一种基于红外反射光谱进行沉积岩分类的方法与流程

一种基于红外反射光谱进行沉积岩分类的方法
1.所属领域
2.本发明属于红外反射光谱数据处理与应用技术领域，具体涉及一种基于红外反射光谱进行沉积岩分类的方法。


背景技术：

3.沉积岩在岩石圈中分布广泛，陆地面积的75％被沉积岩所覆盖，而大洋底部几乎全部为沉积岩或沉积物所覆盖。此外，沉积岩中还蕴含着丰富的矿产资源，如煤、石油、天然气、盐类、铁、锰、铝、铜、铅、锌、磷等。因此，研究开展沉积岩分类识别方法研究对发展地质科学理论、寻找丰富的矿产资源均具有重要的意义。
4.沉积岩的一级分类可以分为陆源碎屑岩和碳酸盐岩，其中陆源碎屑岩的二级分类包括砂砾岩和泥岩两类岩性，而碳酸盐岩的二级分类包括灰岩和白云岩两类岩性。目前传统的沉积岩岩性识别主要包括人工肉眼鉴定和光学显微鉴定等手段。人工肉眼鉴定受人为主观因素影响较大，岩性识别准确率方面很大程度上取决于人的工作经验，而光学显微鉴定需要进行切割、磨片等样品制备流程，对样品产生损耗，且实验周期相对较长，检测成本较高，不适合进行大批量检测，也无法满足野外钻井现场实时获得岩心的岩性识别结果。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于红外反射光谱进行沉积岩分类的方法，解决了现有技术中样品检测周期长、不适合大批量检测的问题。
6.一种基于红外反射光谱进行沉积岩分类的方法，方法步骤包括：
7.步骤100、挑选沉积岩样品，获取所述沉积岩样品分别在短波红外和热红外波段下的光谱反射率数据；
8.步骤200、计算所述沉积岩样品在所述热红外波段下光谱反射率数据的反射峰或吸收谷的相对深度，所述反射峰或吸收谷的相对深度表征碳酸盐矿物和石英的相对含量，确定所述沉积岩样品是碳酸盐岩或陆源碎屑岩；
9.步骤300、对所述沉积岩样品是碳酸盐岩的光谱反射率数据，分析短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的波长位置，所述吸收谷的波长位置表征方解石和白云石含量的相对比例，确定所述沉积岩样品的二级分类；
10.步骤400、对所述沉积岩样品是陆源碎屑岩的光谱反射率数据，分析短波红外和热红外波段下的光谱反射率数据的光谱特征参数，根据伊蒙混层、高岭石的相对含量和岩石的相对亮度确定所述沉积岩样品的二级分类。
11.本技术一些实施方式中，步骤200中所述计算所述沉积岩样品在热红外波段下光谱反射率数据的反射峰或吸收谷的相对深度的计算范围为：在热红外波段范围内，选择碳酸盐矿物光谱特征波段区间和石英光谱特征波段区间，以6500d表示碳酸盐矿物光谱特征波段区间内反射峰的相对深度用于表征碳酸盐矿物的相对含量，以8625d表示石英光谱特征波段区间内吸收谷的相对深度用于表征石英的相对含量。
12.本技术一些实施方式中，步骤200中所述确定所述沉积岩样品是碳酸盐岩或陆源碎屑岩的内容包括：
13.步骤201、判断8625d是否≥0.04；若8625d《0.04，进行步骤202；若8625d≥0.04，进行步骤203；
14.步骤202、判断6500d是否≥0.3；若6500d≥0.3，则所述沉积岩样品为碳酸盐岩；
15.步骤203、判断6500d是否≥0.55；若6500d≥0.55，进行步骤204；若6500d《小0.55，则所述沉积岩样品为陆源碎屑岩；
16.步骤204、判断8625d是否≥0.1，若8625d≥0.1，则所述沉积岩样品为陆源碎屑岩；若8625d《0.1，则所述沉积岩样品为碳酸盐岩。
17.本技术一些实施方式中，所述碳酸盐矿物光谱特征波段区间为6310-6780nm，石英光谱特征波段区间为8500-8770nm。
