Формирование вторичных ореолов рассеяния происходит ... зоне гипергенеза, которая является ареной ... 3. Вторичные ореолы рассеяния рудных месторождений. 3.1. Общие положения.
реклама
3. Вторичные ореолы рассеяния рудных месторождений. 3.1. Общие положения. Формирование вторичных ореолов рассеяния происходит на поверхности земли в зоне гипергенеза, которая является ареной действия двух взаимосвязанных процессов – выветривания и денудации. Выветривание приводит к дезинтеграции коренных пород и руд и образованию рыхлых продуктов в зоне гипергенеза. Это, с одной стороны, облегчает денудацию и, с другой стороны, затрудняет дальнейший доступ агентов выветривания к свежим неизмененным породам. Удаление процессами денудации слоя рыхлых образований с поверхности активизирует выветривание, что в свою очередь создает благоприятные условия для усиления денудации. В результате между этими процессами устанавливается подвижное (динамическое) равновесие, определяющее мощность рыхлых образований в областях положительных форм рельефа. Если равновесие сдвигается в сторону денудации, мощность современных продуктов выветривания h будет уменьшаться. При замедленной денудации и соответственно более длительном выветривании равновесие будет достигаться при больших значениях h. В итоге для конкретных условий время Т, характеризующее продолжительность пребывания в зоне выветривания слоя рыхлых образований на глубине z, будет являться параметром и определяться линейной зависимостью: T= h z h (20) Процессы выветривания и денудации приводят к появлению на поверхности суши рыхлых образований и отложений, различающихся по мощности, типу и генезису. По взаимоотношению с материнскими коренными породами среди них выделяются два класса: автохтонные и аллохтонные. Автохтонные рыхлые образования развиваются на месте или с незначительным перемещением за счет подстилающих горных пород (элювий, делювий, элювио-делювий). По своему составу они отражают состав коренных пород и наличие в них оруденения с теми изменениями, которые вносят химическое выветривание и биогенные процессы. Аллохтонные (дальнеприносные) рыхлые отложения являются перемещенными продуктами выветривания и перекрывают коренные породы или рыхлые автохтонные образования в пониженных участках земной поверхности (эоловые, моренноледниковые, озерные, аллювиальные, пролювиальные отложения и др.). В благоприятных условиях вторичные ореолы рассеяния рудных месторождений, залегающих в породах фундамента, могут проявляться на поверхности в составе аллохтонных отложений за счет эпигенетических процессов (см. раздел 3.8). 50 3.2. Классификация вторичных ореолов рассеяния. Морфология, вторичных геохимические ореолов рассеяния характеристики определяются и количественные составом коренного параметры оруденения, рудовмещающих пород и рыхлых образований и отложений, местными ландшафтногеохимическими условиями зоны гипергенеза, наличием геохимических барьеров, биогенными процессами и многими другими причинами. Достаточно очевидно, что вторичные ореолы рассеяния генетически однотипных рудных месторождений будут обладать специфическими особенностями в условиях жаркого влажного климата с резким преобладанием химического выветривания и значительной мощностью рыхлых образований – современной коры выветривания – или в районах с аридным и холодным климатом с ограниченной мощностью рыхлых образований, представленных обломочнощебенистой корой выветривания. Многообразие природных обстановок с учетом индивидуальных свойств химических элементов, слагающих месторождения полезных ископаемых, приводит к появлению в зоне гипергенеза значительного числа вторичных ореолов рассеяния с характерными геохимическими признаками. Однако, выделяя в сложном процессе рассеяния отдельные, лежащие в его основе простые явления, удается ограничиться несколькими типами вторичных ореолов рассеяния, генезис, морфология и количественные показатели которых определяют их поисковое значение и геологическую интерпретацию. Классификационными признаками вторичных ореолов рассеяния являются следующие: 1) фазовое состояние компонентов; 2) генезис или взаимоотношение со средой; 3) степень доступности для обнаружения [2, 8, 16]. По фазовому состоянию вторичные ореолы рассеяния подразделяются на механические, солевые и газовые. В механическом ореоле рассеяния минеральные компоненты присутствуют в виде устойчивых в зоне гипергенеза первичных или вторичных минералов и рудных обломков, образующихся за счет физической дезинтеграции месторождения. Механические ореолы рассеяния чаще всего развиваются в современных элювио-делювиальных образованиях и древних остаточных корах выветривания. Они характерны для подавляющего числа рудных месторождений, в первую очередь, для месторождений, сложенных устойчивыми к физическому и химическому выветриванию минералами (золото, платина, касситерит, хромит, вольфрамит, шеелит и др.). Солевые ореолы рассеяния формируются за счет диффузии, капиллярного подъема и испарения минерализованных вод, содержащих компоненты рудных минералов за счет их растворения в процессе гипергенных изменений. Солевое рассеяние характерно для равнинных районов с замедленной денудацией в условиях влажного и теплого климата 51 для месторождений минеральных солей, медноколчеданных и колчеданно- полиметаллических залежей, флюорита и в разной степени для других типов рудных месторождений. Газовые ореолы рассеяния образуются за счет диффузии и эффузии газовых компонентов месторождений через толщу рудовмещающих пород и рыхлого чехла к дневной поверхности. Газовые ореолы рассеяния характерны для месторождений радиоактивных руд и развиваются независимо от процессов выветривания или от положения денудационной поверхности по отношению к залежи. Они образуются в результате самопроизвольного радиоактивного распада элементов, при котором выделяются газовые эманации – радон и торон. Наличие газовых ореолов рассеяния ртути доказано для собственно ртутных месторождений и рудных месторождений других рудноформационных месторождений, что связано с высокой упругостью паров ртути уже при обычных температурах земной поверхности (В.З.