吉木薩爾南部地區(qū)航空高光譜遙感油頁(yè)巖找礦模型構(gòu)建與預(yù)測(cè)研究

王少帥 汪冰 張恩 董雙發(fā) 鄧國(guó)武 盧輝雄 馮博 范芳 程旭

（核工業(yè)航測(cè)遙感中心 石家莊 050002）

一、引言

近年來(lái)，基于油氣藏?zé)N微滲漏原理的高光譜遙感信息提取技術(shù)，在油氣勘探領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。趙欣梅[1]、張?zhí)煊頪2]采用衛(wèi)星高光譜Hyprion數(shù)據(jù)在柴達(dá)木盆地、黃土高原成功進(jìn)行油氣田預(yù)測(cè)；白曉寅[3]在鄂爾多斯盆地建立星（高光譜遙感）—地（地表物化探）一體化的油氣立體勘查體系；劉德長(zhǎng)[4]利用機(jī)載高光譜CASI/SASI數(shù)據(jù)建立了油氣滲漏信息的識(shí)別模型并研發(fā)了適合油氣信息填圖的波段分類提取方法，在新疆準(zhǔn)格爾盆地和伊犁盆地成功進(jìn)行油氣探測(cè)；鄭鴻瑞[5]、劉佳[6]協(xié)同利用高光譜SASI數(shù)據(jù)與多光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行油氣異常信息提取并相互驗(yàn)證，提高了油氣異常信息的提取精度?，F(xiàn)階段油氣異常信息提取所使用的數(shù)據(jù)大多在可見光—短波紅外波段[7-12]，而熱紅外波段的數(shù)據(jù)使用較少。

本次研究以“熱紅外高光譜礦化蝕變信息提取方法研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目為依托，在綜合研究吉木薩爾南部地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)特征的基礎(chǔ)上，利用航空高光譜熱紅外數(shù)據(jù)（TASI）與短波紅外數(shù)據(jù)（SASI）對(duì)區(qū)內(nèi)烴及相關(guān)蝕變信息進(jìn)行提取，結(jié)合地面光譜測(cè)量，對(duì)典型油頁(yè)巖礦床進(jìn)行剖析，建立基于航空高光譜的油頁(yè)巖找礦模型，并進(jìn)行找礦預(yù)測(cè)，取得了較好的應(yīng)用效果。

二、油頁(yè)巖成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東南部[13]，大地構(gòu)造屬于準(zhǔn)噶爾地塊，主體跨及三臺(tái)凸起與博格達(dá)山山前斷褶帶兩個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元。

研究區(qū)地層屬于南準(zhǔn)噶爾－北天山地層分區(qū)的吉木薩爾地層小區(qū)，主要出露中上二疊統(tǒng)至新生界（圖1）。區(qū)內(nèi)地層近北西向展布，呈向北東傾伏的單斜構(gòu)造，各層巖性特點(diǎn)差異較大。

蘆草溝組（P2l）主要巖相為瀉湖相，巖性為灰黑、黑色、褐灰色頁(yè)巖、油頁(yè)巖、粉砂巖夾白云巖、泥巖和少量砂巖；泉子街組（P2q）為河流相、山麓洪積相沉積，巖性為紫紅色、黃綠色礫巖夾泥巖、粉砂巖及少量砂巖；梧桐溝組（P2wt）巖性為棕色、灰色粉砂巖、砂巖；韭菜園子組（T1-2j）巖性為紫紅色泥巖、灰綠色巖屑砂巖、粉砂巖不均勻互層；燒房溝組（T1-2sh）巖性為紫紅色、灰紫色夾灰綠色巖屑砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾少量砂礫巖；小泉溝群（T2-3x）巖性為灰色、褐灰色、黃綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖與粉砂巖、細(xì)砂巖互層；八道灣組（J1b）巖性為灰綠色砂巖、礫巖、泥巖夾煤層或煤線；石樹溝群（J2-3s）巖性為灰綠、灰黃色細(xì)砂巖、紫紅色砂巖、泥巖；昌吉河群（N2ch）巖性為礫巖、砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粘土巖；第四系洪積層和風(fēng)積層以戈壁碎石、黃色砂土為主。

