熱紅外遙感技術(shù)在地熱資源調查中的應用與潛力

  0  前言

 

  航空熱紅外遙感技術(shù)是一種快速檢測地面溫度的新技術(shù), 它能在瞬間或比較短的時(shí)間內獲取大面積地面溫度場(chǎng)信息, 它具有連續采樣(面掃描)、信息量大、檢測精度高(0.2 ～ 0.5 ℃)、一致性好、直觀(guān)形象、速度快、成本低和不受地面通行條件限制等優(yōu)點(diǎn)。因此, 它一問(wèn)世立即引起地熱工作者的極大興趣, 并將這一新技術(shù)用來(lái)進(jìn)行地熱資源調查, 取得了許多成功經(jīng)驗, 同時(shí)在理論探討方面也在逐步深化, 展現出它的應用前景。

 

  1  熱紅外遙感技術(shù)在地熱資源調查中的應用概況與進(jìn)展將熱紅外遙感技術(shù)最早應用于地熱調查中的是美國。1961 年美國“陸軍寒冷區域調查和工程試驗室”和密執安大學(xué), 開(kāi)始使用熱紅外掃描成像技術(shù)對美國著(zhù)名的國家黃石公園中的地熱進(jìn)行了地熱調查試驗, 成功地探測到了溫泉出露點(diǎn)和近地表的地熱異常。其后美國一些研究單位和科研人員又在黃石公園進(jìn)行了多次重復測量與研究工作, 對地熱區的類(lèi)型、地熱溫度的動(dòng)態(tài)變化范圍及該技術(shù)可探測的深度進(jìn)行了比較深入的研究。St rangw ay 和Holmar(1966)在新墨西哥州的Lordsbulg 區應用熱紅外遙感方法也探測出了一個(gè)相當于600 HFU 的地熱異常。

 

  Hochstel 和Diekinson(1970)在新西蘭的懷拉基區也發(fā)現了熱流值相當于150 HFU(夜間)地熱異常, 并對影響圖像的外界因素, 如太陽(yáng)輻射、風(fēng)、霧與冷凝作用及輻射系數等進(jìn)行了有意義的總結。

 

  Palmason 等人(1970)對冰島首都雷克雅未克及克維爾克弗焦耳等地區, 應用熱紅外圖像和航空像片對該地區冰川覆蓋下的地熱進(jìn)行了成功的探測。

 

  Gomezvelle 等人(1970)在墨西哥米卻肯地區應用熱紅外圖像和彩色紅外像片解譯方法和常規的電阻率法、熱流測量、水文學(xué)和地球化學(xué)方法相結合對地熱進(jìn)行了較深入的研究工作。

 

  1971 年聯(lián)合國承包單位(U .N .Scbcontraetor)在埃塞俄比亞進(jìn)行了熱紅外成像調查, 發(fā)現了105 個(gè)至少為10 ℃的地熱異常。在肯尼亞使用地物分辨率更高的熱紅外掃描成像方法, 也發(fā)現了類(lèi)似的地熱異常[ 1] 。

 

  日本從1965 年開(kāi)始熱紅外應用研究。1973 年4 月至1974 年3 月期間, 選擇了20 個(gè)有明顯地熱表現的地熱區進(jìn)行了包括遙感、電法、地熱和重力等方法在內的綜合調查研究工作, 其中選擇了5 個(gè)地區(包括7 個(gè)地熱區的一部分)進(jìn)行了航空熱紅外遙感調查, 對第四紀火山機構與地熱的關(guān)系進(jìn)行了研究, 調查中發(fā)現了一些新的地熱點(diǎn), 并繪制了地熱異常點(diǎn)分布圖[ 2] 。

 

  我國也曾于1979 年至1981 年間, 先后在天津、福建和遼南地區開(kāi)展過(guò)地熱調查工作, 其中遼南地區地熱調查試驗取得了明顯的應用效果, 在技術(shù)方法的應用條件中取得了比較成功的經(jīng)驗。

 

