青海省察尔汗盐湖由霍布逊、察尔汗、达布逊和别勒湖等4个区段组成。整个湖区地势平坦, 达布逊湖水面最低, 海拔2 677.5 m, 盐壳海拔2 678~2 683 m; 霍布逊湖附近地势略高, 达布逊及别勒滩区段地势略低(高差仅5 m左右)。察尔汗湖区地貌划分为雅丹、流动沙丘、戈壁、沙漠、盐漠、盐壳、盐沼泽、盐溶、湖泊及河流等10大类型^[22], 但主体属于冲积、洪积和湖积(包括盐滩)平原型地貌。

察尔汗盐湖区地表广泛沉积有石盐、钾石盐和钾镁盐矿, 尤以石盐沉积为主, 含钾矿体(即光卤石矿层)赋存于石盐层中; 除固体钾矿外, 还赋存着丰富的晶间卤水和碎屑层中的孔隙卤水, 并以晶间卤水为主^[23]。矿产开发对象主要为晶间卤水矿, 所开采的卤水主要是通过采卤渠采集的晶间卤水。察尔汗区段晶间卤水已被大量开采; 西部的别勒滩区段也于2002年开始开采晶间卤水, 通过输卤渠输送到青钾集团^[24]。

察尔汗盐湖区矿区存在的主要地质环境问题有:

1)老卤对矿床的破坏。察尔汗各选厂生产工艺虽有不同, 但所用原料均为光卤石。光卤石是通过卤水在盐田中蒸发浓缩而结晶出来的。光卤石结晶沉淀后, 盐田中的卤水即变成密度大于1.29 g/cm³的水氯镁石, 俗称“ 老卤” 。据估算, 2000年各盐田向团结湖和盐滩排放的老卤总量约3 500× 10⁴ m325。由于盐田老卤排放工程的环保措施不力, 已造成矿山环境污染和资源破坏。比较突出的问题如青海钾肥一期工程及青藏铁路以东各矿山企业所建的20多km²盐田, 原计划将老卤排出后输送到霍布逊湖洼地储存, 由于无法按原计划排放, 而在团结湖一带大量汇集, 形成一片老卤汪洋, 使铁路以东几十km²范围内的钾矿资源遭到严重破坏^{[26, 27]}; 同时, 老卤排放将威胁到上游的水源补给, 破坏绿洲的生态环境^[28]; 而且, 老卤汇集区内日积月累的卤水量越来越多, 受新构造活动和富水通道的影响, 将逐渐回流到察尔汗盐湖(据推算, 老卤的实际回流时间约100 a^{[29, 30]}), 可能会对区内的厂区、交通以及钾矿资源带来不堪设想的后果。

2)尾盐对盐田的污染。察尔汗盐湖在生产盐类化合物时, 将排出大量的尾盐。这种尾盐除少部分已作为纯碱的原料被综合利用外, 绝大部分均被视为废料排放, 仍堆集在盐湖区^[31]。久而久之, 大量露天堆放的尾盐经风吹雨打会渐渐流失, 并严重污染矿区的环境。

3)粉尘污染。当晶间卤水输送到制盐厂和其他化工厂时, 尤其是在制盐过程中, 造成了较严重的粉尘污染, 表现为在工厂附近的空气中飞扬大量的盐尘, 其中均含有少量的NaCl, Na₂SO₄, CaSO₄和MgSO₄等成分^[32]。

本文使用了分别于2008年3月17日、2009年5月6日和2010年8月12日获取的SPOT5 (全色波段与多光谱波段)数据。全色波段数据的空间分辨率为2.5 m/5 m; 4个多光谱波段数据中Band1, Band2, Band3的空间分辨率为10 m, Band 4的空间分辨率为20 m。经过对多种不同多光谱数据波段组合的效果对比以及考虑SPOT5数据各波段对水体的透视能力, 确定Band1(R), Band2(G), Band3(B)组合为最佳波段组合; 并对Band1, Band2, Band3多光谱数据与全色波段数据进行了融合处理。

本次遥感调查与监测就是在上述融合图像上总结出察尔汗盐湖矿区内主要地物类型的影像特征(图1):

图1

Fig.1- Characteristics of SPOT5 image of mining areas in Chaerhan salt lake in 2008

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 察尔汗盐湖矿区SPOT5影像特征(2008年)

1)盐田。卤水提钾生产中最基本且必有的部分, 其作用是贮存、蒸发卤水, 使盐结晶析出。盐田包括石盐池、调给池和光卤石池。在SPOT5图像上, 正在利用的盐田呈均匀的浅蓝— 深蓝色, 规则的多边形, 总体为斑块状纹形, 表面细腻, 轮廓清晰(图1(a))。

