Monitoring and evaluation of mine geological environment in the Muli coal mining area based on remote sensing
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摘要:
为揭示木里煤矿开采对生态环境的破坏程度，通过2010年和2013年2期高分辨遥感影像监测，野外调查和水土样品采集，开展了矿山地质环境问题和承载力的调查，查明了问题并对其破坏程度和承载能力进行了评价。结果表明，矿区地形地貌景观和土地资源占压与破坏严重，河水受到Cu、Pb、Cr和Zn的污染，土壤受到Cd、As污染，高山草甸和沼泽地破坏及退化现象严重，冻土含水层结构遭到破坏，地质环境承载力适中。评价结果可为政府和矿山企业开展矿山地质环境恢复治理提供基础资料。
Abstract:In order to reveal the damage degree of Muli coal mining to the ecological environment, the authors used the 2010 and 2013 two phases of high resolution images of remote sensing monitoring, field investigation, and the soil and water sample collection to investigate mining geo-environmental problems and carrying capacity, The problem was identified and its damage degree and carrying capacity were evaluated. The results show that landform landscape and land resources destruction has been very serious, the water is polluted by Cu, Pb, Cr and Zn, the soil is polluted by Cd and As, the alpine meadow contamination and wetland destruction and degradation are serious, the frozen soil aquifer structure is destroyed, and the mine geological environment bearing capacity is moderate. The evaluation results can provide new basic information for the government and mine enterprises to carry out the recovery management of mine geological environment.
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班公湖-怒江结合带(BNS)位于青藏高原北部, 西起班公湖, 向东经改则、东巧、丁青与昌宁-孟连带相连, 向西延伸向克什米尔, 与东地中海特提斯蛇绿岩相连, 在中国境内长达2000km, 是青藏高原一条重要的结合带[1]。班公湖-怒江结合带中存在规模巨大的蛇绿岩、增生杂岩, 以及夹持其中的残余弧或岛弧变质地块, 发育韧性剪切带、逆冲断层、构造混杂岩、复杂褶皱等多种构造行迹, 沿断裂还发育晚白垩世-新近纪陆相火山岩、新生代陆相走滑拉分盆地和第四纪谷地[2]。为更好地认识班公湖-怒江结合带内物质的形成机制及相关的构造背景, 需要对其开展深入的研究。
通过对沉积岩中的碎屑锆石进行U-Pb定年分析, 可有效地探讨其源区并开展历史时期的古大陆重建。本文对该地区早白垩统多尼组(原1:25万区调划为上三叠统巫嘎组)砂岩的碎屑锆石开展了形态学及U-Pb年代学研究, 为揭示班公湖-怒江缝合带内该地层单元的物源区提供新的证据, 同时为探讨班公湖-怒江结合带的构造演化史提供一定的依据。
1. 地质特征
多尼组出露于改则县南西的洞错一带(图 1), 呈近东西向带状分布, 区域上为一套灰色-深灰色含煤碎屑岩地层。岩性主要为泥岩、砂岩、板岩、页岩、粉砂岩、石英砂岩、长石石英砂岩, 局部含火山岩, 产植物、菊石、双壳类、腹足类、珊瑚、层孔虫、海胆、腕足类、介形类等化石。根据野外实测剖面特征, 研究区多尼组主要岩性为深灰色、灰色泥质粉砂岩、粉砂岩, 局部夹灰色钙质岩屑石英砂岩、长石石英砂岩及少量灰岩等, 在灰岩中局部可见生物碎屑, 未见完整化石。
2. 样品采集与分析方法
样品采集于西藏改则县洞错乡南约15km处欧仁一带的PM009地层剖面上。样品岩性主要为灰色中细粒长石石英砂岩, 主要由石英(84%)、长石(13%)、岩屑(2%)、胶结物等组成, 颗粒大小以0.15~ 0.60mm为主, 分选性好, 磨圆度一般, 呈次棱角状, 次圆状。石英主要为单晶石英, 长石类以斜长石为主, 岩屑成分主要为灰岩、泥岩、粉砂岩等, 孔隙式胶结(图 2)。
