利用图像处理技术研究油气田航磁和航空异常
(地质矿产部航空物探遥感中心，北京100083)
利用图像处理技术研究了与油气田异常相关的以下问题:高频弱磁异常的快速提取、高频磁异常埋深的估计、放射性异常的归一化、典型异常剖面分析和油气远景评价，提出了4个有希望的含油气异常。经核实，这四个异常中有三个显示油气，其中1为工业气流。
关键词:油气田、叠加效应、图像处理、航空Th归一化处理、油气远景评价。
一.前言
近10年来，人们越来越重视油气田的非地震物探工作[1-8]，原因之一是地震勘探的生产成本日益昂贵；另一方面，近10年来，航磁和航空辐射技术发生了巨大的变化。气动光泵磁力仪的灵敏度从1nT提高到0.1 ~ 0.01NT。将大体积方柱形NaI(Tl)晶体和数字电路引入航空放射性测量仪，不仅使其灵敏度提高了10。这些都使物探工作者更加重视大面积、低消耗的航空物探技术在油气勘探中的应用。
柴达木中部高灵敏度航磁和航空伽马能谱测量飞行线距离65438±0km，飞行高度约90m；安装在双奥特飞机上的航空无线电和航空磁综合站包括GAD-6四通道光谱仪、MAP-4质子旋进磁力仪、磁带录音机、多普勒雷达和航空摄影。光谱仪使用三盒总体积为48L的NaI(T1)晶体，磁力仪的灵敏度为0.5nT。
用放射性γ测量进行油气勘探已有50多年的历史。实践表明，油气田上方存在低放射性异常，油气构造边缘存在比原来低的异常峰。1979年，美国的Donovan T.J等人发现了水泥油田的高频磁异常[13]，人们认识到这种与油气田有关的高频磁异常的存在[9]已经超过了10年。虽然对这些异常的机制有许多争议，但最被接受的假说是烟囱效应。一般认为，几乎所有的储油构造都是从深部排水，烟囱效应通过溢流、溶液逸出和气体扩散三种泄漏方式将烃类和其他有机衍生物带到地表。在从油气层向上运移的过程中，地层中的液体和气体由于后作用形成磁铁矿并沉淀放射性元素，从而形成航磁和航空异常，可通过航测发现，并作为判断地下油气聚集的标志。
提出图像处理技术来研究这一问题，基于两点考虑:(1)航空物探大面积宏观数据通过图像处理可以快速获得直观的结果；图像系统具有适用于位场数据(航磁)和统计数据(航磁)的处理功能。本文制作的基础影像网格为317.5× 317.5m2..除了航磁和航空射电，还使用了Landsat图像的MSS(7、5和4波段)数据。
第二，异常特征的研究
1.高频弱磁异常的快速提取
柴达木盆地是中国重要的含油气盆地之一。勘查区内有许多地下油气显示。测区人少，人为干扰少。是研究油气田后磁铁矿引起的高频弱磁异常特征的理想试验场。
测区磁场动态范围为0 ~ 533 nt，在0 ~ 127 nt的低端只有12个像元，占全图的5/100000，且集中在东北部的局部负异常，故采用限制拉伸的方法:
张玉军论地质勘探新方法
其中z(x，y)为磁场异常，单位nT，l(x，y)为图像灰度或灰阶。
每个灰度代表1.598 nT，所以可以看出，经过限幅和拉伸处理后，原始磁图像中保留了更多的微弱异常信息，然后根据公式(2) [10](彩色版图9(A))制作三维阴影图。
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其中θ是光源的方位角；φ是光源的高度角；λ是磁平面法向量和光源向量之间的夹角。
测区磁场彩色立体阴影图显示，西北角至东南角沿对角线有一组高频弱磁异常，宽1 ~ 2 km，振幅2 ~ 15 nt，黑白图像有3 ~ 20个灰度变化。
文献[2]认为钻井套管和井盖可能引起振幅为2 ~ 5 nt的异常，但其波长较短(< 300 m)，也就是说，套管和井盖引起的异常只是317.5×317.5m网格图像上的孤立点。为了突出有用的弱磁异常，用图1中的模板做水平二阶导数图像，用邻域滤波消除孤立异常。
色板附图9(B)是航磁二阶导数、归一化U和油气异常分布的叠加图像。青色点群是航磁水平的二阶导数异常；红色是归一化的U；绿色和蓝色椭圆是已知的异常位置；红色椭圆是新发现的有希望的异常。已知的10个油气显示都有高频弱磁异常，有力地说明了只需几分钟就能完成的磁场二阶水平导数图，对于提取与油气田有关的高频异常具有重要意义。
图1推导卷积模板
2.高频弱磁异常磁源埋深
对磁场进行快速傅里叶变换(镜像对称边缘展开)，然后计算变换结果的功率谱，从功率谱图像中取径向截面值，最后做出径向功率谱图(图2)。为了绘图方便，直接用图像上的点数作为横坐标。
频谱图显示，全图由低频功率谱Pl和高频功率谱Ph组成，低频部分主要由本区前泥盆纪变质岩的磁性引起，高频部分主要由浅部后地层局部矿化引起。用参数法[14]计算磁源埋深。
