新疆东北地区矿产资源开发环境遥感监测成果

王 昊， 李 丽， 刘 雪， 李 浩

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2.中国地质大学(北京)，北京 100083 )

0 引言

新疆维吾尔自治区幅员辽阔，矿产资源丰富，在约占全国总面积六分之一的范围内蕴藏了煤、油气、钾盐、镍、铜和锌等多种矿产资源，为全国经济的快速发展提供了重要的资源支撑。新疆作为“一带一路”的核心区，在“十三五”期间确定了“三基地一通道”的发展模式和战略定位，希望通过加快能源开发、优化能源结构、推进能源改革等途径，进一步促进区域矿产资源开发利用与区域自然生态环境的协调发展。但是，矿产资源开发过程中往往伴随着土地压占损毁、违法开采以及次生地质灾害和环境污染等问题，尤其在新疆东北地区矿山位置分散、开采矿种与开发方式多样，且该地区地质环境复杂,交通条件相对落后，实地调查需要耗费大量人力、物力和财力，遥感技术具有监测范围广和时效性强等特点[1-2]，恰恰能够在矿产资源开发全过程的调查与监测中发挥重要作用。

为查明我国矿产资源开发环境的整体情况，“十一五”伊始，中国地质调查局部署开展了我国“矿产资源开发遥感调查与监测”项目工作[3]，随着全国范围内多年度矿山监测工作的顺利完成，为进一步加强不同矿种对矿山地质环境的影响、探索矿产资源开发对不同流域的生态地质环境影响，由原来的分省部署转变为按成矿带为单元、兼顾县级行政单元完成的方式，在全国陆域17个成矿带/重点矿集区开展矿产资源开发环境遥感监测工作。

2016年“新疆东北地区矿产资源开发环境遥感监测”工作开展以来，按照全国统一的矿产资源开发环境遥感监测技术规范的要求，完成了覆盖新疆东北地区5个地市级行政区内的28个县及2个自治区直辖县的矿产资源开发环境遥感监测，基本查明了该地区合法、疑似违法和废弃矿山矿种、面积、变化情况，矿山开发占用损毁土地面积、类型、分布，矿山地质灾害和环境污染类型、面积、分布、涉及矿种，环境恢复治理和“复绿工程”实施情况以及矿产资源规划执行情况等本底数据。基于本底调查数据开展了区域矿产资源综合评价，划分了地质环境严重影响区、较严重影响区、一般影响区和无影响区4个等级，进行了尾矿成分的探索性研究。以统计报表、图件、野外实地照片和成果报告等形式向相关部门提供了详实的调查与分析成果，为区域矿产资源可持续开发与利用、矿业秩序维护及矿区环境综合整治等相关工作提供了数据支撑。

1 工作区概况

新疆东北地区涉及乌鲁木齐市、阿勒泰市、吐鲁番市、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区，地理坐标为85°14′～93°12′E，41°02′～49°20′N，总面积为29.33万km2。其分布位置见图1。

图1 新疆东北地区矿产资源开发环境遥感监测区

该地区南部为EW向天山山脉，北部为阿尔泰山，两大山系之间为准噶尔盆地，山地为隆起剥蚀区，盆地为山区剥蚀物质堆积场所。在准噶尔盆地边缘的山前地带，形成大面积的冲洪积倾斜平原、冲积扇，盆地中心为平坦的冲积平原和湖积平原，疏松的物质经风吹扬形成大片沙漠。由于其特殊的地质条件，该地区煤、铁、铜、金等能源和金属矿丰富，又含有云母、石膏、花岗岩和大理岩等多种建筑用非金属矿[4]。

