9.1.1 原理分析
9.1.1.1 油气微渗漏理论
对于油气微渗漏理论，Donald F.Saunders对其做了总结：相对分子量小的轻烃快速、垂直上升，穿过一系列相互连接的、充满地下水的裂缝和岩层平面。当这些轻烃到达地下水位的表面后，将进入土壤空隙中，此时可采用气相色谱法对它们进行采样和检测；随后，它们逃逸到空气中，可采用微波光谱测定法将它们检测出来。进入到土壤的轻烃，一部分被细菌分解，生成硫化氢、二氧化碳，二氧化碳与水作用生成了碳酸，碳酸再与粘土矿反应生成碳酸盐，从而引起地表物质的坚硬和难以被侵蚀。同时硫化氢制造的环境中钾长石和斜长石被还原为粘土矿，同时Fe3＋被还原为Fe2＋。
油气微渗漏现象贯穿于油气生成、运移、聚集、散失等全过程，油气微渗漏广义上仍属油气运移，油气初次运移和二次运移是油气生成至聚集成藏的复杂过程，通过对“油气运移”的研究，可以根据油源寻找可能的油气藏。这是经典油气勘探思路。而油气微渗漏主要研究油气成藏后的散失作用，它是指地下油气组分在浓度梯度、压力梯度及水动力作用下由地下深处沿裂隙或微裂隙体系穿过盖层及上覆岩层到达地表，一部分散失于大气之中，一部分以吸附态、游离态或溶解态分布于岩石、土壤、水体之中，还有一些被氧化后，与地表物质反应生成碳酸盐等蚀变矿物。因此，改变了地表烃类物质的背景分布特征，并且在油气藏上方形成异常分布。油气化探就是通过探测油气微渗漏产生的地表及井中异常来预测地下的含油气性。
烃类渗漏是多种机制和多种途径运移的综合表现，至少存在以下三种运移机制：
1）扩散运移。扩散运移是烃类分子，如自由气体，在油气藏与地表存在巨大压力差作用下穿透上覆岩层的扩散现象。扩散运移通常被认为是地表产生宏观烃渗漏的主要因素。
2）渗漏运移。渗漏运移是指油藏中的烃类物质在内部压力作用下，沿上覆岩层的节理、孔隙及裂隙等微细通道向地表运移的形式，是烃类微渗漏的主要形式。
3）水动力运移。水动力运移是在地下水的参与下，烃类在水动力因素或化学势的驱使下的运移作用，它对渗漏运移起着加速的作用。
油藏微渗漏的烃类在向地表作垂直运移的过程中，与上覆地层、地下水等产生一系列的空间分异效应，造成运移到地表的烃类组分比例产生变异。其中，最有意义的现象是：由于分支状的异构烷烃被滞留的程度较低，在垂向剖面中表现为所占比例有逐渐增大的趋势。所以在现行的地表化探中正烷烃/异烷烃的指标比较稳定。在油气藏地表地球化学测量中发现，在干旱、半干旱地区油藏上方地表土壤中普遍存在着微渗漏的烃类物质，而且重烃所占比重较大（＞C11的总量是C1—C5 总量的10倍左右），目前获得最高碳数的烃类可达C25。这些大于C11的重烃组分含量呈正态分布（图9.1），峰值在C20—C21附近，不具备奇偶碳数的优势，说明为油气藏中成熟较高的烃类微渗漏的产物。另外还发现，油气藏烃类微渗漏在向地表运移过程中向四周产生扩散现象，但随碳数的增加其离散度有变小的趋势。所以从理论上讲，土壤重烃异常应与地下油藏有很好的对应性。
图9.1 油气藏上方地表土壤中重烃组分图谱
烃类微渗漏至地表，在常温常压环境下，土壤中的微渗漏烃类有五种存在形态；①扩散到近地表大气中的轻烃，呈气态混合于大气中，易被氧化或被风吹散。②被土壤或矿物颗粒吸附的烃类，可以是气态或液态。其气态部分受外界大气系统条件变化的影响，而液态部分较之稳定。③充斥于地表土壤颗粒间孔隙中的气态烃，与外界环境条件保持相对动态平衡。④溶解于浅层地下水中的烃类，主要为轻烃或芳烃。⑤被食烃菌类吃掉的烃类，以菌类躯壳-石蜡垢的固态烃堆积于地表土壤中。所以，近地表土壤中的烃类为气态、液态、固态并存。
