Τηλεπισκόπηση σε απορρίμματα πυρίτη ως εργαλείο ανίχνευσης κλιματικής αλλαγής

Από RemoteSensing Wiki

A. Riaza , C. Ong , A. Müller

Geological Survey of Spain (IGME), Tres Cantos (Madrid, Spain), CSIRO Exploration and Mining, Kensington, Australia, DLR_ German Aerospace Research Establishment, Remote Sensing Data Centre, Oberpfaffenhofen, Deutschland

Περίληψη

Η παρακολούθηση των αποθέσεων θειούχων απορριμμάτων μέσω τηλεπισκοπικών δεδομένων συμβάλλει στην πρόβλεψη απορροής και αποστράγγισης επιφανειακών υδάτων και στην ποσοτική εκτίμηση όξινης απορροής καθώς και στην έκταση μόλυνσης σε ετήσια βάση. Η ορυκτολογική σύσταση, η οξείδωση και η αλκαλικότητα των εδαφών συμβάλουν στην καταγραφή για το ποσοστό υγρασίας και θερμοκρασίας καθ’ όλη τη διάρκεια ενός έτους. Μια συνεχής παρακολούθηση της οξείδωσης των μεταλλευτικών απορριμμάτων σε ένα μεταλλείο στην Ισπανία από αερομεταφερόμενο υπερφασματικό σαρωτή Hymap έχει συμβάλει στην εκτίμηση της αλλαγής του κλίματος. Έχει γίνει ψηφιακή ανάλυση υπερφασματικών δεδομένων για τη γεωλογική χαρτογράφηση του μεταλλείου και οι εκτιμήσεις της αλλαγής του κλίματος γίνονται με βάση την καταγραφή των σταδίων οξείδωσης που φαίνονται αφού έχει γίνει εντοπισμός των θειούχων ορυκτών.

Ως εκ τούτου, η χαρτογράφηση των απορριμμάτων του μεταλλείου και των αποσαθρωμένων προϊόντων από αερομεταφερόμενο υπερφασματικό σαρωτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της κλιματικής αλλαγής αλλά είναι και ένα χρήσιμο εργαλείο για την αξιολόγηση περιβαλλοντικών προβλημάτων σε ημι-άνυδρες περιοχές.

Εισαγωγή

Από τη γρήγορη οξείδωση των μεικτών θειούχων μεταλλευμάτων προκύπτει ένα σουλφίδιο, ο σιδηροπυρίτης που είναι δευτερογενές ορυκτό. Συγκεκριμένη θερμοκρασία σε συνάρτηση με την υγρασία ενισχύουν την εξάτμιση. Σε περιοχές που λόγω κλίματος θεωρούνται ημι-άνυδρες και όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα είναι χαμηλή και υπάρχει ετησίως μια ξηρή και μια βροχερή περίοδος, η οξείδωση των σουλφιδίων γίνεται μέγιστη στο τέλος της ξηρής περιόδου. Το κλίμα είναι ένας καθοριστικός παράγοντας που ελέγχει την αλκαλικότητα του σιδηροπυρίτη, των σουλφιδίων και κάποιων μεταλλευτικών απορριμμάτων του μεταλλείου. Η ψηφιακή ανάλυση υπερφασματικών δεδομένων για τη χαρτογράφηση των απορριμμάτων των μεταλλείων συμβάλει στην πρόβλεψη επιφανειακών υδάτων, απορροή και αποστράγγισή τους και στην ποσοτική εκτίμηση όξινης απορροής καθώς και στην έκταση μόλυνσης. Επιπλέον χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο γίνεται εκτίμηση των κλιματικών αλλαγών γνωρίζοντας το ρυθμό εξάτμισης και το ποσοστό υγρασίας. Αξιολογώντας την ποιότητα των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων και με τις εικόνες υπερφασματικής ανάλυσης διαφαίνονται οι συνέπειες της αλλαγής του κλίματος.

