遙感與水化學方法在地熱靶區綜合預測中的應用
——以咸寧地區為例

張文慧， 金 朝,2*， 陳 曦,2， 趙子良， 王曼麗， 杜翌超

(1.湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034； 2.湖北省地質局 遙感應用技術中心，湖北 武漢 430034；3.湖北省地質局 第四地質大隊，湖北 咸寧 437100)

在地熱勘查中，鉆探和物探等勘查手段應用廣泛，但投資大、風險高，而遙感技術具有周期短、成本小、覆蓋范圍廣等優點[1]，因此越來越受到重視。近年來，隨著空間技術的長足發展，遙感數據的空間分辨率、光譜分辨率等呈級數增加，使得遙感技術在地熱勘查中的應用更加高效。遙感技術可以對地熱異常和地熱地質條件進行信息提取，前者常利用各種熱紅外遙感數據反演地表溫度，進而識別地熱異常區；后者主要通過遙感影像識別與地熱形成和賦存密切相關的地質條件，如構造、巖層、隱伏巖體等[2]。地質技術人員多傾向于將遙感地熱異常信息和地質條件信息進行綜合，并結合重力異常、航磁異常等數據，采用定性或半定量分析方法圈定地熱靶區[3-6]，取得了較理想的地熱勘查和預測效果。

水化學方法也是一種成本較低的地熱勘查手段，可提供豐富的地熱信息[7]。水化學方法一般通過測量地熱水的常量元素、微量元素及同位素含量數據，分析得到地熱水化學類型、熱儲溫度、熱循環深度、地熱水來源、補給高程等信息，進而建立地熱水成因模型等[8-10]。這些研究一般圍繞已發現地熱田(點)進行水化學特征及成因分析，可以將某些特征組分作為尋找地熱水的標志[11-14]，在指導區域地熱勘查工作中起到較好的效果。然而，單純采用水化學方法進行地熱異常區圈定需要大量的野外調查和室內測試工作，成本略高。

目前將遙感技術和水化學方法結合起來應用于地熱勘查的實踐相對較少。本次以咸寧地區為例，首先利用遙感技術對研究區地表溫度和水熱蝕變進行解譯，并結合構造、重力異常和航磁異常等數據，采用層次分析法初步預測地熱有利區段；然后在地熱有利區段針對性開展水化學調查分析工作，得到地熱水水化學特征，識別出新的地熱異常點；最后綜合初步預測的地熱有利區段、地質背景條件、水化學特征及氡氣異常等信息，圈定地熱靶區。研究成果可為咸寧地區地熱勘查提供有價值的參考信息。

1 研究區概況

咸寧地區地貌以低山丘陵為主，地跨揚子準地臺下揚子臺坪之大冶臺褶帶的梁子湖凹陷、咸寧臺褶束及幕阜臺坳的通山臺褶束等三個四級構造單元，區內褶皺和斷裂十分發育。其中，梁子湖凹陷位于蒲圻—梁子湖一帶，為晚三疊世以來的繼承性凹陷，呈NE-NEE向弧形延伸；咸寧臺褶束為一條NEE向延伸的擠壓帶，卷入震旦系—中三疊統地層，以大幕山復背斜為主體；通山臺褶束由震旦系—三疊系褶皺組成，以通山復向斜為主體，總體呈NEE向延伸。區內巖漿活動集中于燕山期，主要在通城和幕阜山一帶發育花崗巖、二長花崗巖[15-16]。

2 遙感技術應用

2.1 數據來源

遙感影像數據取自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)Landsat8數據，選擇2013—2017年共4期影像數據，云量均<0.5%。OLI(陸地成像儀)有9個波段，空間分辨率15～30 m。TIRS(熱紅外傳感器)有2個波段，空間分辨率100 m。

咸寧地區地質資料精度較高，斷裂與褶皺數據取自1∶5萬和1∶20萬區域地質調查報告，航磁數據取自1∶20萬航磁異常等值線圖，重力數據取自1∶25萬和1∶50萬布格重力異常等值線圖。

圖1 咸寧地區地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of Xianning area

2.2 遙感解譯

2.2.1地表溫度反演

基于研究區Landsat8熱紅外遙感數據(選用Band10)，利用ENVI軟件進行輻射定標、大氣校正、歸一化植被指數計算、地表比輻射率計算、大氣剖面參數獲取、黑體輻射亮度和地表溫度計算等，然后結合咸寧市土地利用數據，得到研究區地表溫度反演圖。基于歷史數據對比和地熱異常的植被效應影響，最終選擇2017年10月30日的Landsat8數據，處理得到咸寧地區地表溫度反演圖(圖2)。

