張文慧， 金 朝,2*， 陳 曦,2， 趙子良， 王曼麗， 杜翌超

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034； 2.湖北省地質(zhì)局 遙感應(yīng)用技術(shù)中心，湖北 武漢 430034；3.湖北省地質(zhì)局 第四地質(zhì)大隊(duì)，湖北 咸寧 437100)

在地?zé)峥辈橹?，鉆探和物探等勘查手段應(yīng)用廣泛，但投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，而遙感技術(shù)具有周期短、成本小、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此越來越受到重視。近年來，隨著空間技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率、光譜分辨率等呈級(jí)數(shù)增加，使得遙感技術(shù)在地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用更加高效。遙感技術(shù)可以對(duì)地?zé)岙惓：偷責(zé)岬刭|(zhì)條件進(jìn)行信息提取，前者常利用各種熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度，進(jìn)而識(shí)別地?zé)岙惓^(qū)；后者主要通過遙感影像識(shí)別與地?zé)嵝纬珊唾x存密切相關(guān)的地質(zhì)條件，如構(gòu)造、巖層、隱伏巖體等[2]。地質(zhì)技術(shù)人員多傾向于將遙感地?zé)岙惓Ｐ畔⒑偷刭|(zhì)條件信息進(jìn)行綜合，并結(jié)合重力異常、航磁異常等數(shù)據(jù)，采用定性或半定量分析方法圈定地?zé)岚袇^(qū)[3-6]，取得了較理想的地?zé)峥辈楹皖A(yù)測(cè)效果。

水化學(xué)方法也是一種成本較低的地?zé)峥辈槭侄危商峁┴S富的地?zé)嵝畔7]。水化學(xué)方法一般通過測(cè)量地?zé)崴某Ａ吭亍⑽⒘吭丶巴凰睾繑?shù)據(jù)，分析得到地?zé)崴瘜W(xué)類型、熱儲(chǔ)溫度、熱循環(huán)深度、地?zé)崴畞碓?、補(bǔ)給高程等信息，進(jìn)而建立地?zé)崴梢蚰Ｐ偷萚8-10]。這些研究一般圍繞已發(fā)現(xiàn)地?zé)崽?點(diǎn))進(jìn)行水化學(xué)特征及成因分析，可以將某些特征組分作為尋找地?zé)崴臉?biāo)志[11-14]，在指導(dǎo)區(qū)域地?zé)峥辈楣ぷ髦衅鸬捷^好的效果。然而，單純采用水化學(xué)方法進(jìn)行地?zé)岙惓^(qū)圈定需要大量的野外調(diào)查和室內(nèi)測(cè)試工作，成本略高。

目前將遙感技術(shù)和水化學(xué)方法結(jié)合起來應(yīng)用于地?zé)峥辈榈膶?shí)踐相對(duì)較少。本次以咸寧地區(qū)為例，首先利用遙感技術(shù)對(duì)研究區(qū)地表溫度和水熱蝕變進(jìn)行解譯，并結(jié)合構(gòu)造、重力異常和航磁異常等數(shù)據(jù)，采用層次分析法初步預(yù)測(cè)地?zé)嵊欣麉^(qū)段；然后在地?zé)嵊欣麉^(qū)段針對(duì)性開展水化學(xué)調(diào)查分析工作，得到地?zé)崴瘜W(xué)特征，識(shí)別出新的地?zé)岙惓｜c(diǎn)；最后綜合初步預(yù)測(cè)的地?zé)嵊欣麉^(qū)段、地質(zhì)背景條件、水化學(xué)特征及氡氣異常等信息，圈定地?zé)岚袇^(qū)。研究成果可為咸寧地區(qū)地?zé)峥辈樘峁┯袃r(jià)值的參考信息。

1 研究區(qū)概況

咸寧地區(qū)地貌以低山丘陵為主，地跨揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)坪之大冶臺(tái)褶帶的梁子湖凹陷、咸寧臺(tái)褶束及幕阜臺(tái)坳的通山臺(tái)褶束等三個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂十分發(fā)育。其中，梁子湖凹陷位于蒲圻—梁子湖一帶，為晚三疊世以來的繼承性凹陷，呈NE-NEE向弧形延伸；咸寧臺(tái)褶束為一條NEE向延伸的擠壓帶，卷入震旦系—中三疊統(tǒng)地層，以大幕山復(fù)背斜為主體；通山臺(tái)褶束由震旦系—三疊系褶皺組成，以通山復(fù)向斜為主體，總體呈NEE向延伸。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)集中于燕山期，主要在通城和幕阜山一帶發(fā)育花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖[15-16]。