综上所述，便可得出油藏烃类微渗漏的概念模型（图9.2）。从模型可知，在地表二维平面上，微渗漏的轻烃所形成的异常范围大于油水边界对应的面积，并形成环状异常体。微渗漏的重烃所形成的异常范围与油水边界有较好的对应性，并形成顶端面状异常体。那么，利用油气藏烃类微渗漏理论进行石油直接勘探，重烃信息具有较高的应用价值。然而对于高光谱遥感影像进行勘探地表的矿物异常及其光谱异常有着十分重要的作用。
1968年美国原子能委员会的研究证明，小分子的烃类，在14 d里可穿透300 m的上覆盖层，28 d能穿透600 m的上覆盖层；体积相当于胶粒的烃类分子，在地下水的参与下，不管遇到什么地层，均能以每秒若干毫米的运动速度上升运移。相对于地质发展史而言，烃类微渗漏速度是较快的。
Price在对近地表石油勘探方法进行广泛深刻的评述后，得出结论，“烃类微量深处的存在是毫无疑问的。同样这个事实也是无疑的，即它能导致清楚地圈绘出烃类矿床的地表踪迹的异常。毫无疑问，地球化学勘查可以而且已经是强有力的石油勘查手段”。
Prison S.J.将油气藏中烃类“垂直”向上渗漏称为“烟囱效应”。实际上，烃类的垂直向上渗漏中还伴有非烃组分（H2 S，CO2 ，H2 ，CO等），不只是油气藏中的烃及非烃组分向上渗漏，油气尚未富集成藏但有一定程度的积聚后同样产生烃及非烃组分向地表方向的垂直迁移。这些组分向上渗漏的数量一般在油气藏边缘较中央大，近油气藏处较远处大。
9.1.1.2 油气微渗漏的地表异常表现及光谱特征
（1）土壤异常表现及光谱特征
轻烃以多种状态（挥发态、水溶态、吸附态、包裹态等）赋存在地表或以烃类物质的形式单独存在，造成土壤和大气中烃组分异常。烃类在微渗漏过程中与地下水作用，导致油气藏上方形成还原环境，使上覆地层的岩矿、土壤发生物理、化学、生物等反应，即蚀变。在地表反应为红层褪色、磁异常、粘土矿化、碳酸盐矿化等蚀变现象，同时产生蚀变矿物。烃类物质以CH表示，氧化物以RO表示，则主要反应式如下：
CH ＋ O→CO2 ＋H2O ＋ RO （9.1）
CH ＋ CaSO4→CaS ＋H2O ＋ CO2 （9.2）
图9.2 油气藏烃类微渗漏模型
（据朱振海，1994）
CH ＋ CaSO4 ＋ O→CaCO3 ＋H2S （9.3）
CH ＋ Fe2O3→Fe3O4 ＋ CO2 ＋H2O （9.4）
其中，式（9.1）表示生成大量的石油固体衍生物的氧化反应，如沥青、地蜡等；式（9.2）生成硫化物、酸性水和二氧化碳气体；式（9.3）生成碳酸盐造成岩矿化晕，生成的H2 S气体具有强还原性，是造成红层褪色、粘土矿化及地植物异常的一个原因；式（9.4）中，铁由Fe3＋转化为Fe2＋，是造成红层褪色的另一个原因。Fe2 O3 又与H2 S作用生成Fe2 S导致黄铁矿化。
油气微渗漏导致地表的异常表现为地表土壤的碳酸盐化、粘土矿化和黄铁矿化。
A.碳酸盐化
作用机理：轻烃渗漏至地表后，由于地表氧化-还原环境的转化，轻烃中的甲烷被氧化成二氧化碳，与水结合成碳酸，碳酸与各种金属离子结合成不同的碳酸盐，导致了油气藏上方地表土壤中碳酸盐的富集，总含量异常。碳酸盐化在内陆盆地以作为胶结物或置换物的方解石最为常见。
光谱特性：碳酸盐化的蚀变异常的代表矿物有方解石和白云石等，
图9.3 碳酸盐矿物反射波谱曲线
B.粘土矿化
作用机理：轻烃微渗漏过程中受到土壤中微生物的作用，被氧化同时生成CO2 ，H2 S和有机酸，形成微酸性的还原环境，促使钾长石、斜长石被粘土矿物所置换，并且可以导致通常比较稳定的伊利石转化为高岭石，从而改变粘土矿物的构成与分布，较明显地提高了油气藏上方地表粘土矿物丰度。
光谱特性：粘土矿化的波谱特征主要表现在2.2μm和2.35μm附近：在2.2μm处表现为较强的羟基基团的吸收特征，在2.0～2.5μm处呈现比硅酸盐、碳酸盐低的反射率。利用这些波谱特征，可以提取粘土蚀变信息。粘土矿中常见的有伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石，其光谱如图9.4所示。
