吉木薩爾南部地區航空高光譜遙感油頁巖找礦模型構建與預測研究

王少帥 汪冰 張恩 董雙發 鄧國武 盧輝雄 馮博 范芳 程旭

（核工業航測遙感中心 石家莊 050002）

一、引言

近年來，基于油氣藏烴微滲漏原理的高光譜遙感信息提取技術，在油氣勘探領域應用日益廣泛。趙欣梅[1]、張天宇[2]采用衛星高光譜Hyprion數據在柴達木盆地、黃土高原成功進行油氣田預測；白曉寅[3]在鄂爾多斯盆地建立星（高光譜遙感）—地（地表物化探）一體化的油氣立體勘查體系；劉德長[4]利用機載高光譜CASI/SASI數據建立了油氣滲漏信息的識別模型并研發了適合油氣信息填圖的波段分類提取方法，在新疆準格爾盆地和伊犁盆地成功進行油氣探測；鄭鴻瑞[5]、劉佳[6]協同利用高光譜SASI數據與多光譜遙感數據進行油氣異常信息提取并相互驗證，提高了油氣異常信息的提取精度。現階段油氣異常信息提取所使用的數據大多在可見光—短波紅外波段[7-12]，而熱紅外波段的數據使用較少。

本次研究以“熱紅外高光譜礦化蝕變信息提取方法研究與應用示范”項目為依托，在綜合研究吉木薩爾南部地區地質礦產特征的基礎上，利用航空高光譜熱紅外數據（TASI）與短波紅外數據（SASI）對區內烴及相關蝕變信息進行提取，結合地面光譜測量，對典型油頁巖礦床進行剖析，建立基于航空高光譜的油頁巖找礦模型，并進行找礦預測，取得了較好的應用效果。

二、油頁巖成礦地質背景

研究區位于準噶爾盆地東南部[13]，大地構造屬于準噶爾地塊，主體跨及三臺凸起與博格達山山前斷褶帶兩個四級構造單元。

研究區地層屬于南準噶爾－北天山地層分區的吉木薩爾地層小區，主要出露中上二疊統至新生界（圖1）。區內地層近北西向展布，呈向北東傾伏的單斜構造，各層巖性特點差異較大。

蘆草溝組（P2l）主要巖相為瀉湖相，巖性為灰黑、黑色、褐灰色頁巖、油頁巖、粉砂巖夾白云巖、泥巖和少量砂巖；泉子街組（P2q）為河流相、山麓洪積相沉積，巖性為紫紅色、黃綠色礫巖夾泥巖、粉砂巖及少量砂巖；梧桐溝組（P2wt）巖性為棕色、灰色粉砂巖、砂巖；韭菜園子組（T1-2j）巖性為紫紅色泥巖、灰綠色巖屑砂巖、粉砂巖不均勻互層；燒房溝組（T1-2sh）巖性為紫紅色、灰紫色夾灰綠色巖屑砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖夾少量砂礫巖；小泉溝群（T2-3x）巖性為灰色、褐灰色、黃綠色泥巖、砂質泥巖與粉砂巖、細砂巖互層；八道灣組（J1b）巖性為灰綠色砂巖、礫巖、泥巖夾煤層或煤線；石樹溝群（J2-3s）巖性為灰綠、灰黃色細砂巖、紫紅色砂巖、泥巖；昌吉河群（N2ch）巖性為礫巖、砂巖、泥巖、砂質泥巖、粘土巖；第四系洪積層和風積層以戈壁碎石、黃色砂土為主。

區內上二疊統蘆草溝組是油頁巖的賦礦層位。該組地層形成于殘留海封閉后的咸化湖盆沉積環境，為一套巖性較細的深湖相沉積，形成于高位體系域時期，具有由敞流湖盆逐漸變為閉流湖盆，水體逐漸咸化的特點。這種特定的沉積背景，即咸化的還原—強還原環境和高豐度、優良的生烴母質，使有機質在成熟早期大量生烴和排烴，并形成低成熟致密油。蘆草溝組巖層既是一種有強生烴能力的烴源巖，又具備良好的儲集性能，對有機質的富集和保存起到了至關重要的作用，組內各種巖性巖石不均勻分布導致致密油呈非均質性的分布特征。因此，研究區內蘆草溝組烴源巖具有就近運移、自生自儲的“源儲一體”層控成藏特征[14-19]。

