基于烴類微滲漏的油氣異常信息提取及遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測
——以中非Salamat盆地為例

肖晨超，吳小娟，汪大明，褚永彬

(1.自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048；2.中國自然資源航空物探遙感中心,北京 100083；3.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 610225；4.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037)

0 引言

能源資源是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。石油、天然氣作為不可再生資源，其利用和開發(fā)應(yīng)用已成為國計(jì)民生的重要內(nèi)容。我國在積極開發(fā)國內(nèi)油氣田的同時，也在加大國際油氣開發(fā)合作力度。中西非剪切構(gòu)造帶位于非洲中部，西起幾內(nèi)亞灣，向東穿過喀麥隆、乍得、中非共和國進(jìn)入蘇丹，長達(dá)2 000余km，是一個巨大的巖石圈轉(zhuǎn)換剪切帶。沿?cái)嗔褞б来畏植剂薒ake Chad，Madiago，Bongor，Doba，Doseo，Salamat和Baggara盆地，其中乍得境內(nèi)的Bongor，Doba和Doseo等盆地的油氣勘探和開發(fā)已取得實(shí)質(zhì)性突破[1-3]。位于中非境內(nèi)的Salamat盆地具備類似的石油地質(zhì)條件[4-5]，圈閉構(gòu)造可靠，蓋層條件優(yōu)越，成油氣藏的可能性很大，具有較大的油氣資源勘探潛力。然而由于待勘探開發(fā)油氣田區(qū)的地質(zhì)、地貌復(fù)雜，野外工作較難開展，工作人員的人身安全難以得到有效保障，所以傳統(tǒng)的油氣勘探方法(如地震勘探、重磁力勘探、地球化學(xué)勘探和地球物理測井法)實(shí)施困難。

國內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，大部分油氣藏的烴類物質(zhì)在向地表運(yùn)移過程中會引起油氣藏上方的物質(zhì)發(fā)生變異，產(chǎn)生某些理化異常，如土壤黏土化、碳酸鹽化、紅層褪色、低價鐵富集、植被異常和熱異常等現(xiàn)象[6-13]。這些異常信息可以通過遙感手段進(jìn)行感知、解譯。隨著傳感器和計(jì)算機(jī)影像處理技術(shù)的快速發(fā)展，遙感油氣探測技術(shù)逐漸成熟。與傳統(tǒng)的油氣勘探手段相比，遙感技術(shù)可以在不接觸地物的情況下獲取油氣地表異常信息，且具有大面積同步觀測、高效、低成本、對險惡地形地貌的適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)勢[14-16]。

目前常用的遙感找油方法主要是通過處理可見光-近紅外(VNIR)/短波紅外(SWIR)波段數(shù)據(jù)，解譯蝕變礦物異常和植被光譜異常信息，確定油氣藏疑似區(qū)。利用熱紅外波段反演地表溫度異常找油的研究尚不多[13,16-17]。本文以中非Salamat盆地為研究區(qū)，利用ASTER VNIR/SWIR波段數(shù)據(jù)提取區(qū)內(nèi)黏土類、碳酸鹽類和鐵離子類礦物蝕變信息；并利用熱紅外波段解譯地表溫度異常，與蝕變礦物信息相互補(bǔ)充驗(yàn)證；最后結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)條件、油氣成藏控制因素及地震資料，評價研究區(qū)含油氣性，預(yù)測油氣遠(yuǎn)景區(qū)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)Salamat盆地位于中西非斷裂帶中部，共劃分為5個構(gòu)造單元，如圖1所示。區(qū)內(nèi)整體地形比較平坦，平均海拔為400～500 m。由于缺少地形起伏，導(dǎo)致在雨季大范圍濕地發(fā)育，地貌以稀疏叢林及季節(jié)性河流沼澤為主，難以開展地面油氣勘查工作。Bahr Aouk河是區(qū)內(nèi)一條主要河流，并且是乍得與中非共和國的邊界線標(biāo)志。該盆地屬于熱帶草原氣候，年均氣溫為26℃，晝夜溫差較大。每年5—10月份大部分地區(qū)為雨季，年降雨量為1 000 mm左右，11月中、下旬—次年4月中、上旬為旱季。

