王 昊， 李 麗， 劉 雪， 李 浩

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083 )

0 引言

新疆維吾爾自治區(qū)幅員遼闊，礦產(chǎn)資源豐富，在約占全國總面積六分之一的范圍內(nèi)蘊藏了煤、油氣、鉀鹽、鎳、銅和鋅等多種礦產(chǎn)資源，為全國經(jīng)濟的快速發(fā)展提供了重要的資源支撐。新疆作為“一帶一路”的核心區(qū)，在“十三五”期間確定了“三基地一通道”的發(fā)展模式和戰(zhàn)略定位，希望通過加快能源開發(fā)、優(yōu)化能源結構、推進能源改革等途徑，進一步促進區(qū)域礦產(chǎn)資源開發(fā)利用與區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。但是，礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中往往伴隨著土地壓占損毀、違法開采以及次生地質(zhì)災害和環(huán)境污染等問題，尤其在新疆東北地區(qū)礦山位置分散、開采礦種與開發(fā)方式多樣，且該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復雜,交通條件相對落后，實地調(diào)查需要耗費大量人力、物力和財力，遙感技術具有監(jiān)測范圍廣和時效性強等特點[1-2]，恰恰能夠在礦產(chǎn)資源開發(fā)全過程的調(diào)查與監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。

為查明我國礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境的整體情況，“十一五”伊始，中國地質(zhì)調(diào)查局部署開展了我國“礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測”項目工作[3]，隨著全國范圍內(nèi)多年度礦山監(jiān)測工作的順利完成，為進一步加強不同礦種對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響、探索礦產(chǎn)資源開發(fā)對不同流域的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境影響，由原來的分省部署轉(zhuǎn)變?yōu)榘闯傻V帶為單元、兼顧縣級行政單元完成的方式，在全國陸域17個成礦帶/重點礦集區(qū)開展礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測工作。

2016年“新疆東北地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測”工作開展以來，按照全國統(tǒng)一的礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測技術規(guī)范的要求，完成了覆蓋新疆東北地區(qū)5個地市級行政區(qū)內(nèi)的28個縣及2個自治區(qū)直轄縣的礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測，基本查明了該地區(qū)合法、疑似違法和廢棄礦山礦種、面積、變化情況，礦山開發(fā)占用損毀土地面積、類型、分布，礦山地質(zhì)災害和環(huán)境污染類型、面積、分布、涉及礦種，環(huán)境恢復治理和“復綠工程”實施情況以及礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況等本底數(shù)據(jù)。基于本底調(diào)查數(shù)據(jù)開展了區(qū)域礦產(chǎn)資源綜合評價，劃分了地質(zhì)環(huán)境嚴重影響區(qū)、較嚴重影響區(qū)、一般影響區(qū)和無影響區(qū)4個等級，進行了尾礦成分的探索性研究。以統(tǒng)計報表、圖件、野外實地照片和成果報告等形式向相關部門提供了詳實的調(diào)查與分析成果，為區(qū)域礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)與利用、礦業(yè)秩序維護及礦區(qū)環(huán)境綜合整治等相關工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 工作區(qū)概況

新疆東北地區(qū)涉及烏魯木齊市、阿勒泰市、吐魯番市、昌吉回族自治州、巴音郭楞蒙古自治州、石河子市和五家渠市等地區(qū)，地理坐標為85°14′～93°12′E，41°02′～49°20′N，總面積為29.33萬km2。其分布位置見圖1。

圖1 新疆東北地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測區(qū)

該地區(qū)南部為EW向天山山脈，北部為阿爾泰山，兩大山系之間為準噶爾盆地，山地為隆起剝蝕區(qū)，盆地為山區(qū)剝蝕物質(zhì)堆積場所。在準噶爾盆地邊緣的山前地帶，形成大面積的沖洪積傾斜平原、沖積扇，盆地中心為平坦的沖積平原和湖積平原，疏松的物質(zhì)經(jīng)風吹揚形成大片沙漠。由于其特殊的地質(zhì)條件，該地區(qū)煤、鐵、銅、金等能源和金屬礦豐富，又含有云母、石膏、花崗巖和大理巖等多種建筑用非金屬礦[4]。