2 技术方法

在收集了以往区域矿山监测工作成果的基础上，利用2015年和2016年土地变更调查遥感数据、矿权和矿产资源规划等资料，按照《矿山遥感监测工作指南》《矿产资源开发遥感监测技术要求》和“全国矿产资源开发环境遥感监测”二级项目实施方案等相关技术要求的规定，以不同比例尺解译精度和成果数据与图件的编制要求为依据，采用计算机自动信息提取与人机交互解译相结合、室内解译与野外实地查证相结合的方式[5-6]，进行了该地区矿产资源开发状况、矿山开发占地、矿山环境恢复治理(含“复绿工程”)、矿山地质灾害、矿山环境污染和矿产资源规划执行的遥感监测工作，编制了1∶50万比例尺系列成果图件，最终完成了成果数据入库，并在此基础上开展了区域矿产资源综合评价和典型尾矿矿物成分与元素含量分析研究。

3 主要成果

3.1 矿产资源开发状况

3.1.1 合法矿山开采情况

新疆东北地区合法矿山530余处，其中鄯善县、富蕴县、昌吉市和阜康市等地分布数量相对较多。开采方式以露天开采为主，占合法矿山总数的69.23%。涉及矿种主要为建筑用砂和砖瓦用黏土等建材及其他非金属矿，占合法矿山图斑总数的58.54%； 其次为煤等能源矿，占17.64%； 铁矿等黑色金属、铜矿等有色金属和金矿等贵金属，合计占18.58%。合法矿种数量百分比见图2。

图2 新疆东北地区合法矿山开采矿种比例分布

3.1.2 疑似违法矿山开采情况

疑似违法矿山逾300处，总数与2015年度相当，而较2013年和2014年有明显减少趋势。疑似违法矿山涉及县级行政单位27个，2012—2016年间疑似违法矿山图斑数量变化情况见图3。

图3 新疆东北地区疑似违法矿山数量动态变化情况

违法类型方面，疑似无证开采数量较多，占疑似违法开采矿山总数的76.13%； 其次为疑似越界开采，占15.16%； 疑似以采代探的占8.71%。违法矿种涉及能源、黑色金属矿、有色金属矿、贵金属矿、化工原料非金属矿和建材及其他非金属矿6大类型，具体为煤、铁矿、锰矿、铜矿、铅矿、砂金、金矿、建筑用砂、砖瓦用黏土和饰面用花岗岩等27个矿种。其中建筑用砂数量最多，占疑似违法开采矿山总数的53.55%； 其次为砖瓦用黏土，占13.87%； 煤矿占11.29%； 金属矿共占3.87%。

根据本次调查结果，结合以往该区矿山监测情况，区内疑似违法矿山主要存在3方面的特征：

(1)矿种特征。以建材类非金属矿为主要违法矿种。近年来，新疆的交通、市政和水利等基础设施正在迅速发展，而基础设施的发展需要大量砂岩、灰岩、黏土和花岗石等建材类非金属矿产。由于受该区地理位置、交通条件的限制，同时受当地非金属矿采矿权数量、分布和成本等多方因素的影响，在一定程度上导致了此类疑似违法开采矿山的存在。

(2)分布特征。疑似违法矿山集中分布。受矿产资源分布、矿石外运条件及矿产品需求等多方面影响，该区大部分疑似违法矿山多沿交通道路呈集中式分布(图4)。

图4 疑似违法花岗岩采石场(左)与疑似违法采砂场(右)分布

(3)开采状态特征。部分疑似违法开采矿山持续存在或正在“死灰复燃”。通过对比多期矿山监测成果，以及实地野外验证发现，该地区部分疑似违法矿山多年持续开采(2015—2016年间持续违法逾140处)或正在“死灰复燃”(2015—2016年间关停转违法约40处)，且多为规模较大的矿山或分布较集中的矿区。

3.2 矿山地质环境

3.2.1 矿山开发占地

遥感调查发现，该区矿山开发占地逾62 000 hm2，较上一年度增加了近3 700 hm2，其中中转场地占地面积相对较多，其次为采场。涉及的矿种类型主要为建材及其他非金属矿和能源，这2类矿种占地合计达矿山占地总面积的79.36%。