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取对数
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图2径向功率谱
如果在半对数坐标下作图，式(4)为线性方程，-2h和-2h分别为低频带(1 ~ 8点)和高频带(12 ~ 50点)的直线斜率，lna和lnb分别为两条直线的截距，△ r为径向频率区间。
R=2π/(点数×点间距)(5)
本次测区点数为512，点间距为317.5m，R=38.65×10-6m，用最小二乘法求出两条直线的截距和斜率。
a=254.1429，Kt=-13.5595，b=113.7212，Kh=-0.9182，
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公式中引入s是因为图像处理显示的对数功率谱值只具有相对意义，s的单位为m，其值可由已知异常源的埋深得到。已知低频磁异常是由埋深-5000至-15000米的前泥盆纪变质岩引起的，则
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代入h，s为0.0285~0.0855m
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即高频弱磁源埋深在0.3 ~ 1 km之间。
3.航空影像在油气藏上的反映
航空三要素合成图像[11-12]如彩板图9(C)所示，其上叠加有航磁二次水平导数异常。红色是K，含量从0到7.8%变化。绿色为Th，含量为0.0 ~ 39×10-6不等；蓝色为U，其含量从0 ~ 14.9× 10-6变化，色板图9(D)上图为其色标；黄点群是航磁水平的二阶导数异常。与航磁水平的二阶导数相比，航空影像与油气显示的相关性要复杂得多。虽然并不是所有已知的油气显示都有清晰的航空异常，但还是有一些含油构造被清晰地反映出来。例如，彩色版本图9(C)中的5号异常是胡亚湖中已知的含油穹丘。在二元图上(色板附图10(A)和色板附图9(D)下面图中的色码)，鸭湖构造也很明显；图的上半部分是R-Th、G-K、B-K的合成图像，箭头指的是东台吉乃尔已知的含油气构造。下部为R-Th、G-U、B-U合成图像，箭头指涩北1号、2号已知含油构造，均显示外围高中间低的放射性异常。
如何增强或突出航空数据中与油气有关的信息，是减少或压制岩性影响的关键。所以我们采用主成分分析(图像处理中称为KL变换)和Th归一化处理[15]。
彩板附图10(B)是航空三要素主成分分析(KL变换)影像，彩板附图9(D)的上色标也是其图例；图中A、B、C分别是第1、第2、第3主成分，分别用KL (1)、KL(2)、KL(3)表示，D是合成图像。每个主要成分的组成如下:
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其中Xk、XTh和x .分别表示像素k、Th和u的内容值。
在1主成分ξ1中，K占优势，降低了Th的作用；由于大部分砂岩和砾岩中K与Th呈正相关关系，因此该方法处理的KL(1)极大地压制了岩性的影响，突出了与K、Th无关的地质作用的反映，如钾盐的沉积和叠加效应。
ξ2综合了K、Th、U的变化，反映了整个区域的地质环境，对研究油气局部异常没有明显作用。
ξ3中u占优势，削弱了Th和K的作用，极大地抑制了岩性影响，这对研究油气局部异常非常重要。
为了减少岩性的影响，根据文献[15]，在整理地面或航空放射性测量数据时，常除以Th含量值，称为Th归一化处理。在做这种处理时，认为Th可以代表砾石沉积物中岩性的变化，K、U、Th在这些沉积物中有一定的正相关性，通过除以Th值来减少或抑制岩性的影响。我们的改进是在归一化之前，先进行相关分析，得到相关系数，然后根据相关系数进行归一化。色板附图10(C)为K和U归一化前后的对比图，原图在左边，色板附图9(D)上图为其色标；右边是归一化的结果。
表1是已知和新发现异常的统计表，有* * 8个特征:K原始影像，K经KL变换，K经th归一化，U原始影像，U经KL变换，U经Th归一化，U晕和MSS(波段7、5、4)影像上的晕反射。已知10个油气显示中有8个(80%)有明显或明显的航空异常；其典型特征是:第Th归一化图中心低k、低u、高u的外围晕。
Th正常化对含油构造的以下异常效果明显:将V1、V2、V5的K高变为K低，显著降低V1、V5的U高。因此，标准化对统一异常属性有明显的效果。
