编者按：
本周为大家推荐《地质力学学报》2021年1期的文章。此次推送的是辛磊等作者的《遥感影像地表温度反演与地热资源预测——以石家庄地区为例》。
作者： 辛磊，刘新星，张斌
摘要： 热红外遥感技术可以反演地表温度信息，可在地热资源预测方面发挥重要作用。研究基于京津冀地区地热成藏模式，利用单窗算法反演出石家庄地区2015年3月6日地表温度，结合夜间热红外影像、遥感构造解译结果和剩余重力异常数据，综合分析，相互论证，圈定1处山地对流型地热远景区和2处沉积盆地型地热远景区。其中，平山县寺沟村昼夜地温值均高于周边地物，且剩余重力异常数据印证该区存在北东向断裂，进而预测该区是断裂作为导水导热通道连接地表与地壳深部热源所形成的地热田；藁城—无极一带和马于—换马店一带剩余重力异常解译为深部隆起构造，且有隐伏断裂穿过，预测该区是由隐伏断裂将热量传递、汇集至隆起构造位置所形成的地热田。以地热成藏理论为依据，利用遥感技术和地质、地球物理资料综合分析进行地热资源预测，所圈定的地热预测靶区更具备地质可解释性。
关键词: 地热资源；热红外遥感；地表温度；地质构造解译
图件及说明
图 1 研究区位置图
研究区位于冀中南地区，西部依托太行山，东部连接河北平原，滹沱河从研究区北部穿过。其地理坐标范围：东经113°45′~115°19′、北纬37°30′~38°26′，面积约为12.9×103 km2(图 1)。研究区地势总体呈西高东低阶梯状展布，主要有低山、丘陵和山前平原三种地貌类型，属季风性暖温带半湿润大陆性气候，春季多风沙，夏季秋季高温多雨，冬季寒冷干燥。
图 2 京津冀地区地热资源成藏模式
在华北地区依据地幔柱活动影响和区域构造控制，地热可分为华北断陷区深部地热和华北内陆造山带热泉地热(牛树银等，2001)。燕山运动以来，华北平原受地幔亚热柱强烈上涌影响，地壳形成一系列相间排列的二级地堑、地垒构造和三级凹凸构造，由于多期次岩浆、岩脉侵入作用，在岩浆上部或局部隆起区、堑垒边界密集断裂带处易形成地热田；其外围受幔枝构造作用和岩浆侵入作用影响，造山带内发育密集断裂，断裂区可以形成地热泉循环系统(王钧等，1983；牛树银等，2001)。基于不同构造成因和热传递方式，地热成藏模式可分两类，京津冀隆起山地对流型地热资源成藏地热模式和京津冀沉积盆地传导型地热资源成藏地热模式(图 2)，模型详细介绍见王贵玲等(2017)，更多地热能传输机制可参考罗文行等(2020)。
图 3 地表反演温度图
基于上述原理，经过波段运算求得研究区地表反演温度结果(图 3)。通过像元统计，可知其平均温度约为17 ℃，且温度主要集中在12~23 ℃。
图 4 构造解译结果(754彩色合成)
解译结果(图 4)显示，线性构造主要分布在太行山山前断裂以西。东部平原与西部山区呈突变式接触，可推断山区与平原属于断层接触，该断裂在石家庄以北主要以北北东向展布，以南为近南北向展布，中间呈过渡现象。西部山区解译构造主要为北东、北北东、北西和北西西向线性构造，少数线性构造为近东西向展布。在平山—井陉—鹿泉一带解译出4个环形构造。
图 5 研究区剩余重力异常图
东部平原广泛分布的第四系对该地区地热资源预测具有阻碍作用，使得遥感解译该区域地质演化所形成的线性构造较为困难，然而剩余重力异常反映地壳浅部岩石密度和厚度的变化，在剩余重力异常图中重力异常带轴向错动或局部等值线扭曲位置处可以推断断裂构造存在。孙会玲(2019)认为大比例尺地球物理数据在识别盖层及断裂构造方面有显著优势。研究区剩余重力异常以北东向展布为主(图 5)，高低相间排列分布反映了深部基底局部的隆起与凹陷，并且北东向展布的剩余重力高值异常带存在北西向局部错动现象，可推测石家庄地区北北东向构造格架被北西向断裂错动。石家庄西部山区北东、北北东、北西，以及近东西向断裂(>10 km的断裂)的空间分布规律与剩余重力反映的构造格架基本吻合(图 5)。受剩余重力异常数据的精度限制，无法对遥感解译结果中区域构造之间的次级构造和局部小断裂进行有效验证。太行山山前断裂以东的平原地区，第四纪沉积物覆盖严重，目前无法有效解译平原区构造，因此需要结合一些学者的研究成果进行综合分析。解译结果(图 4)显示，研究区内以北东、北西和北西西向断裂分布为主，北西和北西西向断裂错断北东向断裂，在研究区西南山区分布近南北向断裂。平原地区断裂分布在重力异常带等值线扭曲部位(即正负异常交替带上)或异常带错断部位(图 5)，可将其理解为控制地壳浅部构造格架的隐伏断裂。
图 6 平山县温塘镇温泉异常特征