Фурсов, 2002). Более подробно газовые ореолы рассеяния месторождений полезных ископаемых рассмотрены в разд. 5.2. Классификация вторичных ореолов рассеяния по фазовому состоянию носит несколько условный характер, поскольку в природных условиях нет чисто механических, солевых или газовых ореолов рассеяния. Вторичные ореолы являются сложными образованиями, где сочетаются механическое, солевое и газовое рассеяние с наложением биогенной и сорбционной составляющей. В связи с этим названия ореолов отражают преимущественную фазу их формирования. Важнейшее значение для практики геохимических поисков и классификации вторичных ореолов рассеяния имеет их генезис. Следует различать остаточные ореолы, которые образуются в современном элювио-делювии или древней коре выветривания за счет интервалов рудного тела и его первичного ореола, существовавших в профиле коренных рудовмещающих пород до выветривания. В отличие от остаточных ореолов наложенные ореолы рассеяния формируются в профиле аллохтонных (дальнеприносных) отложений, перекрывающих рудную зону, в результате диффузии и эффузии компонентов оруденения к дневной поверхности. В профиле наложенного ореола рассеяния коренное оруденение отсутствовало. Вторичные наложенные ореолы рассеяния формируются преимущественно в солевой и газовой фазах и в большинстве случаев принадлежат к разряду слабых геохимических аномалий. Остаточные ореолы рассеяния, как правило, являются механическими и представлены в горных районах достаточно яркими и контрастными геохимическими аномалиями. По вторичным наложенным ореолам рассеяния проводятся поиски погребенных месторождений в закрытых рудных районах. По доступности для обнаружения различают открытые ореолы рассеяния, проявленные непосредственно на дневной 52 поверхности, и закрытые ореолы, обнаружение которых возможно только на некоторой глубине. Переход остаточных ореолов в закрытое состояние может объясняться выщелачиванием рудных элементов из верхних горизонтов элювия атмосферными осадками, высоким уровнем помех, наличием чехла дальнеприносных отложений и другими причинами. Доступность ореола рассеяния для обнаружения является не генетическим, а чисто техническим признаком. Любой закрытый ореол рассеяния при условии более совершенной техники геохимических съемок может быть обнаружен на дневной поверхности и, следовательно, перейдет в разряд открытых ореолов. Поэтому понятие о закрытых ореолах рассеяния содержит оговорку – закрытые ореолы не обнаруживаются на дневной поверхности с применением существующих технических средств. На основе трех классификационных признаков выделяются семь основных типов вторичных ореолов рассеяния (рис. 12), с которыми, в первую очередь, приходится иметь дело в теории и практике геохимических поисков [2, 4]. Рис. 12. Главнейшие типы вторичных литохимических ореолов рассеяния рудных месторождений [2]. I-остаточные элювио-делювиальные (а и б); II-диффузионный; III-надрудный; IV-оторванный; V-выщелоченный и предельно разубоженный; VI-погребенный; VII-наложенный погребенный. 1-почвенно-растительный слой; 2-дальнеприносные отложения; 3-современный элювио-делювий или древняя кора выветривания рудовмещающих пород; 4-рудовмещающие породы; 5-рудные тела и их первичные ореолы; 6-вторичные ореолы рассеяния Открытые остаточные (элювио-делювиальные) ореолы рассеяния (тип I) имеют наибольшее поисковое значение и именно их наличие обеспечило широкое и эффективное проведение наземных литохимических («металлометрических») съемок в рудных районах. Ореолы этого типа характерны для месторождений любых рудно-формационных типов, залегающих в верхних структурных этажах. В условиях расчлененного рельефа открытые 53 остаточные ореолы могут образовать горизонтально залегающие месторождения осадочного генезиса (рис. 12, тип 1а), в ряде случаев ореолы этого типа формируются за счет выветривания и денудации первичных ореолов рудных тел (рис. 12, тип 1б). Открытые наложенные диффузионные ореолы рассеяния (тип II) характерны для равнинных районов с покровом дальнеприносных (аллохтонных) отложений ограниченной мощности, преимущественно в аридном и умеренно влажном климате. В ореолах этого типа солевое рассеяние существенно преобладает над механическим, хотя в отдельных случаях возможны наложенные механические ореолы рассеяния устойчивых рудных минералов за счет жизнедеятельности животных организмов (кроты, дождевые черви и др.) или за счет мерзлотного выпучивания в криолитозоне с образованием характерных для этих ландшафтов пятен-медальонов. При переменной мощности аллохтонного чехла ореолы типа II даже в пределах одной рудной зоны могут по простиранию переходить в погребенное состояние (типы VI, VII), сочетаться с интервалами открытого остаточного ореола (тип I) или сменяться наложенными надрудными ореолами рассеяния (тип III). Надрудные (тип III) и оторванные (тип IV) наложенные ореолы рассеяния образуются при сочетании солевого рассеяния рудных элементов с их гипергенной аккумуляцией. Надрудные ореолы рассеяния в ряде случаев трудно отличимы от ландшафтных геохимических аномалий, возникающих на различных геохимических барьерах и не связанных с наличием коренного оруденения на глубине. К надрудным ореолам (тип III) близки оторванные аккумулятивные ореолы рассеяния (тип IV), отличаясь от них образованием при отсутствии аллохтонного чехла и отчетливым смещением от рудной зоны в сторону современного стока. Надрудные ореолы III типа характерны для степных ландшафтов аридной зоны, оторванные ореолы IV типа образуются, как правило, в горно-таежных районах гумидной зоны. Выщелоченные и предельно разубоженные ореолы рассеяния (тип V) принадлежат к разряду закрытых остаточных. Выщелоченные ореолы рассеяния характерны для элементов активных водных мигрантов в районах гумидной зоны при замедленной денудации. Предельно разубоженные ореолы рассеяния образуются в результате закономерного протекания процесса рассеяния в сторону наиболее полного выравнивания концентраций элементов или за счет существенного «разбавления» элювио-делювиальных образований рыхлыми аллохтонными отложениями (например, эоловыми песками и лессами). Как правило, они характерны для рудопроявлений незначительного масштаба, в частности, для первичных ореолов рудных тел. Погребенные остаточные ореолы рассеяния (тип VI) являются палеогеографическими аналогами современных элювио-делювиальных ореолов (тип I). 54 Они характерны для рудных районов, претерпевших длительное континентальное развитие в период, предшествовавший накоплению молодых осадков, в основании которых сохранилась древняя кора выветривания. Максимальное площадное развитие погребенные ореолы рассеяния имеют на уровне пестроцветной коры выветривания, которая в данном случае является «представительным горизонтом» для проведения литохимических поисков. Погребенные наложенные ореолы рассеяния (тип VII) являются аналогами открытых наложенных ореолов рассеяния (тип II), отличаясь от них образованием в палеогеографических условиях с последующим перекрытием чехлом более молодых осадков. 