图9.4 粘土矿物反射波谱曲线
C.黄铁矿化
在油气富集区，硫元素最初主要来自于与油气共生的H2 S和地表的烃类被氧化后的产物；铁元素则来自于砂岩颗粒表面的铁氧化物等。红褐色的Fe2 O3 与H2 S作用生成了黄铁矿FeS2 ，化学反应如式（9.5）：
Fe2O3 ＋ 4H2S ＝ 2FeS2 ＋ 3H2O ＋ 2H＋＋ 2e- （9.5）
式（9.5）也是红层褪色的原因。
光谱特性：黄铁矿等Fe2＋矿物在1μm处有较强吸收带，在1～1.5μm处有宽吸收带。铁矿石的光谱图如图9.5所示。
图9.5 铁矿石光谱
（2）植被的光谱异常表现
油气微渗漏对植被光谱的影响中，最突出的特点就是红边蓝移。
国外学者利用高分辨率地面光谱仪对油气区域植被的泛着光谱进行测量分析，研究结果表明：渗漏区的植被在550～650 nm波长区间的反射率比正常植物的高；在波长700 nm附近反射率陡升线与正常植物相比向短波方向移动，即红边蓝移特性；国内部分油气区的植被微量元素检测结果表明，大部分微量元素在油气异常区植物中的平均含量高于非异常区或北京区域的，可见植物对各种微量元素有很强的富集能力。植物的异常信息指示存在可能的烃渗漏，但由于其成因复杂难以观测和分析，不同植物对油气物质的反应机理不同，这种异常标志使用受到限制，在油气勘探过程中，还需要辅助地层构造和地层层序等其他资料加以分析、判断。
红边蓝移：单片叶子的波谱从680 nm为中心的反射率极小值过渡到从800 nm开始的反射峰，其间必存在一个拐点，也就是反射率对波长的二次微分等于0 的点，该拐点所对应的波长被称为“红边”。描述红边特征的另外一个重要参数是红边斜率，即光谱在红边处的一阶微分 D（λ），如式（9.6）所示。
高光谱遥感技术原理及矿产与能源勘查应用
红边的变动与叶子内部的物理状态主要是叶绿素的含量密切相关，例如任何原因引起近红外反射峰的降低，均会引起红边位置的迁移，所以红边概念对排除外来干扰，特别是对排除来自土壤背景的干扰，提取植被的状态是十分有用的。
何在成、吕慧萍、王云鹏等人对三种植物受烃类微渗漏引起光谱变化进行了实验。实验表明，植被受到油气微渗漏烃类气体的影响，植物的根部受到毒害，使新陈代谢周期缩短，枯黄、衰老加快。烃类气体影响植物生长的机理：当植物根部土壤中含有微量烃类气体时就会存在如下的氧化反应（以丁烯为例）：
C4H8 ＋ 6O2→4CO2 ＋ 4H2O （9.7）
式（9.7）说明烃类气体使土壤中氧气含量减少，二氧化碳含量增加。然而植物的根部必须在有氧呼吸的环境下，吸收土壤中养分。如果氧气含量降低，有氧呼吸就会减慢，矿质营养或者离子的吸收也会减慢。在无氧条件下，甚至早先以吸收的离子还会释放出去。此外，土壤中的二氧化碳增多，也会使土壤的pH值减小即向酸性偏移。
在酸性的土壤环境中，根瘤菌会死亡，导致植物的自生固氮菌市区固氮能力；显然是不利于植物吸收营养和养分的。
烃类气体影响植被的根部，使根部受到毒害，从而在植物冠部叶子上反映为叶绿素含量的下降，叶片枯黄。
对于三种进行试验的植被，可以看出，受到烃类气体毒害的植物叶子的色素吸收带偏向黄光波长，且色素吸收带的反射率大于未受烃类气体影响的植物样本；细胞结构谱带和水吸收带的反射率相对低于未受影响的对照组的反射率；受到毒害植物叶子的反射光谱曲线在0.68μm处叶绿素吸收边蓝移。
9.1.2 研究区背景
试验区位于东经109°7′44″～109°32′14″，北纬37°42′56″～38°28′40″，属于鄂尔多斯盆地东北部的榆林气田，行政区划属于陕西省榆林市境内（图9.6）。区域地势呈现东北高、西南低。地表以无定河为界线分为两种不同的地貌特征，北部为毛乌素沙漠覆盖（图9.7），南部为黄土塬地貌（图9.8）。区域地面海拔在950 m～1400 m之间。
