Биогеохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

Биогеохимические методы основаны на исследовании химического состава живого вещества (растений), наблюдении за его видовым составом и морфологическими особенностями. Они широко используются для выявления уровня загрязнения окружающей среды.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Сущность съемки заключается в опробовании одного или нескольких господствующих видов растений, озоления растительного вещества и спектрального анализа полученной золы. В результате исследований отмечается наличие биогеохимических аномалий в химическом составе растений, произрастающих над месторождениями полезных ископаемых.

Для характеристики геологической роли биогенной миграции микроэлементов Б.Б. Полонов предложил величину отношения между содержаниями элемента в золе растения и в почве, на которой оно произрастает. Этот показатель получил название коэффициента биологического поглощения и обозначается Ах:

А = с2/сх, (п.1)

где С2 — содержание элемента в золе растения, %; С, — содержание этого элемента в почве.

Биогеохимические методы включают следующие виды съемок:

• • микробиологическую (бактериальную) съемку,
• • экстрагирование бактерий из исследуемых грунтов или водной среды (А.А. Оборин, 1977). Установлено, что в составе сорбированных грунтами УВГ наиболее информативными являются гомологи метана, концентрации которого увеличиваются с глубиной. Микробиологический анализ позволяет установить наличие в грунтах бактерий, окисляющих метан, пропан, бутан и пентан. Средняя интенсивность развития метанокисляющих бактерий на контуре залежи составляет 14,7 уел. ед., за контуром — 38,8 уел. ед., при фоновом значении — 26,7 уел. ед; пропанокисляющих бактерий — 15,3, 17,7, и 9,62 уел. ед. соответственно (Южно-Киенгопское месторождение, Удмуртия);
• • геоботаническую съемку по листве и хвое деревьев и кустарников;
• • биогеохимическую съемку по растительному покрову по видам растений, наиболее распространенным в данной климатической зоне;
• • грунтовую и водную газобиогеохимические съемки;
• • газобиогеохимические съемки по снежному покрову. Сорбционные свойства снежного покрова ограничены временем существования самого покрова. Снежные массы в момент оседания проходят наиболее загрязненный слой атмосферы и еще до выпадения на поверхность земли сорбируют УВ. Концентрации диффундирующих с глубины УВ крайне низкие, зато уровень загрязнения атмосферы на отдельных территориях соизмерим или превышает уровень природного шлейфа УВ.

С помощью биогеохимических методов решают широкий спектр задач: установление закономерностей распределения элементов-индикаторов по частям растений; выявление связи между металлами в растениях; выявление комплекса элементов-индикаторов, установление особенностей биогеохимических аномалий и другие [5, 34, 45, 53].

Сеть пробоотбора при проведении биогеохимических исследований, ориентировка профилей и последовательность работ должны соответствовать требованиям, предъявляемым к производству литохимических поисков по вторичным ореолам. Один вид растений должен опробоваться не менее чем на пяти точках по профилю, в пробу лучше брать одну и ту же надземную часть растения.

При отборе проб необходимо уделять внимание ботаническим признакам, указывающим на возможное нахождение месторождений полезных ископаемых: физиологические и морфологические изменения растений; появление локальных и универсальных растений-индикаторов; смена растительных ассоциаций, существенные отклонения в форме развития растений и др.

Отобранные биогеохимические пробы в полевых условиях сушатся и измельчаются, в лаборатории подвергаются озолению и прокаливанию в специальных печах, а затем полученную золу подвергают спектральному анализу.

В процессе математической обработки для каждого вида растений устанавливаются аномальные содержания элементов в золе, составляется сводная карта аномалий с выделением на ней отдельных «отрицательных» и «положительных» аномалий.

На таких аномалиях обязательно проведение проверочной глубинной или поверхностной (в зависимости от мощности перекрывающих отложений) литохимической съемки по рыхлым отложениям, геохимические и геофизические исследования.

Применение биогеохимического метода поисков возможно: в гумидной зоне при замедленной денудации; в умеренно влажной зоне, если вторичные литохимические ореолы перекрыты отложениями мощностью 40—80 м; в пустыне и полупустыне; на заболоченной равнине и торфяниках при неглубоком (2—10 м) залегании потенциально рудовмещающих коренных пород; на участках, покрытых сплошным моховым и растительным покровом, где отбор проб затруднен и связан с большими затратами.

