青藏高原天然气水合物遥感探测研究_万余庆.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY remote sensing detection; thermal anomaly; mud volcano 天然气水合物俗称可燃冰是一种能量密度 高、清洁无污染、使用方便的新型能源，潜在的资 源量预计超过 1.51016 m3， 被认为是 21 世纪重要的 潜在能源。天然气水合物中的甲烷总量大致是大气 中甲烷数量的 3 000 倍， 甲烷产生的温室效应比 CO2 强 20 倍[1]。 目前，国际上天然气水合物研究热点正在从资 源调查转向开发利用。从 1995 年起，国内一些地质 勘查单位先后实施了多项试验与研究，开展了调查 和远景评价[2]。由于目前处于资源调查的早期，天 然气水合物资源分布情况还不甚清楚，估算的资源 量也仅仅是理论资源量冻土区、推测资源量东海 或潜在资源量南海，与国外一些已经开发的水合 物产地相比差距甚大。 青藏高原冻土面积约 150104 km2，具备较好 的天然气水合物找矿前景[2]。由于工作环境极为恶 劣，常规地质调查与勘探工作异常艰辛，进展缓慢。 遥感地质调查具有宏观范围、快速扫面的优势，可 为后续工作选择重点靶区，已经成为地质与矿产资 源调查的先行手段。然而，目前我国尚未在青藏高 原开展大规模的天然气水合物遥感地质调查工作。 遥感技术可以分析或提取与天然气水合物的成 藏有关的生烃层分布、区域构造、提取地表地温、 矿化蚀变信息、反演冻土层厚度。本文拟利用青藏 高原的卫星遥感图像，分析提取与天然气水合物有 关的地表特征和标志如热异常、矿物异常、泥火山 等，结合地面调查与采样分析，验证解译结果，进 而为圈定天然气水合物重点调查靶区奠定基础。 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 42 卷 1 研究区选取与天然气水合物成藏地质特征 1.1 研究区选取与依据 从石油天然气地质学角度出发，根据天然气水 合物的成藏要素，选取青海木里煤田的聚乎更矿区 和羌塘盆地作为研究区，主要依据如下 a. 2009 年，中国煤炭地质总局 105 队在青海木 里煤田聚乎更矿区打钻时发现了固体天然气水合物[3]。 b. 羌塘盆地的油气资源勘探程度较高，发育上 三叠统肖茶卡组、中侏罗统布曲组和上侏罗统索瓦 组等多套优质海相烃源岩，有机质镜质体反射率达 到 1.32.0， 烃源岩热演化程度达到了生气阶段， 为水合物形成提供了物质基础；同时，各层位发育 的碳酸盐岩、碎屑岩都具备了一定的空隙度和连通 性，为天然气水合物形成提供了储集空间；下侏罗 统雀莫错组、中侏罗统布曲组和夏里组发育的膏岩 具有较好的封盖作用。烃源岩、储集层、盖层共同 为天然气水合物形成提供基本要素。 c. 羌塘盆地已经发现多处油气，说明羌塘盆地 已经发生过大规模的油气生产、运移、聚集、成藏 和破坏，为天然气水合物形成提供了前提条件。 d. 上述两个研究区广泛发育永久冻土和季节 性冻土，为天然气水合物形成提供了必要条件。 1.2 研究区天然气水合物成藏特征 1.2.1 木里煤田天然气水合物成藏特征 木里煤田地处青藏高原东北端的祁连山中段南 部地区，以山地为主，高山、中低山、山谷和山间 盆地相间分布，地形总体上呈西高东低、南高北低 的特点。地处高寒地带，海拔2 7004 400 m，全年 平均气温≤0℃的天数有160240 d，年平均气温 0.7 –5.8℃，平均气温年较差22.228.6 ℃， 68 月为雨季，全年以降雪为主。 冻土厚度一般为 6080 m，冻土表层在每年 4 月份开始部分融化，在 9 月份又开始冻结，其最大 冻融深度在 3 m 之内[4]。木里煤田在 120500 m 深 度具备了天然气水合物形成的温–压相平衡条件。 木里煤田窑街组含煤岩系、湖相泥岩、油页岩 构成了研究区主要的烃源岩；窑街组和大西沟组发 育的粗砂岩、中砂岩、细砂岩以及裂缝较为发育的 泥岩、油页岩成为研究区的重要储集空间；上侏罗 统享堂组发育的紫红色泥岩成为天然气水合物成藏 的盖层；研究区较低的地温、上覆享堂组和第四系 使窑街组， 具备了天然气水合物稳定存在的温–压相 平衡条件[5]。 