Выявление зависимости химического состава поверхностных вод от ландшафтных и геологических характеристик с использованием ГИС-технологий: На примере Уронайского рудного узла

Актуальность работы. В последнее время стало появляться все больше работ, посвященных геологическим и геохимическим исследованиям на основе использования технологий ГИС и ДЗ (Геоинформатика 2000, 2000; Интеркарто 3−8, 1997;2002). Постепенно уходит в прошлое восприятие ГИС-инструментария только как средства визуализации пространственных данных. Все более и более за геоинформационными технологиями закрепляется значение самостоятельного метода, ориентированного на решение задач в области наук о Земле (комплексирование разнородных тематических данных, анализ пространственных закономерностей, моделирование).

Одной из наиболее распространенных задач использования ГИС в гидрогеохимии является определение зависимости качества вод от характеристик водосборного бассейна (геологического строения, растительного покрова, почвенного покрова, ландшафтов, форм рельефа и т. п.). Этой теме посвящено множество работ как зарубежных, так и отечественных авторов (Бубгров, Моржухина, 2000; Лобанов, 2001; Bis, 2000; Jarvie, 2002 и др.).

Результаты исследований Томаса АЛ. и др. (1999) показали, что геоинформационные технологии являются эффективным средством для изучения зависимости рН вод от геологии, почвенного покрова и рельефа. Более чем 60% изменчивости рН в водах объясняется составом подстилающих пород, типом почв и площадью водосборного бассейна. В работе (Hong-Il, Hyo-Taek, 1999) рассматривается использование ГИС-технологий для выявления пространственной зависимости качества грунтовых вод от топографии, геологии, использования земель, источников загрязнения.

Также много внимания уделено проблеме распространения загрязнения вод по потоку от точечных и площадных источников. Чарльз Мун (1999) в своей работе предлагает количественную модель оценки распределения концентраций в донных отложениях ручья от точечной геохимической аномалии в почве. Предлагаемый подход построения графиков продуктивности позволяет выявлять даже небольшие аномалии в областях с достаточным опробованием (более одного образца на водосборный бассейн). Использование ГИС-технологий, наличие цифровой модели рельефа и геологических карт значительно облегчает применение предложенного метода.

В работе Basnyat и др. (2000) описано использование дистанционного ф зондирования и ГИС для анализа загрязнения от площадных источников. Было исследовано влияние характеристик водосборных бассейнов (таких как использование земель, ландшафтный покров, углы падения склонов, тип почв) на качество природных вод. Выделение водосборных бассейнов проводилось на основе цифровой модели рельефа с дальнейшей корректировкой вручную. Использование земель и ландшафтные характеристики были получены на основе классификации композита снимков Landsat ТМ (разрешение 25 м) и SPOT (разрешение 10 м). Результаты исследований показали, что наличие урбанизированных и сельскохозяйственных земель в пределах водосборного бассейна способствует повышению содержания нитрата, в то время как наличие лесных зон — понижению концентраций.

Еще одним примером оценки загрязнения от площадных источников с использованием ГИС-технологий является работа (Tsihrintzis et al., 1997). В ней рассматривается влияние сельскохозяйственных угодий на качество поверхностных и грунтовых вод. Для оценки поступления загрязняющих веществ в поверхностные и грунтовые воды использовалась программа гидрологической симуляции (Hydrologic Simulation Program-FORTRAN) совместно с ГИС Arc/Info. ГИС-модель исследуемой территории включала такие тематические слои, как топография, почвы, водосборные бассейны, гидрология, дороги и др. Моделирование показало наличие существенного загрязнения поверхностных и грунтовых вод нитратами и ^ пестицидами от сельскохозяйственных территорий. В качестве уменьшения вредного влияния предлагается снижение применения нитратов. Увеличение урбанизации на исследуемой территории также приведет к уменьшению загрязнения нитратами.

Много работ посвящено обзору и разработке методик выделения пространственных аномалий химических элементов. В работе Красавчикова В. О. (2000) предложен подход к количественной оценке типичности территории, который: 1) позволяет количественно оценивать меру типичности локального участка по комплексу количественных показателей- 2) порождает дискретную ^ кластеризацию территории на участки, однородные относительно типичности или нетипичности по каждому из показателей- 3) позволяет построить карту меры типичности в изолиниях. Выделение типичных и нетипичных значений выполняется на основе процедуры трехзначного кодирования, предназначенной для выделения фоновых, пониженных и повышенных значений признака по заданной выборке.

В работе (Qiuming и др., 2000) предлагается новый подход для выделения геохимических аномалий на основе интеграции пространственного анализа и анализа спектра. Этот подход позволяет эффективно выделять не только крупные геохимические аномалии, но и незначительные отклонения от фона.

