基于遥感影像的焦作市矿山地质环境问题研究

曹艳杰

（河南省国土资源电子政务中心，郑州450016）

基于遥感影像的焦作市矿山地质环境问题研究

曹艳杰

（河南省国土资源电子政务中心，郑州450016）

近年来，由于矿产资源的过度开采，导致矿山普遍存在资源损失、植被毁坏、地质灾害和环境污染等诸多问题。以焦作市矿山地质环境为例，应用遥感影像对其存在的问题进行了分析研究。首先应用遥感影像建立了13种矿山地质环境遥感影像标志，经野外实地调查，验证其与实际情况的吻合程度。研究采用2007年spot5、2013-2014年高分一号和资源三号卫星影像数据，根据其对构造地貌、地貌营力、地层分布及采矿活动等方面的系统判读，认为山西台地边缘太行山断隆和济源凹陷产生的地貌营力作用是该区域构造不稳定的主导因素，大规模沉积矿产的开发进一步加剧了该区域地质灾害发生的几率与规模。

矿山地质环境；解译标志；遥感地质；焦作

因遥感技术具有探测范围广阔、蕴含信息客观丰富、资料获取迅速且不受特殊地形限制等突出特点［1］，20世纪70年代末就被国外广泛应用到地质环境调查工作中［2］。21世纪初，为查清全国矿山地质灾害分布特点，我国在矿山地质环境调查与评价工作中第一次引进了遥感技术［3］，虽起步较晚，但进展较快。以遥感影像地质解译辅助大比例尺地面调查，不但能快速圈定区域矿山地质环境问题类型、分布、规模及其外围地质环境条件，而且对突发性地质灾害还能实时或准实时进行灾情调查、动态监测及损失评估，提高矿山地质环境调查工作质量和效率［4］。因此，遥感技术已经逐渐成为开展区域地质环境调查，辅助进行矿山地质环境问题分析最有效的手段。

1研究区概况

研究区位于我国中部太行山南麓地区，面积约1400 km2［5-7］，是新华夏系太行山隆起南端，与晋东南“山字型”构造东翼反射弧前缘和东秦岭纬向构造带之北缘相交联合弧地带。燕山运动以来所生成的多种构造形迹广泛发育，如：东西向构造、“山字型”构造、新华夏构造及北西向构造体系［8-9］。这些大型构造体中，盘古寺断裂规模与切割深度大，其它断裂规模和切割深度较小。土体以砾质土、砂性土、黏性土、黄土及淤泥质土为主。岩石类型包括灰岩、白云岩、石英砂岩、长石石英砂岩。矿产资源主要有石灰岩、黏土矿、铁矿、煤、煤层气、黏土矿等沉积矿产［10］。区内涵盖10个重点开采区和6个鼓励开采区。水泥灰岩、耐火黏土多以露天开采，煤矿采掘多为地下。几十年的高强度开发，更加剧了崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等灾害发生的强度和频率。煤矸石、露天矿粉尘和污水也都对区域大气、水源有一定污染。

2遥感数据

2.1数据来源

本次研究主要采用2007年spot 5、2013-2014年高分一号和资源三号卫星影像数据，数据间隔7a。

表1　采用的卫星影像数据技术参数Table 1 Adoptive satellite image data technical parameters

2.2影像处理

全色与多光谱数字影像处理和过程控制在ERDAS Imagine2011平台上完成。数据基础为1980年西安坐标系，采用1985年国家高程基准，高斯—克吕格投影，6°分带。影像纠正和配准时每景选取9～15个控制点，山地适当增加控制点数量，相邻重叠区应选取不少于3个公共点，以“拉窗帘”方式逐屏检查纠正配准结果，确保精度符合研究要求。经过数据选择、影像增强、影像校正、模拟真彩色融合、镶嵌、裁切等步骤，形成用于地质解译的遥感影像图（图1）。用多光谱数字影像反差扩展与模拟真彩色融合技术制作工作底图，选取方向滤波与分段线性扩展技术，增强影像水文地质信息提取能力，在Arc-GIS10.0平台下，利用DEM制作本次遥感地质解译构造地貌图。