3.3. Солевой ореол рассеяния Для образования вторичного литохимического солевого ореола рассеяния необходима реализация двух основных условий: 1) присутствие рудных элементов в форме воднорастворимых соединений; 2) водонасыщенность среды. Оба эти условия в зоне гипергенеза всегда соблюдаются. Рыхлые продукты выветривания в любых ландшафтных зонах содержат воду. Исключение в этом смысле не составляют даже мерзлые породы. Так, по данным Е.М.Сергеева замерзание капиллярной воды в дисперсных породах зоны выветривания при диаметре капилляров 0,24 мм происходит при температуре –13,6 оС, а при диаметре капилляров 0,06 мм – при –18,5 оС, в то время как обычная температура устойчивой мерзлоты северо-востока России чаще всего колеблется около 5-6 оС ниже нуля. Самые сухие грунты аридных жарких районов прочно удерживают в себе влагу и способны пополнять ее запасы путем конденсации водяных паров из атмосферы. Поведение воднорастворимых солей в поле рассеяния подчиняется сложным процессам обменных химических реакций, явлениям диффузии и капиллярного подъема растворов из глубины по направлению к дневной поверхности, сочетается с испарительной и биогенной аккумуляцией и выносом солей атмосферными осадками. Благодаря огромной продолжительности геологического времени в образовании солевого ореола принимают участие даже труднорастворимые минералы полезного ископаемого. Солевое рассеяние чаще всего связано с образованием минерализованных растворов в зоне соприкосновения зеркала грунтовых вод с телом полезного ископаемого путем прямого растворения первичных минералов залежи или в процессе их гипергенных изменений до перехода во вторичные устойчивые разности. С точки зрения методики литохимических поисков наибольший интерес представляет формирование солевого ореола рассеяния окисляющегося сульфидного месторождения (Cu, Pb, Zn, Ag, Au, As, Bi, Sb, Mo, Sn, Ni, Co и др.). Развитие зоны окисления сульфидных месторождений (С.С.Смирнов, 1937) характеризуется следующими общими закономерностями. Залегающие выше первого водоупорного горизонта грунтовые воды находятся в свободном водообмене с 55 поверхностью. За счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации паров грунтовые воды постоянно пополняются, а за счет истечения в открытую гидросеть и испарения происходит их разгрузка. В результате динамического равновесия между приходом и расходом воды устанавливается некоторый постоянный уровень грунтовых вод, поверхность которого в сглаженном виде повторяет рельеф дневной поверхности (рис. 13). Атмосферные осадки насыщены кислородом и углекислотой, что определяет их окислительные свойства, обычная дождевая вода имеет pH около 6,0. В результате взаимодействия с горными породами они приобретают нейтральную или слабощелочную реакцию (рН = 7,0-7,5). В зоне просачивания благодаря пленочному и капиллярному состоянию воды она в обильном количестве содержит атмосферные газы, что определяет окислительную обстановку этой зоны. Ниже зеркала грунтовых вод в результате и уменьшения содержания кислорода и гидролиза минералов горных пород устанавливается щелочная реакция среды (pH 7) и господствует восстановительная обстановка. Рис. 13. Схема зоны окисления сульфидного месторождения. 1-элювио-делювий; 2-аллювий; 3-рудовмещающие породы; 4-гипогенные сульфидные руды; 5-окисленные руды; 6-вторичный остаточный ореол рассеяния; 7-уровень грунтовых вод и капиллярная кайма; 8-график изменения рН по глубине; 9-область активного протекания процессов окисления; 10-напрвление подземного стока Гипогенные сульфидные минералы обладают ничтожной прямой растворимостью в воде, лежащей в пределах 10 -3-10-22 г/л, но неустойчивы в гипергенных условиях и в водно-воздушной обстановке зоны просачивания интенсивно окисляются. Процесс 56 окисления пирита, наиболее распространенного сульфида, протекает по следующей схеме: 2FeS2 + 7O2 + 2H2O 2FeSO4 + 2H2SO4. В присутствии свободного кислорода закисный сульфат железа неустойчив и, окисляясь, переходит в сульфат окиси: 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 2Fe2(SO4)3 + 2H2O. В слабокислых водах Fe2(SO4)3 гидролизуется, освобождая серную кислоту: Fe2(SO4)3 + 6H2O 2Fe(OH)3 + 3H2SO4. Гидроксид железа, выпадая из раствора, в дальнейшем переходит в устойчивый лимонит Fe2O3 nH2O. Образование свободной серной кислоты имеет также место при окислении других сульфидов. Присутствие серной кислоты определяет кислую реакцию среды и резкое понижение рН у зеркала грунтовых вод вблизи рудной зоны. Так, например, в зоне окисления медноколчеданного месторождения Блява содержание аниона SO4-2 достигало 123 г/л, а значения рН падали до 1,0-2,0. В водах из разведочных скважин, пробуренных на Гайском медноколчеданном месторождении, отмечались значения рН 3,2-4,0, а в связанном с ним знаменитом «Купоросном озере» - до рН 1,1 при содержаниях SO4-2 2,6 г/л. Однако, низкие значения рН чаще всего сохраняются только в непосредственной близости от рудной зоны, обычно не выходя за ее контуры. Взаимодействие с вмещающими породами приводит к нейтрализации кислых вод с образованием сульфатов Ca, K, Na, Mg, Al. В результате уже в непосредственной близости к рудному телу рН быстро повышается и наличие сильно кислых вод по периферии месторождений сульфидных руд является сравнительно редким случаем. Интенсивность нейтрализации кислых вод зоны окисления особенно велика в карбонатных породах. Под действием образующейся серной кислоты происходит дальнейшее окисление массы сульфидных руд. Сильнейшее окисляющее и растворяющее действие оказывает также окисный сульфат железа Fe2(SO4)3. Образующиеся в ходе окисления сульфаты тяжелых металлов, за исключением англезита PbSO4, обладают высокой растворимостью и способны к солевому рассеянию. Однако, в условиях возрастания рН эти соединения неустойчивы и относительно полный вынос из зоны окисления характерен только для серы. Определяющее значение имеет общая направленность последовательных химических превращений сульфидных минералов в зоне окисления: сульфид карбонат сульфат оксид (гидросиликат, фосфат и др.). В этом ряду превращений процесс протекает в сторону замены легко растворимых сульфатов труднорастворимыми устойчивыми минералами – конечными продуктами процесса окисления. Окисленные руды сульфидных месторождений на поверхности коренных пород в процессе выветривания и денудации создают в элювиально-делювиальных образованиях механические ореолы рассеяния. Солевое рассеяние в различной мере дополняет этот процесс. Постоянным очагом формирования 57 минерализованных растворов в окисляющемся сульфидном месторождении служит интервал рудной зоны у зеркала грунтовых вод. Отсюда растворимые соединения распространяются в форме капиллярного поднятия растворов к дневной поверхности, диффузионного передвижения солей и медленного выноса растворов в направлении истечения грунтовых вод. Процесс истечения минерализованных растворов принимает участие в формировании гидро- и литохимических потоков рассеяния. В процессе диффузии растворимые соли, устойчивые при низких значениях рН, передвигаются к дневной поверхности и в стороны, где рН быстро возрастает. В изменившейся геохимической обстановке по периферии солевого ореола металлы выпадают из раствора в виде труднорастворимых гидрооксидов. 