Множество работ посвящено моделированию гидрологических свойств водосборных бассейнов на основе цифровых моделей рельефа. По ЦМР определяются такие показатели, как площадь, средний уклон рельефа, средний угол русловой сети, средний уклон склонов, средняя для склонового добегания, средняя длина добегания до конечного створа водосбора, средняя высота, суммарная длина русловой сети и др. (Яковченко, Жоров, 2000; Cheng et al., 2001).

Приведенные примеры показывают разнообразность гидрогеохимических и гидрологических задач, решаемых с использованием геоинформационных технологий. ГИС-технологии позволяют не только наглядно представлять разнородную пространственно привязанную информацию, но также проводить комплексный анализ и моделирование гидрологических, гидрогеохимических и ландшафтных характеристик территории.

Несмотря на существование множества специализированных ГИС-приложений, ГИС является мощным средством интеграции данных и их сопряжённого анализа. Поэтому геоинформационные технологии не могут развиваться в отрыве от предметной области. Информация (с ее тематической спецификой) и специалисты (с их предметно-проблемной ориентацией) наряду с программно-аппаратным обеспечением являются неотъемлемыми частями ГИС в соответствии с общепринятыми определениями (ДеМерс, 1999). Таким образом, разработка технологий применения ГИС и ДЗ для решения типовых задач в области наук о Земле всегда должны представлять собой комплексные междисциплинарные исследования. Основные термины и понятия ГИС приводятся в приложении 1. Предлагаемая работа, ориентированная на выявление пространственных закономерностей распределения химических элементов от природных условий территории, включает в себя комплексное решение гидрогеохимических и геологических задач средствами геоинформационных технологий.

Объектом исследования является Уронайский рудный узел, расположенный в Восточном Забайкалье, в пределах выделенного С. С. Смирновым (1944) оловянно-вольфрамового пояса. Исследуемая территория представляет собой средневысотную горную область. Ее основной орографической единицей является Уронайский хребет, склоны которого рассечены долинами.

По данным геологической съемки основная часть территории сложена вулканогенно-осадочными породами силура, которые прорываются интрузиями, представленными штоком безрудных гранитоидов каменноугольного возраста, а также штоками и дайками юрского возраста, несущими рудную нагрузку. Данная территория исследуется геологами на протяжении многих десятков лет. За это время было выявлено значительное количество месторождений и рудопроявлений, выходящих на земную поверхность. По данным разведочных работ известны рудопроявления вольфрама, меди, цинка, свинца, железа и др. металлов. Выявленные месторождения и рудопроявления связываются с юрским магматизмом и, по всей видимости, имеют метасоматический генезис. При этом в формировании рудопроявлений большую роль сыграли разломы. Прямые методы поисков исчерпали себя. На современном этапе исследований особую актуальность приобрели методы, позволяющие выявить скрытое оруденение.

Целью работы является выявление зависимости гидрогеохимических характеристик от геологического строения территории.

Основными задачами исследования являются:

1. Выявление закономерностей пространственного распределения химических элементов в природных водах исследуемой территории;

2. Выявление и локализация основных факторов, контролирующих распределение рудных элементов на исследуемой территории;

3. Разработка методики обработки и анализа разнородных геологических и гидрогеохимических данных с целью выявления зависимости химического состава вод от геологического и ландшафтного строения территории.

4. Создание геоинформационных моделей, позволяющих прогнозировать локализацию рудной минерализации на основе гидрогеохимических и геологических данных.

Новизна работы. Научная новизна работы заключается в выделении гидрогеохимических аномалий рудных элементов и определении областей возможных источников этих аномалий на территории Уронайского рудного узла. Выявлены закономерности распределения химических элементов в водах в зависимости от рельефа и геологического строения территории.

Методическая новизна работы заключается в совмещении геологических, гидрогеохимических и геоинформационных методов исследования. Использование геоинформационных технологий позволяет более детально проанализировать имеющийся геологический и гидрогеохимический материал и наглядно представить пространственное распределение гидрогеохимических аномалий на территории Уронайского рудного узла и их связь с рудопроявлениями и рудоконтролирующими факторами. Использование данных дистанционного зондирования позволило уточнить геологические особенности территории, составить схему зон трещиноватости, являющихся одним из рудоконтролирующих факторов, а также составить серию геоландшафтных схем (типов субстрата и растительности). По многочисленным фондовым материалам составлена геологическая карта масштаба 1:50 ООО на всю исследуемую территорию.

Основные защищаемые положения:

1.В условиях однородного геологического строения Уронайского рудного узла содержания основных макрокомпонентов в природных водах отражает степень взаимодействия источников с подстилающими породами. Геоморфологические и орографические характеристики территории (абсолютная высота, длина потока, площадь водосборной области) являются показателями состава потоков. Микроэлементный состав определяется локальными ландшафтными условиями и наличием минерализованных пород.

