热红外遥感技术在地热资源调查中的应用与潜力

  0  前言

 

  航空热红外遥感技术是一种快速检测地面温度的新技术, 它能在瞬间或比较短的时间内获取大面积地面温度场信息, 它具有连续采样(面扫描)、信息量大、检测精度高(0.2 ～ 0.5 ℃)、一致性好、直观形象、速度快、成本低和不受地面通行条件限制等优点。因此, 它一问世立即引起地热工作者的极大兴趣, 并将这一新技术用来进行地热资源调查, 取得了许多成功经验, 同时在理论探讨方面也在逐步深化, 展现出它的应用前景。

 

  1  热红外遥感技术在地热资源调查中的应用概况与进展将热红外遥感技术最早应用于地热调查中的是美国。1961 年美国“陆军寒冷区域调查和工程试验室”和密执安大学, 开始使用热红外扫描成像技术对美国著名的国家黄石公园中的地热进行了地热调查试验, 成功地探测到了温泉出露点和近地表的地热异常。其后美国一些研究单位和科研人员又在黄石公园进行了多次重复测量与研究工作, 对地热区的类型、地热温度的动态变化范围及该技术可探测的深度进行了比较深入的研究。St rangw ay 和Holmar(1966)在新墨西哥州的Lordsbulg 区应用热红外遥感方法也探测出了一个相当于600 HFU 的地热异常。

 

  Hochstel 和Diekinson(1970)在新西兰的怀拉基区也发现了热流值相当于150 HFU(夜间)地热异常, 并对影响图像的外界因素, 如太阳辐射、风、雾与冷凝作用及辐射系数等进行了有意义的总结。

 

  Palmason 等人(1970)对冰岛首都雷克雅未克及克维尔克弗焦耳等地区, 应用热红外图像和航空像片对该地区冰川覆盖下的地热进行了成功的探测。

 

  Gomezvelle 等人(1970)在墨西哥米却肯地区应用热红外图像和彩色红外像片解译方法和常规的电阻率法、热流测量、水文学和地球化学方法相结合对地热进行了较深入的研究工作。

 

  1971 年联合国承包单位(U .N .Scbcontraetor)在埃塞俄比亚进行了热红外成像调查, 发现了105 个至少为10 ℃的地热异常。在肯尼亚使用地物分辨率更高的热红外扫描成像方法, 也发现了类似的地热异常[ 1] 。

 

  日本从1965 年开始热红外应用研究。1973 年4 月至1974 年3 月期间, 选择了20 个有明显地热表现的地热区进行了包括遥感、电法、地热和重力等方法在内的综合调查研究工作, 其中选择了5 个地区(包括7 个地热区的一部分)进行了航空热红外遥感调查, 对第四纪火山机构与地热的关系进行了研究, 调查中发现了一些新的地热点, 并绘制了地热异常点分布图[ 2] 。

 

  我国也曾于1979 年至1981 年间, 先后在天津、福建和辽南地区开展过地热调查工作, 其中辽南地区地热调查试验取得了明显的应用效果, 在技术方法的应用条件中取得了比较成功的经验。

 

  2  热红外遥感技术探测地热的原理与物理前提自然界中所有物质, 不论白天或夜间都以一定波长向外辐射能量, 其辐射能量大小与其自身的温度和辐射率成正比(Fλ = εδT4 )。受大气窗口的限制, 目前红外探测器所使用的电磁波段, 主要有3 ～ 5 μm 和8 ～ 14 μm 两个波段, 对地表常温物体的探测通常使用8 ～ 14 μm 波段。

 

  当前最常用的热红外探测器有两类:①红外辐射温度计。它是一种定量测量辐射温度的非成像装置, 它可以进行剖面线测量;②红外扫描仪。它可以对地面辐射温度进行扫描成像,并能以模拟方式或定量方式给出地面辐射温度图像, 目前这些探测器的温度分辨率一般都可达到0.2 ～ 0.5 ℃, 或者更高。因此, 能探测出地面微小的温度变化。

 

