曹艷杰

（河南省國土資源電子政務中心，鄭州450016）

基于遙感影像的焦作市礦山地質環(huán)境問題研究

曹艷杰

（河南省國土資源電子政務中心，鄭州450016）

近年來，由于礦產資源的過度開采，導致礦山普遍存在資源損失、植被毀壞、地質災害和環(huán)境污染等諸多問題。以焦作市礦山地質環(huán)境為例，應用遙感影像對其存在的問題進行了分析研究。首先應用遙感影像建立了13種礦山地質環(huán)境遙感影像標志，經野外實地調查，驗證其與實際情況的吻合程度。研究采用2007年spot5、2013-2014年高分一號和資源三號衛(wèi)星影像數據，根據其對構造地貌、地貌營力、地層分布及采礦活動等方面的系統(tǒng)判讀，認為山西臺地邊緣太行山斷隆和濟源凹陷產生的地貌營力作用是該區(qū)域構造不穩(wěn)定的主導因素，大規(guī)模沉積礦產的開發(fā)進一步加劇了該區(qū)域地質災害發(fā)生的幾率與規(guī)模。

礦山地質環(huán)境；解譯標志；遙感地質；焦作

因遙感技術具有探測范圍廣闊、蘊含信息客觀豐富、資料獲取迅速且不受特殊地形限制等突出特點［1］，20世紀70年代末就被國外廣泛應用到地質環(huán)境調查工作中［2］。21世紀初，為查清全國礦山地質災害分布特點，我國在礦山地質環(huán)境調查與評價工作中第一次引進了遙感技術［3］，雖起步較晚，但進展較快。以遙感影像地質解譯輔助大比例尺地面調查，不但能快速圈定區(qū)域礦山地質環(huán)境問題類型、分布、規(guī)模及其外圍地質環(huán)境條件，而且對突發(fā)性地質災害還能實時或準實時進行災情調查、動態(tài)監(jiān)測及損失評估，提高礦山地質環(huán)境調查工作質量和效率［4］。因此，遙感技術已經逐漸成為開展區(qū)域地質環(huán)境調查，輔助進行礦山地質環(huán)境問題分析最有效的手段。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國中部太行山南麓地區(qū)，面積約1400 km2［5-7］，是新華夏系太行山隆起南端，與晉東南“山字型”構造東翼反射弧前緣和東秦嶺緯向構造帶之北緣相交聯合弧地帶。燕山運動以來所生成的多種構造形跡廣泛發(fā)育，如：東西向構造、“山字型”構造、新華夏構造及北西向構造體系［8-9］。這些大型構造體中，盤古寺斷裂規(guī)模與切割深度大，其它斷裂規(guī)模和切割深度較小。土體以礫質土、砂性土、黏性土、黃土及淤泥質土為主。巖石類型包括灰?guī)r、白云巖、石英砂巖、長石石英砂巖。礦產資源主要有石灰?guī)r、黏土礦、鐵礦、煤、煤層氣、黏土礦等沉積礦產［10］。區(qū)內涵蓋10個重點開采區(qū)和6個鼓勵開采區(qū)。水泥灰?guī)r、耐火黏土多以露天開采，煤礦采掘多為地下。幾十年的高強度開發(fā)，更加劇了崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等災害發(fā)生的強度和頻率。煤矸石、露天礦粉塵和污水也都對區(qū)域大氣、水源有一定污染。

2遙感數據

2.1數據來源

本次研究主要采用2007年spot 5、2013-2014年高分一號和資源三號衛(wèi)星影像數據，數據間隔7a。

表1　采用的衛(wèi)星影像數據技術參數Table 1 Adoptive satellite image data technical parameters

2.2影像處理

全色與多光譜數字影像處理和過程控制在ERDAS Imagine2011平臺上完成。數據基礎為1980年西安坐標系，采用1985年國家高程基準，高斯—克呂格投影，6°分帶。影像糾正和配準時每景選取9～15個控制點，山地適當增加控制點數量，相鄰重疊區(qū)應選取不少于3個公共點，以“拉窗簾”方式逐屏檢查糾正配準結果，確保精度符合研究要求。經過數據選擇、影像增強、影像校正、模擬真彩色融合、鑲嵌、裁切等步驟，形成用于地質解譯的遙感影像圖（圖1）。用多光譜數字影像反差擴展與模擬真彩色融合技術制作工作底圖，選取方向濾波與分段線性擴展技術，增強影像水文地質信息提取能力，在Arc-GIS10.0平臺下，利用DEM制作本次遙感地質解譯構造地貌圖。

