Гидрогеохимические методы поисков

Гидрохимические методы, входящие в общий комплекс применяемых в России геохимических методов, базируются на изучении геохимических и гидродинамических закономерностей распределения рудных элементов в природных водах и процессов их взаимодействия с вмещающими породами.

Главной задачей гидрохимических поисков является оценка рудной перспективности района. Эта задача выполняется путем выявления источников рассеяния рудного вещества в водных бассейнах. С помощью гидрохимических методов в поле может быть получена экспрессная информация о наличии рудной минерализации под мощным покровом рыхлых отложений в любых геоморфологических и климатических условиях. Поскольку все известные элементы-индикаторы способны растворяться и мигрировать в природных водах, гидрохимические методы возможно применять при поисках всех типов месторождений. В закрытых слаборасчлененных районах с редким распространением поверхностных водопроявлений гидрохимические поиски следует сочетать с литохимическим опробованием и геофизическими исследованиями неглубоких картировочных скважин.

Применению гидрохимических методов поисков должен предшествовать детальный анализ всех факторов, влияющих на их эффективность — геологических, ландшафтных, организационных, экономических и т. д.

В целом применение гидрохимического метода целесообразно:

• • в труднодоступных горных районах, где опробование литохимических ореолов технически сложно;
• • для поисков глубокопогребенных рудных тел;
• • для выявления погребенных рудоконтролирующих структур (разломов, интрузий и т. д.);
• • для выявления зон пластового окисления.

Положительным моментом является то, что гидрохимическую пробу не надо переводить в раствор. Это значительно облегчает процесс пробоподготовки при использовании современных методов анализа (массспектрометрия с индуктивно связанной плазмой, атомная абсорбция).

При интерпретации гидрохимических аномалий нужно учитывать следующие моменты:

• 1) увеличение содержаний в водах происходит не только при разрушении рудных ореолов, но и вследствие общего увеличения минерализации вод от верховий водотоков к низовьям;
• 2) при геометризации аномалии надо учитывать, что ее контур должен соответствовать направлению стока подземных вод;
• 3) перспективность аномалии оценивается исходя из ее интенсивности, геологической ситуации и особенностей зональности.

Формирование водных ореолов рассеяния существенно сульфидных руд происходит в результате сернокислотного выветривания и электрохимического растворения. Главным агентом сернокислотного выветривания является кислород, поэтому наибольшие изменения химического состава в районах сульфидных месторождений испытывают воды, формирующиеся выше местных базисов эрозии. В благоприятной обстановке (отсутствие скоплений органических веществ в рыхлом покрове и др.) окисление сульфидных руд распространяется на значительную (до 250—500 м) глубину, вследствие чего их водные ореолы рассеяния могут существовать значительно ниже местных базисов эрозии.

Изменение химического состава вод не сульфидных месторождений происходит под влиянием более слабых процессов гидролитического разложения, углекислотного выветривания и биогенного преобразования, что соответствующим образом отражается на контрастности водных ореолов рассеяния.

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 никеля или молибдена 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 (рис. 21).

Рис. 21. Геохимическая зональность гидрохимических ореолов скрытой медноколчеданной залежи (схема и графическое изображение):

Контуры водных ореолов: 1 — меди; 2 — молибдена; 3 — свинца;

4 — висмута и кобальта; 5 — цинка; 6 — направление движения ореольных вод в коре выветривания и по разломам, секущих толщи рудовмещающих вулканогенных пород; 7 — рудная залежь; 8 — уровень грунтово-трещинных вод; 9 — эндогенный ореол и его зоны (I — надрудная, II — околорудная,.

III — подрудная); 10 — буровые скважины Подвижность химических элементов в природных водах зависит главным образом от их солевого состава, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных свойств, основными показателями которых являются 0₂, H₂S, С0₂, 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.

Водные ореолы рассеяния рудных тел могут перемещаться из водоносного горизонта, который непосредственно соприкасается с рудными телами, в вышележащие водоносные горизонты и благодаря разгрузке восходящих ореольных вод и диффузионному рассеянию рудных элементов формировать гидрохимические потоки рассеяния в открытых водотоках и водоемах. В связи с этим водные ореолы и потоки рассеяния, образовавшиеся за счет растворения и выщелачивания рудных элементов из глубокозалегающих залежей, проявляются часто в неглубоко залегающих грунтовых или поверхностных водах. Например, химический состав вод некоторых озер может измениться под влиянием скрытой разгрузки глубоких трещинных напорных вод, взаимодействующих на глубине с рудными телами, или в результате привноса рудных элементов с окружающей территории, для которой характерно развитие рудных месторождений. Такие аномальные по содержанию рудных элементов воды бессточных; озер могут служить косвенным показателем рудоносности района.

