基于GIS空間分析模型的祁連山多年凍土研究

傅連珍，胡道功，張緒教，游報(bào)捷，吳澤群，葉夢旎

（1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081）

基于GIS空間分析模型的祁連山多年凍土研究

傅連珍1，胡道功2，張緒教1，游報(bào)捷1，吳澤群1，葉夢旎1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；
2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081）

依據(jù)祁連山和青藏高原氣溫、地溫、凍土厚度與經(jīng)緯度以及海拔的經(jīng)驗(yàn)公式，通過ArcGIS空間分析，獲得了祁連山地區(qū)年均氣溫、年均地溫和凍土厚度的空間分布規(guī)律。祁連山多年凍土區(qū)年均氣溫和年均地溫分別為－12～－6℃和－4～－2℃，多年凍土厚度變化于90～140 m之間。其中，哈拉湖地區(qū)海拔4300 m以上的高山區(qū)溫度最低、凍土最厚，年均氣溫和年均地溫分別低于－10℃和－4℃，多年凍土厚度大于140 m。結(jié)合祁連山烴源巖區(qū)域分布特征和木里天然氣水合物鉆孔的凍土厚度資料，認(rèn)為中祁連盆-山構(gòu)造地貌發(fā)育區(qū)為天然氣水合物成藏最有利區(qū)域。

多年凍土；GIS；DEM；空間分析；天然氣水合物；祁連山

0 引言

2008年祁連山木里凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，這是中國陸域首次鉆獲天然氣水合物［1～3］。多年凍土是天然氣水合物形成和富集的決定因素之一，對(duì)水合物成藏特征具有明顯的控制作用［4］。前人對(duì)祁連山凍土進(jìn)行過多年研究，劃分了祁連山地區(qū)凍土類型，并探討了區(qū)域內(nèi)多年凍土和季節(jié)凍土的平面分布特征［5～8］。李靜等［9］借助DEM和地形因子模擬了柴達(dá)木—木里沿線多年凍土分布概率；張文杰等［10］通過高程數(shù)據(jù)、年平均氣溫和垂直遞減率，研究了祁連山近40年來的凍土分布面積和退化情況。然而，目前尚缺乏對(duì)該區(qū)域凍土厚度及其空間變化規(guī)律的研究，進(jìn)而影響了對(duì)祁連山地區(qū)天然氣水合物資源潛力評(píng)價(jià)和成藏規(guī)律的研究。

本文根據(jù)青藏高原和祁連山地區(qū)氣溫、地溫、海拔及經(jīng)緯度與凍土厚度的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM），利用ArcGIS的空間分析模塊，提取祁連山及年平均氣溫、年平均地溫和多年凍土厚度等參數(shù)，建立該地區(qū)年平均氣溫、年平均地溫及多年凍土厚度的空間分布模型，并討論各相關(guān)要素的空間分布特征，為祁連山地區(qū)天然氣水合物的資源勘查提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

祁連山位于青藏高原東北緣，地處河西走廊與柴達(dá)木盆地之間，由北祁連山縫合帶、中祁連地塊和南祁連地塊等構(gòu)造單元組成。北祁連縫合帶和中祁連地塊由一系列北西—南東走向的山脈和盆地組成，發(fā)育有托來南山、疏勒南山、黨河南山、土爾根達(dá)坂山和大通山等高山（見圖1），其間分布疏勒和木里等盆地，地勢西北高東南低，海拔3500～5000 m，山峰多在4000 m以上，最高峰為疏勒南山的團(tuán)結(jié)峰，海拔5826.8 m。南祁連地塊地勢較平坦，大片新生代夷平面連續(xù)分布，海拔4000～4300 m。祁連山南、北兩側(cè)的柴達(dá)木盆地和河西走廊地形相對(duì)平坦，海拔一般小于3000 m。區(qū)內(nèi)水系主要由青海湖、哈拉湖、布哈河、黑河、大通河及巴音郭勒河等構(gòu)成。

圖1 祁連山地貌及凍土類型分布（凍土類型邊界據(jù)文獻(xiàn)［6］）Fig.1 Geomorphology and permafrost type distribution of Qilian Mountains