圖1 研究區(qū)位置及Salamat盆地構(gòu)造示意圖Fig.1 Study area location and Salamat Basin structure

通過收集分析Salamat盆地地質(zhì)資料、物化探資料[4]得知，研究區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)復(fù)雜，斷層非常發(fā)育，具有雙斷式結(jié)構(gòu)。根據(jù)基底結(jié)構(gòu)、地層殘余厚度以及區(qū)域大斷層的展布等因素，自北向南將其劃分為北部洼陷帶、中部隆起帶和南部洼陷帶3個大的構(gòu)造單元(圖1)。中部隆起帶向東分為南北兩支，中間形成一個規(guī)模相對較小的東次洼。南北兩洼陷帶是盆地的沉降中心，相對遠(yuǎn)離物源區(qū)，沉積了較厚的深湖相碎屑巖；盆地南北緣和中部隆起帶靠近物源，沉積厚度相對較薄，沉積物以粗粒河流-三角洲相沉積為主。根據(jù)已有鉆井資料分析，Salamat盆地主要烴源巖發(fā)育層段為巴列姆階和阿普第階。中部隆起帶圈閉是油氣運(yùn)移、聚集的主要部位；南部洼陷帶受剪切斷層的影響，洼陷內(nèi)地層向南抬升，因此南部洼陷帶烴源巖生成的油氣以向南運(yùn)移為主。Salamat盆地主力蓋層為下白堊統(tǒng)的湖相泥、頁巖，層位甚至?xí)肯碌桨⑵盏陔A底部和巴列姆階。按照生烴門限2 500 m測算，巴列姆階和阿普第階烴源巖在早白堊世晚期即進(jìn)入生烴階段，在晚白堊世早期達(dá)到生烴高峰，此時大規(guī)模斷裂活動已漸趨停止，各類型圈閉已經(jīng)形成，生成的油氣就近運(yùn)移到附近圈閉，對油氣成藏非常有利。地表礦物成分主要有鉀長石、白云母、伊利石、蒙脫石、高嶺石、方解石、菱鐵礦及黃鐵礦。

中非共和國的油氣勘探活動始于19世紀(jì)70年代。經(jīng)過幾十a(chǎn)的發(fā)展，采用地震、測井、地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探和地球化學(xué)勘探等多種勘探手段，獲取了區(qū)域地層巖性分布和多口探井的信息。然而由于待勘探區(qū)域具有較為復(fù)雜的地質(zhì)、地貌特點(diǎn)，野外工作開展中面臨諸多難題，如地表?xiàng)l件惡劣難以進(jìn)入、工作人員的人身安全難以得到有效保障、工作效率較低等，傳統(tǒng)的勘探手段已不能滿足油氣勘探的現(xiàn)實(shí)需求。遙感技術(shù)的快速發(fā)展為油氣探測提供了新途徑。

2 基于烴類微滲漏的遙感油氣探測

2.1 烴類微滲漏理論基礎(chǔ)

據(jù)全球多家地球化學(xué)勘探公司多年的油氣勘探經(jīng)驗(yàn)，目前世界上至少85%以上的油氣田都存在著烴類微滲漏現(xiàn)象[15]。油氣的地表滲漏有2種表現(xiàn)：①宏觀滲漏是在地表可見的油氣滲漏，用常規(guī)方法即可直接發(fā)現(xiàn)，通常沿?cái)嗔褞Щ虿徽厦姘l(fā)育；②微滲漏是烴類物質(zhì)(如甲烷、輕烷、重?zé)N和不飽和烴等)通過滲透、水動力、擴(kuò)散作用運(yùn)移至地表及近地表大氣中，造成烴組分異常，引起巖層和土壤發(fā)生蝕變反應(yīng)，形成黏土化、碳酸鹽化、植被異常、紅層褪色、低價鐵富集和熱異常等現(xiàn)象。國內(nèi)外專家學(xué)者對這方面的研究也逐步形成了油氣烴類微滲漏理論，并與實(shí)際油氣勘探相結(jié)合，系統(tǒng)地總結(jié)了遙感勘探烴類微滲漏異常的指示標(biāo)志[16-17](圖2)。

