مطالعات سنجش از دور حرارتی و مقایسه آن با مطالعات مغناطیس‌سنجی هوابرد در محدوده شمال سبلان تا سراب به منظور پتانسیل‌یابی مناطق امید بخش انرژی ژئوترمال

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود

10.29252/anm.2019.9127.1316

چکیده

استان اردبیل به دلیل قرارگیری در زون‌های ساختاری مختلف و تکتونیک فعال آن، می‌تواند دارای مناطق با پتانسیل بالای ژئوترمال باشد. در این پژوهش، با استفاده از داده‌های تصاویر سنجنده‌هایETM+، ASTER و مقایسه آن با نتایج پردازش داده‌های ژئوفیزیکی مغناطیس‌سنجی هوابرد به بررسی پتانسیل‌یابی منابع ژئوترمال در منطقه شمال سبلان تا سراب استان اردبیل و آذربایجان شرقی پرداخته شده است. با استفاده از بررسی‌های سنجش‌ازدور، بی‌هنجاری‌های حرارتی منطقه شناسایی شدند. دمای سطح زمین با استفاده از بررسی‌های سنجش از دور و روش‌های الگوریتم پنجره مجزا تعمیم یافته، نرمال‌سازی گسیلندگی و روش تخمین دمای سطح زمین سنجندهETM+  و سنجندهASTER  جهت شناسایی بی‌هنجاری‌های حرارتی منطقه و تخمین اینرسی حرارتی ظاهری که در ارتباط با منابع ژئوترمال سطحی بوده، محاسبه شده است. با استفاده از نقشه برگردان به قطب بی‌هنجاری‌های مغناطیسی مطلوب و نقاط امیدبخش از نظر ظرفیت اکتشافات ژئوترمال مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از بررسی داده‌های مغناطیس‌سنجی هوابرد مناطق شمال و شمال شرقی سبلان، جنوب شرقی سبلان و شمال سراب را به عنوان مناطق امیدبخش و نتایج حاصل از پردازش داده‌های دورسنجی حرارتی مناطق شمال شرقی سبلان و دره موئیل در شمال غربی سبلان و شمال سراب را به عنوان مناطق امیدبخش معرفی می‌کند. در مجموع کلیه مناطق امید بخش از هر دو روش با موقعیت چشمه‌های آب‌گرم و دگرسانی‌های موجود در منطقه که گواه روشنی از وجود ذخایر ژئوترمال هستند، مقایسه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Thermal remote sensing studies and comparison with Aeromagnetic studies in the northern Sabalan to Sarab area in order to potential geothermal energy promising areas

نویسندگان [English]

  • Saeed Mojarad
  • Ali Nejati kalate
  • Hamid Aghajani
Dept. of Mining, Petroleum & Geophysics, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

Summary
In this study, satellite images, and aeromagnetic data were analyzed to investigate the geothermal potential in the Ardebil-Sabalan area in Ardebil province. Thermal activity monitoring in and around active volcanic areas using remote sensing is an essential part of volcanology nowadays.In this study, a geothermal survey is conducted in sabalan area of Ardebil province in NW IRAN using TIR data from Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) and ASTER (AST L1B) sensor. Magmatism contributes abundant thermal source to study area and the faults provide thermal channels for heat transfer from interior earth to land surface and facilitate the present of geothermal anomalies. The magnetic investigations showed that a deep magnetic anomaly exists in the southern part of the area. These magnetic anomalies were correlated with thermal anomalies.
 
Introduction
Development of advanced tools in remote sensing and geophysical exploration geothermal during recent decades indicates the necessity and importance of these tools in industry. They defined thermal anomalies as areas with temperatures higher than the spatial background. Thermal infrared (TIR) remote sensing is one of the essential methods to prospect the geothermal resources. Remote sensing is an important technique for activity monitoring in and around active volcanic areas in this study, a geothermal survey is conducted in the Sabalan area of Ardebil province in NW IRAN using TIR data from Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) and ASTER sensor and Geophysical Aeromagnetic data analyzing. Thermal infrared remote (TIR) sensing is an efficient technique to obtain the land surface temperature (LST). With ever increasing attempts on looking for alternative energy sources, TIR remote sensing has become a popular technique in the exploration of geothermal resources. The first application of TIR remote sensing in geothermal exploration can be dated back to the middle of 20th century. The aim of this study is to analyze remote sensing and Aeromagnetic data for evaluating the geothermal potential zones in an area located in the eastern of Ardebil Province.
 
