Identifizierung und Abbau von Siliziumdioxidvorkommen in Sanbaidun, Stadt Yumen

Hyperspektrale Technologie bildet die räumlichen Merkmale eines Zielobjekts ab, indem sie jedes räumliche Pixel in Dutzende oder sogar Hunderte schmaler Bänder für eine kontinuierliche spektrale Abdeckung zerlegt. Die resultierenden Spektraldaten lassen sich mithilfe eines Bildwürfels visualisieren, dessen zwei Dimensionen den Raum und die dritte das Spektrum repräsentieren. In diesem dreidimensionalen Raum, der spektrale und räumliche Informationen integriert, können „kontinuierliche“ Spektren und diagnostische Merkmalsspektren von Bodenstrukturen beliebig gewonnen werden. Dies ermöglicht die direkte Identifizierung von Zielstrukturen auf Basis spektraler Kenntnisse und weiterer quantitativer Informationen über die Strukturen. In geologischen Anwendungen lassen sich Technologien zur Mineralidentifizierung und Informationsverarbeitung in drei Haupttypen unterteilen: charakteristische Parameter einzelner diagnostischer Absorptionen, vollständige Wellenformmerkmale und spektrale Wissensmodelle.

Hintergrund der hyperspektralen Mineralienkartierung

Seit dem Start des US-amerikanischen Satelliten EO-1 im November 2000 wird dessen Hyperspektralkamera Hyperion mit einem Spektralbereich von 400–2500 nm, 220 Spektralbändern, einer spektralen Auflösung von 10 nm, einer geometrischen Auflösung von 30 m und einer unteren Bildgebungsbreite von 7,5 km als Quelle für geologische Fernerkundungsdaten genutzt. Die geringe Bildgebungsbreite schränkt jedoch die Anwendung über große Gebiete ein und begrenzt somit Anwendung und Verbreitung. Der japanische Satellit GF-5 (Start im Mai 2018) verfügt über eine Hyperspektralkamera für den sichtbaren und kurzwelligen Infrarotbereich mit einem Spektralbereich von 400–2500 nm, einer spektralen Auflösung von 5 nm im VNIR-Kanal und 10 nm im SWIR-Kanal, einer geometrischen Auflösung von 30 m und einer Streifenbreite von 60 km.

Aktuelle Anwendungen belegen die hohe Effektivität der hyperspektralen Bildgebung von Gesteinsveränderungen an der Oberfläche. Sie ermöglicht die Identifizierung spezifischer Alterationstypen und sogar einzelner Mineralarten wie Limonit, Biotit, Kalifeldspat, Chlorit, Epidot und Serizit und stellt damit einen bedeutenden Durchbruch für die Fernerkundung von Mineralien dar. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der spektralen Auflösung entwickelt sich die hyperspektrale Fernerkundung von Mineralien schrittweise weiter – von der reinen Bestimmung von Mineralarten hin zur Erfassung detaillierterer Informationen wie Mineralunterklassen und der Mineralzusammensetzung. Mit zunehmender praktischer Anwendung steigt zudem der Bedarf an detaillierten Mineralinformationen. Die spektrale Auflösung und die Methoden zur Mineralidentifizierung stellen jedoch die Hauptfaktoren dar, die die detaillierte Identifizierung hyperspektraler Mineralien einschränken.

Zhongke Xiguang hat nach eingehender Marktanalyse einen Mineralienüberwachungssatelliten für die Bergbauindustrie entwickelt. Dieser Satellit trägt sowohl kurzwellige Infrarot- als auch panchromatische Nutzlasten. Die kurzwellige Infrarotnutzlast nutzt den Spektralbereich von 2000–2500 nm, in dem Mineralienspektren am stärksten konzentriert sind, und erreicht eine spektrale Auflösung von 15 nm, eine Streifenbreite von unter 12 km und eine räumliche Auflösung von 20 Metern. In Kombination mit der panchromatischen Nutzlast beträgt die räumliche Auflösung 5 Meter. Der Satellit hat ein geplantes Gewicht von 120 kg. Er befindet sich derzeit in der Gesamtentwurfsphase und soll im Februar 2025 gestartet werden.

Stadt Yumen (Forschungsgebiet)

Die Stadt Yumen in der westlichen Provinz Gansu hieß früher Yangguan. Sie ist ein wichtiger Knotenpunkt der Seidenstraße und ein bedeutender petrochemischer Standort in China. In den letzten Jahren hat Yumen aktiv auf die nationale „Neue Seidenstraße“-Initiative und die Strategie der „Westentwicklung“ reagiert, die neue Werkstoffindustrie energisch ausgebaut und bemerkenswerte Erfolge erzielt.

△ Abbildung 1 Untersuchungsgebiet

Silica-Mine Sanbaidun, Stadt Yumen

Siliziumdioxid ist ein nichtmetallisches Mineral, das hauptsächlich aus siliziumdioxidreichen Mineralien besteht. Zu den Siliziumdioxid-Lagerstätten zählen Quarzsandstein, Quarzit, Quarzsand, Gangquarz und metasomatischer Hornfels. Die Hauptminerale sind Quarz und Chalcedon. Die chemische Industrie benötigt Quarzit und Gangquarz mit einem Siliziumdioxidgehalt von mindestens 90 %. Eine geringe Wasseraufnahme und Porosität, idealerweise null, sind wünschenswert. Alle diese Vorkommen werden im Tagebau abgebaut.

Die Sanbaidun-Kieselsäuremine befindet sich in Yumen, Provinz Gansu, etwa 44 km vom Stadtzentrum entfernt. Administrativ gehört sie zur Gemeinde Huangzhawan. Ihre zentralen geografischen Koordinaten sind: 97°20′03″ östliche Länge; 40°37′11″ nördliche Breite.

Nachfolgend ist das spektrale Reflexionsvermögen der Sanbaidun-Kieselmine dargestellt, das aus dem hyperspektralen Bild des Satelliten XIGUANG-003 nach Datenvorverarbeitung, atmosphärischer Korrektur und spektraler Rekonstruktion gewonnen wurde. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung des Spektrums des Satelliten XIGUANG-003 mit der ASTER-Spektralbibliothek des JPL, wodurch die Korrektheit des Spektrums bestätigt wird.

△ Abbildung 2 Reflexionskarte der Baitun-Kieselsäuremine (Stern XIGUANG-003)

△ Abbildung 3 Reflexionskarte der Baitun-Kieselsäuremine (ASTER JPL Spektralbibliothek)

△ Abbildung 4 Sanbaidun Silica Mine, Yumen City