圖2 油氣藏?zé)N類微滲漏模型[18]Fig.2 Hydrocarbon microseepage model

一般而言，對于植被稀疏的地區(qū)，不宜將植被異常作為指示標(biāo)志，所以本文著重研究烴類微滲漏導(dǎo)致的礦物蝕變異常和熱異常。

2.2 礦物蝕變異常

烴類物質(zhì)微滲漏到達(dá)地表的液體或氣體中所含的硫化氫和碳?xì)浠衔?，改變了上覆地層的氧?還原環(huán)境，使上覆地層出現(xiàn)一個柱狀的還原環(huán)境，致使長石類礦物蝕變?yōu)轲ね恋V物，形成了與烴類異常密切相關(guān)的黏土礦物富集異常。黏土礦物波譜在2.2 μm附近有很強(qiáng)的吸收谷，并且在近紅外波段反射率較低。如果土壤中含黏土礦物過多，土壤波譜在吸收谷位置就會出現(xiàn)相應(yīng)的低值響應(yīng)特征[19]。滲漏烴經(jīng)細(xì)菌和化學(xué)降解所形成的二氧化碳會使油氣藏上方沉積層及土壤中方解石或其他碳酸鹽沉淀，造成土壤中碳酸鹽聚集，總含量異常。碳酸鹽代表性礦物的碳酸根吸收帶在2.35 μm及2.5 μm附近，利用這一波譜特征可以識別碳酸鹽礦化暈，確定烴類微滲漏的范圍[6]。烴類物質(zhì)滲透、運(yùn)移到地表，改變了地表的氧化—還原環(huán)境，使地層中三價鐵離子被還原成為二價鐵離子，致使地表的紅色巖層褪色；同時形成二價鐵離子富集帶，波譜信息也隨之發(fā)生變化。含二價鐵離子類礦物在1.0 μm處有強(qiáng)吸收特征[20-22]。幾種礦物的波譜曲線見圖3。

(a)黏土類礦物 (b)碳酸鹽類礦物 (c)二價鐵離子類礦物

圖3 黏土類、碳酸鹽類和二價鐵離子類礦物標(biāo)準(zhǔn)波譜曲線(USGS)

Fig.3Standardspectralcurvesofclays,carbonatesandferrousirons(USGS)

國內(nèi)外學(xué)者提出了許多遙感礦物蝕變信息提取方法，目前常用的有波段比值法、主成分分析法、光譜角匹配法和混合像元分解法等[23-27]。波段比值又稱比值增強(qiáng)，其主要作用是增強(qiáng)礦物波譜特征間的微小差別，壓制圖像中乘性光照差異以及地形、陰影的影響，突出礦物的反射、輻射特征，常被用來對多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變異常信息的提取。主成分分析法基于波段間相互關(guān)系，在信息總量守恒的前提下，利用線性變換實(shí)現(xiàn)去相關(guān)性；各主成分分量信息獨(dú)立，代表一定的地質(zhì)意義。光譜角匹配法以已知端元光譜為參考，通過計(jì)算圖像中每個像元光譜與參考端元光譜矢量間的廣義夾角大小來確定光譜間的相似程度，以實(shí)現(xiàn)識別礦物的目的；夾角越小，說明二者的相似程度越高，提取的結(jié)果可靠性越高。然而在實(shí)際應(yīng)用中，多種地物經(jīng)常以混合光譜的狀態(tài)出現(xiàn)，表現(xiàn)在圖像上每個像元包含多種地物波譜信息，混合像元分解法則通過建立線性模型、概率模型、隨機(jī)幾何模型及模糊模型等解算像元中各組分的豐度[28]。