3遥感解译

遥感解译指在遥感图像上通过应用各种解译技术和方法，识别出地质体、地质现象物性和运动特点，测算出某种数量指标的过程。本次遥感地质解译工作以高分一号遥感卫星影像为主，反复测试目标物地面反射波谱曲线，探寻目标物之间的反射值差或利用适合的数学模型扩大发射值差，选择有利于信息显示的合成方案。在影响该地区地质环境诸多因素中，地壳不均匀性升降和该地区大规模采矿活动是诱发地质灾害的主导因子。通过目视解译结合计算机自动解译、室内判读结合野外调查，针对地壳不均匀性升降问题建立了山体滑动、危岩与崩塌、滑坡群、泥石流与洪积扇、扇间洼地和不稳定斜坡等6种影像标志；针对矿业开发活动问题建立了矿石堆场、开采作业面、煤矸石（或夹石）、弃土、弃渣堆、矿山辅助设施和矿山运输道路网等7种影像标志，并清晰圈定各类矿区采矿渣堆、冶炼厂、尾矿库、无库尾矿渣等位置、形态与面积［11］。

4矿山地质环境问题分析

从区域地壳运动与矿业开发活动引发的地质环境问题和区域地质环境发展趋势三点着手，以该区域地质构造控制下的地貌营力作用为背景，研究矿山地质环境问题发育规律及其成因，分析地质环境与地形地貌、地层岩性、地质构造、河流切割、植被及采矿活动的关系。

图1　研究区影像图Figure 1 Study area satellite images

4.1区域构造地貌、地貌营力与地质环境问题

因中央造山系刚性地块阻挡作用致华北裂谷带南段向西偏转，形成焦作地区南太行山与济源凹陷相对鼎力的地貌景观。地貌成因多种多样，形态、类型错综复杂，至今尚未有一个公认的分类系统［12］。结合研究区地质构造轮廓、地形高度、落差及坡度特征，暂且将焦作市划分为两个一级、两个二级，九个地貌单元（表2）。

刘崐一生多次出任各地考官，两度出任顺天乡试考官、会试副考官、读卷官、翰詹大考阅卷官。1864年，太平天国运动被镇压，为网罗士子，清廷恢复江南乡试。这是十二载未开考的大比，考生达二万零三百八十五名，谁任主考才能镇得住江南学界，朝廷颇费周章。最后从曾国藩举荐的刘崐、李鸿藻、文祥三人中选定刘崐为大主考。此次乡试，刘崐唯才是举，不问托请，深得学界赞许，被尊为后世楷模。江南大考回来，58岁的刘崐任内阁学士兼礼部侍郎、署顺天府尹兼任文渊阁直阁事。

山西台地南缘的南太行断隆（Ⅰ1）因属构造强烈抬升区，为全省地壳活动最强烈区，是地质作用引发地质环境问题较严重区。

构造侵蚀中山（Ⅰ11）地形区（图2-a），分布于南太行东北部焦作市马头山至瓦窑山一带，地表物质主要为奥陶系白云质灰岩、寒武系石灰岩夹黏土质页岩，碳酸盐岩多出露于山体顶部，形成陡坎会引发危岩崩塌。页岩出露于山体下部，多形成相对缓坡地带，是泥石流的物源区。

表2　焦作工作区地貌类型划分指标一览表Table 2 Data sheet of geomorphologic type partitioning indices in Jiaozuo working area

图2　焦作市区域构造地貌影像图Figure 2 Regional structural geomorphologic images in Jiaozuo City

构造侵蚀剥蚀中低山（Ⅰ12）地形区（图2-b），分布于南太行西北部济源市五龙口至焦作市青要山一带，地表物质主要为奥陶系白云质灰岩、寒武系石灰岩夹黏土质页岩、石炭系黏土质页岩等。石炭系多出露于山体顶部，是泥石流物源区。近山前地带有较大规模山体滑动现象，是灾害高发区。

风化剥蚀低山（Ⅰ12）地形区（图2-c），分布于张岭至青龙洞一带，地表物质组成多为寒武-奥陶系碳酸盐岩和石炭系黏土质页岩。石炭系黏土质页岩是华北地区耐火黏土的重要赋矿层位，因采矿产生的废渣和造成的山体破损易致不稳定斜坡灾害发生。

风化剥蚀低山（Ⅰ13）地形区（图2-d），分布于焦作市北部、东北部黑石岭至龙洞一带，受北东向密集断裂影响，山体呈现垄条状向南东倾斜的单面山地貌，因山体缓倾斜面上分布有大量采石场，易引发不稳定斜坡灾害。

山前倾斜平原（Ⅱ11）地形区，分布于五里源、马村、山阳区、解放区、中站、西向一带，主要是坡积、洪积、冲积扇裙。结合《河南省前新生界基岩地质图》，该地段随着济源凹陷的逐步发展亦呈现出5段依次下滑势态，预示焦作以东地区（武陟隆起）地面沉降会有增速。

山口洪积扇（Ⅱ12）地形区（图2-e），主要分布在有峪河、马安河、群英河、丹河等河口地区。受“温室效应”影响，河道、扇体和扇缘湿地干枯，但因各种工程建筑推进，有可能因突发性降雨形成洪水、水石流灾害。