3.2.2 矿山地质灾害与环境污染

本次调查共发现矿山次生地质灾害78处，总面积约3 000 hm2。地质灾害类型主要为塌陷和滑坡，两者数量之比为6.8∶1，面积比为154.1∶1。涉及煤矿、金矿、铅矿、铜矿和铁矿5个矿种，其中煤矿开采导致的地质灾害数量最多，占92.31%。

矿山环境污染逾20处，主要为粉尘污染。与矿山地质灾害所涉及的主要矿种相同，煤矿开采所引发的粉尘污染数量较多，占70.83%； 其次为石灰岩和砖瓦用黏土等非金属矿开采所引发粉尘污染，占25%。

根据上述调查结果，煤矿资源开发既为地方带来相对较高的经济效益，也对该地区矿山地质环境造成了很大的负面影响。而由于地下开采煤矿大多集中于乌鲁木齐市及其周边的昌吉回族自治州、吐鲁番市等经济相对发达、居民人口相对集中的区县，其所引发的地质环境问题会对当地居民的生产、生活及人身财产带来安全隐患。

3.2.3 矿山环境恢复治理与“复绿工程”执行情况

矿山环境恢复治理面积近990 hm2，主要在水磨沟区、天山区、阿勒泰市、富蕴县、布尔津县和青河县等地，采取了土地平整、矿坑填埋和边坡修护等措施，对煤、建筑用砂、砖瓦用黏土、金矿和铁矿的采场、中转场地和固体废弃物进行了治理。遥感影像和实地查证发现，该地区已开展的矿山环境恢复治理效果较好，不仅使原本因矿山开发遭到破坏的地貌景观得到有效恢复，而且使原本废弃的土地得到再次利用。典型矿山环境恢复治理区见图5。2016年度恢复治理面积虽较2015年度增加约170 hm2，但目前已恢复治理面积仅占废弃矿山占地总面积的5.55%，总体进度较慢，未来恢复治理工作任重道远。

(a) 2014年(b) 2015年(c) 实地查证照片

图5天山区原建筑用砂矿环境恢复治理前后对比与野外查证

Fig.5Remotesensingimagecomparisonandfieldverificationbeforeandafterenvironmental

restorationoftheformerbuildingplacerinTianshanDistrict

新疆东北地区共部署矿山“复绿工程”29处，2016年已复绿约20处，主要位于奇台县、玛纳斯县、阿勒泰市、富蕴县、哈巴河县和乌鲁木齐县等地区。该地区复绿措施多为林地种植，其能够在达到较好矿山地貌景观修复、改善矿区整体生态及自然环境的同时，又能够在一定程度上降低风力与风速，从而减少露天采场沙尘飞扬，保护附近道路、公共设施和当地居民生产生活。哈巴河县砂石料场典型矿山“复绿工程”执行情况如图6所示。而按照新疆矿山“复绿工程”方案的验收时间要求，未复绿矿山还有待加快进度，以早日完成全部矿山复绿工作。

(a) 哈巴河某砂石料场1(b) 哈巴河某砂石料场2

图6哈巴河县砂石料场矿山“复绿工程”野外查证

Fig.6Fieldverificationof“Re-greeningProject”insandstoneyardofHabaheCounty

3.3 矿产资源规划执行情况

矿产资源规划执行情况主要综合了重点开采区、鼓励开采区、限制开采区和禁止开采区，以及规划区内矿权分布、数量、矿种、最低开采规模和疑似违法矿山开采情况等因素，综合判断规划区是否符合规划要求，并提出相应建议。

调查结果显示，该地区22个矿产资源规划区总体执行情况良好，符合规划或基本符合规划要求的规划区约占70%。仅部分鼓励开采区内存在主要开采矿种的矿区设置低于小型矿山最低开采规模； 限制开采区内采矿权和疑似违法矿山数量较多； 个别禁止开采区内存在采矿权等情况。建议对各分区按要求进一步落实规划，加强对采矿权数量、矿种和规模的监管，清理疑似违法开采矿山。

