吉木萨尔南部地区航空高光谱遥感油页岩找矿模型构建与预测研究

王少帅 汪冰 张恩 董双发 邓国武 卢辉雄 冯博 范芳 程旭

（核工业航测遥感中心 石家庄 050002）

一、引言

近年来，基于油气藏烃微渗漏原理的高光谱遥感信息提取技术，在油气勘探领域应用日益广泛。赵欣梅[1]、张天宇[2]采用卫星高光谱Hyprion数据在柴达木盆地、黄土高原成功进行油气田预测；白晓寅[3]在鄂尔多斯盆地建立星（高光谱遥感）—地（地表物化探）一体化的油气立体勘查体系；刘德长[4]利用机载高光谱CASI/SASI数据建立了油气渗漏信息的识别模型并研发了适合油气信息填图的波段分类提取方法，在新疆准格尔盆地和伊犁盆地成功进行油气探测；郑鸿瑞[5]、刘佳[6]协同利用高光谱SASI数据与多光谱遥感数据进行油气异常信息提取并相互验证，提高了油气异常信息的提取精度。现阶段油气异常信息提取所使用的数据大多在可见光—短波红外波段[7-12]，而热红外波段的数据使用较少。

本次研究以“热红外高光谱矿化蚀变信息提取方法研究与应用示范”项目为依托，在综合研究吉木萨尔南部地区地质矿产特征的基础上，利用航空高光谱热红外数据（TASI）与短波红外数据（SASI）对区内烃及相关蚀变信息进行提取，结合地面光谱测量，对典型油页岩矿床进行剖析，建立基于航空高光谱的油页岩找矿模型，并进行找矿预测，取得了较好的应用效果。

二、油页岩成矿地质背景

研究区位于准噶尔盆地东南部[13]，大地构造属于准噶尔地块，主体跨及三台凸起与博格达山山前断褶带两个四级构造单元。

研究区地层属于南准噶尔－北天山地层分区的吉木萨尔地层小区，主要出露中上二叠统至新生界（图1）。区内地层近北西向展布，呈向北东倾伏的单斜构造，各层岩性特点差异较大。

芦草沟组（P2l）主要岩相为泻湖相，岩性为灰黑、黑色、褐灰色页岩、油页岩、粉砂岩夹白云岩、泥岩和少量砂岩；泉子街组（P2q）为河流相、山麓洪积相沉积，岩性为紫红色、黄绿色砾岩夹泥岩、粉砂岩及少量砂岩；梧桐沟组（P2wt）岩性为棕色、灰色粉砂岩、砂岩；韭菜园子组（T1-2j）岩性为紫红色泥岩、灰绿色岩屑砂岩、粉砂岩不均匀互层；烧房沟组（T1-2sh）岩性为紫红色、灰紫色夹灰绿色岩屑砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩夹少量砂砾岩；小泉沟群（T2-3x）岩性为灰色、褐灰色、黄绿色泥岩、砂质泥岩与粉砂岩、细砂岩互层；八道湾组（J1b）岩性为灰绿色砂岩、砾岩、泥岩夹煤层或煤线；石树沟群（J2-3s）岩性为灰绿、灰黄色细砂岩、紫红色砂岩、泥岩；昌吉河群（N2ch）岩性为砾岩、砂岩、泥岩、砂质泥岩、粘土岩；第四系洪积层和风积层以戈壁碎石、黄色砂土为主。

区内上二叠统芦草沟组是油页岩的赋矿层位。该组地层形成于残留海封闭后的咸化湖盆沉积环境，为一套岩性较细的深湖相沉积，形成于高位体系域时期，具有由敞流湖盆逐渐变为闭流湖盆，水体逐渐咸化的特点。这种特定的沉积背景，即咸化的还原—强还原环境和高丰度、优良的生烃母质，使有机质在成熟早期大量生烃和排烃，并形成低成熟致密油。芦草沟组岩层既是一种有强生烃能力的烃源岩，又具备良好的储集性能，对有机质的富集和保存起到了至关重要的作用，组内各种岩性岩石不均匀分布导致致密油呈非均质性的分布特征。因此，研究区内芦草沟组烃源岩具有就近运移、自生自储的“源储一体”层控成藏特征[14-19]。

