Лекция 3. Общие понятия о геохимических аномалиях

Геохимическая аномалия-это отклонение от геохимических норм, свойственных либо определенному типу – пород, растений, вод, либо – геохимическому ландшафту, либо определенному району. Это значительное повышение или понижение содержания элементов по сравнению с фоном. Геохимические аномалии различаются по размерам: локальные, отвечающие по размерам рудным телам или месторождениям; региональные, соответствующие полям концентрации и перераспределения или полям рассеяния.

Региональные аномалии выявляются при мелкомасштабных геохимических исследованиях, а локальные – при средне- и крупномасштабных.

Геохимические аномалии по отношению к телам или месторождениям полезных ископаемых можно разделить на перспективные, неперспективные и ложные.

Перспективные аномалии генетически связаны с полезными ископаемыми, поэтому они в первую очередь должны исследоваться при поисках отдельных тел и месторождений полезных ископаемых.

Неперспективные аномалии – это геохимические аномалии, связанные с повышенными, но не промышленными концентрациями элементов в горных породах (это могут быть отдельные точки и зоны рассеяния). На первых этапах работ, очень трудно отличить неперспективные аномалии от перспективных, для этого необходимо учитывать конкретные геохимические и геологические особенности участка. Часто большинство трудно различимых аномалий отбраковывается после проведения горных и буровых работ.

Ложные аномалии отличаются от выше описанных тем, что они не связаны со сколько-нибудь повышенным для данного типа пород содержанием каких-либо элементов. Возникновение ложных аномалий вызвано либо неправильным объединением в одну выборку проб, либо неправильным ландшафтно-геохимическим районированием территории, либо при проведении поисков не учитывались биогеохимические особенности растений.

В зависимости от распределения содержаний элементов аномалии могут быть положительными или отрицательными. Первые отличаются повышенными концентрациями элементов-индикаторов, вторые – резко пониженными (так отрицательные аномалии ряда металлов выявлены в горных породах на пегматитовых месторождениях). Для выделения аномалий необходимо определить минимальное аномальное содержание (Сан) или верхний и нижний пределы его колебания относительно нормального фонового (Сф) содержания.

Сан = Сф + 3S;

где Сан – аномальное содержание элемента,

Сф – фоновое содержание элемента,

S – среднеквадратическое отклонение.

Все ранее рассмотренные геохимические аномалии относятся к природным, т.е. образовавшимися без вмешательства человека.

В период формирования ноосферы гипергенная миграция химических элементов стала во многом определяться антропогенной деятельностью. В результате на ряде геохимических барьерах сформировались аномалии, вызванные этой деятельностью. Такие аномалии получили название «техногенных». В настоящее время техногенные процессы достигли таких масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах под их воздействием возможно накопление определенных элементов (соединений) в промышленных концентрациях.

Техногенные барьеры В.А. Алексеенко (2000 г.) предложил называть «социальными геохимическими барьерами». Под этим термином объединяются зоны складирования как промышленных, так и бытовых отходов. Техногенные источники этих веществ, попавших в миграционный поток, называют загрязнителями. Ими могут быть отдельные предприятия, горные выработки, определенные сельскохозяйственные ландшафты. Размеры техногенных аномалий колеблются в широких пределах (от нескольких км до 100 км). Элементы в техногенных аномалиях могут находиться в минеральной, биогенной или изоморфной формах, в виде растворов и газовых смесей.

Основными критериями разделения аномалий на природные и техногенные являются – морфология аномалий, их приуроченность к определенным горным породам и геологическим структурам, а также ассоциации химических элементов, образующих эти аномалии.

Исходя из положения В.И.Вернадского, что «в любом природном объекте содержатся все химические элементы», следует отметить, что довольно часто на отдельных участках земной коры в коренных породах, почвах, водах, атмосфере ряд элементов накапливается совместно. И это совместное накопление принято называть «ассоциация элементов». Такое совместное накопление элементов можно объяснить общностью условий миграции, обусловленных внутренними и внешними факторами. Если на концентрацию определенных элементов решающее влияние оказывают сходные внутренние факторы, то ассоциации элементов, находящихся в повышенных содержаниях, сохраняются в широком диапазоне различных ландшафтно-геологических условий. Например: устойчивые ассоциации—U, Pb, He, Th-Pb-He, K-Ar, образование которых связано с радиоактивным распадом.

