辛 磊 劉新星 張 斌

1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;2. 自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京), 北京 100083;4. 河北省戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050031;5. 河北地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 河北 石家莊 050031;6. 河南省航空物探遙感中心, 河南 鄭州 450053

0 引言

地?zé)豳Y源是一種可再生清潔能源, 將在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要作用 (王貴玲等,2020)。 常規(guī)地?zé)豳Y源勘查以調(diào)查近地表地質(zhì)現(xiàn)象為主, 輔助以鉆探、 物探等方法, 反演、 推斷地球深部地質(zhì)條件, 了解地?zé)豳Y源賦存狀況。 然而部分地區(qū)受第四系掩蓋影響, 利用物探、 鉆探等方法來(lái)勘查、 評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源, 具有投資大、 風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題 (張中言, 2010)。 因此, 需要借助更加經(jīng)濟(jì)、 實(shí)用的技術(shù)手段, 與其他技術(shù)方法相配合,為進(jìn)一步地?zé)豳Y源勘查提供靶區(qū)。

熱紅外遙感作為一種空間信息探測(cè)技術(shù), 其波段數(shù)據(jù)具有信息量大、 檢測(cè)精度高、 直觀、 形象、 受通行條件限制小等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域研究中 (周彥儒, 1998), 尤其在地?zé)豳Y源勘查領(lǐng)域已取得顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益 (張佩民和張金良, 2006; 連胤卓, 2007; 張中言,2010; 熊永柱等, 2016; 閆佰忠等, 2017)。 在熱紅外遙感技術(shù)中, 相較于單通道算法 (Jimenez-Munoz et al. , 2009) 和基于影像的反演算法 (丁鳳和徐涵秋, 2008), 單窗算法 (覃志豪等,2001) 具有較強(qiáng)的實(shí)用性 (黃妙芬等, 2006;Wang et al. , 2019), 因此文章選用單窗算法開(kāi)展研究。

華北地區(qū)地?zé)豳Y源的主要類(lèi)型為沉積盆地型,盆地內(nèi)熱儲(chǔ)層多、 厚度大且分布較廣, 賦存有大量中低溫?zé)崴Y源 (王貴玲等, 2020)。 而石家莊地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育、 水資源豐富, 地?zé)豳Y源有待進(jìn)一步查明、 開(kāi)發(fā)利用。 此次研究在河北省石家莊市及周邊地區(qū), 以Landsat 8 衛(wèi)星影像和相關(guān)氣象數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源, 利用單窗算法反演研究區(qū)地表溫度, 引入ASTER 夜間熱紅外影像, 將反演的地表溫度圖與夜間熱紅外影像對(duì)比 (Eneva and Coolbaugh, 2009; Mia et al. , 2018; Wang et al. ,2019), 得出晝夜異常區(qū), 再將異常區(qū)與地質(zhì)資料復(fù)合驗(yàn)證, 研究地?zé)岙惓５膩?lái)源及控制因素, 進(jìn)而圈定地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)靶區(qū)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

研究區(qū)位于冀中南地區(qū), 西部依托太行山,東部連接河北平原, 滹沱河從研究區(qū)北部穿過(guò)。其地理坐標(biāo)范圍: 東經(jīng)113°45′～115°19′、 北緯37°30′～38°26′, 面積約為12.9×103km2(圖1)。研究區(qū)地勢(shì)總體呈西高東低階梯狀展布, 主要有低山、 丘陵和山前平原三種地貌類(lèi)型, 屬季風(fēng)性暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候, 春季多風(fēng)沙, 夏季秋季高溫多雨, 冬季寒冷干燥。

1.2 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于華北板塊 (中朝準(zhǔn)地臺(tái)) 中南部(圖1c), 太行山山前深大斷裂以西屬燕山臺(tái)褶帶的東南邊 (Ⅱ) 和山西斷隆 (Ⅱ) 的東部邊緣,以東屬華北斷拗 (Ⅱ) 的西部邊緣 (胡君春和郭純青, 2007; 張亞?wèn)|等, 2011)。

