＊歐陽德軒 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)拓寬了人們對天然氣水合物分布范圍的認識。青藏高原腹地沱沱河地區(qū)位于唐古拉山北麓、長江源頭沱沱河一帶，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、便捷的優(yōu)勢。尤其是高光譜遙感技術(shù)，憑借其光譜細分的特質(zhì)在油氣烴類微滲漏的遙感識別中更能發(fā)揮重要作用。本文以沱沱河地區(qū)為研究區(qū)，以天宮1號數(shù)據(jù)為信息源，在標準影像圖制作基礎(chǔ)上，針對性地進行條帶誤差去除、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號數(shù)據(jù)特征及預(yù)處理

(1)天宮1號數(shù)據(jù)特征

天宮1號是我國首個以獲取地面數(shù)據(jù)為目的的高光譜空間目標飛行器，搭載了先進的高光譜成像儀、空間環(huán)境探測儀等，運行在傾角約43°的近圓形非太陽同步軌道上。

(2)天宮1號數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進行天宮1號數(shù)據(jù)預(yù)處理時，除了進行幾何精校正、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厚達705km的大氣層，在這個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，采用手動法預(yù)先剔除了影響嚴重的波段圖像，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。本文針對天宮1號高光譜數(shù)據(jù)的特點，采用了大氣輻射校正的方法進行地物光譜重建。

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校正后的光譜數(shù)據(jù)進行驗證，方法是通過野外地物實測的光譜特征與圖像上相同點上的光譜特征進行比較來驗證圖像光譜的真實度。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型便攜式光譜測試儀進行了野外樣品的光譜測試工作。本文選擇了野外實測的碳酸鹽及黏土礦物波譜曲線與圖像地物光譜重建結(jié)果進行了對比，二者具有較好的對應(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

烴類微滲漏會對地表巖石或土壤產(chǎn)生一定的蝕變作用，使上覆地層發(fā)生紅層褪色（三價鐵離子還原為二價鐵離子）、黏土礦化（長石蝕變?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。對蝕變礦物光譜特征的研究是進行烴類微滲漏蝕變信息遙感提取的物理基礎(chǔ)，本文對黏土、鐵染、碳酸鹽等主要蝕變產(chǎn)物特征波譜曲線進行了分析，構(gòu)建計算模型，提取了碳酸鹽礦物、黏土礦物、二價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準光譜曲線與野外實測光譜曲線進行對比分析，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，進而造成干擾，因此需要對二者的光譜特征進行詳細分析，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。對比分析可知，碳酸鹽礦物的1.8μm的反射區(qū)對應(yīng)于植被的吸收區(qū)，而2.3μm附近的吸收區(qū)則對應(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，在天宮一號數(shù)據(jù)上選取對應(yīng)波段，其中104波段對應(yīng)1.84μm反射區(qū)，128波段對應(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準光譜曲線與野外實測光譜曲線進行對比分析，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。同時黏土礦物波譜曲線1.7μm的反射區(qū)對應(yīng)于二價鐵離子及碳酸鹽礦物的反射區(qū)，2.13μm的反射區(qū)則對應(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號數(shù)據(jù)上選取對應(yīng)波段，其中117波段對應(yīng)2.1μm反射區(qū)，121波段對應(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)二價鐵離子蝕變信息提取

菱鐵礦是二價鐵離子礦物的典型代表，其波譜曲線具有三個反射區(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行比較，第三個反射區(qū)與植被曲線相交（2.4μm），前兩個反射區(qū)則對應(yīng)于植被的吸收區(qū)（1.8μm、2.13μm），可將二者區(qū)分開來；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）進行比值運算。

根據(jù)二價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）進行比值處理，提取其蝕變信息。二價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)進行比值運算，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）進行計算，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）在對典型礦物光譜曲線的分析的基礎(chǔ)上以天宮1號數(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。