Если же на образование ассоциаций основное влияние оказывают внешние факторы, то совместное нахождение элементов ограничено комплексом определенных условий (Т, Р, pH и т.д.). Например: ассоциация – Au-Cu-As-Pb-Zn-Fe типична только для золотосульфидных руд, при выветривании которых могут возникать новые ассоциации: Au-As-Fe, Cu-As-Zn-Au-Fe и т.д.

Для техногенных геохимических аномалий характерны своеобразные ассоциации химических элементов, которые определяются в основном уровнем развития науки и техники в период загрязнения. Такие аномалии представлены – свинцом, цинком, медью, молибденом, никелем, ванадием, кобальтом, барием, марганцем, титаном, хромом, железом – их еще называют «загрязняющими веществами». В техногенных аномалиях контуры, образуемые отдельными элементами, часто не совпадают. Контрастности техногенных аномалий каждого элемента могут быть резко различными.

При проведении геохимических исследований часто приходится иметь дело с ассоциациями элементов, составляющих минералы, слагающие различные горные породы (осадочные, магматические, метаморфические). Как пример можно привести данные об ассоциациях элементов, находящихся в повышенных концентрациях в коренных породах на месторождениях полезных ископаемых (таблица 3.1).

Этот неполный перечень ассоциаций элементов в различных типах полезных ископаемых свидетельствует о многообразии сочетаний различных элементов. Кроме знаний ассоциаций минералов необходимо учитывать ассоциации элементов-примесей, находящихся в повышенных содержаниях в минералах-хозяевах. При этом образование одной части элементов-примесей объясняется законами изоморфного замещения. Образование же второй части, представляющей собой механическую примесь в минералах, можно объяснить неполным разделением веществ по миграционной способности. Часто изучение элементов-примесей значительно увеличивает эффективность поисковых работ.

Таблица 3.1 - Ассоциации элементов, находящихся в повышенных концентрациях в коренных породах

Как известно, в подземных водах на месторождениях почти всех типов встречаются в повышенных содержаниях Cu, Zn, Mo, являющиеся «проходящими» минералами. Их содержание не свидетельствует об оруденении, но значительные концентрации этих элементов могут иметь поисковое значение. В связи с этим, применение гидрохимического метода поисков рудных месторождений предполагает знание ассоциаций элементов, находящихся в повышенных содержаниях в водах месторождений различного типа.

Кроме прямых индикаторов оруденения в поверхностных и подземных водах, большое значение имеют косвенные элементы-индикаторы. Так, одним из лучших гидрохимических индикаторов полиметаллического оруденения является кадмий.

Гидрогеохимические поиски кимберлитовых трубок могут вестись по повышенным концентрациям Zn, Ni, Co, Cr, V, Ga, Cu.

Использование газовой съемки для поисков рудных месторождений началось сравнительно недавно. Определенные ассоциации газов отмечаются как над радиоактивными, так и над нерадиоактивными рудными телами. Так в коренных породах и почвах над полиметаллическими и ртутными месторождениями в повышенных содержаниях встречаются диоксид углерода, водород и пары ртути. Над колчеданными месторождениями – диоксид углерода (до 4%) и сероводород; над золотосодержащими сульфидными рудами – диоксид углерода и азот, а над группой сульфидных месторождений отмечаются повышенные содержания – H₂S, CO₂, SO₃.

Особое место занимают ассоциации элементов, вызванные биогеохимическими процессами. Их образование с одной стороны обусловлено физиологическими потребностями живой материи, а с другой - химическим составом окружающей и питающей среды. С изменением состава окружающей среды (коренных пород и почв) изменяется содержание в растениях металлов. Особенно резкие изменения происходят над месторождениями. Работами многих исследователей выделены специфические ассоциации основных элементов, находящихся в повышенных содержаниях в золе растений над различными типами месторождений (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Ассоциации элементов над различными типами месторождений

Лекция 4. Геохимические ландшафты. Классификация ландшафтов. Геохимические съемки (цель, задачи, условия проведения)

Геохимические поиски месторождений полезных ископаемых ведутся на земной поверхности, в области сочленения литосферы с атмосферой и гидросферой, в условиях активной современной механической, солевой и биогенной миграции химических элементов.

