Гидрохимический, атмохимический и биогеохимические методы поисков
1. Гидрохимический метод
Гидрохимические методы поисков месторождений основаны на исследовании химического состава природных поверхностных и подземных вод. Принципиальную основу этого метода составляют способность воды к растворению пород, ее участие в химических превращениях минералов и свойства воды как подвижной среды. Связь между химическим составом воды и наличием вблизи водоисточника залежей полезных ископаемых не вызывает сомнений и является одной из причин возникновения гидрохимических аномалий, имеющих поисковое значение.
1. 1 Условия применения
Основные положения. Наиболее эффективным является применение гидрогеохимического метода для поисков месторождений полезных ископаемых, находящихся в следующих условиях:
1) на участках, перекрытых мощным чехлом приносных отложений, когда неэффективен даже биогеохимический метод поисков;
2) в резкорасчлененных высокогорных районах, где из-за специфических условий дренажа подземных вод метод становится не только более глубинным, но и возможна более точная интерпретация гидрогеохимических аномалий;
3) в платформенных условиях при вероятном залегании те полезных ископаемых ниже местных базисов эрозии.
В зависимости от поставленной задачи гидрохимические и следования можно разделить на: 1) — региональные (1:200000-1:100000); 2) — собственно поисковые (1:50000—1:25000) 3) —детальные (I : 10000 и крупнее).
Региональные исследования. Они обычно способствуют выяснению общей геохимической и гидрогеохимической характеристики региона и выделению наиболее перспективных территорий, поэтому рассматриваемый этап имеет особое значение в гидрогеохимических исследованиях. В пробах, отобранных на это этапе, должно определяться содержание максимального числ индикаторов полезных ископаемых, вероятных для изучаемого региона.
Собственно поисковые исследования. Эти работы проводятся: на перспективных площадях для выявления гидрогеохимических ореолов и выделения участков для постановки детальных работ.
Детальные исследования. Они ведутся для оконтуривания месторождений, а в определенных случаях — отдельных тел полезных ископаемых, на перспективных участках, выявленных предыдущими исследованиями.
Наиболее благоприятными объектами для гидрохимических поисков являются месторождения минеральных солей — различных природных хлоридов и сульфатов. Суммарное содержание этих соединений в природных рассолах может превышать 350 г/л, и они способны устойчиво сохраняться в растворах, определяя солевой состав океанической воды (сумма солей 35,6 г/л). Учитывая, что общая минерализация природных пресных, в том числе речных, вод обычно составляет 1,0—0,5 г/л, можно оценить тот диапазон, в котором могут лежать аномальные содержания солей в поверхностных и подземных водах суши.
Из рудных месторождений наиболее благоприятными объектами для гидрохимических поисков являются сульфидные, главным образом колчеданно-полиметаллические, и, особенно, богатые дисульфидами медноколчеданные месторождения. Природные воды обогащаются рудными элементами в основном при гипергенном окислении сульфидных руд, в ходе которого труднорастворимые, но неустойчивые сульфиды до превращения в устойчивые и труднорастворимые вторичные минералы проходят стадию легкорастворимых сульфатов.
Несмотря на процессы самоочищения природных вод от содержаний рудных элементов, их повышенные, аномальные концентрации сохраняются в речных и подземных водах на расстояниях до 500—1000 м, иногда до нескольких километров от месторождений. Определяется это разнообразием форм нахождения рудных элементов в сложных многокомпонентных системах, которые представляют собой природные воды. Миграция рудных элементов в водах протекает в виде простых ионов, комплексных неорганических соединений с различными лигандами, в частности в анионной форме, а также в виде различных металлорганических соединений повышенной растворимости. Практика гидрохимических исследований подтверждает реальность обнаружения при поисках водных ореолов и потоков рассеяния рудных месторождений. Пример гидрохимического профиля представлен на рис. 1 приложения.
Результаты гидрохимического метода зависят от сезонных колебаний уровня грунтовых вод, выпадения атмосферных осадков и режима гидростока рек, за короткий отрезок времени изменяющегося в сотни раз. Это определяет неустойчивость количественных параметров гидрохимического фона — переменные значения Сф большую или неизвестную величину стандартного множителя , плохую воспроизводимость и малую контрастность гидрохимических аномалий.
