闫佰忠，邱淑伟，肖长来，梁秀娟

(1.河北地质大学水资源与环境学院，河北 石家庄 050031；2.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北 石家庄 050031；3.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021)



长白山玄武岩区主要断裂与地热水异常关系

闫佰忠1,2,3，邱淑伟1,2,3，肖长来3，梁秀娟3

(1.河北地质大学水资源与环境学院，河北 石家庄 050031；2.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北 石家庄 050031；3.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021)

利用长白山玄武岩区Landsat TM5遥感影像数据，对研究区地表温度场进行了解译。综合分析研究区地表温度场、温泉和地热井分布特征、布格重力场和磁场四个因子，采用判别分析方法建立并验证了判别函数，对研究区地热水异常分布进行了识别。采用分段均值法研究了区内7条主要断裂与地热水异常的关系。研究表明，研究区地热水异常主要分布在环长白山天池火山口区域，松江河—抚松县以及二道白河—松江镇一带的抚松盆地和松江盆区，仙人桥地区和长白县—十四道沟一带的长白盆地区；断裂带和地热水异常区的分布有较好的相关关系。北西向的断裂带对地热水异常区分布的影响程度均是南西侧高于北东侧，且在断裂带处存在地热水异常区域；北西西向的断裂带对北东侧地热水异常区分布的影响程度高于南西侧；北东向和近东西向的断裂带受长白山天池火山的影响，在近天池火山口的区域，均存在地热水异常区域。

断裂；地热水异常；分段均值法；Landsat TM5遥感影像；长白山玄武岩区；地表温度场；布格重力场；磁场

断裂构造对地热水的赋存以及分布具有十分重要的作用。一方面断裂作为热能的传递通道，把地下较深处的热能传递到浅部，使得上部地层也具有较高的温度，形成高温异常聚集带[1]；另一方面，断裂作为热水的运移通道，控制着热水的运移方向，对地热水的分布起着引导作用[2]；此外，在断裂构造附近易形成孔隙度及渗透率较好的裂隙带、破碎带，形成地热水富集带[3]。因此，研究断裂构造与地热水异常的关系对认识地热水赋存环境，进而研究地热水形成机制具有重要的意义。

国内外众多学者对此做了很多工作。Brogi和Fulignati研究了意大利托斯卡纳南部地热田的形成机制，提出断裂控制着该地热田的水热循环模式[4]。Giordano等研究了阿根廷火山区地热田内断裂的作用，认为NW- SE方向的断裂控制着该地热田的水循环[5]。Bergerat等研究了冰岛地热田与断裂的关系，认为地热水的出露受垂向延伸断裂的控制[6]。张杨等研究了青海玉树结古地区断裂带的地热地质意义，表明该断裂为一区域性控水热断裂[7]。王雪芹研究了西安地区活动构造与地热异常分布的关系，提出该区断裂的展布与地热异常分布的方向、位置呈现明显的一致性[8]。然而这些研究多是在对断裂构造性质、展布和规模等有了充分认识的基础上开展的，对断裂构造等基础地热地质条件缺乏的地热异常区的研究较少。

长白山玄武岩区地热地质资料较为缺乏，区内7条断裂构造[9]的展布和规模等特征尚不明了，为了研究断裂构造和地热异常分布的关系。首先，利用遥感解译地表温度异常，而后选择遥感解译的地表温度场、温泉和地热井分布特征、布格重力场和磁场四个因子综合分析，利用判别分析法建立判别函数，对长白山玄武岩区地热水异常区进行识别；其次，利用分段均值法分析断裂构造与地热水异常的关系。该方法既能够去除遥感解译过程中产生的误差，也可避免计算过程中人为主观因素的影响，为断裂构造与地热异常关系的研究提供一条新的思路。