3.4. Механический ореол рассеяния. Решающая роль в образовании вторичных остаточных ореолов рассеяния рудных месторождений принадлежит твердой фазе. Параллельно с физической дезинтеграцией рудного тела и вмещающих пород, несущих его первичный ореол, образовавшиеся в зоне выветривания обломки приобретают способность перемещаться относительно места своего первоначального залегания. Эта подвижность отдельных частиц горных пород и руд в зоне выветривания может проявляться в трех самостоятельных видах [2]: 1) вся масса частиц может перемещаться под действием силы земного тяготения в форме пластических деформаций рыхлой толщи или местных разрывов ее сплошности с образованием оползней; 2) отдельные частицы горных пород и руд с поверхности рыхлой толщи могут быть удалены и затем переотложены, в частности, перемещены в сторону понижения рельефа к базису денудации и в область осадконакопления; 3) сами частицы внутри толщи рыхлых образований могут испытывать взаимные перемещения. Роль этих трех видов подвижности частиц в формировании поля рассеяния существенно различны. При этом, по закону независимости движения, каждая из этих подвижностей приводит к вполне определенному результату. Перемещение всей массы частиц без взаимного их перераспределения не способно само по себе привести к образованию механического ореола рассеяния и результатом его будут только смещение и деформация ореола (разд. 3.7). Удаление частиц и перенос их к базису денудации определяют формирование литохимического потока рассеяния и ту или иную скорость непрерывного обновления ореола, при избирательном удалении частиц процесс ведет к обеднению или обогащению ореола. Образование механического ореола рассеяния обязано взаимному перемещению частиц внутри рыхлой толщи продуктов выветривания. Действующими силами этого процесса являются агенты физического выветривания: расширение и сжатие вследствие колебаний температуры, замерзание и оттаивание воды, кристаллизация солей, динамическое воздействие дождя, ветра, 58 действие корневой системы растений или землероющих животных и беспозвоночных и т. п. Перемещения отдельной частицы малы по своей амплитуде и могут быть уподоблены броуновскому движению частиц или тепловому движению молекул. Средняя квадратическая длина «свободного пробега» частицы в процессе этого взаимного перемещения отвечает по смыслу «коэффициенту их механического рассеяния» (см. ниже). Наибольшую взаимную подвижность частицы имеют вблизи дневной поверхности, соответствуя резким колебаниям температуры и влажности, обилию населяющих эти горизонты организмов, уменьшению размеров частиц и т. д. Абсолютное число таких перемещений отдельной частицы пропорционально длительности времени Tz, прошедшего с момента их отделения от монолита, и, следовательно, будет наибольшим у дневной поверхности. Для формирования поля рассеяния эта подвижность частиц имеет значение при наличии местного градиента концентраций химических элементов. На ограниченном участке рыхлых образований, возникших за счет разрушения какой-либо одной горной породы, все частицы по своему среднему химическому составу однотипны. В этих условиях взаимное перемещение частиц горной породы не приведет к изменению концентраций химических элементов, поскольку взамен переместившейся частицы придет другая частица того же элементарного состава. На границе двух различных горных пород и, в частности, на контакте вмещающей горной породы с рудным телом вследствие подвижности частиц взамен переместившейся возможен приход частицы другого минерального состава. Важная при этом собственно геохимическая подвижность элементов (скорость механического рассеяния) в направлении x будет пропорциональна градиенту концентрации Cx вдоль этого направления. Взаимная подвижность частиц x рыхлой толщи закономерно приводит к перемещению рудных частиц из мест их наибольшей концентрации в область более низких концентраций, то есть к механическому рассеянию вещества месторождения. Распределение рудных частиц в остаточном литохимическом ореоле рассеяния тонкой вертикальной жилы подчиняется закону нормального распределения (рис. 14) [2]: Сх = M e 2 x2 2 2 + Сф (21) Нормальный закон распределения содержаний элементов уже отмечался при рассмотрении местного геохимического фона (2), однако эти однотипные математические законы в данном случае не имеют между собой ничего общего. Выражение (21) характеризует зависимость содержания металла Сх в данной точке от ее расстояния х от центра ореола. Это выражение устанавливает причинные (каузальные) связи, определяющие конкретные содержания металла в точках наблюдения и однозначно зависящие от местных параметров и 59 координат - Сх = f(x). Такая функциональная зависимость характеризует пространственно упорядоченное (детерминированное) распределение химических элементов в аномалии. В формуле (2) величина x = Ci выступает в качестве аргумента, а функцией является частость (ni), с которой на участке случайно (беспорядочно) встречаются те или иные содержания металла, большие или меньшие среднего содержания Сф. При этом невозможно заранее определить, какое конкретное содержание будет встречено в точке с заданными координатами, можно только оценить вероятность, с которой содержание металла в любой точке будет лежать в определенных пределах или выйдет за эти пределы. В данном случае мы имеем дело со статистическим (вероятностным) распределением фоновых содержаний ni = f(Ci), которое приближенно описывается (аппроксимируется) нормальным (или логнормальным) законом. Рис. 14. Графики вторичных остаточных ореолов рассеяния рудной жилы для различных значений коэффициента гипергенного рассеяния . 