2.3 熱紅外地表溫度異常

油氣藏上方產(chǎn)生熱異常主要有2種原因：①烴類物質(zhì)氧化產(chǎn)生氧化熱；②烴類微滲漏使近地表物質(zhì)熱導(dǎo)率降低、熱容量增大，從而使油氣藏上方的溫度比周邊高出1～3℃。熱紅外數(shù)據(jù)可以收集、記錄地表物體的熱輻射信息，經(jīng)過處理可以反演地表溫度。然而由于大氣效應(yīng)和地表比輻射率等受到諸多條件的限制，在地表溫度反演過程中需要做許多假設(shè)，受限較多，在地?zé)嵝?yīng)、巖性提取等應(yīng)用中可以采用亮度溫度值代替。亮度溫度是指輻射出于觀測物體相等輻射能量的黑體溫度，不用考慮比輻射率的影響，也常用來表述輻射亮度。雖然亮度溫度與地表溫度存在一定的差異，但是由于亮度溫度與地表溫度存在近似線性關(guān)系，所以可以提取出相對異常高溫區(qū)[11]。

3 烴類微滲漏異常信息提取

3.1 遙感數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

本文使用的遙感數(shù)據(jù)源為L1B級ASTER數(shù)據(jù)，獲取于2004年2月4日9:00 am，數(shù)據(jù)質(zhì)量好(圖4)。ASTER數(shù)據(jù)具有14個波段，其中B1—B3為VNIR波段，B4—B9為SWIR波段，B10—B14為熱紅外(TIR)波段，此外還有1個后視單波段，掃幅均為60 km[29]。

圖4 研究區(qū)ASTER B3(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成圖像Fig.4 ASTER B3(R)，B2(G)，B1(B)pseudo color synthetic image in study area

在進(jìn)行礦物蝕變信息提取之前，對ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下預(yù)處理。

3.1.1 去串?dāng)_

黏土類、碳酸鹽類和二價鐵離子類礦物的吸收、反射特征主要在0.4～2.5 μm之間，即ASTER數(shù)據(jù)的B1—B9波段。由于B4波段探測器入射光發(fā)生分散而對B5—B9波段產(chǎn)生影響，致使ASTER數(shù)據(jù)的SWIR波段存在串?dāng)_現(xiàn)象[30-31]。本文采用Crosstalk軟件進(jìn)行去串?dāng)_處理，解決了串?dāng)_效應(yīng)所引起數(shù)據(jù)的反射率失真，從而確保了油氣異常蝕變信息獲取精度。

3.1.2 波段運(yùn)算

ASTER傳感器在VNIR波段與SWIR波段成像時間相差1 s，導(dǎo)致ASTER遙感數(shù)據(jù)在VNIR波段與SWIR波段圖像覆蓋范圍略有不同。利用ENVI軟件中Band Math功能進(jìn)行((B3 GT 0)AND (B6 GT 0))AND ((B5 GT 0)AND (B7 GT 0))波段運(yùn)算獲取全邊框掩模數(shù)據(jù)，再應(yīng)用掩模運(yùn)算使數(shù)據(jù)覆蓋范圍完全一致[30]。

3.1.3 大氣校正

大氣校正采用FLAASH大氣模塊[32-33]。大氣校正前，需要將ASTER數(shù)據(jù)的B1—B9波段DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度數(shù)據(jù)。通過頭文件讀取9個波段的增益參數(shù)，計(jì)算輻射亮度，其表達(dá)式為

Rad=Gain(DN-1)，

(1)