三、航空高光譜數據特征及蝕變信息提取

3.1 航空高光譜數據（SASI/TASI）特征

采用的航空高光譜遙感數據有兩個波段，短波紅外波段（0.95～2.45μm）與熱紅外波段（8～11.5μm）。數據由加拿大ITRES公司研制的機載短波紅外高光譜成像系統（SASI）與機載高光譜熱成像系統(TASI)獲取。

航空高光譜數據SASI/TASI不僅具有連續成像的能力，而且具有高光譜分辨率與較高幾何分辨率[13,20]。SASI數據光譜分辨率為0.015μm，在0.95～2.45μm短波紅外光譜區間共有100個小波段（表1），能夠識別鐵、錳等元素的氧化物和氫氧化物，含羥基的硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物和部分水合硫酸鹽礦物。TASI數據光譜分辨率為0.125μm，在8.0～11.5μm熱紅外光譜區間共有32個小波段，能夠識別硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、氫氧化物等礦物。兩種數據的幾何分辨率均較高，能夠對地物進行精細識別。利用兩種數據聯合進行蝕變信息提取，不僅拓展了礦物識別的種類，而且能獲得豐富的地面光譜信息。

表1 SASI/TASI機載成像光譜儀主要技術參數

3.2 航空高光譜蝕變信息提取

微滲漏的烴類及其伴生物會引起烴組分含量異常和烴類蝕變產物異常，蝕變產物異常包括碳酸鹽化、粘土礦化。這些蝕變異常在遙感探測中均會產生特定的光譜特征曲線，可以作為蝕變異常的診斷性光譜特征[21-24]。

表2 高光譜蝕變信息提取數據選擇對比分析

在短波紅外波段（表2），由于烴類、粘土礦物、碳酸鹽類礦物在2.35μm處的特征吸收峰存在重疊，粘土礦物與水在1.4μm處的特征吸收峰存在重疊，單獨使用SASI數據對粘土礦物與碳酸鹽類礦物進行信息提取存在一定程度的不確定性；而在熱紅外波段，粘土礦物與碳酸鹽類礦物均有特征峰存在。因此，聯合使用TASI數據對粘土礦物與碳酸鹽類礦物進行信息提取，來彌補SASI數據的提取結果，從而提高了蝕變礦物信息提取結果的準確性。

采用航空高光譜數據提取烴及蝕變礦物信息首先要進行數據預處理。SASI數據預處理包括幾何校正和大氣校正，得到短波紅外波段的反射率數據；TASI數據預處理包括輻射校正、大氣校正、溫度/發射率分離，得到熱紅外波段發射率數據。隨后使用“沙漏”技術流程對得到的反射率數據與發射率數據進行處理，最終獲取到研究區的各種蝕變礦物信息[25]。

四、航空高光譜蝕變信息特征

研究區內共提取4種航空高光譜蝕變礦物信息，分別為烴、白云石、高嶺石、蒙脫石（圖2）。這四類蝕變礦物信息主要分布在研究區基巖裸露—半裸露區，多沿北西向地層走向展布。由于地層中巖石及蝕變礦物成分的差異，以及局部受第四系沖溝及風成砂等因素的影響，研究區蝕變信息具不連續的帶狀分布特征。

區內烴類信息主要分布在上二疊統蘆草溝組地層出露位置，沿地層走向呈北西向展布，與地層中含油頁巖關系密切。所提取的烴類信息在該組地層中呈星點狀、團塊狀分布，與該組地層中具有儲集致密油性能的巖性礦物非均質分布相關。在農業用地區，所提取的“烴類”信息呈大面積片狀、規則形狀分布，這與農田中有機質、人工覆膜中烴類聚合物相關，與烴微滲漏無關。

