张文慧， 金 朝,2*， 陈 曦,2， 赵子良， 王曼丽， 杜翌超

(1.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034； 2.湖北省地质局 遥感应用技术中心，湖北 武汉 430034；3.湖北省地质局 第四地质大队，湖北 咸宁 437100)

在地热勘查中，钻探和物探等勘查手段应用广泛，但投资大、风险高，而遥感技术具有周期短、成本小、覆盖范围广等优点[1]，因此越来越受到重视。近年来，随着空间技术的长足发展，遥感数据的空间分辨率、光谱分辨率等呈级数增加，使得遥感技术在地热勘查中的应用更加高效。遥感技术可以对地热异常和地热地质条件进行信息提取，前者常利用各种热红外遥感数据反演地表温度，进而识别地热异常区；后者主要通过遥感影像识别与地热形成和赋存密切相关的地质条件，如构造、岩层、隐伏岩体等[2]。地质技术人员多倾向于将遥感地热异常信息和地质条件信息进行综合，并结合重力异常、航磁异常等数据，采用定性或半定量分析方法圈定地热靶区[3-6]，取得了较理想的地热勘查和预测效果。

水化学方法也是一种成本较低的地热勘查手段，可提供丰富的地热信息[7]。水化学方法一般通过测量地热水的常量元素、微量元素及同位素含量数据，分析得到地热水化学类型、热储温度、热循环深度、地热水来源、补给高程等信息，进而建立地热水成因模型等[8-10]。这些研究一般围绕已发现地热田(点)进行水化学特征及成因分析，可以将某些特征组分作为寻找地热水的标志[11-14]，在指导区域地热勘查工作中起到较好的效果。然而，单纯采用水化学方法进行地热异常区圈定需要大量的野外调查和室内测试工作，成本略高。

目前将遥感技术和水化学方法结合起来应用于地热勘查的实践相对较少。本次以咸宁地区为例，首先利用遥感技术对研究区地表温度和水热蚀变进行解译，并结合构造、重力异常和航磁异常等数据，采用层次分析法初步预测地热有利区段；然后在地热有利区段针对性开展水化学调查分析工作，得到地热水水化学特征，识别出新的地热异常点；最后综合初步预测的地热有利区段、地质背景条件、水化学特征及氡气异常等信息，圈定地热靶区。研究成果可为咸宁地区地热勘查提供有价值的参考信息。

1 研究区概况

咸宁地区地貌以低山丘陵为主，地跨扬子准地台下扬子台坪之大冶台褶带的梁子湖凹陷、咸宁台褶束及幕阜台坳的通山台褶束等三个四级构造单元，区内褶皱和断裂十分发育。其中，梁子湖凹陷位于蒲圻—梁子湖一带，为晚三叠世以来的继承性凹陷，呈NE-NEE向弧形延伸；咸宁台褶束为一条NEE向延伸的挤压带，卷入震旦系—中三叠统地层，以大幕山复背斜为主体；通山台褶束由震旦系—三叠系褶皱组成，以通山复向斜为主体，总体呈NEE向延伸。区内岩浆活动集中于燕山期，主要在通城和幕阜山一带发育花岗岩、二长花岗岩[15-16]。

2 遥感技术应用

2.1 数据来源

遥感影像数据取自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)Landsat8数据，选择2013—2017年共4期影像数据，云量均<0.5%。OLI(陆地成像仪)有9个波段，空间分辨率15～30 m。TIRS(热红外传感器)有2个波段，空间分辨率100 m。

咸宁地区地质资料精度较高，断裂与褶皱数据取自1∶5万和1∶20万区域地质调查报告，航磁数据取自1∶20万航磁异常等值线图，重力数据取自1∶25万和1∶50万布格重力异常等值线图。

图1 咸宁地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Xianning area

2.2 遥感解译

2.2.1地表温度反演

基于研究区Landsat8热红外遥感数据(选用Band10)，利用ENVI软件进行辐射定标、大气校正、归一化植被指数计算、地表比辐射率计算、大气剖面参数获取、黑体辐射亮度和地表温度计算等，然后结合咸宁市土地利用数据，得到研究区地表温度反演图。基于历史数据对比和地热异常的植被效应影响，最终选择2017年10月30日的Landsat8数据，处理得到咸宁地区地表温度反演图(图2)。

