热红外遥感（TIRS）是获取地表热状况信息的一种重要手段，该地表热状况信息从一定程度上反映了地球深部热源的分布。利用热红外遥感技术勘查地热资源，始于20世纪70年代，其理论基础是：所有的物质，只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量，热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集、记录地物的这种热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如温度、湿度和热惯量等。由于该地表热状况信息从一定程度上反映了地球深部热源的分布，进而被应用到地下热水资源的勘查中。
1961年，美国“陆军寒冷区域调查和工程实验室”和密西根大学，使用热红外扫描成像技术成功探测到了美国国家黄石公园中温泉出露点和近地表的地热异常。1970年，Palmason等人应用热红外图像和航空像片，对冰岛首都雷克雅未克及克维尔克弗焦耳等地区的地热进行了成功探测。1973—1974年，日本选择了5个有明显地热表现的区域进行了航空热红外遥感调查，发现了一些新的地热点。我国曾于1979年至1981年，先后在天津、福建和辽南地区开展过热红外遥感地热调查工作，其中辽南地区地热调查试验取得了明显的应用效果。近些年，周彦儒等学者利用热红外影像反演地表温度进行地热调查的实例研究显示，其在平原、山地、沿海低丘等多种典型地貌区域均得到验证，有力证明了该技术具有较为广泛的适用性。在核心的地表温度反演领域，以覃志豪、徐涵秋、毛克彪等为代表的研究者持续深化算法研究，重点改进了单通道法、分裂窗法及多通道法，并深入探究地表比辐射率的关键影响，同时将传统温度反演算法与人工智能技术相融合，显著提升了反演精度，为遥感地热调查的应用奠定了坚实的技术基础。
福建省热红外遥感研究工作开展较晚，以院校的理论研究为主，区域多集中在东部沿海低植被覆盖区、城区，热红外遥感在地热调查领域涉及甚少。本文以福建闽西山区为研究区域，基于多个时相美国Landsat-7/8热红外影像，运用大气辐射传输方程算法，定量反演区域时序地表温度，通过地质、气象、物探、化探等多种手段和野外实地调查，总结地热异常与地质背景关系，圈定一系列地热异常预测区，并重点调查了其中两处，一处具有找矿潜力，一处具有明显的地热特征，取得了较好效果，为以后在闽西山区开展相应工作提供了参考经验。
研究区域位于北纬25°57′～26°32′、东经116°31′～117°03′，地处福建省西部，武夷山东麓，北武夷山断块隆升亚区、南武夷断块掀斜差异上升亚区、闽西北整体上升亚区和闽西南差异上升亚区的交接部，整体地势由西向东递降，由于新构造运动的抬升和溪水强烈侵蚀切割，形成境内低山丘陵盆地广布并以低山为主的丘陵山地地貌。
区内加里东中晚期岩浆活动强烈，大面积出露宁化复式岩体，呈岩基、岩株状及带状展布，并出露新近纪佛昙组玄武岩，岩石生热率较高，岩性及热流条件对形成地热非常有利。断裂构造非常发育，主要表现为北东向加里东期－燕山期多期次的断裂和韧性剪切带与北东东向推滑覆断裂及其与之伴生的次级逆断层，具有多期次构造活动形迹，地震、地热活动受北北东及北西向断裂控制。地下水类型以基岩裂隙水为主，地表排泄条件良好。根据福建省大地热流等值线图（中国科学院地球物理研究所、福建省地质矿产局，1992年），研究区域处于西部热流平稳区和西北低热流值区过渡部位，相对热流值较高，达到80mW/m2。
区内已知地热点7处，多成群发育在张扭性断层中，有低温、中温、中高温、高温四种类型（表1），呈明显的北东向带状分布规律，同时，沿北东向从西南塘州温泉群起至高赖温泉群，泉温呈逐渐升高态势。出露区均位于山间沟谷凹地、河谷阶地、漫滩等当地地势最低处，一般相对高度大于100m。此外，福建省推覆构造发育、波及面广，西至武夷山、东至戴云山的广大地区都有表现，并以冲断推覆为主，在清流县燕山期逆冲推覆构造带内，发现有余朋温泉带，类似的还有清流县嵩溪镇塘州温泉、苦竹坑温泉、月汤温泉、高赖（赖坊）温泉和龙津镇暖水塘温泉均发育在北东向推覆构造带上，故在地热勘查中，推覆构造带将是重点区域。