1-элювио-делювий; 2-рудная жила; 3-рудовмещающие породы Параметрами вторичного остаточного ореола рассеяния являются М и , которые зависят от характеристики оруденения и местных ландшафтно-геохимических условий. Физико-геологический смысл параметра М вытекает из условий, что это – интегральное линейное количество рудного вещества (металла) в ореоле, распределенное вдоль оси х, равное его количеству Мр в том же сечении рудной зоны до начала выветривания. В идеальном остаточном ореоле рассеяния, когда не происходит ни накопления, ни выноса рудного материала в зоне гипергенеза, это определяет существование зависимости: М = Мр = Ср 2р, (22) где Ср – среднее содержание металла в рудной зоне, р – полумощность коренного оруденения, послужившего для образования ореола. Если, как это принято в практике, выражать Ср в процентах, а р – в метрах, величина М будет измеряться в метропроцентах (м%). С геометрической стороны за вычетом фона (Сф = 0) величина М характеризует площадь, ограниченную графиком ореола Сх = f(x) и осью абсцисс (рис. 14). На практике при равномерном шаге опробования по профилю надфоновая линейная продуктивность М определяется по формуле: 60 М = x (( n Cx nСф ) , (23) i 1 где х - шаг отбора проб по профилю, м; n C x - сумма аномальных содержаний; n – число i 1 аномальных точек, вошедших в подсчет. Параметр в выражении (21) имеет смысл гипергенного коэффициента рассеяния, определяющего тот или иной вид графика концентрации металла в ореоле увеличением коэффициента рассеяния (рис. 14). С и при постоянной линейной продуктивности М форма вторичного остаточного ореола становится все более пологой, что выражает постепенное рассеяние частиц полезного ископаемого в массе продуктов выветривания вмещающих пород. С учетом безразмерности показателя степени при экспоненте x 2 2 2 определяем, что величина коэффициента рассеяния измеряется в метрах, характеризуя среднее квадратическое удаление рудных частиц в процессе гипергенного рассеяния от их первоначального положения в коренном оруденении. На практике численные значения рудных элементов, определяются методом «трех уровней» по графикам содержаний зрительно сходных с их теоретическим видом (рис. 14). Табулированные значения функции нормального распределения показывают, что расстояние между абсциссами точек с ординатами Сх = 0,607Cmax (за вычетом фона) для теоретической кривой соответствует 2 . Расстояние между абсциссами для ординат Сх = 0,325Cmax соответствует 3 и для 0,135Cmax - 4 . Это дает возможность по ширине ореола на уровне этих трех значений Сх получить три независимых определения , среднее из которых характеризует коэффициент гипергенного рассеяния для данного ореола. 3.5. Коэффициент остаточной продуктивности. Фундаментальное значение в теории и практике геохимических поисков имеет существование пропорциональной зависимости между количеством (не средним содержанием!) металла во вторичном ореоле (М, м%; P, м2%) и количеством металла в коренном оруденении (Мр, м%; Pр, м2%): M = kMр и Р = kPр , где k 1,0 - коэффициент остаточной продуктивности, зависящий от индивидуальных свойств элементов, от морфологии коренного оруденения и местных ландшафтно-геохимических условий. По опыту величина этого коэффициента может изменяться в десятки раз, поэтому знание численной величины этого параметра для условий конкретного района и главнейших рудных элементов является обязательным. В общем случае значения k изменяются с глубиной - kz = f(z), где 0 z h, в результате гипергенных процессов накопления рудных 61 элементов в тех или иных горизонтах коры выветривания (k из ореола (k 1,0) или их выщелачивания 1,0). Выщелоченный металл может поступить в поток рассеяния и конечные водоемы стока, он может подвергнуться полному рассеянию в окружающем ландшафте или образовать вторичные аккумуляции на геохимических барьерах в контуре ореола или за его пределами. Накопление металла в остаточном ореоле рассеяния против его количества в коренном оруденении может быть, в частности, связано с гравитационной дифференциацией минералов по плотности, с повышенной растворимостью породообразующих минералов, с испарительной, биогенной и сорбционной аккумуляцией рудных элементов у дневной поверхности. Исходя из общих законов гипергенной миграции химических элементов, можно дать априорные оценки значениям коэффициентов остаточной продуктивности k в зависимости от ландшафтных условий формирования ореолов рассеяния и свойств рудных элементов [2]: 1. В горных, активно денудируемых районах любых ландшафтно-геохимических зон индивидуальные различия между химическими элементами в результате быстрого обновления ореолов рассеяния сглаживаются, и практически для всех рудных элементов значения k будут близки к 1,0. 2. В районах гумидной зоны со сглаженным рельефом и замедленной денудацией для элементов активных водных мигрантов (F, Sr, Li, Cs, Rb, B, иногда U, Mo, Zn и др.) следует ожидать значений k < 1,0. В аридных районах для тех же условий и тех же элементов при наличии испарительного барьера будут обнаруживаться значения k > 1,0. 3. В районах со сглаженным рельефом и замедленной денудацией для рудных элементов, представленных тяжелыми (d 4 г/см3) и устойчивыми в зоне выветривания гипогенными или гипергенными минералами (Au, Pt, Sn, W, Nb, Ta, Zr и др.), можно ожидать значений k > 1,0. 4. В профиле современных элювио-делювиальных образований и древних кор выветривания значения коэффициентов остаточной продуктивности рудных элементов изменяются по вертикали, могут быть больше и меньше единицы и на глубине z h приближаются к своим теоретическим величинам для идеальных остаточных ореолов рассеяния k = 1,0. Эти общие положения геохимии зоны практическими определениями численных значений k. гипергенеза Так, подтверждаются например, для горно- таежных и горно-тундровых ландшафтов Северо-Востока России выявлено закономерное уменьшение средних значений k для основных рудных элементов (золота, серебра, олова, вольфрама, свинца, цинка и др.) с уменьшением угла наклона местности 62 o, увеличением мощности рыхлых образований h и увеличением доли мелкозема в разрезе элювио-делювия [11]. В условиях резко расчлененного рельефа ( о до 30-35o) и активной денудации для большинства металлов средние значения k близки к 1,0. Ниже по склону с уменьшением его крутизны ( о = 15-25o) за счет поступления «безрудного» мелкозема на поверхность рыхлых образований происходит обеднение вторичных ореолов рассеяния, что приводит к уменьшению k. На выположенных участках подножий горных склонов вторичные остаточные ореолы рассеяния могут переходить в погребенное состояние (k 0), и проведение здесь наземной литохимической съемки в обычном варианте без применения специальных методов анализа или обработки геохимических данных может оказаться неэффективным [11]. 