根據(jù)周幼吾等［6］的劃分方案，祁連山及鄰區(qū)涵蓋了阿爾金山—祁連山高寒帶山地多年凍土區(qū)、阿爾金山—祁連山高寒帶季節(jié)凍土區(qū)、河西走廊—阿拉善高原溫帶季節(jié)凍土區(qū)、柴達(dá)木盆地溫帶季節(jié)凍土區(qū)和青藏高原東緣高寒帶季節(jié)凍土區(qū)（見圖1）。研究區(qū)內(nèi)高山發(fā)育現(xiàn)代冰川，其中走廊南山、疏勒南山和黨河南山冰川數(shù)量最多，疏勒南山、土爾根達(dá)坂山和走廊南山冰川規(guī)模最大。研究表明，祁連山地區(qū)年平均地表溫度－2.4～0℃，凍土下界海拔為3500～3900 m，凍土厚度8.0～139.3 m；其中連續(xù)凍土區(qū)年均地表溫度－2.4～－1.5℃，凍土厚度50.0～139.3 m；島狀凍土區(qū)年平均地溫為－1.5～0℃，凍土厚幾米到幾十米不等［6］。

2 凍土參數(shù)提取

年平均氣溫、年平均地表溫度和多年凍土厚度等凍土參數(shù)的提取過程主要包括數(shù)據(jù)源和經(jīng)驗(yàn)公式的選取與GIS空間分析。GIS空間分析包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、字段計(jì)算、IDW（反距離權(quán)重）空間插值和三維可視化表達(dá)等4個(gè)方面（見圖2）。

2.1 數(shù)據(jù)源獲取

本文采用“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站平臺(tái)提供的SRTM3雷達(dá)影像數(shù)據(jù)作為數(shù)字高程模型（DEM）的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。需要指出的是，該數(shù)據(jù)分為SRTM1和SRTM3，空間分辨率分別為30 m和90 m。考慮到數(shù)據(jù)運(yùn)算量及精度的要求，本文選用SRTM3（90 m分辨率）作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行凍土參數(shù)的提取。

2.2 凍土參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式選取

邱國慶等［11］根據(jù)西藏和青海78個(gè)氣象站點(diǎn)的多年氣象資料，統(tǒng)計(jì)分析得到青藏高原年平均氣溫與緯度、經(jīng)度及海拔之間的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：T——年平均氣溫，℃；x1——緯度，m；x2——經(jīng)度，m；x3——海拔，m。

周幼吾等［6］依據(jù)青海省26個(gè)站點(diǎn)的年平均地表溫度和年平均氣溫觀測值資料，統(tǒng)計(jì)得到了年平均地表溫度與年平均氣溫之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并建立了祁連山多年凍土厚度與年平均地表溫度之間的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：t——年平均地表溫度，℃；T——年平均氣溫，℃；B——多年凍土厚度，m。

通過分析，本文選取上述公式（1）、（2）和（3）分別反演祁連山地區(qū)年平均氣溫、年平均地表溫度和多年凍土厚度。

2.3 凍土厚度GIS空間分析

利用ArcGIS軟件中的空間分析模塊，對(duì)DEM進(jìn)行計(jì)算和IDW（Inverse Distance Weighted，反距離權(quán)重）空間插值，根據(jù)點(diǎn)的空間位置屬性，結(jié)合凍土參數(shù)與空間位置關(guān)系模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，通過疊加山體陰影制作視立體多年凍土厚度分布圖，獲取研究區(qū)多年凍土厚度空間分布特征。

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)原始STRM3高程數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌和裁剪，得到研究區(qū)DEM。運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)矢量化計(jì)算轉(zhuǎn)化為高程點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化后的矢量點(diǎn)數(shù)為14408401個(gè)，結(jié)合本研究計(jì)算所需的精度，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行抽稀。本文從原高程點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)中以鄰域計(jì)算方法進(jìn)行抽稀，選取百分之一后剩下144084個(gè)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果可以滿足研究精度需要。

2.3.2 字段計(jì)算

運(yùn)用Add XY Coordinates工具為抽稀后的高程點(diǎn)賦予經(jīng)緯度屬性，得到含坐標(biāo)的高程點(diǎn)，該數(shù)據(jù)具有緯度（x1）、經(jīng)度（x2）、高程（x3）等屬性列信息。

