Von der Exploration bis zur Minenschließung: Lebenszyklusmanagement mineralischer Rohstoffe unterstützt durch Fernerkundungstechnologie

Fernerkundungstechnologien, die sich durch berührungslose, großflächige, multitemporale und hochauflösende Erfassung auszeichnen, haben sich zu einem zentralen Instrument für das integrierte Management von Mineralressourcen entwickelt – von der Erkundung über die Nutzung von Weltraum, Luft, Boden und Bohrloch bis hin zur Stilllegung und ökologischen Sanierung von Bergwerken. Diese Arbeit erläutert systematisch die spezifischen Anwendungsbereiche und typischen Fallbeispiele von Multi-/Hyperspektral-Fernerkundung, InSAR und UAV-Fernerkundung. Sie basiert auf aktuellen nationalen Standards wie den „Allgemeinen Regeln für die geologische Erkundung fester Mineralien“ (GB/T 13908-2020), der „Klassifizierung von Reserven fester Mineralressourcen“ (GB/T 17766-2020) und den „Technischen Spezifikationen für die Überwachung und Bewertung der Sanierung und ökologischen Wiederherstellung von Bergbauflächen“ (GB/T 43935-2024). Dies umfasst die Gewinnung von Informationen über geologische Veränderungen in der Explorationsphase, die Erstellung von Umweltgrundlagenuntersuchungen in der Bauphase, die dynamische Überwachung und die Frühwarnung vor geologischen Gefahren in der Abbauphase sowie die Bewertung der Auswirkungen von Vegetations- und Ökosystemwiederherstellung in der Stilllegungsphase. Darüber hinaus analysiert die Studie in Verbindung mit einer Literaturrecherche die Vorteile, Grenzen und Trends der intelligenten Integration von Fernerkundungstechnologien und bietet somit eine Grundlage für die Mineralexploration und ein nachhaltiges Management.

Gemäß Artikel 4.2 der Norm GB/T 13908-2020 gliedert sich die geologische Erkundung in allgemeine Erkundung, detaillierte Erkundung und Exploration. Die allgemeine Erkundung dient der Abgrenzung potenzieller Gebiete und der Schätzung der vermuteten Ressourcenmengen. Die detaillierte Erkundung konzentriert sich auf die Überprüfung von Anomalien und die Kontrolle der Ressourcenmengenabschätzung. Die Explorationsphase ist dem Nachweis der Ressourcenmengen und der Erstellung eines Machbarkeitsberichts gewidmet. Fernerkundungstechnologien spielen in diesem Prozess eine führende und planende Rolle. Ihr technischer Ansatz basiert hauptsächlich auf der Interpretation makroskopischer Strukturen, der lithologischen Identifizierung und der Extraktion von Informationen über Mineralisierungsveränderungen, um ein schnelles Screening großer Gebiete zu ermöglichen. Hyperspektrale/multispektrale Fernerkundung (WorldView-3, GF-5, ASTER) kann hydrothermale Alterationsminerale wie Eisenverfärbungen, Hydroxylgruppen (Fe-OH, Mg-OH) und Karbonate (z. B. Kaolinit, Serizit) präzise erfassen und so Alterationshöfe als indirekte Indikatoren für die Mineralexploration abgrenzen. In Kombination mit DEM-Daten zur Interpretation von Verwerfungen, Faltungen und Ringstrukturen lassen sich günstige Mineralisierungsgebiete schnell identifizieren (Chen et al., 2023). In der detaillierten Untersuchungs- und Explorationsphase werden mithilfe von UAV-Hyperspektral-/Lidar-Technologie hochauflösende dreidimensionale geologische Modelle erstellt, um die Anordnung von Bohrungen, Schürfgräben und Gruben zu optimieren und die vorläufige Abschätzung der Ressourcenmengen zu unterstützen. Chen et al. (2023) untersuchten die Gewinnung von Informationen über hydrothermale Alteration im Gebiet Beishan-Tongshan der Provinz Gansu anhand von WorldView-3-Daten. Mithilfe von Hauptkomponentenanalyse und Spektralmerkmalsanpassung konnten sie Alterationsanomalien unterschiedlicher Intensität erfolgreich identifizieren und klassifizieren. Diese Studie bestätigte die hohe Übereinstimmung zwischen Fernerkundungsanomalien und Feldprobenahmen und lieferte somit hochpräzise Daten für die Zielgebietsauswahl und die Geländeverifizierung in der allgemeinen Erkundungsphase.

