廣西賀州市里松-賀縣地區(qū)礦山開發(fā)活動(dòng)及礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)

倪 斌，黃照強(qiáng)，李祥強(qiáng)，閆東川，張亞龍，江 淼，閆清華

(中國冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 101300)

0 引言

黨的十八大以來，生態(tài)文明建設(shè)作為“五位一體”總體布局的一部分，得到了社會(huì)各界的高度重視，相應(yīng)的生態(tài)文明建設(shè)工作隨之在全國各地深入開展，而礦山地質(zhì)環(huán)境問題作為生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分也獲得了廣泛關(guān)注(張永雙等，2017)。礦山開發(fā)在獲得豐富的礦產(chǎn)的同時(shí)，難免會(huì)占損大量土地，引發(fā)嚴(yán)重的礦山地質(zhì)災(zāi)害，破壞和污染生態(tài)環(huán)境，與“綠水青山就是金山銀山”的理念大相徑庭。而放眼國際礦業(yè)的發(fā)展，近十幾年來，礦產(chǎn)資源的開發(fā)與環(huán)境保護(hù)一體化已成為重要的發(fā)展趨勢(shì)(Zhang et al.,2013；Adiansyah et al.,2015；張永雙等，2017；Gastauer et al.,2018)。研究區(qū)所處的廣西賀州市位于巖溶地貌區(qū)，礦產(chǎn)資源豐富，尤其是石灰?guī)r采石場(chǎng)等非金屬礦山主要采用露天開采方式開采，對(duì)地表、植被和動(dòng)植物資源造成一定破壞，并存在崩塌、滑坡等隱患(廖振威等，2016)。

近年來，遙感技術(shù)在對(duì)地觀測(cè)中具有的客觀、宏觀、快速、信息量大、多時(shí)相、高效率等特點(diǎn)，使其在礦山地質(zhì)環(huán)境問題的調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作中得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了工作效率和質(zhì)量(陳琪等，2015；薛慶等，2016；安志宏等，2017；楊金中等，2017)。針對(duì)礦山環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)研究，許多學(xué)者開展了大量研究工作，在該領(lǐng)域已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，如對(duì)煤礦、砂石礦等礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用多尺度遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展礦山開發(fā)占地、礦山地質(zhì)災(zāi)害和污染、礦山環(huán)境恢復(fù)治理等的監(jiān)測(cè)與質(zhì)量評(píng)價(jià)(況順達(dá)和趙震海，2005；劉瓊等，2005；丁麗等，2010；安志宏等，2011；閔艷艷等，2011；張焜等，2012；吳芳，2014；馬世斌等，2015；楊顯華等，2015；白光宇等，2016；李麗等，2016；魏江龍等，2016；安志宏等，2017；王耿明等，2017；于博文等，2017；王俊華等，2018；魚磊等，2018；汪潔等，2020)。而當(dāng)前在國內(nèi)利用亞米級(jí)遙感數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)廣西賀州市里松-賀縣地區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境的工作尚未開展。

本文以2008年和2017年獲取的廣西賀州市里松-賀縣地區(qū)的SPOT-5數(shù)據(jù)和國產(chǎn)GF-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查，對(duì)里松-賀縣地區(qū)開展1∶5萬礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，利用ArcGIS平臺(tái)，采用人機(jī)交互的遙感解譯模式，對(duì)研究區(qū)礦山開發(fā)占地、礦山地質(zhì)災(zāi)害和礦山污染等的分布特征與規(guī)律展開研究，獲取礦產(chǎn)資源開發(fā)客觀數(shù)據(jù)，以期為當(dāng)?shù)亻_展礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)和恢復(fù)治理等提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

里松-賀縣地區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)賀州市中北部，行政區(qū)劃主要包括賀州市平桂區(qū)和八步區(qū)。研究區(qū)面積大約1410 km2，包含3幅1∶5萬圖幅(里松幅、平桂幅、賀縣幅)(圖1)。研究區(qū)位于南嶺山系之中段南部，屬南嶺山地丘陵范疇，山多平地少。地貌類型以構(gòu)造侵蝕中、低山為主，巖溶地貌和侵蝕堆積地貌次之(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1985)。

