Гидрохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

Этот метод основан на исследовании химического состава природных поверхностных и подземных вод.

Принципиальную основу этого метода составляют: 1) способность воды к растворению горных пород, 2) ее активное участие в химических превращениях минералов и 3) 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.

Способность воды к перемещению из глубоких горизонтов к земной поверхности и ее всепроникающие свойства издавна привлекали внимание к опробованию природных вод в поисковых целях.

Наиболее благоприятными объектами для гидрохимических методов поисков являются месторождения минеральных вод – 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 в конечном счете солевой состав океанической воды (∑ солей 35, 6 г/л)

Учитывая, что общая минерализация природных пресных вод, в том числе речных, обычно составляет 1, 0-0, 5 г/л, легко можно оценить тот большой диапазон, в котором могут лежать аномальные содержания солей в поверхностных и подземных водах суши.

Эффективное применение гидрохимических методов возможно при поисках минеральных источников, в частности промышленных бромных вод и месторождений боратов. В числе других активных водных мигрантов (вместе с Cl, Br, B, I) эти элементы характеризуются повышенными величинами коэффициентов талассофильности (Br -30, B -0, 4.)

Активное развитие гидрохимических методов поисков рудных месторождений началось в начале 50-х годов.

Среди рудных месторождений наиболее благоприятными объектами гидрохимических поисков являются сульфидные, в первую очередь колчеданно-полиметаллические и особенно богатые дисульфидами медноколчеданные месторождения. Природные воды обогащаются рудными элементами главным образом при гипергенном окислении сульфидных руд, в ходе которого труднорастворимые, но неустойчивые сульфиды до превращения в устойчивые и труднорастворимые вторичные минералы проходят стадию легкорастворимых сульфатов.

1) 2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H SO₄

(процесс окисления пирита)

В присутствии свободного кислорода закисный сульфат железа неустойчив и окисляясь, перходит в сульфат окиси.

2) 4FeSO₄ + 2H₂SO₄ + O₂ = 2Fe₂(SO₄)₃ +2H₂O

В слабокислых водах Н₂(SO₄)₃ гидролизуется освобождая серную кислоту.

3) Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄

2Fe(OH)₃ – гидроксид железа переходит в устойчивый (вторичный) минерал лимонит Fe₂O₃ nH₂O

Образование свободной серной кислоты имеет также место при окислении ряда других сульфидов. Присутствие серной кислоты определяет кислую реакцию среды и резкое понижение рН у зеркала грунтовых вод вблизи рудного тела.

Так, например, в водах зоны окисления медноколчеданного месторождения Блява содержание аниона SO₄ ^-2 достигало 123 г/л, а значения рН падали до 1-2.0.

В водах разведочных скважин на Гайском месторождении (медноколчеданном) отмечались значения рН 3, 2-4, 0.

Однако эти низкие значения рН, чаще сохраняются только в непосредственной близости к рудному телу, обычно не выходя за его контуры.

Взаимодействие с вмещающими породами приводит к нейтрализации кислых вод с образованием сульфатов Ca, K, Na, Mg, Al. В результате уже в непосредственной близости к рудному телу рН быстро повышается и наличие сильно кислых вод по периферии месторождений сульфидных руд является сравнительно редким случаем. Интенсивность нейтрализации кислых вод зоны окисления особенно велика в карбонатных породах. В подземных водах, омывающих окисляющееся сульфидное месторождение, образуются гидрохимические ореолы и потоки рассеяния рудных элементов и сульфат-иона.

Содержания рудных элементов в кислых рудничных водах активно окисляющихся колчеданных залежей могут достигать огромной величины (в мг/л): Cu – 45600; Zu – 50300; Ni-30000). Однако в результате взаимодействия с окружающими водами и минералами горных пород, обменных химических реакций, соосаждения и сорбтции рудные элементы из растворов переходят в твердую фазу и содержания их быстро падают, вплоть до фоновых.

Несмотря на все перечисленные процессы «самоочищения» природных вод от содержаний рудных элементов, их повышенные, аномальные концентрации сохраняются в речных и подземных водах на расстояниях до 500-1000м, иногда до нескольких километров от месторождения.

Благодаря различной скорости «растворения» минералов соотношение элементов в гидрохимических ореолах рассеяния значительно отличается от соотношения элементов в рудных телах и их первичных ореолах.

Так, для сульфидных руд характерно возрастание скорости окисления («растворения») в ряду сульфидов – пирит – халькопирит – галенит – молибденит – арсенопирит – пентландит – сфалерит, в связи с чем медно-никелевые или медно- молибденовые руды будут сопровождаться гидрохимическими ореолами Ni или Mo и резко ослабленным ореолом меди.

Для водных ореолов рассеяния характерна геохимическая зональность, обусловленная последовательной сменой аномальных концентраций химических элементов в соответствии с их миграционной способностью в данной среде, разбавлением окружающими фоновыми водами, процессами ионного обмена, гидратации, сорбции и соосаждения.