18.本技术一些实施方式中，步骤100中所述短波红外波段和所述热红外波段的范围，基于矿物晶格振动模式和光谱扫描仪的波长范围选择所述短波红外波段为1300-2500nm，所述热红外波段为6000-14500nm。
19.本技术一些实施方式中，步骤300中所述分析短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的波长位置的内容包括：在短波红外波段下的光谱反射率数据内，选择基于方解石和白云石存在光谱吸收特征的波段区间内的光谱反射率数据，进行数据处理后得到吸收谷的波长位置，结合白云石的波长位置小于方解石的波长位置的特性，确定所述沉积岩样品是白云岩或灰岩。
20.本技术一些实施方式中，所述基于方解石和白云石存在光谱吸收特征的波段区间为2290-2350nm。
21.本技术一些实施方式中，步骤400中所述光谱特征参数包括：短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的相对深度以2200d表示用于表征伊蒙混层的相对含量、反射率比值以2160d2190表示用于表征高岭石的相对含量、每个波段的光谱平均反射率以albedo_swir表示用于表征岩石的相对亮度。
22.本技术一些实施方式中，所述短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的相对深度以2200d表示，选择伊蒙混层出现吸收特征的波段区间2188-2222nm计算吸收谷的相对深度。
23.本技术一些实施方式中，步骤400中所述确定所述沉积岩样品的二级分类的内容包括：
24.当满足2200d小于吸收谷的相对深度阈值且2160d2190小于反射率比值阈值且albedo_swir小于光谱平均反射率阈值且8625d小于吸收谷相对深度的最高阈值时，所述沉积岩样品为泥岩，否则所述沉积岩样品为砂砾岩。
25.本技术一些实施方式中，所述吸收谷的相对深度阈值为0.04；所述反射率比值阈值为1.001；所述光谱平均反射率阈值为0.25；所述吸收谷相对深度的最高阈值为0.16。
26.本发明和现有技术相比具有如下有益效果：
27.1、本发明利用红外反射光谱进行岩心样品的沉积岩分类，实现了岩心样品中砂砾岩、泥岩、灰岩和白云岩四大类岩性的快速分类识别。
28.2、本发明首次综合利用短波红外和热红外两个波段的光谱反射率数据开展沉积
岩岩性识别方面的研究，为野外钻井现场提供一种快速、智能的沉积岩岩性编录方法，为后续开展地层划分、沉积相划分、碳酸盐储层物性评价等方面的研究起到重要的指导意义。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
30.图1为本发明中分类方法的流程示意图；
31.图2为本发明中沉积岩样品的一级分类示意图；
32.图3为本发明实施例中样品分类的流程示意图；
33.图4为本发明实施例中样品的8625d和6500d数据作为横纵坐标的二元散点图；
34.图5为本发明实施例中样品的2340w数据的二元散点图；
35.图6为本发明实施例中样品的2200d和2160d2190数据作为横纵坐标的二元散点图；
36.图7为本发明实施例中样品的albedo_swir和8625d数据作为横纵坐标的二元散点图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.不同岩性的沉积岩一般在矿物成分、明亮程度等方面具有一定的差异，红外反射光谱技术是一种新兴、无损、快速探测矿物的技术手段，对矿物成分和岩石亮度具有很好的识别效果，因此可以利用红外反射光谱技术进行岩性识别分类研究。
39.本发明提供了一种基于红外反射光谱进行沉积岩分类的方法，如图1所示，方法步骤包括：
