Атмохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

Атмохимические (газовые) поиски месторождений полезных ископаемых основаны на исследовании состава подземной атмосферы т.е. химического состава газов, насыщающих горные породы вблизи дневной поверхности.

Если газовый пробоотбор ведется с малой глубины (1-3м.), принято говорить об исследовании подпочвенного воздуха.

Современные газовые съемки выполняются с глубиной пробоотбора 20-600м. Реже исследуется газовый состав приземной атмосферы, хотя именно в этом варианте существенно возрастает оперативность атмохимической съемки.

Земную атмосферу в основном слагают три газа - азот (около 78%), кислород (≈ 21%) и аргон (≈ 1%), в сумме составляющие 99-94% ее массы. В переменных количествах в атмосфере присутствуют пары воды; содержание СО₂ ≈ 0, 03%, содержание остальных газов 10^-4 – 10^-6% и менее. Низкий геохимический фон и высокая подвижность химических элементов в газовой фазе создают исключительно благоприятные условия для формирования атмохимических ореолов рассеяния любых месторождений полезных ископаемых.

Возникновение атмохимического метода поисков относится к началу 30-х годов и связано с именем В.А. Соколова. Это были поиски месторождений нефти и газа путем определения содержаний углеводородных газов в пробах подпочвенного воздуха. В это же время был разработан метод эманационной съемки, при которой в поисковых целях в почвенном воздухе определялись содержания радона и торона. В последствии эманационная съемка вошла в состав радиометрических методов поисков радиоактивных руд, составляющих самостоятельную, хорошо разработанную область прикладной геохимии.

В 50-60 –е годы был разработан Е.А. Сергеевым газо-ртутный метод поисков рудных месторождений. В это же время В.З. Фурсовым, И.И. Степановым и другими были начаты исследования по применению атмохимического метода к поискам рудных месторождений по косвенным газам – индикаторам (СО₂, О₂).

Известно три группы газов, формирующих атмохимические ореолы рассеяния рудных месторождений.

Первая группа – первичные газы – компоненты процесса рудообразования. Для, гидротермальных процессов это углекислый газ, аргон, сероводород, метан, водород, летучие соединения галогенов и ряд других элементов. Наличие их в рудных телах доказано исследованиями состава газово-жидких включений в минералах. Углекислый газ и водород, заключенные в рудных минералах, являются продуктами химических реакций, протекающих в магме, их образование происходит в результате взаимодействия углерода с парами воды:

С + 2Н₂О = CO₂ + 2H₂

Образование водорода происходит также при взаимодействии водяного пара с оксидами Fe:

3FeO + Н₂О = Fe₃O₄ + H₂

Повышенные содержания водорода характерны для высокотемпературных гидротермальных месторождений. Образование метана в глубинных частях Земли может протекать при взаимодействии диоксида углерода с молекулярным водородом в соответствующих физико-химических условиях (Т=600⁰С, Р – 104 кПа). В присутствии катализаторов реакция может идти при Т – 475⁰С

СО₂ + 4Н₂ = СН₄ + 2Н₂О

Возможны и другие схемы реакций

С + 2Н₂ = СН₄

СО + 6Н₂ = СН₄ + Н₂О

Приведенные реакции описывают образование углекислого газа, водорода и метана в магматических и гидротермальных процессах. К этой же группе относятся газообразные органические соединения, возникновение которых происходит при термометаморфизме органического вещества осадочных пород в процессе рудообразования. Выделение газовых компонентов из рудных месторождений происходит в течение всего времени их эволюции. Высвобождение гипогенных газовых компонентов, законсервированных в рудном веществе, происходит непрерывно по мере вскрытия газово-жидких включений при процессах выветривания, динамометаморфизма и прочих внешних воздействиях.

Вторую группу составляют газы, поступающие с глубины по зонам разрывных нарушений, в которых могут быть локализованы рудные тела. Эти газовые компоненты (углекислый газ, гелий, водород, углеводородные газы, аргон, пары ртути) являются продуктами дегазации мантии, а также химических и ядерных реакций, протекающих в земных недрах.

Интенсивные выделения газа, состоящего из СН₄ (метан) – 99% и СО₂ (1%) имели место при разработке Сu – Ni месторождений Норильского района. Длительное газирование (6-7 лет) отдельных разведочных скважин имело место на Урупском медноколчеданном месторождении (при этом газовый поток с высокими содержаниями углекислого газа, метана, гелия и сероводорода в течение всего периода газовыделения практически не изменил своего состава). На Джульфинском месторождении при разработке аурипигментных руд (As₂S₃) отмечалось обильное выделение H₂S совместно с СО₂ и AsH₃.