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 — зависимые от контакта с рудными телами изменения состава солевых компонентов (калий, сульфат-ион, хлор-ион и др.), а также величин pH и Eh вод.

Под фоновыми водами подразумеваются такие воды, химический состав которых формируется под влиянием различных региональных геологических и гидрогеологических процессов, не связанных с разрушением рудных тел или (и) их литохимических ореолов. Эти воды обогащаются различными химическими компонентами за счет углекислотного, биогенного или гидролитического разложения горных пород.

Наиболее контрастные водные ореолы и потоки рассеяния образуются в результате интенсивного окисления сульфидных залежей и их литохимических ореолов. Если эти рудные залежи оказываются обогащенными дисульфидами железа и залегают в химически слабоактивных силикатных породах, то образуются потоки и ореолы кислых сульфатных вод с высокими концентрациями рудообразующих и сопутствующих элементов. Агрессивно воздействуя на вмещающие породы и сульфидные минералы, эти воды обогащаются сернокислыми солями алюминия, железа, сульфатами кальция, натрия, магния, калия, а также разнообразными рудными и нерудными элементами (медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, серебро, ртуть, мышьяк, сурьма, висмут, германий, селен и др.). Наименьшей контрастностью в гидрохимических ореолах отличаются элементы, соединения которых неустойчивы в кислой сульфатной среде (молибден, свинец, золото, барий, стронций и др.).

Коэффициент контрастности гидрохимических ореолов рассеяния интенсивно окисляющихся сульфидных руд колчеданного типа достигает величины нескольких десятков и сотен тысяч, что в значительной мере облегчает их обнаружение при правильном определении направления движения ореольных вод. Величина окислительно-восстановительного потенциала в кислых сульфатных водах достигает максимальных значений 0,7—0,8 вольт, а pH снижается до 0,7—2,5. Под влиянием интенсивного выщелачивания вмещающих пород кислыми сульфатными водами в пределах сульфидных рудных полей нередко образуется «сульфидный карст».

Протяженность ореолов кислых сульфатных вод, как правило, не превышает 300—500 м и только на участках широкого развития литохимических ореолов рассеяния, представленных бурыми железняками за счет их переотложения, формируются вытянутые до 2,5 км по направлению движения грунтовых вод контрастные гидрохимические ореолы рассеяния.

Значительно менее контрастные водные ореолы и потоки рассеяния образуются при взаимодействии подземных вод с рудными залежами при малом содержании дисульфидов железа, даже при залегании рудных тел на небольшой глубине выше местных базисов эрозии. Ввиду слабого отличия pH аномальных вод от pH фоновых вод этот косвенный показатель в данном случае теряет поисковое значение. Что же касается сульфат-иона, то, несмотря на резкое снижение контрастности его ореольных значений, он может быть использован и при поисках слабоокисляющихся малосульфидных залежей.

В связи с тем что активность водной миграции некоторых рудообразующих компонентов в зоне восстановительных процессов с Eh < 0 падает, большое значение при поисках глубокозалегающих руд в этих условиях приобретают так называемые анионогенные элементы, мигрирующие в виде устойчивых комплексных анионов (НМ0О4, М0О4^-, HAsOl^- и др.). В глубоких нейтральных и слабощелочных водах в восстановительной обстановке эти элементы образуют достаточно контрастные для обнаружения водные ореолы.

Контрастность неглубоких гидрохимических аномалий обычно изменяется в зависимости от режима подземных и поверхностных вод. Наименее постоянны гидрохимические аномалии в поверхностных потоках высокогорных районов с резкоменяющимися условиями питания и стока.

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 среди водных ореолов можно выделить четыре типа (рис. 22): I — залегающие ниже местных базисов эрозии в долинах рек под маломощным покровом водопроницаемых аллювиальных отложений в зоне слабого водообмена (долинный тип); II — расположенные на водоразделах выше местных базисов эрозии в условиях интенсивного водообмена (водораздельный тип); III — залегающие под элювио-делювиальными образованиями на склонах водоразделов (склоновый тип); IV — глубоко скрытые в толще рудовмещающих пород значительно ниже местных базисов эрозии под покровом рыхлых аллохтонных отложений, обводняющиеся глубокими трещинно-жильными и пластово-трещинными водами (трещинный тип).