40.步骤100、挑选沉积岩样品，获取所述沉积岩样品分别在短波红外和热红外波段下的光谱反射率数据。
41.基于矿物晶格振动模式进行波段划分，短波红外波段范围为1300-2600nm，热红外波段范围为5500-15000nm，采用的hylogger-3岩心光谱扫描仪的波长范围400-2500nm，6000-14500nm，所以本技术中优选所述短波红外波段为1300-2500nm，所述热红外波段为6000-14500nm。
42.步骤200、计算所述沉积岩样品在所述热红外波段下光谱反射率数据的反射峰或吸收谷的相对深度，所述反射峰或吸收谷的相对深度表征碳酸盐矿物和石英的相对含量，确定所述沉积岩样品的一级分类，即确定所述沉积岩样品是陆源碎屑岩或碳酸盐岩。
43.在本技术的一些实施方式中，由于碳酸盐岩特点：碳酸盐矿物含量高，石英含量低；陆源碎屑岩特点：碳酸盐矿物含量低，石英含量高。因此可以根据陆源碎屑岩和碳酸盐
岩的特性选择红外波段进行数据分析，减小计算工作量。在热红外波段范围内，本技术经过大量实验发现6500nm位置附近的反射峰是碳酸盐矿物最强的光谱特征，8625nm位置附近的吸收谷是石英最强的光谱特征。所以优选6310-6780nm为碳酸盐矿物光谱特征波段区间，8500-8770nm为石英光谱特征波段区间，以6500d表示碳酸盐矿物光谱特征波段区间内反射峰的相对深度用于表征碳酸盐矿物的相对含量，以8625d表示石英光谱特征波段区间内吸收谷的相对深度用于表征石英的相对含量。
44.对所述沉积岩样品在碳酸盐矿物光谱特征波段区间和石英光谱特征波段区间的光谱反射率数据处理后得到波段区间内的反射峰或吸收谷的相对深度。沉积岩样品的一级分类的流程如图2所示，具体为：
45.步骤201、判断8625d是否≥0.04；若8625d《0.04，进行步骤202；若8625d≥0.04，进行步骤203；
46.步骤202、判断6500d是否≥0.3；若6500d≥0.3，则所述沉积岩样品为碳酸盐岩；
47.步骤203、判断6500d是否≥0.55；若6500d≥0.55，进行步骤204；若6500d《小0.55，则所述沉积岩样品为陆源碎屑岩；
48.步骤204、判断8625d是否≥0.1，若8625d≥0.1，则所述沉积岩样品为陆源碎屑岩；若8625d《0.1，则所述沉积岩样品为碳酸盐岩。
49.步骤300、如果所述沉积岩样品是碳酸盐岩，对所述沉积岩样品是碳酸盐岩的光谱反射率数据，分析短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的波长位置，所述吸收谷的波长位置表征方解石和白云石含量的相对比例，确定所述沉积岩样品的二级分类，即确定所述沉积岩样品是白云岩或灰岩。
50.灰岩和白云岩可以根据方解石和白云石的含量进行区分，在短波红外波段下的光谱反射率数据内，选择基于方解石和白云石存在明显光谱吸收特征的波段区间2290-2350nm内的光谱反射率数据，进行数据处理后得到波段区间下的吸收谷的波长位置，结合白云石的波长位置小于方解石的波长位置的特性，确定所述沉积岩样品是白云岩或灰岩。
51.对短波红外2290-2350nm波段区间内的光谱反射率数据进行数据处理得到得到所述短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的波长位置，以2340w表示，利用2340w和阈值2329nm进行判断比较，既能得到白云岩或灰岩的判断结果，小于2329nm是白云岩，否则是灰岩。进一步筛选短波红外波段的波段区间范围，大幅减小计算工作量。
52.在本技术的一些实施方式中，碳酸盐岩的二级分类的判断也可以选用方法：
53.当2340w≥2320nm且《2329nm时，所述沉积岩样品为白云岩；当2340w≥2329nm且≤2340nm时，所述沉积岩样品为灰岩。