Очень эффективная область применения гидрохимического метода — поиски месторождений зон пластового окисления. Рудные тела этих месторождений, получившие название “роллов”, формируются из природных вод на восстановительном барьере. Богатые кислородом атмосферные осадки, фильтруясь через породы гранитного массива, способны обогащаться шестивалентным ураном, хотя содержание в них этого элемента лишь немного выше фонового. Поступая в водоносный горизонт осадочных отложений предгорной равнины, эти воды расходуют свой кислород на окисление органического вещества, закисного железа и пирита — обычных компонентов песчаных фаций, отлагавшихся в восстановительных условиях морского дна. На границе между окисленной частью пласта и его исходным состоянием возникает резкая смена геохимических условий и на восстановительном барьере происходит осаждение четырехвалентного урана, вплоть до формирования промышленных руд. Содержание в пластовых водах, после прохождения ими восстановительного барьера, падает на целый порядок — до n · 10-6 г/л.
В задачу гидрохимических поисков входит локализация интервала подземных вод, в котором происходит смена окислительных условий на восстановительные, сопровождаемая снижением содержания урана в водах. Эта задача успешно решается путем бурения поисковых скважин по принципу дихотомии с их гидрохимическим опробованием. Аналогичным образом могут формироваться гидрогенные месторождения молибдена и селена — элементов с переменной валентностью, способных к отложению на восстановительном барьере. В этих случаях гидрохимический метод незаменим при решении поисковой задачи.
1.2 Изображение результатов анализа и оценка аномалий
По материалам региональных гидрохимических исследований. составляются карты общего химического и микрокомпонентного состава вод. На карте общего химического состава выделяются генетические типы вод и приводится их химический состав. Эта карта составляется на гидрогеологической основе с учетом ландшафтно-геохимических условий. На карте микрокомпонентного состава выделяются участки, различающиеся по комплексу микрокомпонентов, а в их пределах — площади с аномальными содержаниями одного или нескольких элементов-индикаторов. Итогом изучения распределения элементов-индикаторов в водах, опробованных при региональных исследованиях, является выделение участков, перспективных для поисков различных полезных ископаемых.
Данные, полученные при средне- и крупномасштабных гидрохимических исследованиях, служат основой для выделения гидрохимических аномалий и установления их пространственной связи с местоположением рудных тел.
Расчет всех фоновых и аномальных содержаний осуществляется дифференцированно по отношению к опробуемым типам вод, водоносным комплексам и геохимическим ландшафтам. При значительном изменении минерализации вод иногда возникают затруднения в разбраковке аномалий. В этих случаях целесообразно использовать следующие отношения содержаний отдельных компонентов между собой и общей минерализацией воды:
SO4/М; SO4/Сl; В/Сl; SO4/НСО3; Zn/М; В/М
где М — общая минерализация воды в точке отбора.
В случае их существенного отличия от аналогичных отношений, вычисленных для заведомо безрудных участков, они могут являться одним из косвенных поисковых признаков.
В итоге по результатам гидрохимических исследований должна быть составлена карта перспективных участков, при большом числе которых необходимо выделять первоочередные участки.
2. Атмохимический метод
Атмохимические (газовые) поиски месторождений полезных ископаемых основаны на исследовании состава подземной атмосферы — химического состава газов, насыщающих горные породы вблизи дневной поверхности. Если газовый пробоотбор ведется с малой глубины (1—3 м), принято говорить об исследовании подпочвенного воздуха. Современные газовые съемки выполняются с глубиной пробоотбора 20-600 м. Реже исследуется газовый состав приземной атмосферы, хотя именно в этом варианте существенно возрастает оперативность атмохимической съёмки. Аэрозольные съёмки правильнее относить к числу литохимических методов поисков.
