基于SPOT5數據的鹽湖礦產開發及礦山環境遙感監測

張 焜，馬世斌，劉麗萍

(1.青海省地質調查院，西寧810012;2.青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012)

基于SPOT5數據的鹽湖礦產開發及礦山環境遙感監測

張 焜1，2，馬世斌1，2，劉麗萍1，2

(1.青海省地質調查院，西寧810012;2.青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012)

為了查明察爾汗鹽湖區的礦產資源開發狀況和礦山地質環境現狀及變化趨勢，利用2008—2010年獲取的3期SPOT5衛星圖像的遙感解譯資料，對該地區的礦山地質環境及礦產資源開發狀況進行了研究。結果表明，區內工廠數量和泵站數量均有所增加，開采鹽田、尾鹽、老鹵匯集區占地面積擴展迅速，采鹵渠、輸鹵渠長度均在延展。同時，從監測目標以及遙感數據源入手，進一步探討了對青海省察爾汗鹽湖進行礦山遙感監測的技術方案，為最終形成系統的監測方法和技術規范奠定了基礎。

察爾汗鹽湖;礦產資源;開發現狀;礦山環境;遙感監測

0 引言

鹽湖由淡水湖—咸水湖演變而來，是一種含鹽量較高的咸化水體，通常指湖水鹽度ω(NaCl)≥3.5%的湖泊［1－2］，也包括表面鹵水干涸、由含鹽沉積與晶間鹵水組成的干鹽湖［3］。按鹽湖鹵水成分不同，一般將鹽湖分為3類:氯化物型鹽湖、硫酸鹽型鹽湖和碳酸鹽型鹽湖［4］。青海省察爾汗鹽湖就是世界上著名的氯化物型鹽湖，是我國最大的可溶性鉀鎂鹽礦床。隨著全球經濟發展和人口增加，礦產資源的合理開發、高效利用和環境保護將越來越受到人類的高度重視。加強鹽湖環境、生物與礦產的保護和管理日益受到社會關注［5－6］。同時，隨著遙感技術的日益發展，應用遙感方法研究鹽湖也越來越廣泛。

過去，遙感技術在鹽湖研究中的主要應用為對鹽湖周圍地理環境及其演化的解譯以及對鹽湖鹵水動態變化的監測;采用的遙感數據大多為美國陸地衛星的 MSS 與 TM/ETM 數據［7－19］，空間分辨率相對較低。2008—2010年，中國地質調查局部署了“礦產資源開發多目標遙感調查與監測”項目，要求運用不同空間分辨率的遙感數據，通過遙感技術手段對礦業秩序混亂、礦山生態環境破壞嚴重或災害多發地區礦產開發點的分布狀況、固體廢棄物堆放情況、礦產開發活動引發的環境問題等進行監測［20－21］。作為該項目的組成部分，筆者根據“青海省重點成礦帶與礦集區礦產資源開發多目標遙感調查與監測”項目的任務要求和察爾汗鹽湖區地物類型及其分布特點，提出了察爾汗鹽湖遙感監測技術方案。本文在對該項目成果資料的匯總、整理、統計、分析和綜合研究的基礎上，對察爾汗鹽湖鹽溶區監測、尾礦資源調查與監測、察爾汗鹽湖區波譜數據庫建設等問題進行了較深入的探討，為最終形成完善的鹽湖礦產遙感監測方法和技術規范奠定了基礎。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

青海省察爾汗鹽湖由霍布遜、察爾汗、達布遜和別勒湖等4個區段組成。整個湖區地勢平坦，達布遜湖水面最低，海拔2677.5 m，鹽殼海拔2678～2683 m;霍布遜湖附近地勢略高，達布遜及別勒灘區段地勢略低(高差僅5 m左右)。察爾汗湖區地貌劃分為雅丹、流動沙丘、戈壁、沙漠、鹽漠、鹽殼、鹽沼澤、鹽溶、湖泊及河流等10大類型［22］，但主體屬于沖積、洪積和湖積(包括鹽灘)平原型地貌。