2 遙感技術(shù)應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)取自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)Landsat8數(shù)據(jù)，選擇2013—2017年共4期影像數(shù)據(jù)，云量均<0.5%。OLI(陸地成像儀)有9個(gè)波段，空間分辨率15～30 m。TIRS(熱紅外傳感器)有2個(gè)波段，空間分辨率100 m。

咸寧地區(qū)地質(zhì)資料精度較高，斷裂與褶皺數(shù)據(jù)取自1∶5萬和1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，航磁數(shù)據(jù)取自1∶20萬航磁異常等值線圖，重力數(shù)據(jù)取自1∶25萬和1∶50萬布格重力異常等值線圖。

圖1 咸寧地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of Xianning area

2.2 遙感解譯

2.2.1地表溫度反演

基于研究區(qū)Landsat8熱紅外遙感數(shù)據(jù)(選用Band10)，利用ENVI軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、歸一化植被指數(shù)計(jì)算、地表比輻射率計(jì)算、大氣剖面參數(shù)獲取、黑體輻射亮度和地表溫度計(jì)算等，然后結(jié)合咸寧市土地利用數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)地表溫度反演圖。基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)比和地?zé)岙惓５闹脖恍?yīng)影響，最終選擇2017年10月30日的Landsat8數(shù)據(jù)，處理得到咸寧地區(qū)地表溫度反演圖(圖2)。

圖2 研究區(qū)地表溫度反演圖Fig.2 Inversion map of surface temperature in study area

2.2.2水熱蝕變反演

水熱蝕變與地?zé)嶂g常存在密切的相關(guān)性，其中Si蝕變和OH蝕變?yōu)樗疅嵛g變的主要類型。選用2017年10月30日的Landsat8數(shù)據(jù)(2、5、6、7波段)進(jìn)行主成分分析，得到OH蝕變反演圖；再選用5、7波段數(shù)據(jù)進(jìn)行比值法分析，得到Si蝕變反演圖。將Si、OH蝕變結(jié)果進(jìn)行代數(shù)疊加融合，得到最終的咸寧地區(qū)水熱蝕變反演圖(圖3)。

圖3 研究區(qū)水熱蝕變反演圖Fig.3 Inversion map of hydrothermal alteration in study area

2.3 地?zé)嵊欣麉^(qū)段初步預(yù)測(cè)

利用ArcGIS軟件的空間分析工具對(duì)收集到的斷裂、褶皺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到研究區(qū)斷裂歐氏距離分析圖、褶皺多重緩沖區(qū)圖。將1∶20萬航磁異常等值線圖、1∶25萬和1∶50萬布格重力異常等值線圖進(jìn)行融合、投影轉(zhuǎn)換等處理，得到航磁異常數(shù)值圖、重力異常數(shù)值圖。

本文將斷裂、褶皺、航磁異常、重力異常、地表溫度異常、水熱蝕變異常作為遙感地?zé)豳Y源潛力評(píng)價(jià)的因子，因子證據(jù)層由斷裂歐氏距離分析圖、褶皺多重緩沖區(qū)圖、航磁異常數(shù)值圖、重力異常數(shù)值圖、地表溫度反演圖、水熱蝕變反演圖構(gòu)成?；贏rcGIS平臺(tái)和層次分析法[20]，通過建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、計(jì)算權(quán)重、一致性檢查等步驟，得到研究區(qū)初步預(yù)測(cè)的地?zé)嵊欣麉^(qū)段。通過對(duì)比可知，本區(qū)已知地?zé)狳c(diǎn)大多位于初步預(yù)測(cè)地?zé)嵊欣麉^(qū)段內(nèi)，說明預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的可信度。

3 水化學(xué)方法應(yīng)用

主要圍繞初步預(yù)測(cè)地?zé)嵊欣麉^(qū)段，有針對(duì)性地進(jìn)行野外調(diào)查和水化學(xué)樣采集工作，共采集樣品30組，分別從機(jī)井、民井、泉口、地表采集，樣點(diǎn)分布情況見圖1。樣品測(cè)試分析由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成，測(cè)試結(jié)果見表1。同時(shí)收集了該區(qū)11組地?zé)崴畼悠返臏y(cè)試數(shù)據(jù)(采樣點(diǎn)均位于已知地?zé)崽飪?nèi))，但限于篇幅未列出這些數(shù)據(jù)。