  2  熱紅外遙感技術(shù)探測地熱的原理與物理前提自然界中所有物質(zhì), 不論白天或夜間都以一定波長(cháng)向外輻射能量, 其輻射能量大小與其自身的溫度和輻射率成正比(Fλ = εδT4 )。受大氣窗口的限制, 目前紅外探測器所使用的電磁波段, 主要有3 ～ 5 μm 和8 ～ 14 μm 兩個(gè)波段, 對地表常溫物體的探測通常使用8 ～ 14 μm 波段。

 

  當前最常用的熱紅外探測器有兩類(lèi):①紅外輻射溫度計。它是一種定量測量輻射溫度的非成像裝置, 它可以進(jìn)行剖面線(xiàn)測量;②紅外掃描儀。它可以對地面輻射溫度進(jìn)行掃描成像,并能以模擬方式或定量方式給出地面輻射溫度圖像, 目前這些探測器的溫度分辨率一般都可達到0.2 ～ 0.5 ℃, 或者更高。因此, 能探測出地面微小的溫度變化。

 

  地球表面溫度的產(chǎn)生主要來(lái)自于太陽(yáng)能的輻射加溫作用, 其次是來(lái)源于地球深部熱源。

 

  前者以電磁波輻射形式進(jìn)行熱傳遞, 它對地球表面的增熱起主導作用, 而且存在于地球表面的所有地方。后者則以傳導和對流方式進(jìn)行熱傳遞, 它主要受地質(zhì)構造控制和地層巖石的物理性質(zhì)影響, 屬于局部增溫現象, 只有這種熱傳遞在地面形成的熱異常才對尋找地熱資源有實(shí)際意義。

 

  由噴氣孔和熱泉點(diǎn)所表現出的地熱異常, 一般反映了淺部地熱的存在和控熱構造。埋藏比較深的地下熱水, 通常是通過(guò)垂直裂隙系統以滲透或對流的方式傳遞到地表, 并形成比地面背景溫度高的地熱異常。上述這些熱異常很容易被熱紅外探測器檢測出來(lái)。航空熱紅外遙感技術(shù)可以精確地提供溫泉點(diǎn)的位置和熱異常的分布特征。因此, 可為查清導熱、控熱構造提供有利線(xiàn)索, 以指導地熱勘探工作。此外, 在某些受巖層和第四系松散層掩蓋的所謂“盲熱”區,亦可通過(guò)航空熱紅外遙感方法, 填繪淺部熱含水層來(lái)幫助發(fā)現深部地熱資源。有關(guān)資料表明,干燥土壤區, 日出前地表溫度與2 m 深處的溫度極為相關(guān), 并且在地表表現出比周?chē)叱? ～3 ℃的熱異常。鉆探結果說(shuō)明熱流是從深部溫度大于200 ℃的熱儲滲出的, 它們沿著(zhù)深度不大的斷層向上遷移, 又沿滲透性巖石發(fā)生側向流動(dòng), 并與淺層地下水混合后形成地熱異常[ 3] 。

 

  應用熱紅外遙感方法進(jìn)行地熱調查能否取得成功, 其前提條件可以歸納如下:

 

  (1)首先地表必須有熱異常存在, 這種異?？梢允侵苯映雎队诘乇淼?a href="http://keyinmall.com/t/溫泉.html" >溫泉點(diǎn)或熱噴氣孔,也可以是通過(guò)熱對流或熱擴散方式在地表形成的高溫熱異常。因為熱紅外遙感圖像所記錄的僅是地表面溫度;

 

  (2)受地熱影響引起的地面物體熱變化在圖像上有顯示。如泥火山、泥噴泉的出現, 植被生態(tài)發(fā)生變化, 耐高溫植物的出現, 受地熱影響冰雪局部融化等, 都可以間接地指示出地熱異常的存在;

 

  (3)具有溫度分辨率很高的熱紅外探測器和比較容易出現地熱異常的合適的成像季節、時(shí)間和良好的天氣條件。

 

  上述條件非常復雜, 地熱異常受地質(zhì)構造、地層、巖性、地理、地貌等各種物理因素影響。

 