區(qū)內(nèi)上二疊統(tǒng)蘆草溝組是油頁(yè)巖的賦礦層位。該組地層形成于殘留海封閉后的咸化湖盆沉積環(huán)境，為一套巖性較細(xì)的深湖相沉積，形成于高位體系域時(shí)期，具有由敞流湖盆逐漸變?yōu)殚]流湖盆，水體逐漸咸化的特點(diǎn)。這種特定的沉積背景，即咸化的還原—強(qiáng)還原環(huán)境和高豐度、優(yōu)良的生烴母質(zhì)，使有機(jī)質(zhì)在成熟早期大量生烴和排烴，并形成低成熟致密油。蘆草溝組巖層既是一種有強(qiáng)生烴能力的烴源巖，又具備良好的儲(chǔ)集性能，對(duì)有機(jī)質(zhì)的富集和保存起到了至關(guān)重要的作用，組內(nèi)各種巖性巖石不均勻分布導(dǎo)致致密油呈非均質(zhì)性的分布特征。因此，研究區(qū)內(nèi)蘆草溝組烴源巖具有就近運(yùn)移、自生自儲(chǔ)的“源儲(chǔ)一體”層控成藏特征[14-19]。

三、航空高光譜數(shù)據(jù)特征及蝕變信息提取

3.1 航空高光譜數(shù)據(jù)（SASI/TASI）特征

采用的航空高光譜遙感數(shù)據(jù)有兩個(gè)波段，短波紅外波段（0.95～2.45μm）與熱紅外波段（8～11.5μm）。數(shù)據(jù)由加拿大ITRES公司研制的機(jī)載短波紅外高光譜成像系統(tǒng)（SASI）與機(jī)載高光譜熱成像系統(tǒng)(TASI)獲取。

航空高光譜數(shù)據(jù)SASI/TASI不僅具有連續(xù)成像的能力，而且具有高光譜分辨率與較高幾何分辨率[13,20]。SASI數(shù)據(jù)光譜分辨率為0.015μm，在0.95～2.45μm短波紅外光譜區(qū)間共有100個(gè)小波段（表1），能夠識(shí)別鐵、錳等元素的氧化物和氫氧化物，含羥基的硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物和部分水合硫酸鹽礦物。TASI數(shù)據(jù)光譜分辨率為0.125μm，在8.0～11.5μm熱紅外光譜區(qū)間共有32個(gè)小波段，能夠識(shí)別硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、氫氧化物等礦物。兩種數(shù)據(jù)的幾何分辨率均較高，能夠?qū)Φ匚镞M(jìn)行精細(xì)識(shí)別。利用兩種數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行蝕變信息提取，不僅拓展了礦物識(shí)別的種類，而且能獲得豐富的地面光譜信息。

表1 SASI/TASI機(jī)載成像光譜儀主要技術(shù)參數(shù)

3.2 航空高光譜蝕變信息提取

微滲漏的烴類及其伴生物會(huì)引起烴組分含量異常和烴類蝕變產(chǎn)物異常，蝕變產(chǎn)物異常包括碳酸鹽化、粘土礦化。這些蝕變異常在遙感探測(cè)中均會(huì)產(chǎn)生特定的光譜特征曲線，可以作為蝕變異常的診斷性光譜特征[21-24]。