В условиях интенсивного водообмена при залегании рудных тел выше эрозионных врезов формируются водные ореолы рассеяния открытого типа с поверхностными водопроявлениями. Локальное развитие слабоконтрастных водных ореолов рассеяния наблюдается при глубоком залегании рудных тел — значительно ниже эрозионных врезов. Пониженная контрастность их обусловлена замедленным водообменном, узколокальным характером разгрузки ореольных вод по глубоким разрывным нарушениям и отсутствием сильных окислителей (О²-, H₂S0₄ и др.) в водах.

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.). Их образование происходит обычно при залегании рудных тел или их литохимических ореолов выше местных базисов эрозии.

Закрытые водные ореолы рассеяния окаймляют рудные тела, располагающиеся ниже местных базисов эрозии в слаборасчлененных предгорных и равнинных областях. В отличие от водных ореолов открытого типа они не вскрываются современными эрозионными формами рельефа и не проявляются в поверхностных водопроявлениях. Такого типа водные ореолы образуются обычно вокруг рудных тел, глубоко погребенных под покровом рыхлых песчано-глинистых отложений. В случае значительного удаления рудных месторождений от эрозионных дренирующих форм рельефа и при большой мощности рыхлых слабопроницаемых наносов водные ореолы рассеяния не проявляются на поверхности земли в виде открытых очагов разгрузки. Глубина залегания рудных тел при этом не всегда определяет степень их окисления. Так, например, на малых глубинах под водонепроницаемыми глинистыми отложениями нередко залегают менее окисленные рудные месторождения, чем на большей глубине, но под покровом легководопроницаемых отложений.

Рис. 22. Типы водных ореолов рассеяния скрытого оруденения в зависимости от гидрогеологических условий их проявления:

I — долинный; II — водораздельный; III — склоновый;

IV — трещинный. 1 — надрудные рыхлые образования; 2 — кора выветривания рудовмещающих пород; 3 — рудовмещающие образования; 4 — рудное тело с эндогенным ореолом; 5 — водный ореол рассеяния: а — в измененных горных породах, б — в рыхлых отложениях; 6 — разрывные тектонические нарушения;

7 — направление излияния подземных вод; 8 — открытые очаги разгрузки ореольных вод; 9 — открытые очаги разгрузки фоновых вод; 10 — местный базис эрозии Зональность водных ореолов рассеяния рудных месторождений зависит от устойчивости основных форм водной миграции их элементов-индикаторов, состава и водопроницаемости надрудных образований, изменений геохимических условий миграции рудных элементов с глубиной, состава, зональности и морфологии первичных и вторичных литохимических ореолов.

Для каждой гидрохимической среды характерен свой ряд подвижности элементов. Например, в сильнокислых азотнокислородных сульфатных водах характерных для околорудных зон интенсивно окисляющихся сульфидных месторождений наиболее контрастные ореолы образуют катионогенные элементы в виде легкорастворимых сульфатных комплексов CuSO^, ZnSO®, CdSO^, NiSO® и др. В щелочной гидрокарбонатной и слаоокислой средах более подвижны анионогенные элементы (Mo, As, Sb, F, В, Ge, Se). Наименее благоприятна для миграции и накопления большинства элементов-индикаторов нейтральная среда (pH 6,5—7,5).

Высокорастворимыми, а следовательно, способными к накоплению рудные элементы становятся в глубоких трещинных хлоридных углекислых и углеводородных субтермальных и термальных водах, имеющих сходный состав с газово-жидкими включениями в минералах.

Процессы сорбции и соосаждения оказывают существенное влияние на контрастность и протяженность отдельных гидрохимических ореолов лишь при резких изменениях Eh и pH ореольных вод, вызывающих образование труднорастворимых соединений (гидроокиси железа и алюминия, карбонаты и сульфаты кальция, окись кремния и др.).

Гидрохимическая зональность рудных полей обычно искажается вследствие скрытой разгрузки трещинных ореольных вод, неоднородности состава вмещающих пород и влияния других геологических факторов. Однако общая тенденция к увеличению числа элементов-индикаторов по мере приближения к месторождению выдерживается при всех значениях геохимических параметров среды миграции, что и является одним из главных показателей рудоперспективности выявляемых гидрохимических аномалий.

В направлении движения подземных вод от погребенных окисляющихся медноколчеданных залежей обычно прослеживаются следующие зоны гипергенноизмененных пород: кремнистоопаловая, ярозитовая, алунитизации, огипсовании и галлуазитизации. Образование этих зон обусловлено соответствующим изменением химического состава подземных вод по направлению их движения (кислотность уменьшается, содержание кремнекислоты увеличивается, концентрация железа, металлов и сульфат-иона понижается).