2)泵站。表现为孤立的、规模较小的房屋建筑, 与采卤渠、输卤渠或盐田相连(图1(b))。

3)薄膜盐田。矿区内的薄膜盐田均已关停, 在SPOT5图像上呈规则的多边形, 具较均匀的灰白— 灰褐色调, 总体为条块状纹形, 表面细腻, 轮廓清晰。在实地可见薄膜盐田表面为一层盐壳, 且盐壳表面龟裂现象普遍; 随着含盐度的增加, 龟裂表现为盐环(盐龟裂生长缝), 其形状趋于完整的六边形(图1(c))。

4)采卤渠。断面呈梯形, 达布逊湖东侧的“ 百米宽渠” 顶宽约10 m, 底宽6 m, 深6~10 m; 与其配套的采卤渠顶宽6 m, 深9 m。现有采卤渠多为南北向展布, 基本呈直线状延伸, 在一端设有抽卤泵站。在SPOT5图像上为平直的线状纹形, 呈均匀的浅蓝— 深蓝色, 两侧为灰褐色, 有人工挖掘的迹象(图1(d))。

5)输卤渠。多近于北西向展布, 在SPOT5图像上呈均匀的浅蓝色调, 宽度多在20 m左右 , 深度约3~5 m。其影像特征与采卤渠大致相同, 区别在于输卤渠的宽度较采卤渠宽、色调较采卤渠浅(图1(e))。

6)粉尘污染。指工厂附近大量的盐尘, 多发生于颗粒钾加工厂附近。在SPOT5图像上表现为紫红— 淡紫红色, 污染程度较重的区域色调较深, 远离污染中心则色调逐渐变浅(图1(f))。

7)矿山建筑物。在SPOT5图像上呈灰褐色、褐红色、浅蓝色, 具规则的矩形图案, 立体效果明显(图1(g))。

8)老卤汇集区。老卤是盐田晒制光卤石矿之后残余的高镁母液, 目前尚不能大规模利用。在SPOT5图像上老卤汇集区呈均匀的浅蓝色, 局部构成絮状或海绵状图形, 表面细腻(图1(h))。

9)固体废弃物。主要为钾肥生产时所排出大量的尾盐, 均堆积于工厂附近。在SPOT5图像上呈灰褐色、灰白色, 总体为团块状图案, 具斑状纹形, 表面粗糙, 边界清晰, 具明显的正地形和立体效果(图1(g))。

在察尔汗盐湖区的矿产资源多目标遥感调查与监测过程中, 调查目标选定为采卤渠、输卤渠、盐田、老卤汇集区、尾盐、盐尘污染、泵站、矿山建筑、盐溶区和中转场地等。

SPOT5数据具有较高的空间分辨率与光谱分辨率, 其全色波段与4个多光谱波段经融合处理后, 能模拟自然色彩。鉴于察尔汗盐湖区的露天开采方式、植被覆盖度很低和干扰信息较少的情况, 利用SPOT5遥感数据可以较好地提取盐湖区矿山开发状况和矿山环境信息, 满足矿山动态监测的需要。同样, 在环境特征与察尔汗盐湖类似的盐湖区开展矿产资源开发状况和矿山地质环境遥感监测时, 也可以选用SPOT5的全色波段与多光谱波段数据, 或选用同等分辨率的RapidEye, IRS-P5等卫星数据。

有关研究认为, SPOT5全色波段的最大成图比例尺为1∶ 8 250~1∶ 10 000, 最佳成图比例尺为1∶ 25 000^[33]。本次工作按任务要求, 采用SPOT5全色波段与多光谱数据完成了1∶ 50 000比例尺的遥感调查与监测。

图像处理主要包括对SPOT5图像进行辐射校正、几何纠正、全色波段数据与多光谱数据融合、模拟真彩色合成等, 然后将处理后的图像与采矿权数据进行叠置显示, 圈定目标信息。

SPOT5卫星数据的正射纠正采用严格物理模型进行处理。对工作区仅有的1∶ 50 000比例尺的地形图, 采用不低于300 dpi的分辨率进行扫描, 形成栅格图像; 对融合好的SPOT5图像选取控制点进行纠正, 纠正所能达到的精度基本取决于所收集地形图资料的精度以及选取的控制点的分布状况和精度。

由于SPOT5图像的全色波段具有较高的空间分辨率, 而多光谱波段具有较高的光谱分辨率, 通过图像融合处理技术, 可以将2种数据的优势结合, 形成的融合图像不但保留了全色波段的高空间分辨率, 而且还具有多光谱波段的光谱特性。目前融合处理的方法比较多, 通过对比试验, 本次工作采用全色增强(pansharpen)融合算法, 重采样采取三次卷积法。

按正在开采矿山和废弃矿山2类情况, 分别提取工厂和泵站的数量、采(输)卤渠的长度、正在利用的盐田和已停采盐田的面积以及矿山建筑物、中转场地、固体废弃物(尾盐)等占地信息; 盐溶区的分布范围和粉尘污染、水体污染、老卤汇集区等环境污染信息; 动态监测区的矿产资源开发占地变化面积、矿山环境恢复治理情况等信息。最终根据动态监测数据资料, 分析矿山开发状况发展趋势和矿山地质环境演化规律。

