Введение к работе
Актуальность темы обусловлена тем,что подземные воды,как самый активный компонент земной коры, участвуй? практически во всех геологических процессах,протекающих в зоне гнпергенеза -разрушение и переотлотение горных пород и минералов,образование, различных генетических типов месторождений полезных ископаемых, создание большой массы органического веществз биосферы, формирование ресурсов и химичесгаэго состава самих подземных вод,сироко используемых в народном хозяйстве. Познание этих процессов мояет быть положено в основу- выяснения условий образования коры выветривания,почвообразования,установления геохимической подвижности и дифференциации химических элементов, их рассеяния и концентрирования, выявления ореолов и потоков рассеяния рудных месторождений, являшихся основой геохимических МЄТОДОВ поискоь. К тому .- в настоящее время, когда происходит мощная техногенная нагрузка на гидросферу,весьма ваяно знание наиболее полных характеристик геохимических, з том числе и гидрогеохимических по-
лей,возникающих под влиянием естественных факторов. Эти поля представляют тот естественный фон,на который накладывается техногенное воздействие и изучение этого фона несомненно актуально для охраны природной среды.
Поскольку все это происходит в сложной динамической обстановке, где подземные воды играют особую роль, в развитие физико-химических процессов в системе вода-порода-газ,то необходимость количественного прогноза изменения их химического состава вполне очевидна. Такой прогноз возможен на.основе моделирования.гидрогеохимических ПрОЦёССОВ И ЯВЛеНИЙ Путем ИСПОЛЬЗОВаНИЯ МеТОДОВ ТОЧ7
-.них' фундаментальных наук и прежде всего химической термодинамики и физико-химической кинетики. В этих условиях важное место занимает разработка и использование автоматизированных систем обработки информации гидрогеохимических исследований проводимых при поисках,в частности, рудных полезных ископаемых. В настоящее время при достаточно детальной геологической изученности многих территорий, включая освещаемый регион, возможность открытия месторождений, выходящих на дневную поверхность практически исчерпана. Следовательно, минерально-сырьевая база действующих горнопромышленных объектов может быть расширена только путем освоения глубоких горизонтов и участков,перекрытых чехлом рыхлых отложений значительной мощности. В решении этой проблемы основную роль призваны сыграть научные прогнозы с использованием глубинных методов, е том числе гидрогеохимического.
Из всего отмеченного вытекает актуальность постановки подобных исследований и обобщения их результатов,выполненных в настоящей работе.
Цель исследований - установление закономерностей формирования химического состава 'подземных вод и.количествеиная оценка физико -химические процессов, контролирующих развитие гидрогеохимической системы, обоснование рационального комплекса поисковых критериев рудных полезных ископаемых.
Для достиже! :т этой цели решены следующие задачи:
изучены особенности распределения химических элементов в подземных водах по основным ландшафтным зонам региона;
проведен" физико-химическое моделирование системы вода-порода-газ, вода-почва-газ; ' "
дана количественная оценка миграции химических элементов в подземных водах;
установлены объемы подземного химического выноса и масштабы выЕетривания подземными водами горных пород;
проанализированы условия формирования водных потоков рассеяния микроэлементов,характеризующих-рудные формации;
разработаны новые и усовершенствованы существующие методы гидрогеохимических поисков в условиях континентального засоления.
Методика исследований -по изучению миграции химических элементов з подземных водах,отражающих есю совокупность явлений природы,их многообразие и специфические особенности,складывалась в основном из двух этапов: 1)полевых и эксперемектальных исследований, 2)обработки полученных данных с применением автоматизированной системы и физико-химического моделирования.
Полевые исследования проводились нами с 1975 по 1391гг по методике гидрогеохимических поисков мелкого и среднего масвта-бов,изложенных в специальных работах (Методическое руководство. .. . 1973; Белякова и др. , 1962;Колотое, Киселева, 1975 и др.). Кроме того в зависимости от направленности исследовании экспериментальные работы включали: выщелачивание пород и руд в различных средах с одноразовым и режимным опробованием компонентов; отбор проб воды с месторождений для определения форм нахождения эле-м-'тов,разрушения комплексных соединений в'растворах и сорбирование их на глинах и взвесях при различных кислотно-щеточных условиях; изучение продуктов выветривания горных пород,различных новообразований,почв, кор выветриваний.