4.典型异常剖面图像
胡亚(V2)和红三函4号(V1)作为典型的已知异常进行剖面研究。
胡亚异常具有以下典型特征(彩色附图10(D)):
归一化前后(1)U(色板附图右图蓝色曲线10(D))，异常中心偏低；
(2)K原本是异常中心的高值，但归一化后也是低值(色板图10(D)右图红色曲线)；
(3)异常周围有明显的U峰和晕；
(4)有明显的高频弱磁异常，且中心较强(彩板图10(D)右图绿色曲线)。
表1已知和新发现异常统计
红三旱4号的异常特征如下:
(1)U在正常化前异常中心强而高，正常化后显著降低。
(2)K归一化前高，归一化后低；
(3)归一化后，异常周围出现明显的U峰，反映晕现象；
图3红三旱四号表面能谱测量剖面图。
(4)还存在明显的高频弱磁异常。
综合典型异常分析，与油气藏有关的航磁和航空异常识别标志为:航磁局部高频弱变；Th归一化后，局部钾、铀偏低(部分达不到低值)；以及异常周围铀的高值晕现象。
我们对红三汗四号异常进行了地面检查，用四台能谱仪测量了剖面，总长10km，点距100 ~ 200m..得到的剖面图(图3)与航测结果一致，K高、U高、th高在异常中心，由中心向两侧先减小后增大。
三。油气远景评价的探讨
本测区已知含油构造或点***10，见表1:红三汉4号(V1，气)、胡亚(V2，气)、马鑫高店(V4，油)、东台吉乃尔(V5，见工业油流)、楠楠。这些10已知油气显示无一例外都有明显的航磁级别二阶导数异常。前8个有明显或明显的航空异常，表现为在用Th归一化的K元素像和U元素像上U的中心低值和外围晕现象。后两个已知区的航空异常不够明显，主要是因为这两个已知油气显示点位于富含钾盐矿床的区域，钾引起的放射性变化强于与烃类有关的弱放射性异常，不明显。因此，本测区已知油气显示构造或点与航磁水平二阶导数异常的符合率为100%，与航磁K、U异常的符合率为80%。
李路玲等报告柴达木盆地中部航磁详查成果。地质矿产部航空物探遥感中心，1985。
利用传统方法对该测区的油气远景进行了评价，圈出了8个最有希望的油气区，并通过图像处理完全证实了评价结果。经过图像处理，我们认为应该增加以下四个有希望的油气异常区:
(1)伊克饶如背斜构造(V3)位于胡亚油气背斜构造以东30公里，泰吉乃尔油气背斜以北15公里处。航磁、航放和卫星图像异常非常典型，与胡亚异常非常相似，异常特征依据充分，可视为新发现的最有希望的油气异常。
(2)南岭丘西异常(V10)位于南岭丘已知含油构造以西约5km处。有局部高频低幅磁异常，低钾低铀，外围封闭的明显高值U晕。它可以作为一种新的有前途的油气异常。
(3)洪水异常(V11)位于台吉乃尔洪积扇的上部。除局部高频弱磁异常外，还有低U和隐约可见的外围U高晕，可作为新发现的有希望的油气异常。
(4)南八仙异常(V14)位于献县西南高点北缘。存在局部高频弱磁、低钾、低铀异常。也可作为新发现的有希望的油气异常。
如上所述，色板图9(B)显示了l0处的已知(蓝色、绿色和黄色椭圆)和四个新发现的油气异常(红色椭圆)。它与航磁水平的归一化U(红色)和二阶导数异常(绿色点)叠加。
上述远景评价完成于1990。根据1991年能源部在柴达木盆地中部的勘探成果，对比如下:在上述四个含油远景区中，有三个见到了油气显示:即在“钟毅1”井的Yike Jaú软斜构造(V3)中见到了油气显示，台中出现了洪水异常。
本次工作预测的4个含油远景中，有3个已见油气显示，说明利用航磁和航放参数进行图像处理研究油气田异常特征是有效的。用该方法预测了常规方法未发现的异常，并得到了验证，显示了该方法的价值。
参与实地核查的其他人员有水恩海、石、郭毅。屏幕图像均由杨拍摄，得到了能源部石油勘探开发研究院遥感地质研究所叶合飞的支持。在此表示诚挚的感谢。
参考
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空气磁学和空气动力学的研究。用图像处理技术研究某些油气田的放射性异常
张
(地质矿产部航空地球物理与遥感中心，北京100083)
摘要
这项工作代表了用图像处理技术研究下列问题的结果:高频弱磁异常的快速提取、高频磁异常深度的估计、辐射异常的归一化、典型异常剖面的分析和寻找油气远景异常的预测。发现了四种新的油气远景异常。该研究已于1990年初完成。与1991的勘探结果相比，我们感到鼓舞的是，不仅在4个异常区中的3个异常区发现了油气，而且在其中一个异常区也发现了天然气。
关键词油气田，烟囱效应，图像处理，磁场二阶水平梯度，功率谱，航空辐射测量的Th归一化，油气远景评价。
地球物理学报，1994，第37卷，第1期。