3遙感解譯

遙感解譯指在遙感圖像上通過應用各種解譯技術和方法，識別出地質體、地質現象物性和運動特點，測算出某種數量指標的過程。本次遙感地質解譯工作以高分一號遙感衛(wèi)星影像為主，反復測試目標物地面反射波譜曲線，探尋目標物之間的反射值差或利用適合的數學模型擴大發(fā)射值差，選擇有利于信息顯示的合成方案。在影響該地區(qū)地質環(huán)境諸多因素中，地殼不均勻性升降和該地區(qū)大規(guī)模采礦活動是誘發(fā)地質災害的主導因子。通過目視解譯結合計算機自動解譯、室內判讀結合野外調查，針對地殼不均勻性升降問題建立了山體滑動、危巖與崩塌、滑坡群、泥石流與洪積扇、扇間洼地和不穩(wěn)定斜坡等6種影像標志；針對礦業(yè)開發(fā)活動問題建立了礦石堆場、開采作業(yè)面、煤矸石（或夾石）、棄土、棄渣堆、礦山輔助設施和礦山運輸道路網等7種影像標志，并清晰圈定各類礦區(qū)采礦渣堆、冶煉廠、尾礦庫、無庫尾礦渣等位置、形態(tài)與面積［11］。

4礦山地質環(huán)境問題分析

從區(qū)域地殼運動與礦業(yè)開發(fā)活動引發(fā)的地質環(huán)境問題和區(qū)域地質環(huán)境發(fā)展趨勢三點著手，以該區(qū)域地質構造控制下的地貌營力作用為背景，研究礦山地質環(huán)境問題發(fā)育規(guī)律及其成因，分析地質環(huán)境與地形地貌、地層巖性、地質構造、河流切割、植被及采礦活動的關系。

圖1　研究區(qū)影像圖Figure 1 Study area satellite images

4.1區(qū)域構造地貌、地貌營力與地質環(huán)境問題

因中央造山系剛性地塊阻擋作用致華北裂谷帶南段向西偏轉，形成焦作地區(qū)南太行山與濟源凹陷相對鼎力的地貌景觀。地貌成因多種多樣，形態(tài)、類型錯綜復雜，至今尚未有一個公認的分類系統(tǒng)［12］。結合研究區(qū)地質構造輪廓、地形高度、落差及坡度特征，暫且將焦作市劃分為兩個一級、兩個二級，九個地貌單元（表2）。

劉崐一生多次出任各地考官，兩度出任順天鄉(xiāng)試考官、會試副考官、讀卷官、翰詹大考閱卷官。1864年，太平天國運動被鎮(zhèn)壓，為網羅士子，清廷恢復江南鄉(xiāng)試。這是十二載未開考的大比，考生達二萬零三百八十五名，誰任主考才能鎮(zhèn)得住江南學界，朝廷頗費周章。最后從曾國藩舉薦的劉崐、李鴻藻、文祥三人中選定劉崐為大主考。此次鄉(xiāng)試，劉崐唯才是舉，不問托請，深得學界贊許，被尊為后世楷模。江南大考回來，58歲的劉崐任內閣學士兼禮部侍郎、署順天府尹兼任文淵閣直閣事。

山西臺地南緣的南太行斷?。á?）因屬構造強烈抬升區(qū)，為全省地殼活動最強烈區(qū)，是地質作用引發(fā)地質環(huán)境問題較嚴重區(qū)。

構造侵蝕中山（Ⅰ11）地形區(qū)（圖2-a），分布于南太行東北部焦作市馬頭山至瓦窯山一帶，地表物質主要為奧陶系白云質灰?guī)r、寒武系石灰?guī)r夾黏土質頁巖，碳酸鹽巖多出露于山體頂部，形成陡坎會引發(fā)危巖崩塌。頁巖出露于山體下部，多形成相對緩坡地帶，是泥石流的物源區(qū)。

表2　焦作工作區(qū)地貌類型劃分指標一覽表Table 2 Data sheet of geomorphologic type partitioning indices in Jiaozuo working area

圖2　焦作市區(qū)域構造地貌影像圖Figure 2 Regional structural geomorphologic images in Jiaozuo City

