基于em数据的白垩系油气还原蚀变信息增强技术研究

基于em数据的白垩系油气还原蚀变信息增强技术研究

0矿床与成矿关系稀有资源是国家的稀缺战略资源，砂岩锆矿床是中国现阶段非常重要的锆资源勘探类型。巴什布拉克铀矿床位于新疆塔里木盆地北缘喀什坳陷的西北部,是一个与油气作用密切相关的铀矿床,铀矿化产于下白垩统砂岩、砂砾岩中。该矿床发现于20世纪50～60年代,前人对该矿床的特征和成因等做了较多研究1234,但大多是从常规地质学角度出发,在点上开展的研究工作,如铀矿床的成因类型、铀矿物特征,油气还原蚀变的地球化学特征、期次及其对铀成矿的作用等。利用遥感技术开展矿区及其外围地区的油气还原蚀变强度、分布特征和规律等面上的研究工作很少,基本上未见报道。铀矿区及其周围因油气作用而产生的还原蚀变规模、分布规律及进一步找矿方向等问题的研究对矿区外围的找矿具有重要意义。据此,本文利用ETM、ASTER等多光谱遥感技术对巴什布拉克铀矿区及其周围地区的油气还原蚀变信息进行增强、提取和深入分析,旨在对深入认识该矿床的形成和外围找矿预测具有一定的参考作用。1元古界古生界古构巴什布拉克铀矿床(插页彩片4中的红点)所在的盆地是南天山褶皱带的山前盆地,盆地为一向斜构造。盆地基底为元古界和古生界,主要分布在矿区北侧;盖层由中、新生界组成,主要有侏罗系、白垩系、下第三系、上第三系以及第四系等。作为含矿层的下白垩统为一套红色陆相碎屑沉积岩,由底部砾岩系、下红色岩系、含矿砂砾岩系和上红色岩系组成,在矿区周围总体上呈北西西向展布,不整合在元古界、古生界和侏罗系之上(插页彩片4)。2岩石特征特征巴什布拉克铀矿区白垩系含矿层存在3种颜色明显不同的岩石,一种是白垩系原生的紫红色、红色岩石;二是紫红色、红色岩石受油气还原蚀变后变成的灰色、灰绿色或浅灰色岩石;第三种是灰色、灰绿色岩石进一步受后期地下水或地表水氧化形成的黄色、浅黄色岩石(插页彩片5)。因此,从后生蚀变角度来说,巴什布拉克铀矿区存在油气还原蚀变和地下水氧化蚀变,但由于地下水氧化作用时间短,且强度较小,黄色氧化岩石多出现地表或浅处,除去地表面的黄色砂岩,内部或地下深处的岩石还是灰色的。所以,白垩系含矿层受油气还原蚀变的地段主要呈现黄色、浅黄色与灰色、浅灰色、灰绿色的混合色——灰黄色,与白垩系原生红色砂岩具有明显区别。为了解矿区还原蚀变岩石的可诊断光谱特征,对矿区白垩纪的紫红色砂岩,灰色、灰绿色砂岩,黄色砂岩,以及侏罗纪白色砂岩分别进行了室内光谱测量,如图1所示。分析图1所示的各类岩石光谱曲线,发现如下特点:(1)光谱吸收特征方面,在可见光—近红外区间(400～1100nm),红色砂岩中Fe3+的吸收光谱特征明显,表现为900nm附近的吸收谷和550nm附近的吸收陡坎;黄色砂岩和灰绿色、灰色砂岩也在900nm附近有较明显的吸收谷,但550nm处的吸收坎不明显;部分灰色砂岩因含Fe2+而在1100nm处具有较明显的吸收谷,而黄色砂岩在1100nm处的吸收谷不明显。在短波红外区间,虽然3种颜色色砂岩均在2200nm、2330nm附近存在吸收谷,但在2200～2330nm区间,黄色砂岩、灰色砂岩仍存在较明显的吸收谷或吸收坎,但红色砂岩却不太明显。