На Надеждинском золоторудном месторождении отмечалось истечение газа, состоящего (в %) из СО₂ – 67, 9; СН₄ – 8, 6.

К третьей группе относятся газовые компоненты (CO₂, O₂, Н₂, Н₂S, S O₂ и другие), образующиеся в результате процессов, протекающих в зоне гипергенеза рудных месторождений.

Наиболее активно физико-химические преобразования рудных минералов протекают в зоне окисления сульфидных месторождений. Образующиеся при этом свободная серная кислота и кислые сульфаты металлов при наличии карбонатов или карбонатных вод вступают в реакции с выделением свободного углекислого газа.

Взаимодействие серной кислоты с рядом сульфидных минералов (пирит, халькопирит, галенит, сфалерит и другие) при низком парциальном давлении кислорода приводит к образованию сероводорода по формальной схеме:

MeS+H₂SO₄→ MeSO₄+H₂S

Реакция окисления сульфидов требует больших затрат свободного кислорода. Было подсчитано, что при полном окислении до Fe(OH)₃ и H₂SO₄ на глубину 1мм пиритового тела площадью 1м² связывается до 3, 5м³ свободного кислорода.

Столь большое потребление кислорода приводит к заметному понижению его содержаний в подпочвенном воздухе над окисляющимися сульфидными месторождениями.

Это можно видеть из рисунка 7.4, где по результатам атмохимической съемки по профилю, пересекающему зону пиритизации, над которой в почвенном воздухе фиксируется аномально повышенные содержания СО₂ и пониженные содержания О₂.

Атмохимические поиски ведутся как по сорбированным, так и по свободным газам.

В первом случае с заранее выбранной глубины, обычно не превышающей первых 10метров, в герметически закрывающиеся емкости отбираются пробы перекрывающих отложений, из которых в лабораторных условиях извлекаются и анализируются сорбированные газы.

Рисунок 7.4 – Газовый ореол над зоной пиритизации (глубина отбора проб 1.5м)

1 – граниты; 2 – гнейсы; 3 – кварцевые порфиры; 4 – зона пиритизации; 5 – рыхлые образования.

Во втором случае из специально пробуренных скважин отбираются пробы подпочвенного воздуха для полевого и (или) лабораторного анализа. Полевой анализ является более оперативным, позволяет быстрее выделять аномальные области для постановки на них детальных работ.

Прямой отбор газовых проб применяется для выявления газовых ореолов ртути, гелия, углекислого и сернистых газов.

Атмохимические поиски в целом являются косвенными, однако тщательный анализ физико-химических условий образования газовых ореолов рассеяния часто дает достаточные основания для уверенной геологической интерпретации выявленных аномалий и установления их связи с месторождениями.

К достоинствам атмохимических методов относится их значительно большая, чем возможная в принципе для других геохимических методов, глубинность.

Газы всех трех групп в сумме определяют многокомпонентную сложную смесь атмохимических ореолов рассеяния, которая наследует газовый состав месторождений при их формировании и в последующие периоды, когда физико-химические и биологические процессы, особенно в зоне гипергенеза меняются, усиливают или возобновляют действие атмохимических источников.

Газовые ореолы рассеяния могут состоять из химических элементов, неорганических, органических и элементно-органических соединений.

Эти ореолы в отличие от литохимических являются динамической (подвижной) системой, на которую могут оказывать существенное влияние термодинамические и физико-химические условия среды и состояние источника (месторождения).

Газовые ореолы рассеяния существуют с момента образования месторождения и до полного его разрушения эрозионными процессами.

В настоящее время при атмохимических поисках используются только некоторые из газов: углекислый газ, углеводороды, водород, сероводород, сернистый газ, кислород, гелий, аргон, радон.

Однако источником аномальных концентраций перечисленных газов являются не только рудные месторождения, но и многие химические, биохимические и радиоактивные процессы, происходящие на поверхности и вблизи поверхности земли и не имеющие отношения к формированию и существованию рудных месторождений. Это существенно осложняет интерпретацию результатов атмохимических поисков и требует привлечения других методов, прежде всего литохимических.

Наиболее универсальный газовый компонент рудных месторождений – углекислый газ, который тесно связан с процессом рудообразования. В зоне гипергенеза он же является основным продуктом окисления сульфидных руд и разложения карбонатов.

СО₂ – тяжелее воздуха, вследствие чего в меньшей степени, чем другие газы, улетучивается в атмосферу и образует в поверхностных отложениях четкие и устойчивые во времени аномалии.

Углекислый газ выделяется также в процессе жизнедеятельности организмов в почве.

Большие количества СО₂ возникают в результате окисления органического вещества кислородом вблизи поверхности; он является основным компонентом вулканических газов, тесно ассоциирует с гидротермально-измененными породами и эндогенными месторождениями. Существенно аномальные концентрации СО₂ наблюдаются в газовых потоках, мигрирующих из глубин Земли по зонам разломов.

