Развитие гидрогеохимических исследований в ТПИ

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 195 1974

РАЗВИТИЕ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ТПИ

П. А. УДОДОВ, Н. М. РАССКАЗОВ, С. Л. ШВАРЦЕВ

Развитие науки в последнее время показывает, что некоторые вопросы в геологии требую г серьезных корректив. Особенно это остро чувствуется в отношении природных вод, к которым привыкли относиться весьма упрощенно. Многие положения ученых, относящиеся к подземным водам, носили умозрительный характер. А между тем роль подземных вод но многих геологических процессах является 'решающем!. Вот что писал по этому поводу академик В. И. Вернадский: «Вода, образующая сплошь одну из земных геосфер—гидросферу, определяет всю химию земной коры и доступной нашему непосредственному изучению ее области. Химические реакции идут главным образом в водных растворах, жидких или парообразных, и свойства растворов обусловливают в главной мере генезис вадозных и фреатичеекпх минералов. Они же определяют среду жизни».

Не менее велика роль подземных вод и в формировании месторождений полезных ископаемых. В работая академиков В. И. Вернадского и Л, Е. Ферсмана была показана принципиальная возможность использовании подземных вод в поисковых целях. Однако разработка этого вопроса тормозилась отсутствием надежных и достаточно чувствительных методов анализа подземных вод. Поэтому в 11)51 г. в ТИП па кафедре гидрогеологии была поставлена задача -- разработать метод определения микрокомиопептов в природных водах, применимый для полевых условий.1 К этой работе была привлечена кафедра аналитической химии, что позволило уже в 1952 г. И. П. Опуфриеиок и П. Л. Удодов у предложить принципиально новый метод анализа, основанный на со-осаждении микрокомпоиептов с гидроокисью алюминия. Проверка метода в полевых условиях показала его надежность и достаточную чувствительность. Несколько позже была также усовершенствована методика спектрального анализа получаемых водных концентратов, что позволило одновременно определять в одной пробе в нолевых условиях более 40 химических элементов. Разработанный метод анализа под названием «метода ТПИ» получил широкое 'распространение в СССР и за рубежом и дал толчок к разработке других аналогичных методов. Сейчас таких методов анализа существует несколько в Союзе.

Разработка метода изучения химического состава подземных вод позволила сотрудникам ТПИ начать планомерные исследования условий формирования водных потоков рассеяния зон минерализаций. Примерно в это же время аналогичная работа была начата во Всесоюзном

научно-исследовательском геологическом институте, Ленинградском университете, во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии, Геологическом институте АН Армянской ССР и некоторых научных организациях АН СССР.

В ТЛИ в это время проводились исследования по выяснению условий применимости гидрогеохимичеокого метода поисков в различных ландшафтных зонах и геологических условиях. Особое внимание было обращено на такие трудно доступные районы, как районы высокогорий, районы с развитием многолетнемерзлых пород, заболоченные районы и др. Одновременно в изучение включались все новые и новые виды месторождений ¡полезных ископаемых. Бели на первом этаете исследование водных потоков рассеяния проводилось только около сульфидных месторождений, как наиболее подверженных разрушению в условиях зоны гипергенеза, то уже начиная с 1957 г. в изучение были включены месторождения редких и рассеянных элементов.

Исследование условий формирования водных потоков рассеяния немыслимо без выяснения роли отдельных факторов в миграции химических элементов в подземных водах. Поэтому в ТПИ эта работа была начата уже на первом этапе исследований. В результате этих работ была показана важная роль в миграции химических элементов активности торных пород и разработана методика ее определения, которая получила широкое признание в Союзе, выяснены отдельные моменты влияния сорбционной способности горных пород на миграцию химических элементов в водах, разработана методика режим,ных наблюдений при гидрогеохимических поисках и использования результатов при интерпретации полученных данных, предложен коэффициент для определения миграционной способности химических элементов и решены некоторые другие вопросы.

В результате гидрогеохимических исследований выяснилось, что обогащение подземных вод тяжелыми металлами происходит и в условиях восстановительной геохимической обстановки, где реакции окисления невозможны, что потребовало выяснения характера протекающих здесь процессов. В результате экспериментальных работ Н. М. Расска-зовым было показано, что на мышьяковых месторождениях в обогащении подземных вод тяжелыми ¡металлами в условиях восстановительной геохимической обстановки решающую роль играют процессы электрохимического растворения, известные ранее для сульфидных месторождений. Одновременно для этой же цели было начато изучение изотопного состава подземных вод.