54.步骤400、如果所述沉积岩样品是陆源碎屑岩，对所述沉积岩样品是陆源碎屑岩的光谱反射率数据，分析短波红外和热红外波段下的光谱反射率数据的光谱特征参数，根据伊蒙混层、高岭石的相对含量和岩石的相对亮度确定所述沉积岩样品的二级分类，即确定所述沉积岩样品是砂砾岩或泥岩。
55.光谱特征参数包括：短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的相对深度以2200d表示用于表征伊蒙混层的相对含量、反射率比值以2160d2190表示用于表征高岭石的相对含量、每个波段的光谱平均反射率以albedo_swir表示用于表征岩石的相对亮度。其中，短波红外波段下的光谱反射率数据的吸收谷的相对深度分析计算中，选择伊蒙混层出
现吸收特征的波段区间2188-2222nm计算吸收谷的相对深度，以2200d表示。
56.所述沉积岩样品的二级分类方法为：当满足2200d小于吸收谷的相对深度阈值且2160d2190小于反射率比值阈值且albedo_swir小于光谱平均反射率阈值且8625d小于吸收谷相对深度的最高阈值时，选择出相对较黑、伊蒙混层、高岭石的含量相对较高、石英含量相对较低的样品为泥岩，否则所述沉积岩样品为砂砾岩。
57.本实施方式中，光谱特征参数的阈值优选如下数据：所述吸收谷的相对深度阈值为0.04；所述反射率比值阈值为1.001；所述光谱平均反射率阈值为0.25；所述吸收谷相对深度的最高阈值为0.16。
58.本发明综合利用短波红外和热红外两个波段的光谱反射率数据开展沉积岩岩性识别方面的研究，可以一次性检测分析大批量的岩心样品，实验周期短，计算量小，检测成本低，可以满足野外钻井现场实时获得岩心的岩性识别结果。
59.实施例1：
60.为清晰说明本发明中的沉积岩分类方法，结合本发明的一个实施方式具体展开，如图3所示。
61.步骤1.挑选沉积岩样品，获取所述沉积岩样品分别在短波红外和热红外波段下的光谱反射率数据。本实施例中选择短波红外波段(1300-2500nm)和热红外波段(6000-14500nm)波段。
62.从不同钻孔中挑选出大批量砂砾岩、泥岩、灰岩、白云岩四种典型岩性沉积岩样品，其中砂岩样品202件，砾岩样品20件，泥岩样品110件，灰岩样品167件，白云岩样品202件(表1)。使用hylogger-3岩心光谱扫描仪获取样品在短波红外波段(1300-2500nm)和热红外波段(6000-14500nm)的光谱反射率数据。在1300-2500nm，仪器光谱分辨率为10nm；在6000nm波长位置，光谱分辨率约18nm；在14000nm波长位置光谱分辨率约150nm。
63.表1不同岩性沉积岩样品信息
[0064][0065]
步骤2.对所有沉积岩样品热红外波段(6000-14500nm)的光谱反射率数据进行归一化处理。
[0066]
步骤3.针对步骤2中归一化处理后的热红外光谱数据，选择碳酸盐矿物光谱特征波段区间6310-6780nm采用减法运算进行局部包络线剔除。
[0067]
步骤4.在步骤3中包络线剔除后的光谱曲线的基础上，使用多项式拟合方法计算碳酸盐矿物光谱特征波段区间6310-6780nm反射峰的相对深度，以6500d表示。
[0068]
步骤5.针对步骤2中归一化处理后的热红外光谱数据，选择石英光谱特征波段区间8500-8770nm，采用减法运算进行局部包络线剔除。
[0069]
步骤6.在步骤5中包络线剔除后的光谱曲线的基础上，使用多项式拟合方法计算石英光谱特征波段区间8500-8770nm吸收谷的相对深度，以8625d表示。
[0070]
步骤7.将所有沉积岩样品的8625d和6500d两组数据分别作为横纵坐标，绘制二元散点图，如图4所示，用于区分陆源碎屑岩和碳酸盐岩。
