0 引言

离子型稀土资源是我国特有的矿产资源, 也是重要的战略资源和特种保护性开采矿种, 以江西省储量最为丰富。但是, 由于矿山开采分散, 开采工艺较落后, 非规范式开采和违法开采时有发生, 从而引起诸多环境问题和地质灾害。因此, 实时掌握稀土矿开采状况, 成为实现稀土矿可持续发展的基本问题。遥感技术对于解决这一问题提供了快捷高效的手段, 遥感数据具有宏观、快速和同步等优点^[1], 可直观反映研究区域的各种情况, 弥补以往矿山开采调查中人工采集信息的时效性差、采集范围有限和对采集信息的地方保护等缺陷。

目前, 遥感技术应用于矿山开采状况及环境监测已积累了丰富的经验, 但主要集中于航空遥感。卫星遥感的快速发展, 使得基于高分辨率卫星遥感影像的矿山开采状况及地质灾害研究可以足够的精度满足实际要求。米级空间分辨率使各种环境要素均可在遥感图像上得到充分的反映^[2]。本文以高分辨率QuickBird数据和1:1万地形图为基础, 通过遥感数字图像处理, 以MAPGIS软件为解译平台, 对江西省赣州市某县北部地区稀土矿的开采状况及地质灾害调查进行了探索性研究。

1 研究区概况及研究方法 1.1 研究区概况 1.1.1 研究区概况

该县位于江西省南端, 地处山地丘陵区, 矿产类型较多。现已探明开发的矿藏有钨、稀土、钛铁、石墨、花岗岩、膨润土等, 其中稀土矿是县最具发展远景的重要矿种。

本次研究选择了该县北部地区作为研究区, 研究区面积101.33km²。

1.1.2 稀土矿开采方式

研究区内稀土矿属于风化壳淋积型稀土矿(Ion absorpt deposit), 即离子吸附型稀土矿。所谓“离子吸附”是指稀土元素不以化合物的形式存在, 而是呈离子状态吸附于粘土矿物中。这些稀土易为强电解质交换而转入溶液, 不需要破碎、选矿等工艺过程, 而是直接浸取即可获得混合稀土氧化物。在稀土矿的开采史上, 共采用过3种开采方式:池浸法、就地堆浸法和原地浸矿法。

池浸法是最早使用的一种开采方式, 即把含有稀土的土壤运到固定的浸矿池, 沉浸24 h后, 再回收液体^[3], 沉淀出稀土元素。由于此种方式要进行大规模“搬山运动”, 原矿搬运浪费了大量人力物力, 而且此种开采方式生产工艺落后, 每生产一吨混合稀土氧化物所损失的植被表土面积约160m², 产出尾沙约1 200m³, 而资源利用率只有30%左右, 实属落后应予以淘汰的工艺。近年来, 矿山企业主采取了另一种开采方式—就地堆浸工艺。此种开采方式在原理上与池浸法基本相同, 只是在含有稀土矿的地区开采后, 就地堆砌堆浸场, 进行稀土矿提取, 节省了一定的人力物力, 回收率也比池浸法有所提高, 然而大量的尾沙及剥离物就地堆砌, 既占用土地, 又破坏植被, 造成水土流失, 严重破坏矿区生态环境。于是一种新的开采方式—原地浸矿法应运而生, 原地浸矿法就是在不破坏矿体地表植被, 不开挖表土与矿体的情况下, 布置井网, 利用一系列浅井(即注液井)将电解质溶液直接注入矿体^[4], 电解质溶液中的阳离子将吸附在稀土矿物表面的稀土离子交换解析下来, 形成稀土母液, 然后收集浸出母液在沉淀池中回收稀土。此种开采方式的资源利用率提高到70%~80%, 基本上不破坏植被, 每生产一吨混合稀土氧化物的尾沙排放量不到30m³, 对地表地形改造程度较小。

1.2 稀土矿山开采状况及地质灾害遥感监测方法 1.2.1 工作流程

该流程依据卫星遥感技术, 采用遥感图像处理和地理信息系统空间分析等手段, 结合常规解译方法, 拟定了工作流程, 这一流程具有科学性、先进性等特点(图 1)。

1.2.2 遥感图像选取及图像处理

为了对矿山的各项基础设施和矿山开采对地表造成的影响做出详尽、可靠的调查, 本研究中采用了2005年4月14日的高分辨率QuickBird卫星遥感影像数据(包括多光谱数据和全色波段数据)。遥感图像在成像过程中由于传感器的性能差异、卫星飞行高度和姿态变化及地面高低起伏不同会造成图像的各种几何畸变。因此, 为了消除几何畸变并把图像转换到需要的地图投影上去, 需要对QuickBird图像进行几何纠正。本研究采用了1:1万地形图对QuickBird影像图进行几何纠正。