圖2 研究區地表溫度反演圖Fig.2 Inversion map of surface temperature in study area

2.2.2水熱蝕變反演

水熱蝕變與地熱之間常存在密切的相關性，其中Si蝕變和OH蝕變為水熱蝕變的主要類型。選用2017年10月30日的Landsat8數據(2、5、6、7波段)進行主成分分析，得到OH蝕變反演圖；再選用5、7波段數據進行比值法分析，得到Si蝕變反演圖。將Si、OH蝕變結果進行代數疊加融合，得到最終的咸寧地區水熱蝕變反演圖(圖3)。

圖3 研究區水熱蝕變反演圖Fig.3 Inversion map of hydrothermal alteration in study area

2.3 地熱有利區段初步預測

利用ArcGIS軟件的空間分析工具對收集到的斷裂、褶皺數據進行分析，得到研究區斷裂歐氏距離分析圖、褶皺多重緩沖區圖。將1∶20萬航磁異常等值線圖、1∶25萬和1∶50萬布格重力異常等值線圖進行融合、投影轉換等處理，得到航磁異常數值圖、重力異常數值圖。

本文將斷裂、褶皺、航磁異常、重力異常、地表溫度異常、水熱蝕變異常作為遙感地熱資源潛力評價的因子，因子證據層由斷裂歐氏距離分析圖、褶皺多重緩沖區圖、航磁異常數值圖、重力異常數值圖、地表溫度反演圖、水熱蝕變反演圖構成。基于ArcGIS平臺和層次分析法[20]，通過建立層次結構模型、構造判斷矩陣、計算權重、一致性檢查等步驟，得到研究區初步預測的地熱有利區段。通過對比可知，本區已知地熱點大多位于初步預測地熱有利區段內，說明預測結果具有較高的可信度。

3 水化學方法應用

主要圍繞初步預測地熱有利區段，有針對性地進行野外調查和水化學樣采集工作，共采集樣品30組，分別從機井、民井、泉口、地表采集，樣點分布情況見圖1。樣品測試分析由湖北省地質實驗測試中心完成，測試結果見表1。同時收集了該區11組地熱水樣品的測試數據(采樣點均位于已知地熱田內)，但限于篇幅未列出這些數據。

由于本次采樣時間主要為夏季，水溫受氣溫影響較大，因此需綜合水溫、水化學特征及露頭情況，對本次水樣類型(地熱水、地下冷水或地表冷水)進行判別(表1)。本次采集的30組水樣中，水溫≥25℃的地下水有9組，分別為S1、S2、S12、S15、S16、S21、S22、S23和S26，其中S16、S21、S22無特征組分異常且水溫相對較低，綜合其他條件排除地熱水，判定為地下冷水；S1、S2、S15為已知地熱田的地熱水；S12、S23、S26存在特征組分異常，判定為地熱水。

表1 水樣主要組分分析結果Table 1 Analysis results of main components of water samples

3.1 水化學類型

將本次采集的30組水樣和收集的11組水樣數據進行投點，繪制了水化學Piper三線圖(圖4)。研究區地熱水溫度為25～62℃，pH值為7.28～8.50，水化學類型大多為SO4-Ca型，少量為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3·Cl-Ca和HCO3-(K+Na)型，溶解性總固體(TDS)含量多介于1 000～2 200 mg/L，少數<700 mg/L。 地下冷水及地表冷水溫度為16.5～28℃，pH值為7.07～8.03，水化學類型大多為HCO3-Ca型，少量為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·(K+Na)、HCO3-(K+Na)和HCO3·SO4-Ca·Mg型，TDS含量多介于50～350 mg/L，明顯低于地熱水。

圖4 水化學Piper三線圖Fig.4 Piper triline diagram of hydrochemistry

3.2 特征組分特征

地熱水是在深循環及高溫環境下形成的，往往具有獨特的化學成分，因此可通過地熱水的特征組分來發現和圈定地熱異常區。由于各地區地熱的形成與賦存條件不同，特征組分會表現出一定的差異性[11]，因此需要具體分析。對比研究區地熱水、地下冷水及地表冷水的主要組分特征(表2)，可以看出地熱水中常量組分Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-和微量組分Li+、Sr2+、F-、偏硅酸的平均含量均為地下冷水及地表冷水的2倍以上，部分甚至超過數十倍。上述組分在地熱水中濃度較高，可作為地熱水水化學標志。

表2 水樣主要組分平均含量對比Table 2 Comparison of average contents of main components in water samples