  成像條件的選擇則受人為主觀(guān)認識和自然條件變化的影響。因此, 有時(shí)因這些條件不一定同時(shí)具備而影響監測效果, 或因缺少某些前提條件使調查工作失敗。

 

  3  熱紅外遙感在地熱調查中的應用實(shí)例

 

  1981 年我們在遼南地區開(kāi)展了地熱調查試驗, 取得了很好的應用效果。

 

  該區位于遼東半島的南半部, 包括營(yíng)口、蓋縣、復縣、新金等縣的部分地區。區內出露地層以前震旦系城子坦組片麻巖為主, 有少量震旦系地層。區內巖漿巖分布廣泛, 以燕山期花崗巖為主, 地質(zhì)構造比較復雜。地貌特征屬于中低山和丘陵地形, 基巖多為裸露和半裸露, 第四系蓋層多分布于山間盆地或丘陵低地之間, 厚度一般在10 ～ 40 m 左右。遼南地熱資源豐富, 開(kāi)發(fā)利用較早, 例如:比較著(zhù)名的湯崗子、安波、龍門(mén)湯、儉湯等溫泉均出露于測區內。因此, 是個(gè)良好的地熱調查試驗區, 也是一個(gè)非常好的地熱資源遠景區。

 

  這次熱紅外遙感地熱調查, 飛行時(shí)間是在10 月25 日夜間21 :00 ～ 23 :00 進(jìn)行的, 使用的傳感器是DS —1230 定量雙通道紅外掃描儀, 成像波段分別為8 ～ 14 μm 和3 ～ 5 μm , 飛機飛行高度為1 350 m , 地物分辨率為3.38 m , 儀器溫度分辨率為0.2 ℃?？罩袙呙璩上駮r(shí)進(jìn)行了溫度定標選擇, 溫度記錄范圍為-1 ～ 9 ℃, 經(jīng)過(guò)溫度細分處理后圖像的溫度分辨率為1.5 ℃。局部地段做了數字化彩色圖像處理和計算機圖像處理。在這次試驗中還同時(shí)進(jìn)行了彩色紅外攝影, 為圖像對比分析提供了很大方便。

 

  在圖像解譯過(guò)程中共發(fā)現熱異常點(diǎn)43 處, 野外工作期間對這些異常點(diǎn)進(jìn)行了全面檢查驗證, 其中6 個(gè)已知地熱點(diǎn)(湯崗子、安波、儉湯、思拉堡、龍門(mén)湯、湯河沿)在圖像上都有明顯的熱異常顯示, 同時(shí)還發(fā)現了吉來(lái)溝和石朋子兩處為前人所不知的新地熱點(diǎn), 其它35 處均為人工高溫熱源點(diǎn)(如磚瓦窯、石灰窯、工廠(chǎng)煙囪等), 與地熱無(wú)關(guān)。這里僅擇其中3 例說(shuō)明熱紅外遙感在探測地熱中的應用效果。

 

  3 .1  思拉堡地熱異常

 

  該異常出現在中低山區山間河谷平原的邊緣部位, 異常區為第四系覆蓋區, 有兩處地下熱水以溫泉形式出露于沙河北岸的階地上, 階地上面農田廣布, 有水田和旱田。從夜間熱紅外圖像上可以清楚的看出有一橢圓形熱異常呈NE 向展布, 其長(cháng)軸方向長(cháng)約1 300 m , 短軸方向寬約90 m , 該異常從圖像上分析以中心部位最亮(溫度較高), 逐漸向外變暗(溫度較低), 顯示了熱擴散暈的影像特征。從數字化彩色圖像分析中可以看出異常中心部位溫度比邊緣部分溫度高出5 ～ 6 ℃。經(jīng)檢查驗證, 野外現場(chǎng)挖出的熱水坑水溫高達48 ℃以上。不難推測, 該地熱異常受NE 向斷裂構造控制, 地下熱水沿導熱構造上升, 進(jìn)入第四系松散層與淺層地下水混合后產(chǎn)生滲透擴散作用, 形成暈狀熱異常(圖略)。