Атмосферу в основном слагают три газа — азот (около 78%), кислород (около 21%) и аргон (около 1%), в сумме составляющие 99,94 % ее массы. В переменных количествах в атмосфере присутствуют пары воды; содержание CO2 — около 0,03%, содержание остальных газов 10-4 – 10-6 % и менее . Низкий геохимический фон и высокая подвижность химических элементов в газовой фазе создают благоприятные условия для формирования атмохимических ореолов рассеяния любых месторождений полезных ископаемых.
2.1 Условия применения
Основной объем работ при поисках месторождений полезных ископаемых приходится на долю поисков нефтегазовых залежей. Геолого-геохимические обоснования атмохимического метода поисков этих месторождений наиболее очевидны. Природная нефтяная залежь представляет собой смесь жидких и газообразных углеводородов (УВ), метанового, нафтенового и ароматического рядов с примесью сернистых, азотистых, кислородных соединений и зольных остатков. Содержание углеводородов в нефтяных газах достигает 80-95 %, а геохимический фон не превышает 2-4·10-4 %. Такая огромная разность концентраций определяет процесс рассеяния УВ в окружающих породах. Любые горные породы обладают газопроницаемостью благодаря наличию в них пор и трещин. Под действием литостатического давления движения газов в порах и трещинах происходит в сторону дневной поверхности в форме эффузии. Пример газовых аномалий нефтегазового месторождения представлен на рис. 2 приложения
Газортутные съёмки — косвенный метод поисков месторождений, только для собственно ртутных месторождений они являются прямыми. В сульфидных минералах и месторождениях халькофильной группы элементов обнаруживаются существенно повышенные концентрации ртути. Содержание ртути в церуссите может достигать 0,1 %, что в десятки тысяч раз превышает кларк литосферы. Способность к накоплению ртути отмечается и для месторождений других полезных ископаемых, в т. ч. нефти и газа.
Все это, наряду с очень низким (1,33·10-9 мг/л) и устойчивым (=1,02) геохимическим фоном обеспечивает газортутным съёмкам универсальность при поисках на закрытых территориях(рис. 3 приложения).
Среди газов рудных месторождений выделяются три основные группы: 1) газы, сингенетичные процессу рудообразования; 2) газовые компоненты зон тектонических нарушений; 3) газы гипергенных процессов.
Газы всех трех групп в сумме определяют формирование многокомпонентных атмохимических ореолов рассеяния рудных месторождений; полевые наблюдения подтверждают реальность их выявления
При поисках рудных тел атмохимические методы следует использовать на участках, перекрытых толщей молодых отложений. Их постановка возможна только после проведения опытно-методических исследований, доказавших эффективность атмохимического метода поисков, ожидаемого в конкретных геологических и ландшафтно-геохимических условиях определенного промышленно-генетического типа месторождений. Применение атмохимических методов поисков рудных месторождений наиболее целесообразно на стадии “Поиски месторождений полезных ископаемых” при масштабе исследований 1 : 50000—1 : 25000. Эти исследования могут проводиться как самостоятельно, так и в комплексе с другими геологоразведочными работами.
2.2 Проведение опытных работ
Проведению поисковых работ атмохимическими методами во всех новых районах должны предшествовать опытно-методические исследования, которые должны дать ответ на следующие вопросы: 1) образуются ли над ожидаемыми телами полезных ископаемых в конкретной геологической и ландшафтно-геохимической обстановке газовые ореолы рассеяния; 2) какие индикаторы образуют аномалии; 3) какой является наиболее целесообразная глубина пробоотбора; 4) каковы значения фоновых и аномальных содержаний, выбранных для поисков индикаторов; 5) являются ли в данных условиях атмохимические поиски более эффективными и дешевыми по сравнению с другими методами поисков.
2.3. Изображение результатов анализа и оценка аномалий
Данные, полученные при атмохимических поисках, изображаются в виде графиков, разрезов по скважинам и карт содержаний газовых компонентов. Весь графический материал оформляете; в соответствии с ранее рассмотренными требованиями. Выводы о перспективности выявленных атмохимических аномалий для рудных тел можно делать после проведения глубинного литохимического опробования. При этом скважины должны доходить до коренных горных пород, которые и подвергаются опробованию.