Abbildung 1. Ergebnisse der WorldView-3-Multiband-Alterationsanomalie-Extraktion

(Chen et al., 2023)

A: Mg-OH-Anomalie; B: Fe-OH-Anomalie;

C: Anomalie der Eisenfärbung; D: Anomalie des Karbonatgehalts

Abbildung 1 zeigt die detaillierte Zonierung der einzelnen Änderungsarten durch einen Vergleich der räumlichen Verteilung und bietet damit eine wichtige Referenz für die Festlegung der Erkundungsroute sowie für die Kartierung und die technische Überprüfung in der allgemeinen Untersuchungsphase.

Abbildung 2. Verteilungskarte der aus WorldView-3-Daten extrahierten hydrothermalen Alterationsanomalien im Gebiet von Tongshan (Chen et al., 2023)

Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Farben, die die Intensität von Fe-OH, Mg-OH, Eisenablagerungen und Karbonatanomalien darstellen. Die überlagerten Feldverifizierungspunkte (grüne Punkte) und die Standorte der Abbaugebiete (violette Pentagramme) verdeutlichen den Zusammenhang zwischen Alteration und Tektonik und dienen als direkte Grundlage für die Abgrenzung der Zielgebiete.

Machbarkeitsstudien, Minenplanung und Infrastrukturbau erfolgen gemäß GB/T 17766-2020. Der Einsatz von Fernerkundungstechnologie konzentriert sich in dieser Phase auf Umwelt-Basisuntersuchungen. Mithilfe multitemporaler Satellitenbilder werden Daten zur Landnutzung, Vegetationsbedeckung, Topographie und ökologischen Basis vor Baubeginn erfasst, um die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) quantitativ zu unterstützen. Zudem werden hochauflösende UAV-Fernerkundungsdaten genutzt, um dreidimensionale Geländemodelle (DTM/DSM) zu erstellen. Diese helfen bei der Standortwahl für Anlagen, Straßen, Absetzbecken und Halden und vermeiden potenzielle geologische Gefahren (GB/T 43935-2024, Abschnitt 6.1). Dadurch werden die Ziele der frühzeitigen Umweltrisikoprävention und des nachhaltigen Bauens erreicht.

Während der großflächigen Abbauphase ist es notwendig, Produktionsdynamik, Sicherheitsrisiken und Umweltauswirkungen in Echtzeit zu überwachen (gemäß den Anforderungen der DZ/T 0392-2022 „Technische Spezifikation für die Fernerkundungsüberwachung der Bergbauumgebung“). Fernerkundungstechnologien ermöglichen eine hochfrequente dynamische Überwachung.

1. Überwachung des Bergbaufortschritts und der Landnutzung – Mithilfe von Satelliten- und UAV-Bildern aus verschiedenen Quellen lassen sich die Ausdehnung von Tagebauen, die Dynamik der Abraumbildung, die Deformation von Absetzbecken und die Veränderung der Landbedeckung präzise verfolgen. Mi et al. (2019) nutzten kontinuierliche Landsat-Bilddaten und einen Random-Forest-Klassifikator im Kohleabbaugebiet in den südlichen Vororten der Provinz Shanxi, um die durch Untertagebau und Rekultivierung verursachten Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen von 1987 bis 2017 quantitativ zu erfassen und die räumlichen Muster der Abbaugebietsausdehnung und der Vegetationswiederherstellung genau darzustellen.

Abbildung 3. Kontinuierliche Landnutzungs-/Landbedeckungsklassifizierung von 1987 bis 2017(Mi et al., 2019)

2. Frühwarnung vor geologischen Katastrophen und Deformationsüberwachung – Die InSAR-Technologie ist ein zentrales Werkzeug zur Überwachung von Hangrutschungen, Setzungen in Abbaugebieten und der Stabilität von Absetzbecken. Sie ermöglicht die kontinuierliche Langzeitbeobachtung von Deformationen mit millimetergenauer Präzision. Fadhillah et al. (2024) nutzten eine verbesserte ICOPS-Technik (Combined Scatterer InSAR) im Eisenerztagebau Moksan in Nordkorea, kombiniert mit einem Deep-Learning-Optimierungsalgorithmus zur Verarbeitung von Sentinel-1-Zeitseriendaten. Die Überwachungsergebnisse zeigten, dass die kumulative Setzung der östlichen Abraumhalde 170 cm und die der westlichen 70 cm erreichte, mit einer maximalen jährlichen Setzungsrate von über 15 cm/a. Diese Studie deckte anhand von raumzeitlichen Deformationsratenkarten und Profilanalysen das raumzeitliche Entwicklungsgesetz der bergbaubedingten Setzungen auf und lieferte quantitative Belege für die Frühwarnung vor Hangstabilitätsproblemen und die Katastrophenprävention.

