煤层气富集区遥感勘查研究进展与展望

随着遥感技术的发展，遥感传感器光谱和空间分辨率不断提升，进一步拓展了使用遥感技术对煤层气富集区进行勘查的应用范围，也提升了勘查的精度。本文将从岩矿蚀变方面对煤层气富集区遥感勘查方法近年来的研究展开综述，并给出对未来发展方向的展望。

一、引言

煤层气又称煤层瓦斯，是赋存于煤层及其围岩中的一种自生自储式非常规清洁能源，其富集程度与煤系地层的厚度、分布及含气量呈正相关关系。20世纪后期，煤层气作为清洁能源的价值开始受到重视，美国、加拿大和中国等国都开始了煤层气的商业化开采。与此同时，在全球气候变化与我国“双碳”目标的时代背景下，作为一种重要的温室气体，甲烷的排放正受到越来越多的关注，而煤层气的开发正是控制煤炭开采甲烷排放的主要技术途径。

目前，我国煤层气的勘查方法主要是通过钻井技术来采集煤层样本，通过实验室测定煤层气储层参数，分析煤储层含气性，圈定煤层气富集靶区，这里靶区是预期可发现煤层气富集的地区。地表烃微渗漏蚀变物质光谱异常与地表温度异常是煤层气富集区标志性指标，它们可以通过高光谱遥感与热红外遥感反演来获取。因此，利用遥感技术勘查，是快速发现煤层气富集靶区的一种新途径。油气微渗漏现象是现代遥感地质勘查重要依据之一。地下烃类气体微渗漏机制有多种阐释，其中MacElvain等提出的微气泡迁移机制被人们普遍肯定和接受。煤层气富集区的显著特征是烃微渗漏导致的地表岩矿组成和植被生长状况变化，以及潜在的地表热异常。研究表明，即便盖层封闭完好，烃类物质依然会沿着上覆盖层的断裂、节理、微裂隙及孔隙向地表渗漏，这一现象被称为烃微渗漏。地下含油或含气储层烃微渗漏，通常垂直向上，沿着地下断层、裂缝和解理等通道进行，形成所谓的“烟囱效应”。这些渗漏的烃类物质在地表聚集，就导致了岩矿蚀变和植被生长异常等变化。

利用上述特征，可以开展煤层气富集靶区的遥感勘查。与测井分析、岩芯分析、地震方法等勘查方法相比，卫星遥感具有覆盖面积大、查验成本低、不受地形与交通条件限制等独特的优势，因此受到了自然资源勘查部门的广泛关注。特别是近年来，随着遥感技术的发展，遥感传感器光谱和空间分辨率不断提升，这进一步拓展了使用遥感技术对煤层气富集区进行勘查的应用范围，也提升了勘查的精度。在这一背景下，本文将从岩矿蚀变方面对煤层气富集区遥感勘查方法近年来的研究展开综述，并给出对未来发展方向的展望。

基于岩矿蚀变的勘察方法

煤层中自生自储的煤层气，在垂直向上烃微渗漏的过程中，烃类物质与少量的非烃物质（如二氧化碳、硫化氢等）不断向地表运移时，在与上覆岩层发生氧化还原反应。细菌等微生物在这一相互作用过程中起到了关键作用。首先，好氧菌利用土壤中的氧气，将烃类气体氧化为二氧化碳（式（1））或碳酸氢盐，并最终形成碳酸盐矿物（式（2））。随着土壤中氧气浓度的降低，厌氧菌开始占据主导地位。在这种情况下，甲烷与土壤中的硫酸盐（式（3））、三价铁、四价锰、亚硝酸盐等发生厌氧氧化反应，并产生二氧化碳和硫化氢等气体。这一系列过程会显著改变土壤环境的氧化还原电位（Eh）和pH值。在弱酸环境下，长石等碱性矿物风化产生高岭石、伊利石和绿泥石等黏土矿物。另外，烃类与硫化氢气体的还原性还会将土壤矿物中呈现红色的三价铁还原为二价铁，从而导致红层褪色（式（4）-（6））。

