Геохимические методы поисков месторождений

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.

Вам ужне известно, что одной из существенных особенностей развития человеческого общества является все убыстряющийся темп возрастания потребления различных полезных ископаемых: металлических, химического и энергетического сырья…Я уже приводил как-то цифры: за последние 30-40 лет извлечено из недр больше полезных ископаемых, чем за всю предыдущую историю человечества. А это значит, что на наших глазах вырабатываются крупные месторождения (которые природа „копила” миллионы лет), что число легко открываемых месторождений непрерывно сокращается (как шагреневая кожа) и ставится в повестку дня задача искать труднооткрываемые месторождения, т.е. такие, которые не выходят на дневную поверхность и не могут быть обнаружены обычными визуальными геологическими методами (по принципу: пришел, увидел, победил). К категории труднооткрываемых месторождений относятся перекрытые ( или погребенные) месторождения, рудные тела которых вместе с вмещающими их породами перекрыты более молодыми отложениями, а также невскрытые месторождения, рудные тела которых невскрыты эрозионными процессами.

Нужно ли специально подчеркивать, что число таких месторождений весьма велько, и безусловно вдальнейшем они будут играть всё возрастающюю роль в экономике минерального сырья, в приросте запасов. Это-наша „целина”, это- наш „геологический космос”.

Вот откуда вытекает необходимость в разработке новых методов поисков месторождений, именно таких труднооткрываемых месторождений полезных ископоемых. Здесь нет просто желания человека всё усложнять по мере развития науки. Здесь прямая жизненная необходимость. Вот истинная причина развития новых методов поисков. Кчислу новых относятся прежде всего геофизические и геохимические методы которые играют все большую и большую роль. Ещё А.В.Ферсман (1940) прозорливо отмечал: „ Проблема поисков месторождений полезных ископаемых- по существу своему проблема геохимическая”.

Однако далеко не сразу пришли к принятию этого положения. В течение известного времени шли по пути более детальной геологической съемки, справедливо полагая, что она лежит в основе прогноза, поиска и разведки месторождений. В университетах страны в 50-60-х годах готовили геологов-съёмщиков. Конечно, положительные результаты были получены. Однако, к началу 60-х годов, в частности на территории УССР, оказалось, что даже детальная 1: 50000 и 1: 200000 съёмка мало что даёт для открытия невскрытых и погребенных месторождений нужны были новые методы. (так сказать: „ непришёл, а прошёл, не только не победил, но даже не увидел ”). Это в большой мере касалось и других районов нашей страны. Задача сводилась к концентрации внимания не на дорогостоящей съёмке, а на поисковых работах. Геологическую съёмку стали оценивать не по количеству заснятой площади или по её детальности, а потому, какие прогнозы она даёт для поиска и обнаружения новых месторождений, для прироста запасов минерального сырья. Высшая школа тоже отреагировала на изменение ситуации- в университетах была введена новая для них специальность- поиск и разведка месторождений полезных ископаемых. Правда, в последние годы к ней добавились слова „ геологическая съёмка”, ибо геологическая съёмка имеет в определённом смысле непроходящие значения.

Несколько слов из истории возникновения и развития геологических методов поисков. Сейчас уже общепринято, что эти методы зародились ещё в довоенные годы в нашей стране. Чтобы не быть голословным, сошлюсь на авторитетные свидетельства. Ловеринг (1955)- руководитель секции геохимической геологоразведочной службы США: „ геохимические методы применялись в 30-х годах в Северной Европе, где геологи Скандинавии и России достигли некоторых успехов. Интерес к этим методам в США возник только к концу Второй мировой войны”.

