Билет13.

Основы г/геохим-ого метода поисков рудных месторождений.

Рудное вещество каждого месторождения термодинамически устойчиво только в той геохимической обстановке, в которой оно было сформировано. Поэтому в зоне гипергенеза это ве­щество оказывается неравновесным и превращается в формы, более устойчивые в данной геохимической ситуации. Это превращение сопровождается такими химическими и механиче­скими преобразованиями рудной массы, которые приводят к ее самопроизвольному рассеянию в окружающей месторожде­ние среде. В связи с этим рыхлые образования, подземные и поверхностные воды, почвы и растения районов месторожде­ний содержат повышенные (аномальные для данного района или провинции) концентрации рудных компонентов. В зависи­мости от среды рассеяния выделяют лито-, гидро-, био- и атмогеохимические ореолы рассеяния рудного вещества. Ореол рассеяния в сущности является нашим техническим выражением этого рассеяния, так как он представляет собой не что иное как только аналитически фиксируемую часть объема рас­сеяния.

Геохимия некоторых химических элементов, используемых при гидрогеохимических поисках рудных месторождений:

Медь, цинк, свинец. Основными источниками меди, цинка, свинца в подземных водах рудных месторождений являются их сульфидные минералы — халькопирит CuFeS₂, борнит Cu₅FeS₄ и др., сфалерит ZnS, галенит PbS н др. Эти минералы сопутствуют многим генетическим и минералогическим ти­пам рудных месторождений, поэтому повышенные концентрации меди, свинца и особенно цинка — неотъемлемое свойство подземных вод самых разнообразных типов рудных место­рождений.

Молибден. Основным промышленным минералом молибде­на является молибденит. На рудных месторождениях молиб­денит обычно находится в гипогенной ассоциации с минерала­ми вольфрама, олова, бериллия. Особый тип месторождений составляют парагенные ассоциации молибденита с сульфидны­ми минералами меди.

Уран и его производные. Разновидностью гидрогеохимиче­ского метода поисков рудных месторождений является радио­гидрогеологический метод. Его задача — поиски урановых ме­сторождений и оценка перспектив геологических структур на такие месторождения. При радиогидро­геологических поисках месторождений в качестве показателей вероятности присутствия месторождений радиоактивных эле­ментов наиболее часто используют особенности распределений в подземных водах таких элементов как уран, радий, радон.

Уран — это классический 8-электронный элемент-комплек-сообразователь с переменкой валентностью. В реальных окис­лительно-восстановительных ситуациях подземных вод уран может присутствовать в 4- и 6-валентной формах. Образуемые этими формами соединения резко различаются по своей мигра­ционной способности в подземных водах и поэтому распрост_: ранение и концентрация урана в подземных водах являются прямым следствием их окислительно-восстановительной зональ­ности. Геохимию урана в подземных водах определяют следу­ющие химические свойства: Гидроксид 4-валентного урана U(OH)₄ и 6-валенткый уран.

Радий — является продуктом распада урана. Это радиоактивный аналог щелочноземельных элементов, особенно кальция и бария. Концентрации радия в подзем­ных водах очень малы — они изменяются от n*10^-9 до n*10^-12 г/л.Максимальные содержания радия из­вестны, в подземных водах урановых месторождений, особенно, если эти воды имеют пониженные значения рН.

Р а д о н — продукт распада радия. Это благородный газ, аналог гелия, неона, аргона и др. Стандартной единицей измерения радиоактивностн в на­стоящее время является беккерель (Бк), который представ­ляет одно ядерное превращение за 1 с. Радон хорошо растворим в воде — в одном объеме воды при 0°С растворяется 0,507 объемов радона, поэтому его со­держания в подземных водах ничем не лимитируются.

Фо­новые концентрации радона в подземных водах имеют поря­док n—n*100 Бк. Наиболее высокими фоновыми содержаниями радона обладают подземные воды кислых магматических пород при высокой раздробленности пород, в подземных во­дах гидротермальных урановых месторождений (до 40000 Бк).

