沱沱河地區(qū)天然氣烴類微滲漏蝕變信息提取

＊?dú)W陽(yáng)德軒 劉依明 楊天貴 胡德金

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引言

天然氣水合物（gas hydrates）主要是由水分子和氣體分子在低溫高壓條件下形成的、具籠狀結(jié)構(gòu)的、貌似冰狀的結(jié)晶化合物，系一種特殊形式（固態(tài)）或特殊類型（非常規(guī)）的天然氣[1-3]。大量的研究和實(shí)踐證明，不僅海洋深處存在著天然氣水合物，陸地永久凍土帶也存在一定量的天然氣水合物[4]。2008年11月，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等單位在青海木里地區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，取得了凍土區(qū)天然氣水合物勘查工作的重大突破，這也是世界中緯度高山凍土區(qū)首次發(fā)現(xiàn)天然氣水合物[5]，這一發(fā)現(xiàn)拓寬了人們對(duì)天然氣水合物分布范圍的認(rèn)識(shí)。青藏高原腹地沱沱河地區(qū)位于唐古拉山北麓、長(zhǎng)江源頭沱沱河一帶，區(qū)內(nèi)海拔在4800m以上，屬河流-冰川侵蝕的高山-極高山區(qū)，是我國(guó)重要的凍土區(qū)，侏羅系海相含油層系為天然氣水合物的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來(lái)青藏—祁連地區(qū)因其特有的成藏地質(zhì)條件成為陸域天然氣水合物勘探的重要區(qū)域，區(qū)內(nèi)自然條件惡劣，常規(guī)地質(zhì)工作開展困難，而遙感技術(shù)在這類地區(qū)的地質(zhì)研究中則具有快速、經(jīng)濟(jì)、便捷的優(yōu)勢(shì)。尤其是高光譜遙感技術(shù)，憑借其光譜細(xì)分的特質(zhì)在油氣烴類微滲漏的遙感識(shí)別中更能發(fā)揮重要作用。本文以沱沱河地區(qū)為研究區(qū)，以天宮1號(hào)數(shù)據(jù)為信息源，在標(biāo)準(zhǔn)影像圖制作基礎(chǔ)上，針對(duì)性地進(jìn)行條帶誤差去除、地物光譜重建等圖像預(yù)處理，開展本區(qū)天然氣水合物烴類微滲漏蝕變異常信息提取，提取了碳酸鹽礦物、黏土礦物、二價(jià)鐵離子礦物及烴類物質(zhì)等異常信息，為該區(qū)天然氣水合物勘探提供依據(jù)。

1.天宮1號(hào)數(shù)據(jù)特征及預(yù)處理

(1)天宮1號(hào)數(shù)據(jù)特征

天宮1號(hào)是我國(guó)首個(gè)以獲取地面數(shù)據(jù)為目的的高光譜空間目標(biāo)飛行器，搭載了先進(jìn)的高光譜成像儀、空間環(huán)境探測(cè)儀等，運(yùn)行在傾角約43°的近圓形非太陽(yáng)同步軌道上。

(2)天宮1號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行天宮1號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，除了進(jìn)行幾何精校正、圖像鑲嵌、云等干擾物掩膜等常規(guī)預(yù)處理外，還針對(duì)性的開展了條帶誤差去除以及地物光譜重建等圖像預(yù)處理工作。

①條帶誤差的去除

天宮1號(hào)衛(wèi)星中的地物電磁輻射能量在傳送到傳感器前需要兩次穿透累計(jì)厚達(dá)705km的大氣層，在這個(gè)過程中大氣干擾在一定程度上影響了該數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成了遙感圖像的條帶誤差。本區(qū)所選用的天宮1號(hào)數(shù)據(jù)在幾乎所有波段都存在條帶誤差，在不同的波段范圍條帶誤差的影響程度有所不同。

去除條帶誤差時(shí)，采用手動(dòng)法預(yù)先剔除了影響嚴(yán)重的波段圖像，隨后利用傅立葉變換法去除影響較小的波段圖像上的條帶誤差。在傅立葉變換的過程中通過正變換人為干預(yù)及改造圖像頻率域，從而針對(duì)性的過濾或壓制某些干擾頻率，再經(jīng)過傅立葉反變換法過濾掉圖像上的亮條帶以達(dá)到去除圖像條帶誤差的目的。

②地物光譜重建

通過地物光譜重建可將由傳感器獲得的輻射亮度（DN值）轉(zhuǎn)化為地物反射率，從而得到地物光譜數(shù)據(jù)，并在此過程中減輕或消除各類誤差現(xiàn)象。本文針對(duì)天宮1號(hào)高光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用了大氣輻射校正的方法進(jìn)行地物光譜重建。