沁河冲积平原（Ⅱ13）地形区，分布于黄河北岸，沁河冲积形成，为全新统亚黏土、亚砂土及粉砂。影像显示，沁河下游亦存在类似黄河的"悬河"势态，威胁焦作市及周边地区。

扇间洼地（Ⅱ14）地形区（图2-f），分布于沁河与黄河冲洪积扇之间的山前倾斜平原与黄河、沁河冲积平原交接地带，易发生洪涝灾害。

风化残山（Ⅱ15）地形区，分布于山前倾斜平原边缘，影像上分布有大量采石场斑痕，容易发生岩块滑落。

4.2区域地层分布、采矿活动与地质环境问题

焦作是以煤矿、黏土矿、水泥灰岩和建筑材料开采为主导的资源型城市。近年来区域内矿山工业广场、露天采矿、废土场分布面积增加较多。仅2007到2013的5 a间，采矿区、废渣堆、尾矿库占地面积增加就近1倍（图3）。长期的强化开采资源引发地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，加剧区域内土地资源、地貌景观和含水层破坏［13］，产生水土污染等诸多地质环境问题。

图幅2007年度2013年度图斑数图斑数11 149E 040217 0 7 7 0 9 8 149E 04022 149E 05020 149E 05021 149E 05022合计类别采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库166 50 3 104 79 1 161 103 2 81 30 0 523 269 6面积/m234393.435 37337.937 0 2420098.960 939891.53 649360.654 1970413.105 1168013.585 41385.671 2338970.74 821341.712 418764.407 1314796.310 306990.807 0 8078672.55 3273575.571 1109510.732类别采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库采矿区废渣堆尾矿库44 7 139 98 1 246 148 2 56 19 0 546 316 10面积/km249531.795 39148.981 0 2877342.388 877143.139 1710103.118 5171783.652 2112031.858 44410.756 4014033.150 2353912.758 430137.758 1770967.213 314277.170 0 13883658.198 5696513.906 2184651.632

图3　焦作市2007年与2013年采矿区、废渣堆、尾矿库占地面积对比Figure 3 Comparison of years 2007 and 2013 winning district，waste dump and tailings site covering areas in Jiaozuo City

焦作市发生82处地面塌陷，伴生地裂缝29处，存在隐患点109处，主要分布于山前煤炭集中开采区［14］。北部山区露天采坑（场）星罗棋布，矿山废渣漫山遍野，往日的青山如今已是黄尘满天，千疮百孔，植被破坏、水土流失、不稳定岩土体遍布，泥石流隐患加重，7个主要地形地貌景观破坏区总面积达139.78 km2，区域生态环境恶化严重。全市煤矸石、矿山工业广场压占和损毁土地面积达21.67 km2（图4）。矿区煤矸石淋滤液和土壤中Cr的浓度极高，矿山废水和废渣成为严重的土壤污染源。

4.3区域地质环境问题发展趋势、规模与灾害危害程度分区

图4　某些煤矿工业广场损毁、压占土地资源Figure 4 Land resources destructed and occupied by some coalmines surface installations

通过遥感解译，综合该区域地形地貌、地质构造、岩性产状、河流切割、植被与采矿活动关系，以及地质环境问题发育规律、危害程度等因素，可将研究区按地质环境成因、位移特征、活动状态、规模、形态发展趋势划分为七种不同类型（表3），分区如图5。

表3　焦作市北部地质环境问题与危害程度分区表Table 3 Geological environment problems and hazard levels partitioning in northern Jiaozuo City

①南太行边缘滑脱带山体滑动地质环境分区（Ⅰ）。分布于西部中低山区，地表物质组成为寒武-奥陶系灰岩及白云岩，夹杂软泥岩、页岩及粉砂岩，属坚硬岩类。影像显示山体向南滑动趋势明显，虽滑动缓慢但当与较大级地震耦合时较易发生突发性灾害。

②南太行边缘强抬升区段崩塌滑坡地质环境分区（Ⅱ）。分布于东北部中山及中低山区，地表物质组成为元古界石英砂岩、寒武-奥陶系灰岩及白云岩夹杂软泥岩、页岩及粉砂岩，属坚硬岩类。构造节理的密集发育降低了岩石的抗风化能力，尤其在沟谷边缘地带和岩溶强发育带岩体力学强度下降明显，形成沿河带两侧的崩塌、滑坡群，易成为泥石流、水石流策源地。

图5　焦作市环境地质问题与危害程度分区图Figure 5 Geological environment problems and hazard levels partitioning in Jiaozuo City