1 研究区概况

研究区位于吉林省东部，属于温带大陆性季风气候，全年盛行西风，受季风影响强烈，除具有山地特有的气候特点外，还具有空间垂直方向的变化。降水随高度的增加而递增，长白山天池气象站年降水量平均为1 332.6 mm，多年平均水面蒸发量为1 180 mm。区内地层发育齐全，有太古界、元古界、古生界、中生界和新生界地层，地表大面积范围由新生界下更新统军舰山组玄武岩所覆盖；研究区地下水以基岩裂隙水为主，其次是玄武岩孔洞裂隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水和碎屑岩类孔隙水，地热水主要为玄武岩孔洞裂隙水。

研究区已发现较大的温泉群5处，地热井5眼，其中较大的温泉群包括：聚龙温泉群、湖滨温泉群、锦江温泉群、十八道沟温泉群和仙人桥温泉群；地热井包括：漫江地热井、松江河地热井、松江河万达地热井、二道白河地热井1和二道白河地热井2(图1)。

图1 研究区地热水点分布及地表温度场Fig.1 Surface temperature field and geothermal water distribution of the study area

区内断裂构造交错复杂，大小断裂上百条。较大的断裂共7条，其中北西向断裂最早形成，北东向断裂次之，近东西向断裂最晚形成(图2)。

图2 研究区解译的主要断裂构造Fig.2 Interpretation fracture structures in the study area

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

研究区地表温度遥感解译数据取自美国地质调查局网站(http：//earthexplorer.usgs.gov/)陆地资源卫星Landsat TM5 遥感影像数据，其中多光谱波段分辨率为30 m，热红外波段分辨率为60 m。两幅遥感影像数据时间均为2011年9月27日，含云量分别为5.75%和0.06%，多光谱遥感数据所用波段为321/RGB。利用ENVI5.1软件对研究区地表温度场进行遥感解译。研究区地表温度异常区主要分布在长白山天池火山口周围，此外，在区内三个中生代沉积盆地(抚松盆地、松江盆地和长白盆地)也有孤立状的高温区域分布(图1)。

长白山玄武岩区布格重力异常和航磁异常数据均取自吉林省地质调查研究院。布格重力异常在长白山天池和长白县地区为低值异常中心区，往北和往西布格重力异常值逐渐增加，在西北角和松江镇周边达到最大值。除长白山天池周边以外，其他区域的布格重力异常值均为北东向，这表明滨西太平洋构造在研究区形成北东向的控制构造格局(图3)。

图3 研究区布格重力异常图Fig.3 Bouguer gravity anomaly in the study area

研究区航磁异常为-440～520 nT，异常值分布差异较大。高值区主要分布于长白山天池南部的长白县区域，北部和西部的航磁正异常孤立分布，面积不大。区域航磁异常的走向特征比较明显，区域可划分为三个部分。分别以新屯子—泉阳—天池为界和天池—六道沟为界，西部区域为整体负异常区域，走向北东向；西北部区域为正异常区，异常值变化幅度较小；东南区域为整体正异常区，异常形态以轴状异常为主，异常值变化较大(图4)。

图4 研究区航磁异常图Fig.4 Aeromagnetic anomaly in the study area

2.2 判别分析法

(1)建立已知类别观测集

以冷泉、民井和确切无地热水特征的调查点为非地热水资源的先验证据点集(A0)；以研究区已知温泉和地热井作为有地热水资源的先验证据点集(A1)，上述两类先验证据点集构成了已知类别观测集U1。每个先验证据点(集合中的每个元素)均包含四个变量x1，x2，x3和x4，其中x1，x2和x3为地表温度异常值、布格重力异常值和航磁异常值，三者组成该元素的属性变量；x4为类别变量，其值为“0”和“1”。其中“0”表示该先验证据点无地热特征，“1”表示该先验证据点有地热特征。

(2)提取已知类别观测集属性变量

利用Acrgis10.0工具箱Spatial analyst中提取分析工具，分别提取已知类别观测集U1中每个元素的属性值，分别为地表温度异常值、布格重力异常值和航磁异常值(表1)。