Methodology and Approaches
The data studied in this research includes ASTER – ASTL1 B (day and night) reflectance and LST products, for the year 2009, Landsat ETM+ day-time image on 2015, aeromagnetic data collected by Houston Texas Co., America, in 1974-1977. A comparison of the day-time and night-time images can reveal the surface thermal differences for detecting geothermal anomalies. In order to identify geothermal zones, image processing land surface temperature (LST) methods using ENVI software were applied on the using TIR data from Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) and ASTER sensor and Geophysical Aeromagnetic data analyzing from the study area.
 
Results and Conclusions
The results of this work also suggest that TIR remote sensing is an important technique for geothermal exploration with its high efficiency, simplicity and accuracy in temperature retrieval. Three thermal anomalies were detected on the maps and charts obtained for the average temperature difference and apparent thermal inertia. One anomaly is located in the Sabalan area and the other one is situated in the Northern part of the Ardebil side. the results of magnetic interpretations confirmed thermal anomalies showing a deep magnetic anomaly in the southern region and another magnetic anomaly in the hot spring.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Geothermal
  • Landsat ETM+
  • ASTER
  • LST
  • Aeromagnetic data
  • Thermal

بدون تردید، ایران یکی از کشورهای خاورمیانه دارای منابع سرشار از انرژی فسیلی مثل نفت و گاز است که عمدتاً در جنوب تا جنوب غرب کشور واقع شده‌اند. انرژی نقش اساسی در توسعه و امنیت ملی کشور دارد. لذا استفاده از منابع متنوع انرژی جزء اصلی‌ترین راهبردهاى کشورها است تا از وابستگى به یک یا دو نوع انرژى به‌ شدت احتراز کرده و آسیب‌پذیرى خود را تا حد ممکن کمینه سازند[1]. از طرفی، عواملی همچون کاهش عمر منابع فسیلی با افزایش جمعیت و رشد اقتصادی، افزایش آلودگی هوا و محیط‌زیست، لزوم استفاده از منابع انرژی‌های تجدیدپذیر را با توجه به توجیه اقتصادی آنها ضروری می‌سازد[2]. در این میان، انرژی ژئوترمال یکی از منابع عمده‌ی انرژی‌های نو و سازگار با محیط‌زیست است که در صورت بهره‌برداری صحیح و مبتنی بر پارامترهای محیط‌زیستی، نقش مهمی را در موازنه‌ انرژی کشور و اهداف توسعه پایدار ایفا می‌کند؛ اما آنچه می‌تواند راهگشای برنامه‌ریزان و متولیان امر انرژی باشد، شناسایی و اکتشاف آن با استفاده از روش‌های نوین و کم‌‌هزینه در مقابل پیمایش‌های زمینی در مناطق دورافتاده است.

امـروزه در دنیـا بـرای تعیـین مکان‌های دارای پتانسیل انـرژی ژئوترمال از روش‌هـای ژئـوفیزیکی استفاده می‌شود. بخش قابل توجهی از اهداف مورد انتظار مطالعـات اکتشـافی منـابع انـرژی ژئوترمال به کمک روش‌های ژئوفیزیکی تأمین می‌گردد. در مطالعـات اکتشافی ژئوفیزیکی، غالباً برداشت داده‌ها در سطح زمین صـورت گرفتـه و در نتیجه، به طور غیرمستقیم، پارامترهـای فیزیکـی سیسـتم‌هـای ژئوترمال مشخص می‌شود[3].

بررسی‌های مغناطیس‌سنجی انجام‌شده در میدان ژئوترمال اوهاکی نیوزیلند در 1960 نشان داد در داخل و اطراف میدان، سیالات هیدروترمال باعث کاهش مغناطیس سنگ‌ها شده است[4]. بررسی‌های مغناطیس‌سنجی هوابرد در حوضه آلبوکوارک در ریفت ریوگراند نیومکزیکو نشان داد که روش مغناطیس‌سنجی هوابرد می‌تواند به طور موفقیت‌آمیزی در شناسایی گسل‌های پنهان یا کم رخنمون در یک محیط حوضه­ای مفید باشد، به ‌طوری‌که الگوی کلی گسلش و تخمین‌های به‌ دست‌آمده ارتفاعی، عمق و هندسه بسیاری از گسل‌های کم‌عمق را آشکار کرد[5]. مطالعه اثر بررسی­های مغناطیس­سنجی هوابرد در دره دیکزی و نوادا با وضوح ‌بالایی در آشکار ساختن توزیع گسل­های پوشیده کم­عمق و گسترش آنها در عمق را نشان داده است[6]. بـا اسـتفاده از روش­هـای گرانـی‌سنجی و مغنـاطیس‌سـنجی مطالعـه سـاختارهای گرمـابی و سـاحلی آتشفشان گریمزوتن در ایسلند انجام شده و بـه کمـک روش­های مذکور موقعیـت منـابع ژئوترمال مشـخص گردید[7]. کاربرد هم‌زمان روش‌های ژئوفیزیکی گرانی‌سنجی، مغناطیس‌سنجی هوابرد در مجموعه ژئوترمال بخش جنوبی رودخانه رفت (Raft) در آیداهو سبب شناسایی ساختارهای زیرسطحی و لیتولوژی سـنگ کـف دره گردید[8].