2 技術方法

在收集了以往區(qū)域礦山監(jiān)測工作成果的基礎上，利用2015年和2016年土地變更調(diào)查遙感數(shù)據(jù)、礦權和礦產(chǎn)資源規(guī)劃等資料，按照《礦山遙感監(jiān)測工作指南》《礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感監(jiān)測技術要求》和“全國礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測”二級項目實施方案等相關技術要求的規(guī)定，以不同比例尺解譯精度和成果數(shù)據(jù)與圖件的編制要求為依據(jù)，采用計算機自動信息提取與人機交互解譯相結合、室內(nèi)解譯與野外實地查證相結合的方式[5-6]，進行了該地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況、礦山開發(fā)占地、礦山環(huán)境恢復治理(含“復綠工程”)、礦山地質(zhì)災害、礦山環(huán)境污染和礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行的遙感監(jiān)測工作，編制了1∶50萬比例尺系列成果圖件，最終完成了成果數(shù)據(jù)入庫，并在此基礎上開展了區(qū)域礦產(chǎn)資源綜合評價和典型尾礦礦物成分與元素含量分析研究。

3 主要成果

3.1 礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況

3.1.1 合法礦山開采情況

新疆東北地區(qū)合法礦山530余處，其中鄯善縣、富蘊縣、昌吉市和阜康市等地分布數(shù)量相對較多。開采方式以露天開采為主，占合法礦山總數(shù)的69.23%。涉及礦種主要為建筑用砂和磚瓦用黏土等建材及其他非金屬礦，占合法礦山圖斑總數(shù)的58.54%； 其次為煤等能源礦，占17.64%； 鐵礦等黑色金屬、銅礦等有色金屬和金礦等貴金屬，合計占18.58%。合法礦種數(shù)量百分比見圖2。

圖2 新疆東北地區(qū)合法礦山開采礦種比例分布

3.1.2 疑似違法礦山開采情況

疑似違法礦山逾300處，總數(shù)與2015年度相當，而較2013年和2014年有明顯減少趨勢。疑似違法礦山涉及縣級行政單位27個，2012—2016年間疑似違法礦山圖斑數(shù)量變化情況見圖3。

圖3 新疆東北地區(qū)疑似違法礦山數(shù)量動態(tài)變化情況

違法類型方面，疑似無證開采數(shù)量較多，占疑似違法開采礦山總數(shù)的76.13%； 其次為疑似越界開采，占15.16%； 疑似以采代探的占8.71%。違法礦種涉及能源、黑色金屬礦、有色金屬礦、貴金屬礦、化工原料非金屬礦和建材及其他非金屬礦6大類型，具體為煤、鐵礦、錳礦、銅礦、鉛礦、砂金、金礦、建筑用砂、磚瓦用黏土和飾面用花崗巖等27個礦種。其中建筑用砂數(shù)量最多，占疑似違法開采礦山總數(shù)的53.55%； 其次為磚瓦用黏土，占13.87%； 煤礦占11.29%； 金屬礦共占3.87%。

根據(jù)本次調(diào)查結果，結合以往該區(qū)礦山監(jiān)測情況，區(qū)內(nèi)疑似違法礦山主要存在3方面的特征：

(1)礦種特征。以建材類非金屬礦為主要違法礦種。近年來，新疆的交通、市政和水利等基礎設施正在迅速發(fā)展，而基礎設施的發(fā)展需要大量砂巖、灰?guī)r、黏土和花崗石等建材類非金屬礦產(chǎn)。由于受該區(qū)地理位置、交通條件的限制，同時受當?shù)胤墙饘俚V采礦權數(shù)量、分布和成本等多方因素的影響，在一定程度上導致了此類疑似違法開采礦山的存在。

(2)分布特征。疑似違法礦山集中分布。受礦產(chǎn)資源分布、礦石外運條件及礦產(chǎn)品需求等多方面影響，該區(qū)大部分疑似違法礦山多沿交通道路呈集中式分布(圖4)。

圖4 疑似違法花崗巖采石場(左)與疑似違法采砂場(右)分布

(3)開采狀態(tài)特征。部分疑似違法開采礦山持續(xù)存在或正在“死灰復燃”。通過對比多期礦山監(jiān)測成果，以及實地野外驗證發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)部分疑似違法礦山多年持續(xù)開采(2015—2016年間持續(xù)違法逾140處)或正在“死灰復燃”(2015—2016年間關停轉(zhuǎn)違法約40處)，且多為規(guī)模較大的礦山或分布較集中的礦區(qū)。