为了在影像图上准确识别各类目标地物, 解译前需要对遥感影像图进行一定的图像处理。QuickBird多光谱图像的空间分辨率为2.4m, 图像上各类地物的显示都比较清楚。对多光谱数据进行RGB=321彩色合成后的图像虽然接近真彩色, 但此时图像色彩黯淡, 不利于目标地物的判读, 因此对多光谱数据进行RGB=341假彩色合成, 这样得到的图像色彩鲜明, 有利于目标地物的判读(如图 2); QuickBird全色波段图像的空间分辨率为0.61m(如图 3), 为了更为准确的判别目标地物, 将合成后的彩色图像与全色波段图像融合处理, 经过处理后的图像既保持了多光谱的特性, 又提高了空间分辨率, 融合后的多光谱图像空间分辨率达到了0.61m(如图 4), 此时假彩色图像效果达到最佳, 各类地物都明显可辨, 最适合目视解译。

2 研究区稀土矿山地物的影像特征

赣南地区稀土矿开发较早, 随着开采方式的不断改进, 矿区内分布了大量与使用过的开采方式相配套的地物类型。通过目视解译QuickBird遥感影像图并结合野外实地调查, 建立了池浸、就地堆浸和原地浸矿法3种不同开采方式, 以及伴随这3种开采方式所造成的地质灾害的解译标志。

2.1 池浸法解译标志

池浸法是开采稀土矿最早使用的一种方式, 此种开采方式现在大部分地区都已弃用, 由于长时间的风化剥蚀, 整个矿区在影像图上颜色表现比较灰暗(图 5)。矿区内主要包括开采区, 浸矿池和尾沙堆放区, 另外还包括排放出来的泥沙及尾沙坝。

(1) 开采区:挖掘稀土矿的区域, 凹凸不平, 主要呈深灰色。

(2) 浸矿池:用来沉淀稀土元素, 位于稀土矿山山腰, 是一些排列规则的长方形水池, 水池边界为黄色, 池中液体一般为紫黄色。

(3) 尾沙堆放区:由浸矿池排放出来的废弃物, 紧邻浸矿池, 呈浅土黄色。

(4) 泥沙排放区:经过雨水长时间冲刷尾沙堆而形成, 含有大量的酸性液体, 伴随尾沙堆分布, 为一些不规则的条带状, 呈浅黄色。

(5) 尾沙坝:为了防止泥沙进一步向农田等地方扩散而筑起来的堤坝, 位于尾沙排放区下游, 呈灰黑色或亮白色。

2.2 就地堆浸法解译标志

就地堆浸法是在池浸法基础上发展起来的一种开采方式, 开采规模一般都较大, 均采用机械铲运, 是目前较普遍使用的一种开采方式。因此, 影像图上矿区内裸露地表的颜色比较新鲜, 呈黄色(图 6)。矿区内包括有大面积的堆浸场等。

(1) 开采区:开挖富含稀土矿的山体, 因为开挖技术有限, 致使山体被挖掘得凹凸不平, 呈土黄色(正在开采)或灰黑色(开采完毕一段时间)。

(2) 堆浸场:位于开采区旁边, 是由一系列较规则四边形连接而成的田字形池子, 里面存放电解液用来沉淀稀土元素, 呈土黄色(不含电解液)或浅紫色(含电解液)。

(3) 泥沙排放区和尾沙坝与池浸法中相应的地物类型及特征相同(图 5中4、5)。

(4) 开矿区:整个开矿的区域, 包括有开采区, 堆浸场等, 但不包括泥沙排放区和尾沙坝。

2.3 原地浸矿法解译标志

原地浸矿法是目前最先进的开采方式, 现在很多矿区正逐步采用此种方式。在此种开采方式矿区内, 裸露地表的颜色也为黄色。此种方式整体看上去为斑点状(图 7), 主要包括有注液井、高位池等。

(1) 注液井:分布在富含稀土矿的山顶和山坡上, 呈大面积不规则斑点状特征, 需要与稀疏植被区分, 呈亮灰色。

(2) 高位池:存放用于提取稀土矿的酸性液体的池子, 一般分布于山顶, 圆形或者长方形, 正在使用的呈紫红色。

(3) 滑坡及堆积物:由于雨水引起的山体塌陷以及一些堆积物, 紧邻注液井的山坡上, 较陡, 呈座椅型, 土黄色。

2.4 3种开采方式共有的解译标志

共有的影像解译标志(图 8)沉淀池:用来沉淀稀土的池子, 主要集中在矿区旁边, 呈圆形或者长方形, 主要为浅紫色、深紫色、蓝色、亮白色等。

3 研究区稀土矿矿山开采状况和地质灾害分析 3.1 研究区矿山开采现状

根据各类矿山地物的影像特征和解译标志, 选取MAPGIS软件平台, 对研究区矿山开采现状和矿山地质灾害进行了人机交互式解译, 解译结果通过了野外实地验证和进一步修改。再利用MAPGIS平台下空间分析模块中的统计功能统计出了研究区各矿点的地物类型以及合法与非法开采的面积。各种地物类型的面积如表 1所示。