И.С. Вебб (1953) в обзоре достижений США в области геохимических методов поисков (куда он ездил поучиться этому делу для ведения соответствующих работ в Великобритании): „Первые систематические работы в этой области были проведены в СССР, где при поисках месторождений, частности олова, с успехом применялись геохимические методы... До 1947 г. геохимические на американском континенте применялись редко. ”

В настоящее время геохимические методы зародившиеся в СССР, широко применяются за рубежом: в США, Канаде, Австралии, на африканском континенте. Из имеющихся в иностранной литературе сведений о состоянии развития геохимических методов поисков можно судить, что за границей геохимические методы пока находятся на более низком уровне, чем у нас. Ряд вопросов, проблем, над которыми работают геохимики США, и других стран, являются пройденным этапом для нас. В особенности это относится к металлометрическим съёмкам, которые весьма широко применяются у нас. Однако начиная с 1965 г. в США, Канаде и др. странах наблюдается активизация новых методов. Интерес к геохимическим методам возрос особенно после применения передвижных полевых лабораторий (Блум, 1966), позволяющих оперативно прямо в поле анализировать собранный материал. Значительный опыт накоплен Канадскими геохимиками. Они выделяют три типа результатов, которые связаны с тремя различными уровнями детальности поисково- разведочных работ:

1. Выделение перспективных районов; 2. Выявление аномальных участков;

3. Открытие промышленных месторождений. Соответствующий уровень (характер) работ определяется как: региональный, уточняющий и детальный (Фортескье, 1967).

Нельзя не отметить, что за границей лучше обстоит дело с разработкой биохимических методов поисков. Короче, есть чему поучиться друг у друга.

Что же собой представляют геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых?

Геохимические методы основаны на выявлении интерпретации рассеяния химических элементов, которые создаются вокруг месторождений вследствие миграции элементов в окружающих месторождение породах, почвах, водах и даже растениях.

Ореолы могут быть открытыми, то есть выходящими на дневную поверхность, и закрытами, находящимися на какой-либо глубине в толще пород.

По времени образования различают:

1. Первичные (сингенетические) ореолы рассеяния,

2. Вторичные (эпигенетические) ореолы рассеяния.

Первичным ореолом месторождения называется зона рудовмещающих порд, окружающая месторождение, обогащённая в процессе рудообразования рядом химических элементов.

Форма первичного ореола определяется наличием и направлением зон трещиноватости и повышенной пористости рудовмещающих пород, а также условия и залегания рудных тел: крутопадающие или пологие (симмитричные или только в висячем боку ореолы). Размеры ореола также отпроницаемости вмещающих пород (трещины, поры и т.д.)

Вторичным литогеохимическим ореолом рассеяния месторождения называется зона аномально повышенного содержания химических элементов характерных для данного месторождения, в перекрывающих его рыхлых отложениях в почвах, образовавшаяся при гипергенном разрушении этого месторождения. Содержание химических элементов во вторичном ореоле обычно характеризуется промежуточными значениями между высокими содержаниями, свойственными месторождению, и низкими, отвечающими геохимическому фону района.

Литогеохимическим потоком рассеяния месторождения называется область повышенных содержаний химических элементов, характерных для данного месторождения, прлегающая ко вторичному ореолу рассеяния и развивающаяся в горных породах на путях твёрдого или водного стока. Ореолы рассеяния создаются около месторождений как следствие общей тенденции к выравниванию химических потенциалов в результате миграции элементов из пунктов их высокой концентрации к местам более низких концентраций. Содержание элементов в пределах ореолов рассеяния является повышенным по сравнению с натуральным фоном за его пределами, т.е. является аномальным.

Между первичным и вторичным ореолами рассеяния имеется такое принципиальное отличие; первичные ореолы - это переход от рассеянного состояния к концентрации, а вторичные «наоборот, от концентрации к рассеянному состоянию.

Мы уже отмечали, что ореолы рассеяния возникают вследствие миграции элементов вокруг месторождения. Такая миграция может осуществляться в разных видах: твердом, жидком, газообразном. В зависимости от формы миг- рация различают ореолы механические, водные и газовые.

1. Механические ореолы издавна использовались при поисках место-

рождений полезных ископаемых, переходящих в россыпи. С их помощью открывались многие месторождения. С точки зрения методической среди них удобно различать: а) крупнообломочные рудные макроореолы рассеяния, исполь­зуемые при визуальных геолого-минералогических поисках; б) среднезер нистые минералогические мезоореолы рассеяния, на которых основан шлиховой метод поисков; в) тонкодиспергированные геохимические микроореолы рассеяния, лежащие в основе геохимических методов поисков.