3.2 礦山地質(zhì)環(huán)境

3.2.1 礦山開發(fā)占地

遙感調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)礦山開發(fā)占地逾62 000 hm2，較上一年度增加了近3 700 hm2，其中中轉(zhuǎn)場地占地面積相對較多，其次為采場。涉及的礦種類型主要為建材及其他非金屬礦和能源，這2類礦種占地合計達礦山占地總面積的79.36%。

3.2.2 礦山地質(zhì)災害與環(huán)境污染

本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)礦山次生地質(zhì)災害78處，總面積約3 000 hm2。地質(zhì)災害類型主要為塌陷和滑坡，兩者數(shù)量之比為6.8∶1，面積比為154.1∶1。涉及煤礦、金礦、鉛礦、銅礦和鐵礦5個礦種，其中煤礦開采導致的地質(zhì)災害數(shù)量最多，占92.31%。

礦山環(huán)境污染逾20處，主要為粉塵污染。與礦山地質(zhì)災害所涉及的主要礦種相同，煤礦開采所引發(fā)的粉塵污染數(shù)量較多，占70.83%； 其次為石灰?guī)r和磚瓦用黏土等非金屬礦開采所引發(fā)粉塵污染，占25%。

根據(jù)上述調(diào)查結果，煤礦資源開發(fā)既為地方帶來相對較高的經(jīng)濟效益，也對該地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境造成了很大的負面影響。而由于地下開采煤礦大多集中于烏魯木齊市及其周邊的昌吉回族自治州、吐魯番市等經(jīng)濟相對發(fā)達、居民人口相對集中的區(qū)縣，其所引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題會對當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活及人身財產(chǎn)帶來安全隱患。

3.2.3 礦山環(huán)境恢復治理與“復綠工程”執(zhí)行情況

礦山環(huán)境恢復治理面積近990 hm2，主要在水磨溝區(qū)、天山區(qū)、阿勒泰市、富蘊縣、布爾津縣和青河縣等地，采取了土地平整、礦坑填埋和邊坡修護等措施，對煤、建筑用砂、磚瓦用黏土、金礦和鐵礦的采場、中轉(zhuǎn)場地和固體廢棄物進行了治理。遙感影像和實地查證發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)已開展的礦山環(huán)境恢復治理效果較好，不僅使原本因礦山開發(fā)遭到破壞的地貌景觀得到有效恢復，而且使原本廢棄的土地得到再次利用。典型礦山環(huán)境恢復治理區(qū)見圖5。2016年度恢復治理面積雖較2015年度增加約170 hm2，但目前已恢復治理面積僅占廢棄礦山占地總面積的5.55%，總體進度較慢，未來恢復治理工作任重道遠。

(a) 2014年(b) 2015年(c) 實地查證照片

圖5天山區(qū)原建筑用砂礦環(huán)境恢復治理前后對比與野外查證

Fig.5Remotesensingimagecomparisonandfieldverificationbeforeandafterenvironmental

restorationoftheformerbuildingplacerinTianshanDistrict

新疆東北地區(qū)共部署礦山“復綠工程”29處，2016年已復綠約20處，主要位于奇臺縣、瑪納斯縣、阿勒泰市、富蘊縣、哈巴河縣和烏魯木齊縣等地區(qū)。該地區(qū)復綠措施多為林地種植，其能夠在達到較好礦山地貌景觀修復、改善礦區(qū)整體生態(tài)及自然環(huán)境的同時，又能夠在一定程度上降低風力與風速，從而減少露天采場沙塵飛揚，保護附近道路、公共設施和當?shù)鼐用裆a(chǎn)生活。哈巴河縣砂石料場典型礦山“復綠工程”執(zhí)行情況如圖6所示。而按照新疆礦山“復綠工程”方案的驗收時間要求，未復綠礦山還有待加快進度，以早日完成全部礦山復綠工作。

(a) 哈巴河某砂石料場1(b) 哈巴河某砂石料場2

圖6哈巴河縣砂石料場礦山“復綠工程”野外查證

Fig.6Fieldverificationof“Re-greeningProject”insandstoneyardofHabaheCounty

3.3 礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況

礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況主要綜合了重點開采區(qū)、鼓勵開采區(qū)、限制開采區(qū)和禁止開采區(qū)，以及規(guī)劃區(qū)內(nèi)礦權分布、數(shù)量、礦種、最低開采規(guī)模和疑似違法礦山開采情況等因素，綜合判斷規(guī)劃區(qū)是否符合規(guī)劃要求，并提出相應建議。