3.6. Оценка прогнозных ресурсов категорий Р2 и Р1. Конечной задачей оценки вторичных остаточных ореолов рассеяния, выявляемых поисковыми и детальными литохимическими съемками, является подсчет прогнозных ресурсов категорий Р 2 и Р1. В основе этой оценки лежит важнейший параметр геохимических аномалий - показатель их площадной продуктивности Р (м2%). Эта величина определяет надфоновое количество химического элемента, заключенное в контуре аномалии на плоскости: __ Р = S( C х- Cф), (24) __ где S - площадь аномалии, м2; C х - среднее аномальное содержание элемента, %; Сф местный геохимический фон, %. При равномерной сети наблюдений подсчет площадной продуктивности ведется по известной формуле [2]: Р = х 2l ( N C х- NCф), (25) x 1 где х - шаг пробоотбора по профилю, м; литохимической съемки, м; N 2l - расстояние между профилями C х - сумма аномальных содержаний химического элемента, x 1 %; N - число аномальных точек, вошедших в подсчет. Замечательным свойством показателей площадной продуктивности литохимических аномалий Р является независимость их величин от масштабов тех геохимических съемок, по данным которых ведутся расчеты. Это можно показать на примере оценки Р для фиксированной площади Sо , в пределах которой наряду с фоновыми содержаниями рудного элемента развиты литохимические аномалии различных размеров. Предельно полно этот участок был бы изучен при непрерывных наблюдениях и бесконечно малом расстоянии между профилями съемки ( х 0; 2l 63 0) с бесконечно большим числом наблюдений No , образующим генеральную совокупность данных. При фиксированных значениях So и Сф истинная величина Р определяется математическим __ ожиданием C х. Величину Р с заранее заданной точностью можно найти, определяя __ среднее аномальное значение C х по данным равномерно-случайной выборки с числом наблюдений N < Nо, что вытекает из несмещенного характера оценки среднего. По смыслу это отвечает разрежению съемочной сети до предела, при котором выборка с числом наблюдений N остается представительной. При этом условии оценки Р остаются правильными независимо от масштаба съемки, уточняясь с увеличением плотности наблюдений. При подсчетах площадной продуктивности Р любой, даже самой короткой аномалии формально приписывается длина 2l, соответствующая расстоянию между профилями съемочной сети соответствующего масштаба, и, следовательно, если реальная длина аномалии 2b < 2l, ее продуктивность будет завышена в l/b раз. Однако, из общего числа всех аномалий такой длины съемками данного масштаба будет выявлена только часть, пропорциональная отношению b/l, и подсчеты Р оказываются верными. В итоге при определении на «достаточно большой площади» оценка Р характеризует суммарную продуктивность как выявленных, так и пропущенных съемкой аномалий. Это и определяет независимость подсчетов Р от масштаба съемки. Поэтому величина Р (м2%) является геохимическим параметром, численная величина которого имеет объективный смысл, уточняется одновременно с увеличением точности исследований и оценки ее сходятся по вероятности к своему истинному значению. Прогнозные ресурсы категории Р2 оцениваются по данным литохимических поисков масштаба 1:50000 (1:25000) по параметрам и количественным характеристикам вторичных ореолов рассеяния при условии их полного оконтуривания, наличия сведений о рудно-формационном типе, элементах залегания и уровне эрозионного среза выявленного оруденения после геологического осмотра аномальной площади. Обязательным требованием при этом является подтверждение перспективности ореолов единичными горными выработками или наблюдениями оруденения в коренном залегании. Подсчет ведется по известной формуле [2-4, 11]: Qн= 1/k Р/40 Н. (26) Формула пригодна для оценки прогнозных ресурсов рудных залежей с углами падения более 10o, выведенных на уровень современного эрозионного среза. Для подсчета прогнозных ресурсов более пологих и слепых залежей эта формула неприемлема [11]. Геологические прогнозные ресурсы категории Р 1 подсчитываются по данным детальных литохимических съемок масштаба 1:10000 и крупнее при наличии представлений о промышленном типе месторождения, морфологии, условиях залегания и уровне эрозионного среза изучаемого оруденения. Учитываются также результаты опробования руд в коренном залегании по данным проходки первых канав и скважин, 64 сведения о минеральном составе и технологическом качестве полезного ископаемого и другие поисковые предпосылки. Формула для оценки ресурсов категории Р 1 имеет вид: Qн = 1/k Р/40 Н, (27) где Qн - ресурсы категории Р1; <1,0 - поправочный коэффициент, учитывающий ожидаемую долю забалансовых руд; Н - глубина подсчета с поправкой на уровень эрозионного среза. Подсчет Qн по формуле (27) соответствует величине геохимических ресурсов Qгеох., в то время как часть полезного компонента в рудной зоне характеризуется содержаниями ниже бортового. В связи с этим прогнозные ресурсы в кондиционных рудах Qпром. определяются зависимостью Qпром. = величина Qгеох., где 1,0. В общем случае, зависит от генетического типа оруденения и возрастает с увеличением промышленного масштаба рудного объекта: для крупных месторождений средних = 0,65 и для мелких = 0,9; для = 0,5. Широкие возможности для оценки прогнозных ресурсов категорий Р 2 и Р1 представляет принцип геометрического и геохимического подобия генетически однотипных объектов различной крупности. На основе этих представлений в интервале сечений рудной зоны 0,2 z 0,8 оценивается коэффициент подобия æ 1,0: æ = Мi/Мэт.; æ2 = Рi/Рэт. и Нполн.i = æ.Нполн. эталона. При переходе от линейных и площадных характеристик аномалий к прогнозным ресурсам металла в тоннах имеем: Qполн.i = æз Qполн. эталона. Приняв за эталон мелкое (среднее, крупное) по масштабу запасов месторождение с заданными параметрами Нполн.мелк. и Рмелк., можно по величине продуктивности оцениваемого объекта Рi определить его ожидаемую протяженность на глубину Нполн. Реальная глубина подсчета Нi определяется с учетом уровня _ эрозионного среза согласно выражению: Нi = Нполн.