大氣輻射校正的具體過程為：首先從圖像頭文件中獲取大氣參數(shù)，再獲取反射率數(shù)據(jù)，完成光譜平滑處理。在完成大氣輻射校正處理后還須對(duì)校正后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，方法是通過野外地物實(shí)測(cè)的光譜特征與圖像上相同點(diǎn)上的光譜特征進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證圖像光譜的真實(shí)度。本次工作于2022年8月分別在扎木曲、開心嶺、斜日貢尼曲、通天河以及沱沱河河谷等區(qū)域采集碳酸鹽化異常樣品9件，黏土礦化異常樣品4件，并利用SPEG-ER型便攜式光譜測(cè)試儀進(jìn)行了野外樣品的光譜測(cè)試工作。本文選擇了野外實(shí)測(cè)的碳酸鹽及黏土礦物波譜曲線與圖像地物光譜重建結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者具有較好的對(duì)應(yīng)性，滿足烴類微滲漏蝕變異常信息提取需要。

2.烴類微滲漏蝕變異常信息提取

烴類微滲漏會(huì)對(duì)地表巖石或土壤產(chǎn)生一定的蝕變作用，使上覆地層發(fā)生紅層褪色（三價(jià)鐵離子還原為二價(jià)鐵離子）、黏土礦化（長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X土）及碳酸鹽化（二氧化碳遇水生成碳酸形成次生碳酸鹽）等蝕變現(xiàn)象，并造成遙感圖像光譜曲線上的異常。對(duì)蝕變礦物光譜特征的研究是進(jìn)行烴類微滲漏蝕變信息遙感提取的物理基礎(chǔ)，本文對(duì)黏土、鐵染、碳酸鹽等主要蝕變產(chǎn)物特征波譜曲線進(jìn)行了分析，構(gòu)建計(jì)算模型，提取了碳酸鹽礦物、黏土礦物、二價(jià)鐵離子礦物及烴類物質(zhì)等信息。

(1)碳酸鹽礦物蝕變信息提取

由于方解石、白云石是最典型的碳酸鹽巖類礦物，因此選用方解石與白云石的標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線與野外實(shí)測(cè)光譜曲線進(jìn)行對(duì)比分析，作為碳酸鹽蝕變礦物光譜曲線分析的依據(jù)，經(jīng)過對(duì)比分析，表明光譜曲線特征表現(xiàn)為在1.8μm、2.0μm、2.5μm左右形成反射特征，2.35μm附近呈現(xiàn)吸收特征，如表1所示。

表1 碳酸鹽巖礦物反射、吸收位置表

同時(shí)碳酸鹽礦物波譜曲線通常與植被光譜曲線的吸收、反射區(qū)相反，進(jìn)而造成干擾，因此需要對(duì)二者的光譜特征進(jìn)行詳細(xì)分析，尋找相反區(qū)域，以此區(qū)分二者異常信息，剔除干擾，突出碳酸鹽礦物的特征。對(duì)比分析可知，碳酸鹽礦物的1.8μm的反射區(qū)對(duì)應(yīng)于植被的吸收區(qū)，而2.3μm附近的吸收區(qū)則對(duì)應(yīng)于植被的反射區(qū)，相差幅度較大，可和植被信息相區(qū)分，本次選取1.84μm和2.35μm作為異常信息提取的反射及吸收區(qū)域，在天宮一號(hào)數(shù)據(jù)上選取對(duì)應(yīng)波段，其中104波段對(duì)應(yīng)1.84μm反射區(qū)，128波段對(duì)應(yīng)2.35μm的吸收區(qū)，采用比值處理，提取碳酸鹽礦物蝕變異常信息。

碳酸鹽礦物蝕變異常信息主要分布本區(qū)中侏羅統(tǒng)布曲組（J2b）地層中，其巖性為生物碎屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，呈條帶狀較強(qiáng)信息集中分布于灰綠色、灰紫色區(qū)域；另在本區(qū)西北及西南部的上更新統(tǒng)沖洪積（）地層中呈零星弱信息分布。

(2)黏土礦物蝕變信息提取

高嶺石、白云母及蒙脫石是最常見的黏土類礦物，因此選用高嶺石、白云母及蒙脫石的標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線與野外實(shí)測(cè)光譜曲線進(jìn)行對(duì)比分析，作為黏土礦物光譜曲線分析的依據(jù)，從而確定該類異常信息提取的光譜范圍。經(jīng)過對(duì)比分析，表明光譜曲線特征表現(xiàn)為在1.0～1.25μm、1.7μm以及2.13μm形成反射特征，在1.4μm及2.2μm附近呈現(xiàn)吸收特征。

黏土類礦物波譜曲線通常與植被光譜曲線的吸收、反射區(qū)重疊，造成干擾，對(duì)比分析表明，黏土類礦物波譜曲線中1.25μm反射區(qū)恰好與植被的反射區(qū)重疊，因此需要排除該反射區(qū)域，而1.7μm以及2.13μm的反射區(qū)則與植被的吸收區(qū)相對(duì)應(yīng)，可和植被信息相區(qū)分。另外，黏土類礦物光譜特征中1.4μm的吸收帶與水汽的吸收帶相重合，因此應(yīng)予以剔除。同時(shí)黏土礦物波譜曲線1.7μm的反射區(qū)對(duì)應(yīng)于二價(jià)鐵離子及碳酸鹽礦物的反射區(qū)，2.13μm的反射區(qū)則對(duì)應(yīng)于這兩類礦物的吸收區(qū)。綜合分析后選取2.13μm和2.2μm作為異常信息提取的反射及吸收區(qū)域，在天宮1號(hào)數(shù)據(jù)上選取對(duì)應(yīng)波段，其中117波段對(duì)應(yīng)2.1μm反射區(qū)，121波段對(duì)應(yīng)2.2μm的吸收區(qū)，采用比值處理，提取黏土類礦物蝕變異常信息。