В результате миграции углеводородных и других газов к дневной поверхности происходит перераспределение концентраций различных элементов в системе подземные воды — породы — почва — растение на путях миграции, что отражается в приповерхностной зоне в растениях, являющихся индикаторами геохимических особенностей среды. Строят профиль распределения элементов почвеннорастительного покрова, а затем данные сопоставляют. Результаты исследований на площадях Западной Сибири показали, что над продуктивными структурами отмечаются повышенные концентрации отдельных элементов (Ва, Со, В, N1, 8г, Ъъ, Тл) (геохимические аномалии) по сравнению с фоновыми (Л.Г. Комогорова и др.).

Обработка материалов биогеохимических исследований древесных растений березы, ивы и кедра, проведенных на Варьеганском месторождении, позволили выявить некоторые тенденции в распределении элементов. Выделяется ряд элементов (В, Ва, Р, РЬ, Мп, Си, Со, N1, 8г, Zn, ТО, дающих аномалии над контуром месторождения по сравнению с фоновым их содержанием.

Так, наибольшие концентрации 12 элементов В, РЬ, Мп, Си, N1, 8г, Zn, Т1, V, Ва, Со, Сг оказались различными на структуре в продуктивной части, в приконтурной зоне и за пределами структуры. Аномальные содержания Ва, Со, 8г, Сг, Zn, N1, В в золе ивы и березы выявлены над продуктивной частью, по золе кедра аномалии выявлены по В, Zn, Т1 и отношениям Мп/Си и Съ/Ы% (табл. 11.1) [5].

Таблица 11.1

Средние содержания элементов (л • 103%) в золе кедра Варьеганского

месторождения Западной Сибири

Окончание тобл. 11.1

Данные биогеохимических исследований почвенно-растительного покрова на нефтегазовых объектах, в частности, аномалии по указанным элементам Мп, Тл, 8г можно использовать в качестве косвенного показателя нефтегазоносности.

Выявленные биогеохимические аномалии можно объяснить следующими причинами: а) восстановительными условиями, возникающими под действием углеводородых потоков от залежи; б) особенностями гидрогеологического режима, связанного с разломной тектоникой; в) ландшафтной дифференциацией; г) антропогенной загрязненностью отдельными элементами.

Чем больше изучено месторождение, особенно в давно разрабатываемых рудных районах, тем меньше вероятность обнаружить полезные ископаемые традиционными геологическими методами по прямым признакам на дневной поверхности.

Ещё сложнее — под отложениями и в труднодоступных и слабо освоенных районах. В каждом из случаев это большие затраты. Серьёзной альтернативой традиционным методам выступают геохимические как более эффективные и экономичные.

Фото: omgre.su

Иногда геологи проявляют больший интерес не к почве, а к растениям. В некоторых случаях искомый элемент концентрируется не в верхних слоях субстрата, а в глубине нескольких метров. Это возможно благодаря корневой системе растений: так элемент накапливается в тканях не только живых растений, но и опада.

Особенно актуально это для болотистой местности, где отбирать образцы почвы довольно сложно. Однако именно химический анализ золы торфа, которая содержится в болотах, самый информативный.

Как быстро оценить перспективы площади?

Геофизические методы поиска в России зародились ещё в 1940-х годах прошлого столетия и получили своё развитие в период с 1960-х по 1990-е годы. Основанием стало свойство рудных месторождений образовывать в рыхлом чехле и на его поверхности вторичные наложенные ореолы рассеяния.

Они образуются в процессе разрушения рудопроявлений, диффузии и эффузии солевых и газовых составляющих полезных компонентов, в том числе паров металлов, скрытых рудопроявлений.

По характеру ореолы рассеяния подразделяются на литохимические — в почвах, биогеохимические — в организмах, гидрогеохимические — в воде и атмохимические — в атмосфере.

Биогеохимия — наука междисциплинарная, возникшая в пограничной области между геологией, биологией и химией.