表1 已知类别观测集中元素属性特征值

(3)建立未知类别数据集

将研究区剖分为313×293，共计91 709个网格，每个网格大小为500 m×500 m范围。将每个网格的中心点作为提取点，所有提取点的集合作为未知类别数据集U2。该数据集同样包含属性变量x1，x2，x3和类别变量x4，其中属性变量的提取方法与已知类别观测集中元素属性变量的提取方法相同，类别变量x4待判别。

(4) 判别函数的建立和验证

将已知类别观测集U1中的80个元素(其中非地热水资源的先验证据点66个，有地热水资源的先验证据点14个)导入到SPSS 16.0中，通过其三个属性变量建立Fisher判别函数F0和F1。然后将每个元素的3个属性变量代入判别函数F0和F1，并归入得分较高的类别中(若F0较大则赋予类别变量x4为0；若F1较大则赋予类别变量x4为1)，以验证判别函数的可靠性(表2)。

表2 判别函数验证结果

(5)未知类别数据集的判别

将未知类别数据集U2中的所有元素代入经过验证的Fisher判别函数中进行判别计算，得到未知类别数据集U2中所有元素类别属性x4的值(“0”或“1”)，同时可获得x4为“1”的组成员概率值P(0≤P≤1)，P值越大表明该数据点出现地热水资源的可能性越大。将所有元素的P值进行空间插值得到研究区的地热水潜在概率分布图(图7)。在此基础上，结合地热水地热地质对地热水异常区进行识别。

2.3 分段均值法

分段均值法是指以一定的规则将一个完整的集合划分为若干个子集合，然后统计各个子集合的平均属性值，所获得的平均属性值代表各个子集合属性的平均强度，能够有效抑制区域内的随机高值和低值信号，突出背景特征[14]。文中以地热水潜在概率数据作为完整的集合。以断裂带两侧一定范围作为分析区域，然后以一定的距离将分析区域划分为不同的区块，统计各个区块内的平均地热水潜在概率值，通过绘制平均地热水潜在概率值和距离的关系曲线，描述断裂构造和地热水分布的关系。其中，分析区域等分数量的确定，以绘制的关系曲线形态是否趋于稳定为准。图5(a)中PP’表示平均地热水潜在概率与平均距离相关曲线绘制方向与宽度。图5(b)为平均地热水潜在概率与平均距离之间的关系曲线，波峰的宽度为断裂带对地热水潜在概率场的大致影响宽度。

图5 分段均值法原理图Fig.5 Principle diagram of the subsection mean method

利用研究区地热水潜在概率数据(图6)，通过分段均值法分析主要的断裂对地热水潜在概率场的影响。主要步骤包括：①分别以断裂带为中心，将断裂带两侧12 km区域各划分为60等份，其中由于漫江—天池—图们江断裂右侧的图们江断裂一段和二段以及六道沟—长白断裂均位于中朝边界处，只分析中国境内一侧。②利用Arcgis软件中的分析工具将平行线以断裂线为中心造缓冲区。③利用Arcgis软件中的空间分析工具中的分类统计分析每个缓冲区内地热水潜在概率场的平均值。④绘制每条断裂带两侧各个小区域的平均地热水潜在概率和距离之间的相关性曲线(图7)。

图6 研究区地热水潜在概率值分布Fig.6 Geothermal water anomaly areas in the study area

3 结果与分析

3.1 地热水异常分布

由图7可知，地热水潜在概率较大值可分为5个区域。但是，研究区东北角和龙市，地热水资源潜在概率也呈现出高概率的分布，但未发现有地热现象出现，并且该区域没有良好的地热地质条件。因此，研究区地热水资源异常区确定为4个。分别为：①在环长白山天池周边潜在概率高值区，地热水潜在概率值均大于0.9，最大值达到1.0，在其范围内已发现聚龙温泉、锦江温泉和湖滨温泉等大型的温泉群；②松江河- 抚松县以及二道白河—松江镇一带，存在斑状的潜在概率高值区，在区内已发现漫江地热井、松江河地热井以及二道白河地热井等低温地热水资源；③长白县—十四道沟一带，存在条带状的潜在概率高值区，在其范围内已发现十八道沟温泉群；④仙人桥地区，存在斑状的地热水潜在概率高值区，其范围内发现仙人桥温泉群。