В итоге методика этих геохимических поисков и оценка выявленных литохимических, гидрохимических, атмохимических и биогеохимических аномалий в большой мере определяется закономерностями гипергенной миграции элементов. Глубина, на которую распространяются процессы гипергенеза на суше, зависит от многих факторов и их разнообразного сочетания, определяющего разрушение пород и вынос подвижных продуктов выветривания элювиальными процессами. Наиболее активно эти процессы протекают до глубин грунтовых вод в так называемой зоне просачивания (инфильтрации), где происходит достаточно свободная и быстрая миграция атмосферных вод. Воды этой зоны богаты кислородом, углекислотой, часто органическим веществом, поэтому характеризуются значительной окисляющей и растворяющей способностью.

Ниже уровня грунтовых вод происходит подземный сток в сторону гидрографической сети (реки, озера и т. д.), на основании чего выделяется одна общая верхняя зона активного водного обмена в гипергенной оболочке.

Исключительно важную роль в составе и строении зоны гипергенеза играют разнообразные генетические типы почвенного покрова, кора выветривания и зона окисления, механические и химические осадки, биогенные продукты аккумуляции, геохимические ландшафты и связанные с ними химические элементы.

С зоной гипергенеза связаны крупные месторождения бокситов, каолинов, железа, марганца, никеля, кобальта, редких элементов. В зоне гипергенеза формируются различные генетические и геохимические типы ландшафтов (зональные, региональные, элементарные).

Геохимический ландшафт это участок земной поверхности, отличающийся особенностями миграции химических элементов, обусловленных комплексом взаимосвязанных и взаимозависящих природных факторов и процессов. Главную роль при этом играют поверхностный и подземный сток, почвообразовательные процессы, биогенные аккумуляции и т.д.

В природных условиях ландшафты представлены разными категориями: огромными зонами (тайга, степь, пустыня); крупными областями, обусловленными тектоническими нарушениями и характером рельефа; местными ареалами т.д. Различные генетические типы и разновидности почв (лессы, чернозем, суглинки, супеси и т. д.) наиболее ярко отражают геохимические ландшафты, т.к. однородность почвы должна соответствовать определенному составу растительности, однородному составу почвообразующей породы, определенному макро- и микроклимату. Элементы, активно мигрирующие в почвах и природных водах и определяющие характерные черты ландшафта в данной области, районе, участке рельефа получили название «типоморфных». К главным типоморфным элементам и ионам относятся: Si, Al, Fe, H, Ca, Na, Mg, Cl, SO₄ и другие, миграция которых в ландшафтах накладывает отпечаток на почвы, природные воды, растительный покров и связывает все черты ландшафта крепкой причинной связью. Так, в степной зоне характерное для ландшафтов сочетание элементов – Ca, Mg, углекислота, образующих карбонаты; в меньшей степени –Na, Cl, H, сульфатный анион. Для пустынной зоны важнейшими мигрантами в ландшафтах являются катионы и анионы, ведущие к образованию хлоридных, сульфатных и в меньшей степени карбонатных солей.

Выделяются следующие геохимические показатели ландшафта:

1) количество живого вещества, ежегодно продуцирующегося в ландшафте;

2) общее количество живого вещества, содержащегося в ландшафте;

3) качество живого вещества, т.е. специфика отдельных видов организмов и органогенных соединений (белки, углеводы, лигнин и др.);

4) интенсивность разложения мертвых органических остатков;

5) количество и качество мертвого органического вещества, накапливающегося в ландшафте (гумус, торф и т.д.);

6) количество минеральных элементов почвы, ежегодно вовлекаемых в биологический круговорот;

7) ряды биологического поглощения (избирательная способность организмов к поглощению элементов);

8) коэффициенты миграции элементов;

9) типоморфные химические элементы и ионы;

10) геохимические особенности природных вод;

11) минеральные соединения, накапливающиеся в почвах или коре выветривания;

12) важнейшие обменные катионы почв, ила, коры выветривания;

13) редкие и рассеянные элементы;

14) геохимическое сопряжение и геохимическая контрастность ландшафта в пространстве и во времени.

Совокупность этих геохимических показателей может дать более или менее полное представление о: 1) составе элементов и их соединений в конкретном ландшафте; 2) миграции, рассеянии и концентрации элементов в коре выветривания и ландшафтах; 3) биологической, биогеохимической активности организмов; 4) тенденции и направленности геохимических процессов, а затем геохимических поисков.

Выделяются три основных типа ландшафтов: элементарные, геохимические, межбарьерные.