(0,8- z )/0,6 [2, 4]. При отсутствии на исследуемой площади эталонного месторождения, в метрике которого ведется оценка ресурсов выявляемых геохимических аномалий, можно заимствовать его характеристики из литературных данных или его можно «выдумать» путем решения прямой задачи поисковой геохимии. Цифры прогнозных ресурсов являются важнейшим критерием оценки вторичных остаточных ореолов рассеяния и служат для объективного выбора первоочередных объектов, заслуживающих перехода к работам более детальных масштабов. Расхождения между цифрами прогнозных ресурсов смежных градаций, в том числе между Р 2 и Р1 и 65 суммой разведанных запасов (А + В + С1 + С2 ), менее двухкратных считается хорошей точностью прогнозных оценок, в пределах до трехкратных – удовлетворительной [11]. 3.7. Смещения вторичных ореолов рассеяния. Максимальное содержание рудного элемента во вторичном остаточном ореоле рассеяния Cmax совпадает с эпицентром рудного тела только при его вертикальном падении и горизонтальной дневной поверхности. В других случаях ореолы смещаются по восстанию рудного тела и к подножию горного склона. При пологом падении рудного тела смещение центральной точки ореола определяется зависимостью S = B h ctg [2, 4], где B – коэффициент изменения объема рыхлых пород при выветривании, h – мощность рыхлых элювио-делювиальных образований и пород B - угол падения рудного тела. При выветривании с уменьшением объема 1,0, при увеличении объема – B 1,0, при выветривании без изменения объема B = 1,0. Наибольшие смещения вторичных ореолов рассеяния по восстанию рудных зон обнаруживаются при 45о и B 1,0, в других случаях смещения S пренебрежительно малы. Значительное уменьшение объема возможно при выветривании карбонатных пород и изверженных пород основного состава. Смещение точки с максимальным содержанием рудного элемента во вторичном ореоле на поверхности плоского склона относительно оси рудной зоны, падающей по нормали к склону, определяется зависимостью [2, 4]: S = A h2 sin (рис. 15). Рис. 15. Смещение вторичного ореола рассеяния на плоском склоне. 1-элювио-делювий с почвенно-растительным склоном; 2-рудовмещающие породы; 3-рудное тело; 4-вторичный ореол рассеяния 66 Здесь А – местный коэффициент, h – мощность элювио-делювиального чехла по нормали к склону и - угол наклона местности к горизонту. Величина А определяется из выражения А = gTo/12 o, где g – ускорение свободного падения (9,81 г см/сек2), То = h/ h – полное время выветривания при ежегодном слое денудации h, o – кинематический коэффициент вязкости верхнего слоя элювио-делювия. Зависимость S от квадрата мощности рыхлых образований, а с учетом местного коэффициента А, пропорционального величине То = h/ h, даже от куба их мощности, приводит к отступлениям от казалось бы прямой зависимости между крутизной склона и величиной смещения ореола. Причиной этого является увеличение мощности элювио-делювия и одновременно уменьшение ежегодного слоя денудации h при малых углах опережать убывание величины sin , в результате чего рост A h2 может от крутых к более пологим склонам. Так, например, при угле наклона местности 1 = 12о, h1 = 7,0 м и h1 = 0,2 мм/год, величина h3/ h будет в 6700 раз больше того же показателя для крутого склона с углом 2 = 37о, при h2 = 0,5 м и h2 = 0,5 мм/год, в то время как sin в этом интервале углов возрастает только в три раза. Это хорошо объясняет «парадокс крутых склонов» - отсутствие заметных смещений вторичных ореолов рассеяния на очень крутых, активно денудируемых горных склонах. Малые величины А и h, даже при больших углах , приводят в этих условиях к минимальным смещениям. Величина общего смещения центральной точки ореола по восстанию рудной зоны и к подножию склона определяется векторной суммой S общ. = S диагональ параллелограмма, построенного на составляющих S + S , где и S S общ. – с учетом их направления. 3.8. Наложенные ореолы рассеяния рудных месторождений. Геохимические поиски по вторичным наложенным ореолам рассеяния проводятся в закрытых рудных районах с целью выявления погребенных месторождений. Наложенные ореолы образуются в рыхлых аллохтонных отложениях над рудными залежами при миграции к дневной поверхности рудных и сопутствующих компонентов, главным образом, в газообразной и воднорастворенной формах. Как правило, наложенные ореолы имеют столбообразную форму, в вертикальном разрезе чехла они могут усиливаться, ослабляться или исчезать с глубиной, вновь появляясь в нижних горизонтах чехла или в отдельных литологически благоприятных для этого горизонтах [2]. Часто морфология наложенных ореолов осложняется «струйными» зонами с относительно повышенными содержаниями рудных и сопутствующих элементов, приуроченных к неотектоническим нарушениям. 67 Наложенные литохимические ореолы рассеяния относятся к разряду слабых геохимических аномалий с максимальными содержаниями рудных элементов, соизмеримыми с колебаниями местного геохимического фона и погрешностями съемки. Критерием надежного выявления слабых аномалий служит величина показателя контрастности - отношение полезного сигнала к уровню помех (см. 1.2). Увеличение его значений до 3 возможно путем повышения амплитуды полезного сигнала в аномальной области и (или) понижения стандартного отклонения геохимического фона. Усиление слабых аномалий возможно двумя способами: - применением специальных методов опробования и селективного анализа, обеспечивающих наилучшее выявление надфоновых концентраций химических элементов, образующих рудную аномалию; - математической случайные флуктуации обработкой первичных геохимического поля поисковых и данных, увеличивающей понижающей регулярную составляющую рудной аномалии. Первая группа методов включает повышение точности анализа геохимических проб, селективное извлечение подвижных форм рудных элементов из ореолообразующей среды и частично-фазовый анализ литохимических проб. Извлечение подвижных форм элементов-индикаторов оруденения в точках наблюдения осуществляется электрохимическим путем при съемках методом «частичного извлечения металлов» (ЧИМ), разработанного Ю.С.Рыссом и И.И.