表2 高光譜蝕變信息提取數(shù)據(jù)選擇對(duì)比分析

在短波紅外波段（表2），由于烴類、粘土礦物、碳酸鹽類礦物在2.35μm處的特征吸收峰存在重疊，粘土礦物與水在1.4μm處的特征吸收峰存在重疊，單獨(dú)使用SASI數(shù)據(jù)對(duì)粘土礦物與碳酸鹽類礦物進(jìn)行信息提取存在一定程度的不確定性；而在熱紅外波段，粘土礦物與碳酸鹽類礦物均有特征峰存在。因此，聯(lián)合使用TASI數(shù)據(jù)對(duì)粘土礦物與碳酸鹽類礦物進(jìn)行信息提取，來(lái)彌補(bǔ)SASI數(shù)據(jù)的提取結(jié)果，從而提高了蝕變礦物信息提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采用航空高光譜數(shù)據(jù)提取烴及蝕變礦物信息首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。SASI數(shù)據(jù)預(yù)處理包括幾何校正和大氣校正，得到短波紅外波段的反射率數(shù)據(jù)；TASI數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射校正、大氣校正、溫度/發(fā)射率分離，得到熱紅外波段發(fā)射率數(shù)據(jù)。隨后使用“沙漏”技術(shù)流程對(duì)得到的反射率數(shù)據(jù)與發(fā)射率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲取到研究區(qū)的各種蝕變礦物信息[25]。

四、航空高光譜蝕變信息特征

研究區(qū)內(nèi)共提取4種航空高光譜蝕變礦物信息，分別為烴、白云石、高嶺石、蒙脫石（圖2）。這四類蝕變礦物信息主要分布在研究區(qū)基巖裸露—半裸露區(qū)，多沿北西向地層走向展布。由于地層中巖石及蝕變礦物成分的差異，以及局部受第四系沖溝及風(fēng)成砂等因素的影響，研究區(qū)蝕變信息具不連續(xù)的帶狀分布特征。

區(qū)內(nèi)烴類信息主要分布在上二疊統(tǒng)蘆草溝組地層出露位置，沿地層走向呈北西向展布，與地層中含油頁(yè)巖關(guān)系密切。所提取的烴類信息在該組地層中呈星點(diǎn)狀、團(tuán)塊狀分布，與該組地層中具有儲(chǔ)集致密油性能的巖性礦物非均質(zhì)分布相關(guān)。在農(nóng)業(yè)用地區(qū)，所提取的“烴類”信息呈大面積片狀、規(guī)則形狀分布，這與農(nóng)田中有機(jī)質(zhì)、人工覆膜中烴類聚合物相關(guān)，與烴微滲漏無(wú)關(guān)。

白云石蝕變礦物信息主要分布在上二疊統(tǒng)蘆草溝組出露及附近位置，呈星點(diǎn)狀、片狀分布，與含油頁(yè)巖地層中烴微滲漏產(chǎn)生的碳酸鹽類蝕變礦物關(guān)系密切。在第四系中白云石蝕變礦物呈大面積片狀、斷續(xù)線狀分布，這與人類工程活動(dòng)中使用、堆放碳酸鹽類礦物相關(guān)，與烴微滲漏無(wú)關(guān)。

蒙脫石與高嶺石為粘土礦化蝕變礦物，兩種蝕變信息多呈疊加出現(xiàn)，其分布特征分兩種狀態(tài)：在泉子街組、梧桐溝組、燒房溝組、八道灣組、石樹溝群以及昌吉河群均呈大面積片狀分布，與上述地層中巖石的局部蝕變及強(qiáng)烈風(fēng)化有關(guān)；在上二疊統(tǒng)蘆草溝組地層中呈星點(diǎn)狀、小團(tuán)塊狀分布，與該地層中含油頁(yè)巖的烴微滲漏產(chǎn)生的粘土礦化蝕變有關(guān)。

五、航空高光譜油頁(yè)巖找礦模型構(gòu)建

5.1 油頁(yè)巖礦床剖析

研究區(qū)內(nèi)存在已知開采的油頁(yè)巖礦床——新疆寶明礦業(yè)油頁(yè)巖礦，位于研究區(qū)西北部。為分析總結(jié)油頁(yè)巖礦的產(chǎn)出環(huán)境、地層巖性特征及光譜特征，對(duì)油頁(yè)巖開采區(qū)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查與光譜測(cè)量。

