安康石泉县温度场、水热蚀变与主要断裂带空间关系

许 力，马润勇，潘爱芳，张 璠

安康石泉县温度场、水热蚀变与主要断裂带空间关系

许 力1，马润勇1，潘爱芳2，张 璠1

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2. 长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054)

断裂构造、水热蚀变信息与地表真实温度场是地热资源的重要指示标志。为研究三者空间分布关系，基于石泉地区的Landsat8 OLI遥感影像数据，采用辐射传输方程的方法反演地表温度场；并选用主成分分析法提取羟基水热蚀变信息。以已知断裂为中心，向断裂带两侧建立等间距的缓冲区，统计缓冲区内的平均地表温度与蚀变强度；以距断裂带中心平均距离为横轴，绘制三者之间的关系曲线，进一步描述真实温度场、水热蚀变分布与主要断裂构造之间的关系。结果表明，北西走向的两河–池河断裂带影响范围内平均温度最高，平均温度比为22.582%，与城关–池河断裂带和近南北走向的两河断裂相似，断裂带位置与地表温度场和蚀变信息之间存在较强的相关性；北西走向的两河–后柳断裂带、两河–曾溪断裂带处于平均温度曲线梯度变化范围内，推测断裂带两侧可能分属不同的温度场；对平均温度、蚀变强度分布具有较强控制作用的断裂带具有较强的活动性；最多断裂带交汇点处的蚀变面积比为4.263 2%，平均温度比为21.178%，反映了断裂带交汇点处的活动性较强。

空间分析；断裂活动性；地热；遥感；石泉县

作为高温热流体运移的通道，断裂构造是地热资源勘查的标志之一，其与地热资源空间分布之间存在着密切的联系[1-4]。深部高温热水(气)沿活动断裂向浅表运移将在地表形成温度异常，在与围岩、矿石等发生相互作用后可能形成蚀变带[5-8]，因此，分析断裂构造与地表温度场、水热蚀变空间关系，对了解区域热环境、热构造特征，判断研究区构造活动剧烈程度及预测地热资源成热远景区具有重要意义。遥感影像具有时间和空间连续性强、信息提取方法多样、数据成本低廉、来源丰富等优点，在地学领域发挥着重要作用[9]。多年来，国内外许多学者开展遥感影像的红外波段反演地表温度场与地质构造活动间关联的研究，主要为2个方面：①地表红外遥感信息和隐伏构造间的关系，例如，根据卫星红外遥感波段信息反演地表的热异常，综合分析不同构造层的热特征，解释隐伏构造[10]；通过对多波段热红外遥感信息的处理，分析区内地裂缝带地表热异常的关系[11]。②探索地表热现象与构造活动间的联系，例如，通过分析研究断裂两侧热红外辐射亮温差异，间接证明断裂两侧的活动性差异[12]；通过系统研究某一区域多年地表热红外影像，对高温异常条带进行分区统计整理发现，地震年份地表平均温度数值显著高于非震年份，由此可佐证构造活动发生位置与地表温度场空间分布之间存在联系[13]。前人曾对遥感影像反演水热蚀变的方法技术及相关应用开展较深入的研究，张玉君等[14]系统研究各蚀变信息提取方法的适用性，建立蚀变信息提取流程方法；李淼淼等[15]采用比值法与主成分分析法相结合的手段，对新疆且末地区的ASTER数据进行蚀变信息提取，有效消除数据冗余和背景噪声。此外，国外一些研究者也关注到地热资源富集区往往存在断裂带与地表热异常区、蚀变矿物异常富集区相伴出现的特征并展开研究，D. Y. Mengistu等[16]使用Langsat8 TIRS遥感数据提取埃塞俄比亚主要裂谷的地表热异常分布，认为该区高地热异常背景分布与区内断裂发育分布基本一致，使用TRI遥感分析技术与区域地质构造、地热发育机制相结合是探测地热远景区的有效方法。K. Drüppel等[17]发现莱茵河上游地堑地热开采中与基底相连的断裂和裂隙构造内的蚀变矿物含量，溶蚀量的多少主要取决于背景温度值。目前，研究者已认识到断裂构造与地表热现象及蚀变信息分布之间存在相关性，但多数研究仍停留在定性阶段，尚缺少对三者之间关系的定量分析。

