Глава 4. Атмогеохимическое рассеяние

Атмогеохимические исследования широко используются для решения поисковых, экологических, прогнозных, генетических и других задач. Газы являются наиболее подвижным флюидом на нашей планете и находятся в тесном взаимодействии (парагенезисе) с подземными водами, образуя с ними динамичную систему вода ↔ газ. Поэтому с помощью газа можно получить весьма важную информацию о подземной гидросфере, о процессах, которые в ней происходят, о возрасте и генезисе воды. Изучение газа дает положительный эффект при поисках месторождений каустобиолитов, газов, руды, радиоактивных элементов и др. Информативность получаемых при этом результатов очень высокая, хотя поисковые показатели, используемые в этих случаях, оказываются косвенными, а не прямыми. Главным достоинством газохимических методов исследований является их глубинность. По этим данным можно установить условия и генезис газонакопления на глубинах 600-800 и более метров. Весьма перспективно использование газогеохимических данных для решения экологических задач. Изучение подвижности газов, направленности изменения физико-химической обстановки позволяет характеризовать ореолы загрязнения, их возраст, контрастность, состав и динамику. Генетические задачи обычно решаются на участках газогидротермальной деятельности областей современного вулканизма, активной тектоники и глубинного дыхания Земли. Необходимость решения прогностических задач обычно возникает в сейсмоопасных районах, где возможно проявление интенсивных землетрясений. Изменение состава подземных газов, режима их поступления на земную поверхность могут использоваться как важный показатель предвестников землетрясений.

Объекты газогеохимических исследований расположены в приземном слое атмосферы, зоне аэрации и в подземной гидросфере. Газ изучается в разных формах существования: свободной – в атмосфере или в газовой залежи; растворенной – в воде, нефти или в других флюидах; газовожидких включениях, сорбированном состоянии. Могут также изучаться продукты дегазации, взаимодействия газовых фаз, аэрозольные вещества, минеральные образования газотермальных проявлений. Атмогеохимические методы применяются обычно в комплексе с другими видами геологического и геохимического опробования, поэтому исследуется не только газ, но и вмещающие его воды, породы, руды, различные минеральные соединения.

Использование атмогеохимических методов в поисковых целях. Оно дает наибольший эффект при изучении месторождений, формирование и разрушение которых сопровождается обильным газовыделением, образованием обширных и контрастных газовых ореолов рассеяния. Такие условия возникают прежде всего на участках нефтегазонакопления. Заметное проявление газов наблюдается на участках образования скарновых, грейзеновых и гидротермальных месторождений, а также месторождений каменного угля (метан). Среди последних наибольшей активностью в этом отношении выделяются сульфидные и ртутные месторождения. При нефтепоисковых работах по газохимическим показателям наиболее важное значение имеет обнаружение тяжелых углеводородов и метана. Кроме того, изучается присутствие в растворенной или свободной формах углекислого газа, азота, водорода, кислорода, аргона, гелия и других газов. При оценке результатов газового опробования проводится комплексный анализ геологических материалов: литолого-структурных, геодинамических, гидрогеохимических, микробиологических и др.

В рудопоисковой атмогеохимии газовые показатели рассматриваются в зависимости от участия газов в процессах формирования и разрушения месторождений. Они объединяются в следующие группы: 1) рудообразующие (CO₂, H₂S, CH₄, SO₂, H₂, летучие соединения галогенов и др.); 2) запечатанные в виде газовожидких включений, остаточные после рудообразования газов (CO₂, N₂, CH₄ и др.); 3) глубинные газы мантийного, метаморфогенного генезиса и другие, характеризующие дыхание глубоких слоев Земли (CO₂, He, H₂, углеводороды, N_2, Rn и др.); 4) гипергенного происхождения, образующиеся в зоне окисления сульфидных и других рудных месторождений (CO₂, H₂S, SO_2, а также пары ртути).

В зависимости от указанных генетических особенностей газов устанавливается набор поисковых показателей рудных месторождений. Особое значение имеет изучение изотопов, их соотношения в газовой фазе. Например, отношение He³/He⁴ используется для изучения мантийной составляющей газов, если оно превышает 10^-5. Отношение Не/Аr используется для оценки степени водообмена глубоких горизонтов нефтегазоносных провинций. В том случае, когда это отношение превышает 0,1-1,0, условия водообмена считаются весьма затрудненными. Для решения различных генетических задач используют также соотношения изотопов – азота, аргона, ксенона, кислорода, водорода. По содержанию радиоуглерода (С¹⁴) и трития судят о возрасте воды.

Методика атмогеохимических исследований. Основной фактический материал этих исследований систематизируется и анализируется после отбора проб свободно выделяющегося и растворенного газа. Свободный газ может выходить из трещин, горных выработок, скважин, колодцев, источников. Он образует фонтаны, потоки, струи, а на водной поверхности проявляется в виде пузырьков. В любом случае исследователь должен обеспечить чистоту отбираемой пробы без примесей атмосферного воздуха. Это достигается путем вытеснения газом воды из бутылки, перевернутой в водном резервуаре. Собирается газ с помощью воронки, накрывающей газ в месте его выделения, и шланга, заведенного в горлышко бутылки. Объем пробы для анализа составляет 0,4-0,5 л.