Abbildung 4. InSAR-Karte der Verteilung der kumulativen Deformationsrate im Eisenerztagebau Mushan (Fadhillah et al., 2024)

Der Farbverlauf im Diagramm zeigt die durchschnittliche jährliche Deformationsrate an, die, wenn sie auf die Grenze des Abbaugebietes projiziert wird, das Sicherheitsmanagement während der Produktionsphase direkt unterstützt.

Abbildung 5. Kumulative Deformationsprofilanalyse mittels InSAR im Eisenerztagebaugebiet Mushan von 2016 bis 2022 (Fadhillah et al., 2024).

(a) und die Ergebnisse der Profilverformung der östlichen Abraumhaldenabschnitte A–Aʹ; (b) und B–Bʹ; (c) und der westlichen Abraumhaldenabschnitte C–Cʹ; (d) und D–Dʹ I.

Die zahlreichen Profillinien in der Abbildung zeigen die kumulativen Absenkungen und Höhenänderungen zu verschiedenen Zeitpunkten und quantifizieren so die räumlich-zeitlichen Merkmale der durch den Bergbau verursachten Deformation.

3. Bewertung der ökologischen Qualität – Durch die Entwicklung eines speziellen Fernerkundungs-Ökoindex lässt sich der Vegetationsstress, die Boden- und Wasserverschmutzung sowie die Landschaftsfragmentierung quantitativ charakterisieren. Song et al. (2023) erstellten den Eisenerz-Fernerkundungs-Ökoindex (IM-RSEI) auf Basis von Landsat-Daten für das dicht besiedelte Eisenerzgebiet Qian’an-Qianxi. Dieser Index integriert sieben Indikatoren: Vegetationsbedeckung, Grünanteil unbewachsener Böden, Feuchtigkeit, Rußpartikel, Oberflächentemperatur, Eisenoxide und Landschaftsfragmentierung. Die Studie zeigte, dass die ökologische Qualität zwischen 1992 und 2018 einen Trend der „Verschlechterung mit anschließender Verbesserung“ aufwies. Der mittlere IM-RSEI-Wert des Abbaugebietes (0,5412) lag signifikant unter dem der umgebenden Pufferzone, was die negativen Auswirkungen der Bergbauaktivitäten auf die umliegende Ökologie bestätigt.

Abbildung 6. Räumliche Verteilung des IM-RSEI in QR von 1992 bis 2018 (Song et al., 2023)

Nach der Schließung des Bergwerks müssen die Abnahme der Rekultivierungsmaßnahmen und das langfristige Management gemäß Kapitel 8 der Norm GB/T 43935-2024 erfolgen. In dieser Phase dient die Fernerkundungstechnologie als Instrument zur Bewertung der Auswirkungen und zum langfristigen Schutz. Ihre Anwendungsbereiche umfassen im Wesentlichen: die Überwachung der Vegetationswiederherstellung und der Bodenumgestaltungsprozesse mittels multitemporaler NDVI- und EVI-Daten; die Verfolgung der Dynamik der Restsenkung im Abbaugebiet mithilfe der InSAR-Technologie; und die Quantifizierung der Auswirkungen von topografischer Umgestaltung, Landrekultivierung, Boden- und Wasserchemie sowie Ökosystemwiederherstellung durch RSEI/IM-RSEI-Indizes. Diese Daten dienen als Grundlage für die Abnahme der Rekultivierungsmaßnahmen (Artikel 8.4 der Norm GB/T 43935-2024). Hu et al. (2022) wurde der Zustand der Vegetationswiederherstellung im Rekultivierungsgebiet der Abraumhalde des Tagebaus Antaibao anhand multitemporaler Landsat-Daten überwacht und die Entwicklung der Vegetationsbedeckung und des Biomassewachstums nach der Rekultivierung mithilfe von NDVI-Karten (räumlich-zeitliche Verteilung) quantifiziert. Die Studie bestätigte einen signifikanten Anstieg der Vegetationsbedeckung nach der Rekultivierung durch den Vergleich von NDVI-Karten vor und nach der Rekultivierung.