Широкий -размах исследований по разработке гидрогеохимического метода поисков позволил уже в 1960 г. провести в ТПИ первую Всесоюзную конференцию по этому вопросу, а в 1962 г. издать труды этой конференции и первую монографию «Опыт гвдрогеохимических исследований в Сибири». Авторы этой монографии — П. А. Удодов, И. П. Онуфрие(нок и Ю. С. Парилов. В этой работе впервые в Союзе были подведены итоги разработки гидрогеохимического метода поисков и результаты его внедрения в производство. Эта монография сыграла важную роль для широкого внедрения метода в практику геолого-поисковых работ, что нашло отражение в соответствующих по-становленяих Министерства геологии СССР и в «Инструкции 'по геохимического растворения, известные ранее для сульфидных месторож-в 1965 г.

Широкое внедрение .метода в производство потребовало расширения работ (по разработке поисков так называемых «слепых» рудных тел, что является одной из важнейших современных задач -геологии в целом. Поэтому, -начиная с 1963 г., проблемная геологическая лаборатория была полностью переключена на разработку этих вопросов.

Объектом исследований была выбрана Колывань-Томская погребенная складчатая зона. Этот регион, расположенный в центре промышленной части Западной Сибири, оставался весьма слабо изученным в связи с тем, что визуальные методы исследований не давали положительных результатов ввиду мощной толщи рыхлых образований. Гидрогеохимические исследования в этом регионе показали его перспективность на полиметаллические и другие полезные ископаемые и позволили выяснить ряд интересных моментов, помогающих обнаруживать скрытые рудные тела. В частности, П. А. Удодовым и В. М. Ма-гусевичем разработана методика прослеживания зон тектонических нарушений по гидрогеохимичеоким данным, что является важным при картировании закрытых территорий. Результаты этих работ в настоящее время переданы геологическим организациям и обобщены в виде двух монографий, одна из которых опубликована в 1965 г., а вторая — в 1971 г.

Таким образом, в пределах крупного региона была подтверждена глубинность этого метода поисков, что делает его наиболее эффективным по сравнению с друигми геохимическими методами.

Разработка методики поисков «слепых» рудных тел потребовала более углубленного изучения миграции химических элементов не только в подземных водах, но и в почвах и растениях, играющих исключительную роль в перераспределении химических элементов в биосфере. Эта работа в проблемной геолоши>чеокой лаборатории была начата уже в 1962 г. Частично результаты этих исследований были переданы Томскому совхозу, так »как они помогают в оценке плодородия почв. В связи с этими работами встала необходимость детального изучения роли органического вещества почв, в частности гуматов, в миграции химических элементов в конкретных условиях. Идея о том, что роль органики исключительно велика в поведении многих металлов, высказывалась еще раньше некоторыми учеными, однако до сих пор этот вопрос остается неизученным. В проблемной лаборатории была разработана Р. С. Солодовнивдвой и др. методика выделения гуматов из различных природных объектов, дано их электронномикроскопическое описание и составлен атлас этих снимков.

Гуматы различных металлов имеют разнообразную форму, однако в нейтральной, слабощелочной и щелочной средах им присуща общность строения—'листьевидная форма, которая меняется от гумата к гумату в зависимости от металла (рис. 1). На этих рисунках показаны э л ек тронно м икрос коп и ч ее ш е снимки природных гуматов, выделенных из природных вод, торфа, почв и горных пород.

Результаты этих исследований подтверждают:

1. Наличие соединений гуматов металлов в природных условиях.

2. Электронномикроскопические снимки дают некоторое представление о расположении частичек гуматов металлов, позволяют судить о них как о соединениях с определенной формой частиц, свойственных только этому типу соединений.

3. Дают возможность предполагать, какие из ионов металлов в природных условиях находятся в соединении с природным органическим веществом, что имеет важное значение при интерпретации результатов полевых гид'рогеохимических исследований.

Таким образом, в результате многолетних исследований в ТПИ разработана методика шдрогеохимических поисков, включающая полевые исследования, методы анализа подземных вод, интерпретацию результатов работ, оценку выявленных аномалий с широким использованием методов математической статистики. Эта методика -в виде отдельной работы передана Министерству геологии СССР для внедрения в производство. Результаты гидрогеохимических исследований ТПИ

б виде отдельных монографий, карт, схем и макетов демонстрировались на ВДНХ в 1965 г. и на советских выставках за рубежом.