油頁(yè)巖產(chǎn)于上二疊統(tǒng)蘆草溝組（圖3），巖性主要為泥巖、砂巖、油頁(yè)巖、微晶白云巖等，其中上部油頁(yè)巖層出露良好，有片狀、瀝青質(zhì)渦卷狀、薄層狀及砂質(zhì)油頁(yè)巖等4種產(chǎn)狀，以片狀、薄層狀油頁(yè)巖為主。油頁(yè)巖礦區(qū)蝕變發(fā)育強(qiáng)烈，以白云石化、高嶺土化蝕變?yōu)橹鳌?/p>

油頁(yè)巖礦床開采區(qū)的航空高光譜蝕變礦物信息豐富（圖4）。烴、白云石、高嶺石和蒙脫石這4種蝕變礦物均呈星散狀、小團(tuán)塊狀分布，并沿蘆草溝組地層呈北西向展布。在已知的三片油頁(yè)巖開采區(qū)域，均有4種蝕變礦物信息的分布，并且分布較為集中。而沿蘆草溝組地層的非開采地段，蝕變礦物信息分布相對(duì)較少，其類型相對(duì)單一，重疊分布的蝕變信息一般僅有1～2類。這類現(xiàn)象與含油巖性礦物在該組地層中非均質(zhì)分布相關(guān)，表明非開采地段的地層成礦較差，其含油量較低。這也表明4種蝕變礦物信息集中分布的特征，是尋找油頁(yè)巖礦的標(biāo)志性特征。

利用FieldSpecProFR光譜儀與102F便攜式傅立葉變換熱紅外光譜儀針對(duì)油頁(yè)巖開采區(qū)進(jìn)行地面光譜測(cè)量。通過地面光譜測(cè)量結(jié)果分析，油頁(yè)巖礦與圍巖光譜特征存在一定差異，具有典型的診斷光譜特征。

油頁(yè)巖在短波紅外波段（圖5）1.72～1.73μm處有一小吸收峰，峰形較小，為烴的光譜吸收峰特征，2.26～2.36μm區(qū)間有2個(gè)吸收峰，峰位位于2.31μm、2.35μm，為烴、羥基、碳酸根離子的光譜吸收峰特征；在熱紅外波段8.1～8.8μm、9.2～9.7μm區(qū)間均有鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.1μm、11.5μm處見明顯吸收峰，為碳酸鹽類礦物的特征峰。地面光譜測(cè)試反映油頁(yè)巖具有烴類信息，且含油量較高，同時(shí)發(fā)育粘土化、碳酸鹽化蝕變。

砂巖夾泥巖在短波紅外波段（圖6）2.26～2.36μm區(qū)間有2個(gè)吸收峰，峰位位于2.31μm、2.35μm，為羥基、碳酸根離子的光譜吸收峰特征；在熱紅外波段8.1～8.8μm、9.2～9.7μm區(qū)間均有鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.1μm、11.5μm處見明顯吸收峰，為碳酸鹽類礦物的特征峰。地面光譜測(cè)試反映砂巖夾泥巖發(fā)育粘土化、碳酸鹽化蝕變。

砂巖在短波紅外波段（圖7）1.40μm、1.90μm處的吸收峰為巖石中結(jié)晶水與結(jié)構(gòu)水的吸收峰，2.20μm處的吸收峰為羥基光譜吸收峰特征；在熱紅外波段8.1～9.8μm區(qū)間存在較寬的鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.2μm有一小吸收峰，為碳酸鹽類礦物的特征峰。地面光譜測(cè)試反映砂巖發(fā)育粘土化與弱碳酸鹽化蝕變。

綜合剖析資料，新疆寶明油頁(yè)巖礦床的航空高光譜礦化蝕變信息分帶特征明顯：在油頁(yè)巖區(qū)以烴類信息為主，其次發(fā)育白云石化；油頁(yè)巖兩側(cè)砂巖夾泥巖與砂巖區(qū)多發(fā)育有高嶺石化、蒙脫石化，以及少量白云石化蝕變。