太行山山前斷裂帶位于太行山山脈和華北平原過(guò)渡帶, 是太行山隆起與華北凹陷的分界斷裂,其縱貫全區(qū), 對(duì)研究區(qū)內(nèi)沉積作用和構(gòu)造演化具有明顯的控制作用。

太行山山前斷裂以西為相對(duì)上升盤(pán), 稱(chēng)為西部山區(qū), 新生代地層和沉積物覆蓋于太古宙至中生代地質(zhì)體之上。 新太古代變質(zhì)巖出露在研究區(qū)西北部, 崇禮巖群巖性組合為透輝斜長(zhǎng)角閃巖、黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖、 角閃變粒巖; 阜平巖群元坊巖組巖性組合為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、 黑云斜長(zhǎng)變粒巖、 斜長(zhǎng)角閃巖。 元古代地層集中出露在井陘縣東南部, 下元古界為變質(zhì)結(jié)晶基底, 巖性為角閃石片巖、 綠簾石巖; 中元古界為蓋層, 包括串嶺溝組頁(yè)巖、 大紅峪組石英砂巖和高于莊組碳酸鹽巖。 下古生界出露在井陘礦區(qū)一帶, 寒武系包括饅頭組紫紅色頁(yè)巖、 炒米店組粒屑灰?guī)r、 崮山組薄層灰?guī)r和三山子組白云巖; 奧陶系包括北庵莊組泥晶灰?guī)r、 峰峰組灰?guī)r。 區(qū)域上缺少晚古生代和中生代地層。

太行山山前斷裂以東為相對(duì)強(qiáng)烈下降盤(pán), 也稱(chēng)為華北平原, 第四紀(jì)堆積物分布廣且厚度較大,多在300 ～600 m 之間。 第四系下伏地層有新近系砂巖、 砂礫巖和奧陶系、 寒武系碳酸鹽巖。

中酸性侵入巖均發(fā)生高級(jí)變質(zhì)作用, 太古代奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖出露在崗南水庫(kù)西部, 英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、 正長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖分布在贊皇北部,古元古代變質(zhì)正長(zhǎng)花崗巖在許亭一帶, 以許亭巖體為代表。

1.3 地?zé)崮Ｊ?/h3>

地?zé)崽镏饕缮w層、 熱源、 熱儲(chǔ)及熱水通道組成。 華北平原蓋層為地表淺部比較松散、 沉積物仍未固結(jié)成巖、 熱導(dǎo)率較低且能夠阻止熱量散失的巖層。 熱源為地殼內(nèi)侵入巖供熱或花崗巖中放射性元素衰變產(chǎn)熱。 熱儲(chǔ)為具有一定透水、 儲(chǔ)水能力的巖層。 構(gòu)造斷裂帶可作為一種導(dǎo)水導(dǎo)熱通道, 流體深循環(huán)熱對(duì)流現(xiàn)象常沿?cái)嗔褞С霈F(xiàn),并且斷裂交匯部位可作為點(diǎn)式溫泉通道 (Tannock等, 2019), 這些地質(zhì)認(rèn)識(shí)是地?zé)徇b感預(yù)測(cè)的依據(jù)。

在華北地區(qū)依據(jù)地幔柱活動(dòng)影響和區(qū)域構(gòu)造控制, 地?zé)峥煞譃槿A北斷陷區(qū)深部地?zé)岷腿A北內(nèi)陸造山帶熱泉地?zé)?(牛樹(shù)銀等, 2001)。 燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái), 華北平原受地幔亞熱柱強(qiáng)烈上涌影響, 地殼形成一系列相間排列的二級(jí)地塹、 地壘構(gòu)造和三級(jí)凹凸構(gòu)造, 由于多期次巖漿、 巖脈侵入作用,在巖漿上部或局部隆起區(qū)、 塹壘邊界密集斷裂帶處易形成地?zé)崽? 其外圍受幔枝構(gòu)造作用和巖漿侵入作用影響, 造山帶內(nèi)發(fā)育密集斷裂, 斷裂區(qū)可以形成地?zé)崛h(huán)系統(tǒng) (王鈞等, 1983; 牛樹(shù)銀等, 2001)。 基于不同構(gòu)造成因和熱傳遞方式,地?zé)岢刹啬Ｊ娇煞謨深?lèi), 京津冀隆起山地對(duì)流型地?zé)豳Y源成藏地?zé)崮Ｊ胶途┙蚣匠练e盆地傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源成藏地?zé)崮Ｊ?(圖2), 模型詳細(xì)介紹見(jiàn)王貴玲等 (2017), 更多地?zé)崮軅鬏敊C(jī)制可參考羅文行等 (2020)。