[0071]
具体的一级分类标准为：
[0072]
当8625d《0.04且6500d≥0.3时，样品为碳酸盐岩；
[0073]
当0.04《8625d《0.1且6500d≥0.55时，样品为碳酸盐岩；
[0074]
当8625d≥0.04且6500d﹤0.55时，样品为陆源碎屑岩；
[0075]
当8625d≥0.1且6500d≥0.55时，样品为陆源碎屑岩；
[0076]
步骤8.对步骤7中岩性为碳酸盐岩的光谱反射率数据集，处理短波红外2290-2350nm波段区间的光谱反射率数据，对选定区间内的光谱反射率数据采用除法运算进行局部包络线剔除，计算吸收谷的波长位置，以2340w表示。
[0077]
步骤9.在步骤8中包络线剔除后的光谱曲线的基础上，使用多项式拟合方法计算2290-2350nm波段区间吸收谷的波长位置，以2340w表示。本实施例中吸收谷的波长阈值优选2329nm，当样品的2340w值小于2329nm时，沉积岩样品为白云岩，否则沉积岩样品为灰岩，如图5所示。
[0078]
步骤10.对步骤7中岩性为陆源碎屑岩的光谱反射率数据集，分析短波红外波段下的光谱反射率数据，选择2188-2222nm波段区间采用除法运算进行局部包络线剔除，进一步减少计算工作量。
[0079]
步骤11.在步骤10中包络线剔除后的光谱曲线的基础上，使用多项式拟合方法计算2188-2222nm波段区间吸收谷的相对深度，以2200d表示。
[0080]
步骤12.对步骤7中岩性为陆源碎屑岩的数据集，分别提取波长位置在2138nm、2190nm、2156nm和2179nm的光谱反射率，分别以r
2138
、r
2190
、r
2156
、r
2179
表示。
[0081]
步骤13.对步骤12中四个波长位置的反射率进行四则运算反射率比值，计算结果反射率比值用2160d2190表示，本实施例中2160d2190的计算公式为：
[0082]
2160d2190＝(r
2138
+r
2190
)/(r
2156
+r
2179
)
[0083]
步骤14.对步骤7中岩性为陆源碎屑岩的光谱反射率数据集，本实施例中选择计算在1300-2500nm区间的每个波段的光谱平均反射率，用albedo_swir表示。
[0084]
步骤15.对步骤7中岩性为陆源碎屑岩的光谱反射率数据集，采用每个波段的光谱平均反射率albedo_swir、反射率比值2160d2190、短波红外波段下吸收谷的相对深度2200d和热红外波段下吸收谷相对深度8625d四个光谱特征参数进行二类区分是砂砾岩或泥岩。
[0085]
本实施例中光谱特征参数的阈值优选如下数据：吸收谷的相对深度阈值为0.04，反射率比值阈值为1.001，光谱平均反射率阈值为0.25，吸收谷相对深度的最高阈值为0.16。
[0086]
如图6和图7所示，当满足2200d《0.04且2160d2190《1.001且albedo_swir《0.25且8625d《0.16时，沉积岩样品为泥岩，否则沉积岩样品为砂砾岩。
[0087]
本发明中综合使用短波红外和热红外下的沉积岩样品的反射率数据，优选短波红
外波段(1300-2500nm)和热红外波段(6000-14500nm)，基于沉积岩不同岩性在石英、碳酸盐矿物(白云石、方解石)、黏土矿物(伊-蒙混层、高岭石)三类矿物光谱特征参数(反射峰或吸收谷强度、波峰位置)以及岩石亮度指数(光谱平均反射率)上的差异，对陆源碎屑岩(砂砾岩、泥岩)和碳酸盐岩(灰岩、白云岩)进行逐级分类，实现沉积岩样品中砂砾岩、泥岩、灰岩和白云岩四大类岩性的快速分类识别。
[0088]
以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。