Hyperspectral characteristics and health status evaluation of vegetation in the restoration area of the abandoned ion type rare earth mine in Ganzhou, Jiangxi Province
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摘要:
江西赣州废弃离子型稀土矿山自2016年以来修复成效明显，目前已基本修复完毕，如何科学评价废弃稀土矿山的修复效果，已成为政府亟需解决的问题。传统的多光谱遥感方法对于精确提取修复区植被的种类和健康状况存在较多的局限。为解决上述问题，中国地质调查局支撑赣州七县矿山地质环境调查工作部署了赣州稀土矿矿山地质环境综合调查和评价工作。以无人机搭载高光谱仪为主要遥感调查工具，选择典型的废弃稀土矿山修复区为研究区，进行矿区无人机搭载高光谱仪扫描，获取了龙南县足洞地区2 km2的典型矿区高光谱影像。利用ENVI软件，采用混合线性模型进行矿区原始及修复植被的光谱特征提取，分区分析了废弃稀土矿山地区植被生长情况，对修复区植被的健康状况进行尝试性的评价。该方法将地球化学调查和高光谱遥感相结合为废弃稀土矿山植被生态修复效果的评价提供了一种快速、准确的评价方法。
Abstract:Since the end of 2016, it has become the basic problem for the government to extract the rare earth ions in abandoned mine areas.In order to solve the above problems, China Geological Survey supported the mine geological environment survey of seven counties in Ganzhou, and deployed the comprehensive investigation and evaluation of the geological environment of the rare earth mines in Ganzhou.In this paper, UAV carrying hyperspectral spectrometer was used as the main remote sensing survey tool, the typical abandoned rare earth mine restoration area was selected as the research area, and the hyperspectral images of 2 km2 of typical mining area in zudong area of Longnan county were obtained.With ENVI software, mixed linear model was used to extract spectral characteristics of original and restored vegetation in the mining area.Vegetation growth in abandoned rare earth mine area was analyzed by zoning, and the health status of vegetation in the restoration area was tentatively evaluated.This method combines geochemical survey with hyperspectral remote sensing, and provides a rapid and accurate evaluation means for the evaluation of vegetation ecological restoration effect of abandoned rare earth mines.
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土城子组在中国北方发育广泛，分布东起辽西，西至内蒙古包头，北达锡林浩特，南抵北京中北部。土城子组岩性以杂色粗碎屑岩为主，不利于化石保存，化石发现并不多见。少量的化石具有明显的穿时性，不同门类化石确定的时代也不一致，生物地层学对该地层时代的看法也不一致。通过对双壳类[1-3]、叶肢介类[1-2, 4]、介形类[4-6]、昆虫[1-2, 7-8]、恐龙足迹[9-10]、木化石[11-12]和孢粉化石[5、13-15]的研究，认为土城子组时代为晚侏罗世早期；基于叶肢介类[16-17]、恐龙足迹[18]、木化石[19]和孢粉化石[20]的研究，认为土城子组时代为中侏罗世；根据介形类[21-22]、恐龙足迹[23-27]、恐龙骨骼[10, 28-30]的研究，认为土城子组时代为晚侏罗世；根据恐龙足迹[31-32]、孢粉化石[33]资料，认为土城子组时代为晚侏罗世—早白垩世。