图2 研究区地表温度反演图Fig.2 Inversion map of surface temperature in study area

2.2.2水热蚀变反演

水热蚀变与地热之间常存在密切的相关性，其中Si蚀变和OH蚀变为水热蚀变的主要类型。选用2017年10月30日的Landsat8数据(2、5、6、7波段)进行主成分分析，得到OH蚀变反演图；再选用5、7波段数据进行比值法分析，得到Si蚀变反演图。将Si、OH蚀变结果进行代数叠加融合，得到最终的咸宁地区水热蚀变反演图(图3)。

图3 研究区水热蚀变反演图Fig.3 Inversion map of hydrothermal alteration in study area

2.3 地热有利区段初步预测

利用ArcGIS软件的空间分析工具对收集到的断裂、褶皱数据进行分析，得到研究区断裂欧氏距离分析图、褶皱多重缓冲区图。将1∶20万航磁异常等值线图、1∶25万和1∶50万布格重力异常等值线图进行融合、投影转换等处理，得到航磁异常数值图、重力异常数值图。

本文将断裂、褶皱、航磁异常、重力异常、地表温度异常、水热蚀变异常作为遥感地热资源潜力评价的因子，因子证据层由断裂欧氏距离分析图、褶皱多重缓冲区图、航磁异常数值图、重力异常数值图、地表温度反演图、水热蚀变反演图构成。基于ArcGIS平台和层次分析法[20]，通过建立层次结构模型、构造判断矩阵、计算权重、一致性检查等步骤，得到研究区初步预测的地热有利区段。通过对比可知，本区已知地热点大多位于初步预测地热有利区段内，说明预测结果具有较高的可信度。

3 水化学方法应用

主要围绕初步预测地热有利区段，有针对性地进行野外调查和水化学样采集工作，共采集样品30组，分别从机井、民井、泉口、地表采集，样点分布情况见图1。样品测试分析由湖北省地质实验测试中心完成，测试结果见表1。同时收集了该区11组地热水样品的测试数据(采样点均位于已知地热田内)，但限于篇幅未列出这些数据。

由于本次采样时间主要为夏季，水温受气温影响较大，因此需综合水温、水化学特征及露头情况，对本次水样类型(地热水、地下冷水或地表冷水)进行判别(表1)。本次采集的30组水样中，水温≥25℃的地下水有9组，分别为S1、S2、S12、S15、S16、S21、S22、S23和S26，其中S16、S21、S22无特征组分异常且水温相对较低，综合其他条件排除地热水，判定为地下冷水；S1、S2、S15为已知地热田的地热水；S12、S23、S26存在特征组分异常，判定为地热水。

表1 水样主要组分分析结果Table 1 Analysis results of main components of water samples

3.1 水化学类型

将本次采集的30组水样和收集的11组水样数据进行投点，绘制了水化学Piper三线图(图4)。研究区地热水温度为25～62℃，pH值为7.28～8.50，水化学类型大多为SO4-Ca型，少量为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3·Cl-Ca和HCO3-(K+Na)型，溶解性总固体(TDS)含量多介于1 000～2 200 mg/L，少数<700 mg/L。 地下冷水及地表冷水温度为16.5～28℃，pH值为7.07～8.03，水化学类型大多为HCO3-Ca型，少量为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，明显低于地热水。

图4 水化学Piper三线图Fig.4 Piper triline diagram of hydrochemistry

3.2 特征组分特征

地热水是在深循环及高温环境下形成的，往往具有独特的化学成分，因此可通过地热水的特征组分来发现和圈定地热异常区。由于各地区地热的形成与赋存条件不同，特征组分会表现出一定的差异性[11]，因此需要具体分析。对比研究区地热水、地下冷水及地表冷水的主要组分特征(表2)，可以看出地热水中常量组分Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-和微量组分Li+、Sr2+、F-、偏硅酸的平均含量均为地下冷水及地表冷水的2倍以上，部分甚至超过数十倍。上述组分在地热水中浓度较高，可作为地热水水化学标志。