تلاش‌های متخصصان فناوری‌‌های فضایی و سنجش ‌از دور موجب شده است که با استفاده از اطلاعات و داده‌های ماهواره‌ای بتوان در جهت اعمال مدیریت صحیح و مبتنی بر دانش روز گام‌هایی برداشت. امروزه، شناسایی و مطالعه اجسام و پدیده‌ها با استفاده از سنجنده‌های حرارتی موجب تحول در سنجش ‌از دور شده و با استفاده از فناوری سنجش ‌از دور حرارتی ممکن است بتوان با کم‌ترین هزینه و کوتاه‌ترین زمان، پروژه‌های زیادی در سطح جهانی، منطقه‌ای، ملی، استانی و محلی اجرا کرد[9].

[1]                Renewable Energy and Energy Efficiency Organization. Sana Journal. (1390) the fifth year, (25): 12 p. )in Persian(.

[2]                Sana, (1386). The Journal of Sana, 1 (1), p. 1-11. (in Persian(.

[3]                Naziripour, H., Fotouhi, p. And podine, m. R (1389) The Need for Revision of Energy Resources and the Replacement of New Energy (Geothermal Energy), the 4th International Congress of Geographers of the Islamic World, Zahedan, Sistan and Baluchestan University.( in Persian).

[4]                Gailler, L.S., Bouchot, V., Martelet, G., Thinon, I., Coppo, N., Baltassat, J.M. and Bourgeois, B., (2014), Contribution of multi-method geophysics to the understanding of a high-temperature geothermal province: The Bouillante area (Guadeloupe, Lesser Antilles), Journal of Volcanology and Geothermal Research, 275, 34-50.

[5]                Georgsson, L.S., (2009), Geophysical methods used in geothermal exploration, Presentation in short course IV on exploration for geothermal resources, UNU-GTP KenGen, GDC, Naivasha, Kenya, 1-16.

[6]                Monteith, J.L. (1973). Principles of Environmental Physics. Edward Arnold, London, United Kingdom.

[7]                Alavi panah, S. k (1385). Application of Remote Sensing in Earth Sciences (Soil Science). Institute of Publications of Tehran University.( in Persian).

[8]                Alavi panah, S. K (1383). Application of Remote Thermal Measurement in Environmental Studies, Journal of Astronomy, (34): 29-38.( in Persian).

[9]                 Nooraliy, J. And Lari, HR (1381) Initial exploration of geothermal energy in Khorasan province, 17th International Power Conference, Tehran, Tavanir Co., Power Research Center.

[10]             Haselwimmer, Ch. & Prakash, A., (2012). Thermal Infrared Remote Sensing of Geothermal Systems (Chapter 7).

[11]             Hojat, A., Fox Maule, C. and Hemant Singh, K., (2016), Reconnaissance exploration of potential geothermal sites in Kerman province, using Curie depth calculations, Journal of the Earth and Space Physics 41 (4), 95-104.

[12]             Qin, J., Yang, K., Lu, N., Chen, Y., Zhao, L. and Han, M., (2013), Spatial upscaling of in-situ soil moisture measurements based on MODIS-derived apparent thermal inertia, Remote Sensing of Environment, 138, 1-9.

[13]             Qin, Q., Zhang, N., Nan, P. and Chai, L., (2011), Geothermal area detection using Landsat ETM+ thermal infrared data and its mechanistic analysis- A case study in Tengchong, China, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 13(4), 552-559.

[14]             Yamaguchi, Y.; Hase, H.&Ogawa, K. (1992). Remote sensing for geothermal applications. Episodes. 15 (1): 62-67.