北京地区的土城子组分布广泛，受燕山运动影响，主要分布于新城子四海-凤驼梁、千家店、白河堡、妙峰山、髫髻山等伸展背景下的断陷盆地中[34]。一般认为，沉积物中的孢粉组合可以反映其周围区域植物群，离母体植物越远的地方，孢粉的频度越小。孢粉组合在很大程度上能反映当时、当地植物群的面貌[35]。到目前为止，北京地区还没有土城子组孢粉化石组合特征的详细报道。本文对北京地区土城子组的孢粉化石组合特征进行研究，可为整个北方地区土城子组及其生物地层学对比提供参考。
1. 研究材料与方法
本文样品采自北京市延庆千家店盆地土城子组，剖面东起桥堡沟西至石湖南(图 1)，自下而上可分为3个岩性段：①由复成分砾岩、砂砾岩、凝灰质砂岩构成沉积韵律，夹流纹质凝灰岩、安山质角砾熔岩；②由凝灰质砂岩、粉砂岩和花岗质砾岩构成沉积韵律，夹粗面质流纹质角砾凝灰岩，局部产动物、植物化石；③由复成分砾岩、含砾粗砂岩构成沉积韵律。样品采于土城子组二段深灰色粉砂质泥岩、黑色泥质页岩中，取样位置见图 1、图 2，共采集13块孢粉样品，其中样品均取样500 g，采样间距平均约5 m，总厚度约80 m，采用盐酸和氢氟酸法，浸解分离提取化石。
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图 1 研究区地质略图Jtˆc3—土城子组三段；Jtˆc2—土城子组二段；Jtˆc1—土城子组一段；Jx—蓟县系；Ch—长城系Figure 1. Geological sketch map of the study area![]()
图 2 桥堡沟-石湖剖面柱状图及取样层位示意图1—复成分砾岩；2—砂砾岩；3—泥灰质砂岩；4—泥灰质粉砂岩；5—流纹质角砾凝灰岩；6—粉砂岩；7—角砾凝灰岩；8—粗面质火山碎屑岩；9—砂质页岩；10—页岩；11—含砾粗砂岩Figure 2. Stratigraphic column of the Qiaobaogou-Shihu section and sampling horizon2. 孢粉组合特征
13个样品中有3件含孢粉化石，其中1件较丰富，2件极少，另外8件未见任何孢粉。3件样品含517粒孢粉化石，共计12属8种，6种未定种(表 1)，常见及代表性种属见图版Ⅰ。孢粉组合面貌如下。
表 1 延庆千家店桥堡沟-石湖剖面土城子组孢粉化石Table 1. Statistics(in grain)of pollen and spores from the Tuchengzi Formation in Qiaobaogou-Shihu section, Qianjiadian, Yanqing属种名称 TCZ(2)- bf-2 TCZ(2)- bf-5 TCZ(2)- bf-9 Cyathidites minor 5 Converrucosisporites sp. 4 Asseretospora parva 1 Cicatricosisporites? sp. 1 Classopollis spp. 105 177 195 Quadraeculina minor 1 Quadraeculina anellaeformis 5 Quadraeculina limbata 1 Pinuspollenites sp. 5 3 Protoconiferus funarius 5 Podocarpidites spp. 2 Pseudopicea rotundiformis 1 Piceites sp. 1 Alisporites minutisaccus 1 不能鉴定的无肋双囊类花粉 4 ![]()
图版Ⅰ1~4.小桫椤孢Cyathidites minor Couper; 5、6.三角瘤面孢(未定种)Converrucosisporite ssp.; 7.小阿赛勒特孢Asseretispora parva(Li et Shang) Pu et Wu; 8.无突肋纹孢？(未定种)Cicatricosisporites? sp.; 9~11.克拉梭粉(未定多种)Classopollis spp.; 12.小四字粉Quadraeculina minor(Pocock) Xu et Zhang; 13~15.矩形四字粉Quadraeculina anellaeformis Maljawkina; 16.有边四字粉Quadraeculina limbata Maljawkina; 17.双束松粉(未定种)Pinuspollenites sp.; 18.