沱沱河地区天然气烃类微渗漏蚀变信息提取

2024-02-13欧阳德轩刘依明杨天贵胡德金

当代化工研究 2024年1期

＊欧阳德轩刘依明杨天贵胡德金

（1.云南格物智联科技有限公司云南 650200 2.西安煤航遥感信息有限公司陕西 710000）

引言

天然气水合物（gas hydrates）主要是由水分子和气体分子在低温高压条件下形成的、具笼状结构的、貌似冰状的结晶化合物，系一种特殊形式（固态）或特殊类型（非常规）的天然气[1-3]。大量的研究和实践证明，不仅海洋深处存在着天然气水合物，陆地永久冻土带也存在一定量的天然气水合物[4]。2008年11月，中国地质调查局等单位在青海木里地区发现天然气水合物，取得了冻土区天然气水合物勘查工作的重大突破，这也是世界中纬度高山冻土区首次发现天然气水合物[5]，这一发现拓宽了人们对天然气水合物分布范围的认识。青藏高原腹地沱沱河地区位于唐古拉山北麓、长江源头沱沱河一带，区内海拔在4800m以上，属河流-冰川侵蚀的高山-极高山区，是我国重要的冻土区，侏罗系海相含油层系为天然气水合物的形成提供了物质基础。近年来青藏—祁连地区因其特有的成藏地质条件成为陆域天然气水合物勘探的重要区域，区内自然条件恶劣，常规地质工作开展困难，而遥感技术在这类地区的地质研究中则具有快速、经济、便捷的优势。尤其是高光谱遥感技术，凭借其光谱细分的特质在油气烃类微渗漏的遥感识别中更能发挥重要作用。本文以沱沱河地区为研究区，以天宫1号数据为信息源，在标准影像图制作基础上，针对性地进行条带误差去除、地物光谱重建等图像预处理，开展本区天然气水合物烃类微渗漏蚀变异常信息提取，提取了碳酸盐矿物、黏土矿物、二价铁离子矿物及烃类物质等异常信息，为该区天然气水合物勘探提供依据。

1.天宫1号数据特征及预处理

(1)天宫1号数据特征

天宫1号是我国首个以获取地面数据为目的的高光谱空间目标飞行器，搭载了先进的高光谱成像仪、空间环境探测仪等，运行在倾角约43°的近圆形非太阳同步轨道上。

(2)天宫1号数据预处理

在进行天宫1号数据预处理时，除了进行几何精校正、图像镶嵌、云等干扰物掩膜等常规预处理外，还针对性的开展了条带误差去除以及地物光谱重建等图像预处理工作。

①条带误差的去除

天宫1号卫星中的地物电磁辐射能量在传送到传感器前需要两次穿透累计厚达705km的大气层，在这个过程中大气干扰在一定程度上影响了该数据的质量，造成了遥感图像的条带误差。本区所选用的天宫1号数据在几乎所有波段都存在条带误差，在不同的波段范围条带误差的影响程度有所不同。

去除条带误差时，采用手动法预先剔除了影响严重的波段图像，随后利用傅立叶变换法去除影响较小的波段图像上的条带误差。在傅立叶变换的过程中通过正变换人为干预及改造图像频率域，从而针对性的过滤或压制某些干扰频率，再经过傅立叶反变换法过滤掉图像上的亮条带以达到去除图像条带误差的目的。

②地物光谱重建

通过地物光谱重建可将由传感器获得的辐射亮度（DN值）转化为地物反射率，从而得到地物光谱数据，并在此过程中减轻或消除各类误差现象。本文针对天宫1号高光谱数据的特点，采用了大气辐射校正的方法进行地物光谱重建。

大气辐射校正的具体过程为：首先从图像头文件中获取大气参数，再获取反射率数据，完成光谱平滑处理。在完成大气辐射校正处理后还须对校正后的光谱数据进行验证，方法是通过野外地物实测的光谱特征与图像上相同点上的光谱特征进行比较来验证图像光谱的真实度。本次工作于2022年8月分别在扎木曲、开心岭、斜日贡尼曲、通天河以及沱沱河河谷等区域采集碳酸盐化异常样品9件，黏土矿化异常样品4件，并利用SPEG-ER型便携式光谱测试仪进行了野外样品的光谱测试工作。本文选择了野外实测的碳酸盐及黏土矿物波谱曲线与图像地物光谱重建结果进行了对比，二者具有较好的对应性，满足烃类微渗漏蚀变异常信息提取需要。

2.烃类微渗漏蚀变异常信息提取

烃类微渗漏会对地表岩石或土壤产生一定的蚀变作用，使上覆地层发生红层褪色（三价铁离子还原为二价铁离子）、黏土矿化（长石蚀变为高岭土）及碳酸盐化（二氧化碳遇水生成碳酸形成次生碳酸盐）等蚀变现象，并造成遥感图像光谱曲线上的异常。对蚀变矿物光谱特征的研究是进行烃类微渗漏蚀变信息遥感提取的物理基础，本文对黏土、铁染、碳酸盐等主要蚀变产物特征波谱曲线进行了分析，构建计算模型，提取了碳酸盐矿物、黏土矿物、二价铁离子矿物及烃类物质等信息。

(1)碳酸盐矿物蚀变信息提取

由于方解石、白云石是最典型的碳酸盐岩类矿物，因此选用方解石与白云石的标准光谱曲线与野外实测光谱曲线进行对比分析，作为碳酸盐蚀变矿物光谱曲线分析的依据，经过对比分析，表明光谱曲线特征表现为在1.8μm、2.0μm、2.5μm左右形成反射特征，2.35μm附近呈现吸收特征，如表1所示。

