化探遥感技术在塔北油气勘查中的应用

侯卫国

（新星石油公司西北石油局规划设计研究院　乌鲁木齐　830011）

摘要　油气藏上方烃类微渗漏可引起近地表物质的物理与化学性质变化，形成地物反射光谱特征异常，这为遥感技术直接探测油气藏提供了可能。笔者以地物波谱测试、TM、NOAA卫星资料为信息，以石油地质理论和烃类垂向微渗漏理论为指导，阐述了塔里木盆地北部地区应用化探遥感技术寻找油气藏的方法及应用效果。

关键词　化探遥感技术　油气晕　地物波谱测试　TM、NOAA卫星资料　塔里木盆地北部

1972年陆地卫星一号（Landsat-1）入轨之后，揭开了现代遥感技术用于地球资源调查的序幕，并很快用于油气资源勘探。

早期遥感技术在油气勘探中的作用主要是提取遥感影像的线形体、环形体，进行区域性构造解释及盆地与构造区带的含油气远景评价。随着油气化探方法研究的深入，发现油气藏上方烃类垂向微渗漏可引起近地表物质的物理与化学性质变化，形成地物反射光谱特征异常。这种异常表现为波谱特征吸收峰或反射峰的位置偏移或强度增减，在遥感图像上为不同的能量数值即灰度变化，这为遥感技术探测油气藏提供了可能。因此，发掘遥感资料中直接与油气有关的信息，已成为遥感技术在油气勘查中的一个重要方向。笔者将利用遥感资料直接探测油气信息的方法，称为化探遥感技术。

本文以塔里木盆地北部为研究区，以地物波谱测试、TM、NOAA卫星资料为信息，以石油地质理论及油气藏上方烃类微渗漏理论为指导，阐述了化探遥感技术寻找油气藏的方法及应用效果。

1　地物波谱特征

1.1　样品采集

地表表土是由各种矿物成分构成的，其光谱特征与单矿物光谱特征有所不同。它是各种矿物光谱的综合反映，油气藏上方表土光谱特征对于研究探讨遥感油气晕机制具有重要意义。一般地表土壤的光谱特征主要受以下几个因素的影响：①有机质含量，含量高则反射率低；②铁含量，不同价态的铁在相当程度上影响着表土的颜色；③粘土矿物类型与含量；④表土粒度，粒度越小，反射率越高；⑤水含量直接影响着反射率的高低。因此，我们需要通过表土波谱特征的研究，分析烃类微渗漏晕的标志特征，来进一步确定利用TM图像等探测油气异常的可行性。

在塔北地区我们进行了野外地貌、景观、植被、地质调查，在各种典型地貌区，采集了54个表土样品，样品均匀地覆盖了塔北地区。

1.2　波谱测试

在室内利用美制IRIS红外智能波谱仪对采集的表土样品进行了反射波谱测试。IRIS波谱仪的光谱范围在0.3～3.0μn之间，覆盖了TM图像除6波段以外几个波段的光谱范围。

