隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感傳感器光譜和空間分辨率不斷提升，進(jìn)一步拓展了使用遙感技術(shù)對(duì)煤層氣富集區(qū)進(jìn)行勘查的應(yīng)用范圍，也提升了勘查的精度。本文將從巖礦蝕變方面對(duì)煤層氣富集區(qū)遙感勘查方法近年來的研究展開綜述，并給出對(duì)未來發(fā)展方向的展望。

一、引言

煤層氣又稱煤層瓦斯，是賦存于煤層及其圍巖中的一種自生自儲(chǔ)式非常規(guī)清潔能源，其富集程度與煤系地層的厚度、分布及含氣量呈正相關(guān)關(guān)系。20世紀(jì)后期，煤層氣作為清潔能源的價(jià)值開始受到重視，美國、加拿大和中國等國都開始了煤層氣的商業(yè)化開采。與此同時(shí)，在全球氣候變化與我國“雙碳”目標(biāo)的時(shí)代背景下，作為一種重要的溫室氣體，甲烷的排放正受到越來越多的關(guān)注，而煤層氣的開發(fā)正是控制煤炭開采甲烷排放的主要技術(shù)途徑。

目前，我國煤層氣的勘查方法主要是通過鉆井技術(shù)來采集煤層樣本，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)，分析煤儲(chǔ)層含氣性，圈定煤層氣富集靶區(qū)，這里靶區(qū)是預(yù)期可發(fā)現(xiàn)煤層氣富集的地區(qū)。地表烴微滲漏蝕變物質(zhì)光譜異常與地表溫度異常是煤層氣富集區(qū)標(biāo)志性指標(biāo)，它們可以通過高光譜遙感與熱紅外遙感反演來獲取。因此，利用遙感技術(shù)勘查，是快速發(fā)現(xiàn)煤層氣富集靶區(qū)的一種新途徑。油氣微滲漏現(xiàn)象是現(xiàn)代遙感地質(zhì)勘查重要依據(jù)之一。地下烴類氣體微滲漏機(jī)制有多種闡釋，其中MacElvain等提出的微氣泡遷移機(jī)制被人們普遍肯定和接受。煤層氣富集區(qū)的顯著特征是烴微滲漏導(dǎo)致的地表巖礦組成和植被生長狀況變化，以及潛在的地表熱異常。研究表明，即便蓋層封閉完好，烴類物質(zhì)依然會(huì)沿著上覆蓋層的斷裂、節(jié)理、微裂隙及孔隙向地表滲漏，這一現(xiàn)象被稱為烴微滲漏。地下含油或含氣儲(chǔ)層烴微滲漏，通常垂直向上，沿著地下斷層、裂縫和解理等通道進(jìn)行，形成所謂的“煙囪效應(yīng)”。這些滲漏的烴類物質(zhì)在地表聚集，就導(dǎo)致了巖礦蝕變和植被生長異常等變化。

利用上述特征，可以開展煤層氣富集靶區(qū)的遙感勘查。與測(cè)井分析、巖芯分析、地震方法等勘查方法相比，衛(wèi)星遙感具有覆蓋面積大、查驗(yàn)成本低、不受地形與交通條件限制等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此受到了自然資源勘查部門的廣泛關(guān)注。特別是近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感傳感器光譜和空間分辨率不斷提升，這進(jìn)一步拓展了使用遙感技術(shù)對(duì)煤層氣富集區(qū)進(jìn)行勘查的應(yīng)用范圍，也提升了勘查的精度。在這一背景下，本文將從巖礦蝕變方面對(duì)煤層氣富集區(qū)遙感勘查方法近年來的研究展開綜述，并給出對(duì)未來發(fā)展方向的展望。