1.数据选择和信息提取
项目组基于长时序热红外遥感分析方法，收集和采购了5景不同时相Landsat-7数据，10景Landsat-8数据，利用Landsat-7搭载的增强型专题制图仪（ETM+）传感器和Landsat-8搭载的TIRS传感器的热红外波段逐景进行地表温度反演，通过对比分析，最终选定Landsat-7数据时相为2000年1月20日、Landsat-8数据时相为2014年1月18日、2015年2月6日、2018年1月13日。通过对四个时相影像数据地热异常叠加分析，去除裸地、火烧迹地、新增建筑物、局域性气温等引起的时效性假异常，利用辐射传输方程算法反演地表温度。
2.背景值确定
由于研究区域山高林密，受区域小气候影响较大，难以简单地通过查询当日气温确定温度背景值，故采取综合法进行确定。即利用区域内7个已知地热点，在保证多数（5个以上）在异常取值范围内的基础上，结合地表覆盖、地质条件等因素确定背景值。通过前述方法反演，2000年、2014年、2015年、2018年的遥感温度异常背景值分别为9.5℃、14.9℃、12.8℃、12.6℃。
3.地表温度异常分布
通过对四期影像的叠加分析，地表温度异常面积为45.81km2，主要分布在宁化县水茜乡、中沙乡、城南乡、湖村镇和清流县嵩溪镇、嵩口镇、田源乡等地，如图1所示。
图1 研究区域地热异常分布
1.地温异常与沉积岩
区内沉积岩地层面积为807.58km2，约占总面积的24.72%，地表温度较高，比区内其他地层的地表温度高出1℃～3℃，较集中在崇安组（K2c）、沙县组（K2s）、漳平组（J2z）紫红色砂岩、砂砾岩以及栖霞组（P2q）碳酸盐岩地层。该两类岩组的地热异常成因各不相同，前者大概有三种影响因素：①颜色：红色物质比其他颜色物质吸收光线较多，热辐射强；②成分：砂岩、砂砾岩中，石英含量高，比热容小，增温快；③植被：在研究区域所有地层中，砂岩和砂砾岩地层植被发育最差，故地表温度较高。
栖霞组（P2q）碳酸盐岩地层的地表温度异常，推测和广泛发育的地下河与岩石孔洞有关，土层、岩石、地下河水经过春夏秋三个季度的持续增温，等到冬季，热量向上释放时，被孔洞中充填的空气阻碍，形成双层保温杯的效果，减缓了热量传导速度，因此该地层温度比同时期其他地层温度高。
2.地温异常与变质岩
区内变质岩地层面积为955.24km2，约占总面积的29.23%。成条带状北东向展布，主要分布在湖村镇-曹坊乡-里田乡-温郊乡多边形内，以及济村乡和治平畲族乡内，整体上没有较为明显的温度异常。
3.地温异常与侵入岩
区内侵入岩广布，不同期或同期不同阶段、不同次的沿构造带多次侵入，构成复式岩体，面积为1403.72km2，约占总面积的42.96%，主要岩性为晚侏罗世二长花岗岩（ηγJ3）、志留纪二长花岗岩（ηγS）、志留纪正长花岗岩（ξγS）。总的来说，侵入岩区的地温异常与岩体侵入时期有一定关系。晚侏罗世二长花岗岩整个区域地温异常都比较明显，志留纪侵入岩区只表现为地表温度略高，高温异常区少，可以理解为地温场的异常，不具备明显的地热找矿指导意义。
4.地热异常与火山岩
区内火山岩分布较少，面积为100.98km2，约占研究区域总面积的3.09%，主要为前泥盆系楼前组凝灰岩地层和新近纪佛昙组玄武岩。楼前组凝灰岩地层由于时期太早，几乎没有地热异常反应；佛昙组玄武岩地层分布在湖村镇下埠村与盖洋镇，明溪-宁化断裂带北侧，植被较不发育，在OLI数据752波段组合影像图上呈橙红色-紫红色色调，地温异常呈斑状分布，异常值较高，与湖村镇栖霞组碳酸盐岩区相当。
1.地热预测区解译标志
在遥感地表温度异常图的基础上，结合地热地质条件，本文提出遥感地热预测区的解译标志如下：①北西向、北北东-北东向断裂的交汇部位；②已知地热温泉点控热构造的延伸部位；③根据遥感地表温度反演结果，选择梯度递增明显的区域；④水体覆盖下的低值遥感地热异常。
2.预测区分析
根据地热预测区解译标志，在室内圈定预测区20处，通过野外工作判断有2处存在较大的地热找矿潜力，分别为NHYGDR-008与NHYGDR-011。
（1）NHYGDR-008