2. Водные ореолы - подземные воды или даже воды, выходящие на днев­ную поверхность, вблизи месторождения будут обогащены различными хими­ческими элементами из этих месторождений, которые переходят в растворённое состояние.

3. Газовые ореола используются при поисках нефти и горючих газов, а также радиоактивных руд.

4. Сорбционные ореолы - образуются в результате сорбции коллоида ми выносимых из месторождений химических элементов. Эти элементы легко извлекаются, поэтому, вероятно находятся в сорбированном состоянии.

Следует специально подчеркнуть, что размеры ореолов измеряются сотнями и тысячами метров. Площадь их во много раз превышает площадь месторождений, Поэтому ореолы обнаружить легче, чем рудные месторождения.

Итак, в зависимости от форм миграции, характера и способов образо­вания ореолов и способов их выявления различают следующие геохимические методы поисков.

1. Металлометрические или литогеохимический метод основанный на опробовании коренных пород, почв, эллювия, делювия, аллювия.

2. Гидрогеохимический, основанный на изучении состава подземных вод и поверхностных вод.

3. Биогеохимический, на основании состава (химического и видового) растений.

4. Газовая съемка - на изучении подземных газов (особенно газовых аномалий).

Литогеохимический метод

Из перечисленных методов в настоящее время наибольшим распространением пользуется металлометрический, основанный на определении содержания элементов в породах и почвах. Этот метод разработан в основном советскими учёными (Сафронов, Сергеев, Соловов). В зависимости от задач определяется и масштаб съемки: маршрутная, поисковая или разведочная. Обычно это 1:50000 и более мелкая, вплоть до 1:1000000. На сегодня металлометрической съёмкой покрыты многие сотни тысяч кв.км. Исследованы сотни миллионов проб. Особенно большие работы проведены по открытию и расширению перспектив старых месторождений свинца, цинка, вольфрама, молибдена, меди и др. элементов. Интересно отметить, что металлометрическая съемка позволяет открывать новые месторождения на площадях, покрытых геологической съёмкой 1:50000 и даже крупномасштабной, т.е. открывать то что не мог заметить геолог-съёмщик и поисковик. Дело в том, что во многих случаях, несмотря на большие площади ореолов рассеяния они являются "невидимыми", т.е. в них нет видимых визуально или, даже оптически рудных минералов. Рудные элементы в них рассеяны либо в виде тонкодисперсных зерен первичных или вторичных минералов, либо в сорбированном состоянии в коллоидах пород и почв.

Вот почему основным методом обнаруживания рудных элементов в таких ореолах является спектральный анализ, который позволяет быстро и с достаточной степенью точности и чувствительности определить содержа­ние элементов, выявить аномалии.

Необходимо особенно сказать о шлиховом анализе, высокоэффектив­ном методе поисков. имеющем ограниченные области своего применения. Прежде всего это ограничение по степени дисперсности, о чем выше только что упоминалось. Далее, шлиховая съёмка мало эффективна в районах маловодных. На склонах речных долин, тем более на водоразделах. Более того, если раньше месторождения золота находили в основном шлиховым методом, то сейчас разрабатывают и применяют даже ауриметрическую съемку для случаев в весьма мелким рассеянием полезного компонента.

Полученные данные по содержанию в пробах элементов сравнивают с "фоновыми" содержаниями их, т.е. с содержанием их в заведомо безрудных участках - так устанавливается аномалия.

При отборе проб необходимо учитывать особенности рельефа, геологического строения, ибо в районах подзолистых почв, где многие элементы выщелочены, пробы надо брать с большей, чем 50 см глубины, тогда как в сухих районах – с глубины 10-15см.

По полученным данным строят геохимические карты и профили, которые позволяют наглядно судить об изменении содержания элементов в пространстве (на площади и в разрезе), такие карты позволяют правильно направлять поисково-оценочные работы.