黏土礦物蝕變異常信息主要分布在本區(qū)中侏羅統(tǒng)夏里組（J2x）地層中，其巖性為雜色碎屑巖，呈條帶狀較強(qiáng)信息集中分布于紅褐色區(qū)域；另在本區(qū)西北及西南部的上更新統(tǒng)沖洪積（Qp3pal）地層中呈片狀集中分布；在東側(cè)的中侏羅統(tǒng)布曲組（J2b）地層中的紅褐色區(qū)域亦呈條帶狀分布。

(3)二價(jià)鐵離子蝕變信息提取

菱鐵礦是二價(jià)鐵離子礦物的典型代表，其波譜曲線具有三個(gè)反射區(qū)（1.8μm、2.13μm、2.4μm），吸收區(qū)在1.0～1.3μm之間。

將菱鐵礦的波譜曲線與植被進(jìn)行比較，第三個(gè)反射區(qū)與植被曲線相交（2.4μm），前兩個(gè)反射區(qū)則對(duì)應(yīng)于植被的吸收區(qū)（1.8μm、2.13μm），可將二者區(qū)分開來(lái)；再將其與其它礦物相比較，菱鐵礦的第二反射區(qū)（2.13μm）與其它礦物波譜曲線平行，第一反射區(qū)（1.8μm）對(duì)應(yīng)于黏土和碳酸鹽礦物的吸收區(qū)。因此選擇第一反射區(qū)（1.8μm）與吸收區(qū)（1.0～1.3μm）進(jìn)行比值運(yùn)算。

根據(jù)二價(jià)鐵離子礦物的波譜曲線特征選取1.15μm（82波段）和1.8μm（104波段）進(jìn)行比值處理，提取其蝕變信息。二價(jià)鐵離子蝕變異常信息主要分布在本區(qū)中侏羅統(tǒng)夏里組（J2x）地層中，巖性為雜色碎屑巖，呈條帶狀較強(qiáng)信息集中分布于灰綠色、灰紫色區(qū)域；在東側(cè)中侏羅統(tǒng)布曲組（J2b）地層中的紅褐色區(qū)域亦呈條帶狀分布。

(4)烴類蝕變信息提取

烴類波譜曲線有兩個(gè)明顯的吸收位置，在1.725μm處呈單峰式吸收，在2.31～2.36μm處呈雙峰式吸收，如表2所示。

表2 烴類吸收特征數(shù)據(jù)表

將烴類波譜曲線與植被波譜曲線相比較，其第二吸收位置（2.31～2.36μm）與植被的吸收區(qū)重合，而第一吸收位置（1.725μm）恰好位于植被的反射區(qū)，有利于烴類信息提??；與其他礦物的波譜曲線相比較，烴類的第二吸收位置（2.31～2.36μm）也與其他礦物的吸收區(qū)重合，而第一吸收位置（1.725μm）處于其它礦物的反射區(qū)，有利于烴類信息提取，因此我們選擇第一吸收位置作為比值運(yùn)算的波段。烴類波譜曲線1.5μm之前的反射區(qū)位于植被和其它礦物的反射區(qū)，不利于烴類信息的提取，因此選取2.0μm處的反射區(qū)進(jìn)行比值運(yùn)算，該區(qū)域正好位于其它礦物和植被的吸收區(qū)。

最終選擇的是1.725μm的吸收區(qū)（101波段）和2.07μm的反射區(qū)（114波段）進(jìn)行計(jì)算，提取烴類蝕變信息。烴類異常信息主要分布于本區(qū)中侏羅統(tǒng)布曲組（J2b）及中侏羅統(tǒng)夏里組（J2x）地層中，呈條帶狀信息分布于灰紫色及紅褐色的邊緣區(qū)域。

3.結(jié)論

（1）在對(duì)典型礦物光譜曲線的分析的基礎(chǔ)上以天宮1號(hào)數(shù)據(jù)為信息源，選擇了合理波段提取了碳酸鹽礦物、黏土礦物、二價(jià)鐵離子礦物及烴類物質(zhì)等烴類微滲漏異常信息。

（2）碳酸鹽巖異常信息主要分布在本區(qū)中侏羅統(tǒng)布曲組（J2b）地層中；黏土礦化異常信息主要分布本區(qū)中侏羅統(tǒng)夏里組（J2x）地層中；二價(jià)鐵離子異常信息主要分布中侏羅統(tǒng)夏里組（J2x）地層中；烴類異常信息主要分布本區(qū)中侏羅統(tǒng)布曲組（J2b）及中侏羅統(tǒng)夏里組（J2x）地層中。

（3）結(jié)合巖性組合特征認(rèn)為中侏羅統(tǒng)布曲組（J2b）及中侏羅統(tǒng)夏里組（J2x）地層是烴類物質(zhì)存在的潛在區(qū)域。