圖2 京津冀地區(qū)地?zé)豳Y源成藏模式 (據(jù)王貴玲等, 2017 修改)Fig.2 Accumulation model of the geothermal resources in the Beijing-Tianjin-Hebei region (modified after Wang et al. , 2017)

地表溫度是熱紅外遙感地?zé)犷A(yù)測(cè)不可或缺的參數(shù), 可以量化異常與非異常之間的數(shù)量關(guān)系。一些學(xué)者研究 (許軍強(qiáng)等, 2008; 張中言, 2010;閆佰忠等, 2017) 表明, 地?zé)崽锸堑貧ぶ袩崃吭跀嗔哑扑閹е羞\(yùn)移、 循環(huán)而形成的。 值得指出的是, 正是由于地殼深部熱量部分沿?cái)嗔褬?gòu)造傳遞到地表, 即熱異常順構(gòu)造行跡產(chǎn)出, 才可以被遙感技術(shù)探測(cè)、 識(shí)別。

因此, 需要從兩方面展開(kāi)研究: 基于遙感影像的熱紅外波段反演溫度異常區(qū)域和利用遙感影像解譯研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造圈定地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)。

2 基于熱紅外波段地表溫度反演

2.1 Landsat 8 和ASTER 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

Landsat 8 數(shù)據(jù): OLI (陸地成像儀) 有9 個(gè)波段, 成像寬幅為185 km×185 km。 TIRS (熱紅外傳感器) 有2 個(gè)波段, 空間分辨率為100 m (USGS,2013)。 由于Landsat 8 TIRS 的Band 11 輻射校正偏差較大 (USGS, 2014, 2016), 因此選用Band 10進(jìn)行研究。 波段基本情況見(jiàn)表1、 表2。

選用了2 幅可完全覆蓋研究區(qū)的Landsat 8 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù) (影像基本信息見(jiàn)表3、 表4) 進(jìn)行鑲嵌、 裁剪及其他預(yù)處理操作。

2 幅ASTER 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的Band 13 影像, 經(jīng)預(yù)處理后, 用以降低日間地表異常溫度解釋的多解性。 ASTER Band 13 影像波段范圍 10.25 ～10.95 μm; 量化等級(jí)12 bits; 空間分辨率90 m;ASTER 數(shù)據(jù)獲取時(shí)間分別為2013 年1 月3 日14 ∶21 ∶35.186 (GTM) 和14 ∶21 ∶44.026 (GTM)。

表1 TIRS (熱紅外傳感器)Table 1 TIRS (Thermal Infrared Sensor)

表2 OLI (陸地成像儀)Table 2 OLI (Operational Land Imager)

2.2 地表溫度反演

2.2.1 地表亮度溫度反演公式

覃志豪等 (2001) 單窗算法的優(yōu)點(diǎn)在于: 地表溫度反演結(jié)果好 (黃妙芬等, 2006; Wang et al. , 2019), 且僅需要3 個(gè)基本參數(shù), 分別為地表比輻射率、 大氣透射率和大氣平均作用溫度。 單窗算法公式如下:

其中,Ts是地表溫度, 適用范圍為273～343 K;a、b為回歸系數(shù), 分別為a=-67.35535,b=0.458608;ε是地表比輻射率;τ是大氣透射率;Tb是熱紅外波段的像元亮度溫度, K;C和D為參數(shù);Ta為大氣平均作用溫度。

