綜合選取了重力異常、大地?zé)崃鳌⒌販靥荻?個(gè)因子輔助干熱巖靶區(qū)的選定。研究區(qū)布格重力異常值在-30～40mGal之間變化，且在招遠(yuǎn)、威海、五蓮、青島呈現(xiàn)極低負(fù)異常圈閉區(qū)，在膠萊盆地、煙臺(tái)、臨沂、莒縣呈現(xiàn)極高正異常圈閉區(qū)。研究區(qū)的重力異常變化與地形起伏之間的相關(guān)性極高。異常值較高對(duì)應(yīng)沉積盆地或是凹陷的部位；異常值較低對(duì)應(yīng)構(gòu)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(píng)價(jià)指標(biāo)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?zé)崃髦到橛?9.83～85.41mW/m2之間變化[17]，其算數(shù)平均值為62.45mW/m2，接近全球平均大地?zé)崃髦?62.81mW/m2)，這是由于研究區(qū)中生代受印支-燕山運(yùn)動(dòng)影響，古板塊發(fā)生活化作用導(dǎo)致的。在大地構(gòu)造上可劃分為2個(gè)較高和1個(gè)較低地?zé)岙惓^(qū)，有2個(gè)較高熱異常區(qū)與膠北隆起和文登隆起分別相對(duì)應(yīng)，一個(gè)較低地?zé)岙惓^(qū)與膠萊盆地相對(duì)應(yīng)，因此將大地?zé)崃髦翟u(píng)價(jià)指標(biāo)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(qū)內(nèi)相關(guān)地溫資料來獲取地溫梯度數(shù)據(jù)，參考部分?jǐn)?shù)據(jù)整理繪制研究區(qū)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(píng)價(jià)指標(biāo)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?zé)崃髦祱D；(c)地溫梯度圖

將研究區(qū)以市區(qū)為單位，劃分為30個(gè)評(píng)價(jià)單元，采用專家打分法，對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)單元的6個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行打分。然后采用層次分析法,進(jìn)行權(quán)重分析。層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)用來建立系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型，是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種定量與定性相結(jié)合的層次化系統(tǒng)分析方法[18]，將復(fù)雜問題按照隸屬關(guān)系組成分級(jí)層次機(jī)構(gòu)，適用于難以分析的系統(tǒng)問題，具有較高的有效性和可行性。

表1 判斷矩陣打分標(biāo)準(zhǔn)及其含義

首先通過表1打分標(biāo)準(zhǔn)，為該次評(píng)價(jià)體系涉及的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣。然后通過Excel 2007進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，結(jié)果如下表2。

最后，魯東地區(qū)開發(fā)適宜性選區(qū)綜合評(píng)價(jià)[19]使用公式:

式中：P為評(píng)價(jià)單元的 EGS勘查開發(fā)選區(qū)適宜性綜合評(píng)分值；n為評(píng)價(jià)因子的總數(shù)，該次評(píng)價(jià)中取 6；Pi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的給定指數(shù)；Ai為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，根據(jù)層次分析法得出的權(quán)重見表3。

表2 權(quán)重分析結(jié)果

表3 研究區(qū)綜合評(píng)分

4 結(jié)論

魯東地區(qū)位于歐亞板塊與太平洋板塊的邊緣俯沖帶上，強(qiáng)烈的俯沖、擠壓作用，形成較高的地溫梯度區(qū)。該區(qū)中生代時(shí)期巖漿活動(dòng)劇烈，巖漿活動(dòng)過程中，從深部傳導(dǎo)大量熱量，在該區(qū)域可以形成理想的干熱巖資源。文章通過遙感解譯，對(duì)魯東地區(qū)的構(gòu)造，地?zé)岙惓?，水熱蝕變進(jìn)行了等級(jí)劃分，并結(jié)合收集的布格重力異常、大地?zé)崃鞯責(zé)岙惓！⒌販靥荻鹊責(zé)岙惓５葦?shù)據(jù)，最終得到如下結(jié)論：

(1)遙感技術(shù)適合大范圍對(duì)地觀測(cè)研究，解譯精度較高，同時(shí)結(jié)合地溫地?zé)豳Y料，可以輔助干熱巖靶區(qū)的確定。

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

(3)干熱巖的有利賦存條件與其當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景有關(guān)，特別是地?zé)岬販禺惓^(qū)，是干熱巖在近地表的溫度反應(yīng)，預(yù)示下部存在高溫巖體。

(4)此次研究將對(duì)改善地方投資、帶動(dòng)地方資源利用發(fā)揮重要作用，對(duì)有效改善魯東地區(qū)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有良好的社會(huì)效益。