打開含坐標(biāo)高程點(diǎn)屬性表，添加年平均氣溫字段，使用字段計(jì)算器將緯度、經(jīng)度和高程屬性列代入公式（1），計(jì)算得到年平均氣溫屬性列T；再將年平均氣溫屬性列T代入地溫計(jì)算公式（2）求得年平均地溫屬性列t；最后將年平均地溫屬性列t代入凍土厚度計(jì)算公式（3），計(jì)算得到凍土厚度屬性列B。

2.3.3 IDW空間插值

插值是在合理選取采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過采樣點(diǎn)的測量值，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對(duì)區(qū)域所有點(diǎn)位進(jìn)行合理測算，模擬區(qū)域測量值。IDW插值作為一種確定性插值方法，適合在樣本密集且均勻分布的情況下使用。該方法空間分布的對(duì)象都是空間相關(guān)的，彼此鄰近的對(duì)象具有相似性特征，插值結(jié)果可以反映對(duì)象特征變化的空間相關(guān)性。

采用ArcGIS空間分析模塊下的IDW插值工具，由矢量高程點(diǎn)空間插值生成柵格面。分別使用年平均氣溫T、年平均地溫t、凍土厚度B作為空間插值的z_field字段值，依次得到年平均氣溫、年平均地溫、凍土厚度的柵格面數(shù)據(jù)。

2.3.4 三維可視化表達(dá)

在3D分析工具集下的Hillshade（山體陰影）工具中設(shè)置太陽高度角和方位角，用年平均氣溫柵格數(shù)據(jù)生成氣溫?cái)?shù)據(jù)山體陰影。將氣溫柵格面圖層疊加至氣溫山體陰影圖層之上，設(shè)置氣溫柵格的透明度，兩圖層疊置，得到氣溫柵格數(shù)據(jù)的立體顯示。同理，可實(shí)現(xiàn)年均地溫及凍土厚度柵格數(shù)據(jù)的立體可視化顯示。

經(jīng)過上述GIS空間分析，得到了研究區(qū)年均氣溫分布圖、年均地溫分布圖和多年凍土厚度分布圖（見圖3—圖5）。

圖3 祁連山年均氣溫分布圖（單位：℃）Fig.3 Distribution of mean annual temperature in Qilian Mountains

圖4 祁連山年均地溫分布圖（單位：℃）Fig.4 Distribution of mean annual ground temperature in Qilian Mountains

圖5 祁連山多年凍土厚度分布圖（單位：m）Fig.5 Distribution of permafrost thickness in Qilian Mountains

3 結(jié)果分析

3.1 祁連山年均氣溫

由圖3可見，祁連山多年凍土區(qū)除深切河谷外，年均氣溫一般為－12～－6℃；其中疏勒南山、土爾根達(dá)坂山和黨河南山為年均氣溫最低的區(qū)域，年均氣溫可低至－10℃以下，以團(tuán)結(jié)峰年均氣溫最低（低于－12℃）；而祁連山季節(jié)凍土區(qū)除個(gè)別海拔較高的區(qū)域外，年均氣溫相對(duì)較高，一般為－6～0℃。

3.2 祁連山年均地溫

祁連山多年凍土區(qū)年均地溫一般為－4～－2℃（見圖4），其中疏勒南山、土爾根達(dá)坂山和黨河南山為研究區(qū)內(nèi)年平均地表溫度最低的區(qū)域，一般為－8～－4℃；季節(jié)凍土區(qū)除個(gè)別海拔較高的地區(qū)外，年均地溫相對(duì)較高，一般高于－1℃；祁連山多年凍土下界與年平均地溫零度等值線分布大體一致。

3.3 祁連山凍土厚度

由圖5可見，祁連山多年凍土區(qū)凍土厚度分布極不均勻。疏勒南山、大通山西段、土爾根達(dá)坂山、哈拉湖南及黨河南山區(qū)域內(nèi)多年凍土厚度最大，一般大于140 m；南祁連山中西部地區(qū)分布厚度90～140 m厚的凍土，而南祁連東部及疏勒河、大通河及黑河谷地凍土厚度一般小于70 m。