研究表明，在可见光和近红外波段（0.4~2.5μm），上述过程中产生的各种蚀变矿物各自有着典型的光谱吸收和反射特征。其中，诊断性光谱特征主要体现在蚀变岩矿特定波长位置的吸收谷，如：碳酸盐岩化的显著光谱特征是2.3~2.6μm之间的“W”型吸收谷，如图1（a）所示。黏土矿化的显著光谱特征是2.2μm附近的“V”型吸收谷，如图1（b）所示。含铁矿物一般在0.8μm之前反射率逐升，但在0.9μm附近有一个强的吸收谷，之后反射率又急剧上升。而二价铁矿物（如菱铁矿、黄铁矿）相比三价铁矿物（如针铁矿、赤铁矿、黄钾铁矾矿）通常吸收谷稍右移且更宽（1.0~1.3μm），如图1（c）所示。Zhang等利用蚀变岩矿特定波谱的吸收谷快速确定了煤层气勘探靶区;崔鑫等通过野外查证发现，在部分烃渗漏异常区具有地表晕环状分带、黏土化、碳酸盐岩化等地质特征。

根据上述光谱特征，可以通过波段运算构建光谱指数，从而有效地提取出光谱异常区域，也即潜在的煤层气富集靶区。表1中列出了一些常用的光谱指数，可用于监测烃微渗漏导致岩矿蚀变。

图1USGS数据库若干典型矿物波谱特征

表1可用于监测烃微渗漏导致岩矿蚀变的常用光谱指数

使用常见的光谱指数来监测烃微渗漏引起的岩矿蚀变时，需要考虑地表覆盖类型对高光谱遥感勘查的影响。一些研究表明，没有植被覆盖或仅有稀疏植被覆盖的地区有利于发现碳酸盐矿物沉积，如方解石、白云石、菱铁矿和文石，也有利于发现酸性环境下长石发生蚀变、导致碱性金属元素的流失而形成的黏土矿物。此外，没有植被覆盖，还可以观察到地表及浅层的赤铁矿物质被还原，形成含有低价铁矿物的红层漂白现象。因此，对于卫星或航空高光谱遥感勘查来说，适宜进行蚀变矿物的遥感制图的地方，主要是植被稀少的荒漠戈壁等地，以及人类活动影响较小的丘陵山地（冬季植被落叶后）。通过蚀变矿物的遥感制图，可以为煤层气潜在富集区的勘查提供证据。除了构建光谱指数，也可以通过光谱降维的方法从多光谱和高光谱遥感数据中提取有用的信息。这之中最为常用的是主成分分析（PCA）和最小噪声分离（MNF）方法。表2中列出了一些常见的基于光谱降维的岩矿蚀变信息提取方法。

表2可用于监测烃微渗漏导致岩矿蚀变的光谱降维方法

在实际研究中，通常需要将多个光谱指数或PCA得到的主成分进行叠加以确定煤层气富集区的潜在位置。

对于应用高光谱遥感数据识别烃蚀变矿物，更常见的处理方法则是在使用MNF等方法进行降维处理后，进行端元提取，然后使用匹配滤波、混合调谐匹配滤波、光谱特征拟合、光谱角匹配等方法，计算像元光谱与参考光谱（端元光谱或标准光谱库中的光谱）间的相似程度，确定影像端元对应的矿物组分，进一步判定是否存在相应的岩矿蚀变，从而确定煤层气富集区的潜在位置。

总结与展望

与传统勘查方法相比，基于遥感的煤层气富集区勘查方法具有独特的优势。在进行遥感勘查时，岩矿蚀变、植被胁迫与地表热异常3个方面的地表特征互相补充，互为印证，提高了结果的可靠性。随着遥感技术的进一步发展，遥感观测的波谱范围得到拓展，光谱分辨率得到提高，可以反映出更多、更精细的地表岩矿蚀变与植被受烃渗漏胁迫长势变化的特征;另一方面，传感器的空间分辨率也在不断提升，这有利于煤层气富集区边界的区分与边界定位精度的提高。在数据处理方面，信息分离与增强技术日益成熟，新型定量遥感反演方法不断涌现，这也有助于提高烃类蚀变物质光谱特征提取与反演的精度。

