Лекции по "Методам геоэкологических исследований"

Выделяются четыре основных типа геохимических барьеров – механические, физико-химические, биогеохимические и техногенные. Наиболее изученными и практически наиболее важными являются механические и физико-химические барьеры.

Физико-химические барьеры классифицируются по агенту, приводящему к концентрации элементов (окисление, восстановление и т. д.) и разделяются на ряд классов: кислородный барьер, сероводородный, глеевый, щелочной, кислый, испарительный, copбционный, термодинамический.

Кислородный барьер формируется в местах, где восстановительная обстановка (глеевая и сероводородная) сменяется окислительной. В полевых условиях кислородный барьер выделяется по признакам эпигенетического ожелезнения (ржавые пятна гидроокислов железа) и омарганцеванию (черные примазки минералов марганца).

Сероводородный или глеевый образуется при смене окислительной обстановки на восстановительную. Восстановительный глеевый барьер выделяется по признакам эпигенетического оглеения (сизая окраска горизонтов за счет двухвалентного железа).

Щелочной барьер возникает при резком увеличения рН, например, при встрече кислых вод с известняками и другими карбонатными породами. В природных условиях подобный барьер характерен для участков окисляющихся сульфидные месторождений с аккумуляцией малахита, азурита, церуссита и других карбонатов. Щелочной карбонатный барьер определяется по границе распространения горных пород, вскипающих от действия на них соляной кислоты.

Кислый барьер возникает при уменьшении рН.

Испарительный барьер. Испарительный барьер определяется по солевым коркам, гипсу, выцветам легкорастворимых солей на стенках горных выработок и другим солевым аккумуляциям.

Сopбционный барьер. Сорбционный барьер определяется по контакту пород и почвенных горизонтов различного механического состава: более дисперсный материал выступает в роли сорбента целого ряда элементов (меди, цинка, свинца и др.).

Концентрация элементов на физико-химических барьерах зависит, с одной стороны, от класса барьера, а с другой,- от состава вод, поступающих к нему.

В природных условиях нередко происходит совмещение различных геохимических процессов (как в пространстве, так и во времени). В связи с этим выделяются комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных геохимических процессов. Например, выпадение гелей гидроокислов железа и марганца на кислородном барьере приводит к сорбции ими химических элементов, т. е. здесь возникает комплексный кислородно-сорбционный барьер.

Особым классом геохимических барьеров являются двусторонние барьеры, формирующиеся при движении вод различного геохимического состава к барьеру с разных сторон. На таком барьере происходит осаждение разнородной ассоциации химических элементов, примером такого барьера является двусторонний кислый и щелочной барьер.

 

 

Литогеохимические методы исследований.

Понятие об ореолах рассеяния

Литогеохимические методы исследований направлены на выявление особенностей распространения и аномалий различных химических элементов в верхней части литосферы.

Аномалии образуются обычно не одним элементом, а несколькими. Набор элементов, образующих аномалии того или иного типа, называется элементным составом ореолов. Все ореолы являются многокомпонентными.

Важнейшей особенностью строения ореолов является их зональность, которая выражается в закономерном изменении в пространстве различных их характеристик и параметров.

Зональность ореолов – понятие векторное, и ее параметры по разным направлениям не совпадают. По отношению к источнику загрязнения могут быть выделены три основных типа зональности. Осевая зональность проявляется в направлении движения элементо-потоков, продольная зональность отражает зональное строение ореолов по простиранию, а поперечная – вкрест простирания ореолов.

Вертикальная протяженность ореолов, определяющая глубинность геохимических поисков, достигает сотен метров.

 

 

 

Физико-химические особенности природных вод

Формирование вторичных литохимических ореолов рассеяния во многом обусловлено окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями вод.

Окислительно-восстановительные условия вод.

Выделяются три типа окислительно-восстановительных условий: окислительные, восстановительные глеевые и восстановительные сероводородные. Они широко распространены в природе и часто сменяют друг друга в пределах почвенного слоя, коры выветривания, водоносного горизонта, формируя окислительно-восстановительную зональность.

Для окислительной обстановки характерно присутствие в водах свободного кислорода или других сильных окислителей. Железо, марганец, медь, ванадий, сера и ряд других элементов находятся в высоких степенях окисления (Fe3+, Mn4+ ,Cu2+ и т. д.). Для почв и отложений окислительного ряда характерна красная, бурая и желтая окраска.

В восстановительной обстановке без сероводорода (глеевой) воды не содержат кислорода и других сильных окислителей. Глеевые воды обычно имеют СО2 и растворимые органические соединения. Железо и марганец в этих условиях находятся в восстановительном состоянии (Fe2+, Mn2+) и ведут себя как другие двухвалентные металлы – кальций, магний и т. д. Почвы и породы имеют сизую, зеленую, голубоватую, белесую и пятнистую окраску.

Восстановительная сероводородная обстановка характерна для многих илов и водоносных горизонтов. Породы в этом случае имеют черную окраску, содержат пирит и другие сульфиды.

Хотя в условиях глеевой и сероводородной обстановок воды не содержат свободного кислорода и являются восстановительными, в геохимическом отношении эти обстановки противоположны друг другу. Глеевая среда благоприятна для водной миграции многих металлов, а сероводородная неблагоприятна (в связи с образованием нерастворимых сульфидов). Величины Eh при этом могут быть одинаковыми.

 

 

Кислотно-щелочные условия вод.

По кислотно-щелочным условиям воды разделяются на четыре основные группы: сильнокислые, кислые и слабокислые, нейтральные и слабощелочные, сильнощелочные.