1.2 礦產資源開發現狀

察爾汗鹽湖區地表廣泛沉積有石鹽、鉀石鹽和鉀鎂鹽礦，尤以石鹽沉積為主，含鉀礦體(即光鹵石礦層)賦存于石鹽層中;除固體鉀礦外，還賦存著豐富的晶間鹵水和碎屑層中的孔隙鹵水，并以晶間鹵水為主［23］。礦產開發對象主要為晶間鹵水礦，所開采的鹵水主要是通過采鹵渠采集的晶間鹵水。察爾汗區段晶間鹵水已被大量開采;西部的別勒灘區段也于2002年開始開采晶間鹵水，通過輸鹵渠輸送到青鉀集團［24］。

1.3 礦山地質環境問題

察爾汗鹽湖區礦區存在的主要地質環境問題有:

1)老鹵對礦床的破壞。察爾汗各選廠生產工藝雖有不同，但所用原料均為光鹵石。光鹵石是通過鹵水在鹽田中蒸發濃縮而結晶出來的。光鹵石結晶沉淀后，鹽田中的鹵水即變成密度大于1.29 g/cm3的水氯鎂石，俗稱“老鹵”。據估算，2000年各鹽田向團結湖和鹽灘排放的老鹵總量約3500×104m3［25］。由于鹽田老鹵排放工程的環保措施不力，已造成礦山環境污染和資源破壞。比較突出的問題如青海鉀肥一期工程及青藏鐵路以東各礦山企業所建的20多km2鹽田，原計劃將老鹵排出后輸送到霍布遜湖洼地儲存，由于無法按原計劃排放，而在團結湖一帶大量匯集，形成一片老鹵汪洋，使鐵路以東幾十km2范圍內的鉀礦資源遭到嚴重破壞［26－27］;同時，老鹵排放將威脅到上游的水源補給，破壞綠洲的生態環境［28］;而且，老鹵匯集區內日積月累的鹵水量越來越多，受新構造活動和富水通道的影響，將逐漸回流到察爾汗鹽湖(據推算，老鹵的實際回流時間約 100 a［29－30］)，可能會對區內的廠區、交通以及鉀礦資源帶來不堪設想的后果。

2)尾鹽對鹽田的污染。察爾汗鹽湖在生產鹽類化合物時，將排出大量的尾鹽。這種尾鹽除少部分已作為純堿的原料被綜合利用外，絕大部分均被視為廢料排放，仍堆集在鹽湖區［31］。久而久之，大量露天堆放的尾鹽經風吹雨打會漸漸流失，并嚴重污染礦區的環境。

3)粉塵污染。當晶間鹵水輸送到制鹽廠和其他化工廠時，尤其是在制鹽過程中，造成了較嚴重的粉塵污染，表現為在工廠附近的空氣中飛揚大量的鹽塵，其中均含有少量的 NaCl，Na2SO4，CaSO4和MgSO4等成分［32］。

2 遙感影像特征

2.1 遙感數據源

本文使用了分別于2008年3月17日、2009年5月6日和2010年8月12日獲取的SPOT5(全色波段與多光譜波段)數據。全色波段數據的空間分辨率為2.5 m/5 m;4個多光譜波段數據中Band1，Band2，Band3的空間分辨率為10 m，Band 4的空間分辨率為20 m。經過對多種不同多光譜數據波段組合的效果對比以及考慮SPOT5數據各波段對水體的透視能力，確定 Band1(R)，Band2(G)，Band3(B)組合為最佳波段組合;并對Band1，Band2，Band3多光譜數據與全色波段數據進行了融合處理。

2.2 主要地物影像特征

本次遙感調查與監測就是在上述融合圖像上總結出察爾汗鹽湖礦區內主要地物類型的影像特征(圖1):

圖1－2 察爾汗鹽湖礦區SPOT5影像特征(2008年)Fig.1 －2 Characteristics of SPOT5 image of mining areas in Chaerhan salt lake in 2008