[15]             Coolbaugh, M.F.; Kratt, C.; Fallacaro, A.; Calvin, W.M. & Taranik, J.V. (2007). Detection of geothermal anomalies using advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer (ASTER) thermal infrared images at Brady’s Hot Springs, Nevada, USA. Remote Sensing of Environment, 106: 350–359.

[16]             Coolbaugh, M.F., Kratt, C., Fallacaro, A., Calvin, W.M. and Taranik, J.V., (2007), Detection of geothermal anomalies using Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) thermal infrared images at Bradys Hot Springs, Nevada, USA, Remote Sensing of Environment, 106(3), 350-359.

[17]             Kienholz, C. Prakash, A. & Kolker, A. (2009). Geothermal Exploration in Akutan, Alaska, Using Multitemporal Thermal Infrared Images, American Geophysical Union, Fall Meeting 2009, abstract H53F-1009.

[18]             Siahaan, M.N.; Soebandrio, A. & Wikantika, K. (2011). Geothermal potential exploration using remote sensing technique (case study: Patuha area, west Java), Proceeding of 10th annual Asian conference and exhibition on “Geospatial Information Technology and Application”, Jakarta, Indonesia, Asia Geospatial Forum.

[19]             Sumintadireja, P.; Saepuloh, A.; Irawan, D. & Junursyah, L. (2011). Temporal analysis of visible-thermal  infrared band and magneotelluric method to simulate a geothermal sitting at MT. Ciremal, west Java, Indonesia, Proceedings, Thirty-Sixth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, SGP-TR-191.

[20]             Wu, W.; Zou, L.; Shen, X.; Lu, Sh.; Kong, F. & Dong, Y. (2012). Thermal infrared remote-sensing detection of thermal information associated with faults: A case study in Western Sichuan Basin, China,Journal of Asian Earth Sciences, 43: 110-117.

[21]             Gailler, L.S., Bouchot, V., Martelet, G., Thinon, I., Coppo, N., Baltassat, J.M. and Bourgeois, B., (2014), Contribution of multi-method geophysics to the understanding of a high-temperature geothermal province: The Bouillante area (Guadeloupe, Lesser Antilles), Journal of Volcanology and Geothermal Research, 275, 34-50.

[22]             Gupta, H., Z., S., (1391). Geothermal Energy: An Alternative Energy Source in the 21st Century. Translate q Jump and so on Kesari, Tehran, Sanayi Publication.

[23]             Fanaee Kheirabad, Gh. A. & Oskooi, B. (2011). Magnetotelluric interpretation of the Sabalan geothermal field in thenorthwest of Iran, Journal of the Earth & Space Physics. 37 (3): 1-11.

[24]             Zhang, R. (1999). Some thinking on quantitative thermal infrared remote sensing. Remote Sensing for Land & Resources, 1: 1–6 (in Chinese with English abstract) http://atmcorr.gsfc.nasa.gov.

[25]             Monteith, J.L. (1973). Principles of Environmental Physics. Edward Arnold, London, United Kingdom.

[26]             Guo, W & Sun, S. (2002). Preliminary study on the effects of soil thermal anomaly on land surface energy budget, Acta Meteorologica Sinica, 60 (6): 706–714 (in Chinese with English abstract).

[27]             Rudnick, R.L.; McDonough, W.F. & O’Conell, R.J. (1998). Thermal structure, thickness and composition of continental lithosphere. Chemical Geology, 145 (3–4): 395–411.

[28]             Xiong, L.; Hu, S & Wang, J. (1994). Analysis on the thermal conductivity of rocks from SE China. Acta Petrologica Sinica. 10 (3): 323–329 (in Chinese with English abstract).

[29]             Ou, X.; Jin, Z.; Wang, L.; Xu, H. & Jin, S. (2004). Thermal conductivity and its anisotropy of rocks from the depth of 100–2000 m mainhole of Chinese Continental Scientific Drilling: revelations to the study on thermal structure of subduction zone. Acta Petrologica Sinica, 20 (1): 109–118 (in Chinese with English abstract).

[30]             Li, G. (1992). Characteristics of the Qaidam Basin heat flow and analysis on its crustal thermal structure. Institute of Geology, Chinese Academy of Sciences, Beijing (in Chinese with English abstract).

[31]             Sobrino, J. A.; Jime´nez-Mun˜oz, J. C. & Paolini, L. (2004). Land surface temperature retrieval.