Следует отметить, что разработка гидрогеохимического метода поисков в ТЛИ ведется с первых дней в тесном содружестве с производственными организациями. Это позволяет внедрять результаты исследований непосредственно в производство и повышает эффективноегь геолого-поисковых работ. Именно благодаря этому в результате гидрогеохимических работ и проверки выявленных аномалий научными сотрудниками проблемной лаборатории, кафедры гидрогеологии и их учениками выявлены следующие рудные месторождения и рудопроявле-ния; медно-никелевое в районе г. Норильска, полиметаллические в Рудном Алтае и Колывань-Томской складчатой зоне, молибденовое в Кузнецком Алатау, и др.

Параллельно с разработкой гидрогеохимического метода поисков в ТПИ впервые в Союзе была начата подготовка специалистов в этой области, которые в настоящее время работают в различных производственных и научных организациях страны. Это, в свою очередь, потребовало создания специализированных курсов по гидрогеохимии.

Почти все освещенные выше вопросы относятся главным образом к поисковой гидр о г ео х(И'М ии. Между те.у. опыт работ показывает, что гидрогеохимичеокий -метод может дать весьма большой производственный эффект не только при геолого-поисковых исследованиях, но также и при разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Этап гидротеохи'мичеоких исследований при разведочных работах нами выделяется как разведочная гидрогеохимйя. Используя результаты г И1д рог ео х и'М'ич ее ш х исследований, можно значительно уменьшить объем дорогостоящих разведочных и горных работ, сократить время освоения месторождения и сильно облегчить труд при эксплуатации. Однако методика полевых и камеральных работ, а также интерпретация полученных данных пока еще очень слабо разработаны.

Исследования в данном направлении не вышли еще из стадии разработки методики. Проводятся они различными организациями Министерства геологии, институтами АН СССР и вузами.

Сотрудники проблемной геологической лаборатории Томского политехнического института успешно выполняют подобные работы на Барановском полиметаллическом рудопроявлении. Это рудопроявление остается 'пока наиболее интересным в пределах Колывань-Томской складчатой зоны. Решающую роль в его открытии сыграли поисковые гидротеохимические исследования, выполненные сотрудниками ТПИ,

%

Рис. 1. Электронномикроскопические фотоснимки: а — сухого остатка исходного раствора соли марганца МпОг; б — синтезированный гумат марганца; в — природный гумат марганца, выделенный из цирконо-ильменитового песка; г — природный гумат марганца, выделенный из травертина с микрокомпонентным составом Ва—0,03%; Мп—0,5%;

С — 1,25%

5. Заказ 7067

65

Буровые и разведочные работы, проведенные на участке выявленной гидрогеохимической аномалии, вскрыли свинцово-цинковую минерализацию. Однако полная оценка масштабов оруденения этими работами не была получена. Естественно, что дальнейшее направление разведочных работ должно базироваться на учете всех геологических и геохимических особенностей участка. Гидрогеохимические исследования, которые на данной стадии оценки участка рассматриваются как детальные, должны занимать ведущее положение. Это обусловлено тем, что район рудопроявления характеризуется развитием мощного покрова рыхлых отложений и обычно применяемые в практике разведочных работ методы з*десь себя или не оправдывают, или являются дорогостоящими.

С целью расширения перспектив 'Барановского рудопроявления и определения мест заложения окважин, которые дали бы наибольший эффект при его разведке и проводились детальные гидрогеохимические работы. В ходе последних изучалась зональность водных потоков рассеяния и пространственное их соотношение с рудной минерализацией, а также определялась протяженность их относительно рудной зоны.

Наряду с этим устанавливалась роль процессов химического окисления и электрохимического растворения в вертикальной и горизон-талыной зональности зоны минерализации.

Значительное внимание было уделено формированию солевых ореолов в почвах и в коре выветривания, а также изучению поровых растворов. При этом выяснялось влияние микробиологических процессов на обогащение вод микрокомпонентами.

В процессе обработки материалов устанавливались корреляционные связи между основными рудообразующими элементами и элементами-индикаторами в водных потоках рассеяния, зоне минерализации, первичном ореоле и рыхлых образованиях.