试验区所在的榆林市作为正在建设的国家能源重化工基地，具有丰富能源矿产资源，天然气储量约5万亿立方米，探明储量7474亿立方米，是迄今国内陆上探明的最大整装气田，而横山、靖边是主要的气源储区，定边、靖边、横山、子洲四县为主要的油源储区。
图9.6 试验区地理位置示意图
图9.7 试验区北部沙地地貌
图9.8 试验区南部黄土塬地貌
榆林气田山2段储集层下部岩性主要为石英砂岩，向上岩屑含量增加，过度为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩，粒度以中—粗砂和含砾粗砂为主；以中等分选、次棱角—次圆状颗粒为主；填隙物以次生加大石英、绿泥石和高岭石为主，含量为0.1%～22%，平均3.86%。盒8段岩性主要为岩屑砂岩和岩屑石英砂岩，其次为石英砂岩，向上岩屑含量增加，粒度以中—粗砂、含砾中—粗砂和细砾为主；磨圆度以次棱—棱角状为主；填隙物以绿泥石为主，其次为高岭石和硅质，含量0.5%～25%，平均7.89%。千5段主要为长石石英砂岩、长石砂岩、岩屑长石砂岩，粒度以中—粗砂和含砾中—粗砂为主；颗粒分选中等，次棱—次圆状；填隙物主要为绿泥石和硅质，含量 1.2%～12.9%，平均5.13%。山2段、盒8段和千5段岩屑类型包括岩浆岩、变质岩和沉积岩，但山2段和千5段含有更多在地表条件下不稳定、易溶蚀的变质岩和岩浆岩岩屑，因而次生孔隙应更为发育。
试验区所在的榆林，是国家防沙固沙的试点区域，自20世纪国家治理荒漠化以来，在榆林地区进行了人工种植固沙林，造林的主要树种有刺槐、白柠条、樟子松、臭柏、沙柳等。而北部的毛乌素沙地主要是固定和半固定的沙丘，随着沙地基质的稳定化形成了一个沙生植被系列，其中油蒿所建的沙生半灌木植被成为最发达的类型，其各种群落占据了大部分沙丘和沙梁地。
受典型干旱荒漠气候的控制，试验区的自然植被以旱生、超旱生的灌木、半灌木和小灌木等荒漠植被为主。这些植物形成的荒漠植被结构简单，密度稀疏，具有组成种类少、层片结构简单、生产力低等特点，多数群落的盖度在15% 以下，流动沙丘植被盖度通常在5% 以下。
主要自然植被可分为：
1）砾质荒漠植被：主要分布于低山、剥蚀残丘和砾质戈壁区。植被组成以沙生灌木、半灌木和一年生、多年生草本植物为主。
2）沙质荒漠植被：主要分布在平沙地、固定程度不同的沙垄和沙丘及丘间低地上。植被由沙生灌木、半灌木与一年和多年生草本组成。
3）盐渍化草甸植被：主要分布在绿洲边缘的低地和其他盐渍化土地上。植被主要由叶肉质的耐盐或喜盐植物组成。
9.1.3 数据采集
示范区内收集的数据航天高光谱数据采用Hyperion数据，航空数据采用CASI/SASI机载高光谱仪在试验区组织航飞试验，并同时进行同步地面光谱测试。
航空高光谱数据拟通过加拿大Itres公司的机载高光谱成像仪（AHIS）获取；AHIS上装有双传感器光谱相机（CASI-1500和SASI-600）。
航空飞行试验以陕西榆林地区500km2 的稀疏植被覆盖试验区为航空高光谱图像数据的获取区域，用于完成油气高光谱勘探中的基于航空短波红外高光谱遥感的综合异常区圈定的复查。据地质分析，该地区盆地断层多、具有良好的富集条件，分割性较强。有一个隆起，五个坳陷，细分成42个凹陷，其凹陷发育早继承性好，沉积环境比较稳定。地层发育，沉陷幅度较大，成熟状况好，有地质沉积的基础。
测区宽：16.612km，测区长：40.073m，测区估算面积：665.69km2。飞行相对高度2000m，飞行试验区平均海拔约1150m，飞行高度定为3150m。
飞行试验区的飞行行带如图9.9所示。
图9.9 飞行行带示意图
同时进行航线上地面同步观测。在该区内选择测点进行光谱测量和样品采集，为航空高光谱遥感图像分析提供有效的训练样本和分类算法，并且最终验证遥感图像的分析结果。