分析表明，木里煤田聚乎更矿区和弧山矿区基 本具备了天然气水合物稳定存在的基本要素[6]，形 成了自生窑街组、自储窑街组、上盖享堂组的 成藏模式和自生窑街组、 下储大西沟组、 上盖享 堂组的成藏组合。 1.2.2 羌塘盆地天然气水合物成藏特征 青藏高原冻土区是世界中低纬度区海拔最高、 面积最大的冻土区，面积 150104 km2，中心位于羌 塘盆地，这里海拔最低在 5 000 m 以上，平均气温 在 –6℃ 左 右 ， 常 年 冻 土 带 的 地 温 梯 度 在 1.1 3.3/hm℃，冻土层下伏地层地温梯度为 1.51.8/hm℃， 平均冻土层厚度都在 100 m 以上。冻土基本连续或 大片分布，温度低，地下冰厚，为天然气水合物形 成奠定了良好的基础[7-9]。粗略估计，羌塘盆地天然 气水合物稳定存在分布的相平衡深度在1501 310 m。 天然气水合物的气源来自于高热演化程度的烃源 岩，其烃类组分湿气组分含量较高。羌塘盆地发育 多套烃源岩，主要烃源岩包括上三叠统肖茶卡组 T3x、 中侏罗统布曲组J2b和上侏罗统索瓦组J3s [10]， 岩性主要为海相灰岩和泥质岩两大类，分布广泛， 最厚处超过 2 000 m， 烃源岩产生的烃类物质主要 以湿气和干气为主，液态烃生成区仅仅在盆地中心 零星分布[9,11]。 羌塘盆地发育的储集层可以分为三大类，分别 为碎屑岩储层、碳酸盐岩储层、裂缝性储层，总 体来看，在层位上，上部和下部储层物性好于中部。 盖层相对复杂，有泥岩、页岩、致密砂岩、灰岩和 膏岩等。 2 遥感探测天然气水合物的技术方法 可用于提取天然气水合物相关信息的遥感图像 包括中低分辨率的 MODIS中分辨率成像光谱仪、 TM/ETMLANDSAT5、7 的传感器、ASTER美、 日本合作 Terra 卫星上的高级光学传感器等，以及 其他各类高分辨率遥感图像。利用中低分辨率图像 中的热红外波段，可以反演地面温度，获取冻土区 的分布；而地面温度反演是计算年平均地温、划分 冻土带、推测冻土厚度最关键的步骤。MODIS 图像 可以在大范围内提取地表温度； TM/ETM对于温度 反演具有更高的精度； ASTER 图像能较好地反映地 表矿物成分信息，为探索天然气水合物物源信息提 供依据。高分辨率的 Quickbird、Worldview2、 Geo-eye1均为美国高分辨率遥感卫星传感器图像 可以有效地识别泥火山、高原沼泽地水坑的密度和 水色，推测油气微渗漏区域。 2.1 ETM信息提取 对于覆盖木里煤田的 ETM图像，首先要进行 ChaoXing 第 5 期 万余庆等 青藏高原天然气水合物遥感探测研究 27 影像合成、镶嵌、融合、几何校正、裁剪等预处理， 以便为后续信息提取准备基础图像。 由以往研究可知，木里煤田已经发现的天然气 水合物分解后的气体主要为甲烷，甲烷气体逸散在 空气中会引起较高的热效应[12]。在聚乎更矿区，利 用 ETM的红外波段作简单的数据拉伸处理，再与 第 4 波段和第合成并作增强处理，突出了 3 个异常 区图 1。 图1 木里煤田聚乎更矿区ETM图像提取的热异常信息 Fig.1 ETM image of Jhugeng mining area of Muli coal field 野外调查发现，热异常分布区地面为沼泽地和 河流，图 1 中 3 个椭圆形区域中的黑色区域为地面 水体，水体中的亮斑异常点经调查并无温泉，说明 异常点均在水体上空。这一现象可能是由于水体上 方有甲烷富集，由此造成了局部高温异常，并且在 低温水体背景的衬托下， 该高温异常显得尤为明显。 野外调查还发现，图 1 中的高温异常点对应的 地表为沼泽地，有大量水坑，面积为几平方米到十 几平方米不等；约半数的水坑中冒泡图 2，少量的 水坑冒泡时间 56 min，最长可持续 10 min 以上； 冒泡水坑中水体多呈棕黄色，有相对清洁的沙泥质 沉积物，无植物残骸。由于这一现象出乎预料，未 能实现对冒泡气体的采样分析。 