表1 碳酸盐岩矿物反射、吸收位置表

同时碳酸盐矿物波谱曲线通常与植被光谱曲线的吸收、反射区相反，进而造成干扰，因此需要对二者的光谱特征进行详细分析，寻找相反区域，以此区分二者异常信息，剔除干扰，突出碳酸盐矿物的特征。对比分析可知，碳酸盐矿物的1.8μm的反射区对应于植被的吸收区，而2.3μm附近的吸收区则对应于植被的反射区，相差幅度较大，可和植被信息相区分，本次选取1.84μm和2.35μm作为异常信息提取的反射及吸收区域，在天宫一号数据上选取对应波段，其中104波段对应1.84μm反射区，128波段对应2.35μm的吸收区，采用比值处理，提取碳酸盐矿物蚀变异常信息。

碳酸盐矿物蚀变异常信息主要分布本区中侏罗统布曲组（J2b）地层中，其岩性为生物碎屑灰岩、泥晶灰岩，呈条带状较强信息集中分布于灰绿色、灰紫色区域；另在本区西北及西南部的上更新统冲洪积（）地层中呈零星弱信息分布。

(2)黏土矿物蚀变信息提取

高岭石、白云母及蒙脱石是最常见的黏土类矿物，因此选用高岭石、白云母及蒙脱石的标准光谱曲线与野外实测光谱曲线进行对比分析，作为黏土矿物光谱曲线分析的依据，从而确定该类异常信息提取的光谱范围。经过对比分析，表明光谱曲线特征表现为在1.0～1.25μm、1.7μm以及2.13μm形成反射特征，在1.4μm及2.2μm附近呈现吸收特征。

黏土类矿物波谱曲线通常与植被光谱曲线的吸收、反射区重叠，造成干扰，对比分析表明，黏土类矿物波谱曲线中1.25μm反射区恰好与植被的反射区重叠，因此需要排除该反射区域，而1.7μm以及2.13μm的反射区则与植被的吸收区相对应，可和植被信息相区分。另外，黏土类矿物光谱特征中1.4μm的吸收带与水汽的吸收带相重合，因此应予以剔除。同时黏土矿物波谱曲线1.7μm的反射区对应于二价铁离子及碳酸盐矿物的反射区，2.13μm的反射区则对应于这两类矿物的吸收区。综合分析后选取2.13μm和2.2μm作为异常信息提取的反射及吸收区域，在天宫1号数据上选取对应波段，其中117波段对应2.1μm反射区，121波段对应2.2μm的吸收区，采用比值处理，提取黏土类矿物蚀变异常信息。

黏土矿物蚀变异常信息主要分布在本区中侏罗统夏里组（J2x）地层中，其岩性为杂色碎屑岩，呈条带状较强信息集中分布于红褐色区域；另在本区西北及西南部的上更新统冲洪积（Qp3pal）地层中呈片状集中分布；在东侧的中侏罗统布曲组（J2b）地层中的红褐色区域亦呈条带状分布。

(3)二价铁离子蚀变信息提取

菱铁矿是二价铁离子矿物的典型代表，其波谱曲线具有三个反射区（1.8μm、2.13μm、2.4μm），吸收区在1.0～1.3μm之间。

将菱铁矿的波谱曲线与植被进行比较，第三个反射区与植被曲线相交（2.4μm），前两个反射区则对应于植被的吸收区（1.8μm、2.13μm），可将二者区分开来；再将其与其它矿物相比较，菱铁矿的第二反射区（2.13μm）与其它矿物波谱曲线平行，第一反射区（1.8μm）对应于黏土和碳酸盐矿物的吸收区。因此选择第一反射区（1.8μm）与吸收区（1.0～1.3μm）进行比值运算。

根据二价铁离子矿物的波谱曲线特征选取1.15μm（82波段）和1.8μm（104波段）进行比值处理，提取其蚀变信息。二价铁离子蚀变异常信息主要分布在本区中侏罗统夏里组（J2x）地层中，岩性为杂色碎屑岩，呈条带状较强信息集中分布于灰绿色、灰紫色区域；在东侧中侏罗统布曲组（J2b）地层中的红褐色区域亦呈条带状分布。

(4)烃类蚀变信息提取

烃类波谱曲线有两个明显的吸收位置，在1.725μm处呈单峰式吸收，在2.31～2.36μm处呈双峰式吸收，如表2所示。

表2 烃类吸收特征数据表

将烃类波谱曲线与植被波谱曲线相比较，其第二吸收位置（2.31～2.36μm）与植被的吸收区重合，而第一吸收位置（1.725μm）恰好位于植被的反射区，有利于烃类信息提取；与其他矿物的波谱曲线相比较，烃类的第二吸收位置（2.31～2.36μm）也与其他矿物的吸收区重合，而第一吸收位置（1.725μm）处于其它矿物的反射区，有利于烃类信息提取，因此我们选择第一吸收位置作为比值运算的波段。烃类波谱曲线1.5μm之前的反射区位于植被和其它矿物的反射区，不利于烃类信息的提取，因此选取2.0μm处的反射区进行比值运算，该区域正好位于其它矿物和植被的吸收区。

最终选择的是1.725μm的吸收区（101波段）和2.07μm的反射区（114波段）进行计算，提取烃类蚀变信息。烃类异常信息主要分布于本区中侏罗统布曲组（J2b）及中侏罗统夏里组（J2x）地层中，呈条带状信息分布于灰紫色及红褐色的边缘区域。