4 討論與結(jié)論

祁連山多年凍土區(qū)凍土厚度分布受海拔、經(jīng)緯度等因素的影響，在已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的木里地區(qū)和南祁連廣袤的夷平面上，凍土厚度一般大于90 m，在疏勒南山等高山地區(qū)凍土厚度大于140 m，在深切河谷區(qū)和南祁連東部凍土厚度一般小于70 m。

已發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的木里聚呼更礦區(qū)三露天DK-9孔凍土長期監(jiān)測結(jié)果（胡道功等，另文發(fā)表）表明，該地區(qū)凍土厚度110 m左右，與模型計(jì)算結(jié)果相一致，說明本文采用的凍土厚度反演模型與凍土參數(shù)提取方法不失為研究凍土區(qū)域分布規(guī)律的有效方法。模型計(jì)算的年平均氣溫、年平均地溫和多年凍土厚度，為祁連山天然氣水合物的遠(yuǎn)景調(diào)查提供了科學(xué)依據(jù)。

野外調(diào)查結(jié)果［12］表明，祁連山有效烴源巖主要分布在中祁連地塊中西部和南祁連地塊的北部地區(qū)，根據(jù)前人研究得到的青藏高原天然氣最淺頂界埋深為74 m左右［13］，再結(jié)合本文凍土厚度及其空間分布狀況，認(rèn)為中祁連盆-山構(gòu)造區(qū)為天然氣水合物成藏的最有利地區(qū)。

需要說明的是，本文采用的經(jīng)驗(yàn)公式考慮了海拔、經(jīng)度、緯度等主要因素的控制作用，但水體、活動(dòng)斷裂等因素對(duì)多年凍土厚度也有一定的影響。如：哈拉湖和青海湖地區(qū)，大面積湖水的保溫效應(yīng)可能會(huì)使該地區(qū)實(shí)際凍土厚度小于模型計(jì)算值；同樣地，在活動(dòng)斷裂經(jīng)過的地方，由于地下水和地殼內(nèi)熱量的影響，也會(huì)造成凍土厚度值變小。這些因素對(duì)多年凍土厚度及天然氣水合物成藏影響的定量分析還有待進(jìn)一步細(xì)化和深入研究。

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STUDY ON PERMAFROST OF QILIAN MOUNTAINS BASED ON GIS SPATIAL ANALYSIS MODEL

FU Lian-zhen1，HU Dao-gong2，ZHANG Xu-jiao1，YOU Bao-jie1，WU Ze-qun1，YE Meng-ni1

（1.School of Earth Science and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；
2.Institute of Geomechanics，China Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China）

Based on those empirical formulas of temperature，permafrost thickness，latitude，longitude and altitude in Qilian Mountains and Tibet Plateau，the distribution characteristics of mean annual temperature，mean annual ground temperature and the thickness of permafrost in Qilian Mountains are obtained by ArcGIS spatial analysis model.The results show the average annual temperature and annual mean ground temperature of the permafrost regions in Qilian Mountains are in the range of－12～－6℃and－4～－2℃correspondingly，and the thickness of permafrost varies from 90 to 140 meters.The area with elevation above 4300 m around Hala Lake has the lowest temperature and the thickest permafrost.Its average annual temperature and ground temperature are lower than－10℃and－4℃respectively，and permafrost is thicker than 140 m. Combined with the distribution of hydrocarbon source rock and the permafrost thickness of gas hydrate drilling in Qilian Mountains，the middle of Qilian basin-mountain tectonic zone is believed to be the most favorable area for the gas hydrate reservoir.

permafrost；GIS；DEM；spatial analysis model；gas hydrate；Qilian Mountains

P642.14

A

1006-6616（2015）03-0371-07

2015-03-25

中國地質(zhì)調(diào)查局“陸域天然氣水合物分布特征及資源潛力評(píng)價(jià)（力學(xué)所）”項(xiàng)目（GZH201400304）

傅連珍（1990-），女，碩士研究生。主要從事第四紀(jì)地質(zhì)和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。E-mail：yesterdayfu＠163.com