構造侵蝕剝蝕中低山（Ⅰ12）地形區(qū)（圖2-b），分布于南太行西北部濟源市五龍口至焦作市青要山一帶，地表物質主要為奧陶系白云質灰?guī)r、寒武系石灰?guī)r夾黏土質頁巖、石炭系黏土質頁巖等。石炭系多出露于山體頂部，是泥石流物源區(qū)。近山前地帶有較大規(guī)模山體滑動現象，是災害高發(fā)區(qū)。

風化剝蝕低山（Ⅰ12）地形區(qū)（圖2-c），分布于張嶺至青龍洞一帶，地表物質組成多為寒武-奧陶系碳酸鹽巖和石炭系黏土質頁巖。石炭系黏土質頁巖是華北地區(qū)耐火黏土的重要賦礦層位，因采礦產生的廢渣和造成的山體破損易致不穩(wěn)定斜坡災害發(fā)生。

風化剝蝕低山（Ⅰ13）地形區(qū)（圖2-d），分布于焦作市北部、東北部黑石嶺至龍洞一帶，受北東向密集斷裂影響，山體呈現壟條狀向南東傾斜的單面山地貌，因山體緩傾斜面上分布有大量采石場，易引發(fā)不穩(wěn)定斜坡災害。

山前傾斜平原（Ⅱ11）地形區(qū)，分布于五里源、馬村、山陽區(qū)、解放區(qū)、中站、西向一帶，主要是坡積、洪積、沖積扇裙。結合《河南省前新生界基巖地質圖》，該地段隨著濟源凹陷的逐步發(fā)展亦呈現出5段依次下滑勢態(tài)，預示焦作以東地區(qū)（武陟隆起）地面沉降會有增速。

山口洪積扇（Ⅱ12）地形區(qū)（圖2-e），主要分布在有峪河、馬安河、群英河、丹河等河口地區(qū)。受“溫室效應”影響，河道、扇體和扇緣濕地干枯，但因各種工程建筑推進，有可能因突發(fā)性降雨形成洪水、水石流災害。

沁河沖積平原（Ⅱ13）地形區(qū)，分布于黃河北岸，沁河沖積形成，為全新統(tǒng)亞黏土、亞砂土及粉砂。影像顯示，沁河下游亦存在類似黃河的"懸河"勢態(tài)，威脅焦作市及周邊地區(qū)。

扇間洼地（Ⅱ14）地形區(qū)（圖2-f），分布于沁河與黃河沖洪積扇之間的山前傾斜平原與黃河、沁河沖積平原交接地帶，易發(fā)生洪澇災害。

風化殘山（Ⅱ15）地形區(qū)，分布于山前傾斜平原邊緣，影像上分布有大量采石場斑痕，容易發(fā)生巖塊滑落。

4.2區(qū)域地層分布、采礦活動與地質環(huán)境問題

焦作是以煤礦、黏土礦、水泥灰?guī)r和建筑材料開采為主導的資源型城市。近年來區(qū)域內礦山工業(yè)廣場、露天采礦、廢土場分布面積增加較多。僅2007到2013的5 a間，采礦區(qū)、廢渣堆、尾礦庫占地面積增加就近1倍（圖3）。長期的強化開采資源引發(fā)地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，加劇區(qū)域內土地資源、地貌景觀和含水層破壞［13］，產生水土污染等諸多地質環(huán)境問題。

圖幅2007年度2013年度圖斑數圖斑數11 149E 040217 0 7 7 0 9 8 149E 04022 149E 05020 149E 05021 149E 05022合計類別采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫166 50 3 104 79 1 161 103 2 81 30 0 523 269 6面積/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類別采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫采礦區(qū)廢渣堆尾礦庫44 7 139 98 1 246 148 2 56 19 0 546 316 10面積/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

圖3　焦作市2007年與2013年采礦區(qū)、廢渣堆、尾礦庫占地面積對比Figure 3 Comparison of years 2007 and 2013 winning district，waste dump and tailings site covering areas in Jiaozuo City

焦作市發(fā)生82處地面塌陷，伴生地裂縫29處，存在隱患點109處，主要分布于山前煤炭集中開采區(qū)［14］。北部山區(qū)露天采坑（場）星羅棋布，礦山廢渣漫山遍野，往日的青山如今已是黃塵滿天，千瘡百孔，植被破壞、水土流失、不穩(wěn)定巖土體遍布，泥石流隱患加重，7個主要地形地貌景觀破壞區(qū)總面積達139.78 km2，區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化嚴重。全市煤矸石、礦山工業(yè)廣場壓占和損毀土地面積達21.67 km2（圖4）。礦區(qū)煤矸石淋濾液和土壤中Cr的濃度極高，礦山廢水和廢渣成為嚴重的土壤污染源。