圖1 廣西賀州市里松-賀縣地區(qū)地質(zhì)圖

研究區(qū)出露的地層隸屬華南地層大區(qū)的東南地層區(qū)。區(qū)內(nèi)地層以古生界最為發(fā)育，在里松幅東南角與賀縣幅東北角位置可見寒武系，主要以石英砂巖為主；泥盆系廣泛分布于平桂幅與賀縣幅，沉積類型多樣，主要以碎屑巖和灰?guī)r為主；石炭系主要分布在賀縣幅中部和平桂幅北部，巖性以泥巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主；侏羅系主要分布平桂幅，為斷陷盆地沉積的碎屑巖；第四系松散堆積層主要分布于河流兩岸組成河流階地。巖漿巖主要分布于里松幅，占該圖幅的90%以上，出露在姑婆山復(fù)式巖體中心部位，為侏羅紀(jì)花山超單元花崗巖，巖性為細(xì)中粒(中粒、斑狀)角閃黑云二長花崗巖(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1985)(圖1)。

研究區(qū)所處的構(gòu)造單元為華南準(zhǔn)地臺(tái)桂中-桂東臺(tái)陷的大瑤山凸起，在區(qū)域構(gòu)造上隸屬華南加里東褶皺系，位于大瑤山隆起的北東部。在漫長的地史時(shí)期中，研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造較為復(fù)雜。主要斷裂為NE向和NW向兩種，以NE向?yàn)橹?，次為NW向(陳懋弘等，2015；覃小鋒等，2015)(圖1)。

研究區(qū)所處的賀州市具有良好的成礦地質(zhì)構(gòu)造，礦產(chǎn)資源豐富。經(jīng)探查發(fā)現(xiàn)的礦種有60余種，主要有煤礦、鐵礦、錳礦、鎢錫礦、鉛鋅礦、稀土礦、飾面花崗巖、飾面大理巖、水泥用灰?guī)r、白云巖、粘土、鉀長石等。其中稀土礦、飾面大理巖、飾面花崗巖、硅灰石等保有資源儲(chǔ)量居廣西第一位(黃漢，2016)。

2 遙感監(jiān)測(cè)方法

本次研究主要基于ENVI和ArcGIS等軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和遙感解譯工作。主要的工作流程為收集研究區(qū)已有的基礎(chǔ)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、礦山開發(fā)活動(dòng)、環(huán)境地質(zhì)等資料，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和編制解譯所用的影像圖，建立遙感解譯標(biāo)志進(jìn)行初步解譯。根據(jù)初步解譯的結(jié)果進(jìn)行野外踏勘調(diào)查驗(yàn)證與解譯修正，進(jìn)行質(zhì)量控制。根據(jù)修正的解譯要素完成礦山開發(fā)占地、地質(zhì)災(zāi)害等信息的解譯工作，對(duì)2期數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，綜合分析研究區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取與處理

為查明研究區(qū)的礦山開發(fā)環(huán)境現(xiàn)狀和近10年來的發(fā)展變化情況，本文選取了2期衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分別為2008年的SPOT-5衛(wèi)星影像和2017年的國產(chǎn)GF-2衛(wèi)星影像。此次選取的2期數(shù)據(jù)為在這兩個(gè)時(shí)間段可獲取的覆蓋研究區(qū)的且空間分辨率優(yōu)于2.5 m的最新遙感衛(wèi)星影像。2008年的SPOT-5衛(wèi)星影像的空間分辨率為2.5 m，2017年的國產(chǎn)GF-2衛(wèi)星影像的空間分辨率為1 m，符合1∶5萬比例尺礦山開發(fā)要素的提取和礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的精度要求(李麗等，2016；魚磊等，2018；汪潔等，2020)。

遙感圖像處理軟件采用美國ITT Visual Information Solutions公司的旗艦產(chǎn)品—ENVI軟件對(duì)工作區(qū)的遙感影像開展圖像增強(qiáng)、幾何糾正、正射校正、鑲嵌、數(shù)據(jù)融合等預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后的遙感影像色調(diào)豐富、影像清晰，使得地物要素更加容易辨識(shí)。