熱輻射強(qiáng)度與Landsat 8 影像DN 值之間的關(guān)系可表示為公式 (4):

其中,Lb為傳感器接收到的輻射強(qiáng)度 (W·m-2·Sr-1·μm-1),Qdn為Band 10 影像亮度值。 通過(guò)輻射亮度公式 (5) 計(jì)算亮度溫度, 其公式為:

表3 影像1Table 3 Image 1

表4 影像2Table 4 Image 2

公式中,K1和K2為發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量。 Landsat 8 TIRS 影像元文件給出, Band 10 的K1=774.89 W·m-2·Sr-1·μm-1,K2= 1321.08 W·m-2·Sr-1·μm-1(覃志豪等, 2001; 張中言, 2010)。

2.2.2 確定大氣透射率

大氣透射率受多種氣象因素共同影響, 例如大氣壓力、 溫度、 氣溶膠含量等, 所以計(jì)算準(zhǔn)確的大氣透射率參數(shù)不僅復(fù)雜, 而且需要詳細(xì)的氣象數(shù)據(jù) (連胤卓, 2007; 張中言, 2010)。

此次研究使用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自全球天氣精準(zhǔn)預(yù)報(bào)網(wǎng): https: / /www. wunderground. com/history/daily/cn/shijiazhuang/ZBSJ/date/2015-3-6, 數(shù)據(jù)如表5。

表5 2015 年3 月6 日石家莊正定氣象數(shù)據(jù)Table 5 Meteorological data of Zhengding on March 6, 2015

獲取星-地同步觀測(cè)大氣資料后, 大氣透射率可以通過(guò)輻射傳輸軟件MODTRAN 模擬得到, 并且韋玉春等 (2015) 指出, 在 http: / /atmcorr.gsfc. nasa. gov/頁(yè)面中輸入成像時(shí)間及中心經(jīng)緯度就可估算大氣透射率參數(shù)。 依據(jù)2015 年3 月6 日格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 (GTM) 3 ∶00 的Landsat 8 衛(wèi)星影像參數(shù)以及同時(shí)刻氣象數(shù)據(jù), 求得大氣透射率參數(shù)τ =0.96 (表6)。

2.2.3 確定大氣平均作用溫度

大氣平均作用溫度主要取決于氣溫和大氣狀態(tài)。影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2015 年3 月6 日, 研究區(qū)中心緯度約為38°, 因此選擇使用覃志豪等 (2003)總結(jié)的中緯度冬季平均大氣作用溫度Ta估算方程:

其中,T0為衛(wèi)星過(guò)境時(shí)的地面 (一般為距地面2 m高處) 氣溫, 單位均為K。

2.2.4 地表比輻射率的確定

丁鳳和徐涵秋 (2008) 總結(jié)出以下地表比輻射率計(jì)算方法: 將遙感影像中地物類(lèi)型分為水體類(lèi)、 城鎮(zhèn)類(lèi)和自然表面類(lèi)3 種類(lèi)型, 其中水體比輻射率參數(shù)為0.995, 自然表面和城鎮(zhèn)比輻射率參數(shù)需要分別依靠公式 (7) 和 (8) 進(jìn)行計(jì)算求得:

其中,ε地表和ε城鎮(zhèn)分別代表自然地表比輻射率和城鎮(zhèn)比輻射率,Pv為植被覆蓋度, 計(jì)算方法如下:

表6 大氣透射率估算模型Table 6 Atmospheric transmittance estimation model

式中,NDVI為歸一化差異植被指數(shù), 取NDVIv=0.70 和NDVIs=0.05, 當(dāng)某個(gè)像元的NDVI大于0.70 時(shí),Pv取值為1; 當(dāng)NDVI小于0.05,Pv取值為0。

2.2.5 地表反演溫度結(jié)果驗(yàn)證

基于上述原理, 經(jīng)過(guò)波段運(yùn)算求得研究區(qū)地表反演溫度結(jié)果(圖3)。 通過(guò)像元統(tǒng)計(jì), 可知其平均溫度約為17 ℃, 且溫度主要集中在12～23 ℃。