2. Совмещение построенных гидрогеохимических и геологических прогнозных схем позволяет локализовать области, перспективные на выявление рудопроявлений и месторождений полезных ископаемых.

3. Разработанная пространственная рудно-геохимическая модель свидетельствует о перспективности Уронайского рудного узла в первую очередь на молибден и вольфрам, а также на медное и полиметаллическое оруденение.

Методика исследования и фактический материал.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

1. Гидрогеохимическое опробование, позволяющее прогнозировать скрытое оруденение по гидрогеохимическим аномалиям;

2. Геоинформационное комплексирование разнородных геологических, геоморфологических, металлогенических, ландшафтных и других данных на изучаемую территорию, позволяющее систематизировать, верифицировать, анализировать пространственно привязанную информацию;

3. Обработка данных дистанционного зондирования (мультиспектральные снимки ASTER высокого разрешения), позволяющая выявлять скрытые геологические структуры и ландшафтные особенности территории и, в частности, локализовать зоны трещиноватости;

4. Геоинформационное моделирование и пространственный анализ геологических и гидрогеохимических обстановок.

Гидрогеохимическое опробование включало отбор проб поверхностных и подземных вод на площади рудного узла и проверку выявленных гидрогеохимических аномалий в различные сезоны года (весна, лето, осень) в течение четырех лет. Пробы, отобранные в 1986;1988 гг., были предоставлены Заманой J1.B. Опробование в 2002 году проводилось при участии автора. Всего отобрано около 390 проб поверхностных и подземных вод, которые анализировались на общий химический состав и фтор, редкие (Mo, W) и цветные (Си, Pb, Zn) металлы. Химико-аналитические исследования выполнены в Читинском институте природных ресурсов СО РАН. Воспроизводимость и правильность определений соответствовала допустимым нормам.

Для выявления закономерностей распределения элементов на площади Уронайского рудного узла был создан ГИС-проект на эту территорию. Технологическая схема работы представлена на рисунке 1. Информационная основа состоит из нескольких блоков: 1) данные гидрогеохимического опробования- 2) результаты обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ) — 3) картографические данные, включающие в себя характеристику геологии, геоморфологии, металлогении и т. п.- 4) цифровая модель рельефа (ЦМР) и производные от нее сеточные карты.

По проекту ARO № 238 на исследуемую территорию были получены многозональные дневные и ночные космические снимки ASTER. По результатам обработки снимков была составлена серия схем, позволяющих дополнить и уточнить имеющуюся ландшафтную и геологическую информацию.

На основе комплексирования всех данных создавались две геоинформационные модели территории: 1) модель геологических характеристик территории и 2) модель гидрогеохимических обстановок. Первая модель позволяет локализовать основные рудоконтролирующие факторы на исследуемой территории и установить зависимость содержания гидрогеохимических элементов от геологического строения. Модель гидрогеохимических обстановок позволяет провести детальную характеристику водосборных бассейнов и выявить обстановки, благоприятные для миграции и накопления химических элементов.

Схема разломов.

Геоландшафтные схемы.

Моноэлементные схемы.

Схемы гидрогеохимических аномалий.

Геологические Геоморфологические Геофизические Металлогенические.

Схема потоков Схемы углов и азимутов падения склонов.

Геоинформационное моделирование.

1 г 1 г.

Верификация полученной схемы известными рудопроявлениями и литогеохимическими аномалиями.

Рис. 1 Технологическая схема работы.

Практическая значимость. Сопряжённый пространственный анализ геологической, металлогенической и гидрогеохимической информации позволяет выявить основные рудоконтролирующие факторы и проследить зависимость от них гидрогеохимических аномалий. Полученные результаты могут быть использованы для выявления участков, перспективных на обнаружение скрытого оруденения.

Личный вклад. Автором работы был составлен банк геопривязанных данных, включающий геологические, геоморфологические, гидрогеохимические, гидрологические данные, а также результаты обработки ДЦЗ и данные гидрогеохимического опробования. Проведена обработка ДЦЗ с целью выявления рудоконтролирующих факторов территории Уронайского рудного узла (локализация разломов, штоков гранодиоритов). По многочисленным геологическим данным и ДЦЗ составлена геологическая карта на всю исследуемую территорию. Автор также принимал участие в гидрогеохимическом опробовании территории в июле 2002 г. На основе анализа геохимических данных выявлен ряд закономерностей поведения макрои микроэлементов в природных водах в зависимости от ландшафтных и геологических характеристик территории. Локализованы основные рудоконтролирующие факторы на исследуемой территории и создана схема перспективности района на выявление рудной минерализации. Кроме того, было проведено геоинформационное моделирование геологических и геохимических характеристик исследуемой территории.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях «Инженерно-геологические проблемы урбанизированых территорий» 2001, ENVIROMIS 2002, ENVIROMIS 2004; на молодежных и студенческих конференциях: международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» 2001, Первой и Второй Сибирских международных конференциях молодых ученых по наукам о Земле 2002 и 2004; на всероссийской конференции «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» 2003, на Второй Сибирской конференции пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS 2003, на Всероссийском совещании по подземным водам Востока России 2003, на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» 2003. По теме диссертационной работы опубликовано 26 научных работ.