2.2 遙感信息提取方法

以經(jīng)過處理的2008年和2017年的影像為基礎(chǔ)影像，結(jié)合野外驗(yàn)證信息，利用ArcGIS軟件平臺(tái)，采用人機(jī)交互解譯的方法，分別提取與礦山開發(fā)活動(dòng)相關(guān)的地物信息，主要包括開采面、中轉(zhuǎn)場(chǎng)地、固體廢棄物、礦山建筑物等地物要素。根據(jù)遙感解譯及野外檢查結(jié)果，建立了各類主要礦山地物的解譯標(biāo)志(張焜等，2012；李麗等，2016；汪潔等，2020)。

(1)開采面

研究區(qū)非金屬礦大多以露天開采的方式進(jìn)行開采，地表植被一般被剝離、剔除，影像邊界清晰，采掘剝離過程中主要產(chǎn)生第四紀(jì)沉積物、泥土、砂石，巖塊等物質(zhì)，因此開采面影像特征以灰白色、黃褐色、土黃色色調(diào)為主(圖3a)。山坡型露天采場(chǎng)通常主體呈現(xiàn)正地形，圖斑最外側(cè)一圈出現(xiàn)明顯切割破壞痕跡；而凹陷型露天采場(chǎng)主體呈負(fù)地形，中心部分為凹陷深采坑，周圍環(huán)繞層狀剝離臺(tái)階。如圖3a所示野外開采面大面積碎石裸露，為采掘剝離現(xiàn)狀。

圖3 各類礦山地物遙感解譯標(biāo)志及野外照片

(2)中轉(zhuǎn)場(chǎng)地

中轉(zhuǎn)場(chǎng)地大多地勢(shì)開闊，用以堆放開采的礦石等，通常還建有大量的礦山建筑及礦山道路。一般在遙感影像上呈淺灰色調(diào)或深色調(diào)，其遙感影像紋理特征為斑塊狀，形狀似圓形或半圓形錐狀堆積，植被稀少，且與道路相通，一般位于采礦區(qū)內(nèi)較平坦的地方，周圍可見相關(guān)配套開采設(shè)備，如碎石機(jī)、挖掘機(jī)和運(yùn)輸車等(圖3b)。

(3)固體廢棄物

固體廢棄物在影像上大多呈現(xiàn)一種雜亂的狀態(tài)，包括排土場(chǎng)、尾礦庫、廢石堆等。排土場(chǎng)是開采礦石產(chǎn)生的附帶品，為采礦面上層的第四系覆蓋層被開挖堆積、平整而成，一般排放在采礦場(chǎng)附近，形狀呈圓錐狀、梯形狀，大多數(shù)排土場(chǎng)具有梯狀、紋理平滑、與周圍背景色調(diào)反差的土黃色影、灰色影像特征(圖3c)。尾礦庫在影像上呈現(xiàn)不規(guī)則狀，具有一級(jí)一級(jí)的阻攔壩等特征，通常建在地勢(shì)相對(duì)平坦的地區(qū)或者山區(qū)凹地，尾礦庫通常含有選礦過程中產(chǎn)生的尾水，含有大量的化學(xué)元素，與周邊地物的光譜特征大不相同，在影像上具有鏡面紋理特征(圖3d)。

(4)礦山建筑物

礦山建筑的影像特征形狀規(guī)則，一般為規(guī)則的矩形或L型，建筑物頂部大多數(shù)為不同深淺的藍(lán)色、灰白色等。野外現(xiàn)場(chǎng)來看，研究區(qū)大部分礦山建筑為藍(lán)色的鋼板屋頂(圖3e)。