式中：Rad為輻射亮度值；Gain為傳感器增益；DN為亮度值。

3.1.4 去干擾

研究區(qū)內(nèi)的干擾因素主要有陰影、云、水體和植被。經(jīng)過光譜特征分析比對，干擾因素具有不同的波譜特征，本文選取合適的波段組合和運(yùn)算方法(表1)，通過掩模運(yùn)算將干擾剔除。

表1 干擾信息去除方法Tab.1 Removal of interference information

①B1，B2，B3和B9分別為ASTER第1，2，3和9波段反射率值；NDVI為歸一化差值植被指數(shù)；MNDWI為改進(jìn)的歸一化差值水體指數(shù)。

3.2 礦物蝕變異常信息提取

在眾多遙感礦物蝕變信息提取方法中，主成分分析法是多光譜遙感礦物蝕變信息提取較為經(jīng)典的方法[23-25]。根據(jù)幾種黏土類、碳酸鹽類和二價鐵離子類礦物在ASTER波段中的波譜特征，選取不同的波段組合進(jìn)行提取。

高嶺石、蒙脫石及絹云母等黏土類礦物反射率在B1—B4波段隨波長的增加而增強(qiáng)，并在B4波段達(dá)到最大值，同時在B6波段呈現(xiàn)吸收谷的波譜特征。本文選擇B1，B3，B4，B6波段進(jìn)行主成分變換。黏土類礦物蝕變信息所在分量特征為在B4波段貢獻(xiàn)與B3和B6波段相反，且B6波段具有高載荷。

白云石和方解石等碳酸鹽類礦物在B1—B3波段反射率緩慢增加，在B3波段形成較弱的反射峰，并在B5和B8波段有微弱吸收特征。本文選擇B1，B3，B4，(B5+B8)/2波段進(jìn)行主成分變換。碳酸鹽類礦物蝕變信息所在分量特征為：在B3和(B5+B8)/2波段的貢獻(xiàn)與B4波段相反，且因?yàn)檫@4個波段中(B5+B8)/2波段相比其他3個波段吸收幅度較大，具有較高的載荷。

根據(jù)前人的研究，主成分變換對二價鐵離子類礦物蝕變信息的提取效果不是很理想，因此本文采用波段比值法提取二價鐵離子富集信息[27,31]。二價鐵離子類礦物在B1—B5波段反射率漸增，并在B3波段處有微弱吸收特征，故采用(B5/B3)+(B2/B1)波段運(yùn)算提取二價鐵離子類礦物蝕變信息。黏土類、碳酸鹽類和二價鐵離子類礦物蝕變異常信息分布如圖5所示。

(a)黏土類礦物 (b)碳酸鹽巖類礦物 (c)二價鐵離子類礦物

圖5 研究區(qū)黏土類、碳酸鹽類和二價鐵離子類礦物蝕變異常信息

Fig.5Mineralalterationinformationofclays,carbonates,ferrousioninstudyarea

從圖5可以看出，黏土類和碳酸鹽類蝕變礦物分布較一致，強(qiáng)蝕變區(qū)域主要集中在研究區(qū)西南部和西北部，尤其在中部隆起帶與南、北兩側(cè)洼陷帶交界處呈條帶狀分布。二價鐵離子類礦物強(qiáng)蝕變區(qū)域分布相對分散，主要分布于中部隆起帶，在北部洼陷帶西北部和南部洼陷帶東側(cè)也存在片狀分布。

3.3 熱紅外地表溫度異常提取

利用ASTER數(shù)據(jù)受大氣影響較小的B13波段采用單窗算法進(jìn)行溫度反演，獲取地表高溫異常區(qū)，以便與礦物蝕變異常信息相互補(bǔ)充和驗(yàn)證。同樣對B13波段進(jìn)行大氣校正和干擾信息去除等預(yù)處理。

根據(jù)普朗克公式，ASTER熱紅外數(shù)據(jù)的亮度溫度TC計(jì)算公式[34-36]為

TC=C2/λln [C1/(λ5Rad)+1]，

(2)