Отобранные пробы подземных вод анализировались химическим, спектральным,атомно-атсорбционным,нейтронно-активационным и плагменно-спектрометрическим методами. При этом содержание значительной части металов (Cu,Zn,Pb,F,Mo.Co и др.) определялись химическими и спектр.-ильными методами. Лшь в случае детальных исследований на участках проводился анализ Аи и As нийтрсчно-актп-вационным методом, a W.Sn.As.Li.Cu.Zn.Pb и др. - плагменно-спектрометрическим. Определение основных компонентов воды проанализированы химическим путем по традиционной методике і Резников и др. ,1970). Для решения поставленных задач гирокг. попользовались также фондовые и литературные данные. Гри o.^-ipe их уд:-
- 4 -.тьзадась.методика проводимых исследований,количество анализируемых элементов .и примененный метод анализа.
Физико-химическое моделирование . гидрогеохимических систем выполнено ка программном комплексе "Селектор" (Карпов, 1981). При полной статистической обработке гидрогеохимической информации использован программный комплекс "STAT-GRAF", а прогнозная гидрогеохимическая оценка проведена на автоматизированной системе по обработке информации, разработанной сотрудниками Института математики и механики АН, КазССР с участием автора, которая включает алгоритмы 'распознавании образов и факторного анализа'
При систематизации многочисленных данных нами использован принцип зональности подземных вод зоны 'гипергекеза, детально рассмотренный и обоснованный С. Л. Кварцевым (Шварцев, 1978) и другими исследователями: Б основу классификации 'подземных есд по химическому составу положена методика разработанная О. А. Алекпным с добавлением Я. С. Сыдыкова.
Запгигдаемыа положения включают в основном:
-
Научное обобщение данных по геохимии подземных вод региона на основе принципов зональности и обработка гидрогеохпмичес-кой информации методами математической статистики показали, что распределение компонентов в водах контролируется степенью испарительной концентрации, масштабами взаимодействия воды с горными породами, интенсивностью водообмена и глубиной залегания подземных вод.
-
Применение физико-химического моделирования системы вода-порода-газ, базирующегося на принципе минимизации свободной энергии Гиббса составляет осноеу обоснования концептуальной модели неравновесной саморазвивающейся системы, которая в результате растворения горных пород природными ведами и избирательного концентрирования одних химических элементов и рассеивания других вследствие связывания их в виде вторичных минеральных Фаз, приводит к формированию разнообразных геохимических типов подземных вод.
-
Изучение межфазового перехода химических элементов в системе вода-порода, включая рудные минералы, и анализ особенностей миграции микроэлементов в водах региона позволили ус-тан:?.;:?: следуюске: фермы миграции макро- и микроксмпок~нт'оь с-пр-. дел?гг.":я
анионным составом расйора л характером геохимической среды: при групповой і.сігращм металлов в водном растЕоре поведение каждого элемента зависит не столько от его индивидуальных химических свойсте, сколько от состава формируемой вторичной минеральной фазы; в кислых водах рудных месторождений по форма?,! миграции микроэлементы могут быть разделены на металлы с преобладающим! простыми катионам: (медь, цинк, свинец, серебро,золото,барий) и элементы, мигрирующие преимущественно в виде ксмллекскых анионов и кислот (мьппьяк, олово, молибден).
-
На основе выделения поверхностной, подземной и атмосфер-ной составляющих полного химического выкоса, а таю расчленения подземной на литогеннуэ и атмогенную впервые для региона произведена количественная оценка химической денудации земной поверхности и скорости химического выветривания. При этом выявлено, что подземная составляющая выноса в регионе резко доминирует над другшяі и составляет 70%.