3.4 区域矿山地质环境综合评价

根据上述矿山开发占地、地质灾害和环境污染等本底调查成果，根据矿山开占地、矿山环境污染和矿山地质灾害在单元格网内占地比例(以下简称占比)，将新疆东北地区矿山地质环境分为4个等级： ① 1级为矿山地质环境严重影响区，占比(66%，100%]； ②2级为矿山地质环境较严重区，占比[33%，66%]； ③ 3级为矿山地质环境一般影响区，占比(0，33%)； ④ 4级为矿山地质环境无影响区，占比为0。

在探索了目视人工分级和1 km×1 km单元、2 km×2 km单元与5 km×5 km单元格网评价法4种方法后，综合考虑了1∶50万比例尺图幅内等级分配标准、层次差异显著性、成图效果等因素，最终选取2 km×2 km单元格网评价法，并对格网评价结果进行Natural Neighbor插值处理，结果见图7。评价结果显示： 矿山地质环境严重影响区和较严重影响区主要分布于乌鲁木齐市达坂城区、乌鲁木齐县、水磨沟区和米东区等煤矿、非金属矿相对集中的区域，以及吉木萨尔县五彩湾地区、奇台县疑似违法花岗岩集中开采区等地； 一般影响区分布较广，新疆东北地区中部石河子市—昌吉市—乌鲁木齐市周围—吉木尔萨县—木垒哈萨克县沿东西方向相对集中，其次为奇台县—青河县—富蕴县—阿勒泰市—哈巴河县沿东南至西北方向较集中，南部的博湖县、和硕县和吐鲁番市三线均有相对分散的分布。

图7 新疆东北地区矿山地质环境遥感评价

3.5 尾矿成分研究

尾矿作为特定经济技术条件下所形成的具有一定规模且(未来)可开发利用的资源，研究其矿物和化学成分分布特点对今后尾矿资源再利用具有极其重要意义[7]。本次工作基于2012—2013年间在河北和江西进行的尾矿矿物成分研究工作的经验[8]，选取了富蕴县喀拉通克铜镍尾矿库作为研究对象，对实地采集不同位置、不同质地、不同颜色的13个尾矿样品进行了X射线衍射和荧光光谱分析，分别检测矿物成分17种和化学成分31种，并从矿物组成和化学成分2个方向研究了尾矿成分的空间和时间分布特征，得到如下结论：

(1)该尾矿中含有农业与工业生产中所需的多种元素和化合物，在采取必要的治理措施对其含有的有毒害性化合物进行处理后，能够在多种领域发挥重要作用。部分分析结果见表1。

表1 尾矿所含化学成分(部分)统计

注： 表项目栏中数字为尾矿编号； “—”代表未检测到该成分。

(2)该尾矿库中，相似颜色或质地的尾矿矿物组成并不一致。因此，不能简单地通过尾矿颜色和颗粒度等表象判断目标矿物的组成情况。对应情况详见表2。

表2 尾矿外在表象与目标矿物对应情况统计

注： “”代表高于均值； “×”代表低于均值； “O”代表等于均值； “—”代表未检测到该成分。

(3)表层水平方向上，与排放口距离越远，铜镍含量越低。

(4)纵深方向上，在某一深度位置会形成矿物含量高低差异的节点，而不是深度与含量线性渐变规律。初步分析表明，该变化除受铜、镍矿存在形式的自然因素影响外，还受降雨量、尾矿干湿度、原矿石品位和选矿技术改变等诸多外在因素影响。