采集的54个样品根据其粒度和成分大致分为六大类，其样号与光谱曲线如图1所示。

图1　塔北地区地物样品光谱曲线图　Fig.1　The Spectrum of sample of ground object in Northern Tarim

图中横坐标表示波长，每小格单位0.1μm；纵坐标表示反射率，单位％。图中6个黑块所示区间从左向右分别是TM1、2、3、4、5、7波段的光谱检测范围

几乎所有样品的1.4μm和1.9μm的吸附水谱带都很清楚，个别样品的1.9μm谱带不显著。0.9μm和0.45μm附近的三价铁谱带也较明显，0.7μm附近的三价铁谱带在有的样品中也能够分辨出来。在0.5～0.6μm的TM2波段范围，当样品中含有一定的二价铁时，其斜率较大，反射率低，这通过样品野外产状得到了很好的证明。样品采于邻近绿洲、有机质含量高的地区时，二价铁含量少，就会出现较缓的斜率；而化学风化弱，物理风化强的沙土或沙砾样品，含有较多的二价铁，则出现较陡的斜率。TM5波段范围内基本上都是反射平台，没有大的变化，但有几个样品在1.725μm附近有一个微小的谱带，应该是烃类的特征，这些样品基本都采于含有机质土壤草甸附近。2.2μm的谱带是典型的羟基谱带，2.35μm的谱带的成因较复杂，有可能是镁与羟基形成的，也可能是碳酸根的谱带，亦可能是烃类的谱带，但几乎所有样品均有该谱带，甚至纯粹的沙漠流沙也具有该谱带，因此更可能是包含了较多的碳酸盐物质的光谱。

这些光谱特征表明TM7、5波段直接与烃类物质的光谱特征有关。TM7波段均有较强的特征，也有较强的干扰，但是其中的干扰因素，又往往是烃类微渗漏的产物，如碳酸盐、粘土矿物。因此，TM7是提取油气信息的重要波段，同时表明其它几个波段也记录了与油气相关的信息。

综上所述烃类微渗引起的诸种异常中，烃类异常、粘土异常、碳酸盐异常、铁离子异常都在TM图像的探测波段范围内，而植被作为地表最典型的覆盖物，是遥感图像上最突出的地物，因此植被如果存在异常，遥感图像上就能够立即反映出来。热惯量异常经过大量实测研究表明确实存在，而TM6波段是记录热信息的波段，许多研究者认为它应该是直接检测油气异常的最佳波段。我们的研究表明在塔北地区TM6波段并不能准确反映油气信息，这是由于陆地卫星TM成像时间是在上午9点左右，这时太阳已经升起，而盆地内地形平坦，太阳光直射，强烈地改变了地表的温度分布情况，因此地表的温度场发生了变化，已不能反映油气藏引起的微弱温度异常。

2　卫星影像资料及影像数字镶嵌

2.1　主要卫星影像资料

这里主要采用美国发射的Landsat陆地资源卫星影像资料。该卫星有两种传感器，即多光谱扫描仪（MSS）和主题绘图仪（TM）。前者的光谱分辨率较低，空间分辨率也较小，像元大小为80m×80m，后者的光谱分辨率和空间分辨率都较高，像元大小可达30m×30m。目前TM遥感图像是我国使用最广泛的遥感源，其光谱范围与主要用途如表1所示。

此外还有NOAA气象遥感卫星资料，它的特点是以近红外波段为特点，探测温差的性能特别好，但空间分辨率低，像元大小为0.8km×0.8km，具有覆盖面积大的优点。

在研究中，我们采用的卫星影像以TM遥感图像为主，NOAA卫星影像为辅。

2.2　卫星影像数字镶嵌

计算机图像处理是遥感技术直接找油的关键。为了有效的提取油气信息，对卫星数字影像镶嵌图的制作提出了以下技术要求：

（1）根据遥感油气勘查的要求，塔北地区图像比例尺为1∶20万。为了提取烃类微渗漏晕标志信息，重点研究区比例尺适当放大。

表1　TM图像7个波段的光谱范围　Table1　The Spectral scope of 7 bands in TM image

(2）图像无几何畸变，并符合相应比例尺的地图投影方式，能够与1∶20万地理底图扣合。1∶20万地图的投影方式为墨卡托投影。由于塔北经度范围跨越了3个六度带，东西两端图像之间存在着明显的几何误差，因此对图像进行几何校正是整个镶嵌工作的基础。

（3）图像之间无接缝，即要求颜色自然过渡。由于各景图像具有不同的成像时间，加上传感器的随机漂移，图像之间必然存在着一定的灰度差异，所以进行必要的灰度变换处理，消除差异极为重要。