基于巖礦蝕變的勘察方法

煤層中自生自儲(chǔ)的煤層氣，在垂直向上烴微滲漏的過程中，烴類物質(zhì)與少量的非烴物質(zhì)（如二氧化碳、硫化氫等）不斷向地表運(yùn)移時(shí)，在與上覆巖層發(fā)生氧化還原反應(yīng)。細(xì)菌等微生物在這一相互作用過程中起到了關(guān)鍵作用。首先，好氧菌利用土壤中的氧氣，將烴類氣體氧化為二氧化碳（式（1））或碳酸氫鹽，并最終形成碳酸鹽礦物（式（2））。隨著土壤中氧氣濃度的降低，厭氧菌開始占據(jù)主導(dǎo)地位。在這種情況下，甲烷與土壤中的硫酸鹽（式（3））、三價(jià)鐵、四價(jià)錳、亞硝酸鹽等發(fā)生厭氧氧化反應(yīng)，并產(chǎn)生二氧化碳和硫化氫等氣體。這一系列過程會(huì)顯著改變土壤環(huán)境的氧化還原電位（Eh）和pH值。在弱酸環(huán)境下，長石等堿性礦物風(fēng)化產(chǎn)生高嶺石、伊利石和綠泥石等黏土礦物。另外，烴類與硫化氫氣體的還原性還會(huì)將土壤礦物中呈現(xiàn)紅色的三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵，從而導(dǎo)致紅層褪色（式（4）-（6））。

研究表明，在可見光和近紅外波段（0.4~2.5μm），上述過程中產(chǎn)生的各種蝕變礦物各自有著典型的光譜吸收和反射特征。其中，診斷性光譜特征主要體現(xiàn)在蝕變巖礦特定波長位置的吸收谷，如：碳酸鹽巖化的顯著光譜特征是2.3~2.6μm之間的“W”型吸收谷，如圖1（a）所示。黏土礦化的顯著光譜特征是2.2μm附近的“V”型吸收谷，如圖1（b）所示。含鐵礦物一般在0.8μm之前反射率逐升，但在0.9μm附近有一個(gè)強(qiáng)的吸收谷，之后反射率又急劇上升。而二價(jià)鐵礦物（如菱鐵礦、黃鐵礦）相比三價(jià)鐵礦物（如針鐵礦、赤鐵礦、黃鉀鐵礬礦）通常吸收谷稍右移且更寬（1.0~1.3μm），如圖1（c）所示。Zhang等利用蝕變巖礦特定波譜的吸收谷快速確定了煤層氣勘探靶區(qū);崔鑫等通過野外查證發(fā)現(xiàn)，在部分烴滲漏異常區(qū)具有地表暈環(huán)狀分帶、黏土化、碳酸鹽巖化等地質(zhì)特征。

根據(jù)上述光譜特征，可以通過波段運(yùn)算構(gòu)建光譜指數(shù)，從而有效地提取出光譜異常區(qū)域，也即潛在的煤層氣富集靶區(qū)。表1中列出了一些常用的光譜指數(shù)，可用于監(jiān)測(cè)烴微滲漏導(dǎo)致巖礦蝕變。

圖1USGS數(shù)據(jù)庫若干典型礦物波譜特征

表1可用于監(jiān)測(cè)烴微滲漏導(dǎo)致巖礦蝕變的常用光譜指數(shù)

使用常見的光譜指數(shù)來監(jiān)測(cè)烴微滲漏引起的巖礦蝕變時(shí)，需要考慮地表覆蓋類型對(duì)高光譜遙感勘查的影響。一些研究表明，沒有植被覆蓋或僅有稀疏植被覆蓋的地區(qū)有利于發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦物沉積，如方解石、白云石、菱鐵礦和文石，也有利于發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境下長石發(fā)生蝕變、導(dǎo)致堿性金屬元素的流失而形成的黏土礦物。此外，沒有植被覆蓋，還可以觀察到地表及淺層的赤鐵礦物質(zhì)被還原，形成含有低價(jià)鐵礦物的紅層漂白現(xiàn)象。因此，對(duì)于衛(wèi)星或航空高光譜遙感勘查來說，適宜進(jìn)行蝕變礦物的遙感制圖的地方，主要是植被稀少的荒漠戈壁等地，以及人類活動(dòng)影響較小的丘陵山地（冬季植被落葉后）。通過蝕變礦物的遙感制圖，可以為煤層氣潛在富集區(qū)的勘查提供證據(jù)。除了構(gòu)建光譜指數(shù)，也可以通過光譜降維的方法從多光譜和高光譜遙感數(shù)據(jù)中提取有用的信息。這之中最為常用的是主成分分析（PCA）和最小噪聲分離（MNF）方法。表2中列出了一些常見的基于光譜降維的巖礦蝕變信息提取方法。