白云石蝕變礦物信息主要分布在上二疊統蘆草溝組出露及附近位置，呈星點狀、片狀分布，與含油頁巖地層中烴微滲漏產生的碳酸鹽類蝕變礦物關系密切。在第四系中白云石蝕變礦物呈大面積片狀、斷續線狀分布，這與人類工程活動中使用、堆放碳酸鹽類礦物相關，與烴微滲漏無關。

蒙脫石與高嶺石為粘土礦化蝕變礦物，兩種蝕變信息多呈疊加出現，其分布特征分兩種狀態：在泉子街組、梧桐溝組、燒房溝組、八道灣組、石樹溝群以及昌吉河群均呈大面積片狀分布，與上述地層中巖石的局部蝕變及強烈風化有關；在上二疊統蘆草溝組地層中呈星點狀、小團塊狀分布，與該地層中含油頁巖的烴微滲漏產生的粘土礦化蝕變有關。

五、航空高光譜油頁巖找礦模型構建

5.1 油頁巖礦床剖析

研究區內存在已知開采的油頁巖礦床——新疆寶明礦業油頁巖礦，位于研究區西北部。為分析總結油頁巖礦的產出環境、地層巖性特征及光譜特征，對油頁巖開采區進行了實地調查與光譜測量。

油頁巖產于上二疊統蘆草溝組（圖3），巖性主要為泥巖、砂巖、油頁巖、微晶白云巖等，其中上部油頁巖層出露良好，有片狀、瀝青質渦卷狀、薄層狀及砂質油頁巖等4種產狀，以片狀、薄層狀油頁巖為主。油頁巖礦區蝕變發育強烈，以白云石化、高嶺土化蝕變為主。

油頁巖礦床開采區的航空高光譜蝕變礦物信息豐富（圖4）。烴、白云石、高嶺石和蒙脫石這4種蝕變礦物均呈星散狀、小團塊狀分布，并沿蘆草溝組地層呈北西向展布。在已知的三片油頁巖開采區域，均有4種蝕變礦物信息的分布，并且分布較為集中。而沿蘆草溝組地層的非開采地段，蝕變礦物信息分布相對較少，其類型相對單一，重疊分布的蝕變信息一般僅有1～2類。這類現象與含油巖性礦物在該組地層中非均質分布相關，表明非開采地段的地層成礦較差，其含油量較低。這也表明4種蝕變礦物信息集中分布的特征，是尋找油頁巖礦的標志性特征。

利用FieldSpecProFR光譜儀與102F便攜式傅立葉變換熱紅外光譜儀針對油頁巖開采區進行地面光譜測量。通過地面光譜測量結果分析，油頁巖礦與圍巖光譜特征存在一定差異，具有典型的診斷光譜特征。

油頁巖在短波紅外波段（圖5）1.72～1.73μm處有一小吸收峰，峰形較小，為烴的光譜吸收峰特征，2.26～2.36μm區間有2個吸收峰，峰位位于2.31μm、2.35μm，為烴、羥基、碳酸根離子的光譜吸收峰特征；在熱紅外波段8.1～8.8μm、9.2～9.7μm區間均有鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.1μm、11.5μm處見明顯吸收峰，為碳酸鹽類礦物的特征峰。地面光譜測試反映油頁巖具有烴類信息，且含油量較高，同時發育粘土化、碳酸鹽化蝕變。

砂巖夾泥巖在短波紅外波段（圖6）2.26～2.36μm區間有2個吸收峰，峰位位于2.31μm、2.35μm，為羥基、碳酸根離子的光譜吸收峰特征；在熱紅外波段8.1～8.8μm、9.2～9.7μm區間均有鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.1μm、11.5μm處見明顯吸收峰，為碳酸鹽類礦物的特征峰。地面光譜測試反映砂巖夾泥巖發育粘土化、碳酸鹽化蝕變。