Гольдбергом (1983). Метод основан на избирательном извлечении ионов из растворов, насыщающих горные породы, путем пропускания постоянного электрического тока между заземленными электродами. В такой цепи электрохимические процессы протекают в ближайшей приэлектродной зоне. В пористой влагонасыщенной среде на катоде основными продуктами электрохимического процесса являются гидроксил ОН- и газообразный водород. Для катионов большинства металлов, движущихся к катоду, встреча с ионами гидроксила приводит к образованию труднорастворимых гидратов, и на поверхности электрода рудные элементы не осаждаются. Чтобы обеспечить их накопление, катодный электрод помещают в пористый сосуд-электроприемник, наполненный электролитом, чаще всего раствором азотной кислоты (рН 1-2), соли которой хорошо растворимы. Наличие кислоты обеспечивает нейтрализацию ионов ОН -, а встречное движение анионов NO3- не мешает накоплению катионов металлов. Принудительное накопление преимущественно легкорастворимых соединений металлов позволяет в закрытых рудных районах выявлять методом ЧИМ весьма слабые наложенные ореолы рассеяния, скрытые за уровнем природных и технических помех, а также ореолы, интенсивность которых 68 ниже предела обнаружения анализа валовых проб. На рис. 16 приведены результаты съемок методом ЧИМ над Иртышским полиметаллическим месторождением Рудного Алтая. Слепое оруденение, приуроченное к девонской туфо-сланцевой толще, залегает на глубине 400 м под чехлом молодых отложений мощностью 60-70 м. Рудная зона выявляется аномалией извлеченного Pb до 25-30 мкг при фоне 5 мкг. По валовым содержаниям свинца месторождение не выявляется. Рис. 16. Результаты съемки методом ЧИМ. Иртышское полиметаллическое месторождение, Рудный Алтай. 1-аллохтонные отложения; 2-туфо-сланцевая толща девона; 3-рудные тела; 4-дайка основного состава Частично-фазовый анализ включает в себя водные, содовые, солянокислые, азотнокислые, ацетатные, пирофосфат-натриевые и другие вытяжки, растворяющие подвижные формы элементов, доля которых в пробах над месторождениями существенно выше по сравнению с фоновыми участками. На этом принципе основан «метод подвижных форм» (МПФ), разработанный Л.В.Антроповой (1975). При съемках МПФ индикатором погребенных месторождений служит возрастание показателя Ме/Сорг., где Ме – концентрация рудного элемента в вытяжке, Сорг. – содержание органического углерода в исходной литохимической (почвенной) пробе. Одним из приемов усиления слабых геохимических аномалий является «метод термомагитных фракций» ТМФ (Н.А.Ворошилов, 1974; А.А.Матвеев, 1983). Метод заключается в проведении взамен валового (прямого) спектрального анализа магнитной 69 фракции проб, извлекаемой из них постоянным магнитом после восстановительного обжига. В зоне гипергенеза соединения железа в литохимических пробах находятся преимущественно в форме слабо магнитных гидроксидов – лимонита и гетита, характеризующихся высокой сорбционной емкостью. При нагревании без доступа кислорода в графитовых тиглях (670оС), обезвоживаясь, они переходят в магнитные разности – магнетит и маггемит. В зоне окисления рудных месторождений, содержащих сульфиды, многие рудные элементы мигрируют совместно с железом в форме легкорастворимых сульфатов, в последующем концентрируясь в гидроксидах железа. На рис. 17 показаны наложенные ореолы рассеяния свинца и серебра и значения показателя контрастности мультипликативного показателя Pb Ag в ТМФ в вертикальном разрезе рыхлых отложений на полиметаллическом рудопроявлении Новенькое (Рудный Алтай). Проявление надежно выявляется методом ТМФ даже при проведении наземной литохимической съемки ( Pb Ag 3,0), по данным спектрального анализа валовых проб геохимические аномалии не выявлены. Рис. 17. Наложенные ореолы рассеяния свинца и серебра и значения показателя контрастности мультипликативного показателя Pb Ag в вертикальном разрезе рыхлых отложений. Участок Новенький, Рудный Алтай 1-аллохтонные отложения; 2-погребенная кора выветривания; 3-шнековые скважины 70 Усиление слабых геохимических аномалий достигается также методами математической обработки первичных данных. Простейшим способом снижения уровня случайных природных и технических помех является сглаживание данных геохимического опробования методом скользящего среднего с числом точек в окне n, близким к их числу в контуре ожидаемой слабой аномалии. В этом случае регулярная составляющая геохимического поля (полезный сигнал) сохраняет свою амплитуду, а случайная составляющая (помеха) уменьшается в показателя контрастности n раз, что приводит к увеличению в такое же число раз. Наложенные ореолы рассеяния погребенных рудных месторождений являются полиэлементными, в связи с чем их контрастность увеличивается при перемножении (мультипликации) содержаний m элементов типоморфного комплекса. В слабых аномалиях превышения содержаний элементов над их фоном соизмеримы между собой, поэтому амплитуда мультипликативной аномалии возрастает примерно в m раз. Одновременно стандартное отклонение мультипликативного фона, согласно теореме о сложении дисперсий, увеличивается только в аномалии. В результате m раз и также возрастает контрастность мультипликативной сочетания мультипликации и сглаживания геохимических данных показатель контрастности новой аномалии mn раз по сравнению с контрастностью исходной аномалии о, первичных * возрастает в или * = о mn . Фактическое увеличение контрастности аномалий несколько ниже, так как помехи, осложняющие геохимическое поле каждого из элементов, коррелированы между собой. Выбор рудных элементов для мультипликации определяется их максимальными кларками концентрациями в ожидаемых погребенных месторождениях по сравнению с местным геохимическим фоном. Для повышения контрастности наложенных ореолов в знаменатель мультипликативного показателя могут вводиться элементы выноса (Кк подавления безрудных ландшафтных аномалий (в частности, 1). С целью возникающих на испарительных барьерах), затрудняющих выявление слабого полезного сигнала, в знаменатель геохимического показателя могут вводиться элементы, характеризующие ландшафтные условия (стронций, молибден, бор и др.). Оценка наложенных ореолов рассеяния, выявляемых наземными лито-, атмо- или биогеохимическими съемками в закрытых районах, проводится глубинными геохимическими съемками. Для их производства наиболее благоприятны равнинные районы степей и саванн с чехлом молодых осадков мощностью до 100-150 м, в которых на поверхности рудоносного фундамента сохранились древние коры выветривания с развитыми в них погребенными остаточными ореолами рассеяния месторождений. Менее 71 благоприятны районы, в которых древние коры отсутствуют, здесь пробы отбираются из базального горизонта в основании чехла или поиски ориентируются на обнаружение первичных ореолов месторождений путем опробования коренных пород фундамента. Завершаются глубинные литохимические съемки подсчетом прогнозных ресурсов профилирующих металлов категорий Р2-Р1 по параметрам остаточных ореолов рассеяния на принципах, общих с наземными съемками (см. 3.6). 72