蚀变岩帽中的石英-明矾石组合

由于地表参数，特别是植被参数受到的影响因素较多，如干旱、病虫害等，都可能造成遥感观测到的地表信息出现异常。为了排除这些因素的干扰，一个可行的做法是将遥感勘查与煤田地质、地震、大地电磁等物探方法相结合，综合进行多源信息提取与综合分析，逐步圈定与查明煤层气藏的地质特征和储层含气性的展布规律。为解决上述问题，未来研究发展方向的展望如下：

遥感勘查与煤田地质研究的综合分析。煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气的储集层，这点与常规天然气藏不同。因此，把遥感勘查结果与煤田地质资料放在一起进行叠加分析，可以利用煤田地质资料提供了勘查区煤层分布、厚度、结构、岩性、煤质等特征及其形成演化过程等相关信息。煤层的孔隙度、渗透率、厚度、煤质等地质条件对煤层气的储存具有重要影响，煤层中的断层和裂隙对地下煤层气三维空间中的分布与运移产生影响，这有助于预测煤层气的分布、含量和储量。此外，也可以结合烃蚀变地表参数遥感反演结果与煤层气热异常分布区，从地表到地下分析煤层气烃渗漏的三维空间的对应性与内在联系性，排除遥感勘查结果的其他因素的干扰，以提高煤层气富集区勘查的准确性。

煤系气高效开发地质前缘

2）遥感勘查与大地电磁探测的综合分析。大地电磁探测是一种非接触性的地球物理勘探技术，借助天然场源或人工场源产生的电磁波，经过地下介质的传播后，被接收器测量到。地下不同介质对电磁场具有不同响应特征，其中煤层气的电导率远低于周围岩石和煤层，因此煤层气会对电磁场产生明显的衰减和相位延迟。通过分析煤层气对电磁场的响应，可以估算煤层气的分布和含气量。将遥感勘查与大地电磁探测数据相结合进行综合分析，可以在烃蚀变地表参数遥感反演与煤层气热异常分布区范围内，利用大地电磁探测数据获得地下介质的电磁场响应，分析煤层厚度、煤质等地下介质的电导率、地下水体分布区域的富集情况，结合煤田地质资料推断煤层气的富集区域，进一步提高遥感勘查的准确性。

3）遥感勘查与地震勘探的综合分析。地震勘探利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质、密度与形态的空间差异。张留荣等基于对煤层气富集主控地质因素的地球物理响应特征分析，认为煤田地质构造、煤层厚度、煤体结构、裂隙系统等在地震弹性参数上均有明确的响应特征。目前，三维地震勘探方法已经在煤层气勘探中得到初步应用。三维地震勘探主要包括地震波反演和成像2种。地震波反演是指根据地震波数据，通过数学模型求解地下介质的物理参数，如速度、密度、泊松比等。地震波成像则是将反演得到的地下介质物理参数转换为图像，以显示地下介质的三维结构和属性，并在此基础上通过分析与解译获取地下煤层和煤层气等三维空间分布信息。开展遥感勘查与三维地震勘探的综合分析，可以利用烃蚀变地表参数遥感反演结果与煤层气热异常分布区作为三维地震勘探的控制参考区，凭借遥感技术获取地表高程、坡度、坡向等地形地貌特征来合理地布设地震测点，并利用遥感勘查结果辅助三维地震勘探资料的解译，进一步提高煤层气富集区三维空间勘查的准确性。

从发展趋势看，运用地表参数遥感反演方法获取煤层气富集区地表典型地物光谱特征与物理属性，开展煤层气富集区地表标志性高光谱信息提取、诊断与识别，以及煤层气富集区地表物体发射率和温度反演研究，利用高光谱遥感、热红外遥感数据反演获取的地表理化信息，结合煤田地质资料、大地电磁探测数据或三维地震勘探数据，构建多元信息判别模型，开展立体多元信息分析与信息提取，逐步圈定煤层气富集分布靶区，是实现煤层气富集区快速勘查的一条新途径，也是未来煤层气勘查技术发展的新趋势。

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审核编辑 黄宇