 

  該地熱異常已由遼寧第二水文地質(zhì)大隊于1981 —1982 年進(jìn)行了地面普查鉆探驗證, 先后布置了34 個(gè)鉆孔, 孔深一般在47 ～ 250 m 之間, 井下水溫30 ～ 99 ℃不等。鉆探網(wǎng)基本上控制了地熱異常范圍, 從鉆孔資料得知該區第四系蓋層厚度一般在10 ～ 35 m 左右, 根據鉆探過(guò)程中井底測溫資料編繪的基巖表面溫度等值線(xiàn)圖(圖略)與地熱異常圖像上的平面形狀非常相似,NE 方向的控熱構造也為鉆探出的構造破碎帶所證實(shí)。該地熱異常屬于近年來(lái)新發(fā)現的地熱點(diǎn), 具有較大的潛在開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

 

  3 .2  龍門(mén)湯地熱異常

 

  該異常位于山間谷地, 溫泉點(diǎn)出露于溝谷南岸, 溫泉水沿河溝形成條帶狀熱異常, 在夜間熱紅外圖像上清晰可見(jiàn)。同時(shí)在溝谷北岸的階地上出現一條長(cháng)達300 m 的平直的線(xiàn)形隱伏熱異常, 異常走向呈NW300°方向延伸, 熱異常比背景溫度高3 ～ 4 ℃左右。野外驗證結果表明溝谷南岸直接出露的泉點(diǎn)水溫在40 ℃左右, 北岸階地上的熱異常未見(jiàn)熱水直接出露于地表, 屬于“盲地熱” , 但是在該異常的西端一人工養魚(yú)池的東岸則被人工揭露出一熱水點(diǎn), 實(shí)測水溫高達45 ℃左右。另在異常中心部位經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的人工剝露, 在砂層10 cm 以下測得地溫超過(guò)50 ℃。該異常呈NW300°方向直線(xiàn)延伸, 與根據航片解譯的一組NW 向構造一致, 由于該區第四系蓋層很薄, 且淺層地下水不發(fā)育。因此, 地熱擴散滲透作用不明顯, 未形成面狀熱異常。

 

  3 .3  儉湯地熱異常

 

  儉湯為一已知地熱點(diǎn), 近年來(lái)已被鄉辦繅絲廠(chǎng)開(kāi)發(fā)利用。該異常位于山區—山間谷地北側坡地上, 屬于半裸露基巖區, 地表層多為花崗巖風(fēng)化形成的坡積、殘積物。熱異常呈帶狀向NNE 向延伸, 長(cháng)約340 m , 寬約40 ～ 50 m , 在圖像上顯示非常清楚。根據圖像分析, 異常溫度比背景溫度高出4 ～ 5 ℃。異常中心部位的殘坡積層經(jīng)簡(jiǎn)單剝露測得熱水溫度高達40 ℃左右。

 

  從構造上分析, 該異常受NNE 向構造控制, 該斷層東西兩端均被NE 向斷層所截, 因而異常未能延伸更遠。同樣因蓋層極薄和淺層地下水不發(fā)育未能形成熱擴散。

 

  以上幾例充分說(shuō)明了航空熱紅外遙感技術(shù)在遼南地熱調查中的應用是成功的, 并顯示了它的技術(shù)潛力和應用前景。當然這些地熱異常被檢測出來(lái)除了證實(shí)這種技術(shù)的潛力外, 該區地熱埋藏淺, 第四系蓋層薄, 構造控制作用強, 導熱通道好, 人為干擾因素少也是有利條件。但是也要注意, 在地熱調查中不能忽視成像條件選擇這一技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題。

 