  地球表面温度的产生主要来自于太阳能的辐射加温作用, 其次是来源于地球深部热源。

 

  前者以电磁波辐射形式进行热传递, 它对地球表面的增热起主导作用, 而且存在于地球表面的所有地方。后者则以传导和对流方式进行热传递, 它主要受地质构造控制和地层岩石的物理性质影响, 属于局部增温现象, 只有这种热传递在地面形成的热异常才对寻找地热资源有实际意义。

 

  由喷气孔和热泉点所表现出的地热异常, 一般反映了浅部地热的存在和控热构造。埋藏比较深的地下热水, 通常是通过垂直裂隙系统以渗透或对流的方式传递到地表, 并形成比地面背景温度高的地热异常。上述这些热异常很容易被热红外探测器检测出来。航空热红外遥感技术可以精确地提供温泉点的位置和热异常的分布特征。因此, 可为查清导热、控热构造提供有利线索, 以指导地热勘探工作。此外, 在某些受岩层和第四系松散层掩盖的所谓“盲热”区,亦可通过航空热红外遥感方法, 填绘浅部热含水层来帮助发现深部地热资源。有关资料表明,干燥土壤区, 日出前地表温度与2 m 深处的温度极为相关, 并且在地表表现出比周围高出1 ～3 ℃的热异常。钻探结果说明热流是从深部温度大于200 ℃的热储渗出的, 它们沿着深度不大的断层向上迁移, 又沿渗透性岩石发生侧向流动, 并与浅层地下水混合后形成地热异常[ 3] 。

 

  应用热红外遥感方法进行地热调查能否取得成功, 其前提条件可以归纳如下:

 

  (1)首先地表必须有热异常存在, 这种异常可以是直接出露于地表的温泉点或热喷气孔,也可以是通过热对流或热扩散方式在地表形成的高温热异常。因为热红外遥感图像所记录的仅是地表面温度;

 

  (2)受地热影响引起的地面物体热变化在图像上有显示。如泥火山、泥喷泉的出现, 植被生态发生变化, 耐高温植物的出现, 受地热影响冰雪局部融化等, 都可以间接地指示出地热异常的存在;

 

  (3)具有温度分辨率很高的热红外探测器和比较容易出现地热异常的合适的成像季节、时间和良好的天气条件。

 

  上述条件非常复杂, 地热异常受地质构造、地层、岩性、地理、地貌等各种物理因素影响。

 

  成像条件的选择则受人为主观认识和自然条件变化的影响。因此, 有时因这些条件不一定同时具备而影响监测效果, 或因缺少某些前提条件使调查工作失败。

 

  3  热红外遥感在地热调查中的应用实例

 

  1981 年我们在辽南地区开展了地热调查试验, 取得了很好的应用效果。

 

  该区位于辽东半岛的南半部, 包括营口、盖县、复县、新金等县的部分地区。区内出露地层以前震旦系城子坦组片麻岩为主, 有少量震旦系地层。区内岩浆岩分布广泛, 以燕山期花岗岩为主, 地质构造比较复杂。地貌特征属于中低山和丘陵地形, 基岩多为裸露和半裸露, 第四系盖层多分布于山间盆地或丘陵低地之间, 厚度一般在10 ～ 40 m 左右。辽南地热资源丰富, 开发利用较早, 例如:比较著名的汤岗子、安波、龙门汤、俭汤等温泉均出露于测区内。因此, 是个良好的地热调查试验区, 也是一个非常好的地热资源远景区。

 

  这次热红外遥感地热调查, 飞行时间是在10 月25 日夜间21 :00 ～ 23 :00 进行的, 使用的传感器是DS —1230 定量双通道红外扫描仪, 成像波段分别为8 ～ 14 μm 和3 ～ 5 μm , 飞机飞行高度为1 350 m , 地物分辨率为3.38 m , 仪器温度分辨率为0.2 ℃。空中扫描成像时进行了温度定标选择, 温度记录范围为-1 ～ 9 ℃, 经过温度细分处理后图像的温度分辨率为1.5 ℃。局部地段做了数字化彩色图像处理和计算机图像处理。在这次试验中还同时进行了彩色红外摄影, 为图像对比分析提供了很大方便。