三、航空高光谱数据特征及蚀变信息提取

3.1 航空高光谱数据（SASI/TASI）特征

采用的航空高光谱遥感数据有两个波段，短波红外波段（0.95～2.45μm）与热红外波段（8～11.5μm）。数据由加拿大ITRES公司研制的机载短波红外高光谱成像系统（SASI）与机载高光谱热成像系统(TASI)获取。

航空高光谱数据SASI/TASI不仅具有连续成像的能力，而且具有高光谱分辨率与较高几何分辨率[13,20]。SASI数据光谱分辨率为0.015μm，在0.95～2.45μm短波红外光谱区间共有100个小波段（表1），能够识别铁、锰等元素的氧化物和氢氧化物，含羟基的硅酸盐矿物、碳酸盐矿物和部分水合硫酸盐矿物。TASI数据光谱分辨率为0.125μm，在8.0～11.5μm热红外光谱区间共有32个小波段，能够识别硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氧化物、氢氧化物等矿物。两种数据的几何分辨率均较高，能够对地物进行精细识别。利用两种数据联合进行蚀变信息提取，不仅拓展了矿物识别的种类，而且能获得丰富的地面光谱信息。

表1 SASI/TASI机载成像光谱仪主要技术参数

3.2 航空高光谱蚀变信息提取

微渗漏的烃类及其伴生物会引起烃组分含量异常和烃类蚀变产物异常，蚀变产物异常包括碳酸盐化、粘土矿化。这些蚀变异常在遥感探测中均会产生特定的光谱特征曲线，可以作为蚀变异常的诊断性光谱特征[21-24]。

表2 高光谱蚀变信息提取数据选择对比分析

在短波红外波段（表2），由于烃类、粘土矿物、碳酸盐类矿物在2.35μm处的特征吸收峰存在重叠，粘土矿物与水在1.4μm处的特征吸收峰存在重叠，单独使用SASI数据对粘土矿物与碳酸盐类矿物进行信息提取存在一定程度的不确定性；而在热红外波段，粘土矿物与碳酸盐类矿物均有特征峰存在。因此，联合使用TASI数据对粘土矿物与碳酸盐类矿物进行信息提取，来弥补SASI数据的提取结果，从而提高了蚀变矿物信息提取结果的准确性。

采用航空高光谱数据提取烃及蚀变矿物信息首先要进行数据预处理。SASI数据预处理包括几何校正和大气校正，得到短波红外波段的反射率数据；TASI数据预处理包括辐射校正、大气校正、温度/发射率分离，得到热红外波段发射率数据。随后使用“沙漏”技术流程对得到的反射率数据与发射率数据进行处理，最终获取到研究区的各种蚀变矿物信息[25]。

四、航空高光谱蚀变信息特征

研究区内共提取4种航空高光谱蚀变矿物信息，分别为烃、白云石、高岭石、蒙脱石（图2）。这四类蚀变矿物信息主要分布在研究区基岩裸露—半裸露区，多沿北西向地层走向展布。由于地层中岩石及蚀变矿物成分的差异，以及局部受第四系冲沟及风成砂等因素的影响，研究区蚀变信息具不连续的带状分布特征。

区内烃类信息主要分布在上二叠统芦草沟组地层出露位置，沿地层走向呈北西向展布，与地层中含油页岩关系密切。所提取的烃类信息在该组地层中呈星点状、团块状分布，与该组地层中具有储集致密油性能的岩性矿物非均质分布相关。在农业用地区，所提取的“烃类”信息呈大面积片状、规则形状分布，这与农田中有机质、人工覆膜中烃类聚合物相关，与烃微渗漏无关。