样品锆石的分离和挑选由廊坊市地岩矿物分选有限公司完成, 在双目镜下挑选出晶形和透明度好的锆石颗粒, 粘贴在环氧树脂表面, 抛光后将锆石进行透射光、放射光和阴极发光显微照相。锆石制靶及阴极发光图像制备由北京中美美科科技有限公司完成, LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。其中LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄分析仪器为Elan6100DRC型激光剥蚀系统, 激光器为193nmArF准分子激光器。激光剥蚀斑束直径为32μm, 激光剥蚀深度为20~40μm。实验中采用氦气为剥蚀物质的载气, 采用标准锆石91500为外标, 采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST SRM610为内标。详细的实验原理、流程和仪器参数见Yuan等[3]的文献。
3. 分析结果
多尼组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄数据见表 1。在多尼组砂岩样品中, 随机挑选71粒锆石进行分析。从阴极发光(CL)图像(图 3)看出, 锆石颗粒大小在50~180μm之间。研究表明, 不同成因的锆石具有不同的Th/U值, 岩浆锆石的Th/U值较大(一般大于0.4);而变质锆石的Th/U值较小(一般小于0.1)[4]。多尼组砂岩碎屑锆石的Th/U值较大, 51颗锆石的Th/U值大于0.4, 平均值约为0.64, 说明锆石大部分为岩浆成因, 部分可能为变质成因。
表 1 洞错地区多尼组砂岩碎屑锆石U-Th-Pb同位素年龄数据Table 1. Detrital zircons U-Th-Pb data of sandstones in the Duoni Formation from Dongcuo area
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图 3 洞错地区多尼组砂岩碎屑锆石阴极发光图（年龄单位为Ma）Figure 3. Cathodoluminescene images of detrital zircons of sandstones in the Duoni Formation from Dongcuo area4. 分析与讨论
4.1 测年结果
对于年轻锆石而言, 207Pb/206Pb年龄误差较大, 而对于古老锆石而言, 206Pb/238U年龄的误差较大。本文在年龄选取时, 对小于1000Ma的锆石, 选取206Pb/238U计算年龄值; 年龄大于1000Ma的锆石, 选取207Pb/206Pb计算年龄值[5]。从碎屑锆石年龄分布频率直方图(图 4)可以看出, 多尼组砂岩碎屑锆石年龄值分布在125~3261Ma之间。其中125~1000Ma的锆石有37粒, 最年轻年龄值为125Ma(测点号为PM009/26-17, 和谐度为97%); 大于1000Ma的年龄值为34个, 最老年龄值为3261Ma(测点号为PM009/26-35, 和谐度为96%)。碎屑锆石主要年龄区间(或峰值)为3261Ma、2739~2335Ma、1880~ 1750Ma、1006~657Ma、577~510Ma、456~409Ma和252~202Ma(表 1)。
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图 4 青藏高原碎屑锆石U-Pb年龄频率图（据参考文献[15]修改）Figure 4. Age distributions of detrital zircons from the Tibetan Plateau4.2 讨论
多尼组的碎屑锆石年龄数据跨度较大, 不同的年龄峰值代表不同的地质意义。
(1) 3261Ma, 大于3000Ma的碎屑锆石在样品中仅出现1粒, 表明物源区存在古老地壳的残留[6], 为研究班怒带物源区的形成和演化奠定了物质基础。
(2) 2739~2335Ma年龄组包含10颗碎屑锆石, 代表物源区可能存在构造-岩浆事件。从全球地质背景看, 华北、北美、瑞芬及其他克拉通在2.5Ga左右发生了大规模的拼合事件(如Grenville事件、Pan-Afriean事件等), 形成有记载的最古老的超级大陆[7]。近年来, 众多学者在羌塘盆地发现1.8~ 2.7Ga的锆石, 如盆地中央隆起带差桑-茶布一带的戈木日群[8], 盆地西南部龙木错-双湖缝合带南侧荣玛温泉地区石英岩[9], 以及羌塘盆地北部唐古拉山温泉地区雁石坪群[10]。暗示羌塘盆地有太古宙的地壳物质, 支持羌塘盆地存在前寒武纪结晶基底的可能性。这也说明, 研究区多尼组的物源很可能为北部的南羌塘地块。
(3) 1880~1750Ma年龄组包含16颗碎屑锆石, 指示源区存在古元古代早期的构造热事件。研究表明[11-12], Columbia超级大陆各个组成陆块是在2.1~ 1.8Ga碰撞事件中拼合在一起的, 并在中元古代早-中期Columbia超级大陆边缘向外增生, 随后开始裂解, 1880~1750Ma可能也是羌塘结晶基底的主期变质年龄。
(4) 1006~657Ma年龄组包含13颗碎屑锆石, 该期是全球构造运动演化的一系列重大热事件时期, Grenvillian碰撞造山期(1000~900Ma)形成了罗迪尼亚超大陆, 在850~750Ma开始隆升、裂解[13]。在700Ma发生分解, 反映了早期的泛非碰撞, 中国大陆主要的构造表现为普遍存在张裂, 在羌塘结晶基底的戈木日群中发现1016~929Ma的热事件, 说明此时羌塘地块存在构造热事件[1]。
(5) 577~510Ma年龄组包含5颗碎屑锆石, 指示了新元古代晚期的一次构造热事件, 该组年龄值可能是泛非造山运动(550±100Ma)在物源区的记录。