罗汉松粉(未定多种)Podocarpidites spp.; 19.索沟原始松柏粉Protoconiferus funarius(Naumova)Bolchovitina; 20.小囊阿里粉Alisporites minutisaccus Clarke; 21.圆形假云杉粉Pseudopicea rotundiformis (Maljawkina) Bolchovitina; 22.拟云杉粉(未定种)Piceites sp.图版Ⅰ.3件样品孢粉组合面貌相同，组成相当单调。克拉梭粉(Classopollis spp.)在组合中占绝对优势(90%以上)，另有一些松柏类的无肋双囊粉，Quadraeculina minor(Rocock)Xu et Zhang(0~0.38%)，Quadraeculina anellaeformis Maljiawkina(0~0.97%)，Quadraeculina limbata Maljawkina(0~0.19%)，Pinuspollenites sp.(0.58%~0.96%)，Protoconiferus funarius(Naumova)Bolchovitina(0~0.96%)，Podocarpidites spp.(0~0.39%)，Pseudopicea rotundiformis(Maljawkina)Bolchovitina(0~ 0.19%)，Piceites sp.(0~0.19%)和Alisporites minutisaccus Clarke(0~0.77%)。
蕨类植物孢子极少，属种分异度及含量远低于裸子植物花粉，仅占孢粉组合的2.13%，共计4属2种，2未定种，分别是Cyathidites minor Couper(0~ 0.97%), Converrucosisporites sp.(0~0.77%)，Asseretospora parva (Li et Shang) Pu et Wu(0~0.19%), Cicatricosisporites? sp.(0~0.19%)。
3. 讨论
3.1 土城子组孢粉组合时代
千家店盆地土城子组孢粉组合为Classopollis高峰组合，繁盛于中侏罗世的桫椤科孢子Cyathidites minor含量降低，未见被子植物花粉，见极少量疑似海金沙科孢子Cicatricosisporites。整个组合显示了晚侏罗世孢粉的植物群面貌，以Classopollis在组合中占据绝对优势，另有一些松柏类的无肋双囊类花粉，蕨类孢子极少。
苏德英等[36]在对中国非海相晚中生代介形虫、孢粉生物地层研究时，认为侏罗纪晚期Concavissimisporites- Cyathidites-Classopollis组合中裸子植物花粉居优势，Classopollis含量和类型较中侏罗世有大幅度的增长，蕨类孢子较贫乏，主要是Cyathidites和Concavssimisporites，见个别Cicatricosisporites。侏罗纪晚期Cicatricosisporites开始零星出现，至早白垩世逐渐增多，类型也随之丰富。Pocock [37]、Brideaux等[38]据孢粉及沟鞭藻(Gonyaulacysta-Pareodinia ceratophora)划分了加拿大北部及加拿大北极区侏罗系—白垩系的分界。孢粉组合的总体特征表现为自侏罗纪晚期Cicatricosisporites开始零星出现，至早白垩世逐渐增多，类型逐渐丰富。孢粉研究表明，侏罗系—白垩系的界线置于concavissmisporites-Cyathidites-Classopollis和Appendicisporites-Trilobsporites-Clavatipollenites组合之间，这种组合特征与中国北方侏罗纪晚期和早白垩世早期孢粉组合相似。俄罗斯北部带[39]及加拿大北极地区Mould Bay Formation下部孢粉组合与研究区组合类似，都表现为Classopollis属高含量组合，裸子植物花粉和蕨类孢子含量极少。中国晚侏罗世孢粉组合主要见于陕甘宁盆地安定组、冀北-辽西土城子组，可作对比研究。
陕甘宁盆地安定组孢粉同样表现为Classopollis属高含量组合，其含量最高，且种类繁多，裸子植物花粉含量明显高于蕨类植物孢子，Cyathidites minor含量下降，Klukisporites在组合中经常出现，个别样品中发现海金沙科孢子，松柏目两气囊花粉中，罗汉松科、松科花粉较发育[40]。袁效奇等[41]根据上述孢粉特征，结合双壳类、鱼类等化石的时代信息，将安定组确定为晚侏罗世早期。
研究区土城子组孢粉组合类同于辽西北票大板蔡家沟土城子组下部孢粉组合[13] (Classopollis 86.2%, 松柏类双气囊花粉3%)、河北宣化堰家沟土城子组中下段孢粉组合[15] (Classopollis 91%, 松柏类双气囊花粉3%)、北票巴图营子土城子组一段(Classopollis 60.56%, 松柏类双气囊花粉15.49%) [5]。并判断土城子组孢粉组合特征应为晚侏罗世早期，其孢粉组合典型的特征表现为高Classopollis和低松柏类两气囊花粉含量(图 3)。