据报道[18]，石泉县近邻的汉阴县蒲溪镇已发现具备开采价值的地热田，且在井深1 600 m发现50℃热水；处于相似构造带内的汉中市勉县已大规模开发建设其境内的九昱温泉[19]，上述证据表明石泉县具备地热资源的赋存条件。笔者以石泉县域为研究对象，Landsat8 OLI卫星遥感影像为数据源，使用大气校正、辐射传输方程的方法反演地表温度场，选取主成分分析法提取地表羟基蚀变信息。在此基础上，定量分析石泉县主要断裂带与水热蚀变强度、地表温度场之间的空间关系，以此特征来指示断裂带的活动性强弱及地热开发潜力。

1 研究区构造背景概况

陕西省安康市石泉县位于扬子板块北缘的巴山–大别巨型逆冲推覆带西段边缘，属于扬子板块北缘与南秦岭褶皱系交汇地带(图1)。新生代以来，受板块间碰撞后期相互挤压作用的影响，新构造活动十分活跃[20]。区内构造单元主要有秦岭造山带前陆逆冲断褶带、巴山–大别南缘巨型推覆前锋逆冲带、南秦岭南部晚古生代隆升带、勉略缝合带[21]。

石泉县新生代以来的构造运动属于安康盆地新构造运动体系，位于安康盆地的北西侧。由于古近纪扬子板块向东俯冲运动的幅度逐渐加强，南秦岭造山带的整体抬升[22]，导致安康盆地南缘的安康月河断裂发生左旋走滑运动，断裂安康–恒口段出现拉分断陷区，相邻的石泉–汉阴段则发生推挤；伴随着拉分量的增大，原始盆地成形；新近纪末期，盆地北缘断裂发生强烈的逆冲作用，盆地整体抬升，拉分作用终止[23]。新生代以来，该盆地整体表现为不等速间歇性升降；与此同时，邻区旬阳北部发现大量热水沉积，表明区周围火山活动频繁[24]。受此影响，区内构造活动比较复杂，北西向、近南北向、北东向走向的断裂相互叠加交织、改造利用，构成石泉县新生代以来的构造格局(图2)。

研究区主要发育有北西走向的两河–池河断裂(F3)、城关–池河断裂(F6)、两河–后柳断裂(F4)、两河–曾溪断裂(F5)、曾溪–喜河断裂(F7)；近东西走向的两河–饶峰断裂(F2)与两河断裂(F1)；北东走向的喜河–熨斗断裂(F8)。其中，F3为安康盆地主控断裂月河大断裂的石泉地区段。

图1 研究区区域构造单元划分

1—第四系；2—平行不整合界面；3—含球状分异的辉长岩；4—伟晶岩脉；5—实测断层；6—主要断层编号；7—花岗斑岩；8—二叠系下统；9—石炭系下统；10—石炭系中统；11—石炭系上统；12—寒武系下统；13—奥陶-寒武系； 14—下元古界西乡群；15—含黑云母花岗岩、片麻状斑状花岗岩；16—泥盆系公馆组下部；17—泥盆系韩城沟组上部；18—志留系下统；19—奥陶系；20—寒武系中-上统；21—泥盆系韩城沟组下部；22—泥盆系蟠龙山组；23—二叠系中统；24—三叠系中-下统；25—新近系；26—志留系郧西群；27—志留系耀岭河群

2 数据处理

2.1 数据预处理

2.2 研究区地表温度提取

地表真实温度(LST)是指地表吸收太阳辐射后温度升高，经测量后所显示的温度值。根据适用条件的不同，常见的地表温度反演方法分为单通道算法[26-27]、劈窗算法[28]、多通道算法[29]。石泉县处于秦巴山脉之间，植被覆盖率高，水系发达，本次选用单通道算法的辐射传输方程法作为研究区地表真实温度的反演方法[30]，辐射亮度、地表比辐射率与植被覆盖率是辐射传输方程法反演地表温度场所需的3个主要参数。采用混合像元分解法对预处理后的研究区遥感影像进行处理，获取研究区地表植被覆盖率v，计算公式[31]如下：