(6) 456~409Ma年龄组包含8颗碎屑锆石, 可能指示了冈瓦纳大陆北缘在早泥盆世-奥陶纪的增生过程[14]。
(7) 252~202Ma年龄组包含5颗碎屑锆石, 指示拉萨地块与羌塘地块之间发生了俯冲消减及碰撞与缝合作用。
(8) 最小年龄125Ma和126Ma, 可能代表该套地层的沉积时代, 说明该套地层于早白垩世沉积形成。
班公湖地区中生代沙木罗组和日松组碎屑锆石显示, 其沉积物的物源区可能为北部的羌塘地块[1]。商旭地区中生代沉积物中含有部分来自其北部南羌塘地块中的物质, 暗示班公湖-怒江洋壳在中生代向北俯冲[15]。南羌塘与特提斯喜马拉雅沉积变质岩的碎屑锆石年龄具有相似的频率分布特征, 且二者的主要年龄峰值为530Ma、950Ma, 其与高喜马拉雅新元古代沉积变质岩碎屑锆石的年龄主峰一致, 表明其在古生代与高喜马拉雅相邻; 同时, 拉萨地块与澳大利亚西部的碎屑锆石具有一致的年龄峰值1170Ma, 表明拉萨地块可能在石炭纪-二叠纪与澳大利亚西北部毗邻[16]。从锆石年龄分布频率图可见, 研究区碎屑锆石年龄分布直方图与南羌塘更具相似性, 西藏洞错地区班公湖-怒江结合带早白垩世沉积物的物源可能来自北部的南羌塘地块。
5. 结论
(1) 班公湖地区早白垩世多尼组砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果显示, 碎屑锆石最年轻颗粒的年龄值为125Ma, 说明其形成时代晚于早白垩世; 最老碎屑锆石年龄值为3261Ma, 表明物源区存在古老地壳的残留。
(2) 将研究区早白垩世碎屑锆石的年龄分布频率图与南部的拉萨地块及北部的南羌塘地块对比, 其与南羌塘地块更具相似性, 说明研究区的早白垩世沉积物的物源可能来自北部的南羌塘地块。
致谢: 论文撰写后中国地质科学院矿产资源研究所赵元艺研究员提出了建设性的修改意见, 在此表示衷心感谢。 -
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图 1 木里煤矿区2010年遥感解译
Figure 1. Remote sensing interpretation of Muli coal mining area in 2010
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图 2 木里煤矿区2013年遥感解译
Figure 2. Remote sensing interpretation of Muli coal mining area in 2013
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图 3 木里煤矿区2010年地形地貌景观破坏评价
Figure 3. Evaluation of damage degree of topographic landscape of Muli coal mining area in 2010
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图 4 木里煤矿区2013年地形地貌景观破坏评价
Figure 4. Evaluation of damage degree of topographic landscape of Muli coal mining area in 2013
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图 5 木里煤矿区2010年土地压占与破坏评价
Figure 5. Evaluation of land pressure and damage degree of Muli coal mining area in 2010
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图 6 木里煤矿区2013年土地压占与破坏评价
Figure 6. Evaluation of land pressure and damage degree of Muli coal mine mining area in 2013
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图 7 木里煤矿区2013年水土样品取样位置
Figure 7. Location of soil and water samples of Muli coal mining area in 2013
表 1 矿山土地资源破坏影响程度分级
Table 1 Grading of mine land resource destruction impact
严重 较严重 较轻 占用与破坏基本农田占用破坏耕地大于2hm2；占用破坏林地或草地大于4hm2；占用与破坏荒地或未开发利用地大于20hm2 占用破坏耕地小于或等于2hm2；占用破坏林地或草地2~4hm2；占用与破坏荒地或未开发利用地10~20hm2 占用破坏林地或草地小于或等于2hm2；占用与破坏荒地或未开发利用土地小于或等于10hm2 注：占用与破坏指矿山采矿场+废石场+尾矿库+地质灾害破坏及占压土地面积总和(hm2)[17] 
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表 2 地表水、土壤综合污染评价分级
Table 2 Grading table of surface water and soil comprehensive pollution