图 2 木里煤田聚乎更矿区野外沼泽地a及其 局部放大图b Fig.2 Marsh a and local amplification b 野外调查还看到，该地已经完成了多个煤炭钻 孔，附近的 4 个钻孔中均见可燃气甲烷，深度为 100300 m。2011 年 8 月，在该地获得了天然气水 合物实物样品。 2.2 利用 ETM 反演温度场 对于 ETM第6波段图像， 可以应用同步记录的 定标参数，计算每个像元点的光谱辐射值，再计算 出辐射温度。 木里煤田8月下旬的 ETM影像温度反 演结果表明，水体温度基本都在0℃以下或者更低， 表明该地区以多年冻土区分布为主。对羌塘盆地 ETM影像进行了同样的温度反演，温度从低到高 依次赋予浅灰色→白色，参见图3其中图3a 为全色 波段合成。通过将该影像与中国地质科学院的地球 化学测试数据进行对比分析发现，影像上的温度高 异常区与地球化学采样测试的甲烷异常区比较吻 合。 根据天然气水合物形成的温压及物源条件分析， 这些冻土区可作为天然气水合物的调查靶区。 图 3 羌塘双湖地区 ETM影像a与温度反演图b对照 Fig.3 Comparison of ETM image a and temperature inversion figure b of Shuanghu area in Qiangtang 2.3 ASTER 图像天然气水合物物源信息提取 木里煤田 ASTER 影像有 5 景，羌塘双湖地区 的 ASTER 影像有 6 景，本次研究主要利用一些增 强方法， 识别与天然气水合物关系密切的碳酸盐岩、 黏土等地表信息。ASTER 图像上，碳酸盐岩光谱最 显著的识别特征位于 2.32.4 μm，黏土类的矿物识 别光谱位于 2.1652.215 μm，而高岭石唯一的光谱 诊断特征出现在 2.209 μm 处。 为了突出碳酸盐岩化信息，采用式1进行波段 运算 79 8 2 bandband Resultband   1 为突出黏土类蚀变信息，用式2进行波段运算 57 6 2 bandband Resultband   2 图 4 是利用式1增强处理的碳酸盐岩化信息分 布图图中亮区域。由图可见，在双湖地区的北部， 分布着大面积的碳酸盐岩，其空间展布基本呈 ChaoXing 28 煤田地质与勘探 第 42 卷 NW-SE 向。 图 5 是利用式2增强处理的黏土类蚀变 信息图图中亮区域。可以看出，该区的黏土类蚀 变信息已成规模地聚集。两类岩性以双湖为界构成 不同的空间分布范围及走向。 图 4 碳酸盐岩化信息分布图 Fig.4 Distribution of carbonatization ination 图 5 黏土类矿物蚀变信息分布图 Fig.5 Distribution of alteration ination of clay minerals 2.4 高空间分辨率遥感图像提取泥火山信息 泥火山是地壳浅部层次地质流体水、 泥、 砂岩、 岩屑和岩块的混合物喷出地表所堆积成的泥丘，外 观像锥形，内部呈坑状。泥火山活动与现代活动断 裂和地震关系密切，是现代地壳运动、新构造活动 的显著标志；泥火山的存在是天然气水合物、石油、 天然气存在的活证据，是寻找油气和天然气水合物 的良好标志[13]。 2.4.1 泥火山的解译标志 由于泥火山的喷发物主要为泥浆，松散堆积， 喷发规模又比较小，所以在漫长的地质历史时期很 难保存。现存泥火山的解译标志有地貌多为残留 的泥火山丘、泥泉、泥潭、泥火山口湖、破泥火山 口等；在高分辨率遥感影像上，泥火山非常醒目地 出露于地势平坦的第四纪湖积物之上。 2.4.2 泥火山的解译结果 在高分辨率的 Quickbird 图像上解译发现， 羌塘 盆地中部出现大量的泥火山群 图 6a、图 6b 。 图 6 羌塘盆地中部泥火山遥感影像图 Fig.6 Remote sensing images of mud volcano in central Qiangtang basin. 泥火山喷口直径从几米到数百米不等，喷发物 堆积形成的泥丘最高十余米，外型多呈锥状小丘， 中间为漏斗状，部分有积水现象，有的泥火山口不 断向外涌出咸水。