依据地热资源成藏模式(图 2)，太行山山前断裂带以西的山区地热资源的分布和热循环受断裂构造控制。已知研究区中有1处已开发利用的地热资源——平山县温塘地热田(胡君春和郭纯青，2007)，现有开发利用地热井8眼，地热井开采深度一般为80~100 m，单井涌水量30~60 m3/h，热水水温45~73 ℃。张博(2015)对温塘地热田地质特征的研究表明，温塘地热田受断裂构造控制，北东向断裂破碎带(倾向南西)纵穿地热田，北西西向断裂截切北东向断裂，是断裂构造破碎带型热储；北东断裂作为储水构造，北西西断裂为导水导热构造，渗水沿断裂带循环过程中不断吸收热源的热量，在断裂交汇位置处以热水形式侵位于近地表，承压热水水位埋深14.0~20.7 m；由于温塘地热田上覆第四系松散沉积物厚度小，为5~20 m，隔温性能差，属于中低温半封闭式山地对流型地热系统。韩亚彬和张崇山(2020)通过地球物理数据推断温塘地区存在隐伏断裂和中酸性隐伏岩体。根据温塘地热田遥感影像特征及相关研究显示，白天地表温度具有相对较高的值，即反演温度平均约为17 ℃，高于背景温度约3 ℃。该区域夜间影像相对于周围地形、地物具有较高像元亮度值(图 6)。
图 7 平山县寺沟村异常特征
根据平山温塘地热田影像特征和地质特征对比结果，发现研究区内存在1处与其异常特征相似的地温异常区域——平山县寺沟村区域(图 7)。该区白天平均地表反演温度约为20 ℃，高于背景值3 ℃，夜间热红外影像像元亮度值相对高于邻近区域，北东向解译线性断裂切穿寺沟村区域，剩余重力异常图中正负异常梯度带可印证该断裂存在。
图 8 研究区构造解译与远景预测图
对剩余重力异常图进行构造解译(图 8)可知：藁城—无极一带、辛集以西的马于—换马店一带均为剩余重力正异常，被周围剩余重力负异常包围，对应深部隆起构造区域，这些区域符合京津冀沉积盆地传导性地热成藏模式。藁城—无极隆起和马于—换马店隆起区位于华北沉积盆地边部，第四系松散沉积物厚度大，相对于密度较大的古生界、中生界和新生界砂岩、含砾砂岩以及灰岩等岩层，其热导率低，可作为隔热层。隔热层使来自地下深部的热量不易外散而聚集在盖层底部的高孔隙度、高热导率岩石地层之中。合理采用热储回灌系统和工艺流程(阮传侠等，2017)开发地热资源，并持续监测、应对可能因地热资源开采所引发的地质灾害(甘浩男等，2020)，可以有效保证地热资源可持续开发利用。更多关于京津冀地球物理数据及解译结果见张亚东等(2011)和方菲(2020)。
结论
基于Landsat 8数据Band10影像，利用单窗算法对石家庄地区进行地表温度反演，并将地表温度反演结果与夜间热红外数据、人文地理数据进行对比分析，排除了人为活动影响，降低了地表异常温度的多解性。在此基础上，综合线性构造解译结果、剩余重力异常数据及地热成藏模型等，对研究区地热异常进行综合分析，预测了平山县寺沟村一带、藁城—无极一带、马于—换马店一带共3处地热远景区。
研究表明地表温度反演结果符合实际情况，可以在一定程度上指示研究区地热异常分布。同时，在空间上地热异常分布受主要断裂构造控制，可以被剩余重力异常和研究区地热成藏模型印证、解释，表明地热预测结果具有合理性。
虽然采用热红外遥感技术、构造解译、剩余重力异常数据对研究区地热资源进行了深入研究及预测，但是受天气、影像数据质量和数据精度等因素影响，使得预测结果存在准确性、精确性不足等问题。因此，在后续研究中需要利用精度更高的数据，同时利用更多遥感相关技术对地热资源进行远景预测，例如：地热相关的蚀变矿物信息提取、应用于山区的地形坡向校正等，实现多元数据综合约束，以取得更准确、更精确的预测结果。
第一作者
辛磊(1995-), 男, 在读硕士, 从事数学地质研究。E-mail: leixin223@126.com
引用格式
辛磊, 刘新星, 张斌, 2021. 遥感影像地表温度反演与地热资源预测: 以石家庄地区为例 [ J] . 地质力学学报, 27 ( 1) : 40 -51. DOI: 10. 12090 / j. issn. 1006-6616. 2021. 27. 01. 005 XIN L, LIU X X, ZHANG B, 2021. Land surface temperature retrieval and geothermal resources prediction by remote sensing image: A case study in the Shijiazhuang area, Hebei province [J]. Journal of Geomechanics, 27 (1) : 40-51. DOI: 10. 12090 / j. issn. 1006-6616. 2021. 27. 01. 005