圖3 地表反演溫度圖Fig.3 Land surface temperature retrieval map

在GTM 3 ∶00 時(shí), 西部山區(qū)裸露巖石熱慣量小, 溫度上升幅度大, 其溫度顯著高于研究區(qū)平均溫度; 東部平原受季節(jié)和氣候影響, 滹沱河與磁河流量較少, 河床裸露, 溫度上升幅度明顯,高于平均溫度3 ℃; 由于水體熱慣量大, 相同輻射條件下研究區(qū)內(nèi)崗南水庫(kù)和黃壁莊水庫(kù)溫度相對(duì)較低, 約為7 ℃。

影像采集時(shí)間屬于北方冬小麥返青期初期,小麥發(fā)黃、 矮、 分布稀疏、 土壤覆蓋度低, 導(dǎo)致城鎮(zhèn)周邊的農(nóng)田區(qū)溫度上升不顯著, 僅高于平均溫度1 ℃, 高于城市氣象觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度8 ℃。受居民正常生活影響, 城市、 村鎮(zhèn)內(nèi)空氣濕度相對(duì)高于郊區(qū)、 農(nóng)田, 因此居民區(qū)比農(nóng)田區(qū)溫度上升幅度低3 ℃。

根據(jù)以上現(xiàn)象可知, 地表溫度反演結(jié)果符合真實(shí)情況。

3 遙感地質(zhì)構(gòu)造解譯

3.1 構(gòu)造解譯

地?zé)豳Y源分布與構(gòu)造之間存在密切關(guān)系 (牛樹(shù)銀等, 2001; 連胤卓, 2007; 許軍強(qiáng)等, 2008;張中言, 2010; 王貴玲等, 2017; 閆佰忠等,2017), 需利用遙感影像解譯研究區(qū)線環(huán)構(gòu)造。 將研究區(qū)的Landsat 8 OLI 多光譜影像分別進(jìn)行線性拉伸、 反差增強(qiáng)和彩色合成等處理, 并依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造直接解譯標(biāo)志、 間接解譯標(biāo)志進(jìn)行線性構(gòu)造解譯。

解譯結(jié)果 (圖4) 顯示, 線性構(gòu)造主要分布在太行山山前斷裂以西。 東部平原與西部山區(qū)呈突變式接觸, 可推斷山區(qū)與平原屬于斷層接觸, 該斷裂在石家莊以北主要以北北東向展布, 以南為近南北向展布, 中間呈過(guò)渡現(xiàn)象。 西部山區(qū)解譯構(gòu)造主要為北東、 北北東、 北西和北西西向線性構(gòu)造, 少數(shù)線性構(gòu)造為近東西向展布。 在平山—井陘—鹿泉一帶解譯出4 個(gè)環(huán)形構(gòu)造。

圖4 構(gòu)造解譯結(jié)果 (754 彩色合成)Fig.4 Structural interpretation results and previous research results (color composite of bands 7, 5, and 4)