白云石蚀变矿物信息主要分布在上二叠统芦草沟组出露及附近位置，呈星点状、片状分布，与含油页岩地层中烃微渗漏产生的碳酸盐类蚀变矿物关系密切。在第四系中白云石蚀变矿物呈大面积片状、断续线状分布，这与人类工程活动中使用、堆放碳酸盐类矿物相关，与烃微渗漏无关。

蒙脱石与高岭石为粘土矿化蚀变矿物，两种蚀变信息多呈叠加出现，其分布特征分两种状态：在泉子街组、梧桐沟组、烧房沟组、八道湾组、石树沟群以及昌吉河群均呈大面积片状分布，与上述地层中岩石的局部蚀变及强烈风化有关；在上二叠统芦草沟组地层中呈星点状、小团块状分布，与该地层中含油页岩的烃微渗漏产生的粘土矿化蚀变有关。

五、航空高光谱油页岩找矿模型构建

5.1 油页岩矿床剖析

研究区内存在已知开采的油页岩矿床——新疆宝明矿业油页岩矿，位于研究区西北部。为分析总结油页岩矿的产出环境、地层岩性特征及光谱特征，对油页岩开采区进行了实地调查与光谱测量。

油页岩产于上二叠统芦草沟组（图3），岩性主要为泥岩、砂岩、油页岩、微晶白云岩等，其中上部油页岩层出露良好，有片状、沥青质涡卷状、薄层状及砂质油页岩等4种产状，以片状、薄层状油页岩为主。油页岩矿区蚀变发育强烈，以白云石化、高岭土化蚀变为主。

油页岩矿床开采区的航空高光谱蚀变矿物信息丰富（图4）。烃、白云石、高岭石和蒙脱石这4种蚀变矿物均呈星散状、小团块状分布，并沿芦草沟组地层呈北西向展布。在已知的三片油页岩开采区域，均有4种蚀变矿物信息的分布，并且分布较为集中。而沿芦草沟组地层的非开采地段，蚀变矿物信息分布相对较少，其类型相对单一，重叠分布的蚀变信息一般仅有1～2类。这类现象与含油岩性矿物在该组地层中非均质分布相关，表明非开采地段的地层成矿较差，其含油量较低。这也表明4种蚀变矿物信息集中分布的特征，是寻找油页岩矿的标志性特征。

利用FieldSpecProFR光谱仪与102F便携式傅立叶变换热红外光谱仪针对油页岩开采区进行地面光谱测量。通过地面光谱测量结果分析，油页岩矿与围岩光谱特征存在一定差异，具有典型的诊断光谱特征。

油页岩在短波红外波段（图5）1.72～1.73μm处有一小吸收峰，峰形较小，为烃的光谱吸收峰特征，2.26～2.36μm区间有2个吸收峰，峰位位于2.31μm、2.35μm，为烃、羟基、碳酸根离子的光谱吸收峰特征；在热红外波段8.1～8.8μm、9.2～9.7μm区间均有锯齿状吸收峰，为高岭石、蒙脱石的特征峰，11.1μm、11.5μm处见明显吸收峰，为碳酸盐类矿物的特征峰。地面光谱测试反映油页岩具有烃类信息，且含油量较高，同时发育粘土化、碳酸盐化蚀变。

砂岩夹泥岩在短波红外波段（图6）2.26～2.36μm区间有2个吸收峰，峰位位于2.31μm、2.35μm，为羟基、碳酸根离子的光谱吸收峰特征；在热红外波段8.1～8.8μm、9.2～9.7μm区间均有锯齿状吸收峰，为高岭石、蒙脱石的特征峰，11.1μm、11.5μm处见明显吸收峰，为碳酸盐类矿物的特征峰。地面光谱测试反映砂岩夹泥岩发育粘土化、碳酸盐化蚀变。