等级划定 综合污染指数 污染等级 污染水平 Ⅰ Pz ≤ 0.7 安全 清洁 Ⅱ 0.7＜Pz ≤ 1.0 警戒线 尚清洁 Ⅲ 1.0＜Pz ≤ 2.0 轻污染 轻度污染 Ⅳ 2.0＜Pz≤3.0 中污染 中度污染 Ⅴ Pz＞3.0 重污染 严重污染
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表 3 木里煤矿区2010、2013年遥感解译结果
Table 3 Remote sensing interpretation results of Muli coal mining area in 2010 and 2013
解译类型 解译内容 2010年解译面积/km2 2013年解译面积/km2 面积变化/km2 地质环境背景 高山草甸区 42.36 40.59 -1.77 沼泽地草甸茂密区 77.96 62.53 -15.43 沼泽地草甸退化区 14.76 13.54 -1.22 地质环境破坏 露天采场 9.39 15.00 5.61 米坑内积水区 0.02 0.22 0.20 煤炭堆积区 0.51 0.80 0.29 排矸场废渣堆积 3.29 13.22 9.93 其他地废渣堆积 0.24 0.24 蓄水池 0.01 0.02 0.01 采砂区 0.13 0.17 0.04 地质环境恢复 煤矸石山治理区 0.25 0.25 矿区设施和生活区占地 工矿场房 0.65 2.35 1.70 生活区 0.04 0.16 0.12 居民地 0.20 0.22 0.02 道路 0.69 1.29 0.60 河流湖泊 河漫滩 1.10 0.89 -0.21 河流 1.09 0.61 -0.48 湖泊 0.99 1.09 0.10 合计 153.19 153.19
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表 4 2010年木里煤矿区地形地貌景观破坏程度评价
Table 4 Evaluation of degree of damage of topographic landscape of Muli coal mining area in 2010
采场编号 破坏类型 破坏面积/km2 破坏面积合计/km2 矿权面积/km2 破坏率/% 评价标准值/% 破坏程度 1号采场 露天采坑 0.08 0.08 5.11 1.57 < 20 轻度 2号采场 露天采坑 0.34 0.34 8.25 4.12 < 20 轻度 4号采场 露天采坑 4.78 煤炭堆积 0.35 5.96 4.31 138.28 ＞40 严重 废渣堆积 0.83 5号采场 露天采坑 1.71 2.70 3.82 70.68 ＞40 严重 废渣堆积 0.99 6号采场 露天采坑 2.51 煤炭堆积 0.16 4.14 4.14 100.00 ＞40 严重 废渣堆积 1.47 地形地貌景观破坏 露天采坑 9.41 煤炭堆积 0.51 13.22 25.63 51.58 ＞40 严重 废渣堆积 3.29
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表 5 2013年木里煤矿区地形地貌景观破坏程度评价
Table 5 Evaluation of degree of damage of topographic landscape of Muli coal landscape of Muli coal mining area in 2013
采场编号 破坏类型 破坏面积/km2 破坏面积合计/km2 矿权面积/km2 破坏率/% 评价标准值/% 破坏程度 1号采场 露天采坑 1.34 煤炭堆积 0.08 2.53 5.11 49.51 ＞40 严重 废渣堆积 1.11 2号采场 露天采坑 1.46 1.59 8.25 19.27 < 20 较轻 废渣堆积 0.13 3号采场 露天采坑 0.81 煤炭堆积 0.04 1.97 5.91 33.33 20-40 较严重 废渣堆积 0.94 4号采场 露天采坑 4.92 煤炭堆积 0.41 11.41 4.31 264.73 ＞40 严重 废渣堆积 6.08 5号采场 露天采坑 2.31 煤炭堆积 0.13 5.22 3.82 136.65 ＞40 严重 废渣堆积 2.78 6号采场 露天采坑 4.38 煤炭堆积 0.14 6.76 4.14 163.29 ＞40 严重 废渣堆积 2.24 地形地貌景 露天采坑煤炭堆积 15.22 煤炭堆积 0.80 29.48 31.54 93.47 ＞40 严重 废渣堆积 13.46
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表 6 2010、2013年木里煤矿区土地压占与破坏程度评价
Table 6 Evaluation of land pressure and damage degree of Muli coal mining area in 2010 and 2013
采场编号 2010年破坏面积/km2 2013年破坏面积/km2 评价标准值/ km2 破坏程度 1号采场 0.08 2.53 > 0.04 严重 2号采场 0.34 1.59 > 0.04 严重 3号采场 1.97 ＞0.04 严重 4号采场 5.96 11.41 ＞0.04 严重 5号采场 2.70 5.22 ＞0.04 严重 6号采场 4.14 6.76 ＞0.04 严重 土地资源破坏 13.22 29.48 ＞0.04 严重