1)鹽田。鹵水提鉀生產中最基本且必有的部分，其作用是貯存、蒸發鹵水，使鹽結晶析出。鹽田包括石鹽池、調給池和光鹵石池。在SPOT5圖像上，正在利用的鹽田呈均勻的淺藍—深藍色，規則的多邊形，總體為斑塊狀紋形，表面細膩，輪廓清晰(圖1(a))。

2)泵站。表現為孤立的、規模較小的房屋建筑，與采鹵渠、輸鹵渠或鹽田相連(圖1(b))。

3)薄膜鹽田。礦區內的薄膜鹽田均已關停，在SPOT5圖像上呈規則的多邊形，具較均勻的灰白—灰褐色調，總體為條塊狀紋形，表面細膩，輪廓清晰。在實地可見薄膜鹽田表面為一層鹽殼，且鹽殼表面龜裂現象普遍;隨著含鹽度的增加，龜裂表現為鹽環(鹽龜裂生長縫)，其形狀趨于完整的六邊形(圖1(c))。

4)采鹵渠。斷面呈梯形，達布遜湖東側的“百米寬渠”頂寬約10 m，底寬6 m，深6～10 m;與其配套的采鹵渠頂寬6 m，深9 m。現有采鹵渠多為南北向展布，基本呈直線狀延伸，在一端設有抽鹵泵站。在SPOT5圖像上為平直的線狀紋形，呈均勻的淺藍—深藍色，兩側為灰褐色，有人工挖掘的跡象(圖1(d))。

5)輸鹵渠。多近于北西向展布，在SPOT5圖像上呈均勻的淺藍色調，寬度多在20 m左右，深度約3～5 m。其影像特征與采鹵渠大致相同，區別在于輸鹵渠的寬度較采鹵渠寬、色調較采鹵渠淺(圖1(e))。

6)粉塵污染。指工廠附近大量的鹽塵，多發生于顆粒鉀加工廠附近。在SPOT5圖像上表現為紫紅—淡紫紅色，污染程度較重的區域色調較深，遠離污染中心則色調逐漸變淺(圖1(f))。

7)礦山建筑物。在SPOT5圖像上呈灰褐色、褐紅色、淺藍色，具規則的矩形圖案，立體效果明顯(圖1(g))。

8)老鹵匯集區。老鹵是鹽田曬制光鹵石礦之后殘余的高鎂母液，目前尚不能大規模利用。在SPOT5圖像上老鹵匯集區呈均勻的淺藍色，局部構成絮狀或海綿狀圖形，表面細膩(圖1(h))。

9)固體廢棄物。主要為鉀肥生產時所排出大量的尾鹽，均堆積于工廠附近。在SPOT5圖像上呈灰褐色、灰白色，總體為團塊狀圖案，具斑狀紋形，表面粗糙，邊界清晰，具明顯的正地形和立體效果(圖1(g))。

3 遙感監測技術方案

通過對察爾汗鹽湖的初步調查，本文提出鹽湖礦產資源開發及礦山環境遙感調查與監測技術方案。

3.1 調查目標

在察爾汗鹽湖區的礦產資源多目標遙感調查與監測過程中，調查目標選定為采鹵渠、輸鹵渠、鹽田、老鹵匯集區、尾鹽、鹽塵污染、泵站、礦山建筑、鹽溶區和中轉場地等。

3.2 數據源

SPOT5數據具有較高的空間分辨率與光譜分辨率，其全色波段與4個多光譜波段經融合處理后，能模擬自然色彩。鑒于察爾汗鹽湖區的露天開采方式、植被覆蓋度很低和干擾信息較少的情況，利用SPOT5遙感數據可以較好地提取鹽湖區礦山開發狀況和礦山環境信息，滿足礦山動態監測的需要。同樣，在環境特征與察爾汗鹽湖類似的鹽湖區開展礦產資源開發狀況和礦山地質環境遙感監測時，也可以選用SPOT5的全色波段與多光譜波段數據，或選用同等分辨率的RapidEye，IRS－P5等衛星數據。