在本次采集的水溫≥25℃的地下水樣中，K+、Na+含量超過地熱水平均含量的樣品為S23、S26，Ca2+、Mg2+、SO42-含量超過地熱水平均含量的樣品為S1、S2，Sr2+含量超過地熱水平均含量的樣品為S1、S2、S15，F-含量超過地熱水平均含量的樣品為S2、S12、S26，偏硅酸含量超過地熱水平均含量的樣品為S15、S23，Li+含量超過地熱水平均含量的樣品為S2、S12、S26。由于S1、S2采自咸寧溫泉地熱田，S15采自赤壁五洪山地熱田，因此只有S12、S23、S26采自于新發現地熱點。

3.3 熱儲溫度

熱儲溫度可反映鉆探可及或地熱水曾經達到的溫度[21-25]。常用于估算熱儲溫度的地球化學溫標為K-Mg溫標和SiO2溫標。將研究區地熱水組分數據投入Giggenbach三角圖(圖5)，發現地熱水屬于未成熟水，說明水—巖之間未達到離子平衡狀態，因此K-Mg溫標不適用于本區熱儲溫度的計算，而SiO2溫標計算結果較接近地熱田的實際情況。

圖5 地熱水Giggenbach三角圖Fig.5 Giggenbach triangle diagram of geothermal water

SiO2溫標計算公式為：

T=1 309/(5.19-lgC)-273.15

式中：T為SiO2溫標估算的熱儲溫度；C為地熱水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量。

從計算結果(表3)來看，地熱水的實際出水溫度為25～62℃，SiO2溫標估算的熱儲溫度為61.33～98.65℃，熱儲溫度>40℃，表明本次新發現地熱點存在明顯的溫度異常。

表3 地熱水熱儲溫度計算結果Table 3 Calculation results of geothermal reservoir temperature

4 地熱靶區綜合預測

綜合初步預測地熱有利區段、地質背景條件、水化學分析結果及氡氣異常數據(僅部分區域有氡氣測量數據)[26]等信息，圈定了4處地熱靶區(圖6)，分別為崇陽北部一帶地熱靶區(編號為1)、崇陽路口鎮一帶地熱靶區(編號為2)、通山南部一帶地熱靶區(編號為3)、咸寧北部一帶地熱靶區(編號為4)。需要說明的是，已有地勘單位在S26樣品所在的新發現地熱點開展了一定的工作，認為該地熱點不具有進一步勘查意義，因此本次預測的4處地熱靶區暫不包含該區域。

圖6 研究區地熱靶區綜合預測圖Fig.6 Comprehensive prediction map of geothermal target areas in study area

(1) 崇陽北部一帶地熱靶區。靶區位于區域大斷裂附近和大型褶皺翼部，發育已知地熱田和溫泉點。地熱有利區段異常值整體呈2條NEE向展布的帶狀。沿區域性斷裂發育呈線狀分布的氡氣異常。

(2) 崇陽路口鎮一帶地熱靶區。靶區位于區域大斷裂附近和大型褶皺翼部，暫未發現溫泉點，但是沿區域性斷裂發育氡氣異常。地熱有利區段異常值范圍較廣，整體呈2條NEE-NE向展布的帶狀。

(3) 通山南部一帶地熱靶區。靶區位于大型褶皺翼部，存在小型斷裂。新發現地熱點S12位于靶區內，具有進一步勘查價值。地熱有利區段異常值整體呈串珠狀分布。

(4) 咸寧北部一帶地熱靶區。靶區位于大型褶皺翼部和區域性隱伏大斷裂發育區，發育1處新發現的地熱點S23，具有進一步勘查價值。地熱有利區段異常值整體呈NE向展布的帶狀。

5 結論

(1) 以咸寧地區為研究區，通過遙感解譯，初步預測地熱有利區段；然后通過水化學分析，總結地熱水水化學特征，新發現3處地熱點；最后綜合初步預測地熱有利區段、地質背景條件、水化學分析結果及氡氣異常數據，圈定了4處地熱靶區，即崇陽北部一帶地熱靶區、崇陽路口鎮一帶地熱靶區、通山南部一帶地熱靶區、咸寧北部一帶地熱靶區。

(2) 將遙感解譯與水化學方法相結合，用于圈定地熱有利區段是可行的，相比單純依靠水化學方法圈定地熱異常區，其野外調查和室內測試工作量大為減少，更為經濟高效。但需要說明的是，該方法在隱伏型地熱發育區和地熱異常點十分集中的區域可能沒有明顯的優勢。