Для выяснения закономерностей формирования и развития водных потоков рассеяния в пределах Барановского рудопроявления помимо широкого использования гидрогеохимических методов в комплексе с другими (литохимическим, биогеохимическим и др.) осуществлялись следующие специальные исследования: изучение вторичных образований зоны окисления и новообразований на выходах подземных вод; опробование керна, шлама, промывочной жидкости, подземных вод в скважинах, режимные наблюдения на источника*, изучение в природных водах переходных форм серы, определение ЕЬ и рН, газового и изотопного состава вод, органического вещества и микрофлоры и специфических элементов в природных водах.

По результатам исследований на Барановском участке построены гидрогеохимические карты, профили и графики с учетом модуля подземного стока, химического выноса микрокомпонентов, коэффициента миграции, режимного поправочного коэффициента, спектральных анализов горных пород, подземных вод, шлама и других геохимических данных. Полученные результаты позволили уточнить намечаемую зону минерализации и геологически обоснованно запроектировать объем разведочных работ. Исследования в области разведочной гидрогеохи-мии заслуживают, несомненно, дальнейшего развития.

В настоящее время намечается дальнейшее развитие гидрогеохимических исследований, которые ставят своей целью эксплуатацию рудных месторождений гидробиохимическим методом. Академик А. А. Ймше-нецкий пишет: «Ученые полагали, что геологические процессы, вызываемые микробами, протекают чрезвычайно медленно и подчинить их воле и разуму человека нереально. Однако исследования последних лет опровергли такое представление». В связи с этим новым направлением

исследований была организована в ТПИ в 1962 г. микробиологическая лаборатория.

Поворотным этапом внедрения в практику гидрогеохимических исследований геологической микробиологии у нас в Союзе можно считать выход в свет работы С. И. Кузнецова, М. В. Иванова и Н. Н. Ляликовой «Введение в геологическую микробиологию». Эта -книга, как совершенно правильно отмечают авторы, ставит своей задачей определить роль микроорганизмов в геологических процессах и установить основные пути управления их геологической деятельностью.

Опыт наших исследований на площади Колывань-Томской складчатой зоны показал, что микроорганизмы необходимо изучать как в почвах, горных породах, так и в различных типах природных вод. Только при таком 'комплексном подходе представляется возможным изучить различные среды жизнедеятельности микроорганизмов.

Принятое нами направление исследований отвечает замечаниям Б. Б. Полынова о том, что «...состав природных речных вод обусловливается не простыми абиотическими реакциями действия воды на минералы магматических пород, т. е. гидролизом и растворением, как это придумано в учебниках, а более сложным, хотя и более быстро текущим процессом извлечения элементов из минералов организмами и растворением в воде зольной части организмов при их минерализации».

При региональных гидрогеохимичеоких исследованиях на площади Колывань-Томской зоны нами было опробовано большое количество различных типов вод. Однако наше внимание было сосредоточено главным образом на изучении микроорганизмов в подземных водах, связанных с породами коры выветривания песчано-глинистых сланцев. Эти породы характеризуются синевато-серой окраской, обусловленной присутствием органического вещества, тонко распыленных сульфидов железа и хлорита в цементе. Присутствие, по нашим анализам, в них сидерита и пирита указывает на преимущественно восстановительную обстановку, существовавшую в иловых водах. Дальнейшие геологические процессы выразились в складкообразовании и гидротермальной деятельности, которые привели к минералазации пород и вымыванию из них морских седиментационных вод и, по-видимому, захоронению вод инфильтрационного типа.

При изучении подземных вод на отдельных участках нами были встречены специфические типы вод, которые характеризуются низким значением рН (1,4—1,5), высокой минерализацией (152—166 г/л), по химическому составу сульфатно-железистые. Содержание закианого железа достигает 12,8 г/л и окисного — 35,9 г/л, сульфат-иона — 117,6 г!л, хлора — 0,039 г/л, органического вещества — С об1Ц —0,573 г/л. Органическое вещество изучено в лаборатории ТПИ Р. С. Солодовников© й по электронномикроокопическим снимкам. Изучаемая вода, по данным В. Г. Иванова, характеризуется повышенным содержанием дейтерия (+1,9 у). Такое содержание обьгчно характерно для подземных вод седиментационного происхождения или капиллярной конденсации. Дальнейшее изучение этих вод с постановкой экспериментальных работ позволит внести ясность в данный вопрос. Анализ микрокомпонентного состава описываемых вод показал тысячные доли процента Мп, N4, Сг, Ва, Со, Си.