3. Биогеохимическии метод
Биогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых основаны на исследовании химического состава живого вещества, как правило, состава растений. Между химическим составом живых организмов и составом среды обитания существует бесспорная зависимость, в предельных случаях проявленная сменой их видового состава, усиленным или угнетённым развитием и появлением морфологических особенностей. Современные биогеохимические поиски связаны с химическим анализом вещества, наблюдения над видовым составом и морфологическими особенностями растительности составляют предмет геоботанических исследований.
В результате исследований неизменно подтверждалось наличие биогеохимических аномалий в химическом составе растений, произрастающих над месторождениями меди, цинка, свинца, урана, молибдена, никеля, бора, золота и других полезных ископаемых. Обычно эти биогеохимические съёмки проводились путем опробования одного или нескольких господствующих видов растений, озоления растительного вещества и спектрального анализа полученной золы.
Для характеристики геологической роли биогенной миграции микроэлементов Б. Б. Полонов предложил величину отношения между содержаниями элемента в золе растения и в почве, на которой оно произрастает. Этот показатель получил название коэффициента биологического поглощения и обозначается Ax:
Аx=С2 / С1,
где C2 — содержание элемента в золе растения, %; С1 — содержание этого элемента в почве.
3.1. Условия применения
Основные положения. Применение биогеохимического метода поисков целесообразно в тех случаях, когда он обладает преимуществом перед более простым литохимическим методом поисков по вторичным ореолам рассеяния. Можно считать, что биогеохимический метод является одним из наиболее эффективных методов в следующих ландшафтно-геохимических и климатических зонах:
1) гумидной зоне при замедленной денудации, если широкое развитие получили процессы выщелачивания элементов-индикаторов из элювиально-делювиальных отложений и кор выветривания;
2) гумидной и умеренно влажной зонах, если вторичные лито-химические ореолы перекрыты дальнеприносимыми отложениями мощностью до 40 м, а в отдельных случаях—до 80 м;
3) пустынь или полупустынь аридной зоны, если вторичные литохимические ореолы или непосредственно рудные зоны перекрыты дальнеприносимыми отложениями мощностью до 20—40 м; 4) заболоченных равнин и торфяников при неглубоком (2— 10 м) залегании потенциально рудовмещающих коренных пород; 5) на участках, покрытых сплошным моховым покровом, где отбор литохимических проб затруднен и связан с большими затратами;
6) на участках, покрытых растительным покровом, и со слепыми литохимическими ореолами рассеяния, верхняя граница которых находится на глубине не менее 1 м от дневной поверхности;
7) на участках, перекрытых крупноглыбовыми куррумовыми осыпями, поросшими деревьями и кустарниками;
8) на болотах (при условии их промерзания и возможности зимнего отбора проб).
В зависимости от поставленной задачи биогеохимические исследования делятся на региональные (1:200000—1:100000); собственно поисковые (1:50000—1:25000) и детальные (1:10000).
Региональные работы. Они способствуют выяснению общей геохимической и биогеохимической характеристики районов', при их проведении возможно обнаружение биогеохимических ореолов части месторождений. Основным же заданием на этом этапе должно быть проведение опытно-методических исследований, обеспечивающих эффективное ведение поисков биогеохимическим методом на последующих этапах.
Собственно поисковые работы Эти исследования должны привести к обнаружению биогеохимических ореолов новых месторождений полезных ископаемых и установлению общих закономерностей. их размещения. При проектировании глубинного геологического картирования с прогнозированием полезных ископаемых биогеохимические поиски должны предшествовать бурению, а их данные — учитываться для определения мест заложения скважин.
Детальные работы. Основная задача этих исследований выявление и оконтуривание биогеохимических ореолов месторождений, отдельных рудных зон и тел.