Элементарный ландшафт (по Б.Б.Полынову) «в своем типичном проявлении должен представлять один определенный тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования растительным сообществом. Все эти условия создают определенную разность почвы, свидетельствуя об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между горными породами и организмами». Одной из особенностей элементарного ландшафта является обязательное отсутствие внутренних причин, ограничивающих площадь их распространения. Так можно считать элементарным ландшафтом пятно солончака, а вот болотную кочку или муравейник – нельзя. У одинаковых элементарных ландшафтов должны быть аналогичные геоморфологические условия, одинаковые разности почв, одинаковая растительность, одинаковый состав грунтовых вод, одинаковые почвоподстилающие коренные породы (при этом учитывается состав горных пород, а не коры выветривания).

Для характеристики элементарных ландшафтов используются такие понятия как площадь выявления и мощность ландшафта. Под площадью выявления понимают наименьшую площадь, на которой представлены все части данного элементарного ландшафта. Мощность ландшафта определяют расстоянием от зоны распространения пыли в тропосфере до горизонта грунтовых вод. По вертикали элементарные ландшафты неоднородны и разделяются на отдельные ярусы. Основные из них – надземная часть ландшафта, в которой выделяется ярус надземного живого вещества, почва, почвоподстилающая кора выветривания с материнскими горными породами, водоносный горизонт (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Вертикальный профиль а) лесного и б) болотного ландшафтов. По Н.К.Чертко.

1 – наземная часть ландшафта; 2 – почва; 3 – водоносный горизонт; 4 – кора выветривания, коренные породы.

Геохимический ландшафт – по определению А.И. Перельмана – «это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов». Наибольшее значение для осуществления связей между элементарными ландшафтами, составляющими единый геохимический ландшафт, имеют поверхностный и подземный сток. Для характеристики геохимических ландшафтов кроме мощности и площади выявления введены такие понятия как геохимическое сопряжение и местный ландшафт. Геохимическое сопряжение представляет собой закономерное для каждого геохимического ландшафта сочетание образующих его элементарных ландшафтов. Совокупность же элементарных ландшафтов, свойственных определенной геоморфологической структуре геохимического ландшафта, получила название местного ландшафта. Геоморфологической структурой, объединяющей элементарные ландшафты в местный, может быть водораздел, склон, терраса, лог и т.д.

Межбарьерным ландшафтом называется совокупность элементарных ландшафтов, характеризующихся единым видом миграции элементов и расположенным между двумя геохимическими барьерами одного класса. Выделение таких ландшафтов связано с определенным видом миграции и определенной формой нахождения элементов в миграционном потоке. Так объединение в одну группу элементарных ландшафтов, составляющих межбарьерные ландшафты между механическими барьерами (Рисунок 4.2), обусловлено процессом механической миграции элементов в минеральной форме в миграционном потоке (в данном случае воды реки). Элементарные ландшафты, расположенные между сероводородными барьерами, объединяет миграция элементов, находящихся в форме водных растворов, заканчивающаяся на сероводородных барьерах, где эти элементы переходят в минеральную форму (в трудно растворимые сульфиды).

Обычно миграция элементов идет одновременно в нескольких разных формах и на одном участке можно выделить несколько межбарьерных ландшафтов, взаимно перекрывающих друг друга (рисунок 4.2). Выделение межбарьерных ландшафтов необходимо для установления положения месторождения или загрязнителя окружающей среды определенными элементами, мигрирующими в интересующей нас форме. Для этого проводится детальное опробование участков, представляющих собой геохимические барьеры.

Рисунок 4.2 – Межбарьерные ландшафты на реке

1 – река и ее направление течения; 2-4 – барьеры (2 – механический природный; 3 – механический техногенный; 4 - сероводородный); 5 – населенные пункты.

Если повышенная концентрация Pb и Zn отмечается только на третьем механическом барьере, то источник поступающий в реку минеральной взвези с повышенным содержанием этих металлов находится в пределах межбарьерного ландшафта, ограниченного вторым (М₂) и третьим (М₃) механическими барьерами.

Точно также, если повышенной концентрацией Мо и U характеризуется лишь третьей сероводородный барьер, то источник этих металлов, мигрирующих в форме растворов в водах реки, должен существовать между вторым (В₂) и третьим (В₃) сероводородными геохимическими барьерами.

Аналогичным образом можно определять природные источники элементов, т.е. использовать межбарьерные ландшафты при геохимических поисках. Ощутимый эффект рассматриваемая методика может дать при поисках по потокам рассеяния и при шлиховых поисках.