3.3 成圖精度

有關研究認為，SPOT5全色波段的最大成圖比例尺為1∶8250～1∶10000，最佳成圖比例尺為1∶25000［33］。本次工作按任務要求，采用 SPOT5全色波段與多光譜數據完成了1∶50000比例尺的遙感調查與監測。

3.4 圖像處理

圖像處理主要包括對SPOT5圖像進行輻射校正、幾何糾正、全色波段數據與多光譜數據融合、模擬真彩色合成等，然后將處理后的圖像與采礦權數據進行疊置顯示，圈定目標信息。

SPOT5衛星數據的正射糾正采用嚴格物理模型進行處理。對工作區僅有的1∶50000比例尺的地形圖，采用不低于300 dpi的分辨率進行掃描，形成柵格圖像;對融合好的SPOT5圖像選取控制點進行糾正，糾正所能達到的精度基本取決于所收集地形圖資料的精度以及選取的控制點的分布狀況和精度。

由于SPOT5圖像的全色波段具有較高的空間分辨率，而多光譜波段具有較高的光譜分辨率，通過圖像融合處理技術，可以將2種數據的優勢結合，形成的融合圖像不但保留了全色波段的高空間分辨率，而且還具有多光譜波段的光譜特性。目前融合處理的方法比較多，通過對比試驗，本次工作采用全色增強(pansharpen)融合算法，重采樣采取三次卷積法。

3.5 信息提取

按正在開采礦山和廢棄礦山2類情況，分別提取工廠和泵站的數量、采(輸)鹵渠的長度、正在利用的鹽田和已停采鹽田的面積以及礦山建筑物、中轉場地、固體廢棄物(尾鹽)等占地信息;鹽溶區的分布范圍和粉塵污染、水體污染、老鹵匯集區等環境污染信息;動態監測區的礦產資源開發占地變化面積、礦山環境恢復治理情況等信息。最終根據動態監測數據資料，分析礦山開發狀況發展趨勢和礦山地質環境演化規律。

4 遙感監測成果

根據采礦權數據和2008—2010年SPOT5圖像進行察爾汗鹽湖礦產資源開發狀況遙感調查與監測的結果分別見表1和表2。

表1 察爾汗鹽湖礦產資源開發狀況遙感調查統計表(2010年)Tab.1 Remote sensing investigation data of the mining status of mineral resources in Chaerhan salt lakein 2010

表2 察爾汗鹽湖礦產資源開發狀況遙感監測統計表Tab.2 Remote sensing monitoring data of the mining status of mineral resources in Chaerhan salt lake

4.1 開發狀況

綜合2008—2009年和2009—2010年調查成果，研究區在2008—2010年間新增泵站3處、工廠6處、采鹵渠 172.21 km、輸鹵渠 19.31 km，正在利用的鹽田 5253.46 hm2，廢棄鹽田 1878.68 hm2。且研究區2008—2009年間增幅較大，而2009—2010年間增幅有所減小。

4.2 礦山占地

察爾汗礦區2010年礦業活動占用的土地面積(包括正在利用的鹽田、廢棄鹽田、薄膜鹽田、礦山建筑、尾鹽、老鹵匯集區等)總計約104726.51 hm2，較2009年新增礦業活動占地約4375.18 hm2。其中正在利用鹽田占地增幅較大，新增約2163.96 hm2;已廢棄鹽田次之，為1878.68 hm2;其他依次是固體廢棄物、薄膜鹽田和礦山建筑。而廢棄鹽田和固體廢棄物加劇了礦區的土地沙化，成為柴達木盆地頻發的沙塵暴的物源基地之一。

4.3 水體污染

從1999年ETM圖像(圖2(a))與2009年SPOT5圖像(圖2(b))的對比中可以看出，在2009年，面積在不斷擴大的老鹵匯集區已致使南霍布遜湖不復存在，并對北霍布遜湖形成蠶食之勢(圖2)。