調(diào)查結果顯示，該地區(qū)22個礦產(chǎn)資源規(guī)劃區(qū)總體執(zhí)行情況良好，符合規(guī)劃或基本符合規(guī)劃要求的規(guī)劃區(qū)約占70%。僅部分鼓勵開采區(qū)內(nèi)存在主要開采礦種的礦區(qū)設置低于小型礦山最低開采規(guī)模； 限制開采區(qū)內(nèi)采礦權和疑似違法礦山數(shù)量較多； 個別禁止開采區(qū)內(nèi)存在采礦權等情況。建議對各分區(qū)按要求進一步落實規(guī)劃，加強對采礦權數(shù)量、礦種和規(guī)模的監(jiān)管，清理疑似違法開采礦山。

3.4 區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價

根據(jù)上述礦山開發(fā)占地、地質(zhì)災害和環(huán)境污染等本底調(diào)查成果，根據(jù)礦山開占地、礦山環(huán)境污染和礦山地質(zhì)災害在單元格網(wǎng)內(nèi)占地比例(以下簡稱占比)，將新疆東北地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境分為4個等級： ① 1級為礦山地質(zhì)環(huán)境嚴重影響區(qū)，占比(66%，100%]； ②2級為礦山地質(zhì)環(huán)境較嚴重區(qū)，占比[33%，66%]； ③ 3級為礦山地質(zhì)環(huán)境一般影響區(qū)，占比(0，33%)； ④ 4級為礦山地質(zhì)環(huán)境無影響區(qū)，占比為0。

在探索了目視人工分級和1 km×1 km單元、2 km×2 km單元與5 km×5 km單元格網(wǎng)評價法4種方法后，綜合考慮了1∶50萬比例尺圖幅內(nèi)等級分配標準、層次差異顯著性、成圖效果等因素，最終選取2 km×2 km單元格網(wǎng)評價法，并對格網(wǎng)評價結果進行Natural Neighbor插值處理，結果見圖7。評價結果顯示： 礦山地質(zhì)環(huán)境嚴重影響區(qū)和較嚴重影響區(qū)主要分布于烏魯木齊市達坂城區(qū)、烏魯木齊縣、水磨溝區(qū)和米東區(qū)等煤礦、非金屬礦相對集中的區(qū)域，以及吉木薩爾縣五彩灣地區(qū)、奇臺縣疑似違法花崗巖集中開采區(qū)等地； 一般影響區(qū)分布較廣，新疆東北地區(qū)中部石河子市—昌吉市—烏魯木齊市周圍—吉木爾薩縣—木壘哈薩克縣沿東西方向相對集中，其次為奇臺縣—青河縣—富蘊縣—阿勒泰市—哈巴河縣沿東南至西北方向較集中，南部的博湖縣、和碩縣和吐魯番市三線均有相對分散的分布。

圖7 新疆東北地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感評價

3.5 尾礦成分研究

尾礦作為特定經(jīng)濟技術條件下所形成的具有一定規(guī)模且(未來)可開發(fā)利用的資源，研究其礦物和化學成分分布特點對今后尾礦資源再利用具有極其重要意義[7]。本次工作基于2012—2013年間在河北和江西進行的尾礦礦物成分研究工作的經(jīng)驗[8]，選取了富蘊縣喀拉通克銅鎳尾礦庫作為研究對象，對實地采集不同位置、不同質(zhì)地、不同顏色的13個尾礦樣品進行了X射線衍射和熒光光譜分析，分別檢測礦物成分17種和化學成分31種，并從礦物組成和化學成分2個方向研究了尾礦成分的空間和時間分布特征，得到如下結論：

(1)該尾礦中含有農(nóng)業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)中所需的多種元素和化合物，在采取必要的治理措施對其含有的有毒害性化合物進行處理后，能夠在多種領域發(fā)揮重要作用。部分分析結果見表1。