Вместе с гидроокислами железа и алюминия, а также кремнекислотой из нейтрализующихся ореольных вод в их очагах разгрузки соосаждаются молибден, серебро, свинец, цинк, медь, селен, кадмий, германий, галлий и индий. Вследствие этого зоны ярозитизации и алунитизации часто оказываются обогащенными разнообразными металлами, что и обусловливает приуроченность к ним литохимических аномалий.

С понижением кислотности ореольных вод до pH 6,5—6,9 вокруг погребенных сульфидных залежей по основным породам обычно развивается зона галлуазитизации, обогащенная купритом, фосфатами меди и цинка, малахитом, азуритом, смитсонитом, церусситом, атакамитом, хризоколлой, каламином, самородной медью, брошантитом и другими новообразованиями, устойчивыми при pH выше 5. Гипергенное омеднение отмечается часто на некотором (100—150 м) расстоянии от рудного тела. Это вызывает появление «отрицательных» гидрохимических аномалий меди в неглубоких грунтовых водах над погребенными медноколчеданными залежами. Зона омеднения сопровождается зоной омарганцевания в связи с осаждением значительного количества марганца при нейтрализации кислых ореольных вод. Выпадающий из них гипс, мирабилит, тенардит и галит вызывают появление (в результате переотложения) сульфатных и хлоридных гидрохимических аномалий в периферийной зоне водных ореолов.

Если процесс нейтрализации подземных вод по направлению от окисляющегося погребенного рудного тела к местным оазисам эрозии происходит очень интенсивно (взаимодействие с карбонатными породами), протяженность водного ореола рассеяния резко сокращается.

Не менее важную роль играет и продолжительность процессов окисления. Длительное окисление приводит к образованию протяженных и очень контрастных солевых (литохимических) и водных ореолов рассеяния металлов, прослеживающихся на расстоянии нескольких сот метров по направлению древнего и современного переноса продуктов разрушения. В почвенном слое солевой ореол рассеяния формируется обычно на участках разгрузки грунтовых ореольных вод.

При расположении погребенных или скрытых рудных тел на крутых склонах солевые и соответственно водные ореолы рассеяния наиболее хорошо мигрирующих компонентов носят резко смещенный по отношению к рудным залежам характер. Такие смещенные аномалии рудных элементов (молибден, серебро и др.) обычно приурочены к низинным болотам, богатым органическим веществом.

На формирование гидрохимической зональности рудных полей большое влияние оказывают гидрогеологическая раскрытость рудоносных структур, к которым приурочены рудные месторождения, режим подземных вод и другие гидрогеологические факторы. В зависимости от глубины залегания рудных тел по отношению к местному базису эрозии влияние этих факторов проявляется с различной интенсивностью. Повышение интенсивности водообмена грунтовых вод в коре выветривания рудных залежей вызывает появление больших по размерам и контрастности водных ореолов рассеяния вследствие увеличения притока в рудную зону агрессивных кислородсодержащих вод, воздействующих на рудные тела. В то же время увеличение массы поверхностных и грунтовых вод и скорости их движения часто приводит к снижению контрастности развивающихся в них водных ореолов рассеяния. Снижение активности водообмена и агрессивности вод с глубиной частично компенсируется длительностью взаимодействия подземных вод с рудной минерализацией, а также отсутствием разбавляющего влияния атмосферных осадков.

Исследования современных и палеогидрогеологических условий залегания разных типов рудных месторождений показали, что в большинстве случаев они располагаются на контакте различных по водопроницаемости комплексов пород (туфы, аргиллиты, алевролиты, песчаники, диабазы, альбитофиры и др.) либо на стыке различных геохимических, структурных и гидродинамических зон. Древние экраны (барьеры) часто оказываются и современными водоупорами, а отрицательные формы палеорельефа — участками накопления рудного вещества. К палеолощинам обычно приурочены солевые литохимические и водные ореолы рассеяния рудных элементов, отражающие расположение древних зон окисления рудных месторождений.

Возникновение же бесперспективных (безрудных) гидрохимических аномалий вызывается: а) выщелачиванием рудных компонентов из скрытых на глубине литологических комплексов пород, обогащенных металлами; б) выщелачиванием рассеянной рудной минерализации, не сопровождающейся концентрированным оруденением; в) увеличением интенсивности выщелачивания рассеянной рудной минерализации глубокими агрессивными минеральными водами (углекислые, азотные, термальные и др.); г) локальным повышением активности выщелачивания рассеянной рудной минерализации на отдельных трещиноватых интервалах при интенсивном (боковом) притоке агрессивных кислородсодержащих вод.