③南太行边缘滑脱带发育区崩塌滑坡地质环境分区（Ⅲ）。分布于东北部低山丘陵区，地表物质组成为寒武-奥陶系灰岩及白云岩，夹杂软泥岩、页岩及粉砂岩，属坚硬岩类。因北东向正断层的密集发育，形成定向排列的单面山地形，且岩层倾向与山体坡向一致，雨季易发生滑坡。

④南太行边缘滑脱带发育区滑坡泥石流地质环境分区（Ⅳ）。分布在北部及东北部与济源凹陷毗邻的丘陵区。地表物质组成为石炭系、二叠系、三叠系的泥灰岩、黏土岩、石英砂岩夹泥质细砂岩、页岩，属半坚硬岩类。因大规模采矿活动和开山筑路等人为干扰，影像显示崩塌、滑坡等灾害明显，雨季会成为泥石流策源地。

⑤南太行边缘强抬升区段崩塌滑坡地质环境分区（Ⅴ）。分布于西北部中低山区，地表物质组成为元古界石英砂岩、寒武-奥陶系灰岩及白云岩夹杂软泥岩、页岩及粉砂岩，属坚硬岩类。由于地壳的强烈抬升和地面的向南倾斜，影像显示山体下滑趋势，加之构造节理的密集发育和大规模采矿活动及开山筑路等人为干扰，降低了岩石的抗风化能力和固结程度，形成沿河带两侧的崩塌、滑坡群。

⑥济源凹陷北部边缘山前洪积裙地质环境分区（Ⅵ）。分布于山前倾斜冲洪积平原。地表物质组为砾石、卵石、砂等组成的卵砾石、粗砂双层土体。是地壳强烈下沉区，是山区河流携带泥沙、碎石的堆积场所，加之人口和基础设施较山区密集，易造成严重灾害。

⑦济源凹陷中部扇间洼地地质环境分区（Ⅶ）。分布于焦作市东部平原。地表物质主要是亚砂土、亚黏土、黏土黏性土构成的单层土体。因地处济源凹陷中央区，地壳下沉明显，加之山前洪积扇和沁河、黄河冲积扇的双重作用形成北东东走向的带状洼地，是汛期山洪排泄场所。该区地下水为较高，易产生土壤次生盐碱化。

5结束语

（1）经过野外调查，发现室内遥感解译矿山地质环境结果与实际情况吻合程度较高，证明卫星影像数据用于矿山地质环境解译效果较好。研究中建立了区域环境地质概念模型，基于模型建立了遥感影像解译标志，经系统判读，因山西台地边缘太行山断隆和济源凹陷地壳升降运动所带来的强烈的地貌营力作用是该区域构造不稳定的主导因素，大规模沉积矿产的开发进一步加剧了该区域地质灾害发生的几率与规模。

（2）引发矿山地质环境问题原因有很多，基于遥感影像解译分析区域矿山地质环境问题时，不仅要充分利用多源遥感数据进行综合对比，还应综合分析相关气象和水文资料，提高遥感地质解译质量及准确性。

致谢：本文的研究工作得到了河南省国土资源科学研究院张天义教授的帮助与指导，在此深表谢意。

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Study on Mine Geological Environment Issues in Jiaozuo City through Remote Sensing Images

Cao Yanjie
（Henan Provincial Land and Resources E-government Affairs Center，Zhengzhou，Henan 450016）

In recent years，since excessive exploitation of mineral resources has caused problems of widespread mine resource loss，vegetation destruction，geological hazard and environmental pollution.Taking the mine geological environment in the Jiaozuo City as an example has carried out analytic study on existing problems by the use of remote sensing images.Firstly using remote sensing images established 13 kinds of remote sensing image marks for mine geological environment appraisal.After field investigation，verified their coincidence with real conditions.The study has used image data from satellites SPOT-5 of 2007，Gaofen-1 and ZY-3 of 2013-2014. Based on the systematic interpretation of structural geomorphology，geomorphologic agents，strata distribution and mining activities have considered that geomorphologic agents to produce the Taihangshan fault-uplift and Jiyuan depression on the margin of the Shanxi platform are the leading factors to cause unstable regional tectonics in the area.The massive exploitation of sedimentary minerals has further intensified geological hazard occurrence probability and scale.

mine geological environment；interpretation marks；remote sensing geology；Jiaozuo

TD167；TP79

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.16

1674-1803（2016）09-0073-07

中国地质调查局全国矿山地质环境调查项目（ZGDDJ14021）

曹艳杰（1976—），男，汉族，河南洛阳人，硕士研究生，高级工程师，主要从事国土资源信息化技术应用研究。

2016-05-19

责任编辑：孙常长