Εικόνα 1: Η περιοχή μελέτης στην Ισπανία

Εικόνα 2: Καταγραφή θερμοκρασιών για 5 χρονιές πριν από την ανάλυση εικόνων (σταθμός Ronda, Εθνικό Μετεωρολογικό Ινστιτούτο Ισπανίας , www.inm.es)

Υπερφασματικές μελέτες σχετικά με τα απόβλητα των μεταλλείων

Η υψηλή φασματική ανάλυση σχετικά με αερομεταφερόμενα και δορυφορικά φασματοφωτόμετρα έχει διευρύνει τις δυνατότητες χαρτογράφησης από δεδομένα τηλεπισκόπησης, συγκριτικά με υπερφασµατικά τηλεπισκοπικά δεδομένα του δέκτη AVIRIS που είχαν παλιότερα από το 1988. Με την ανάπτυξη αλγορίθμων και των δεδομένων βαθμονόμησης υπάρχει δυνατότητα συλλογής πληροφοριών από μεγαλύτερο αριθμό χωρικών φασματικών δεδομένων βοηθώντας στην επίλυση περιβαλλοντικών ζητημάτων. Αρχικά εστίασαν στο θέμα των απορριμμάτων των μεταλλείων και έπειτα μελετώντας τα δευτερογενή ορυκτά άρχισαν να επικεντρώνονται στα οξείδια και τα υπεροξείδια. Τότε δόθηκε προσοχή στο συσχετισμό των δευτερογενών ορυκτών και των μεταλλευτικών απορριμμάτων με τις καιρικές συνθήκες. Η δημιουργία όξινης απορροής προσέλκυσε το ενδιαφέρον όλων των γεωλόγων επιστημόνων δεδομένου ότι δεν είχε βρεθεί λύση στο θέμα αποστράγγισης των υδάτων. Η φασματική συμπεριφορά του πυρίτη και των σουλφιδίων μετά την οξείδωση φαίνεται μέσω της τηλεπισκόπησης, όπου γίνεται και εύκολα η χαρτογράφηση της όξινης απορροής.

Μέθοδος

Τα δεδομένα από τον αερομεταφερόμενο υπερφασματικό σαρωτή Hymap συλλέχθηκαν στις 6 Μαΐου 1999, 19 Μαΐου του 2004, στις 14 Αυγούστου 2004 και 17 Ιουνίου 2005 πάνω από το μεταλλείο Sotiel στην Ισπανία. Η χωρική ανάλυση κυμαίνεται από 5 εκατ. το 1999 με 4εκατ. το 2004 και το 2005. Υπήρξε διαφορά πέντε ετών από την πρώτη πτήση (Μάιος 1999) μέχρι τη δεύτερη πτήση (Μάιος 2004). Και οι δυο πτήσεις έγιναν στο τέλος της υγρής περιόδου, πριν αρχίσει η εξάτμιση. Οι τρεις πτήσεις από το Μάιο του 2004 μέχρι τον Ιούνιο του 2005 κάλυψαν όλες τις περιόδους ενός έτους, όπου η τελευταία πτήση έγινε στη μέση ενός εξαιρετικά ξηρού και θερμού καλοκαιριού. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται στις 5 χρονιές ποιος χειμώνας είχε τις περισσότερες βροχοπτώσεις και ποιο καλοκαίρι ήταν πιο ξηρό.

Επιτόπια έρευνα πραγματοποιήθηκε το καλοκαίρι του 2005 και το 2006, όπου συλλέχθηκαν δείγματα από σωρούς μεταλλευτικών απορριμμάτων κοντά στο ποτάμι Odiel, εκατέρωθεν του και στις 2 πλευρές. Χρησιμοποιήθηκε ένα ASD Fieldspec-pro Φασματοφωτόμετρο τόσο για τη βαθμονόμηση όσο και για ερμηνεία. Εργαστηριακές μετρήσεις έγιναν στα δείγματα που ελήφθησαν με Perkin Elmer Lambda 9 Φασματοφωτόμετρο, στην ορατή και εγγύς υπέρυθρη περιοχή μήκους κύματος (0.4 μm-2.4 μm) με φασματική ανάλυση των 0,001 μm.

Έγινε συλλογή δειγμάτων τόσο από χαλαρό υλικό αλλά και κλαστικό που σχηματίστηκε στο έδαφος από τους σωρούς των μεταλλευτικών απορριμμάτων αλλά και από ιζήματα ποταμών, όπου μετρήθηκαν για να εξακριβωθούν οι φασματικές διαφορές που σχετίζονται με αφυδάτωση και οξείδωση μετά τη βροχή. Επιλεγμένα δείγματα των κλαστικών ιζημάτων και χαλαρών αποθέσεων αναλύθηκαν και στο XRD, περιθλασίμετρο ακτίνων Χ.