5.2 油頁(yè)巖找礦模型構(gòu)建

依據(jù)油頁(yè)巖礦床航空高光譜蝕變信息特征、地面光譜特征，結(jié)合區(qū)域成礦地質(zhì)條件及成礦規(guī)律，建立基于航空高光譜遙感的油頁(yè)巖找礦模型為（表3）：標(biāo)志性蝕變組合（烴+白云石+高嶺石+蒙脫石)+含油地層（上二疊統(tǒng)蘆草溝組）。

表3 吉木薩爾南部地區(qū)航空高光譜遙感油頁(yè)巖找礦模型

六、找礦預(yù)測(cè)應(yīng)用

根據(jù)吉木薩爾南部地區(qū)航空高光譜遙感油頁(yè)巖找礦模型，結(jié)合該區(qū)地質(zhì)背景、蝕變礦物分布特征，選取外圍區(qū)域開展找礦預(yù)測(cè)，并結(jié)合地面調(diào)查與光譜測(cè)量分析，新發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖找礦有利區(qū)（圖8）。

預(yù)測(cè)區(qū)位于已知油頁(yè)巖開采區(qū)南東約3km，區(qū)內(nèi)出露上二疊統(tǒng)蘆草溝組，航空高光譜蝕變礦物組合為“烴+白云石+高嶺石+蒙脫石”，蝕變礦物信息呈星點(diǎn)狀、小團(tuán)塊狀分布，且多疊加出現(xiàn)。經(jīng)地面調(diào)查與光譜測(cè)量分析，在預(yù)測(cè)區(qū)發(fā)現(xiàn)了3處與油頁(yè)巖開采區(qū)相似的地段，巖石樣品地面光譜特征與已知油頁(yè)巖開采區(qū)的光譜特征對(duì)比分析如下：

在短波紅外波段（圖9）Y01、Y02、Y03樣品與油頁(yè)巖礦石樣品J01的反射率波譜曲線特征極為相似，在1.72～1.73μm處均有吸收峰，為烴的光譜吸收峰特征，2.26～2.36μm區(qū)間的吸收峰，為烴、羥基、碳酸根離子的光譜吸收特征，由于測(cè)量曲線噪聲較大，2.55μm處未見碳酸根離子的吸收特征。表明預(yù)測(cè)區(qū)樣品含烴且發(fā)育有粘土化、碳酸鹽化蝕變。

在熱紅外波段（圖10）4個(gè)樣品的發(fā)射率波譜曲線總體趨勢(shì)基本相似，8.1～8.8μm、9.2～9.7μm區(qū)間均有鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.1μm處為碳酸鹽類礦物的特征峰，11.5μm處未見明顯吸收峰。表明預(yù)測(cè)區(qū)的巖石樣品發(fā)育有粘土化、碳酸鹽化蝕變。

根據(jù)預(yù)測(cè)區(qū)的調(diào)查結(jié)果表明：航空高光譜蝕變組合“烴+白云石+高嶺石+蒙脫石”是本區(qū)油頁(yè)巖找礦標(biāo)志，其中烴、白云石為找礦提供直接指示作用，高嶺石與蒙脫石在一定程度上反映了與烴微滲漏相關(guān)蝕變的分布范圍。

七、結(jié)論

（1）利用航空高光譜SASI/TASI遙感數(shù)據(jù)聯(lián)合提取與油頁(yè)巖相關(guān)的烴及蝕變礦物信息，二者有效結(jié)合提高了粘土化、碳酸鹽化蝕變信息的可靠程度，客觀反映了油頁(yè)巖礦床的高光譜遙感特征。

（2）基于航空高光譜遙感數(shù)據(jù)（SASI/TASI）建立的油頁(yè)巖找礦模型“標(biāo)志性蝕變礦物（烴+白云石+高嶺石+蒙脫石）+含油層位（上二疊統(tǒng)蘆草溝組）”，對(duì)于該區(qū)及其臨近區(qū)域?qū)ふ矣晚?yè)巖礦床具有很好的指導(dǎo)意義。

（3）基于航空高光譜遙感技術(shù)開展油頁(yè)巖找礦預(yù)測(cè)的工作方法，對(duì)于應(yīng)用高光譜遙感找礦具有參考價(jià)值。