Основой гидрогеохимнческого метода поисков рудных месторождений является водный ореол рассеяния - объем подземных и поверхностных вод, имеющих измененный химический состав (содержания и распределения), вследствие воздействия на него рудных тел или литогеохимических ореолов. Водные ореолы рас­сеяния выделяются на фоне вод, химический состав которых формируется под влиянием региональных гидрогеологических условий вне зоны действия рудных тел и их ореолов. Такие воды называют фоновыми водами, а их химический состав — фоновым химическим составом.

Зональность водных ореолов выражается: а) в уменьшении концентраций слагающих его компонентов по мере удаления от рудных зон; б) в существовании в пределах общего водного ореола ореолов отдельных компонентов, имеющих различную протяженность вследствие их различной миграционной способности в данном виде геохимического ландшафта. Степень рассеяния вещества в конкретных водных ореолах зависит от совокупности различных процессов, интенсивность протекания которых а суммарном виде выражается градиентом падения концентраций отдельных компонентов ореола. Существуют два основных фактора, определяющих значения этих градиентов в конкретных ореолах — гидродинамический и гидрогеохимический. Вещество рассеивается благодаря тому, что определенный его объем распределяется в больших (по сравнению с начальным) и закономерно увеличивающихся в направлении потока поперечных сечениях (расходах).

Гидрогеохимическими поисковыми признаками являются такие компоненты и показатели химического состава природных вод, концентрации и значения которых изменяются под влиянием вещества рудных тел, а также первичных и вторичных ореолов месторождений. Иными словами, гидрогеохимическими поисковыми признаками являются такие, особенности химического состава, которые несут определенное количество информации о вероятности обнаружения рудных зон. Признаки: универсальные и специальные.

Универсальные признаки — это такие особенности химического состава, которые являются общими для всех рудных месторождений (ΣM, Zn) или для отдельных групп этих месторождений {Zn, ΣM, SO₄^2- — для сульфидных месторождений и т.п.). Обнаружение в подземных водах аномальных концентраций элементов, являющихся универсальными признаками, может быть показателем наличия в данных гидрогеологических структурах любого месторождения вообще или месторождения определенной группы (сульфидного, редкомета лльного и т. д.).

Специальными гидрогеохимическими признаками являются такие особенности химического состава, которые характерны только для вод отдельных минеральных и генетических типов месторождений. Типичные специальные признаки: уран для урановых месторождений; вольфрам для вольфрамовых и молибденовых; ниобий для ниобиевых и танталовых; олово для оловорудных; цезий для пегматитовых, содержащих поллуцнт и лепидолит; бериллий для бериллиевых и т. д.

Гидрогеохимической аномалией называют часть подземного или поверхностного потока, в пределах которого химический состав по ряду показателей (содержание отдельных компонентов, соотношения между ними, Eh, рН и т. д.) отличается от фоновых для данной части структуры. Характеризует только особенность химического состава безотносительно к тем причинам, которые ее вызывают. Поэтому гидрогеохимические аномалии могут быть следствием влияния не только месторождений, но и различных гидрогеологических (например, вертикальные перетекания подземных вод) или физико-химических процессов, не имеющих никакого отношения к месторождениям. В связи с этим аномалии делят на рудные и безрудные. Рудными называют только такие аномалии, которые вызываются рудным месторождением и являются проявлением его водного ореола рассеяния.

Преимущества гидрогеохимнческого метода: а) потенциальная глубинность; б) высокая площадная представительность пробы воды, обусловленная значительной протяженностью водных ореолов рассеяния; в) возможность получения части результатов непосредственно на месте опробования. Недостатками метода являются: а) подчиненность поисков распределению водопроявленнй; б) трудность интерпретации результатов опробования, вследствие динамичности гндрогеохи-мических систем; в) высокая стоимость и трудоемкость отдельных модификаций метода.

Основы миграционной формы хим. эл-ов в ПВ

Химические элементы в подземных водах могут находиться в виде взвеси, коллоидов и истинно растворенных состояний. К взвесям относят частицы, имеющие размер более 0,5 мкм. Частицы меньшего размера являются коллоидными и растворенными формами. Границу между ними в большинстве случаев провести трудно, так как она подвижна и зависят от химических свойств элементов и образуемых ими форм.