-
Разработка автоматизированной системы анализа гидрогеохимической информации с использованием алгоритмов распознавания образов, кластерного и факторного анализов позволила выявить специфический комплекс гидрогеохимических индикаторов для различных типов оруденения, усовершенствовать методику выявления II оценки аномалий при прогнозных гидрогеохимических поисках.
Научная новизна работы. В условиях- .резкоконтинентального климата,освещаемой нами территории впервые использованы количественные методы прогноза изменения химического состава подземных вод под действием различных природных факторов. На этой ос- ' нове установлены ряд новых положений, имеющих научное и прикладное значение,в том числе:
определены средние содержания главных и рассеянных элементов в подземных водах основных ландшафтній зон и водовмешзю-щих пород региона;
установлено, что на формирование химического состава подземных вод существенную роль играет тип и засоленность почв;
выялена закономерность эволюции состава водовмешаюцих пород и изменение химического состава подземных вод на различных этапах развития системы вода-порода-газ;
оценены генетические составляющие химического выноса.
- б -
позволившие.количественно определить интенсивность денудации,соотношения вынесенных и накопленных элементов, 'а также объем выветренных пород;
установлений влияние гидрогеохимических условий на миграцию элементов при их межфазовом переходе в системе Еода-рудные минералы-газ;
создан программный комплекс автоматизированной системы обработки гидрогеохимической информации на основе метода распознавания образов по обучающей выборке. .
Практическая значимость и реализация результатов исследовз- . кий направлены на расширение . минерально-сырьевых ресурсов рассматриваемой территории. Изучение формирования химического и микрокомпонентного состава подземных вод позволили выделить прогнозные участки,перспективные на различные типы рудных полезных ископаемых. Применение математических методов обработки гидрогеохимической информации, полученной в процессе полевых и экспериментальных исследований,и их сопостовление с результатами опытных работ в предела'-- известных месторождений, обеспечило достоверность полученных результатов. Всего на исследованной территории выявлено около 180 аномалий, часть из которых полозкена в основу проведения в дальнейшем более детальных поисковых работ геологическими организациями. Методические рекомендации и общие закономерности распространения микроэлементов в подземных волах были использованы геологами при составлении структурно-метадлр--генических и геохимических карт региона. Экономический эффект от внедрения рекомендации на проведение геологоразведочных исследований в пределах одного Чу-Илийского рудного пояса составил 7$ тыс. руб. Аномальные участки на площади Айгыржальского рудного поля приняты в ПГО "Степгеология" и включены в проект деталь-ных геологоразведочных работ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзных конференциях "Применение математических методов в гидрогеологии" (Москва,1987)."Проблемы изучения, охраны и рационального использования водных ресурсов" ':.':с::ва,1985), "Генезис подземных вод" (Иркутск, 1983), на 2-ой гтсг.ублпканской конференции "Проблемы вычислительной математики ;: автоматизации научных исследований" (Алма-Ата, 1988),в ПГО "Юж-
казгеология", "Цєнтркззгєология", а также на Ученом совете Института гидрогеологии и гидрофизики им. У. М. АхмедсаФина АН КазССР.
По теме диссертации составлено 29 научных работ, из которых 23 опубликовано, в том числе 3 коллективных монографий.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоят из введения, семи глав и заключения, изложенных на 320 страницах машинописного текста, иллюстрируется 48 рисунками и 52 таблицами. Список литературы Віслючает 270 наименований.
В процессе работы над диссертацией автор постоянно пользовался советами и консультациями доктора геолого-минералогических наук К. II Давлетгалиевой, кандидата химических наук В. С. Дементьева, кандидатов физико-математических наук А. Ф. Мухамедгалиева и М. Б. Айдарханова. Всем названным товаришам, а также сотрудникам лаборатории гидрогеохимии, участвовавшим при оформлении работы автор глубоко благодарен. Особую признательность автор вырагает научному консультанту, акдемику АН КагССР, профессору, доктору геолого-минералогических наук Ж,С,Сыдыкову, оказавшему всемирную помощь на всех этапах проводимых нами исследовании.