Благодарности. Работа выполнена в НРЦГИТ ОИГГМ СО РАН под научным руководством д.г.-м.н. Птицына А. Б. и к.г.-м.н. Зольникова И. Д., которым автор выражает свою искреннюю благодарность. Автор выражает признательность к.г.м.н. Замане Л. В. за предоставленные данные гидрогеохимического опробования Уронайского рудного узла 1986;1988 гг., за помощь в организации полевых исследований 2002 г., а также за консультации при проведении исследований. Автор также благодарит к.г.-м.н. Добрецова Н. Н., к.г.н. Жорова В. А, к.г.н. Яковченко С. Г., к.г.-м.н. Каргополова С. А., к.г.-м.н. Кривоногова С. К., д.г.-м.н. Шварцева C. JL, д. г,-м.н. Кусковского B.C., д.г.-м.н. Гавшина В. М., д.г.-м.н. Сотникова В. И., д.г.-м.н. Бортникову С. Б., д.г.-м.н. Аношина Г. Н., д.г.-м.н. Сокол Э. В. за консультации и ценные замечания при подготовке работы. Автор выражает признательность Чечель Л. П. за помощь при проведении полевых исследований, а также Глушковой Н. В. и Мартысевич У. В. за помощь при подготовке работы.

Выводы:

1. Наибольшее влияние на распределение макроэлементов оказывают геоморфологические и орографические характеристики (абсолютная высота, длина потока, площадь водосборной области). Характер растительного покрова и геологическое строение на распределение макроэлементов не влияют. Пространственный анализ показал, что уровень минерализации и щелочность вод увеличиваются от приводораздельной части Уронайского хребта к его подножью. Содержание большинства макроэлементов, за исключением SO4также увеличивается к подножью хребта. В распределении микроэлементов такой зависимости не наблюдается. Распределение микроэлементов зависит от локальных условий ландшафтных и геологических условий (наличия рудного источника вещества).

2. Гидрогеохимические аномалии по микроэлементам выделяются для меди, свинца, цинка, вольфрама и молибдена. Поскольку при высоких значениях рН создается неблагоприятная обстановка для миграции таких элементов, как медь, цинк и свинец, то для них наблюдаются только отдельные аномальные пробы в районах их собственных месторождений и рудопроявлений на расстоянии не более 1700 м для меди, не более 700 м для свинца и цинка. Однако выделяются аномалии, не связанные с известными месторождениями и рудопроявлениями. Вольфрам также плохо мигрирует в данных условиях, в районе его рудопроявлений наблюдаются только незначительные повышения концентраций, а в некоторых случаях такого повышения нет. При этом особое внимание следует обратить на аномалию на северо-западном склоне Уронайского хребта, где содержания достигают 112 мкг/л. Для миграции молибдена же, наоборот, с повышением щелочности вод складывается благоприятная обстановка, однако в районах рудопроявлений молибдена его содержание в воде увеличивается незначительно. Тем не менее, на исследуемой территории выделяются крупные контрастные аномалии молибдена на юговосточном склоне хребта, а также одна аномалия на северо-западном склоне, совпадающая с аномалией вольфрама.

3. Основными рудоконтролирующими факторами являются разломы, особенно пересечения разломов северо-западного и юго-восточного направлений, штоки и дайки гранодиоритов шахтаминского комплекса, а также наличие карбонатных пород и скарнов. Из 39 выявленных на исследуемой территории рудопроявлений и месторождений скарнового и гидротермально-метасоматического генезиса только три не связаны с вышеперечисленными факторами. Использование ночных тепловых снимков ASTER, снятых в предрассветные часы, является эффективным для выявления зон трещиноватости, являющихся основными рудоконтролирующими факторами на территории Уронайского рудного узла.

4. Созданная модель геологических особенностей территории позволяет локализовать области влияния рудоконтролирующих факторов и создать прогнозную схему для выявления рудопроявлений и месторождений. Созданная модель потоков позволяет вычислять возможные пути миграции химических элементов от известных рудопроявлений и месторождений, а также выявлять возможные источники гидрогеохимических аномалий. Совмещение построенных гидрогеохимических и геологических прогнозных схем позволяет локализовать области, перспективные на выявление рудопроявлений и месторождений полезных ископаемых. Разработанная методика сопряженного анализа разнородных геологических и гидрогеохимических данных позволяет эффективно выявлять закономерности пространственного распределения химических элементов в зависимости от геологических и ландшафтных особенностей исследуемой территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.