隨著遙感技術的發(fā)展，遙感傳感器光譜和空間分辨率不斷提升，進一步拓展了使用遙感技術對煤層氣富集區(qū)進行勘查的應用范圍，也提升了勘查的精度。本文將從巖礦蝕變方面對煤層氣富集區(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關系。20世紀后期，煤層氣作為清潔能源的價值開始受到重視，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，在全球氣候變化與我國“雙碳”目標的時代背景下，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途徑。

目前，我國煤層氣的勘查方法主要是通過鉆井技術來采集煤層樣本，通過實驗室測定煤層氣儲層參數(shù)，分析煤儲層含氣性，圈定煤層氣富集靶區(qū)，這里靶區(qū)是預期可發(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)標志性指標，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制有多種闡釋，其中MacElvain等提出的微氣泡遷移機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行，形成所謂的“煙囪效應”。這些滲漏的烴類物質(zhì)在地表聚集，就導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、查驗成本低、不受地形與交通條件限制等獨特的優(yōu)勢，因此受到了自然資源勘查部門的廣泛關注。特別是近年來，隨著遙感技術的發(fā)展，遙感傳感器光譜和空間分辨率不斷提升，這進一步拓展了使用遙感技術對煤層氣富集區(qū)進行勘查的應用范圍，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）不斷向地表運移時，在與上覆巖層發(fā)生氧化還原反應。細菌等微生物在這一相互作用過程中起到了關鍵作用。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)主導地位。在這種情況下，甲烷與土壤中的硫酸鹽（式（3））、三價鐵、四價錳、亞硝酸鹽等發(fā)生厭氧氧化反應，并產(chǎn)生二氧化碳和硫化氫等氣體。這一系列過程會顯著改變土壤環(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將土壤礦物中呈現(xiàn)紅色的三價鐵還原為二價鐵，從而導致紅層褪色（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附近有一個強的吸收谷，之后反射率又急劇上升。而二價鐵礦物（如菱鐵礦、黃鐵礦）相比三價鐵礦物（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，可以通過波段運算構建光譜指數(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)測烴微滲漏導致巖礦蝕變。

圖1USGS數(shù)據(jù)庫若干典型礦物波譜特征

表1可用于監(jiān)測烴微滲漏導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)測烴微滲漏引起的巖礦蝕變時，需要考慮地表覆蓋類型對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，形成含有低價鐵礦物的紅層漂白現(xiàn)象。因此，對于衛(wèi)星或航空高光譜遙感勘查來說，適宜進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)測烴微滲漏導致巖礦蝕變的光譜降維方法

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

對于應用高光譜遙感數(shù)據(jù)識別烴蝕變礦物，更常見的處理方法則是在使用MNF等方法進行降維處理后，進行端元提取，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，計算像元光譜與參考光譜（端元光譜或標準光譜庫中的光譜）間的相似程度，確定影像端元對應的礦物組分，進一步判定是否存在相應的巖礦蝕變，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)勘查方法具有獨特的優(yōu)勢。在進行遙感勘查時，巖礦蝕變、植被脅迫與地表熱異常3個方面的地表特征互相補充，互為印證，提高了結(jié)果的可靠性。隨著遙感技術的進一步發(fā)展，遙感觀測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、更精細的地表巖礦蝕變與植被受烴滲漏脅迫長勢變化的特征;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，信息分離與增強技術日益成熟，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到的地表信息出現(xiàn)異常。為了排除這些因素的干擾，一個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，又是煤層氣的儲集層，這點與常規(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、巖性、煤質(zhì)等特征及其形成演化過程等相關信息。煤層的孔隙度、滲透率、厚度、煤質(zhì)等地質(zhì)條件對煤層氣的儲存具有重要影響，煤層中的斷層和裂隙對地下煤層氣三維空間中的分布與運移產(chǎn)生影響，這有助于預測煤層氣的分布、含量和儲量。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應性與內(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的綜合分析。大地電磁探測是一種非接觸性的地球物理勘探技術，借助天然場源或人工場源產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)過地下介質(zhì)的傳播后，被接收器測量到。地下不同介質(zhì)對電磁場具有不同響應特征，其中煤層氣的電導率遠低于周圍巖石和煤層，因此煤層氣會對電磁場產(chǎn)生明顯的衰減和相位延遲。通過分析煤層氣對電磁場的響應，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數(shù)據(jù)相結(jié)合進行綜合分析，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)，利用大地電磁探測數(shù)據(jù)獲得地下介質(zhì)的電磁場響應，分析煤層厚度、煤質(zhì)等地下介質(zhì)的電導率、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，進一步提高遙感勘查的準確性。

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，通過觀測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應，推斷地下巖層的性質(zhì)、密度與形態(tài)的空間差異。張留榮等基于對煤層氣富集主控地質(zhì)因素的地球物理響應特征分析，認為煤田地質(zhì)構造、煤層厚度、煤體結(jié)構、裂隙系統(tǒng)等在地震彈性參數(shù)上均有明確的響應特征。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)構和屬性，并在此基礎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)，憑借遙感技術獲取地表高程、坡度、坡向等地形地貌特征來合理地布設地震測點，并利用遙感勘查結(jié)果輔助三維地震勘探資料的解譯，進一步提高煤層氣富集區(qū)三維空間勘查的準確性。

從發(fā)展趨勢看，運用地表參數(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)地表標志性高光譜信息提取、診斷與識別，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、大地電磁探測數(shù)據(jù)或三維地震勘探數(shù)據(jù)，構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發(fā)展的新趨勢。

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審核編輯 黃宇