Ещё 10-15 лет назад строили карты геохимических аномалий, а не собственно геохимические карты, которые дают максимальную пользу. Если карты аномалий "потребляя" около 20% данных, то на построение геохимических карт идёт 100% данных. Отсюда важность машинной обработки данных геохимического опробования. Кроме того, при ручном способе построения карт трудно освободиться от предвзятости, Машинная обработка обеспечивает объективность оценки, а не только выигрыш времени. По интенсивности окраски на таких картах хорошо видны геохимические аномалии. На таких геохимических картах, наложенных на геологическую основу, можно видеть также, как контролирует расположение аномалии стратиграфический, литологический, тектонический контроль, отдельные структуры.

2. Гидрогеохимический метод

Он основам на способности химических элементов переходить в раствор и мигрировать в природных водах. В результате возникают водные ореолы рассеяния, характеризующиеся аномальным содержанием элементов. Водные ореолы и потоки рассеяния наблюдаются в подземных и поверхностных водах, дренирующих месторождения. Они являются вторичными ореолами, эпигенетическими, т.к. образуются за счёт разрушения месторождений.

Правда, в результате водной миграции могут образовываться и первичные ореолы за счёт рудоносных растворов, образующих месторождения. И хотя миграция осуществляется в форме растворов, но в ореолах элементы находятся уже в твердой форме, в виде минералов или сорбционных систем - это зоны гидротермального изменения пород вокруг гидротермальных месторождений.

Укажем на некоторые особенности и преимущества водных ореолов и гидрогеохимического метода.

1. Миграция элементов в природных водах возможна на относительно большие расстояния, чем в твердом виде. Поэтому, с помощью этого метода можно обнаружить месторождение, залегающее на глубинах 100 и более метров.

Особенно удобно применять этот метод в горных районах при наличии глубоко промываемых структур, когда на поверхность на склонах гор и в долинах выходят воды глубокой циркуляции, которые на своём пути могли бы встретить рудные тела иди ореолы их рассеяния. Другими словами, метод весьма эффективен в условиях расчленённого рельефа.

2. Необходимые поисковые данные можно получить на основании ана­лиза небольшого числа проб воды (вода - хорошая среда для миграции усредненного содержания).

Гидрогеохимический метод особенно применим для поисков месторож дений гидрогенных элементов: меди, молибдена, цинка, урана, свинца и др.

Хорошо изучены водные ореола рассеяния, создающиеся вокруг сульфидных месторождений в результате процессов их окисления. Характерные признаки таких ореолов;

а) повышенное содержание рудных элементов,

б) повышенное содержание ионов [SO4] (особенно по сравнению с CI ),

в) пониженное значение рН.

По этим признакам легко обнаруживаются сульфидные руды. Хорошо изучены такие водные ореолы вокруг урановых месторождений.

Вопрос о наличии аномальных содержаний химических элементов решается также как при металлометрическом методе, т.е. путем сравнения полученных данных с фоновым содержанием для данной геохимической провинции. Среднее содержание элементов в подземных водах данной провин­ции называется нормальным геохимическим фоном. Величина его зависит от ряда причин, в частности, от климата. Чтобы как-то нейтрализовать влияние этого фактора, пересчет идёт не на г/л, а в процентах к сухому остатку.

Образование водных ореолов рассеяния способствуют:

I. Наличие хорошо развитой зоны окисления месторождения.

2, Наличие глубоко промываемых структур, облегчающих доступ подземных вод к рудным телам.

3) Замедленный водообмен, обеспечивающий длительное соприкосновение вод с рудными телами или их ореолами.

4. Кислая среда и химически инертные породы, по которым циркули руют подземные воды.

Гидрогеохимический метод имеет и недостатки:

1. Трудность интерпретации геохимических аномалий, что связано с их большой протяжённостью.

2. Большое число ложных аномалий, связанных не с наличием месторождения, а с обычным содержанием элементов в породах, но по разным причинам обогащающим подземные вода (рН среды, дисорбция).

3. Биогеохимический метод.