表2 水样主要组分平均含量对比Table 2 Comparison of average contents of main components in water samples

在本次采集的水温≥25℃的地下水样中，K+、Na+含量超过地热水平均含量的样品为S23、S26，Ca2+、Mg2+、SO42-含量超过地热水平均含量的样品为S1、S2，Sr2+含量超过地热水平均含量的样品为S1、S2、S15，F-含量超过地热水平均含量的样品为S2、S12、S26，偏硅酸含量超过地热水平均含量的样品为S15、S23，Li+含量超过地热水平均含量的样品为S2、S12、S26。由于S1、S2采自咸宁温泉地热田，S15采自赤壁五洪山地热田，因此只有S12、S23、S26采自于新发现地热点。

3.3 热储温度

热储温度可反映钻探可及或地热水曾经达到的温度[21-25]。常用于估算热储温度的地球化学温标为K-Mg温标和SiO2温标。将研究区地热水组分数据投入Giggenbach三角图(图5)，发现地热水属于未成熟水，说明水—岩之间未达到离子平衡状态，因此K-Mg温标不适用于本区热储温度的计算，而SiO2温标计算结果较接近地热田的实际情况。

图5 地热水Giggenbach三角图Fig.5 Giggenbach triangle diagram of geothermal water

SiO2温标计算公式为：

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

式中：T为SiO2温标估算的热储温度；C为地热水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量。

从计算结果(表3)来看，地热水的实际出水温度为25～62℃，SiO2温标估算的热储温度为61.33～98.65℃，热储温度>40℃，表明本次新发现地热点存在明显的温度异常。

表3 地热水热储温度计算结果Table 3 Calculation results of geothermal reservoir temperature

4 地热靶区综合预测

综合初步预测地热有利区段、地质背景条件、水化学分析结果及氡气异常数据(仅部分区域有氡气测量数据)[26]等信息，圈定了4处地热靶区(图6)，分别为崇阳北部一带地热靶区(编号为1)、崇阳路口镇一带地热靶区(编号为2)、通山南部一带地热靶区(编号为3)、咸宁北部一带地热靶区(编号为4)。需要说明的是，已有地勘单位在S26样品所在的新发现地热点开展了一定的工作，认为该地热点不具有进一步勘查意义，因此本次预测的4处地热靶区暂不包含该区域。

图6 研究区地热靶区综合预测图Fig.6 Comprehensive prediction map of geothermal target areas in study area

(1) 崇阳北部一带地热靶区。靶区位于区域大断裂附近和大型褶皱翼部，发育已知地热田和温泉点。地热有利区段异常值整体呈2条NEE向展布的带状。沿区域性断裂发育呈线状分布的氡气异常。

(2) 崇阳路口镇一带地热靶区。靶区位于区域大断裂附近和大型褶皱翼部，暂未发现温泉点，但是沿区域性断裂发育氡气异常。地热有利区段异常值范围较广，整体呈2条NEE-NE向展布的带状。

(3) 通山南部一带地热靶区。靶区位于大型褶皱翼部，存在小型断裂。新发现地热点S12位于靶区内，具有进一步勘查价值。地热有利区段异常值整体呈串珠状分布。

(4) 咸宁北部一带地热靶区。靶区位于大型褶皱翼部和区域性隐伏大断裂发育区，发育1处新发现的地热点S23，具有进一步勘查价值。地热有利区段异常值整体呈NE向展布的带状。

5 结论

(1) 以咸宁地区为研究区，通过遥感解译，初步预测地热有利区段；然后通过水化学分析，总结地热水水化学特征，新发现3处地热点；最后综合初步预测地热有利区段、地质背景条件、水化学分析结果及氡气异常数据，圈定了4处地热靶区，即崇阳北部一带地热靶区、崇阳路口镇一带地热靶区、通山南部一带地热靶区、咸宁北部一带地热靶区。

(2) 将遥感解译与水化学方法相结合，用于圈定地热有利区段是可行的，相比单纯依靠水化学方法圈定地热异常区，其野外调查和室内测试工作量大为减少，更为经济高效。但需要说明的是，该方法在隐伏型地热发育区和地热异常点十分集中的区域可能没有明显的优势。