Подвижность химических элементов в природных водах зависит главным образом от их солевого состава, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных свойств, основными показателями которых являются - O₂ , H₂S, CO₂, Eh и pH.

Интенсивность водной миграции того или иного химического элемента в природных водах может быть выражена коэффициентом, представляющим собой отношение содержания химического элемента в сухом остатке воды к его содержанию в водовмещающих горных породах.

К_х = (коэффициент водной миграции)

Химические элементы, находящиеся в водах, и геохимические параметры вод, значения которых претерпевают изменения под влиянием рудных тел, а также их первичных и вторичных ореолов, называются гидрохимическими элементами – индикаторами и имеют значение поисковых признаков.

К числу прямых поисковых признаков относятся рудообразующие и некоторые сопутствующие элементы, наиболее характерные для данного типа месторождений, образующие контрастные аномальные концентрации в ореольных водах. К числу косвенных - относятся, зависимые от контакта с рудными телами изменения состава солевых компонентов (калий, сульфат-ион, хлор-ион и другие), а также изменения величин рН и Еh вод.

Формирование и особенности проявления ореолов рассеяния рудных тел в поверхностных и подземных водах зависят от многих природных факторов и в первую очередь от гидрогеологических и геоморфологических условий залегания рудных тел; в этом отношении можно выделить среди водных ореолов 4 типа (рисунок 7.1):

I тип (долинный)

II тип (водораздельный)

III тип (склоновый)

IV тип (трещинный)

Рисунок 7.1 – Водные ореолы рассеяния открытого типа (условные обозначения см. рисунок 7.2).

I тип – залегающие ниже местных базисов эрозии в долинах рек под маломощным покровом, водопроницаемых аллювиальных отложений в зоне слабого водообмена (долинный тип I);

II тип – водные ореолы, расположенные на водоразделах выше местных базисов эрозии в условиях интенсивного водообмена;

III тип – водные ореолы, залегающие под элювиально- делювиальными образованиями на склонах водоразделов;

IV тип – водные ореолы глубоко скрытые в толще рудовмещающих пород значительно ниже местных базисов эрозии под покровом рыхлых аллохтонных отложений, обводняющиеся глубокими трещинно-жильными и пластово- трещинными водами.

Открытые водные ореолы рассеяния проявляются на поверхности земли в виде разнообразных очагов разгрузки грунтовых и напорных глубоких вод (родники, заболоченные участки, источники трещинных вод и т.д.)

Закрытые водные ореолы рассеяния (Рисунок 7.2) окаймляют рудные тела, располагающиеся ниже местных базисов эрозии в слаборасчлененных предгорных и равнинных областях.

Предгорный

Равнинный

Условные обозначения:

Рисунок 7.2 – Закрытые водные ореолы

1 – Рудное тело и его первичный ореол; 2 – вторичный ореол рассеяния; 3 – кора выветривания; 4 – рудовмещающие породы; 5 – осадочные водоносные породы; 6 – водный ореол рассеяния; 7 – водоупорный горизонт; 8 – местный базис эрозии; 9 – направление движения воды; 10 – открытые очаги разгрузки (а – фоновых вод, б – ореольных вод); 11 – тектонические нарушения.

Открытые водные ореолы (тип I-IV) с успехом могут быть обнаружены в процессе литохимического опробования и применение гидрохимических методов поисков в этих условиях, возможно, не целесообразно.

Напротив, для обнаружения закрытых водных ореолов – гидрохимическое опробавание подземных вод, возможно, является наиболее надежным методом поисков скрытого оруденения.

Гидрохимические аномалии формируются в результате сложного процесса, в котором решающая роль принадлежит растворяющему действию и восходящему движению подземных вод, что создает возможность обнаружения месторождений, залегающих ниже современного базиса эрозии.

В задачу гидрохимических поисков входит локализация интервала подземных вод, в котором происходит смена окислительных условий на восстановительные, сопровождаемая снижением содержания урана в водах (для поисков урановых месторождений в зонах пластового окисления)

Гидрохимический метод незаменим при поисках гидрогенных месторождений молибдена и селена, отложение которых происходит на восстановительном барьере (при смене валентностей).

Необходимо при проведении 1: 50 000 съемки с общими поисками все бурящиеся скважины подвергать после промывки и откачки гидрохимическому опробованию с помощью специальных пробоотборников.

Поверхносные водоисточники опробуются все без исключения, путем отбора пробы воды в количестве одного литра в стеклянные или полиэтиленовые бутылки с пробкой и отправкой их в стационарные лаборатории для определения микроэлементов в высушенном сухом остатке.

Непосредственно у водоисточника определяется рН, ∑ Cu, Pb, Zn («сумма металлов»), SO₄^-2, Cl^- и HCO₃^-.

Для осаждения Li, Rb и Cs применяются ионно-обменные смолы.

При прямом лабораторном анализе водных проб, определяются общая минерализация воды (М), Eh, pH, содержание Сl^-, SO₄^-2, HCO₃^-, Fe общ., O₂, Ca⁺², Mg²⁺, H₂S и CO₂.