3.2. Опытные работы
Опытные работы должны проводиться над рудными телами и безрудными участками и включать ботанические и биогеохимические исследования. При ботанических исследованиях определяют основные виды растений, произрастающих в данном районе, и составляют гербарий. С помощью биогеохимических опытных работ решают следующие задачи: 1) определение влияния фенологических фаз развития и возраста на содержание элементов-индикаторов в наиболее распространенных растениях района; 2) установление закономерностей распределения элементов-индикаторов по частям растений; 3) выявление особенностей связи между металлами в растениях; 4) установление у основных растений района физиологических барьеров поглощения элементов-индикаторов; 5) определение растений, наиболее пригодных для опробования; 6) выявление комплекса элементов-индикаторов, определение содержаний которых необходимо проводить в пробах; 7) установление морфологических и биохимических особенностей биогеохимических ореолов в зависимости от состава и размеров рудных тел и вторичных литохимических ореолов, от мощности рыхлых отложений, ландшафтно-геохимических условий; 8) определение в конкретных ландшафтно-геохимических условиях глубинности метода при отборе в пробы основных растений; 9) сопоставление результатов биогеохимических поисков с литохимическими; 10) установление различий в распределении основных элементов-индикаторов в одних и тех же растениях, произрастающих в различных ландшафтно-геохимических условиях.
3.3. Отбор и обработка проб
Общие положения. Сеть пробоотбора при проведении биогеохимических исследований, ориентировка профилей и последовательность укрупнения масштаба работ должны соответствовать требованиям, предъявляемым к производству литохимических поисков по вторичным ореолам. Один вид растений должен опробоваться подряд не менее чем на пяти точках по профилю. При опробовании травянистых растений (соотношение между отдельными частями в которых всегда примерно одинаково) в пробу лучше брать всю надземную часть, кроме прикорневых листьев, загрязненных частичками почвы. При опробовании многолетних кустарников и деревьев в пробы всегда следует брать только одну и ту же часть растения (с кустарников и лиственных пород деревьев целесообразно отбирать в пробы листья, а с хвойных — прирост последнего года с хвоей).
Учет биологических барьеров при выборе растений для опробования. В настоящее время очень большое внимание при проведении биогеохимических поисков стало уделяться биологическим барьерам поглощения элементов, а соответственно — “барьерным” и “безбарьерным” растениям. Изучение анализов многих десятков тысяч биогеохимических проб показывает, что физиологический барьер накопления металлов, обычно являющихся индикаторами оруденения, начинает действовать после получения растением такой их “порции”, которая превышает аномальное содержание этих же элементов в растении для данного ландшафта. Однако в связи с этим следует еще раз подчеркнуть, что для каждого растения необходимо определять фоновое и аномальное содержания в каждом геохимическом ландшафте. Поступление повышенных содержаний каких-либо элементов в растениях вызывает нарушение ранее существовавших связей между элементами в организме. В результате этого в растениях накапливается в аномальных концентрациях (повышенных или сниженных) ряд косвенных элементов-индикаторов.
Основные особенности отбора проб. .При отборе проб необходимо уделять внимание ботаническим признакам, указывающим на возможное нахождение месторождений полезных ископаемых. Такими признаками могут быть: 1) физиологические и морфологические изменения растений; 2) появление локальных и универсальных растений-индикаторов; 3) смена растительных ассоциаций, не объяснимая с точки зрения измерения экологических условий; 4) существенные отклонения в форме развития растений (раннее или позднее цветение, ранний или поздний опад листьев и т. п.); 5) признаки угнетения или не объяснимое другими причинами отсутствие растительности.
Обработка проб. Отобранные биогеохимические пробы в полевых условиях сушатся и измельчаются. В случае сильного запыления пробы нужно промыть дождевой или чистой речной водой. Ввиду опасности “вымывания” элементов промывание следует проводить как можно быстрее. Затем в лаборатории пробы подвергаются озолению в специальных печах. Полученную золу прокаливают в муфельных печах в течение 4—6 ч при температуре 500—600 °С. В таких условиях в пробах выгорают органические вещества.. Прокаленная зона растирается и передается для проведения спектрального анализа
При необходимости определения в биогеохимических пробах легколетучих элементов (Hg, As, Sb и др.) пробы растворяют в кислоте (предварительно проверенной на отсутствие определяемых в пробах элементов) и анализируют раствор.