（4）图像的波段合成方式合理，能够满足后续研究的需要。遥感图像是通过以三个波段图像分别作为红、绿、蓝三色进行合成得到的，因此选择合理的合成方式是镶嵌图成败的关键。根据对油气波谱特征的研究，我们采用了TM753的合成方式。

总之必须使镶嵌图的颜色尽可能一致，几何误差尽可能小，才便于后续的地质解释和分析研究。

3　油气信息图像提取技术

遥感图像的灰度范围比窄，如果直接进行合成显示，将无法识别其细节信息。另外，遥感影像是地表发射光谱的真实记录，它包含了各种各样的信息，一些地表物性会干扰油气信息，如水体、植被、人类活动等都会不同程度地影响图像油气信息反映的质量。因此，必须进行遥感图像处理，来压抑各种干扰，突出油气信息。我们主要采用了以下几种方法。

（1）最佳波段选择。根据前述的地物波谱分析，我们认为TM3、5、7波段是反映油气的最佳段。

（2）植被指数。这是一种根据植被在可见光和近红外波段反射率的差异，利用其比值直接反映植被发育强度的算子。经过试验，TM图像地塔北地区采用

效果较好。

塔里木盆地北部油气田勘探与开发论文集

（3)KL变换。KL变换实际上就是因子分析，它是利用多个波段图像构成的变量空间，先计算出波段间的协方差矩阵A

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然后求出协方差矩阵A的特征向量矩阵B和特征值矩阵C

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C=(C₁,C₂…C_p）

按特征值从大到小对特征向量排序，每个特征向量代表新的因子。再利用特征向量作为生成新因子的线性转换方程系数，计算每个像元的新因子得分，得到因子图像。

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因此有几个原因图像，就可以得到几个因子图像。因子的重要性和信息含量可由它对应的特征值大小反映出来，特征越大，则该因子越重要。KL变换主要用于压缩变量，提取与反映油气信息。

（4）对比度增强。塔北TM图像中，各波段的亮度都没有充满0～255范围，图像的对比度都比较小，人眼区分其细节很困难，因此必须进行对比度增强。类似的方法较多，我们采用的主要方法有：

①线性拉伸。即将遥感图像的有效灰度范围从其原来的值域线性拉伸到新的值域，从而增加图像的反差对比度，其特点是不改变各灰度之间的相对比例，具体公式为

H=(G-G_min）(H_max-H_min)／(G_max-G_min)＋H_min

其中，H为新灰度，H_max为新灰度上限，H_min为新灰度下限，G为原灰度，G_max为原灰度变换上限，G_min为原灰度变换下限。利用不同的变换上下限，可以将感兴趣的灰度范围的信息增强提取出来。

②对数拉伸。将遥感图像的有效灰度范围从其原来的值域按对数拉伸到0～255，从而增加图像反差对比，其特点是增强低灰底区间的信息，压缩高亮度区间的信息，公式为

H=a+blg(G）

其中，H为新灰度，G原灰度，a、b为系数。

③指数拉伸。将遥感图像的有效灰度范围从其原来的值域按指数拉伸到0～255，从

而增加图像反差对比，其特点是压缩低灰度区间的信息，增强高亮度区间的信息，公式为

H=a+bexp(G）

其中，H为新灰度，G为原灰度，a、b为系数。

④直方图均衡化。它是将原图像直方图变换成为均匀分布直方图，来对图像进行增强处理的方法。它的特点是能够将原图像灰度分布密集的区间拉开，而将灰度分布稀疏的区间适当压缩，从而得到对原图灰度各部分细节都能够良好反映的新图像。其具体方法是利用原图求灰度概率分布，公式为

P_k=N_k/N

其中，k是灰度级别，等于0,1，…，L;L+1是灰度级数；N_k是图像中具有k级灰度的像元总数；N是图像像元总数。则直方图均衡化的变换式为

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利用该式对图像逐变换，得到的图像具有均匀分布，因此称为直方图均衡比。

