СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РЕЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
METHOD OF DETECTION OF GEOCHEMICAL ANOMALIES BASING ON ANALYSIS OF CHEMICAL COMPOSITION OF RIVER SEDIMENTS

Изобретение относится к геологии и геохимии (способы поисков и разведки рудных гидрогенных месторождений полезных ископаемых), а также к охране окружающей среды.
Анализ геохимического состояния донных отложений поверхностных водных объектов достаточно широко используется как при проведении поисков полезных ископаемых, так и при оценке состояния окружающей среды, что закономерно обусловило заметный интерес к исследованию генезиса донных отложений и их химического состава со стороны специалистов самого различного профиля - гидрологов, геоморфологов, геохимиков, геоэкологов, биологов. В частности, в области геохимии донных отложений рек и озер в последние годы были выполнены крупные обобщения Е.П. Яниным [Янин Е.П. Русловые отложения равнинных рек (геохимические особенности условий формирования и состава). - М.: ИМГРЭ, 2002. - 139 с; Янин Е.П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек (состав, особенности, методы оценки). - М.: ИМГРЭ, 2002. - 52 с.], М.В. Мартыновой [Мартынова М.В. Донные отложения как составляющая лимнических экосистем. - М.: Наука, 2010. - 243 с.], В.Д. Страховенко [Страховенко В.Д. Геохимия донных отложений малых континентальных озер Сибири: автореф. дис. на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. - Новосибирск: Институт геологии и минералогии СО РАН, 2011. - 30 с.] и рядом других авторов, а изучение донных отложений водных объектов уже достаточно давно является неотъемлемым элементом методологии геолого-разведочных и геоэкологических работ [Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений; Требования к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования масштаба 1:200000. - М.: ИМГРЭ РАН, 2002. - 92 с.; Домаренко В.А. Рациональная методика поисков и геолого-экономической оценки месторождений руд редких и радиоактивных элементов. Ч.1. Прогнозирование, поиски и оценка. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2012. - 167 с.]. Тем не менее требуется дальнейшее совершенствование способов поисков полезных ископаемых в труднодоступных территориях на основе изучения пространственных изменений химического состава донных отложений рек с целью оптимизации процесса планирования поисковых и геологоразведочных работ и повышения их эффективности. В качестве наиболее оптимальных индикаторов геохимических аномалий выбраны малые водотоки.
Задачей изобретения является: разработка способа поисков рудных гидрогенных месторождений полезных ископаемых и выделения геохимических аномалий на основе анализа химического состава донных отложений рек.
Описание сущности изобретения:
Способ поисков рудных гидрогенных месторождений полезных ископаемых и выделения геохимических аномалий на основе анализа химического состава донных отложений рек (далее также речных отложений) заключается в проведении следующих мероприятий:
1) геоинформационный анализ исследуемой территории с целью выделения малоприточных участков с относительно резким уменьшением интенсивности водообмена (выходы рек с горных районов на равнинный, обширные участки с русловой многорукавностью);
2) отбор 2-3 проб донных отложений на выявленных участках и определение их химического состава;
3) расчет средних содержаний веществ  в истоках рек без выраженной русловой сети (далее - истоки реки) по формуле:
C
Y
1
2
1
2
-1
a
где  - средняя концентрация элемента в донных отложениях водотока в створе, замыкающем водосбор с площадью F, мг/кг;  - средний слой водного стока, мм; ; k - коэффициент трансформации вещества, c; T - расчетный период для определения слоя стока  по среднему значению расхода воды , c; k - коэффициент перехода от слоя стока Y к условной средней глубине потока;  - коэффициент размерности;  и  - средние концентрация вещества и слой водного стока в истоках реки; величина 1+η определяется при сравнении измеренных концентраций C и C (в створах с известными площадями F и F); расчет  при отсутствии данных о слоях стока может проводиться в предположении  по формуле (1);
4) планирование детального обследования районов с повышенными значениями  с большей частотой опробования донных отложений рек и других компонентов окружающей среды и собственно проведение детального специализированного геолого-геохимического картирования перспективной площади в период с водным стоком, близким к среднемноголетним значениям.
Сущность изобретения заключается в следующем.
1. Процесс изменения концентрации вещества в донных отложениях водотоков (а также во взвешенных и влекомых наносах, речных водах) рассматривается преимущественно как процесс геомиграции в одномерном потоке на основе анализа упрощенного уравнения, описывающего изменение концентрации вещества C в одномерном потоке во времени t и вдоль пространственной координаты x:
2
3
2
-1
C
где w - площадь сечения потока, м; Q - расход воды, м/с; D - коэффициент продольной дисперсии, м/с; f(C) - функция, описывающая поступление и трансформацию вещества в потоке; где k - коэффициент трансформации вещества, c. Применительно к расчетным периодам времени геологического масштаба в первом приближении можно использовать упрощенную модель распространения вещества преимущественно за счет адвективного переноса в виде:
где , ,  - математические ожидания расхода воды, концентрации вещества и площади живого сечения соответственно.
В части решения уравнения (4) сделаны предположения, что водосбор реки площадью F можно представить как часть кругового кольца внутри сектора с центральным углом β, радиусом L, равным сумме расстояний от дуги сектора до начала выраженного русла водотока L(0), от замыкающего створа водотока шириной B' до начала сектора L(2) и длины реки L(1), а движением водных масс происходит от дуги сектора по направлению к центру окружности. Тогда площадь распространения волны по площади F от источника на границе водосбора примерно описывается уравнением (5), площадь условного сечения водного потока w на расстоянии x от центра дуги - уравнением (6), а расход воды - уравнением (7).