 

  在图像解译过程中共发现热异常点43 处, 野外工作期间对这些异常点进行了全面检查验证, 其中6 个已知地热点(汤岗子、安波、俭汤、思拉堡、龙门汤、汤河沿)在图像上都有明显的热异常显示, 同时还发现了吉来沟和石朋子两处为前人所不知的新地热点, 其它35 处均为人工高温热源点(如砖瓦窑、石灰窑、工厂烟囱等), 与地热无关。这里仅择其中3 例说明热红外遥感在探测地热中的应用效果。

 

  3 .1  思拉堡地热异常

 

  该异常出现在中低山区山间河谷平原的边缘部位, 异常区为第四系覆盖区, 有两处地下热水以温泉形式出露于沙河北岸的阶地上, 阶地上面农田广布, 有水田和旱田。从夜间热红外图像上可以清楚的看出有一椭圆形热异常呈NE 向展布, 其长轴方向长约1 300 m , 短轴方向宽约90 m , 该异常从图像上分析以中心部位最亮(温度较高), 逐渐向外变暗(温度较低), 显示了热扩散晕的影像特征。从数字化彩色图像分析中可以看出异常中心部位温度比边缘部分温度高出5 ～ 6 ℃。经检查验证, 野外现场挖出的热水坑水温高达48 ℃以上。不难推测, 该地热异常受NE 向断裂构造控制, 地下热水沿导热构造上升, 进入第四系松散层与浅层地下水混合后产生渗透扩散作用, 形成晕状热异常(图略)。

 

  该地热异常已由辽宁第二水文地质大队于1981 —1982 年进行了地面普查钻探验证, 先后布置了34 个钻孔, 孔深一般在47 ～ 250 m 之间, 井下水温30 ～ 99 ℃不等。钻探网基本上控制了地热异常范围, 从钻孔资料得知该区第四系盖层厚度一般在10 ～ 35 m 左右, 根据钻探过程中井底测温资料编绘的基岩表面温度等值线图(图略)与地热异常图像上的平面形状非常相似,NE 方向的控热构造也为钻探出的构造破碎带所证实。该地热异常属于近年来新发现的地热点, 具有较大的潜在开发利用价值。

 

  3 .2  龙门汤地热异常

 

  该异常位于山间谷地, 温泉点出露于沟谷南岸, 温泉水沿河沟形成条带状热异常, 在夜间热红外图像上清晰可见。同时在沟谷北岸的阶地上出现一条长达300 m 的平直的线形隐伏热异常, 异常走向呈NW300°方向延伸, 热异常比背景温度高3 ～ 4 ℃左右。野外验证结果表明沟谷南岸直接出露的泉点水温在40 ℃左右, 北岸阶地上的热异常未见热水直接出露于地表, 属于“盲地热” , 但是在该异常的西端一人工养鱼池的东岸则被人工揭露出一热水点, 实测水温高达45 ℃左右。另在异常中心部位经过简单的人工剥露, 在砂层10 cm 以下测得地温超过50 ℃。该异常呈NW300°方向直线延伸, 与根据航片解译的一组NW 向构造一致, 由于该区第四系盖层很薄, 且浅层地下水不发育。因此, 地热扩散渗透作用不明显, 未形成面状热异常。

 

  3 .3  俭汤地热异常

 

  俭汤为一已知地热点, 近年来已被乡办缫丝厂开发利用。该异常位于山区—山间谷地北侧坡地上, 属于半裸露基岩区, 地表层多为花岗岩风化形成的坡积、残积物。热异常呈带状向NNE 向延伸, 长约340 m , 宽约40 ～ 50 m , 在图像上显示非常清楚。根据图像分析, 异常温度比背景温度高出4 ～ 5 ℃。异常中心部位的残坡积层经简单剥露测得热水温度高达40 ℃左右。

 

  从构造上分析, 该异常受NNE 向构造控制, 该断层东西两端均被NE 向断层所截, 因而异常未能延伸更远。同样因盖层极薄和浅层地下水不发育未能形成热扩散。

 