由于本次采樣時(shí)間主要為夏季，水溫受氣溫影響較大，因此需綜合水溫、水化學(xué)特征及露頭情況，對(duì)本次水樣類型(地?zé)崴⒌叵吕渌虻乇砝渌?進(jìn)行判別(表1)。本次采集的30組水樣中，水溫≥25℃的地下水有9組，分別為S1、S2、S12、S15、S16、S21、S22、S23和S26，其中S16、S21、S22無特征組分異常且水溫相對(duì)較低，綜合其他條件排除地?zé)崴卸榈叵吕渌?；S1、S2、S15為已知地?zé)崽锏牡責(zé)崴籗12、S23、S26存在特征組分異常，判定為地?zé)崴?/p>

表1 水樣主要組分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of main components of water samples

3.1 水化學(xué)類型

將本次采集的30組水樣和收集的11組水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行投點(diǎn)，繪制了水化學(xué)Piper三線圖(圖4)。研究區(qū)地?zé)崴疁囟葹?5～62℃，pH值為7.28～8.50，水化學(xué)類型大多為SO4-Ca型，少量為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3·Cl-Ca和HCO3-(K+Na)型，溶解性總固體(TDS)含量多介于1 000～2 200 mg/L，少數(shù)<700 mg/L。 地下冷水及地表冷水溫度為16.5～28℃，pH值為7.07～8.03，水化學(xué)類型大多為HCO3-Ca型，少量為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，明顯低于地?zé)崴?/p>

圖4 水化學(xué)Piper三線圖Fig.4 Piper triline diagram of hydrochemistry

3.2 特征組分特征

地?zé)崴窃谏钛h(huán)及高溫環(huán)境下形成的，往往具有獨(dú)特的化學(xué)成分，因此可通過地?zé)崴奶卣鹘M分來發(fā)現(xiàn)和圈定地?zé)岙惓^(qū)。由于各地區(qū)地?zé)岬男纬膳c賦存條件不同，特征組分會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性[11]，因此需要具體分析。對(duì)比研究區(qū)地?zé)崴?、地下冷水及地表冷水的主要組分特征(表2)，可以看出地?zé)崴谐Ａ拷M分Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-和微量組分Li+、Sr2+、F-、偏硅酸的平均含量均為地下冷水及地表冷水的2倍以上，部分甚至超過數(shù)十倍。上述組分在地?zé)崴袧舛容^高，可作為地?zé)崴瘜W(xué)標(biāo)志。

表2 水樣主要組分平均含量對(duì)比Table 2 Comparison of average contents of main components in water samples

在本次采集的水溫≥25℃的地下水樣中，K+、Na+含量超過地?zé)崴骄康臉悠窞镾23、S26，Ca2+、Mg2+、SO42-含量超過地?zé)崴骄康臉悠窞镾1、S2，Sr2+含量超過地?zé)崴骄康臉悠窞镾1、S2、S15，F(xiàn)-含量超過地?zé)崴骄康臉悠窞镾2、S12、S26，偏硅酸含量超過地?zé)崴骄康臉悠窞镾15、S23，Li+含量超過地?zé)崴骄康臉悠窞镾2、S12、S26。由于S1、S2采自咸寧溫泉地?zé)崽铮琒15采自赤壁五洪山地?zé)崽铮虼酥挥蠸12、S23、S26采自于新發(fā)現(xiàn)地?zé)狳c(diǎn)。

3.3 熱儲(chǔ)溫度

熱儲(chǔ)溫度可反映鉆探可及或地?zé)崴?jīng)達(dá)到的溫度[21-25]。常用于估算熱儲(chǔ)溫度的地球化學(xué)溫標(biāo)為K-Mg溫標(biāo)和SiO2溫標(biāo)。將研究區(qū)地?zé)崴M分?jǐn)?shù)據(jù)投入Giggenbach三角圖(圖5)，發(fā)現(xiàn)地?zé)崴畬儆谖闯墒焖?，說明水—巖之間未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，因此K-Mg溫標(biāo)不適用于本區(qū)熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算，而SiO2溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果較接近地?zé)崽锏膶?shí)際情況。

圖5 地?zé)崴瓽iggenbach三角圖Fig.5 Giggenbach triangle diagram of geothermal water

SiO2溫標(biāo)計(jì)算公式為：

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

式中：T為SiO2溫標(biāo)估算的熱儲(chǔ)溫度；C為地?zé)崴腥芙獾腍4SiO4形式的SiO2含量。

從計(jì)算結(jié)果(表3)來看，地?zé)崴膶?shí)際出水溫度為25～62℃，SiO2溫標(biāo)估算的熱儲(chǔ)溫度為61.33～98.65℃，熱儲(chǔ)溫度>40℃，表明本次新發(fā)現(xiàn)地?zé)狳c(diǎn)存在明顯的溫度異常。