式中：C1為1.191 1×108W·m-2·sr-1·m-4；C2為1.439×104m·k；λ(B13)為10.6 μm。

研究區(qū)地表亮度溫度分布如圖6所示。

圖6 研究區(qū)亮度溫度分布Fig.6 Brightness temperature in study area

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析(圖7)，亮度溫度最高值為314.07 K，最低值為297.13 K，平均值為307.09 K。全區(qū)54.63%的區(qū)域亮度溫度值在307～310 K之間；其次在304～307 K的區(qū)域，占比為33.40%；310 K以上高溫異常區(qū)的比例為3.74%，主要集中在中部隆起帶和南部洼陷帶東側(cè)。

圖7 亮度溫度數(shù)值統(tǒng)計(jì)Fig.7 Distribution of brightness temperature

4 油氣遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測

由于黏土類礦物與碳酸鹽類礦物異常分布較一致，選取黏土類、二價鐵離子類礦物蝕變異常信息與亮度溫度信息分別作為RGB波段進(jìn)行假彩色合成(圖8)。從圖8可以看出：①黏土類、碳酸鹽類與二價鐵離子類礦物蝕變異常信息重疊區(qū)主要分布在中部隆起帶，與亮度溫度信息在中部隆起帶與北部洼陷帶連接處呈條帶狀重疊，此外在中部隆起帶中西部、北部洼陷帶西北部和南部洼陷帶東部也存在塊狀重疊；②二價鐵離子類礦物與亮度溫度信息重疊區(qū)主要沿中部隆起帶呈帶狀展布，在南部洼陷帶東部也存在片狀分布；③黏土類、碳酸鹽類、二價鐵離子類礦物蝕變異常信息和亮度溫度信息在中部隆起帶和南部洼陷帶存在重疊區(qū)。

圖8 黏土類、二價鐵離子類礦物蝕變信息與亮度溫度信息假彩色合成影像及油氣遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測Fig.8 Pseudo color synthetic image with clays,ferrousion,brightness temperature and oilgas prospecting area prediction

根據(jù)幾種礦物強(qiáng)蝕變異常信息和地表高溫異常分布情況，研究認(rèn)為中部隆起帶含油氣可能性最高，其次為南部洼陷帶，最終在中部隆起帶、中部隆起帶與南、北兩側(cè)洼陷帶的交界帶及南部洼陷帶東側(cè)圈定了5處油氣遠(yuǎn)景區(qū)。結(jié)合常規(guī)油氣探測資料分析，圈定的油氣遠(yuǎn)景區(qū)位于巴列姆階和阿普第階成熟烴源巖分布區(qū)邊緣，是油氣運(yùn)移及聚集的主要指向，生儲蓋組合發(fā)育較好，與常規(guī)油氣地表化探異常也有較好的響應(yīng)。

5 結(jié)論

1)中非Salamat盆地中，黏土類和碳酸鹽類礦物強(qiáng)蝕變區(qū)分布較一致，主要集中在中部隆起帶與南、北兩側(cè)洼陷帶交界處；二價鐵離子類礦物強(qiáng)蝕變區(qū)域分布相對分散，在中部隆起帶、北部洼陷帶西北部和南部洼陷帶東部均有分布；地表高溫異常區(qū)主要集中在中部隆起帶和南部洼陷帶。

2)中非Salamat盆地中部隆起帶和南部洼陷帶油氣開發(fā)潛力較大。據(jù)此，本文圈定了5處油氣遠(yuǎn)景區(qū)，可為Salamat盆地油氣勘探提供參考。

3)由于ASTER數(shù)據(jù)光譜分辨率和空間分辨率有限，無法更加精細(xì)地獲取地物分類及光譜特性，下一步研究將考慮使用高光譜數(shù)據(jù)提取油氣異常信息。