Комплекс элементов, подлежащих обязательному определению при региональных биогеохимических исследованиях, аналогичен таковому в изучаемых литохимических пробах, отбираемых при поисках по вторичным ореолам соответствующего масштаба. Элементы, определяемые в биогеохимических пробах при средне- и крупномасштабных поисках, устанавливаются после проведения опытных работ. Схема обработки проб показана на рис. 4 приложения
3.4. Изображение результатов анализа и оценка аномалий
Для исключения влияния сроков опробования растений на содержание в них металлов в пределах всего района поисков следует выделить площадь отбор проб в пределах которых можно произвести в одну фенологическую фазу развития опробуемых растений (для которых заранее устанавливается, какая их часть берется в пробы). Размеры таких площадей зависят в каждом конкретном случае от скорости смены фенологических фаз у опробуемых видов растений, от проходимости участка и от сезона пробоотбора.
В пределах выделенных площадей устанавливаются непосредственно участки сопоставимых проб. Практически выделение таких участков проводится при последовательном наложении сделанных на кальке карт геохимических ландшафтов и смены фенофаз опробуемого растения (для каждого растения делаются свои карты участков сопоставимых проб). Обычно в пределах площади, включающей до 10000 точек отбора проб, выделяется от 30 до 70 различных участков сопоставимых проб.
Выделение аномалий. В процессе математической обработки отдельно для каждого вида растений, произрастающих на определенных участках сопоставимых проб, устанавливаются аномальные содержания элементов в золе. Для выявления биогеохимических аномалий на планшет особыми значками или цветом выносятся содержания, значительно меньшие фонового, аномальные для двух и девяти коррелирующихся проб, а также для единичных проб. Затем выделяют “отрицательные” и “положительные” аномалии для каждого элемента на отдельном планшете. Потом составляется сводная карта аномалий с выделением на ней отдельных аномальных зон (рис. 5 приложения).
Оценка аномалий. Перспективность каждой аномалии рассматривается в зависимости от особенностей геологического строения, распределения элементов-индикаторов и изменения корреляционных зависимостей между ними. Все аномалии должны быть осмотрены на местности для отбраковки заведомо не связанных с месторождениями полезных ископаемых и для выяснения особенностей геологического строения аномальных участков.
На перспективных аномалиях обязательно проведение проверочной глубинной или поверхностной (в зависимости от мощности перекрывающих отложений) литохимической съемки по рыхлым отложениям. После дополнительных геохимических и геофизических исследований задаются горные или буровые выработки для вскрытия рудных зон в коренном залегании.
Данные биогеохимических съемок до сих пор остаются на уровне качественных результатов, что не дает ответа на основной вопрос — о преимуществах биогеохимического метода поисков, определяющих целесообразность его применения взамен других геохимических методов.
Список литературы
Алексеенко В. А. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. — М.: Высш. шк., 1989.
Соловов А. П. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. — М.: Недра, 1985.
Левинсон А. Введение в поисковую геохимию; пер. с англ. — М.: Мир, 1976.
Приложение
Рис. 1. Гидрохимический профиль вдоль Текелийской рудной полосы (Джунгарский Алатау). По В. А. Алексеенко
Рис. 2. Кольцевые газовые аномалии:
1 — контур нефтегазоносности; 2 — зона газовой аномалии
Рис. 3. Графики концентрации ртути над ртутным месторождением. (по В. А. Алексеенко)
1 — суглинки; 2 — сланцы; 3 — известняки; 4 — эффузивы; 5 — серпентиниты; 6 — листвениты; 7 — рудные тела; 8 — тектонические нарушения; 9 — скважины; 10 — точки измерений; 11 — график концентрации паров ртути; 12 — график концентрации ртути в твердой фазе.
Участок опробования - профиль рельефа с нанесенными точками опробования
Рис.4. Схема обработки биогеохимических данных. По А. Левинсону.
Рис. 5. Биогеохимическое пол рассеяния группы ртутных месторождений (поВ.А.Алексеенко):
1 — биогеохимические аномалии; 2 — зоны повышенных значений CHg в растениях; 3 — контур биогеохимического поля рассеяния; 4 — месторождения (1 — Сахалинское; 2 — Дальнее; 3 — Каскадное; 4 — Запорожское; 5 — Белокаменное; 6 — Фанарское); 5 — проявления киновари и точки минерализации.