Среди углеводородов наибольшее значение при изучении газовых ореолов имеет метан (СН₄). Он содержится в почвах и болотах, образуется при биохимических процессах, а также в результате воздействия интрузии, эффузий и гидротермальных растворов на осадочные породы при взаимодействии водорода или паров воды с углеродом, его окисью или двуокисью.

Водород широко распространен в вулканических газах, газах рудных месторождений и залежах калийных солей. Много водорода выделяется при термальном воздействии интрузий и гидротермальных растворов на органическое вещество. Термокаталитическое разложение воды на глубине также приводит к образованию водорода.

Сероводород – в приповерхностных условиях образуется за счет биохимических процессов и в результате окисления сульфидных руд. Он часто встречается и в вулканических газах.

Гелий – постоянно образуется в земной коре на больших глубинах в результате радиоактивного альфа-распада и различных ядерных реакций. В повышенных количествах он присутствует в газах многих месторождений.

Аргон – фиксируется в природных газах обычно в больших количествах, чем гелий. Образуется при радиоактивном распаде. Он характерен для галогенных пород.

Появление в подпочвенном воздухе повышенных концентраций углекислого газа, сернистых газов, а также пониженное содержание кислорода может быть использовано в качестве индикаторов перекрытых сульфидных руд.

Атмохимические методы с успехом могут применяться для решения следующих основных задач:

1) выявления и прослеживания разрывных структур в районах с широким развитием покровных отложений во всех климатических и ландшафтных условиях;

2) выявления и локализации рудных зон, в частности перспективных на скрытое оруденение;

3) поисков месторождений нефти и газа;

4) поисков месторождений ртути.

В настоящее время практически используются три самостоятельных атмохимических метода: 1) поиски по газовым компонентам в подпочвенном воздухе; 2) газовортутные поиски по парам ртути и 3) поиски по водно-гелиевым ореолам.

Газовортутный метод наиболее успешно развивается, с помощью его выделяются прямые поисковые признаки ртутных и ртуть содержащих рудных месторождений.

Известно, что повышенные содержания газов и паров ртути, источником которых являются рудные месторождения, фильтруются и диффундируют по трещинам и микротрещинам по направлению к поверхности Земли.

При этом часть газов и паров ртути сортируется перекрывающими отложениями и растворяется в подземных водах, а остальная – идет на формирование атмохимических ореолов рассеяния в окружающих породах в подпочвенном пространстве, почвах и приземной атмосфере.

Источниками газортутных аномалий (ореолов) являются: 1) зоны минерализации, рудопроявления, рудные тела и месторождения; 2) зоны глубинных разломов. Аномалии первых источников, как правило, отличаются от последних большей локальностью.

Первичные ореолы ртути наиболее интенсивны в надрудных горизонтах (мы это рисовали при модели первичных ореолов) сульфидных месторождений, где их продуктивность в 3-8 раз выше, чем в околорудных и подрудных, это необходимо учитывать при интерпретации результатов газовортутных поисков.

Отбор проб при газовортутных съемках ведется с помощью специального зонда с золотым (поглотитель) сорбентом. После прокачки заданного объема почвенного воздуха проводится возгонка (очистка) поглощенной ртути путем нагрева сорбента электрическим током и полевой анализ ее содержаний.

С появлением современных методов хроматографического анализа газов открылись перспективы широкого использования атмохимических съемок при поисках разнообразных полезных ископаемых.

При хроматографическом анализе (Рисунок 7.5) поток инертного газа – носителя с постоянной скоростью пропускается через разделительную колонку, заполненную сорбентом (очистители, поглотители загрязнений, вредных примесей). С помощью шприца-дозатора в поток вводится анализируемая газовая смесь в объеме 2-5см³. Разделение пробы на составляющие ее компоненты А, Б и В происходит вследствие различий в их физико-химических свойствах и многократного повторения элементарных актов сорбции (поглощения) и десорбции (отделение поглощенных твердым кристаллическим или жидким веществом газов, паров в окружающую среду или раствор).

В результате компоненты смеси с разной скоростью передвигаются вдоль разделительной колонки и раздельно поступают к детектору. Горючие компоненты смеси определяются по теплоте сгорания или ионизационному эффекту, негорючие – по теплопроводности или оптическим свойствам, ток в сети детектора регистрируется самопишущим регистратором.

Дальнейшие совершенствование методики атмохимических поисков, в первую очередь месторождений нефти и газов, связано с переходом на лазерные газоанализаторы метана и других компонентов, в том числе при аэро- и автомобильных съемках с исследованием приземной атмосферы.