3 礦山開發(fā)占地狀況分析

通過遙感解譯，主要將研究區(qū)礦山開發(fā)活動(dòng)的地物類型分為4大類：開采面、中轉(zhuǎn)場(chǎng)地、固體廢棄物和礦山建筑物。

3.1 礦山開發(fā)占損土地現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)2017年GF-2數(shù)據(jù)的遙感解譯結(jié)果(圖4)，里松-賀縣地區(qū)礦山開發(fā)占地總計(jì)1775.03 hm2，占整個(gè)里松-賀縣研究區(qū)面積的1.26%。礦山開發(fā)占損土地按類型統(tǒng)計(jì)：①開采面占地992.38 hm2，占地比例高達(dá)55.91%；合計(jì)246個(gè)；②中轉(zhuǎn)場(chǎng)占地159.47 hm2，占地比例為8.98%，中轉(zhuǎn)場(chǎng)合計(jì)85個(gè)；③固體廢棄物占地348.38 hm2，所占比例為19.63%，固體廢棄物包括排土場(chǎng)、尾礦庫和攔渣壩等，合計(jì)172個(gè)，其中排土場(chǎng)面積104.66 hm2，占固體廢棄物的30.04%，尾礦庫占地面積62.81 hm2，占固體廢棄物的18.03%；④礦山建筑物占地163.14 hm2，占地比例9.19%，礦山建筑物合計(jì)169個(gè)；其他建筑用地等類型占地111.66 hm2，占地比例6.29%(表1，圖5)。

圖4 里松-賀縣地區(qū)2017年GF-2數(shù)據(jù)礦山開發(fā)活動(dòng)解譯圖

圖5 里松-賀縣地區(qū)2017年礦山地物類型占地比例統(tǒng)計(jì)圖

3.2 礦山開發(fā)占損土地變化情況

2008年和2017年的礦山開發(fā)占損土地情況見表1。由于2008年無法獲得更高質(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)，因此選擇了空間分辨率較高的SPOT-5數(shù)據(jù)，而SPOT-5數(shù)據(jù)沒有藍(lán)光波段，無法形成真彩色圖像，無法有效區(qū)分礦山建筑、中轉(zhuǎn)場(chǎng)地和固體廢棄物等礦山要素，但可以解譯出礦山開發(fā)活動(dòng)的占地范圍，將其全部劃為了開采面(表1)。從表1中可以看出，2017年的礦山開發(fā)占損土地面積比2008年增長了51.10%，增長較多。通過2期數(shù)據(jù)的礦山開發(fā)活動(dòng)的分析對(duì)比，說明隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，2008年到2017年的近10年間，礦山開采力度增大(圖6)。由于工作區(qū)的礦山開采活動(dòng)主要以建筑用采石場(chǎng)、粘土礦、大理石和鉀長石礦為主，主要為露天開采，基本未進(jìn)行過恢復(fù)治理，其對(duì)地形地貌、土地等產(chǎn)生直接破壞，且一經(jīng)開采很難恢復(fù)。

表1 里松-賀縣地區(qū)礦山開發(fā)占損土地統(tǒng)計(jì)

圖6 里松-賀縣地區(qū)2008年和2017年礦山地物類型數(shù)量和面積變化

4 礦山地質(zhì)環(huán)境問題分析

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)礦山開發(fā)狀況的解譯、分析、研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)由于礦山開發(fā)引發(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要有誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、破壞植被、環(huán)境污染等。

(1)礦山地質(zhì)災(zāi)害問題

根據(jù)對(duì)2017年的GF-2數(shù)據(jù)的遙感解譯，結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，里松-賀縣地區(qū)由于礦山開發(fā)等引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害及隱患分布合計(jì)121個(gè)(表2)，主要為滑坡、崩塌、泥石流和不穩(wěn)定斜坡4類，其中滑坡62個(gè)，面積為72.35 hm2；崩塌26個(gè)，面積為33.04 hm2；泥石流3個(gè)，面積為11.72 hm2；不穩(wěn)定斜坡30個(gè)，面積為16.37 hm2；主要會(huì)對(duì)道路、采場(chǎng)、礦山建筑和農(nóng)田造成破壞。其中，礦山開采面主要引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害為滑坡和崩塌，排土場(chǎng)、尾礦庫主要會(huì)引發(fā)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。研究表明，里松-賀縣地區(qū)露天采石場(chǎng)較多，需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)的滑坡、崩塌，排土場(chǎng)的滑坡、泥石流等。通過野外實(shí)地調(diào)查來看，研究區(qū)存在較大礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患的地區(qū)為水巖壩-楓木沖礦區(qū)，該礦區(qū)的大型采場(chǎng)較多，且大多開采山體，極易發(fā)生滑坡、崩塌等災(zāi)害，危害對(duì)象主要為礦區(qū)內(nèi)的礦山建筑和下游的村莊(圖7a)。