本研究中, 各种开采方式矿区界线界定为:池浸法开采工艺矿区面积为其开采区、浸矿池和尾沙堆放区3种地类的面积之和; 就地堆浸法开采工艺矿区面积为其开矿区的面积, 因为其开矿区包括了堆浸场等地类; 原地浸矿法开采工艺矿区面积为其注液井的面积, 高位池一般都在山顶上, 计算注液井的面积时已经包含了高位池。

由上表可知, 池浸法矿区面积为262752.04m², 就地堆浸法矿区面积为1376979.21 m², 原地浸矿法占地面积为382924.60m², 研究区内矿区总面积为2022655.85m²( 3种开采方式矿区面积之和)。

3.2 矿山开采现状及地质灾害分析

下面根据已统计出的地物面积对研究区内稀土矿开采情况作一总体统计。三种开矿方式占地面积比例如图 9所示。

由上图可以看出, 研究区池浸法整个开矿区占地面积为262752.04m², 占总矿区面积的12.99%。池浸法生产适用面广、工艺简单易行, 但经过池浸法开采过的矿山遇到雨水冲刷, 覆盖下游河床与田地, 会造成水土大量流失, 洪涝灾害增加, 生态遭到严重破坏。研究区内池浸法产生的尾沙及泥沙面积145516.90m², 占此种采矿法总面积的55.38%。从遥感影像图上可以发现, 池浸法开采方式的矿区颜色较陈旧, 没有开采迹象, 已经停产, 几处尚在开采的矿区也改用就地堆浸法开采。

研究区内就地堆浸法矿区占地面积1 376 979.21 m², 占总矿区面积的68.08%, 由此看来, 就地堆浸法是该研究区目前主要的开矿方式。但是就地堆浸法同样对稀土矿山体进行了挖掘开采, 必然需要砍伐植被, 占用大量土地, 大量的尾沙及剥离物就地堆砌, 形成“假山”, 会造成严重的水土流失。研究区内就地堆浸法所产生的尾沙及泥沙为904703.39m²(尾沙由堆浸场产生), 占此种矿区面积的65.70%, 这说明就地堆浸法造成的水土流失很严重, 当地政府部门应当下大力度整治和改造。

研究区原地浸矿法矿区面积为382 924.60m², 占总矿区面积的18.93%。由于原地浸矿法开采工艺资源利用率较高, 经济效益好, 现在许多稀土矿区在地质条件允许的情况下都逐渐采用原地浸矿法开采稀土矿。但是, 在实施原地浸矿开采工艺时, 应针对不同的地质类型采用不同的技术路线, 尤其对表土层较厚的矿区, 对注液井的布置和注液量的管理不容忽视, 否则会造成不同程度的山体滑坡现象。研究区内原地浸矿法产生的滑坡及堆积物面积为110 259.46m², 占此种矿区面积的28.79%。由此可见, 虽然原地浸矿法有很大的优势, 但是它所产生的滑坡问题也不容忽视, 而且滑坡的发生在时间上和地点上具有不确定性, 造成治理目标的不明确, 在治理上难以达到有的放矢。

另外, 根据已有的矿权, 统计出该矿区内合法开采的面积为826 171.67m², 占总矿区面积的40.85%。可见研究区内违法开采现象严重, 有59.15%的矿区属于违法开采。这些非法采矿活动行为不仅使稀土矿开采量难以控制, 造成资源浪费, 一定程度上增加了矿产资源管理的难度; 而且对环境造成很严重的破坏, 加大了矿山生态环境的保护与治理的难度。

4 结论

(1) 遥感已成为矿山开采状况及环境监测不可缺少的先进技术, 尤其是高分辨率卫星遥感数据对于矿山监测提供准确、方便、快捷、丰富的特征信息。QuickBird数据0.61m的分辨率可以对稀土矿矿山开采状况和环境效应做精细的研究, 并且提高了地面调查的精度和速度, 通过野外实地验证, QuickBird数据判对率达到98%以上。

(2) 用遥感与地理信息系统相结合的手段, 对矿山开采状况及环境效应进行了成功地调查研究, 并取得了良好的效果:一方面, 对于矿山监测技术的改进有一定的贡献; 另一方面, 为有关部门对稀土矿的治理提供了确实有效的帮助, 在一定条件下能为某些地质灾害的发生提供预测信息, 为其综合治理提供科学依据。

致谢: 本研究得到赣州市市政府、赣州市地质矿产管理局和赣南地质调查大队的大力支持和帮助, 在此表示感谢。