  以上几例充分说明了航空热红外遥感技术在辽南地热调查中的应用是成功的, 并显示了它的技术潜力和应用前景。当然这些地热异常被检测出来除了证实这种技术的潜力外, 该区地热埋藏浅, 第四系盖层薄, 构造控制作用强, 导热通道好, 人为干扰因素少也是有利条件。但是也要注意, 在地热调查中不能忽视成像条件选择这一技术关键问题。

 

  4  热红外遥感在地热调查中的技术潜力与局限性热红外遥感技术做为地面温度的一种检测方法, 无论从理论上还是实践中都证明它是一种行之有效的新技术手段。它所取得的热图像资料具有直观、形象、精度高、速度快、不受通行条件限制等许多优点, 使得温度检测技术产生突破性进展, 因此它被广泛应用到各个学科领域, 取得了显著的经济效益和社会效益。来自地壳深部的热源, 能使地表温度发生变化, 产生地热异常, 因此应用热红外遥感方法进行地热资源调查自然成了人们探索的对象。正象前面所介绍的那样, 从60 年代初到现在, 专家们做了大量试验与研究工作, 取得了不少成果, 大致可以归纳如下几点:

 

  (1)航空热红外遥感技术, 可以提供精确的地表温度图像, 且有足够的温度分辨率和地物分辨率(随飞行高度而异)。因此, 可以区分地面微小温度差异, 为探测地热提供了可能。

 

  (2)航空热红外图像可以清楚的显示热水出露点, 它不仅可以做为寻找地热标志, 也可以通过地热点的分布规律来研究控热构造, 指导地热勘探工作。

 

  (3)航空热红外图像可以发现未出露于地表的浅层“盲热”异常, 这些异常多是控制地下水上升的构造通道显示, 或者是地下水沿渗透性岩石或松散层的孔隙、裂隙渗透、扩散作用的显示。可做寻找地热的直接或间接标志, 从而帮助确定成矿远景区和指导地热勘探工作。

 

  (4)目前专家们正在理论上对地热异常的成因机理进行探讨, 有人正在建立热模型, 对地表的温度动态变化进行研究, 以指导地热调查中的最佳飞行时间和成像条件的选择。

 

  航空热红外遥感技术在地热调查中的应用已有近几十年的历史, 但是它只是做为地热调查中的一种技术手段加以使用, 并没有取得突破性的进展, 这就说明了它在地热调查中有很大的局限性。初步归纳如下几点:

 

  (1)热红外遥感方法只能取得地表温度信息, 而开采利用价值比较大的地热资源多埋藏在地下深部, 或被巨厚的沉积盖层所掩盖, 在没有热通道通向地表的条件下很难被发现。

 

  (2)来自地球内部的热源产生的地表温度异常, 主要靠地层岩石的热传导和地下水的热对流作用, 热传导率极低的岩石限制了这种异常的产生。

 

  (3)成像条件选择至关重要。笔者认为, 理想的成像条件应包括:①成像季节。一般而言, 地表与大气进行热交换处于平衡状态时, 有利于地热异常的形成;②成像时间, 应该在夜间太阳辐射影响消失后, 地表与大气呈现正向热交换时, 地热异常才能显示出来;③大气对地表温度产生干扰影响最小的时候, 如风、云、雨、雾、气温高低等都可成为干扰因素;④成像时温度定标范围的选择, 可以确定最佳温度范围和最大限度的提高图像的温度分辨率。

 

  (4)热红外遥感方法只能做为地热调查中的一种技术手段使用, 它不能代替常规的地热勘探方法。该技术必须与其它技术方法相配合, 与专业知识相结合才能取得比较好的应用效果。

 

  目前我国已拥有各种型号的红外扫描仪和与之相适应的技术队伍, 并且在地热资源调查中取得了一定的经验和成果, 相信只要领导和专家们重视, 积极组织试验研究工作, 航空热红外遥感技术一定会在地热调查中得到应用和推广。