Imaging spectroscopy to evaluate the contamination from sulphide mine waste in the iberian pyrite belt using hyperspectral sensors (Huelva, Spain) = Espectroscopía de imágenes para la evaluación de contaminación relacionada con minas de sulfuros en la faja pirítica ibérica mediante sensores hiperespectrales (provincia de Huelva)

Abstract

El seguimiento de residuos mineros de yacimientos de sulfuros masivos con datos de teledetección hiperespectral contribuye a predecir la calidad del agua de escorrentía. Permite hacer estimaciones cuantitativas de drenaje ácido de mina, y de contaminación por disolución de metales con una periodicidad anual para el caso que se estudia. La mineralogía de las costras que concentran sales muy solubles, es un registro de la humedad y temperatura ambientales durante el año precedente. En este trabajo, se ha realizado un seguimiento temporal de las eflorescencias salinas sobre los residuos mineros en las minas abandonadas de la Faja Pirítica Ibérica (España) con cartografías extraídas de datos aeroportados hiperespectrales Hymap. Se realizan estimaciones de variabilidad climática basándose en las etapas de oxidación que se deducen de secuencias conocidas de evolución mineralógica por procesos de oxidación en sulfuros de hierro, que indican la intensidad de los procesos de oxidación. Para ello se usan espectrotecas de referencia elaboradas en el laboratorio. De este modo, los productos de meteorización de piritas que aparecen en residuos mineros observados con imágenes hiperespectrales pueden convertirse en un registro de variabilidad climática a corto plazo, convirtiéndose en un instrumento útil como geoindicadores en zonas semiáridas.

Los datos de teledetección hiperespectral, tanto aeroportados como en sensores embarcados en satélite, recogen información espectral sobre la superficie de la tierra con una resolución espectral continua, asimilable a los espectros proporcionados por espectrómetros de campo o laboratorio. Cada imagen cuenta con un número elevado de datos en dos dimensiones sobre la superficie de la tierra, que requieren algoritmos de tratamiento digital especiales, capaces de explorar datos con grandes dimensiones. En este trabajo se describen las características de los sensores utilizados, y se describe la cadena de tratamientos que se aplican a los datos brutos antes de la fase de interpretación. También se describe la secuencia de algoritmos utilizados en la extracción de información geológica para la producción de mapas, tanto en residuos mineros como en el cauce del río.

El uso de espectrotecas de referencia con algoritmos cartográficos produce resultados variables, cuyas limitaciones se describen. Las tendencias en la evolución de crecimiento mineral difieren según el sustrato geológico en el que se desarrollan. Se describen cambios mineralógicos sutiles en función de la respuesta espectral, y su significado como indicadores de la intensidad de la oxidación de piritas sobre escombreras, balsas de lodos y sedimentos fluviales. Se ensaya un nuevo método de exploración, el Modelo de Modificadas Gaussianas Automáticas, que intenta evaluar la variabilidad espectral en función del significado geológico de los espectros de imágenes Hymap asociados a sedimentos fluviales.

El río Odiel lleva agua ácida procedente de la contaminación de los residuos mineros de las muchas minas de sulfuros masivos de su cuenca de drenaje. El caudal del río, además de ser ácido, transporta en disolución metales pesados cuya concentración aumenta por la acidez de las aguas. La evolución geoquímica de las costras que se precipitan sobre los sedimentos del río a partir de agua ácida es función del clima, que define el caudal y el régimen hidrodinámico del río.

La cartografía de las sustancias que aparecen en los sedimentos fluviales como consecuencia de la contaminación del río por los residuos de yacimientos de sulfuros masivos, exige una cartografía previa de los sedimentos del río, y de la microgeomorfología que determina cambios menores en el régimen del flujo del agua. Esta microtopografía proporciona entornos favorables para el seguimiento de las sustancias contaminantes. El empleo de una espectroteca de referencia, elaborada en el laboratorio, requiere una evaluación cuidadosa del contexto geológico si se pretende proporcionar una información ambiental representativa de los parámetros que se asocian a la contaminación. Según el tratatamiento digital de imágenes hiperespectrales basado en rasgos de absorción críticos, se identifican puntos en el curso del río que pueden ser claves para el seguimiento de indicadores de contaminación.