  4  熱紅外遙感在地熱調查中的技術(shù)潛力與局限性熱紅外遙感技術(shù)做為地面溫度的一種檢測方法, 無(wú)論從理論上還是實(shí)踐中都證明它是一種行之有效的新技術(shù)手段。它所取得的熱圖像資料具有直觀(guān)、形象、精度高、速度快、不受通行條件限制等許多優(yōu)點(diǎn), 使得溫度檢測技術(shù)產(chǎn)生突破性進(jìn)展, 因此它被廣泛應用到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域, 取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。來(lái)自地殼深部的熱源, 能使地表溫度發(fā)生變化, 產(chǎn)生地熱異常, 因此應用熱紅外遙感方法進(jìn)行地熱資源調查自然成了人們探索的對象。正象前面所介紹的那樣, 從60 年代初到現在, 專(zhuān)家們做了大量試驗與研究工作, 取得了不少成果, 大致可以歸納如下幾點(diǎn):

 

  (1)航空熱紅外遙感技術(shù), 可以提供精確的地表溫度圖像, 且有足夠的溫度分辨率和地物分辨率(隨飛行高度而異)。因此, 可以區分地面微小溫度差異, 為探測地熱提供了可能。

 

  (2)航空熱紅外圖像可以清楚的顯示熱水出露點(diǎn), 它不僅可以做為尋找地熱標志, 也可以通過(guò)地熱點(diǎn)的分布規律來(lái)研究控熱構造, 指導地熱勘探工作。

 

  (3)航空熱紅外圖像可以發(fā)現未出露于地表的淺層“盲熱”異常, 這些異常多是控制地下水上升的構造通道顯示, 或者是地下水沿滲透性巖石或松散層的孔隙、裂隙滲透、擴散作用的顯示?？勺鰧ふ业責岬闹苯踊蜷g接標志, 從而幫助確定成礦遠景區和指導地熱勘探工作。

 

  (4)目前專(zhuān)家們正在理論上對地熱異常的成因機理進(jìn)行探討, 有人正在建立熱模型, 對地表的溫度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究, 以指導地熱調查中的最佳飛行時(shí)間和成像條件的選擇。

 

  航空熱紅外遙感技術(shù)在地熱調查中的應用已有近幾十年的歷史, 但是它只是做為地熱調查中的一種技術(shù)手段加以使用, 并沒(méi)有取得突破性的進(jìn)展, 這就說(shuō)明了它在地熱調查中有很大的局限性。初步歸納如下幾點(diǎn):

 

  (1)熱紅外遙感方法只能取得地表溫度信息, 而開(kāi)采利用價(jià)值比較大的地熱資源多埋藏在地下深部, 或被巨厚的沉積蓋層所掩蓋, 在沒(méi)有熱通道通向地表的條件下很難被發(fā)現。

 

  (2)來(lái)自地球內部的熱源產(chǎn)生的地表溫度異常, 主要靠地層巖石的熱傳導和地下水的熱對流作用, 熱傳導率極低的巖石限制了這種異常的產(chǎn)生。

 

  (3)成像條件選擇至關(guān)重要。筆者認為, 理想的成像條件應包括:①成像季節。一般而言, 地表與大氣進(jìn)行熱交換處于平衡狀態(tài)時(shí), 有利于地熱異常的形成;②成像時(shí)間, 應該在夜間太陽(yáng)輻射影響消失后, 地表與大氣呈現正向熱交換時(shí), 地熱異常才能顯示出來(lái);③大氣對地表溫度產(chǎn)生干擾影響最小的時(shí)候, 如風(fēng)、云、雨、霧、氣溫高低等都可成為干擾因素;④成像時(shí)溫度定標范圍的選擇, 可以確定最佳溫度范圍和最大限度的提高圖像的溫度分辨率。

 

  (4)熱紅外遙感方法只能做為地熱調查中的一種技術(shù)手段使用, 它不能代替常規的地熱勘探方法。該技術(shù)必須與其它技術(shù)方法相配合, 與專(zhuān)業(yè)知識相結合才能取得比較好的應用效果。

 

  目前我國已擁有各種型號的紅外掃描儀和與之相適應的技術(shù)隊伍, 并且在地熱資源調查中取得了一定的經(jīng)驗和成果, 相信只要領(lǐng)導和專(zhuān)家們重視, 積極組織試驗研究工作, 航空熱紅外遙感技術(shù)一定會(huì )在地熱調查中得到應用和推廣。