4.3區(qū)域地質環(huán)境問題發(fā)展趨勢、規(guī)模與災害危害程度分區(qū)

圖4　某些煤礦工業(yè)廣場損毀、壓占土地資源Figure 4 Land resources destructed and occupied by some coalmines surface installations

通過遙感解譯，綜合該區(qū)域地形地貌、地質構造、巖性產狀、河流切割、植被與采礦活動關系，以及地質環(huán)境問題發(fā)育規(guī)律、危害程度等因素，可將研究區(qū)按地質環(huán)境成因、位移特征、活動狀態(tài)、規(guī)模、形態(tài)發(fā)展趨勢劃分為七種不同類型（表3），分區(qū)如圖5。

表3　焦作市北部地質環(huán)境問題與危害程度分區(qū)表Table 3 Geological environment problems and hazard levels partitioning in northern Jiaozuo City

①南太行邊緣滑脫帶山體滑動地質環(huán)境分區(qū)（Ⅰ）。分布于西部中低山區(qū)，地表物質組成為寒武-奧陶系灰?guī)r及白云巖，夾雜軟泥巖、頁巖及粉砂巖，屬堅硬巖類。影像顯示山體向南滑動趨勢明顯，雖滑動緩慢但當與較大級地震耦合時較易發(fā)生突發(fā)性災害。

②南太行邊緣強抬升區(qū)段崩塌滑坡地質環(huán)境分區(qū)（Ⅱ）。分布于東北部中山及中低山區(qū)，地表物質組成為元古界石英砂巖、寒武-奧陶系灰?guī)r及白云巖夾雜軟泥巖、頁巖及粉砂巖，屬堅硬巖類。構造節(jié)理的密集發(fā)育降低了巖石的抗風化能力，尤其在溝谷邊緣地帶和巖溶強發(fā)育帶巖體力學強度下降明顯，形成沿河帶兩側的崩塌、滑坡群，易成為泥石流、水石流策源地。

圖5　焦作市環(huán)境地質問題與危害程度分區(qū)圖Figure 5 Geological environment problems and hazard levels partitioning in Jiaozuo City

③南太行邊緣滑脫帶發(fā)育區(qū)崩塌滑坡地質環(huán)境分區(qū)（Ⅲ）。分布于東北部低山丘陵區(qū)，地表物質組成為寒武-奧陶系灰?guī)r及白云巖，夾雜軟泥巖、頁巖及粉砂巖，屬堅硬巖類。因北東向正斷層的密集發(fā)育，形成定向排列的單面山地形，且?guī)r層傾向與山體坡向一致，雨季易發(fā)生滑坡。

④南太行邊緣滑脫帶發(fā)育區(qū)滑坡泥石流地質環(huán)境分區(qū)（Ⅳ）。分布在北部及東北部與濟源凹陷毗鄰的丘陵區(qū)。地表物質組成為石炭系、二疊系、三疊系的泥灰?guī)r、黏土巖、石英砂巖夾泥質細砂巖、頁巖，屬半堅硬巖類。因大規(guī)模采礦活動和開山筑路等人為干擾，影像顯示崩塌、滑坡等災害明顯，雨季會成為泥石流策源地。

⑤南太行邊緣強抬升區(qū)段崩塌滑坡地質環(huán)境分區(qū)（Ⅴ）。分布于西北部中低山區(qū)，地表物質組成為元古界石英砂巖、寒武-奧陶系灰?guī)r及白云巖夾雜軟泥巖、頁巖及粉砂巖，屬堅硬巖類。由于地殼的強烈抬升和地面的向南傾斜，影像顯示山體下滑趨勢，加之構造節(jié)理的密集發(fā)育和大規(guī)模采礦活動及開山筑路等人為干擾，降低了巖石的抗風化能力和固結程度，形成沿河帶兩側的崩塌、滑坡群。

⑥濟源凹陷北部邊緣山前洪積裙地質環(huán)境分區(qū)（Ⅵ）。分布于山前傾斜沖洪積平原。地表物質組為礫石、卵石、砂等組成的卵礫石、粗砂雙層土體。是地殼強烈下沉區(qū)，是山區(qū)河流攜帶泥沙、碎石的堆積場所，加之人口和基礎設施較山區(qū)密集，易造成嚴重災害。