3.2 物探資料對(duì)遙感解譯結(jié)果印證

東部平原廣泛分布的第四系對(duì)該地區(qū)地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)具有阻礙作用, 使得遙感解譯該區(qū)域地質(zhì)演化所形成的線性構(gòu)造較為困難, 然而剩余重力異常反映地殼淺部巖石密度和厚度的變化, 在剩余重力異常圖中重力異常帶軸向錯(cuò)動(dòng)或局部等值線扭曲位置處可以推斷斷裂構(gòu)造存在。 孫會(huì)玲(2019) 認(rèn)為大比例尺地球物理數(shù)據(jù)在識(shí)別蓋層及斷裂構(gòu)造方面有顯著優(yōu)勢(shì)。 研究區(qū)剩余重力異常以北東向展布為主 (圖5), 高低相間排列分布反映了深部基底局部的隆起與凹陷, 并且北東向展布的剩余重力高值異常帶存在北西向局部錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象, 可推測(cè)石家莊地區(qū)北北東向構(gòu)造格架被北西向斷裂錯(cuò)動(dòng)。 石家莊西部山區(qū)北東、 北北東、 北西, 以及近東西向斷裂 (＞10 km 的斷裂) 的空間分布規(guī)律與剩余重力反映的構(gòu)造格架基本吻合(圖5)。 受剩余重力異常數(shù)據(jù)的精度限制, 無(wú)法對(duì)遙感解譯結(jié)果中區(qū)域構(gòu)造之間的次級(jí)構(gòu)造和局部小斷裂進(jìn)行有效驗(yàn)證。 太行山山前斷裂以東的平原地區(qū), 第四紀(jì)沉積物覆蓋嚴(yán)重, 目前無(wú)法有效解譯平原區(qū)構(gòu)造, 因此需要結(jié)合一些學(xué)者的研究成果進(jìn)行綜合分析。 解譯結(jié)果 (圖4) 顯示, 研究區(qū)內(nèi)以北東、 北西和北西西向斷裂分布為主, 北西和北西西向斷裂錯(cuò)斷北東向斷裂, 在研究區(qū)西南山區(qū)分布近南北向斷裂。 平原地區(qū)斷裂分布在重力異常帶等值線扭曲部位 (即正負(fù)異常交替帶上) 或異常帶錯(cuò)斷部位 (圖5), 可將其理解為控制地殼淺部構(gòu)造格架的隱伏斷裂。

圖5 研究區(qū)剩余重力異常圖Fig.5 Residual gravity anomaly of the study area

4 地溫異常對(duì)比討論及地?zé)犷A(yù)測(cè)

4.1 識(shí)別、 評(píng)價(jià)溫度異常區(qū)

眾多學(xué)者 (Eneva and Coolbaugh, 2009; Mia et al. , 2018; Wang et al. , 2019) 研究表明, 遙感技術(shù)地?zé)犷A(yù)測(cè)時(shí)引入夜間熱紅外數(shù)據(jù), 可降低白天地表異常溫度的多解性。 因此, 文中將地表溫度圖與2013 年1 月3 日的夜間影像進(jìn)行對(duì)比分析, 尋找晝夜溫度異常區(qū)。 將異常區(qū)與地理圖關(guān)聯(lián), 可將地表溫度異常區(qū)分為兩種: 非人為地溫異常和人為地溫異常 (市、 區(qū)、 縣和鎮(zhèn))。 人為地溫異常區(qū)域受建筑物、 城市效應(yīng)等因素的影響,對(duì)這些區(qū)域做地?zé)岙惓ｎA(yù)測(cè)需要考慮的因素更為復(fù)雜, 因而非人為地溫異常區(qū)是此次研究重點(diǎn)。將非人為地溫異常區(qū)與地質(zhì)、 地球物理資料對(duì)比分析, 進(jìn)而得到存在地?zé)岬母邼摿^(qū)域。

4.2 山區(qū)尋找地?zé)?/h3>

依據(jù)地?zé)豳Y源成藏模式 (圖2), 太行山山前斷裂帶以西的山區(qū)地?zé)豳Y源的分布和熱循環(huán)受斷裂構(gòu)造控制。 已知研究區(qū)中有1 處已開(kāi)發(fā)利用的地?zé)豳Y源——平山縣溫塘地?zé)崽?(胡君春和郭純青,2007), 現(xiàn)有開(kāi)發(fā)利用地?zé)峋? 眼, 地?zé)峋_(kāi)采深度一般為80 ～100 m, 單井涌水量30 ～60 m3/h, 熱水水溫45 ～73 ℃。 張博 (2015) 對(duì)溫塘地?zé)崽锏刭|(zhì)特征的研究表明, 溫塘地?zé)崽锸軘嗔褬?gòu)造控制,北東向斷裂破碎帶 (傾向南西) 縱穿地?zé)崽? 北西西向斷裂截切北東向斷裂, 是斷裂構(gòu)造破碎帶型熱儲(chǔ); 北東斷裂作為儲(chǔ)水構(gòu)造, 北西西斷裂為導(dǎo)水導(dǎo)熱構(gòu)造, 滲水沿?cái)嗔褞аh(huán)過(guò)程中不斷吸收熱源的熱量, 在斷裂交匯位置處以熱水形式侵位于近地表, 承壓熱水水位埋深14.0 ～20.7 m; 由于溫塘地?zé)崽锷细驳谒南邓缮⒊练e物厚度小, 為5 ～20 m, 隔溫性能差, 屬于中低溫半封閉式山地對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)。 韓亞彬和張崇山 (2020) 通過(guò)地球物理數(shù)據(jù)推斷溫塘地區(qū)存在隱伏斷裂和中酸性隱伏巖體。 根據(jù)溫塘地?zé)崽镞b感影像特征及相關(guān)研究顯示, 白天地表溫度具有相對(duì)較高的值,即反演溫度平均約為17 ℃, 高于背景溫度約3 ℃。該區(qū)域夜間影像相對(duì)于周?chē)匦巍?地物具有較高像元亮度值 (圖6)。