где π≈3.14;  - математическое ожидание слоя водного стока, мм. Центральный угол β (в градусах) определяется по данным о морфометрических характеристиках водотока и его водосбора:
С учетом (5-7) уравнение (4) принимает вид (9), а его аналитическое решение - (10):
1
2
0
Очевидно, что величина 1+η может быть определена по формуле (10) обратным расчетом с использованием измеренных концентраций C и C, а затем (при допущении Y≈Y) по формуле (1) и полученным данным в первом приближении оценивается среднее содержание вещества , что позволяет оптимизировать процесс планирования поисковых и геолого-разведочных работ и повысить их эффективность.
2. Обоснование зависимости концентрации вещества от расхода воды получено на основе замены в одномерном дифференциальном уравнении, описывающем химическую реакцию первого порядка, временной координаты t на расход воды Q по схеме:
где x - координата пространства; v - скорость движения водных масс; τ - время добегания водных масс; λ - удельная скорость изменения расхода воды. Тогда решением (11) является уравнение:
∗
∗
где C и Q - начальные концентрация вещества и расход воды или для непрерывного случайного процесса - математические ожидания (то есть ; ). Совмещение уравнений (13) и (10) позволяет получить результирующее уравнение для определения мгновенной концентрации C:
Если измерение концентраций элементов для определения концентраций вещества в истоках реки проводить при условии , то можно упростить расчет и освободиться от необходимости учета влияния колебаний водного стока.
Таким образом, уравнения (1, 10, 14) являются теоретической основой для планирования и проведения поисков полезных ископаемых, месторождения которых формируются в междуречьях рек в зоне гипергенеза при активном участии гидрологических процессов. При этом сущность способа поисков подобных полезных ископаемых заключается в выявлении участков с однонаправленным и устойчивым (прямым или обратным) изменением интенсивности водообмена (а именно - ее уменьшением), последующем опробовании речных отложений в подобных местах и оценке перспективных для более легальных исследований участков.
Пример осуществления изобретения:
1) с учетом требований [Руководство по определению гидрографических характеристик картометрическим способом. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 92 с.] проведен геоинформационный анализ исследуемой территории, в результате которого выделены малоприточные участки реки, определено местоположение створов для проведения отбора проб донных отложений, рассчитана площадь водосбора без выраженной русловой сети (табл.1);
Таблица 1
Площади водосбора малого водотока в междуречье рек Ангара и Подкаменная Тунгуска, км<sup>2</sup>
№
Площадь водосбора, км<sup>2</sup>
1
80 (площадь водосбора без русловой сети)
2
203
3
304
4
315
5
430
Примечание: средний слой водного стока принят в соответствии с [СП 33-101-2003. Определение основных гидрологических характеристик. - М.: Госстрой России, 2004. - 72 с.; Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 448 с.] в размере 136 мм.
2) отбор проб донных отложений и определение их химического состава (табл.2);
Таблица 2
Измеренные концентрации химических элементов в донных отложениях малого водотока в междуречье рек Ангара и Подкаменная Тунгуска, мг/кг
Химический элемент
Площадь водосбора, км<sup>2</sup>
203
304
315
430
Cr
393
220
288
155
Fe
85167
53890
74885
50175
Ni
82
58
63
47
Au
0.0028
0.0029
0.0028
0.0033
Pb
7.4
10.5
6.4
15
Cu
55
43
62
39
Zn
88
73
97
67
3) расчет средних содержаний веществ  в истоках рек по формуле (1) и планирование легального обследования районов с повышенными значениями  с большей частотой опробования донных отложений рек и других компонентов окружающей среды (табл.3);
Таблица 3
Расчетная концентрации химических элементов в донных отложениях малого водотока, мг/кг
Химический элемент
Расчетная концентрация <img file="00000036.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /> при F<sub>0</sub>=80 км<sup>2</sup>
Cr
1498
Fe
244682
Ni
182
Au
0.0026
Pb
3.3
Cu
97
Zn
135
Примечание: слой водного стока ориентировочно принят постоянным в размере 136 мм
4) с учетом тенденции достаточно резкого возрастания от устья к истоку в случае Ni (фиг.1), Cr, Fe сделан вывод о целесообразности проведения детального специализированного геолого-геохимического картирования перспективной площади в период гидрологического года с водным стоком, близким к среднемноголетним значениям.
На фиг.1. Изменение концентраций Ni в донных отложениях по длине малого водотока.
Технический результат: разработан способ поисков полезных ископаемых на основе анализа изменения концентрации вещества в донных отложениях водотоков, включающий: 1) геоинформационный анализ исследуемой территории с целью выделения малоприточных участков с относительно резким уменьшением интенсивности водообмена (выходы рек с горных районов на равнинный, обширные участки с русловой многорукавностью); 2) отбор 2-3 проб донных отложений на выявленных участках и определение их химического состава; 3) расчет содержаний веществ  в истоках рек по формуле (1) и планирование детального обследования районов с повышенными значениями  с большей частотой опробования донных отложений рек и других компонентов окружающей среды; 4) проведение детального специализированного геолого-геохимического картирования перспективной площади. Опробование речных отложений рекомендуется проводить в период с водным стоком, близким к среднемноголетним значениям.
Новизна технического решения заключается в том, что впервые для выявления геохимических аномалий предлагается способ, основанный на использовании математической модели миграционных потоков в водосборах малых рек и анализе химического состава речных отложений, позволяющий резко снизить стоимость и, соответственно, увеличить объемы поисков рудных гидрогенных месторождений полезных ископаемых.