Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РЕЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

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:

где - средняя концентрация элемента в донных отложениях водотока в створе, замыкающем водосбор с площадью F, мг/кг; - средний слой водного стока, мм; ; k_C - коэффициент трансформации вещества, c^-1; T - расчетный период для определения слоя стока по среднему значению расхода воды , c; k_Y - коэффициент перехода от слоя стока Y к условной средней глубине потока; a - коэффициент размерности; и - средние концентрация вещества и слой водного стока в истоках реки; величина 1+η определяется при сравнении измеренных концентраций C₁ и C₂ (в створах с известными площадями F₁ и F₂); 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:

где w - площадь сечения потока, м²; Q - расход воды, м³/с; D - коэффициент продольной дисперсии, м²/с; f(C) - функция, описывающая поступление и трансформацию вещества в потоке; где k_C - коэффициент трансформации вещества, c^-1. 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):

Очевидно, что величина 1+η может быть определена по формуле (10) обратным расчетом с использованием измеренных концентраций C₁ и C₂, а затем (при допущении Y≈Y₀) 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);

2) отбор проб донных отложений и определение их химического состава (табл.2);

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 при F0=80 км2 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.