У древних греков было поверье про волшебный (адамов корень). Кто им обладает, тот получает вечную молодость и красоту, перед тем открываются все подземные богатства. Но это поверье. А что говорит наука об использовании растений в деле поисков месторождений?

Ещё средневековые рудознавцы знали особую галмейную фиалку - указатель цинковых руд и др. Сейчас список таких растений-указателей руд и пород значительно пополнился.

Резкое проявление изменения химического состава почв и почвообразующих материнских пород, в частности, проявление высоких концентра

ций разных элементов могут вызвать местные изменения биологических особенностей растений. Эти изменения могут выражаться

в следующем:

1.В смене видового состава растительных ассоциаций и появления

специфических растений, являющихся индикаторами на определённые химические элементы. Это растения - универсальные индикаторы (галмейная фиалка - на цинк, калифорнийский мак - на медь, жимолость на золото и т.п.). Чаще же наблюдается другой случай: растения селятся где угодно, предпочитают почвы, обогащённые каким-либо элементом. Это лекальные индикаторы. Иногда растения «впадают» в другую крайность - избегают мест с повышенным содержанием химических элементов. Это тоже показатель Почвы, богатые бором или хромом - почти без растений.

2. В появлении необычных форм обычных растений, изменений темпов их развития (угнетение или пышный рост), в появлении патологических изменений стеблей, листьев, цветов. Это симптоматические индикаторы.

Все эти моменты лежат в основе геоботанических методов поисков месторождений. Поскольку ярко выраженные изменения этого рода встречаются не часто, геоботанические методы имеют подчиненное значение. В большинстве же случаев никаких внешних проявлений в растениях не наб­людается. И здесь уже на первый план выступает универсальный биогеохимический метод, при котором изучается не ботанический вид растений, а их химический состав (анализируется зола растений).Опыт показал, что растения, растущие над месторождениями, могут резко обогащаться хими­ческими элементами (в сотни раз),но это может никак не отразиться на их внешнем облике.

Работами А.П.Виноградова и его сотрудников показано, что между содержанием элементов в почвах и в прорастающих на них растениях су­ществует достаточно точная корреляция. Это положение и является теоретической основой биохимического метода.

В зависимости от глубины корневой системы растения могут дости­гать рудных тел или их ореолов на глубинах более 10 м. Важно здесь и то, что растение своими корнями может достигать до рудного тела или его ореола и через слой пустой породы (аллювий, эоловые пески, морена и т.д.), когда в принципе не применим литогеохимический метод. Так, Ранкама (Финляндия) обнаружил Сu- Нi рудные тела, перекрытые слоем в 3-4м безрудной морены, анализируя никель в листьях березы. Поэтому-то этот метод получил особенное развитие в таежных и нивальных условиях Канады и Скандинавии.

Пробы надо брать из древесных форм(корни поглубже),из распространенных форм в районе, один и тот же вид растений, одни и те же его части (ветви, листья, корни, плоды), только в этом случае можно рассчитывать на сопоставимые результаты. Нельзя не сделать и такие предостережения. Есть ряд растений концентраторов химических элементов, которые способны обогащаться какими-либо элементами независимо от содержания их в субстрате. Такие растения надо знать, чтобы они не ввели в заблуждение, не привели к открытию ложных аномалий. Нельзя не упомянуть и о таких на первый взгляд курьезных аспектах.

"Ботаническая металлургия" - эта одна из возможных новых отраслей. Фантастика? Но в ней рациональное зерно. Растения могут аккумулировать в себе редкие элементы. Поэтому некоторые считают: настанет время, будут спе­циально культивировать определённые растения – накопители…Фантастика? Но из водоросли - ламинарии мы добываем йод.

Или вот еще. "Четвероногие рудознатцы". На полигоне института геологи Карельского филиала АН СССР начали обучать собак на поиски никелевых руд. Успехи налицо. А искать такие руды обычным методом в условиях выщелоченных подзолов, северных болот нелегко.