砂巖在短波紅外波段（圖7）1.40μm、1.90μm處的吸收峰為巖石中結晶水與結構水的吸收峰，2.20μm處的吸收峰為羥基光譜吸收峰特征；在熱紅外波段8.1～9.8μm區間存在較寬的鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.2μm有一小吸收峰，為碳酸鹽類礦物的特征峰。地面光譜測試反映砂巖發育粘土化與弱碳酸鹽化蝕變。

綜合剖析資料，新疆寶明油頁巖礦床的航空高光譜礦化蝕變信息分帶特征明顯：在油頁巖區以烴類信息為主，其次發育白云石化；油頁巖兩側砂巖夾泥巖與砂巖區多發育有高嶺石化、蒙脫石化，以及少量白云石化蝕變。

5.2 油頁巖找礦模型構建

依據油頁巖礦床航空高光譜蝕變信息特征、地面光譜特征，結合區域成礦地質條件及成礦規律，建立基于航空高光譜遙感的油頁巖找礦模型為（表3）：標志性蝕變組合（烴+白云石+高嶺石+蒙脫石)+含油地層（上二疊統蘆草溝組）。

表3 吉木薩爾南部地區航空高光譜遙感油頁巖找礦模型

六、找礦預測應用

根據吉木薩爾南部地區航空高光譜遙感油頁巖找礦模型，結合該區地質背景、蝕變礦物分布特征，選取外圍區域開展找礦預測，并結合地面調查與光譜測量分析，新發現油頁巖找礦有利區（圖8）。

預測區位于已知油頁巖開采區南東約3km，區內出露上二疊統蘆草溝組，航空高光譜蝕變礦物組合為“烴+白云石+高嶺石+蒙脫石”，蝕變礦物信息呈星點狀、小團塊狀分布，且多疊加出現。經地面調查與光譜測量分析，在預測區發現了3處與油頁巖開采區相似的地段，巖石樣品地面光譜特征與已知油頁巖開采區的光譜特征對比分析如下：

在短波紅外波段（圖9）Y01、Y02、Y03樣品與油頁巖礦石樣品J01的反射率波譜曲線特征極為相似，在1.72～1.73μm處均有吸收峰，為烴的光譜吸收峰特征，2.26～2.36μm區間的吸收峰，為烴、羥基、碳酸根離子的光譜吸收特征，由于測量曲線噪聲較大，2.55μm處未見碳酸根離子的吸收特征。表明預測區樣品含烴且發育有粘土化、碳酸鹽化蝕變。

在熱紅外波段（圖10）4個樣品的發射率波譜曲線總體趨勢基本相似，8.1～8.8μm、9.2～9.7μm區間均有鋸齒狀吸收峰，為高嶺石、蒙脫石的特征峰，11.1μm處為碳酸鹽類礦物的特征峰，11.5μm處未見明顯吸收峰。表明預測區的巖石樣品發育有粘土化、碳酸鹽化蝕變。

根據預測區的調查結果表明：航空高光譜蝕變組合“烴+白云石+高嶺石+蒙脫石”是本區油頁巖找礦標志，其中烴、白云石為找礦提供直接指示作用，高嶺石與蒙脫石在一定程度上反映了與烴微滲漏相關蝕變的分布范圍。

七、結論

（1）利用航空高光譜SASI/TASI遙感數據聯合提取與油頁巖相關的烴及蝕變礦物信息，二者有效結合提高了粘土化、碳酸鹽化蝕變信息的可靠程度，客觀反映了油頁巖礦床的高光譜遙感特征。

（2）基于航空高光譜遙感數據（SASI/TASI）建立的油頁巖找礦模型“標志性蝕變礦物（烴+白云石+高嶺石+蒙脫石）+含油層位（上二疊統蘆草溝組）”，對于該區及其臨近區域尋找油頁巖礦床具有很好的指導意義。

（3）基于航空高光譜遙感技術開展油頁巖找礦預測的工作方法，對于應用高光譜遙感找礦具有參考價值。