圖2 察爾汗礦區老鹵匯集區遙感圖像對比Fig.2 Comparison between the remote sensing images of the waste bittern convergence area in Chaerhan mineral area

根據2010年遙感調查成果，察爾汗礦區老鹵匯集區面積達430.52 km2，比2009 年新增約38.71 km2。察爾汗礦區屬生態環境脆弱區，自然環境條件差，礦業開發應防治的是土地沙化的加劇和水資源的破壞［34］。因此，尋找新的老鹵排放場所是急需解決的問題。

4.4 粉塵污染

青海昆侖礦業有限責任公司察爾汗鹽湖鉀鎂礦區在2008年鉀鹽開發過程中產生大量粉塵，造成了范圍達66.84 hm2的粉塵污染;2010年由于遙感數據接收時段該礦區的顆粒鉀加工車間尚未生產，從圖像上看工廠周邊的粉塵污染范圍似乎有減少的態勢，但這并不表示該地段的粉塵污染已有所緩解。

5 問題與討論

總結近年來遙感在我國鹽湖資源研究中的應用，可以發現有2個趨勢:①研究內容越來越廣泛，從鉀鹽資源的調查、評價到鹽湖的構造、地貌、水系分布，再到鹽湖和氣候演變規律;②利用的遙感信息越來越豐富多樣，從MSS，TM圖像到熱紅外遙感圖像和雷達衛星遙感圖像的應用，研究程度逐漸深入。隨著高分辨率遙感、高光譜遙感、GIS等現代技術的發展和廣泛應用，遙感在我國鹽湖鉀鹽資源研究中將發揮越來越顯著的作用［35］;這也同時要求鹽湖遙感在研究領域、新技術方法、研究內容等方面均要不斷地創新和深化。

5.1 鹽溶區監測

鹽溶是指鹽巖層被低礦化度水溶蝕的過程和所形成的外部形態的總稱。察爾汗鹽湖區的鹽溶主要分布在全集河沖洪積扇的前緣及南霍布遜湖的西側，呈片狀分布(圖3)。從總體上看，鹽溶的存在已嚴重破壞了該區的鉀礦床，造成鉀礦資源的極大浪費［36］。為了有效地開發利用礦產資源，保護礦山環境，有必要利用遙感技術查明鹽湖礦區內鹽溶的分布范圍，了解其發育規律及發展趨勢。

圖3 察爾汗鹽湖礦區鹽溶區SPOT5圖像Fig.3 SPOT5 image of salt lake karst in Chaerhan salt lake

5.2 尾礦資源調查與監測

青海省鹽湖資源開發利用現狀處于可持續發展狀態的初期階段。在發展過程中還存在著不少問題，如資源開發方式落后、綜合利用水平低、資源浪費嚴重、老鹵排放面積擴大等［37］。其中，老鹵排放是當前察爾汗鹽湖礦產資源持續開發面臨的急待解決的重大環境問題。據估算，每年排入南、北霍布遜湖的老鹵中含氯化鎂800多萬t、氯化鋰5.4萬t、硼酸4.12萬t［38］。所以，尾礦資源的綜合利用顯得必要和迫切，是實現資源開發良性循環和可持續發展的重要保證。為了較全面、系統地掌握察爾汗鹽湖區老鹵匯集區以及尾礦資源狀況，有必要采用遙感技術，在波譜測試和實地調查的基礎上，對老鹵資源和尾礦資源進行綜合調查評價，為尾礦資源的綜合開發利用提供基礎數據。

5.3 察爾汗鹽湖區波譜數據庫研建

遙感技術及其應用實質上是地物波譜特性的成像與反演的問題，要想利用遙感圖像正確有效地分析和解決地物識別問題，必須對各類地物的波譜特性及其變化規律有較全面、深入的認識［39］。因此，對地物波譜特征的研究是遙感技術的重要內容之一，也是遙感應用分析的基礎。縱觀地物波譜數據庫發展歷程和研究現狀，目前我國地物波譜數據庫的建設應進一步完善綜合性的通用型波譜數據庫;對具有特定應用目的專業型波譜數據庫應繼續加強發展［40］。對察爾汗鹽湖礦區而言，應深化對區內相關地物(如鹽田、采鹵渠、輸鹵渠、老鹵排放區、尾鹽等)的光譜特性研究，建立察爾汗鹽湖區波譜數據庫。嘗試通過高光譜遙感對物化參數的反演，探測與鹽湖礦產相關的更豐富的有效信息。在地物波譜測試的基礎上，從遙感角度建立遙感數據和其他各種因素之間的反演關系。