根據(jù)平山溫塘地?zé)崽镉跋裉卣骱偷刭|(zhì)特征對(duì)比結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)存在1 處與其異常特征相似的地溫異常區(qū)域——平山縣寺溝村區(qū)域 (圖7)。該區(qū)白天平均地表反演溫度約為20 ℃, 高于背景值3 ℃, 夜間熱紅外影像像元亮度值相對(duì)高于鄰近區(qū)域, 北東向解譯線性斷裂切穿寺溝村區(qū)域, 剩余重力異常圖中正負(fù)異常梯度帶可印證該斷裂存在。

寺溝村地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育, 可作為良好的導(dǎo)水導(dǎo)熱通道控制地殼深部熱量沿?cái)嗔褬?gòu)造循環(huán)至地表, 進(jìn)而體現(xiàn)在遙感影像上。 該區(qū)域匯水面積大且距離崗南水庫(kù)近, 有利于水源入滲補(bǔ)給, 滲水通過(guò)斷裂垂直入滲參與深循環(huán), 補(bǔ)給地?zé)崽铩?/p>

圖6 平山縣溫塘鎮(zhèn)溫泉異常特征Fig.6 Anomaly characteristics of the hot springs in Wentang Town, Pingshan County

圖7 平山縣寺溝村異常特征Fig.7 Anomaly characteristics of Sigou Village, Pingshan County

4.3 平原地區(qū)尋找地?zé)?/h3>

華北平原內(nèi)地?zé)崃黧w通過(guò)深大斷裂使地表水循環(huán)至地殼深部, 加熱后沿?cái)嗔堰\(yùn)移至基巖隆起區(qū) (王鈞等, 1983)。 地?zé)徙@孔數(shù)據(jù) (胡君春和郭純青, 2007) 表明, 石家莊市平原地?zé)崽綔y(cè)井深98.2 ～5435 m 不等, 但主要分布在700 ～3000 m 深度范圍。 平原地區(qū)新生界沉積物覆蓋較厚, 有大面積農(nóng)田覆蓋, 以及受其他人為因素影響, 該區(qū)域晝、 夜遙感影像地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)可行性不高。

對(duì)剩余重力異常圖進(jìn)行構(gòu)造解譯 (圖8) 可知: 藁城—無(wú)極一帶、 辛集以西的馬于—換馬店一帶均為剩余重力正異常, 被周?chē)Ｓ嘀亓ω?fù)異常包圍, 對(duì)應(yīng)深部隆起構(gòu)造區(qū)域, 這些區(qū)域符合京津冀沉積盆地傳導(dǎo)性地?zé)岢刹啬Ｊ健?藁城—無(wú)極隆起和馬于—換馬店隆起區(qū)位于華北沉積盆地邊部, 第四系松散沉積物厚度大, 相對(duì)于密度較大的古生界、 中生界和新生界砂巖、 含礫砂巖以及灰?guī)r等巖層, 其熱導(dǎo)率低, 可作為隔熱層。 隔熱層使來(lái)自地下深部的熱量不易外散而聚集在蓋層底部的高孔隙度、 高熱導(dǎo)率巖石地層之中。 合理采用熱儲(chǔ)回灌系統(tǒng)和工藝流程 (阮傳俠等,2017) 開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源, 并持續(xù)監(jiān)測(cè)、 應(yīng)對(duì)可能因地?zé)豳Y源開(kāi)采所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害 (甘浩男等,2020), 可以有效保證地?zé)豳Y源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。更多關(guān)于京津冀地球物理數(shù)據(jù)及解譯結(jié)果見(jiàn)張亞?wèn)|等 (2011) 和方菲 (2020)。