Взвеси не имеют практической геохимической значимости для миграции химических элементов в подземных водах. Вместе с другими формами химических элементов они могут быть только в аллювиальных водах, а также в прифильтровых зонах разведочных и эксплуатационных скважин. Коллоиды в геохимии подземных вод играют также подчиненную роль. Коллоиды — это системы с предельно высокой дисперсностью при условии сохранения гетерогенности, т. е. поверхности раздела между дисперсной фазой и средой. Но в реальных условиях формирования подземных вод границу между коллоидами элементов и их растворенными формами провести трудно. Считают, что коллоиды в подземных водах образуют только отдельные макроэлементы подземных вод, такие как кремний, поскольху мета- и ортокремниевые кислоты являются полимерными соединениями, а также элементы-гндролизаты — AI, Fe (Ш), Мn (IV) и др., гидролизующиеся в подземных водах с образованием малорастворимых соединений.Преобладающими миграционными формами химических элементов в подземных водах являются истинно растворенные формы. Они разнообразны и представлены диссоциированными ионами сильных электролитов, недиссоциированными молекулами (особенно органическими), комплексными соединениями.

Исходя из значений ионного потенциала и электроотрицательности все химические элементы по их вероятным миграционным формам в подземных водах делятся на следующие три группы.

1. Катионогенные элементы (ионный потенциал обычно менее 2, электроотрицательность менее 600 кДж/моль). Это элементы, образующие большие положительно заряженные ионы с низким зарядом (Li, Na, К, Rb, Cs, Са, Sr, Ba, Fe (II), Mn (II) и др.). В водных растворах они чаще образуют простые свободные катионы Ме^п+.

2. Элементы-гидролизаты, которые по их формам миграции в подземных водах точнее следует называть элементами-комп-лексообразователями (ионный потенциал обычно 2—10, элект-роотрицательность 600—1100 кДж/моль). Все эти элементы характеризуются низкой растворимостью своих гидроксидных соединений (именно поэтому в геохимии их называют элемен-тами-гидролизатами). Но они способны и к образованию многочисленных хорошо растворимых комплексных соединений с ведущими катионами подземных вод. И поэтому в гидрогеохимии их логичнее называть элементами-комплексообразователями.

3. Анионогенные элементы (ионный потенциал^- более 10, электроотрицательность более 1100 кДж/моль). В своих высших валентностях эти элементы образуют небольшие высоко-заряженные ионы, дающие в растворе устойчивые оксианионы (SO4, CO2, PO4, МoO4, WO4 и др.).

Важно знать, что один и тот же элемент при разных степенях окисления образует различные миграционные формы. Образование соединений химических элементов с органическими веществами в подземных водах является весьма распространенным геохимическим явлением. Среди различных видов органических веществ, присутствующих в подземных водах, особое значение для образования элементоорганических соединений имеют вещества гумусового происхождения — фульво-(ФК) и гуминовые (ГК) кислоты. Эти кислоты составляют 50—90% от природных органических веществ, присутствующих в подземных водах, но максимальное значение они имеют в подземных водах верхних водоносных горизонтов, химический состав которых формируется под влиянием процессов, происходящих в почвенном покрове.

Миграционные формы элементов в подземных водах устанав­ливают расчетными и экспериментальными методами. Расчеты основаны на принципах химической термодинамики. С их по­мощью вычисляют количественные соотношения между веро­ятными для вод данного химического состава- формами эле­ментов. Такие расчеты делятся на два основных типа; а) на­хождение равновесного состояния всего многокомпонентного водного раствора; б) расчет форм одного химического элемен­та в предполагаемой и ограниченной несколькими компонен­тами системе.В практике гидрогеохимических исследований широко ис­пользуются также экспериментальные методы установления миграционных форм химических элементов в подземных во­дах. Прямую информацию о существовании того или иного комплекса в растворах могут дать только специальные физи­ческие методы, среди которых важнейшее значение имеют спектроскопические (в видимой и ультрафиолетовой областях, инфракрасная и римановская спектроскопия). Среди таких экспериментальных методов наиболее часто применяют диализ, ультрафильтрацию, экстракцию, различные электромиграционные и, ионообменные методы, гельфильтрацию. Наиболее значимой среди них является гельфильтрация, устанавливающая прямые геохимические связи между химическими элементами и органическими веще­ствами подземных вод.