表2可用于監(jiān)測(cè)烴微滲漏導(dǎo)致巖礦蝕變的光譜降維方法

在實(shí)際研究中，通常需要將多個(gè)光譜指數(shù)或PCA得到的主成分進(jìn)行疊加以確定煤層氣富集區(qū)的潛在位置。

對(duì)于應(yīng)用高光譜遙感數(shù)據(jù)識(shí)別烴蝕變礦物，更常見的處理方法則是在使用MNF等方法進(jìn)行降維處理后，進(jìn)行端元提取，然后使用匹配濾波、混合調(diào)諧匹配濾波、光譜特征擬合、光譜角匹配等方法，計(jì)算像元光譜與參考光譜（端元光譜或標(biāo)準(zhǔn)光譜庫中的光譜）間的相似程度，確定影像端元對(duì)應(yīng)的礦物組分，進(jìn)一步判定是否存在相應(yīng)的巖礦蝕變，從而確定煤層氣富集區(qū)的潛在位置。

總結(jié)與展望

與傳統(tǒng)勘查方法相比，基于遙感的煤層氣富集區(qū)勘查方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行遙感勘查時(shí)，巖礦蝕變、植被脅迫與地表熱異常3個(gè)方面的地表特征互相補(bǔ)充，互為印證，提高了結(jié)果的可靠性。隨著遙感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，遙感觀測(cè)的波譜范圍得到拓展，光譜分辨率得到提高，可以反映出更多、更精細(xì)的地表巖礦蝕變與植被受烴滲漏脅迫長勢(shì)變化的特征;另一方面，傳感器的空間分辨率也在不斷提升，這有利于煤層氣富集區(qū)邊界的區(qū)分與邊界定位精度的提高。在數(shù)據(jù)處理方面，信息分離與增強(qiáng)技術(shù)日益成熟，新型定量遙感反演方法不斷涌現(xiàn)，這也有助于提高烴類蝕變物質(zhì)光譜特征提取與反演的精度。

蝕變巖帽中的石英-明礬石組合

由于地表參數(shù)，特別是植被參數(shù)受到的影響因素較多，如干旱、病蟲害等，都可能造成遙感觀測(cè)到的地表信息出現(xiàn)異常。為了排除這些因素的干擾，一個(gè)可行的做法是將遙感勘查與煤田地質(zhì)、地震、大地電磁等物探方法相結(jié)合，綜合進(jìn)行多源信息提取與綜合分析，逐步圈定與查明煤層氣藏的地質(zhì)特征和儲(chǔ)層含氣性的展布規(guī)律。為解決上述問題，未來研究發(fā)展方向的展望如下：

遙感勘查與煤田地質(zhì)研究的綜合分析。煤層既是煤層氣的源巖，又是煤層氣的儲(chǔ)集層，這點(diǎn)與常規(guī)天然氣藏不同。因此，把遙感勘查結(jié)果與煤田地質(zhì)資料放在一起進(jìn)行疊加分析，可以利用煤田地質(zhì)資料提供了勘查區(qū)煤層分布、厚度、結(jié)構(gòu)、巖性、煤質(zhì)等特征及其形成演化過程等相關(guān)信息。煤層的孔隙度、滲透率、厚度、煤質(zhì)等地質(zhì)條件對(duì)煤層氣的儲(chǔ)存具有重要影響，煤層中的斷層和裂隙對(duì)地下煤層氣三維空間中的分布與運(yùn)移產(chǎn)生影響，這有助于預(yù)測(cè)煤層氣的分布、含量和儲(chǔ)量。此外，也可以結(jié)合烴蝕變地表參數(shù)遙感反演結(jié)果與煤層氣熱異常分布區(qū)，從地表到地下分析煤層氣烴滲漏的三維空間的對(duì)應(yīng)性與內(nèi)在聯(lián)系性，排除遙感勘查結(jié)果的其他因素的干擾，以提高煤層氣富集區(qū)勘查的準(zhǔn)確性。