5.4 相關技術方法和規范的完善

由于對鹽湖礦產的遙感監測在礦山遙感監測中尚無明確的指標體系和技術規范，應盡快完善鹽湖礦產遙感監測的指標體系，最終形成系統的監測技術方法和規范。

6 結論

1)在察爾汗鹽湖區的礦產資源開發多目標遙感調查與監測過程中，調查目標可選定為采鹵渠、輸鹵渠、鹽田、老鹵匯集區、尾鹽、鹽塵污染、泵站、礦山建筑、鹽溶區和中轉場地等;在礦山開發狀況方面應查明區內工廠、泵站的數量，采(輸)鹵渠的長度，正在開采的鹽田和已停采鹽田的面積等;在礦山環境方面應調查區內開發過程中占用和破壞土地面積、固體廢棄物(尾鹽)占地、粉塵污染以及鹽溶區和老鹵匯集區動態變化等。

2)2008—2010年的遙感調查與監測顯示，察爾汗鹽湖區內工廠數量和泵站數量均有所增加，開采鹽田、尾鹽和老鹵匯集區占地面積擴展迅速，采鹵渠和輸鹵渠長度均在延展，表明隨著國民經濟發展對礦產資源需求的增大和國際市場礦產品價格的大幅度上揚，察爾汗鹽湖區內的礦業開發活動正在進一步加劇。

3)察爾汗礦區2010年度礦業活動占地面積達104726.51 hm2，加劇了礦區的土地沙化，為柴達木盆地頻發的沙塵暴提供了豐富的物源。

4)老鹵匯集區嚴重地破壞了礦區水資源，已致使南霍布遜湖不復存在，并對北霍布遜湖形成了蠶食之勢。

5)鹽湖區遙感調查可進一步考慮針對礦區主要地物進行波譜測試，建立鹽湖區典型地物波譜數據庫;并在波譜測試和實地調查的基礎上，進行尾礦資源綜合調查評價。

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Remote Sensing Monitoring of the Mineral Resources Exploration and Mining Environment of the Salt Lake Based on SPOT5 Data

ZHANG Kun1，2，MA Shi－ bin1，2，LIU Li－ ping1，2
(1.Institute of Geological Survey of Qinghai Province，Xining 810012，China;2.Qinghai Province North of Qinghai－Tibet Plateau Geological Process and Mineral Resources Key Laboratories，Xining 810012，China)

Using the remote sensing interpretation data of the SPOT5 images acquired in three periods from 2008 to 2010，the authors analyzed the mining geological environment and the status of mineral resources exploitation in the Chaerhan salt lake.The results show that the numbers of factories and pump stations have increased，the exploited saline land，tailings and waste bittern convergence areas are rapidly expanding.Both extracting ditches and transporting ditches are extending.The monitoring scheme for the study area is discussed in detail，which provides some essential scientific references for regulating a monitoring system and technical standard in this field.

Chaerhan salt lake;mineral resources;development status;mining environment;remote sensing monitoring

TP 79

A

1001－070X(2012)03－0146－08

2011－09－22;

2011－11－21

中國地質調查局“青海省重點成礦帶與礦集區礦產資源開發多目標遙感調查與監測”項目(編號:1212010911091)資助。

10.6046/gtzyyg.2012.03.26

張 焜(1973－)，男，高級工程師，主要從事第四紀地質及地質礦產遙感技術應用研究。E－mail:zhangkun0623@sina.com。

(責任編輯:劉心季)