Метод основан на способности организмов отражать в химическом составе особенности среды обитания. В поисковых целях используют небольшое число видов растений и их частей, которые накапливают рудные элементы линейно-пропорционально содержанию их в питающей среде.

Согласно оценкам экспертов, аналитические методы определения компонентов многократно совершенствуются и дают более точные результаты.

«В зависимости от характера ореолов рассеяния выделяются соответствующие геохимические методы поиска. Обнаружение ореолов на дневной поверхности определяется выбором методики отбора, отработки и анализа проб, позволяющей установить контрастность аномалий относительно фоновых содержаний применительно к выбранному типу биохимического опробования.

Это уже перечисленные гидро-, атмо-, лито- и биогеохимические.

Выбор зависит от характеристик полезного ископаемого и особенностей исследуемой территории, таких как природно-климатические: растительность, почвенный слой, мерзлота, и географо-экономическими: освоенность и доступность исследуемого участка месторождения и прочих факторов», — отметил начальник горно-геологического отдела АО «Иргиредмет» Алексей Давиденко.

Биогеохимия на практике

Алексей Александрович рассказал о применении биогеохимического метода поиска. Специалисты АО «Иргиредмет» проводили эксперимент в период с 2017 по 2018 годы. Поисковые работы проходили на участке в Бодайбинском районе Иркутской области.

Обязательными в исследовании были следующие показатели: резко континентальный климат, среднегорный рельеф, вершины сглаженной формы. Присутствует основная мерзлота, верхний почвенно-растительный слой оттаивает в июле-августе, бедная растительность, обнажённость района слабая, коренные породы перекрыты чехлом четвертичных отложений.

В этом районе ведут активную золотодобычу и геологоразведочные работы, поэтому местность стала идеальной, чтобы применить на ней биогеохимический метод поиска.

«Последовательность процесса была следующая: исследуемую площадь опробовали в сети. При выборе плотности сети опробования и ориентировки учитывались масштабы поисковых работ и геолого-морфологические особенности предполагаемого объекта.

В данном случае плотность сети составила 400 на 40 метров. В качестве материала для проб мы отбирали мох и ягель. Мхи содержат сообщество штаммов металлофильных бактерий, находящихся в порах мхов, защищающие от попадания в них повышенных концентраций так называемых «вредных» металлов из питающей среды.

Места отбора проб фиксировали при помощи навигаторов. На месте устанавливали метки с номером профиля и точки. В точке отбора проба компоновалась из пяти-семи сближенных мест с расстояния 1-2 метра. Вес отбираемой пробы составлял 10-12 граммов», — описал последовательность процесса г-н Давиденко.

Обрабатывают их путём обезвоживания мха при помощи специальных устройств, полученную влагу пропускают через сорбент. Если влага отсутствует, пробы орошают очищенной водой и выдерживают несколько дней, затем обезвоживают. Сорбент проходит озоление в муфельной печи при температуре 550 градусов.

Полученную золу растворяют в кислотах, после кислотного разложения определяют содержание полезных компонентов на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой, который позволяет с высокой точностью определить до шестидесяти элементов.

«Полученные данные подвергались камеральной обработке с применением ЭВМ, специалисты определили геохимический фон исследуемого участка.

Также провели корреляционный анализ элементов-спутников. На основе полученных результатов построены изокарты с распределением полезных компонентов и выделением аномалий, а также определением их характеристик, таких как контрастность и размер.

При выделении аномалий проводились подавления природных и технических помех путём математической обработки. Выделенные аномалии анализировали с учётом ранее полученной геофизической информации. В результате работ определены несколько участков с повышенным содержанием золота и его спутников.

С учётом выделенных характеристик для части из них дана рекомендация о проведении геологоразведочных работ методом кернового бурения», — заключил Алексей Давиденко.

Таким образом, применение биогеохимических методов позволяет оперативно исследовать большие площади поисковых работ и выделить перспективные участки с возможным оруденением, в том числе найти скрытые объекты.

А совместно с новыми методиками аналитических работ значительно повышает достоверность и информативность полученных данных.

Если подключить к исследованиям современные цифровые технологии, это упростит и ускорит работы с большим объёмом входящих данных и даст возможность оперативно обрабатывать и корректировать показатели.

Текст: Надежда Гесс