"Разведчики недр пчелы". На одной из пасек на Южном Урале исследо­вали мёд. Оказалось - в нем в повышенном содержании ряд элементов, харак­терных для данного района. А вы думали, что пчёлы только мёд дают да кусают. Они "помогают" геохимически обследовать район.

Некоторые считают, что в будущем возможно удастся приспособить термитов для поиска ценных минералов, и они станут помощниками геологов. Дело в том, что термиты, живя в пустынях, проникают в глубь пород на десятки метров и утоляют жажду водой глубоких горизонтов. В их телах аккумулируются химические элементы, которые могут оказаться своеобразным индикатором имеющихся на глубине полезных ископаемых или вод.

4.Поиски месторождений по газовым ореолам рассеяния.

Газовые методы основаны на использовании миграции газа, генетически связанного с полезным ископаемым. Сюда относятся прежде всего так называемые прямые геохимические методы поисков нефти и газа, разработанные еще в 1947 году Соколовым. Суть метода, который Соколов назвал газовой съемкой заключается в определении подпочвенных слоях содержания нефтяных угле­водородов, продиффундировавших туда из залежей нефти или природного газа. Наличие углеводородов обнаруживается либо непосредственно путём анализа подпочвенного воздуха, либо посредством изучения продуктов их изменения или воздействия их на окружающие породы и воды или даже на микрофлору. Соответственно этому Соколов выделяет в пределах нефтегазосъемки такие прямые методы поисков нефти и газа:

I. Газовая съемка. Возможны три варианта:

а) определение свободного газа;

б) определение сорбированного газа;

в) газодебитный метод.

Берутся пробы газа (свободный газ) или пробы пород (сорбированный газ) с глубин 1,5-2,0 специальными газоотборниками по сетке или заданными профилями.

2. Битумный метод. Содержание битумов определяется:

а) люминесцентным методом;

б) эксртакционным методом.

3. Бактериосъемка - определяется наличие бактерий, способных усваи­вать углеводороды.

4. Газовый каротаж - по глинистому раствору, керну.

5. Битумный каротаж - по глинистому раствору, керну.

По результатам каротажа строят графики содержания газов или битумов вдоль створа (разреза) скважины, решают вопросы о продуктивности от­дельных горизонтов или о перспективности ещё не вскрытых горизонтов.

При поисках радиоактивных руд используется эманационная съёмка, с помощью которой изучаются тоже вторичные газовые ореолы рассеяния, которые возникают вследствие непрерывного выделения эманации глубокозалегающими рудами. Концентрация эманаций убывает по мере удаления от радиоак­тивных руд. Основной недостаток метода: сравнительно малая глубинность, обусловленная быстрым распадом эманации (но одновременно - это и досто­инство метода - небольшая протяженность ореола).

Сравнивая между собой рассматриваемые выше методы, можно отметить, что применение их часто называется конкретными условиями, когда один метод не может быть заменен другим, один метод в данной ситуации является эффективнее другого или не является единственно возможным в данных условиях. Поясню это на примерах.

Вторичные ореолы рассеяния месторождений полезных ископаемых, выявляемые биогеохимическим методом, в общем случае могут быть обнаружены и с помощью литогеохимического метода, поскольку повышенное содержание элементов можно отметить, анализируя почву. Если это так, то применение в общем более сложного биогеохимического метода нецелесообразно.

Однако существуют условия, когда биогеохимический метод поисков имеет явные преимущества перед литогеохимическим. В районах гумидной зоны из верхних горизонтов почвы интенсивно выносятся почти все химические элементы (пятый ряд подвижности Полынова). В этом случае эффективнее и выгоднее экономически использовать биогеохимический метод, поскольку растения своими корнями проникают глубоко в субстрат.

Биогеохимический метод имеет преимущества перед литогеохимическим в районах, где месторождения или их ореолы перекрыты принесенными со сторо­ны осадками, породами, а растения своими корнями могут достигать рудных тел или их ореолов через слой пустой породы.

Итак, абстрактных истин нет, истина всегда конкретна. Это положение справедливо и к случаю, когда мы пытаемся решить вопрос об эффективности того или другого геохимического метода применительно к конкретной ситуации.