Для отбора растворенного в воде газа используется метод вакуумирования или термовакуумирования. Первый способ основан на том, что из бутыли объемом примерно 12 литров откачивается воздух и создается вакуум 0,1 атм. Под действием вакуума вода из водопункта поступает в бутыль, заполняя около ³/₄ ее объема. Затем воду дегазируют, отбирая газ, выделившийся в вакуумное пространство. Далее, как и в случае со свободным газом, перегоняют полученную пробу в заполненную водой бутылку. Объем полученной пробы равен обычно 0,15-0,2 л. При термовакуумировании дегазацию изучаемых вод проводят с помощью нагрева и последующего кипячения воды.

Водно-гелиевая съемка используется для выявления и трассирования активных тектонических разломов. Гелий относится к числу газов, характеризующих глубинное дыхание недр. Накапливаясь в глубинных тектонических зонах структур фундамента, он может проникать к поверхности Земли через осадочные толщи мощностью в несколько километров. Таким образом, повышенная концентрация гелия может «просвечивать» в земные недра на большие глубины. При водно-гелиевой съемке отбираются пробы воды после прокачки водопункта. Объем пробы примерно 150 мл воды. Концентрация гелия фиксируется с помощью специального прибора. Водно-гелиевая съемка может проводиться по площади в пределах одной водоносной системы, например, грунтовых вод, а также поинтервально в разных водоносных горизонтах для получения представления о распределении гелия с глубиной.

Отбор подземного воздуха проводится для изучения состава подземной атмосферы в зоне аэрации. Глубина отбора обычно не превышает десятков сантиметров-нескольких метров. Для этой цели используются неглубокие скважины, искусственные углубления, сделанные с помощью лома или других инструментов. В отверстие, через которое изучается зона аэрации, вставляется шланг. Он герметизируется так, чтобы в ствол скважины или проделанного отверстия не проник наружный воздух. После этого из шланга проводится откачка подземного воздуха с помощью ручного насоса. Отбор пробы газа выполняется в конце откачки по схеме свободно выделяющегося газа в бутылку, наполненную водой. Объем пробы примерно 0,4 л. Наибольший эффект рассмотренный метод дает на участках почвенно-покровных отложений, в которых формируются контрастные и весьма разнообразные по составу газовые ореолы рассеяния. Такие условия возникают в районах разрушения сульфидных месторождений, нефтяного загрязнения, захоронения промышленных и бытовых отходов.

При аэрозольном опробовании изучается как наземный, так и подземный воздух. В наземном воздухе аэрозоли имеют естественное или искусственное происхождение. Природное загрязнение воздуха связано прежде всего с выбросом пепла при извержении вулканов. При крупных извержениях пепел разносится на расстояние нескольких тысяч километров, а площадь его осаждения достигает иногда до 1-3 млн км². Весьма большое количество взвешенных веществ переносится при пылевых бурях, ураганах и смерчах. Соль приносится ветром с морских акваторий на побережье, а на поверхность Земли непрерывно падает космическая пыль.

Техногенное загрязнение воздуха обусловлено прежде всего его промышленным и радиоактивным происхождением. При обильном выбросе в атмосферу продуктов сгорания в воздух попадает большое количество сернистых и азотных соединений, которые являются причиной образования кислотных дождей. Испытания ядерного оружия и катастрофы на атомных электростанциях являются причиной радиоактивного загрязнения воздуха.

Отбор аэрозолей в подземном воздухе обычно проводится в связи с изучением пылевой обстановки в горных выработках при поисковых геохимических исследованиях. Степень запыленности подземного воздуха должна соотвествовать нормативным требованиям, которые предъявляются к условиям проходки и эксплуатации горных выработок. Геохимическое опробование аэрозолей используется как дополнение к опробованию газа зоны аэрации. Оно представляет собой модификацию литохимической съемки, поскольку исходным материалом для химического анализа служит тонкая взвесь.

Ртутная съемка образовалась как самостоятельный вид исследований благодаря высоким миграционным свойствам ртути. Пары ртути могут улетучиваться от рудного тела вверх на расстояние нескольких сотен метров. Поэтому рассматриваемый метод относится к глубинным методам исследования. Для изучения ореолов рассеяния ртути разработана и используется специальная аппаратура.

Изучение газовожидких включений в кварце и других минералах позволяет получать палеоинформацию об условиях образования древних гидротерм. Во-первых, можно выяснить температуру их образования. Для этого нагревают кристалл, содержащий защемленные флюиды и определяют температуру, при которой произойдет растворение газового пузырька в окружающей его жидкой вакуоли. Во-вторых, с помощью специально разработанной методики можно провести химический анализ состава газовых пузырьков и окружающих их жидких включений. Полученные таким образом данные позволяют судить о физико-химической обстановке гидротермального рудообразования и правильно планировать поисково-разведочные работы.

Количество видов и методов исследования, число изучаемых объектов рассеяния газов природного и техногенного происхождения становится все больше и больше. Весьма перспективно изучение газоносности современных вулканогенных районов, сейсмически активных тектонических областей, дна Мирового океана, глубинных зон земной коры. Важное научное и практическое значение имеет изучение участия газов в формировании месторождений нефти, руды и других полезных ископаемых, их роли в создании окислительно-восстановительной обстановки, процессах литогенеза, седиментации и физико-химического преобразования нашей планеты.