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表 7 水样单元素超标情况
Table 7 Statistic table of single element overshoot condition of water sample
儿素 Cu Pb Zn Cr Cd As Hg Ⅰ类水标准值 0.01 0.01 0.05 0.01 0.001 0.05 0.00005 1-9号水样超标倍数 0.9~3.6 3.4 0.86 1.3 / / / 评价标准值 1.0~4.0 1.0~4.0 0~1.0 1.0~4.0 评价等级 中度污染 中度污染 轻度污染 中度污染 超标率 22.20% 11.11% 11.11% 11.11% / / /
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表 8 水样综合评价
Table 8 Comprehensive statistic table of water sample
样号 单项污染指数 综合污染指数 评价标准值 评价等级 Cu Pb Zn Cr Cd As Hg 1 0.4 0.6 0.12 0.4 1 0.04 0 0.75 0.7~1.0 警戒线 2 0.3 0.4 0.06 0.3 0 0.06 0 0.30 ≤7 安全 3 0.3 0.2 0.04 0.2 0 0.04 0 0.23 ≤7 安全 4 0.3 0.2 0.08 0.2 0 0.04 0 0.23 ≤7 安全 5 1.9 1.0 0.56 0.9 0 0.08 0 1.42 1.0~2.0 轻污染 6 4.6 4.4 1.86 2.3 1 0.1 0 3.56 ＞3.0 重污染 7 0.7 0.2 0.06 0.2 0 0.04 0 0.51 ≤7 安全 8 0.4 0.2 0.1 0.2 0 0.06 0 0.30 ≤7 安全 9 0.3 0.1 0.06 0.2 0 0.04 0 0.22 ≤7 安全
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表 9 土壤样单元素超标情况
Table 9 Statistic table of single element overshoot condition of soil sample
元素 Cu Pb Zn Cr Cd As Hg Ⅰ级土壤标准值 ≤35 ≤35 ≤100 ≤90 ≤ 0.20 ≤15 动.1 1-12号土样超标倍数 / / / / 0.05~0.10 0.08 / 评价标准值 0~1.0 0~1.0 评价等级 轻度污染 轻度污染 超标率 / / / / 16.67% 8.33% /
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表 10 土壤样综合评价
Table 10 Comprehensive statistic table of soil sample
样号 单项污染指数 综合污染指数 评价标准值 评价等级 Cu Pb Zn Cr Cd As Hg 1 0.79 0.56 0.66 0.71 0.70 0.73 0.23 0.71 0.7~1.0 警戒线 2 0.72 0.47 0.62 0.58 0.70 0.79 0.29 0.70 ≤7 安全 3 0.57 0.53 0.68 0.63 0.80 0.49 0.10 0.68 ≤7 安全 4 0.79 0.63 0.84 0.76 1.10 0.60 0.35 0.93 0.7~1.0 警戒线 5 0.59 0.49 0.65 0.59 0.60 0.62 0.19 0.59 ≤7 安全 6 0.49 0.63 0.59 0.53 0.35 0.37 0.21 0.55 ≤7 安全 7 0.62 0.47 0.66 0.63 0.60 0.66 0.17 0.60 ≤7 安全 8 0.76 0.57 0.76 0.74 1.05 0.60 0.39 0.89 0.7~1.0 警戒线 9 0.75 0.57 0.76 0.74 0.90 0.79 0.36 0.80 0.7~1.0 警戒线 10 0.45 0.39 0.48 0.51 0.4 0.86 0.19 0.69 ≤7 安全 11 0.52 0.43 0.91 0.54 0.85 0.88 0.17 0.78 0.7~1.0 警戒线 12 0.56 0.4 0.57 0.46 0.3 1.08 0.17 0.84 0.7~1.0 警戒线
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表 11 木里煤矿区地质环境承载力评价
Table 11 Evaluation of the carrying capacity of mine geo-environment of Muli coal mining area
评价指标 实际值 指标分值 指标权重 评价结果 年平均气温 -5.1℃ 2 0.0893 0.18 年平均降雨量 477.1mm 3 0.1266 0.38 地形坡度 ＜5° 5 0.1044 0.52 土也利用类型 工矿用地 2 0.1436 0.29 植被覆盖度 ＜5% 1 0.2295 0.23 土壤类型 沼泽土 5 0.2197 1.10 地层岩性 第四系粘土 1 0.0869 0.09 合计 2.78
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