3.2 地热水异常与断裂构造关系

由图7可知，每条断裂带和地热水潜在概率值呈现出一定的规律性。北东向的漫江—果松山—松江断裂带北西侧地热水潜在概率值均低于南东侧，在断裂带位置存在地热水潜在概率峰值，并且向断裂带南东侧有增大趋势(图7a)。北东向的六道沟—天池断裂带中，六道沟—天池断裂带二段和四段南东侧地热水潜在概率值大于北西侧，在断裂带南东4～8 km内存在地热水潜在概率高峰值，其中二段地热水潜在概率最大值达到0.925；六道沟—天池断裂带一段和三段在断裂带两侧2 km内存在地热水潜在概率峰值(图7b和图7c)。近东西向的漫江—天池—图们江断裂带中，在断裂带两侧2 km内均存在地热水潜在概率高值区域；其中右侧的图们江断裂带一段和二段自断裂带位置向北侧中国境内延伸地热水潜在概率呈下降趋势；漫江- 天池断裂带右段，断裂带附近地热水潜在概率值达到0.866(图7d和图7e)。北西向的露水河- 图们断裂带南西侧地热水概率整体高于北东侧，在南西侧4～10 km内地热水概率值出现峰值区域(图7f)。北西向的北岗—天池断裂带南西侧地热水潜在概率整体高于北东侧，在南西侧6～10 km存在地热水概率高值区域；在断裂带两侧2 km范围内也存在地热水概率高值区域(图7g)。北西向的红旗村—天池断裂带南西侧地表温度值也整体高于北东侧，在断裂带位置两侧以及南西侧6～10 km均存在地热水概率高值区(图7h)。北西西向的六道沟—天池断裂带北东侧地热水潜在概率整体高于南西侧，且在断裂带北东侧1 km处地热水潜在概率出现峰值(图7i)。

断裂带和地热水潜在概率场的相关关系总体上表现为：三条北西向的断裂带对地热水的影响程度均是南西侧高于北东侧，并且在断裂带的附近均存在地热水潜在概率高值区；北西西向的六道沟- 长白断裂带对北东侧地热水的影响程度高于南西侧，并且在北东侧1～4 km区域存在地热水潜在概率高值区；北东向和近东西向的断裂带受长白山天池火山的影响，在距离天池火山口较近的区域，均存在地热水潜在概率高值区域。由此可见，断裂带和地热水异常区的分布有较好的相关关系。

3.3 结果验证

利用遥感解译方法对研究区的地表温度场进行了解译，地表温度能够间接的反映地热水异常的分布特征。但是受城市热岛效应、植被反射效应和地形误差的影响，会使遥感解译的精度降低。植被反射效应由归一化植被指数NDVI表征。由于文中所用Landsat TM5 遥感影像数据时间为9月27日，长白山地区处于深秋季节，植被叶中含有的叶绿素相对较少，归一化植被指数取值范围为0.60～0.70，因此归一化植被指数取值为0.65。研究表明重力异常和航磁异常等因子均与地热异常有相关关系[15]。因此，本文选取了遥感解译的地表温度场、温泉和地热井分布特征、布格重力场和磁场四个因子进行综合分析来消除遥感解译过程中产生的误差，进而对地热水异常区进行了识别。在地热水异常区识别的基础上，进行了野外实际勘查验证，已出露温泉群和地热井均位于地热异常区点位上，并且利用地热异常图找到了多处地热水异常点，从而也间接验证了解译结果的准确性。

图7 主要断裂两侧各12 km范围内平均地热水潜在概率与平均距离的相关关系曲线Fig.7 Relationship between the average geothermal water potential probability and the average distance of the main fracture structures flanked by 12 km from the main faults