式中：为归一化差异植被指数；s和v分别为裸土和纯植被区的，分别赋值为0.05与0.70[31]。在计算过程中，若某区域值大于纯植被区，则定义v值为1；若某区域值小于裸土区，则认为v值为0[32]。

地表比辐射率反映地表像元地物组分的构成比例及成分。根据前人的研究成果[33]，将研究区地物比辐射率分为水体、城镇与自然表面3组，水体的比辐射率定义为0.995，城镇与自然表面比辐射率可由Van经验算法估算得到[32]，即：

式中：b和s分别为城镇和自然表面的比辐射率。

在NASA(https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)为Landsat 8所提供大气参数查询网站中输入遥感影像的中心经纬度、遥感信息获取时间等参数，即可获得本次地表真实温度场反演所需的大气透过率、大气下行辐射、大气上行辐射等大气参数[33]，经过辐射传输方程计算可以获取研究区的辐射亮度，将之代入普朗克公式的反函数中[31]，可获取研究区地表真实温度场分布情况(图3)。

2.3 研究区羟基OH-蚀变信息提取

比值法[15]、光谱角法和主成分分析法[34]常被用于多光谱数据提取矿化蚀变信息。为保证蚀变信息提取精度，本次选用主成分分析法来提取羟基蚀变信息。主成分分析法通过线性变换去除波段间的相关性，使变换后的各主成分分量分别代表不同的地质意义，且相互独立、互不重复，实现蚀变信息主要集中在某一向量内[35]。根据含羟基矿物的波谱特征(图4)，0.5、1.6 μm处的吸收谷对应Landsat 8数据的Band 2(0.45~0.515 μm)和Band 6(1.56~1.66 μm)；0.8、2.2 μm处的反射峰对应于Landsat 8数据的Band 5(0.845~0.885 μm)和Band 7(2.1~2.3 μm)。

对Band2、Band5和Band6、Band7进行主成分分析，其特征向量值(表1)表明第4主成分向量(PC4)满足羟基蚀变信息在Band2和Band6上吸收符号为负、Band5和Band7上反射符号为正的特征。

将符合上述要求的PC4进行滤波，以消除噪声；对滤波后的图像数据进行统计分析，其数据近似符合正态分布。对提取的蚀变信息均值加2、2.5、3倍标准差作为阈值，对蚀变信息进行分级[34]，获得研究区蚀变分布图(图5)。

图3 石泉县地表温度分布

1—高岭土；2—明矾石；3—蒙脱石；4—白云母；5—绿泥石

表1 波段(2、5、6、7) 特征向量值

图5 石泉县羟基蚀变分布

2.4 结果验证

研究区纵横交错的输电、铁路等线路工程所产生的热异常可能会对地表真实温度反演的结果造成影响。为验证其结果的可靠性，在研究区进行了650 km2的地温测量，在排除人类活动所产生的异常干扰后，得到研究区浅层土壤温度测量成果图(图6)。

通过以上步骤产生的空调系统，同样需要进行三种验证。第一，主要设备额定流量的匹配；第二，末端温度满足预设值；第三，动力设备压头达到要求。满足以上要求，可视为空调系统合理。

图6 石泉县浅层土壤测量温度

对比图3与图6异常高温区与断裂带的出现位置，可以看出断裂带F3周围存在比较明显的北西向椭圆形高温异常带，且与F3断裂空间越靠近，其温度值越大。两幅图的对比结果说明了反演方法选择合理，证明反演结果的可信性。