⑦濟源凹陷中部扇間洼地地質環(huán)境分區(qū)（Ⅶ）。分布于焦作市東部平原。地表物質主要是亞砂土、亞黏土、黏土黏性土構成的單層土體。因地處濟源凹陷中央區(qū)，地殼下沉明顯，加之山前洪積扇和沁河、黃河沖積扇的雙重作用形成北東東走向的帶狀洼地，是汛期山洪排泄場所。該區(qū)地下水為較高，易產生土壤次生鹽堿化。

5結束語

（1）經過野外調查，發(fā)現室內遙感解譯礦山地質環(huán)境結果與實際情況吻合程度較高，證明衛(wèi)星影像數據用于礦山地質環(huán)境解譯效果較好。研究中建立了區(qū)域環(huán)境地質概念模型，基于模型建立了遙感影像解譯標志，經系統(tǒng)判讀，因山西臺地邊緣太行山斷隆和濟源凹陷地殼升降運動所帶來的強烈的地貌營力作用是該區(qū)域構造不穩(wěn)定的主導因素，大規(guī)模沉積礦產的開發(fā)進一步加劇了該區(qū)域地質災害發(fā)生的幾率與規(guī)模。

（2）引發(fā)礦山地質環(huán)境問題原因有很多，基于遙感影像解譯分析區(qū)域礦山地質環(huán)境問題時，不僅要充分利用多源遙感數據進行綜合對比，還應綜合分析相關氣象和水文資料，提高遙感地質解譯質量及準確性。

致謝：本文的研究工作得到了河南省國土資源科學研究院張?zhí)炝x教授的幫助與指導，在此深表謝意。

［1］趙英時.遙感應用分析原理與方法［M］.北京：科學出版社，2004，81-102.

［2］王珺，賈琇明.淺談遙感技術在地質災害調查中的應用［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2005，15（5）：170-171.

［3］劉向東，張立海.遙感技術在我國礦山地質環(huán)境調查中的應用［J］.科技成果管理與研究，2009，（4）：53-55.

［4］焦超衛(wèi)，陳富強，李領軍，等.基于ALOS遙感影像得地質災害調查研究［J］.現代測繪，2013，36（3）：3-6.

［5］劉一凡.利用TM/ETM+影像進行土地利用動態(tài)變化監(jiān)測——以焦作市為例［J］.河南科學，2014，32（9）：1806-1809.

［6］牛海鵬.基于生態(tài)位理論的耕地數量相對變化研究——以焦作市為例［J］.地域研究與開發(fā)，2006，25（6）：112-117.

［7］焦作市國土資源局.焦作市地質環(huán)境概況［EB/OL］.http：//www. jzgtzy.gov.cn/dzhj/201012271/1624031.shtml，2012-06-19.

［8］高永才，孟小軍，齊永安，等.云臺山景區(qū)危巖體穩(wěn)定性分析［J］.河南理工大學學報（自然科學版），2015，34（4）：572-576.

［9］肖江波，劉富有，張濤.焦作市礦產資源開發(fā)的環(huán)境地質問題［J］.地質災害與環(huán)境保護，2006，17（2）：45-48.

［10］吳會軍，徐紅偉，耿怡智，等.淺議焦作市礦產資源優(yōu)勢及開發(fā)利用區(qū)域布局［J］.礦產保護與利用，2007，（6）：8-10.

［11］張焜，李宗仁，馬世斌.基于ZY—1 02C星數據的遙感地質解譯—以塔吉克斯坦帕米爾地區(qū)為例［J］.國土資源遙感，2015，27（3）：144-153.

［12］李炳元，潘保田，韓嘉福.中國陸地基本地貌類型及其劃分指標探討［J］.第四紀研究，2008，28（4）：535-542.

［13］楊大志，劉永強，婁磊.遙感數據在河南省國土資源管理中的應用［J］.國土資源信息化，2015，（1）：32-36.

［14］張森林，楊書民，張大志，等.焦作市典型煤礦塌陷區(qū)地質災害危險性分析及防治對策［J］.中國地質災害與防治學報，2010，21（1）：57-59.

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

中國地質調查局全國礦山地質環(huán)境調查項目（ZGDDJ14021）

曹艷杰（1976—），男，漢族，河南洛陽人，碩士研究生，高級工程師，主要從事國土資源信息化技術應用研究。

2016-05-19

責任編輯：孫常長