Эти воды, кроме того, были изучены В. А. Шамолиным в микробиологической лаборатории ТПИ в отношении состава микрофлоры и влияния ее на обогащение вод тяжелыми металлами. Микробиологический состав исследуемых вод изучен пока еще крайне слабо. Однако, по нашему мнению, микрофлора этого типа вод может дать наиболее важную и полную картину участия бактерий в геохимических процессах.

Исследования бактерий этих вод могут позволить по-новому оценить роль 'биологического фактора при геохимических изменениях горных пород в зоне гипергенеза, а также помочь в обнаружении новых видов микроорганизмов, участвующих в этих процессах. При подтверждении этих предположений, по-видимому, можно будет 'конкретно говорить и о прёимущесгвенжгм биогенно'м характере формирования микроком-понентного состава подземных вод по следующей схеме: бактерии изучаемых вод, воздействуя на породу, переводят различные соединения в поровый раствор, откуда последние и поступают в свободную фильтрационную воду.

При 'микроскопировании культуры охарактеризованных выше вод, по данным В. А. Шамолина, обнаруживаются короткие неподвижные палочки размером около 2 X 0>7 мк, иногда неправильной формы, часто соединенные в группы, окруженные слизистым образованием. Морфологически данный микроорганизм отличается от большинства описанных видов тионовых бактерий. 'Все это, а также приуроченность их к слабо изученной среде обитания, позволяет предполагать, что эта культура может являться либо новым видом бактерий, либо еще не известной модификацией уже описанных микроорганизмов группы тионовых, весьма видоизмененной в специфических условиях обитания.

Разумеется, эти предположения еще нуждаются в самой тщательной проверке путем дальнейшего выделения и исследования чистой культуры. Данная культура была использована в опытах с сульфидными рудами цинка, ртути, меди, свинца. С этими рудами проводились в лабораторных условиях опыты, в которых руды заливались питательной средой без добавления железа. Таким образом, бактерии были вынуждены .использовать этот элемент непосредственно из 'минерала. Результаты одного из опытов представлены в табл. 1.

Бактериальная ,эмульсия была внесена только через 40 дней. Все это время процесс выщелачивания металлов шел только химическим путем. Через 35 дней воздействия бактерий на руды в раствор перешло на 2—3 порядка больше металла, чем при окислении без микробов.

Как видно из табл. 1, почти все основные компоненты руд переходят в раствор. Исключение составляет ртугь. По-видимому, взятая концентрация ртутных соединений оказывает токсическое действие на бактерии.

(Перспективность гидробиохимического метода заключается главным образом в том, что он может быть применен, как показали исследования, за рубежом и в СССР для добычи многих металлов, редких элементов и обогащения различных концентратов. Высокая экономическая эффективность его не вызывает сомнений.

'Все освещенные выше вопросы используются при разработке целого ряда теоретических положений гидрогеохимии, которая быстро развивается в последнее время. Это развитие в значительной степени обусловлено внедрением гидрогеохимических исследований в практику геологических работ различными организациями, в том числе и Томским политехническим институтом.

С другой стороны, все глубже выясняется огромная роль природных вод во всех геологических процессах. При этом большое внимание уделяется не только их составу, но и структурным особенностям.

Так, по мнению А. М. Блоха, «следует ожидать, что модель жидкой воды М. Аджено и вытекающие из нее выводы "можно с успехом использовать для разрешения многих геологических проблем».

Несомненно, что дальнейшее развитие работ в области гидрогеохимии будет способствовать более полному раскрытию основных геологических закономерностей и использованию их в решении практических задач.

Таблица !

Окисление сульфидных руд в зависимости от наличия бактерий

Процесс окисления Продолжительность опыта (сутки) Руда Содержание металлов в растворе в мг/л

Без введения бактерий (химическое и электрохимическое окисление) 1 Халькопирит Сфале рит Галенит Киноварь 0,3 0,05 0,2 0,02 Содержание суммы металлов (2п+РЪ+Си) по дитизону

14 Халькопирит Сфалерит Галенит Киноварь 0,4 0,1 0,1 0,2

40 Халькопирит Сфалерит Галенит Киноварь 7.0 1.1 0,2 0,2

В присутствии бактерий 35 Халькопирит Сфалерит Галенит Киноварь Медь Цинк Свинец Ртуть

2400 300 200 800 475 320 241 71,2 539 593 485 377 н/обн н/обн н/обн 0,01