煤系氣高效開發(fā)地質(zhì)前緣

2）遙感勘查與大地電磁探測(cè)的綜合分析。大地電磁探測(cè)是一種非接觸性的地球物理勘探技術(shù)，借助天然場(chǎng)源或人工場(chǎng)源產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)過地下介質(zhì)的傳播后，被接收器測(cè)量到。地下不同介質(zhì)對(duì)電磁場(chǎng)具有不同響應(yīng)特征，其中煤層氣的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于周圍巖石和煤層，因此煤層氣會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯的衰減和相位延遲。通過分析煤層氣對(duì)電磁場(chǎng)的響應(yīng)，可以估算煤層氣的分布和含氣量。將遙感勘查與大地電磁探測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行綜合分析，可以在烴蝕變地表參數(shù)遙感反演與煤層氣熱異常分布區(qū)范圍內(nèi)，利用大地電磁探測(cè)數(shù)據(jù)獲得地下介質(zhì)的電磁場(chǎng)響應(yīng)，分析煤層厚度、煤質(zhì)等地下介質(zhì)的電導(dǎo)率、地下水體分布區(qū)域的富集情況，結(jié)合煤田地質(zhì)資料推斷煤層氣的富集區(qū)域，進(jìn)一步提高遙感勘查的準(zhǔn)確性。

3）遙感勘查與地震勘探的綜合分析。地震勘探利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過觀測(cè)和分析大地對(duì)人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層的性質(zhì)、密度與形態(tài)的空間差異。張留榮等基于對(duì)煤層氣富集主控地質(zhì)因素的地球物理響應(yīng)特征分析，認(rèn)為煤田地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、煤體結(jié)構(gòu)、裂隙系統(tǒng)等在地震彈性參數(shù)上均有明確的響應(yīng)特征。目前，三維地震勘探方法已經(jīng)在煤層氣勘探中得到初步應(yīng)用。三維地震勘探主要包括地震波反演和成像2種。地震波反演是指根據(jù)地震波數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)模型求解地下介質(zhì)的物理參數(shù)，如速度、密度、泊松比等。地震波成像則是將反演得到的地下介質(zhì)物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為圖像，以顯示地下介質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)和屬性，并在此基礎(chǔ)上通過分析與解譯獲取地下煤層和煤層氣等三維空間分布信息。開展遙感勘查與三維地震勘探的綜合分析，可以利用烴蝕變地表參數(shù)遙感反演結(jié)果與煤層氣熱異常分布區(qū)作為三維地震勘探的控制參考區(qū)，憑借遙感技術(shù)獲取地表高程、坡度、坡向等地形地貌特征來合理地布設(shè)地震測(cè)點(diǎn)，并利用遙感勘查結(jié)果輔助三維地震勘探資料的解譯，進(jìn)一步提高煤層氣富集區(qū)三維空間勘查的準(zhǔn)確性。

從發(fā)展趨勢(shì)看，運(yùn)用地表參數(shù)遙感反演方法獲取煤層氣富集區(qū)地表典型地物光譜特征與物理屬性，開展煤層氣富集區(qū)地表標(biāo)志性高光譜信息提取、診斷與識(shí)別，以及煤層氣富集區(qū)地表物體發(fā)射率和溫度反演研究，利用高光譜遙感、熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演獲取的地表理化信息，結(jié)合煤田地質(zhì)資料、大地電磁探測(cè)數(shù)據(jù)或三維地震勘探數(shù)據(jù)，構(gòu)建多元信息判別模型，開展立體多元信息分析與信息提取，逐步圈定煤層氣富集分布靶區(qū)，是實(shí)現(xiàn)煤層氣富集區(qū)快速勘查的一條新途徑，也是未來煤層氣勘查技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

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審核編輯 黃宇