综合2008— 2009年和2009— 2010年调查成果, 研究区在2008— 2010年间新增泵站3处、工厂6处、采卤渠172.21 km、输卤渠19.31 km, 正在利用的盐田5 253.46 hm², 废弃盐田1 878.68 hm²。且研究区2008— 2009年间增幅较大, 而2009— 2010年间增幅有所减小。

察尔汗矿区2010年矿业活动占用的土地面积(包括正在利用的盐田、废弃盐田、薄膜盐田、矿山建筑、尾盐、老卤汇集区等)总计约104 726.51 hm², 较2009年新增矿业活动占地约4 375.18 hm²。其中正在利用盐田占地增幅较大, 新增约2 163.96 hm²; 已废弃盐田次之, 为1 878.68 hm²; 其他依次是固体废弃物、薄膜盐田和矿山建筑。而废弃盐田和固体废弃物加剧了矿区的土地沙化, 成为柴达木盆地频发的沙尘暴的物源基地之一。

从1999年ETM图像(图2(a))与2009年SPOT5图像(图2(b))的对比中可以看出, 在2009年, 面积在不断扩大的老卤汇集区已致使南霍布逊湖不复存在, 并对北霍布逊湖形成蚕食之势(图2)。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 察尔汗矿区老卤汇集区遥感图像对比Fig.2 Comparison between the remote sensing images of the waste bittern convergence area in Chaerhan mineral area

根据2010年遥感调查成果, 察尔汗矿区老卤汇集区面积达430.52 km², 比2009年新增约38.71 km²。察尔汗矿区属生态环境脆弱区, 自然环境条件差, 矿业开发应防治的是土地沙化的加剧和水资源的破坏^[34]。因此, 寻找新的老卤排放场所是急需解决的问题。

青海昆仑矿业有限责任公司察尔汗盐湖钾镁矿区在2008年钾盐开发过程中产生大量粉尘, 造成了范围达66.84 hm²的粉尘污染; 2010年由于遥感数据接收时段该矿区的颗粒钾加工车间尚未生产, 从图像上看工厂周边的粉尘污染范围似乎有减少的态势, 但这并不表示该地段的粉尘污染已有所缓解。

盐溶是指盐岩层被低矿化度水溶蚀的过程和所形成的外部形态的总称。察尔汗盐湖区的盐溶主要分布在全集河冲洪积扇的前缘及南霍布逊湖的西侧, 呈片状分布(图3)。从总体上看, 盐溶的存在已严重破坏了该区的钾矿床, 造成钾矿资源的极大浪费^[36]。为了有效地开发利用矿产资源, 保护矿山环境, 有必要利用遥感技术查明盐湖矿区内盐溶的分布范围, 了解其发育规律及发展趋势。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 察尔汗盐湖矿区盐溶区SPOT5图像Fig.3 SPOT5 image of salt lake karst in Chaerhan salt lake

青海省盐湖资源开发利用现状处于可持续发展状态的初期阶段。在发展过程中还存在着不少问题, 如资源开发方式落后、综合利用水平低、资源浪费严重、老卤排放面积扩大等^[37]。其中, 老卤排放是当前察尔汗盐湖矿产资源持续开发面临的急待解决的重大环境问题。据估算, 每年排入南、北霍布逊湖的老卤中含氯化镁800多万t、氯化锂5.4万t、硼酸4.12万t ^[38]。所以, 尾矿资源的综合利用显得必要和迫切, 是实现资源开发良性循环和可持续发展的重要保证。为了较全面、系统地掌握察尔汗盐湖区老卤汇集区以及尾矿资源状况, 有必要采用遥感技术, 在波谱测试和实地调查的基础上, 对老卤资源和尾矿资源进行综合调查评价, 为尾矿资源的综合开发利用提供基础数据。

遥感技术及其应用实质上是地物波谱特性的成像与反演的问题, 要想利用遥感图像正确有效地分析和解决地物识别问题, 必须对各类地物的波谱特性及其变化规律有较全面、深入的认识^[39]。因此, 对地物波谱特征的研究是遥感技术的重要内容之一, 也是遥感应用分析的基础。纵观地物波谱数据库发展历程和研究现状, 目前我国地物波谱数据库的建设应进一步完善综合性的通用型波谱数据库; 对具有特定应用目的专业型波谱数据库应继续加强发展^[40]。对察尔汗盐湖矿区而言, 应深化对区内相关地物(如盐田、采卤渠、输卤渠、老卤排放区、尾盐等)的光谱特性研究, 建立察尔汗盐湖区波谱数据库。尝试通过高光谱遥感对物化参数的反演, 探测与盐湖矿产相关的更丰富的有效信息。在地物波谱测试的基础上, 从遥感角度建立遥感数据和其他各种因素之间的反演关系。

由于对盐湖矿产的遥感监测在矿山遥感监测中尚无明确的指标体系和技术规范, 应尽快完善盐湖矿产遥感监测的指标体系, 最终形成系统的监测技术方法和规范。