(2)从岩石反射率的总体变化特征来看,红色砂岩的光谱反射率总体上从400nm开始先陡升,到780nm附近出现次高或最高值,然后平升或平降,直至2100nm左右才明显开始下降,反映出红色砂岩在近红外—短波红外区间的反射率变化不大的特点;黄色砂岩和灰色砂岩的反射率总体上表现为从400nm开始先陡升,到600nm出现明显的较高值后平缓上升,到1800～2200nm区间达到最高值,然后开始下降的特点。从上述特点可以看出,黄色砂岩与灰色砂岩的光谱曲线特征相近。结合这2种岩石在野外的混合出露情况可以认为,研究区发生油气还原蚀变作用的地区是灰色与黄色砂岩混合共存的区域。灰色砂岩、黄色砂岩与红色砂岩的光谱特征虽存在相同之处,但区别较大,可概括为2个方面:①在可见光区间,红色砂岩在550nm处有吸收陡坎,而黄色砂岩和灰色砂岩不明显;红色砂岩的明显反射率高值在780nm处,而灰色、黄色砂岩的明显反射率高值却在600nm处;②灰色砂岩、黄色砂岩的短波红外反射率与近红外反射率比值比红色砂岩的大,且灰色砂岩和黄色砂岩在2200～2330nm区间还存在较明显的吸收谷或吸收坎。所以,研究区以灰色和黄色显现的油气还原蚀变地段的光谱特征与以红色显现的未蚀变区域的光谱特征有较大差异。这是研究区油气还原蚀变信息遥感提取的基础。3基于地表特征的蚀变解释技术思路多光谱遥感蚀变信息提取技术方法较多。本文针对研究区白垩系含矿层油气还原蚀变岩石具有的上述光谱特征,从信息增强的角度考虑如下2方面的技术思路:(1)间接增强还原蚀变信息。为了分析还原蚀变信息的强度和分布特征,可以采用逆向思维,将那些没有受油气还原蚀变的白垩系红色残留地层增强和突出出来,分析其分布规律,并从该规律的反面反映出油气还原蚀变作用的规律。这一技术思路的实现,主要是充分运用红色砂岩与灰色砂岩在可见光区间的光谱特征差异。在研究区,除白垩系地层是红色外,第三系也有不少红色地层,因此,在对增强信息的解译和分析时,需要结合地质图中不同地层的空间分布,排除第三系地层的干扰信息。(2)直接增强还原蚀变信息。这一技术思路主要利用灰色砂岩(也包括黄色砂岩)与红色砂岩在反射率变化和光谱吸收特征上的综合差异进行增强和提取。由于矿区外围侏罗系地层是一套不同程度高岭土化的灰白色、浅灰色含煤系地层,因此,对白垩系油气还原蚀变信息提取会产生一定的干扰。从图1可以看出,侏罗系砂岩在短波红外波段具有明显高岭土化蚀变的双吸收峰特征,同时,在400nm～2000nm区间,侏罗系砂岩与白垩系灰色砂岩的反射率变化趋势总体上类似。因此,在处理方法的选择和解译时要考虑这一干扰因素。4增强未蚀变岩石对ETM数据来说,前述白垩系未蚀变岩石(红色岩石)与蚀变岩石(灰色、灰绿色以及黄色岩石)之间的光谱特征差异主要在B2、B3波段中反映出来,同时B4、B5也包含了一些。充分利用这4个波段信息,采用适合的处理方法,可以增强未蚀变岩石信息。对于ASTER数据来说,未蚀变岩石与蚀变岩石之间的光谱特征差异主要反映在B1～B4四个波段,同时,由于其在短波红外有6个波段,还可以将两者在短波红外可能的差异反映出来,因此采用的处理方法与ETM有所不同。为了充分利用未蚀变岩石与蚀变岩石之间的光谱差异,本文对ETM数据采取主成分分析的处理方法,增强研究区白垩系含矿层未蚀变岩石信息。