砂岩在短波红外波段（图7）1.40μm、1.90μm处的吸收峰为岩石中结晶水与结构水的吸收峰，2.20μm处的吸收峰为羟基光谱吸收峰特征；在热红外波段8.1～9.8μm区间存在较宽的锯齿状吸收峰，为高岭石、蒙脱石的特征峰，11.2μm有一小吸收峰，为碳酸盐类矿物的特征峰。地面光谱测试反映砂岩发育粘土化与弱碳酸盐化蚀变。

综合剖析资料，新疆宝明油页岩矿床的航空高光谱矿化蚀变信息分带特征明显：在油页岩区以烃类信息为主，其次发育白云石化；油页岩两侧砂岩夹泥岩与砂岩区多发育有高岭石化、蒙脱石化，以及少量白云石化蚀变。

5.2 油页岩找矿模型构建

依据油页岩矿床航空高光谱蚀变信息特征、地面光谱特征，结合区域成矿地质条件及成矿规律，建立基于航空高光谱遥感的油页岩找矿模型为（表3）：标志性蚀变组合（烃+白云石+高岭石+蒙脱石)+含油地层（上二叠统芦草沟组）。

表3 吉木萨尔南部地区航空高光谱遥感油页岩找矿模型

六、找矿预测应用

根据吉木萨尔南部地区航空高光谱遥感油页岩找矿模型，结合该区地质背景、蚀变矿物分布特征，选取外围区域开展找矿预测，并结合地面调查与光谱测量分析，新发现油页岩找矿有利区（图8）。

预测区位于已知油页岩开采区南东约3km，区内出露上二叠统芦草沟组，航空高光谱蚀变矿物组合为“烃+白云石+高岭石+蒙脱石”，蚀变矿物信息呈星点状、小团块状分布，且多叠加出现。经地面调查与光谱测量分析，在预测区发现了3处与油页岩开采区相似的地段，岩石样品地面光谱特征与已知油页岩开采区的光谱特征对比分析如下：

在短波红外波段（图9）Y01、Y02、Y03样品与油页岩矿石样品J01的反射率波谱曲线特征极为相似，在1.72～1.73μm处均有吸收峰，为烃的光谱吸收峰特征，2.26～2.36μm区间的吸收峰，为烃、羟基、碳酸根离子的光谱吸收特征，由于测量曲线噪声较大，2.55μm处未见碳酸根离子的吸收特征。表明预测区样品含烃且发育有粘土化、碳酸盐化蚀变。

在热红外波段（图10）4个样品的发射率波谱曲线总体趋势基本相似，8.1～8.8μm、9.2～9.7μm区间均有锯齿状吸收峰，为高岭石、蒙脱石的特征峰，11.1μm处为碳酸盐类矿物的特征峰，11.5μm处未见明显吸收峰。表明预测区的岩石样品发育有粘土化、碳酸盐化蚀变。

根据预测区的调查结果表明：航空高光谱蚀变组合“烃+白云石+高岭石+蒙脱石”是本区油页岩找矿标志，其中烃、白云石为找矿提供直接指示作用，高岭石与蒙脱石在一定程度上反映了与烃微渗漏相关蚀变的分布范围。

七、结论

（1）利用航空高光谱SASI/TASI遥感数据联合提取与油页岩相关的烃及蚀变矿物信息，二者有效结合提高了粘土化、碳酸盐化蚀变信息的可靠程度，客观反映了油页岩矿床的高光谱遥感特征。

（2）基于航空高光谱遥感数据（SASI/TASI）建立的油页岩找矿模型“标志性蚀变矿物（烃+白云石+高岭石+蒙脱石）+含油层位（上二叠统芦草沟组）”，对于该区及其临近区域寻找油页岩矿床具有很好的指导意义。

（3）基于航空高光谱遥感技术开展油页岩找矿预测的工作方法，对于应用高光谱遥感找矿具有参考价值。