表3 地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of geothermal reservoir temperature

4 地?zé)岚袇^(qū)綜合預(yù)測(cè)

綜合初步預(yù)測(cè)地?zé)嵊欣麉^(qū)段、地質(zhì)背景條件、水化學(xué)分析結(jié)果及氡氣異常數(shù)據(jù)(僅部分區(qū)域有氡氣測(cè)量數(shù)據(jù))[26]等信息，圈定了4處地?zé)岚袇^(qū)(圖6)，分別為崇陽(yáng)北部一帶地?zé)岚袇^(qū)(編號(hào)為1)、崇陽(yáng)路口鎮(zhèn)一帶地?zé)岚袇^(qū)(編號(hào)為2)、通山南部一帶地?zé)岚袇^(qū)(編號(hào)為3)、咸寧北部一帶地?zé)岚袇^(qū)(編號(hào)為4)。需要說明的是，已有地勘單位在S26樣品所在的新發(fā)現(xiàn)地?zé)狳c(diǎn)開展了一定的工作，認(rèn)為該地?zé)狳c(diǎn)不具有進(jìn)一步勘查意義，因此本次預(yù)測(cè)的4處地?zé)岚袇^(qū)暫不包含該區(qū)域。

圖6 研究區(qū)地?zé)岚袇^(qū)綜合預(yù)測(cè)圖Fig.6 Comprehensive prediction map of geothermal target areas in study area

(1) 崇陽(yáng)北部一帶地?zé)岚袇^(qū)。靶區(qū)位于區(qū)域大斷裂附近和大型褶皺翼部，發(fā)育已知地?zé)崽锖蜏厝c(diǎn)。地?zé)嵊欣麉^(qū)段異常值整體呈2條NEE向展布的帶狀。沿區(qū)域性斷裂發(fā)育呈線狀分布的氡氣異常。

(2) 崇陽(yáng)路口鎮(zhèn)一帶地?zé)岚袇^(qū)。靶區(qū)位于區(qū)域大斷裂附近和大型褶皺翼部，暫未發(fā)現(xiàn)溫泉點(diǎn)，但是沿區(qū)域性斷裂發(fā)育氡氣異常。地?zé)嵊欣麉^(qū)段異常值范圍較廣，整體呈2條NEE-NE向展布的帶狀。

(3) 通山南部一帶地?zé)岚袇^(qū)。靶區(qū)位于大型褶皺翼部，存在小型斷裂。新發(fā)現(xiàn)地?zé)狳c(diǎn)S12位于靶區(qū)內(nèi)，具有進(jìn)一步勘查價(jià)值。地?zé)嵊欣麉^(qū)段異常值整體呈串珠狀分布。

(4) 咸寧北部一帶地?zé)岚袇^(qū)。靶區(qū)位于大型褶皺翼部和區(qū)域性隱伏大斷裂發(fā)育區(qū)，發(fā)育1處新發(fā)現(xiàn)的地?zé)狳c(diǎn)S23，具有進(jìn)一步勘查價(jià)值。地?zé)嵊欣麉^(qū)段異常值整體呈NE向展布的帶狀。

5 結(jié)論

(1) 以咸寧地區(qū)為研究區(qū)，通過遙感解譯，初步預(yù)測(cè)地?zé)嵊欣麉^(qū)段；然后通過水化學(xué)分析，總結(jié)地?zé)崴瘜W(xué)特征，新發(fā)現(xiàn)3處地?zé)狳c(diǎn)；最后綜合初步預(yù)測(cè)地?zé)嵊欣麉^(qū)段、地質(zhì)背景條件、水化學(xué)分析結(jié)果及氡氣異常數(shù)據(jù)，圈定了4處地?zé)岚袇^(qū)，即崇陽(yáng)北部一帶地?zé)岚袇^(qū)、崇陽(yáng)路口鎮(zhèn)一帶地?zé)岚袇^(qū)、通山南部一帶地?zé)岚袇^(qū)、咸寧北部一帶地?zé)岚袇^(qū)。

(2) 將遙感解譯與水化學(xué)方法相結(jié)合，用于圈定地?zé)嵊欣麉^(qū)段是可行的，相比單純依靠水化學(xué)方法圈定地?zé)岙惓^(qū)，其野外調(diào)查和室內(nèi)測(cè)試工作量大為減少，更為經(jīng)濟(jì)高效。但需要說明的是，該方法在隱伏型地?zé)岚l(fā)育區(qū)和地?zé)岙惓｜c(diǎn)十分集中的區(qū)域可能沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。