该区位于宁化县中沙乡中沙村，志留纪二长花岗岩地层，光泽-武平北北东向断裂带、永安-晋江北西向断裂带、北东向中沙断裂三组断裂的交接地带，地表局部硅化、构造破碎带、角砾岩化、绿泥石化，夹团块状萤石，石英结晶呈细长针状晶簇，细小孔隙填充褐铁矿。
遥感地热异常整体沿北东向山脊南侧展布，在Landsat-7/8的2000、2014、2015、2018年等多时相遥感影像图上，地热异常均十分强烈，呈中心辐射状，温度递增明显，高于相同地貌及植被覆盖类型的相邻其他区域2℃左右（图2）。野外现场见萤石矿矿井两眼，均在抽水，其中，其中一处钻井深度350m（海拔30m），水量较大，地表水温为28℃，抽水水温21℃，可能受限于矿井深度，未发现明显水温异常。水质类型为NaSO4·HCO3，与地热相关的水化学因素矿化度、偏硅酸、氟、锂、锶均高，分别为1607mg/L、26.61mg/L、3.61mg/L、0.91mg/L、1.63mg/L，锂含量接近锂泉命名标准1mg/L。区域土壤氡背景值小于1000Bq/m3，萤石矿坑口附近土壤氡值发现异常，达到19424Bq/m3，往北东方向土壤氡值逐渐减小。该区具有很好的地热成矿条件，可供进一步开展工作。
图2 NHYGDR-008预测区2000、2014、2015、2018年各时期遥感地热异常
（2）NHYGDR-011
该区位于清流县龙津镇暖水村北约800m的小月水村一个野外坑塘，系利用水体覆盖下的低值遥感地热异常的方法所发现，与暖水塘温泉同处于北东向推覆构造带上，所处地质环境相似。暖水塘温泉在暖水村内，有钻孔自冒温泉水用于渔业养殖，孔口温度30.5℃（调查时气温为27℃），处于新元古代（Pt3X）溪东片麻岩/石炭系林地组（C1l）石英砂-砾岩地层交接部位。
经调查，坑塘周围为风化基岩，灰色云母片岩，浅灰色黑云斜长变粒岩，薄层状片理见褶皱，总体产状为130°∠65°。其在Landsat-7/8各时相遥感地热异常图（图3）上均有展现，且温度较为稳定，冬季在12℃～15℃之间。坑塘蓄水时面积约500～1000m2，水质较为清澈，深度在1～3m之间，局部可见较深厚的淤泥，多处有气泡连续冒出。SK1调查点位于山间谷地，系地下水上升汇水成小水塘，长满水葫芦，周围未见有溪沟流入，测得水温29℃（调查时气温为24℃），并在此处采集了水样。坑塘北面地势较高处为农田，农田边上溪沟点XG2水温为24℃，与气温一致；坑塘水沿沟由北东往南西方向自流至SK2调查点，此处测得水温28.5℃；水由SK2沿沟往南流至SK3处汇水成水塘，测得水温27℃；水从SK3沿沟往南流至地表溪沟处测得水温为26℃，而在沟口上游XG4调查点处测得溪沟水温为25℃。
图3 NHYGDR-011预测区2000、2014、2015、2018年各时期遥感地热异常图
由测温结果可以发现，在SK1调查点处出现了地温异常（即高温），地下水沿地表流动受气温及地表温度影响，水温逐渐降低，最后汇入溪沟，溪沟水温受此影响而升高（图4）。水样测试结果显示，该坑塘水质类型为CaHCO3，与地热相关的水化学因素矿化度、偏硅酸、氟、锂、锶的含量比较低，分别为186mg/L、20.85mg/L、0.15mg/L、0.0057mg/L、0.093mg/L，与作为比对的暖水塘温泉各项指标均非常接近，后者矿化度、偏硅酸、氟、锂、锶的含量分别为170mg/L、20.68mg/L、0.16mg/L、0.0082mg/L、0.096mg/L。
图4 水文调查点分布图
本项目是首次在福建省利用多时相遥感数据开展时间序列遥感地热调查，通过该方法有效减少了植被、裸地、火烧迹地、建筑物、局域性气温等信息干扰，缩小了地表温度异常区的面积，提高了遥感地热调查的精度，减少了野外调查的工作量。
闽西地区山高林密，沟壑纵横，植被覆盖率高，导致用于提取地表温度的非植被和浅植被区多集中于沿断裂构造发育的沟谷和风化盆地中，该区域也是人类工程活动频繁区域，容易破坏来自地底下的地热异常，并造成二者之间的重叠和混淆，增加村庄内部或周围地热异常区的有效性和判断难度。
中高山地区海拔落差大，会导致局部小气候的差异，给遥感地热勘查工作带来很大的干扰和挑战，增加了遥感地热预测区圈定的难度。建议以后在山区开展类似工作，宜以乡镇为单位，尽量缩小气候差异性，提高遥感地热预测准确度。