Abbildung 7. Zeitreihenanalyse des NDVI auf räumlich-zeitlichen Skalen auf der südlichen Deponie (Hu et al., 2022)(a) Ergebnisse der univariaten Regressionsanalyse; (b) Ergebnisse der Sen+MK-Trendanalyse.

SI, NSI, NSD und SD stehen für signifikanten Anstieg, keinen signifikanten Anstieg, keinen signifikanten Rückgang bzw. signifikanten Rückgang.

Die Vorteile der Fernerkundungstechnologie über den gesamten Lebenszyklus von Mineralvorkommen hinweg liegen in ihrer berührungslosen, makroskopisch effizienten und umweltfreundlichen sowie störungsarmen Natur. Sie kann ein geschlossenes Technologiesystem mit Feldverifizierung, geophysikalischer und geochemischer Exploration sowie technischer Steuerung bilden (Kapitel 5 von GB/T 13908-2020; Abschnitt 4.2 von GB/T 43935-2024). Die integrierte Anwendung von künstlicher Intelligenz und Datenfusion aus verschiedenen Quellen (Satellit + UAV + InSAR) verbessert die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Fernerkundungsüberwachung zusätzlich (Chen et al., 2023; Song et al., 2023). Diese Technologie hat jedoch auch Grenzen: Sie liefert lediglich Informationen über die Oberfläche und den oberflächennahen Untergrund und erfordert eine Überprüfung durch Feldprobenahmen; der Kohärenzverlust in komplexen geomorphologischen Gebieten bedarf weiterhin einer Optimierung. Zukünftig wird die Integration von Technologien wie „Fernerkundung + industrielle Steuerungsterminals + Internet der Dinge + künstliche Intelligenz“ die intelligente Transformation des Managements von Mineralvorkommen über deren gesamten Lebenszyklus hinweg vorantreiben.

Referenzen

[1] GB/T 13908-2020. Allgemeine Regeln für die geologische Erkundung fester Mineralvorkommen [S]. Peking: China Standards Press, 2020.

[2] GB/T 17766-2020. Klassifizierung der Reserven fester Mineralvorkommen [S]. Peking: China Standards Press, 2020.

[3] GB/T 43935-2024. Technische Spezifikation für die Überwachung und Bewertung der Sanierung und ökologischen Wiederherstellung von Bergbauflächen [S]. Peking: China Standards Press, 2024.

[4] DZ/T 0392-2022. Technische Spezifikation für die Fernerkundungsüberwachung der Minenumgebung [S]. Peking: Ministerium für natürliche Ressourcen, 2022.

[5] Chen C, Gao L, Xie F, Xia F, Li S. Extraktion hydrothermal veränderter Informationen mithilfe von WorldView-3-Daten: eine Fallstudie von Huitongshan, NW Gansu, China[J]. Frontiers in Earth Science, 2023, 11: 1250591.

[6] Song W, Gu HH, Song W, et al. Umweltbewertungen in dicht besiedelten Bergbaugebieten unter Verwendung von Fernerkundungsdaten in den Regionen Qian'an und Qianxi, China[J]. Ecological Indicators, 2023, 146: 109814.

[7] Fadhillah MF, Hakim WL, Lee SK, et al. Multitemporale Analyse der durch Tagebau verursachten Bodensenkung mittels verbesserter kombinierter Streuerinterferometrie mit Optimierung durch Deep-Learning-Algorithmen[J]. Scientific Reports, 2024, 14: 6311.

[8] Hu JM, Ye BY, Bai ZK, et al. Fernerkundungsüberwachung der Vegetationsrekultivierung im Tagebau Antaibao[J]. Remote Sensing, 2022, 14(22): 5634.

[9] Mi J, Yang Y, Zhang S, et al. Verfolgung der Landnutzungs-/Landbedeckungsänderung in einem Gebiet mit Untertagebau und Wiederaufforstung mittels kontinuierlicher Landsat-Klassifizierung[J]. Remote Sensing, 2019, 11(14): 1719.