Специальные гелиевые съемки выполняются с применением портативных магниторазрядных приборов ИНГЕМ-1.

Рисунок 7.5 – Схема хроматографического анализа газов

Новые перспективы открываются перед атмохимическими поисками рудных месторождений в связи с последними работами чешских геохимиков по определению в почвенном воздухе содержаний Zn, Pb, Cu и F.

Несомненно, что основной областью применения атмохимического метода по-прежнему останутся поиски месторождений нефти и газа.

Однако, атмохимические методы поисков рудных месторождений в закрытых районах имеют реальные перспективы быстро опередить по объему гидрохимические и биогеохимические методы поисков.

Экзаменационные вопросы по пройденному курсу

1. Что является предметом изучения геохимии?

2. Каковы заслуги В.М.Ломоносова в становлении геохимии?

3. Значение открытия Д.И.Менделеева для геохимии.

4. Кто из зарубежных ученых внес весомый вклад в развитие геохимии как науки?

5. Дайте определение «форма нахождения элементов».

6. Каковы основные формы нахождения элементов в земной коре?

7. Какие выделяются типы и виды миграции химических элементов?

8. Что собой представляет ряд последовательного осаждения ионов при их свободной миграции?

9. Что такое «летучесть» и как она влияет на положение элементов в ряду осаждения?

10. Какие существуют типы и классы геохимических барьеров?

11. Как определить контрастность барьера?

12. Как определить на барьере концентрацию элементов?

13. Каковы важнейшие внутренние факторы миграции элементов?

14. Как влияют внутренние факторы на миграцию элементов в земной коре?

15. Как влияют на миграцию элементов температура, давление и степень электролитической диссоциации?

16. Каково влияние окислительно-восстановительной обстановки и жизнедетельности организмов на миграцию элементов?

17. Что собой представляет геохимическая аномалия?

18. Как подразделяются геохимические аномалии по размерам?

19. Как классифицируются геохимические аномалии?

20. Что такое «ассоциация элементов» и чем она обусловлена?

21. Что такое геохимический ландшафт?

22. Как подразделяются ландшафты?

23. Приведите классификацию ландшафтов.

24. Основные положения геохимических методов поисков.

25. Как подразделяются геохимические съемки по условиям проведения?

26. Как делятся геохимические съемки по целевому назначению?

27. Дайте характеристику первичных ореолов рудных месторождений.

28. Чем отличаются первичные ореолы эндогенных и экзогенных месторождений?

29. Каковы основные особенности первичных ореолов стратиформных месторождений?

30. Каковы основные факторы, обуславливающие геохимическую зональность первичных ореолов постмагматических месторождений?

31. Какова обобщающая схема первичного ореола гидротермального месторождения?

32. Что представляют собой продукты гипергенного разрушения месторождений?

33. Каковы основные факторы, определяющие особенности вторичных ореолов рассеяния?

34. Как делятся вторичные ореолы рассеяния по фазовому состоянию?

35. Как подразделяются вторичные ореолы рассеяния по условиям образования и по признаку доступности для обнаружения?

36. Что такое геохимические параметры?

37. Каковы основные геохимические параметры вторичных ореолов рассеяния?

38. Что характеризует коэффициент рассеяния?

39. Что представляет собой метод «трех уравнений» и где он используется?

40. Что представляют собой потоки рассеяния?

41. Каковы факторы, определяющие геохимические особенности потоков рассеяния?

42. Что характеризуют коэффициенты водной миграции и талассофильности?

43. В каком масштабе могут эффективно проводиться поиски по потокам рассеяния?

44. В каких условиях применяются поиски по потокам и ореолам рассеяния?

45. Как подразделяются литохимические поиски в зависимости от масштаба работ?

46. Как производится отбор проб при литохимических поисках по потокам рассеяния и по ореолам рассеяния?

47. Как производится обработка литохимических проб?

48. Как изображаются результаты литохимических поисков?

49. Как оцениваются выявленные аномалии по литохимическим поискам?

50. Основные задачи гидрохимических методов поисков.

51. Каковы наиболее благоприятные объекты гидрохимических исследований?

52. Дать классификацию водных ореолов.

53. Как производится отбор проб воды? Как изображаются результаты гидрохимических поисков?

54. Где целесообразно проводить биогеохимические методы поисков?

55. Что такое «биологический» барьер и как он учитывается при поисках месторождений полезных ископаемых?

56. Как изображаются результаты биогеохимических методов поисков?

57. Для поисков каких месторождений используется атмохимический метод?

58. Какие рудные элементы фиксируются атмохимическим методом поисков?

59. Как производится отбор проб при атмохимических методах поисков?

60. Как проводится подсчет прогнозных ресурсов по литохимическим ореолам?