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图 3 土城子组不同剖面孢粉组合特征对比图Figure 3. Comparison of sporpollen assemblages in different section of Tuchengzi Formation研究区孢粉组合特征区别于林妙琴等[33]关于辽西北票四合屯土城子组三段孢粉组合特征的研究，其主要表现为松柏类两气囊花粉含量高达81.53%，Classopollis仅0.96%。林妙琴等[33]指出其特征符合该区早白垩世地层孢粉特征组合，认为该区土城子组三段时代应属于早白垩世；并归纳总结了土城子组自下而上体现出Classopollis大量减少而两气囊类显著增加的变化规律。据此，研究区土城子组二段Classopollis含量高达92.8%，其一、二段应处于土城子沉积期的早期。
前人在千家店盆地的土城子组二段中发现了双壳类[1]、昆虫[1, 7-8]、叶肢介[2]、木化石[11-12]及恐龙足迹[9]，认为这些生物化石应属晚侏罗世早期。
综上，研究区孢粉组合时代应属晚侏罗世早期。这一结论与焦润成等[42]、贺瑾瑞等[43]在该剖面土城子组一段下部和二段中上部流纹质凝灰岩夹层中分别获得的锆石同位数年龄157.62±0.69 Ma和157.13±0.96 Ma相符。另外，在北京其他地区，如汪洋等[44]在延庆白河堡获得土城子组测年数据为162.8±11.4 Ma，张计东等[45]在密云古北口地区获得土城子组测年数据为161.2±2.3 Ma。根据目前报道的测年结果，北京地区的土城子组主沉积期较集中，燕山地区土城子组的顶底年龄界线应该在130~163 Ma之间[46-51]，主体沉积时限应为146~137 Ma。
3.2 古气候环境
Classopollis在中生代非常繁盛，国内外许多学者对其所指示的古气候环境进行过讨论。Vakhrameev [52]、Pocock [53]认为其母体个体矮小，在结构和习性上像现代的侧柏，生活在干燥的环境中；Filatoff [54]研究认为，大量的Classopollis应出现在干旱条件下的灰色-杂色的泥质或砂质岩石中，如蒸发盐等；王从凤等[55]认为，产生Classopollis的掌鳞杉科生长于温暖、干旱的环境；苗淑娟[56]分析认为，Classopollis含量愈高，其生长的环境愈干旱；余静贤等[57]认为，Classopollis的母体生长时需要干热气候。
一般认为，土城子组在不同盆地发育的程度不一，形成的环境和沉积序列不同，所含生物化石有异，但其共同点是均在干热气候条件下形成的红杂色陆相碎屑岩。千家店盆地土城子组整体以红杂色碎屑岩为主，但局部有灰绿色和黑色粉砂或泥质页岩出现。Classopollis的高峰组合加之本文样品TCZ(2)-bf-2取自千家店盆地土城子组第二段黑色页岩层中，并有大量动植物化石发现[1-2]，黑色页岩层的出现表明当时局地处于静水的还原环境。由此表明，在北方整体较干旱或半干旱的气候条件下，至少在局地有湖泊气候的存在。
4. 结论
(1) 本文详细报道了北京地区土城子组孢粉组合。延庆千家店地区晚侏罗世早期的孢粉组合以Classopollis高含量，少量松柏类的无肋双囊粉，极少蕨类植物孢子和无被子植物孢粉为特征。
(2) 根据其孢粉组合特征，可与陕甘宁盆地安定组、冀北-辽西土城子组二段或中下部层位产出孢粉组合对比，其时代为晚侏罗世早期，并与盆地剖面上的测年数据吻合。
(3) 根据本次孢粉组合特征研究，结合前人研究成果，认为研究区高含量的Classopollis指示气候环境为干热气候，土城子组沉积期内局地会出现相对潮湿的湖相气候环境。
致谢: 野外实地调查由项目组和赣南地质调查大队共同完成，高光谱数据由中国地质科学院国家地质实验测试中心提供，审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见，在此一并表示衷心的感谢。 -
表 1 绿峰波长及反射率(n=10)
Table 1 Wave length and reflectance of green peal wave (n=10)
植被类型 波长/nm 反射率/% 原始植被 554.74 0.0495 早期修复区植被 554.74 0.0605 晚期修复区植被 557.50 0.0739 一般健康植被 546.00 0.1051 注：一般健康植被的光谱数据来源于JHU光谱库 
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