研究区断裂构造较发育，大小断裂上百条，较大的断裂共7条。但是目前这些断裂没有较为详细的资料，对于断裂构造的性质、规模、深度等特征缺乏系统的研究。北东向和近东西向的断裂带在近长白山天池火山口区域，存在较大面积范围的地热异常分布，这主要是由于受长白山天池火山的影响，岩浆热量以热对流方式沿断裂带传递到地表，导致该区域出现大范围地热异常。

4 结论

(1)分段均值法通过统计断裂带两侧一定区域内不同等份带地热水潜在概率的变化来反映地热异常的分布特征。能够抑制局部高概率、极低概率的影响，该方法用于分析断裂构造与地热异常关系是有效的。

(2)长白山玄武岩区地热水资源异常区可分为4个，分别为：环长白山天池火山口区域，松江河- 抚松县以及二道白河—松江镇一带的抚松盆地和松江盆区，仙人桥地区和长白县—十四道沟一带的长白盆地区。

(3)断裂带和地热水异常区的分布有较好的相关关系。北西向的断裂带对地热水的影响程度均是南西侧高于北东侧，并且在断裂带的附近均存在地热水潜在概率高值区；北西西向的六道沟—长白断裂带对北东侧地热水的影响程度高于南西侧，并且在北东侧1～4 km区域存在地热水潜在概率高值区；北东向和近东西向的断裂带受长白山天池火山的影响，在距离天池火山口较近的区域，均存在地热水潜在概率高值区域。

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责任编辑：张若琳

Relationship between the main faults and geothermal water anomaly in the Changbai Mountain basalt area

YAN Baizhong1,2,3, QIU Shuwei1,2,3, XIAO Changlai3, LIANG Xiujuan3

(1.SchoolofWaterResources&Environment,HebeiGEOUniversity,Shijiazhuang,Hebei050031,China; 2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofSustainedUtilization&DevelopmentofWaterResources,Shijiazhuang,Hebei050031,China; 3.KeyLaboratoryofGroundwaterResourcesandEnvironment,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun,Jilin130021,China)

The surface temperature field of the Changbai Mountain basalt area was interpreted using the Landsat TM5 data. The geothermal anomaly areas were identified by the discrimination analysis, in which the comprehensive analysis of the surface temperature field, hot springs and geothermal well distribution characteristics and gravity field and magnetic field were carried out. The relationship between 7 main faults and the geothermal water anomaly was evaluated with the subsection mean method. The results show that the geothermal water anomaly areas can be divided into four regions, including around the Changbai Moutain Tianchi volcano region, the Songjianghe country- Fusong county- Erdaobaihe country- Songjiang country regions (the Fusong basin and Songjiang basin), the Xianrenqiao region, and the Changbai county- Shilidaogou country region (the Changbai basin). The spatial distribution of geothermal water is in good correlation with the faults. The influence degree on geothermal water of the SW- trending faults is higher in the SW sides than in the NE sides of the faults, and the geothermal water anomaly is found in the fault zones. The influence degree on geothermal water of SW- trending faults is higher in the NE sides than in the SW sides of the faults. There is geothermal water anomaly near the NE- trending and EW- trending faults, which were influenced by the Changbai Mountain Tianchi volcano.

faults; geothermal water anomaly; subsection mean method; Landsat TM5 data; Changbai Mountain basalt area; surface temperature field; gravity field; magnetic field

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.06

2016- 08- 15;

2016- 10- 17

吉林省地勘基金(地勘2014-13)；河北地质大学博士科研启动基金项目(BQ2017011);河北省教育厅自然青年基金(QN2015061、QN2017026)

闫佰忠(1988- )，男，博士，讲师，主要从事水资源与水环境、地下水方面的研究。E- mail：jluybz@126.com

肖长来(1962- )，男，教授，博士生导师，主要从事水资源与水环境研究。E- mail：xcl2822@126.com

P314.1

A

1000- 3665(2017)04- 0034- 07