[32]             Rouse, J. W.; Haas, R. H.; Schell, J. & Deering, D.W. (1973). "Monitoring Vegetation Systems in the Great plains with ERTS." Third ERTS Symposium, NASA SP-351, pp. 309-317.

[33]             Chander, G.; Markham, B. L. & Denis, L. H. (2009). Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors, Remote Sensing of Environment1,13: 893–903.

[34]             Barsi, J. A.; Schott, J. R.; Palluconi, F. D. & Hook, S. J. (2005). Validation of a web-based atmospheric correction tool for single thermal band instruments. Proceedings, SPIE, vol. 5882. (SPIE, Bellingham, WA. 2005), Proc of. SPIE 58820E-1. 7 pp.

[35]             Qin, Q.; Zhang, N.; Nan, P. & Chai, L. (2011). Geothermal area detection using Landsat ETM+ thermal infrared data and its mechanistic analysis (a case study in Tengchong, China). International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 13: 552–559.

[36]             Lee, K., (1978), Analysis of thermal infrared imagery of the Black Rock Desert geothermal area, Colorado School of Mines Quarterly, 4(2), 31–44.

[37]             Jiang, G. M., Zhou, W. and Liu, R., (2013), Development of split-window algorithm for land surface temperature estimation from the VIRR/FY-3A measurements, Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE, 10(4), 952-956.

[38]             Georgsson, L.S., (2009), Geophysical methods used in geothermal exploration, Presentation in short course IV on exploration for geothermal resources, UNU-GTP KenGen, GDC, Naivasha, Kenya, 1-16.

[39]             Hsu, S. K., Coppens, D. and Shyu, C. T., (1998), Depth to magnetic source using thegeneralized analytic signal, Geophysics, 63, 1947-1957.

[40]             Banerjee, K., Panda, S., Jian, M.K., Jeyaseelan, A.T.and Sharma, R.K., (2014), Comparison of Aster thermal bands and feature identification using advance Spectroscopic techniques, International Journal of Innovation and Scientific Research, 7 (1), 11-18.

[41]             Huenges, E. (2010). Geothermal Energy Systems. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

[42]             Hunt, T.M., (1989), Geophysical exploration of the Broadlands (Ohaaki) geothermal field: review, In Proceedings of the 11th New Zealand Geothermal Workshop, Auckland, New Zealand, 31-38.

[43]             Liang, S., (2000), Narrowband to broadband conversions of land surface albedo I: Algorithms, Remote Sensing of Environment, 76(2), 213-238.

[44]             Lu, S.L., Shen, X.H., Zou, L.J., Zhang, G.F., Wu, W.Y., Li, C.J. and Mao, Y.J., (2008), Remote sensing image enhancement method of the fault thermal information based on scale analysis: A case study of Jiangshan‐Shaoxing Fault between Jinhua and Quzhou of Zhejiang Province, China, Chinese Journal of Geophysics, 51(5), 1048-1058.

[45]             Noorollahi, Y., Itoi, R., Fujii, H. and Tanaka, T., (2007), GIS model for geothermal resource exploration in Akita and Iwate prefectures, northern Japan, Computers & Geosciences, 33(8), 1008-1021.

[46]             Neawsuparp, K., Charusiri, P. and Meyers, J., (2005), New processing of airborne magnetic and electromagnetic data and interpretation for subsurface structures in the Loei area, Northeastern Thailand, Science Asia, 31, 283-298.

[47]             Zang, S.;Liu, Y. & Ning, J. (2002). Thermal structure of the lithosphere in north China, Chinese Journal of Geophysics, 45 (1): 56–67 (in Chinese with English abstract).

[48]             Zhang, R. (1999). Some thinking on quantitative thermal infrared remote sensing. Remote Sensing for Land & Resources, 1: 1–6 (in Chinese with English abstract) http://atmcorr.gsfc.nasa.gov.

[49]             Cooper, G. R. J. and Cowan, D. R., 2006, Enhancing potential field data using filters based on the local phase, Computers & Geosciences, 32, 1585-1591.

[50]             Verduzco B., Derek Fairhead, Chris M. Green, Chris MacKenzie, 2004, new insights into mahnetic derivatives for structural mapping: The Leading Edge, 32(2), 116-119.

[51]             Miller, H. G. and Singh, V., 1994, Potential field tilt, a new concept for location of potential field sources, Journal of Applied Geophysics, 32, 213-217.