根据解超明[13]的野外观测，堆积 的泥丘有的高约 12 m，喷发中心呈漏斗状，火山口 ChaoXing 第 5 期 万余庆等 青藏高原天然气水合物遥感探测研究 29 中心深度超过6 m， 现存的泥火山口直径可超过100 m， 最大可达 500 m图 6c。 根据分析结果，喷出物的主要来源是区内渐新 世唢呐湖组、未固结的第四纪松散的厚层泥砂、黏 土质层和充足的地下水。在空间上，区内泥火山的 活动明显受新生代活动断层等构造的控制。 3 结 论 青藏高原天然气水合物遥感探测， 首先， 在对天 然气水合物成藏要素综合分析的基础上， 通过分析多 种遥感图像，获取天然气水合物潜在区的解译标志； 第二， 根据解译标志， 再对整个研究区进行初步解译； 第三， 经过野外验证和考察， 对提取的信息进一步分 析，形成数种专题因子图件。进而，可利用 GIS 平 台，综合分析研究区天然气水合物物源、成藏要素、 冻土分布、 地面高程、 地表温度、 冻土厚度、 泥火山、 地表上空大气温度、 沼泽地水色异常区等多种专题因 子，最终预测天然气水合物分布的有利区。 在遥感信息提取方面，本次研究取得的主要成 果有 a. 在木里煤田的 ETM影像热红外波段上提 取的 3 个热异常区，均位于水体上方，经过野外调 查和钻孔资料验证，发现其附近地下有天然气水合 物分布。在钻孔附近的沼泽地上，有大量水坑，其 中近一半水坑中有黄色沉淀物，并伴有大量气泡排 出,该现象可能与天然气水合物有关。 b. 利用 ETM图像能比较真实的反演地面温度。 c. 利用 ASTER 图像，能比较准确的反演地表 碳酸盐岩化和黏土化信息。 d. 通过对羌塘盆地的高分辨率遥感影像检索， 发现规模不等的泥火山，这些泥火山与文献检索发 现的泥火山的位置和规模相吻合，位于天然气水合 物物源分布区，间接地为羌塘盆地天然气水合物勘 探提供了有力证据。 上述结果说明，遥感技术能为天然气水合物地 质调查提供有用信息，可以作为天然气水合物调查 的先行技术方法。 参考文献 [1] 徐文世，于兴河，刘妮娜，等. 天然气水合物开发前景和环境 问题[J]. 天然气地球科学，2005，165680–683. [2] 张洪涛， 张海启， 祝有海. 中国天然气水合物调查研究现状及 其进展[J]. 中国地质，2007，346953–961. [3] 王佟，刘天绩，邵龙义，等. 青海木里煤田天然气水合物特征 与成因[J]. 煤田地质与勘探，2009，37626–37. [4] 卢振权，祝有海，张永勤，等. 青海祁连山冻土区天然气水合 物的气体成因研究[J]. 现代地质，2010，243581–588. [5] 曹代勇，刘天绩，王丹，等. 青海木里地区天然气水合物形成 条件分析[J]. 中国煤炭地质，2009，2193–6. [6] 文怀军，鲁静，尚潞君，等. 青海聚乎更矿区侏罗纪含煤岩系 层序地层研究[J]. 中国煤田地质，2006，18519–21. [7] 吴青柏，蒋观利，蒲毅彬，等. 青藏高原天然气水合物的形成 与多年冻土的关系[J]. 地质通报，2006，251/229–33. [8] 坚润堂， 李峰， 王造成. 青藏高原冻土区活动带天然气水合物 异常特征[J]. 西南石油大学学报，2009，31213–18. [9] 程顶胜，李永铁，雷振宇，等. 青藏高原羌塘盆地油气生成特 征[J]. 地质科学，2000，354474–481. [10] 赵政璋， 李永铁， 叶和飞， 等. 青藏高原羌塘盆地石油地质[M]. 北京科学出版社，20001–367. [11] 丁文龙，李超，苏爱国，等.西藏羌塘盆地中生界海相烃源岩 综合地球化学剖面研究及有利生烃区预测[J].岩石学报， 2011，273878–896. [12] 卢振权，强祖基，吴必豪，等. 利用卫星热红外遥感探测南海 天然气水合物[J]. 地质学报，2002，761100–107. [13] 解超明， 李才， 李林庆， 等. 藏北羌塘中部首次发现泥火山[J]. 地质通报，2009，2891319–1324. ChaoXing