京津冀地?zé)岢刹啬Ｊ皆诘責(zé)豳Y源預(yù)測(cè)過(guò)程中起著理論支撐作用, 以斷裂為通道或紐帶, 將地殼淺部的隆起和凹陷構(gòu)造分別產(chǎn)生的熱源場(chǎng)與地表溫度相關(guān)聯(lián), 相互論證, 得出地?zé)徇h(yuǎn)景預(yù)測(cè)結(jié)果 (圖8)。 在太行山山前斷裂以西的平山溫塘地?zé)崽锾? 總結(jié)勘查標(biāo)志, 并基于勘查標(biāo)志進(jìn)行類(lèi)比, 圈出1 個(gè)地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū), 即平山縣寺溝村一帶;在東部平原地區(qū), 結(jié)合京津冀地?zé)岢刹啬Ｊ饺Χㄞ怀恰獰o(wú)極一帶、 馬于—換馬店一帶共2 處地?zé)犷A(yù)測(cè)遠(yuǎn)景區(qū), 可為地?zé)豳Y源勘查、 勘探、 定量化評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

圖8 研究區(qū)構(gòu)造解譯與遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)圖 (據(jù)張亞?wèn)|等, 2011; 方菲, 2020 修改)Fig.8 Structural interpretation results and geothermal resource potential of the study area (modified after Zhang et al., 2011; Fang, 2020)

5 結(jié)論

基于Landsat 8 數(shù)據(jù)Band10 影像, 利用單窗算法對(duì)石家莊地區(qū)進(jìn)行地表溫度反演, 并將地表溫度反演結(jié)果與夜間熱紅外數(shù)據(jù)、 人文地理數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 排除了人為活動(dòng)影響, 降低了地表異常溫度的多解性。 在此基礎(chǔ)上, 綜合線性構(gòu)造解譯結(jié)果、 剩余重力異常數(shù)據(jù)及地?zé)岢刹啬Ｐ偷?對(duì)研究區(qū)地?zé)岙惓＿M(jìn)行綜合分析, 預(yù)測(cè)了平山縣寺溝村一帶、 藁城—無(wú)極一帶、 馬于—換馬店一帶共3 處地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)。

研究表明地表溫度反演結(jié)果符合實(shí)際情況,可以在一定程度上指示研究區(qū)地?zé)岙惓７植肌?同時(shí), 在空間上地?zé)岙惓７植际苤饕獢嗔褬?gòu)造控制,可以被剩余重力異常和研究區(qū)地?zé)岢刹啬Ｐ陀∽C、解釋, 表明地?zé)犷A(yù)測(cè)結(jié)果具有合理性。

雖然采用熱紅外遙感技術(shù)、 構(gòu)造解譯、 剩余重力異常數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)地?zé)豳Y源進(jìn)行了深入研究及預(yù)測(cè), 但是受天氣、 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)精度等因素影響, 使得預(yù)測(cè)結(jié)果存在準(zhǔn)確性、 精確性不足等問(wèn)題。 因此, 在后續(xù)研究中需要利用精度更高的數(shù)據(jù), 同時(shí)利用更多遙感相關(guān)技術(shù)對(duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行遠(yuǎn)景預(yù)測(cè), 例如: 地?zé)嵯嚓P(guān)的蝕變礦物信息提取、 應(yīng)用于山區(qū)的地形坡向校正等, 實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)綜合約束, 以取得更準(zhǔn)確、 更精確的預(yù)測(cè)結(jié)果。