3 蚀变信息、地表温度场与断裂带空间关系

在反演后的地表温度和羟基蚀变分布图上，以断裂构造为中线，将断裂两侧6 km的范围等距离划分为60个缓冲单元。使用分段均值法统计缓冲区内地表平均温度[36]；引入加权蚀变强度()，对研究区蚀变异常场的异常强度进行分析处理，将其定义为：

式中：α表示单位像元的蚀变量；S表示单位像元面积；表示单个缓冲区总面积。

以距断裂中心的平均距离为自变量，绘制平均距离与地表平均温度、蚀变强度间的相关曲线(图7)，图中横轴0的位置表示断裂带的中心，曲线延伸方向与断裂带走向方向正交；正负则表示与断裂带的相对位置。

由图7可见，随着与断裂带中心距离的增大，地表平均温度、蚀变强度呈减弱趋势，这一规律在断裂带F1、F3、F6、F8处表现得尤为明显。从地质构造上来讲，断裂F3和F6呈北西走向，其中F3为区域主控断裂月河大断裂在石泉县境内的分段，F6断裂为F3断裂的次级断裂，这两条断裂由早古生代隆起轴部产生的断裂所形成，新生代活动明显，至第四纪仍有活动；断裂F1与F8形成期次较晚，构造活动比较活跃。进一步分析可以发现，断裂带F2与F4的断裂中心处于温度变化梯度范围内，推断其断裂两侧可能分属2个更大尺度的温度带；断裂带F5蚀变强度峰值和平均温度峰值与断裂带中心并不重合，且2个峰值出现位置也不重合，推断这3条断裂构造活动性均较弱，是造成上述现象的主要原因。F7断裂走向北西西，对断裂两侧平均温度控制作用较强；距断裂中心距离越大，温度值越小，而蚀变强度则并未表现出这种趋势。

一般而言，断裂带交汇处会表现出更加活跃的地质构造运动，为进一步探究断裂带、地表平均温度与蚀变强度之间的关系，以断裂交汇处为中心，划定15个间隔为200 m的等距环形缓冲区，分别统计各缓冲区蚀变强度、地表平均温度值。将环形缓冲区分别与蚀变信息、地表真实温度图进行叠加，统计缓冲单元内的蚀变强度、平均温度；绘制蚀变强度、地表平均温度与距断裂交汇中心平均距离的相关曲线(图8)。

图7 不同断裂平均地表温度、蚀变强度与平均距离关系曲线

图8 断裂交汇中心半径3 km范围内蚀变强度、平均温度值随平均距离变化曲线

由统计结果可知，F1—F5(图8a)与F3和F6(图8b)断裂交汇点表现出随与断裂交汇中心距离增大，蚀变强度、平均温度值减小的趋势，但F3和F6交汇点处数据开始减小的位置稍微与交汇中心有所偏移。F5和F7交汇点(图8c)、F4和F7交汇点(图8d)与F8和F7交汇点(图8e)处并没有明显表现出这种趋势。通过综合对比图7与图8可以看出，F3断裂对羟基蚀变、地表真实温度场具有较强的控制及影响作用；而F4F5与F7对异常场的控制作用较弱，因此，分析认为图8a与图8b中数值变化规律性主要受断裂带F3的控制。从空间上看，研究区蚀变信息与地表真实温度场的高值异常分布呈北西走向，近似与断裂带F3和F6重合，而断裂带F4、F5与F7影响范围内未表现出明显的羟基蚀变信息，地表真实温度场也未出现显著异常。由此说明研究区构造活动最为活跃的断裂应该是两河–池河(F3)断裂及城关–池河(F6)断裂。

进一步对断裂带两侧及交汇点处缓冲区内温度场、蚀变信息分布情况进行分析，统计缓冲区内平均温度值与研究区背景温度值之间的比值，命名为平均温度比r：

式中：T为缓冲区内的平均温度；a为研究区的温度背景值。

统计缓冲区内蚀变区面积与缓冲区总面积之间的比值，命名为蚀变面积比：

得到统计结果见表2、表3。

表2 断裂带两侧缓冲区内异常分布统计

表3 断裂带交汇点处异常分布统计

由统计结果可知，断裂带两侧缓冲区内平均温度比最高为22.582%，最高蚀变面积比为1.423 7%；且出现最高值空间位置并不重合；断裂交汇点处最高平均温度比为21.178%，最高蚀变面积比为4.263 2%；且二者均位于最多断裂交汇点影响范围内；由此可知，断裂交汇点处的蚀变强度与温度值大于断裂带附近，其构造运动也更加活跃。