Προιόντα οξείδωσης σιδηροπυρίτη και κλιματική αλλαγή

Το μεταλλείο βρίσκεται κατά μήκος του ποταμού Odiel και λειτουργούσε από τους Φοίνικες πριν από τα Ρωμαϊκά χρόνια. Η εξόρυξη συνεχίστηκε και το Μεσαίωνα με χειροκίνητες μεθόδους με αποκορύφωμα το 19ο αιώνα, κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής επανάστασης ενώ κατά τη δεκαετία του ογδόντα η εξόρυξη σταμάτησε. Από το 1991 έως το 2001, υπάρχουν σωροί μεταλλευτικών απορριμμάτων καθώς και έχει εμφανιστεί το φαινόμενο της όξινης απορροής. Τα υπόγεια έργα των ανθρακωρύχων που εμφανίζονται κατά μήκος του ποταμού Odiel φαίνονται και από την εικόνα 3.

Οι μεταλλευτικοί σωροί δίπλα στο ποτάμι

Από τους σωρούς των στείρων όταν γινόταν η εξόρυξη και από τις όχθες του ποταμού φαίνονται οι επιπτώσεις από την αλλαγή του κλίματος. Το Μάιο του 1999 υπήρχε μια στασιμότητα των νερών λόγω της κακής ροής των νερών (εικόνα 3). Ζαροσίτης και αλουνίτης ήταν κυρίως στους σωρούς των απορριμμάτων, αλλά και μικρές ποσότητες αιματίτη. Το Μάιο του 2004 φαίνεται ότι έχει γίνει οξείδωση και υπερτερεί ο γκαιτίτης. Η γενική τάση από το Μάιο 1999 μέχρι το Μάη του 2004 είναι σαφώς η αύξηση της οξείδωσης. Την ξηρή περίοδο Μαίου-Αυγούστου 2004 ακολουθεί αισθητή μείωση του θειούχου σιδήρου. Το ίδιο ισχύει και τον Ιούνιο του 2005, έπειτα από ένα εξαιρετικά ξηρό και θερμό έτος.

Εικόνα 3 : Δεδομένα από αερομεταφερόμενο υπερφασματικό σαρωτή Hymap σχετικά με την οξείδωση θειούχων απορριμμάτων στο μεταλλείο δίπλα στο ποτάμι και χαρτογράφηση ορυκτών.

Διαδρομή ροής ποταμού

Εικόνα 5: Αποτελέσματα από φασματόμετρο ASD για την περιοχή που χαρογραφήθηκε από τα δεδομένα του υπερφασματικoύ σαρωτή Hymap

Η οξείδωση κάποιων ορυκτών αυξάνεται όταν αυτά βρίσκονται πάνω σε ιζήματα ποταμών και η εμφάνισή τους είναι ανεξάρτητη από τη βιομηχανική εκμετάλλευση ή την εξόρυξη του μεταλλείου. Το ορυκτό ιαροσίτης τείνει να αναπτύσσεται στις όχθες των ποταμών (εικόνα 4). Επιπλέον, μπορεί να εμφανιστεί μελαντερίτης όταν υπάρχει έντονη ξηρασία και μικρή ροή ποταμού. Η εμφάνιση ιαροσίτη είναι περιορισμένη από το Μάιο του 1999 μέχρι το Μάιο του 2004. Οι πολλές βροχοπτώσεις μέχρι την άνοιξη του 2004 είναι υπεύθυνες για τη μείωση των προϊόντων οξείδωσης. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού ο ιαροσίτης εμφανίζεται σε περισσότερα σημεία καθώς και ο γκαιτίτης μέχρι τον Αύγουστο του 2004. Μετά όμως η περίοδο ξηρασίας επιτρέπει την οξείδωση σε μεγαλύτερο βαθμό (εικόνα 4).

Εικόνα 4: Δεδομένα από αερομεταφερόμενο υπερφασματικό σαρωτή Hymap σχετικά με την οξείδωση θειούχων απορριμμάτων και χαρτογράφηση ορυκτών με λεπτομέρεια στη ροή του ποταμού.

Συμπεράσματα

Τα θειούχα απορρίμματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μικρής κλίμακας δείκτες για τις αλλαγές του κλίματος. Η υπερφασματική τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο παρακολούθησης της αλλαγής και να δώσει πληροφορίες για το βαθμό οξείδωσης του σιδηροπυρίτη σε σωρούς απορριμμάτων ενός εγκαταλελειμμένου μεταλλείου. Η ετήσια παρακολούθηση της οξείδωσης και κυρίως κατά το τέλος της υγρής περιόδου με αποκορύφωμα την εποχή της ξηρασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αρχείο για την αλλαγή του κλίματος.