表1 尾礦所含化學成分(部分)統(tǒng)計

注： 表項目欄中數(shù)字為尾礦編號； “—”代表未檢測到該成分。

(2)該尾礦庫中，相似顏色或質(zhì)地的尾礦礦物組成并不一致。因此，不能簡單地通過尾礦顏色和顆粒度等表象判斷目標礦物的組成情況。對應情況詳見表2。

表2 尾礦外在表象與目標礦物對應情況統(tǒng)計

注： “”代表高于均值； “×”代表低于均值； “O”代表等于均值； “—”代表未檢測到該成分。

(3)表層水平方向上，與排放口距離越遠，銅鎳含量越低。

(4)縱深方向上，在某一深度位置會形成礦物含量高低差異的節(jié)點，而不是深度與含量線性漸變規(guī)律。初步分析表明，該變化除受銅、鎳礦存在形式的自然因素影響外，還受降雨量、尾礦干濕度、原礦石品位和選礦技術改變等諸多外在因素影響。

(5)尾礦化學含量與礦物成分間關系復雜。X射線衍射和熒光檢測所獲得的尾礦礦物成分與化學含量間難以通過簡單的數(shù)理分析建立相關聯(lián)系。

本次探索研究，分析了典型尾礦在水平、垂直位置的變化規(guī)律，從而能探索該尾礦庫成分組成在空間和時間上可能存在的變化規(guī)律，為尾礦庫資源調(diào)查、尾礦物質(zhì)再利用與尾礦庫環(huán)境質(zhì)量評價等工作提供研究支持。但也存在2個方面的不足： ①采集樣品數(shù)量有限，數(shù)理分析所表現(xiàn)出的規(guī)律性不強； ②X射線衍射結果所獲得的礦物含量的取值區(qū)間，不利于進行數(shù)值差異和變化趨勢分析。

4 結論與討論

通過2016年度新疆東北地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用狀況、礦山地質(zhì)環(huán)境(含礦山環(huán)境恢復治理)和礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況的遙感調(diào)查監(jiān)測與野外實地調(diào)查驗證，獲得了2016年度新疆東北地區(qū)、市、縣礦產(chǎn)疑似違法圖斑匯總表、礦產(chǎn)衛(wèi)片成果統(tǒng)計表和礦產(chǎn)疑似違法圖斑分布圖，為部省市等各級土地管理部門礦產(chǎn)衛(wèi)片執(zhí)法監(jiān)督檢查提供了決策依據(jù)； 查明了區(qū)域礦山活動占地、礦山地質(zhì)災害、礦山環(huán)境污染、礦山環(huán)境恢復治理和礦山“復綠工程”執(zhí)行等情況，提出了區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境存在的安全隱患與礦山環(huán)境恢復治理和“復綠工程”存在的主要問題，為相關部門礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理和礦山環(huán)境管護工作提供了依據(jù)，為新疆礦產(chǎn)資源規(guī)劃分區(qū)內(nèi)礦業(yè)秩序整頓及下一輪規(guī)劃制訂提供了重要資料。

新疆東北地區(qū)礦山環(huán)境監(jiān)測工作還可以從以下2個方面進一步加強：

(1)重點區(qū)域增加遙感監(jiān)測期次，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測成果獲取。隨著國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)量、空間分辨率、處理效率等一系列技術能力的提升，國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)能夠滿足1年多期次的重復監(jiān)測[9]，因此新疆東北地區(qū)如能在使用年度土地利用變更調(diào)查遙感數(shù)據(jù)的基礎上，在礦山開發(fā)進程快、礦山環(huán)境恢復治理變化大和礦山次生地質(zhì)災害易發(fā)(潛在)等重點區(qū)域充分利用國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，增加監(jiān)測期次，則可以更好地體現(xiàn)遙感監(jiān)測的快速性和監(jiān)測成果的動態(tài)性，同時能夠為礦政管理和災害預防等工作提供更及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)引進新技術，應對實地調(diào)查難題。新疆東北地區(qū)跨越天山南北，天氣多變，地形復雜，晝夜溫差大，而部分礦區(qū)又往往處于戈壁或邊遠山區(qū)，存在交通不便、視野狹小等問題，如能夠在自然(氣候等)條件允許、遠離國境線、不影響民生等地區(qū)適時部署無人機飛行拍攝，則可以在一定程度上減少野外調(diào)查所耗費的時間和費用，提高野外人員工作環(huán)境安全，更能夠達到較好的實地取證效果。

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