表2 里松-賀縣地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯統(tǒng)計(jì)表

(2)破壞植被

研究區(qū)的露天采場(chǎng)較多且占地面積較大，開采面占礦山開發(fā)用地的比例高達(dá)55.91%，被占用的土地植被破壞嚴(yán)重，且周圍堆積的廢石、廢渣等固體廢棄物極易引發(fā)滑坡、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害，破壞礦山周邊的區(qū)域環(huán)境，同時(shí)礦山開采產(chǎn)生的粉塵也會(huì)被周邊植被吸收，植物的多樣性受到嚴(yán)重威脅(圖7a)。

(3)礦山環(huán)境污染

根據(jù)遙感解譯結(jié)果，里松-賀縣地區(qū)的礦山環(huán)境污染主要為水體污染、土壤污染和粉塵污染。通過野外實(shí)地調(diào)查，礦山開采過程中導(dǎo)致的固體廢棄物、粉塵和重金屬等污染物通過雨水匯入河流和土壤，導(dǎo)致礦區(qū)及其周邊的水體和土壤相對(duì)無礦山開發(fā)活動(dòng)的區(qū)域污染程度要高，且礦山周邊的土壤物理性質(zhì)較差，露天開采使得土壤含礫石較多，大大降低了土壤的保水、保肥能力。同時(shí)，礦山開采加工過程中產(chǎn)生的大量粉塵會(huì)引起霧霾等惡劣天氣和影響人類健康等，比如研究區(qū)內(nèi)老虎坳地區(qū)遍布粉體廠，該區(qū)域存在大量的粉塵污染，廠方一般通過在工廠門口噴水來降低粉塵的污染，但效果欠佳，未從根本上解決問題(圖7b)。

圖7 里松-賀縣地區(qū)典型的礦山地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀

5 結(jié)論與建議

(1)通過對(duì)2017年國產(chǎn)GF-2數(shù)據(jù)的處理與解譯，得出研究區(qū)內(nèi)礦山開發(fā)占地總計(jì)1775.03 hm2，其中，礦山開采面占地面積最大，達(dá)992.38 hm2，占地比例高達(dá)55.91%；其次為固體廢棄物，占地348.38 hm2，所占比例為19.63%；中轉(zhuǎn)場(chǎng)地、礦山建筑物等分別占8.98%和9.19%。對(duì)比2008年和2017年的2期數(shù)據(jù)解譯成果，得出2017年的礦山開發(fā)占損土地面積比2008年增長51.10%，增長較多。

(2)研究區(qū)礦山開采易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、破壞植被、水土和粉塵污染等礦山地質(zhì)環(huán)境問題。其中，2017年GF-2數(shù)據(jù)解譯的地質(zhì)災(zāi)害及隱患分布合計(jì)121個(gè)，主要為滑坡、崩塌、泥石流和不穩(wěn)定斜坡4類，其中滑坡62個(gè)，面積為72.35 hm2；崩塌26個(gè)，面積為33.04 hm2；泥石流3個(gè)，面積為11.72 hm2；不穩(wěn)定斜坡30個(gè)，面積為16.37 hm2；主要會(huì)對(duì)道路、采場(chǎng)、礦山建筑和農(nóng)田造成破壞。

(3)通過對(duì)2008年和2017年的里松-賀縣地區(qū)的礦山開發(fā)活動(dòng)的遙感監(jiān)測(cè)，獲取了研究區(qū)礦山資源開發(fā)狀況與近10年來的變化情況，建議加強(qiáng)對(duì)研究區(qū)的遙感環(huán)境地質(zhì)常態(tài)化監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)環(huán)境地質(zhì)具有破壞性的礦山開發(fā)活動(dòng)和地質(zhì)災(zāi)害情況，加強(qiáng)對(duì)廢棄礦山治理情況的監(jiān)測(cè)。