El autor propone indicadores espectrales y geomorfológicos que pueden seguirse con tratamiento de imágenes apoyado en espectros tomados en campo y laboratorio, de manera repetible. El empleo de análisis hiperespectral en la Faja Pirítica Ibérica andaluza se ha incluido entre las cuatro zonas piloto del núcleo de la misión PECOMINES II (Cracovia, Noviembre 2005) a propuesta de la Junta de Andalucía respaldada por los investigadores participantes (CGL2007-60004/CLI). El Joint Research Centre (JRC, Yspra, Italia) desarrolla el programa PECOMINES, un foro de discusión sobre métodos de estudio en minas abandonadas que respalda la aplicación de la Directiva Europea de Residuos Mineros, publicada en marzo de 2006. Pretende utilizarse como herramienta de seguimiento en un futuro la Red de Información Ambiental de Andalucía (REDIAM, Junta de Andalucía). Monitoring of mine waste on sulphide deposits through hyperspectral remote sensing data contributes to predicting surface water quality quantitatively estimating acid drainage and metal contamination on a yearly basis. The mineralogy of surface crusts loaded with highly soluble salts is a record of available humidity and temperature along the year. A temporal monitoring of salt efflorescence on mine wastes at a mine site in the Iberian Pyrite Belt (Spain) has been mapped in this work using hyperspectral airborne Hymap data. Climate change estimations are made based on oxidation stages derived from well-known sequences of minerals tracing sulphides oxidation intensity, using archive spectral libraries. Therefore, mine waste weathering products of sulphide mapped from airborne hyperspectral remote sensing data can be used as a short-term record of climate change, providing a useful tool for assessing environmental geoindicators in semi-arid areas.

Hyperspectral remote sensing deals with airborne and spaceborne imaging spectrometers which have a similar spectral resolution to the field and laboratory instruments. A large number of channels in two dimensions require image processing procedures able to manage high dimensionality on data. The main technical features of the Hymap airborne and Hyperion spaceborne hyperspectral sensors used in this study are described. The pre-processing chain to convert raw data to reflectance on both sensors is drafted. The interpretation of hyperspectral remote sensing requires specific algorithms able to manage high dimensional data. The image processing methods to extract information are described, and the sequence of algorithms used to produce maps, both on mine sites and river paths.

The mineralogical identification capability of algorithms to produce maps based on archive spectral libraries is discussed. Trends of mineral growth differ spectrally over time according to the geological setting. Subtle mineralogical changes are described using the spectral response and their meaning as indicators of pyrite oxidation intensity on mine waste piles, pyrite mud tailings and river sediments. A new exploration method, the Automated Modified Gaussian Model, intends to estimate further spectral variability explaining the geological meaning of the Hymap spectra associated to the units of river sediments mapped.

Hyperspectral low spatial resolution Hyperion data are used to map mine waste from massive sulphide ore deposits, mostly abandoned, on the Iberian Pyrite Belt. Hymap high spatial resolution data are used for crossed interpretation. Mine dams, mill tailings and mine dumps in a variable state of pyrite oxidation are recognizable. Ponds of acid water in the mine sites are spectrally outstanding and, with simple image processing procedures, mappable. In addition, acid water with different chemical composition is mappable with hyperspectral data, whether of high or low spatial resolution. A sequence of hyperspectral image processing algorithms used to produce the maps is suggested.

The Odiel River carries acidic water originating from mine waste contamination, including massive sulfide ore deposits. Acid Mine Drainage processes taking place in numerous mine sites drain acid and contaminated water to the river, causing acid pH, and increasing the transport of heavy metals and other contaminating substances. Changing climatic conditions control both the geochemical evolution of secondary minerals that precipitate over the river sediments and the hydrodynamic regime of the river, as much as flow rate.

Mapping contamination products from sulphide mine waste on a river flow path with hyperspectral data involves a careful mapping of the river sediments and minor topographical features changing the water dynamics. The minor topography provides the favourable locations to monitor contaminant mineral development. The use of a reference mineralogical spectral library, developed in the laboratory, requires a careful geological context evaluation to provide efficient environmental information on contamination parameters. Based on the hyperspectral analyses of critical spectral features, river locations that may be crucial for tracing significant, future contaminant fluctuations were identified.

The observations of the proposing group point to spectral and geomorphological indicators which can be monitored through image processing supported by field and laboratory spectral data, on a repeatable basis. Hyperspectral image analysis is included on the methods selected by the Joint Research Centre of the European Community (Yspra, Italy) to study abandoned mine sites to assess the enforcement of the European Mine Waste Directive, published in 2006. The pyrite belt in Andalucía has been selected as one of the core mission test sites for the PECOMINES II program (Cracow, November 2005) using imaging spectroscopy. The use of this technique as a monitoring tool aims to be implemented by the Environmental Net of Andalucía (REDIAM, Spain).