在主成分分析的第4分量(PC4)中,B2、B3波段的权重系数绝对值大,反映PC4主要反映的是B2、B3信息,且这两波段的权重系数符号相反。因此,该主成分分量可以增强未蚀变岩石(含Fe3+较高的红色岩石)的信息。为了使增强的信息以明亮的色调显现出来,对该分量数据进行了取反处理。插页彩片6为PC4、B4、B1的RGB合成图像,图中反映出上述处理方法对增强白垩系未蚀变岩石的很好效果。红色小圆点代表巴什布拉克矿床所在位置,黄色曲线代表白垩系地层界线。对该图像进行地质分析可以发现,在矿床北部和西部的两片白垩系出露范围内,图像颜色总体上以红色为主,其中夹一部分灰色调,反映这两片地区未蚀变红色岩石分布多,已还原蚀变的岩石分布少。在矿床所在的北西西向白垩系出露范围内,西段未蚀变岩石分布少而零星,分布密度低,而东段未蚀变的红色岩石分布多,呈片状,密度大。白垩系未蚀变红色岩石的上述分布特征反映了在北西西向狭长的白垩系出露范围内,矿床所在的西段受油气还原蚀变作用强,程度大,导致未蚀变红色岩石残留少,而东段受油气还原蚀变作用较弱,残留的红色岩石多,分布广。矿床北部和西部两片呈不规则展布的白垩系则受油气还原蚀变作用强度很小。5aster数据分析研究表明,由于受侏罗系灰白色、灰色含煤地层的干扰,利用ETM数据直接增强研究区油气还原蚀变岩石信息的效果不太理想。与ETM数据相比,ASTER数据最大的优势是短波红外有6个波段,而ETM只有2个(B5、B7),即相当于ASTER数据将ETM数据的B7波段细化为5个波段。这样,加上可见光—近红外的3个波段,ASTER数据在可见光—短波红外区间就有9个波段,这对充分利用研究区油气还原蚀变信息在可见光—短波红的综合光谱特征开展增强处理是很有优势的。本文利用ASTER数据的上述优势,借助高光谱遥感数据处理中的混合像元分解(Unmixing)技术,对研究区白垩系含矿层中油气还原蚀变信息进行了增强。插页彩片7是研究区白垩系含矿层油气还原蚀变信息增强的效果图。可以看出,在黄色曲线围限的北西西向白垩系含矿层中,巴什布拉克铀矿床产出位置及其东侧近距离外围地区的油气还原蚀变信息得到了很明显增强,呈分散的几块不规则的亮青色色调突出出来,而矿区东侧远距离外围地区的白垩系中,未明显显现出类似矿床所在位置的亮青色调。这反映了在图中白垩系出露范围内,矿床所在位置及其东侧近距离外围地区是油气还原蚀变强烈地区,而其它地区的蚀变均比较弱,或规模较小,以致使ASTER数据无法将其明显增强出来。因此,研究区白垩系含矿层油气还原蚀变强烈的地区主要分布在含矿层出露范围的西部,而中部、东部的其它地区基本上不明显。从插页彩片7中还可以看出,白垩系北侧的侏罗系明显以大片亮青色调出现,反映的是侏罗系中的高岭土化等蚀变信息。上述油气还原蚀变强度的分布特征与前述白垩系原生红色残留信息反映出来的蚀变分布特征是一致的。6基于混合像元方法增强和增强油气还原蚀变信息(1)对巴什布拉克铀矿区蚀变岩石与未蚀变岩石的光谱曲线特征分析表明,黄色氧化蚀变砂岩与油气还原蚀变灰色砂岩的光谱特征相近,区别很小,但与未蚀变红色砂岩的光谱特征具有较大的差异。这些光谱差异是利用ETM、ASTER等遥感数据增强和提取研究区油气还原蚀变信息的基础。(2)研究表明,主成分分析方法对增强巴什布拉克