(5)尾矿化学含量与矿物成分间关系复杂。X射线衍射和荧光检测所获得的尾矿矿物成分与化学含量间难以通过简单的数理分析建立相关联系。

本次探索研究，分析了典型尾矿在水平、垂直位置的变化规律，从而能探索该尾矿库成分组成在空间和时间上可能存在的变化规律，为尾矿库资源调查、尾矿物质再利用与尾矿库环境质量评价等工作提供研究支持。但也存在2个方面的不足： ①采集样品数量有限，数理分析所表现出的规律性不强； ②X射线衍射结果所获得的矿物含量的取值区间，不利于进行数值差异和变化趋势分析。

4 结论与讨论

通过2016年度新疆东北地区矿产资源开发利用状况、矿山地质环境(含矿山环境恢复治理)和矿产资源规划执行情况的遥感调查监测与野外实地调查验证，获得了2016年度新疆东北地区、市、县矿产疑似违法图斑汇总表、矿产卫片成果统计表和矿产疑似违法图斑分布图，为部省市等各级土地管理部门矿产卫片执法监督检查提供了决策依据； 查明了区域矿山活动占地、矿山地质灾害、矿山环境污染、矿山环境恢复治理和矿山“复绿工程”执行等情况，提出了区域矿山地质环境存在的安全隐患与矿山环境恢复治理和“复绿工程”存在的主要问题，为相关部门矿山地质环境恢复治理和矿山环境管护工作提供了依据，为新疆矿产资源规划分区内矿业秩序整顿及下一轮规划制订提供了重要资料。

新疆东北地区矿山环境监测工作还可以从以下2个方面进一步加强：

(1)重点区域增加遥感监测期次，实现动态监测成果获取。随着国产卫星数量、空间分辨率、处理效率等一系列技术能力的提升，国产卫星遥感数据能够满足1年多期次的重复监测[9]，因此新疆东北地区如能在使用年度土地利用变更调查遥感数据的基础上，在矿山开发进程快、矿山环境恢复治理变化大和矿山次生地质灾害易发(潜在)等重点区域充分利用国产卫星数据，增加监测期次，则可以更好地体现遥感监测的快速性和监测成果的动态性，同时能够为矿政管理和灾害预防等工作提供更及时的监测数据。

(2)引进新技术，应对实地调查难题。新疆东北地区跨越天山南北，天气多变，地形复杂，昼夜温差大，而部分矿区又往往处于戈壁或边远山区，存在交通不便、视野狭小等问题，如能够在自然(气候等)条件允许、远离国境线、不影响民生等地区适时部署无人机飞行拍摄，则可以在一定程度上减少野外调查所耗费的时间和费用，提高野外人员工作环境安全，更能够达到较好的实地取证效果。

参考文献：

[1] 李丽,汪洁,汪劲,等.基于高分卫星遥感数据的金属矿开发现状及环境问题研究——以江西省德兴多金属矿集区为例[J].中国地质调查,2016,3(5):60-66.

[2] 薛庆,吴蔚,李名松,等.遥感技术在辽宁省矿山环境监测中的应用[J].中国地质调查,2016,3(5):54-59.

[3] 杨金中,秦绪文,聂洪峰,等.全国重点矿区矿山遥感监测综合研究[J].中国地质调查,2015,2(4):24-30.

[4] 强建华,于浩.新疆矿山环境遥感监测成果综述[J].中国地质调查,2016,3(5):28-34.

[5] 中国地质调查局.DD 2011—06矿产资源开发遥感监测技术要求[S].

[6] 杨金中,秦绪文,聂洪峰,等.矿山遥感监测工作指南[M].北京:中国大地出版社,2009.

[7] 周英杰,王晓红,姚维岭,等.山东省尾矿库遥感调查与环境影响分析[J].中国地质调查,2017,4(4):88-92.

[8] 王昊,齐泽荣,聂洪峰,等.尾矿库遥感影像与矿物成分的对应性研究[J].有色金属：矿山部分,2013,65(5):81-85.

[9] 路云阁,王昊,刘采.西藏东部地区矿产资源开发环境遥感监测成果[J].中国地质调查,2016,3(5):35-40.