（5）比值处理，即图像除法。其特点是能够消除地形的影响，增强同类地物的信息强度。通常采用R_TM7/R_TM5提取油气信息。研究中发现，由于塔里木盆地内地形起伏较小，因此地形对同类地物灰度的影响并不明显，同时对油气的反映也并不突出。

（6)ISH色度坐标变换。它是在三个波段图像构成的红、绿、蓝三色空间，通过坐标变换，将三色空间变换到由亮度、饱和度、色度构成的空间，这样得到的新图像具有明确的物理意义。

（7）土壤指数。为了消除植被影响，提取土壤类型信息，可以通过土壤指数 S1(soil index）来增强土壤信息。对TM图像，我们采用下式计算土壤指数

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其中max和min分别表示最大值、最小值。

4　应用实例

经过与已知油气藏进行反复的对比研究，我们确定塔北地区遥感油气信息图像表现为一种“雾状”色晕，称之为油气晕异常。油气晕的特征为：以暗灰色为基本色调，有时偏黄、有时偏绿，但颜色都不深；晕的边界不明显，呈模糊过渡特点。如果边界明显则不是油气晕，而是地表信息；晕中存在晕色中心，经常可见在晕区内有一个或几个晕色较深的暗点，晕色从这些晕色中心向外围逐渐减弱、变淡。

利用油气晕特征，我们在塔北圈定了一批遥感油气晕异常，并结合相关资料进行综合研究。下面介绍一个典型实例。

图2中的b是大涝坝—丘里地区油气晕图像，图2中的a是该区通过地震揭示的构造与圈闭分布图。对比两图，可发现它们之间的相似之处。大涝坝2号构造呈较完整的圆形，图像上的暗灰晕色也为较完整的圆形。丘里构造为一个南部被东西向亚南断裂截断的半圆形，在遥感图像上也表现为一个清晰的半圆形，不仅空间位置相同，形态也基本一致。而且，遥感图像还显示出许多精细结构，如丘里油气晕内还存在着晕色的变化，很可能反映了油气圈闭形态的细节信息。值得一提的是，在我们圈定了大涝坝、丘里油气晕异常10个月之后，两个圈闭经钻探均获得了工业油气流，证明了油气晕的真实性。此外，在控制丘里半圆形油气晕的断裂南侧，也存在色调较浅的晕色，但它具有较宽广的散布区，晕中心不明显，因此其油气意义需要进一步深入研究和证实。

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5　结论

化探遥感油气勘查技术是一项经济、快速且潜力很大的综合预测技术。由于它能够直接探测油气信息，因此不仅能够对地面工作困难的地区进行油气远景评价，而且对非构造圈闭也有相同的探测能力，还可直接圈定有利的油气勘探靶区。在塔里木盆地这种特殊的地质环境下，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]徐忠祥等．塔里木盆地雅克拉地区油气地球物理地球化学异常系统研究．北京：中国地质大学出版社，1999

[2]郭德方．遥感技术直接找油理论基础及其实践．环境遥感，1995,10(1)

Application of geochemical and remote-sensing technology to the exploration for oil and gas in northern Tarim basin

Hou Weiguo

(Academy of planning and designing, Northwest Bureau of Betroleum Geology，Ürümqi 830011)

Abstract: A microabsorbent of hydrocarbons,which is above the oil and gas pools, can lead to the change of surface matter on physical and chemical characteristics and form the abnormality of reflective spectrum on the characteristics of surface matter. It provides a possibility for direct detection the oil and gas pools by mean of remote-sensing technology. According to the data of the spectral test surface matter,the TM、NOAA satellite,the theory on petroleum and geology and the vertical microabsorbent of the hydrocarbons, the auther set forth the method of finding the oil and gas pools in northern Tarim Basin by mean of geochemical and remote-sensing technology and it's effect.

Key words:geochemical and remote-sensing technology　oil-gas halo　wave spectrum of surface matter　data of TM　NOAA satellite　northern Tarim basin