4 结论

a.羟基蚀变强度、地表平均温度值的大小与距断裂带中心平均距离相关性的稳定程度取决于断裂带的活动性强弱；这一规律在两河断裂(F1)、两河–池河(F3)断裂及城关–池河(F6)断裂处表现得尤为明显。

b.两河–后柳断裂(F4)与两河–曾溪断裂(F5)的断裂中心处于平均温度曲线的梯度变化范围内，推断其断裂两侧可能分属于不同的温度场。

c.断裂交汇点处的平均温度比与蚀变面积比数值较大，反映了该区域活动性较强。

d.通过蚀变面积比与平均温度比的统计，可知两河–池河断裂(F3)、城关–池河断裂(F6)对地表真实温度与水热蚀变控制作用较强，宜将两条断裂影响范围划做地热资源赋存远景区进行重点勘查。

e. 地表温度场、水热蚀变与断裂构造是研究地热问题的3个重要方面，协同使用3个因子解释同一问题可以有效避免主观因素的影响。

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Spatial relationship between temperature field, hydrothermal alteration and main faults in Shiquan County, Ankang

XU Li1，MA Runyong1，PAN Aifang2，ZHANG Fan1

(1. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China; 2. School of Earth Science and Land Resource, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

The fault structure, hydrothermal alteration information and the true surface temperature field are important indicators of geothermal resources. In order to study the spatial distribution of the three, based on the Landsat8 OLI data in Shiquan area, the radiative transfer equation method was used to invert the land surface temperature(LST); and the principal component analysis method was used to extract the hydroxyl hydrothermal alteration information. With the known fault as the center, equally spaced buffer zones on both sides of the fault zone were set up to calculate the average surface temperature and hydrothermal alteration distribution in the buffer zone; the average distance from the center of the fault zone was used as the horizontal axis to plot the relationship among the three. The curve further described the relationship among the true temperature field, the hydrothermal alteration distribution and the main fault structures. The results showed that the NW-trending Lianghe-Chihe fault zone had the highest average temperature in the affected area, with an average temperature ratio of 22.582%, which was similar to the Chengguan-Chihe fault zone and the nearly north-south Lianghe fault. The location of the fault zone was consistent with the surface temperature field. There was a strong correlation between the alteration information; the NW-trending Lianghe-Houliu fault zone and Lianghe-Zengxi fault zone were within the gradient of the average temperature curve. It is speculated that the two sides of the fault zone may have different temperatures field; the fault zone that has a strong control effect on the average temperature and alteration intensity distribution has strong activity; the alteration area ratio at the intersection of the fault zone is 4.263 2%, and the average temperature ratio is 21.178%, reflecting the activity at the intersection of the fault zone is strong.

spatial analysis;fault activity; geothermal; remote sensing; Shiquan County

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P624.6

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.028

1001-1986(2020)06-0207-10

2020-08-14；

2020-11-09

国家自然科学基金项目(41572264)

National Natural Science Foundation of China(41572264)

许力，1995年生，男，陕西洛南人，硕士研究生，从事岩土工程研究工作. E-mail：478291998@qq.com

马润勇，1961年生，陕西子洲人，博士，教授，从事岩土工程、地质工程研究工作. E-mail：13572091368@163.com

许力，马润勇，潘爱芳，等. 安康石泉县温度场、水热蚀变与主要断裂带空间关系[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：207–216.

XU Li，MA Runyong，PAN Aifang，et al. Spatial relationship between temperature field，hydrothermal alteration and main faults in Shiquan County，Ankang[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：207–216.

(责任编辑 周建军)