К сильнокислым относятся воды с рН<3. Такая кислотность обычно обусловлена окислением пирита и других сульфидов, а также элементарной серы, приводящим к образованию свободной серной кислоты. В сернокислых водах легко мигрируют большинство металлов, в том числе железо, алюминий, медь и цинк. Сильнокислые воды особенно характерны для окисляющихся сульфидных месторождений, зон окисления пиритоносных глин и сланцев.

Кислыми и слабокислыми являются воды с рН от 3 до 6,5, их кислотность обусловлена процессами разложения органических веществ и поступлением в воды угольной кислоты, фульвокислот и других органических кислот. Если в почвax или породах мало катионов, то кислотность не может быть полностью нейтрализована и в системе господствует кислая среда. В таких водах легко мигрируют металлы в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Кислые и слабокислые воды широко распространены в гумидных лесных и болотных ландшафтах (тундра, тайга, широколиственные леса, влажные тропики и субтропики).

Нейтральные и слабощелочные воды имеют рН 6,5-8,5. Их реакция определяется чаще всего отношением бикарбоната кальция к его карбонату или же бикарбоната к CO2. Эта обстановка менее благоприятна для водной миграции большинства металлов, которые здесь осаждаются в форме нерастворимых гидроокислов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы, напротив, мигрируют сравнительно легко (кремний, германий, мышьяк, ванадий, уран, молибден). Рассматриваемые воды особенно характерны для аридных ландшафтов. Такой состав имеют также подземные воды известняков и изверженных пород. При разложении органических  веществ здесь тоже образуются угольная и органические кислоты, но они полностью  нейтрализуются СаСО3 и другими минералами кальция, а также минералами магния, натрия, калия.

Сильнощелочные воды с рН>8,5 обычно обязаны своей реакцией присутствию соды (NаНСО3, реже Na2CO3). Они характерны для лесостепных ландшафтов, установлены в глубоких горизонтах артезианских бассейнов. Многие металлы в этих условиях почти не мигрируют, как, например, кальций, стронций, барий, железо. Напротив, кремний, молибден, германий, селен и другие анионогенные элементы мигрируют интенсивно. Особенность содовых вод состоит в том, что некоторые металлы ведут себя в них как анионогенные элементы, входя в состав различных подвижных анионов. Медь, например, входит в состав аниона [(Сu(СО3)22–], а алюминий – аниона Аl21–. Скандий, иттрий, цирконий, малоподвижные в слабокислых и слабощелочных водах, образуют здесь растворимые карбонатные комплексы.

Каждая обстановка водной миграции характеризуется определенным сочетанием окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий, как это показано в табл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные сочетания окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий природных вод

Табл.

 

 

Основные геохимические классы вод и эпигенетических процессов

 

Щелочно-кислотные условия почв	Окислительно-восстановительные условия вод
	Кислородные	Глеевые	Сероводородные
Сильнокислые (рН < 3)	Сильнокислый окислительный	Сильнокислый глеевый	Сильнокислый сероводородный
Кислые и слабокислые (рН З-6,5)	Кислый окислительный	Кислый глеевый	Кислый сероводородный
Нейтральные и щелочные (рН 6,5-8,5)	Нейтральный и щелочной окислительный	Нейтральный и щелочной глеевый	Нейтральный и щелочной сероводородный
Сильно-щелочные (содовые) (рН > 8,5)	Содовый окислительный	Содовый глеевый	Содовый сероводородный

 

 

Методика литохимических поисков. Стадийность, задачи разных стадий. Характеристика стадии региональных и детальных работ.

Выбор сети отбора проб. Методика отбора проб. Обработка проб. Анализ проб. Изображение результатов.

 

Геохимические исследования по ореолам и потокам рассеяния проводятся путем систематического отбора литохимических проб по определенной сети для выявления вторичных ореолов.

До постановки геохимических исследований должно быть проведено районирование территории работ по условиям проведения геохимических работ на основе имеющихся ландшафтно-геохимических, геологических, почвенных и других карт.

Работы планируются путем последовательного повышения детальности литохимического опробования на площадях выявленных геохимических аномалий. Полный комплекс геохимических исследований включает проведение региональных, детальных и опытно-методических работ.

Региональные работы определяются масштабами 1:100000, 1:200000 и мельче и необходимы для формирования представления о региональной геохимической специализации и заражении территории. На данной стадии желательна организация опытно-методических работ в целях уточнения условий и методики проведения геохимических исследований и выяснения сравнительной эффективности различных видов геохимических поисков в конкретных геологических и ландшафтно-геохимических условиях предполагаемых районов работ.

Главной задачей геохимических исследований является получение общей геохимической и металлогенической характеристики исследуемого района и выявление площадей для постановки более детальных работ следующей подстадии.

Геохимические исследования масштаба 1:50000 (1:25000) с составлением крупномасштабных карт проводятся с учетом результатов литохимических поисков масштаба 1:200 000 (1:100000).

На стадии детальных работ литохимические исследования по первичным и (или) вторичным ореолам рассеяния проводятся в масштабах 1:10 000 - 1:2000.

 

Плотность  опробования вторичных ореолов рассеяния

 

Масштаб	Сеть		Число проб на 1 км2 площади
	Расстояние между профилями, м	Расстояние между точками пробоотбора, м
1 :200 000	2000	200	1-5
1 :100 000	1000	100	10-20
1: 50 000	500	50	40
1 :25 000	250	50-40	80-100
1:10 000	100	20-25	500-400
1 :5000	60	10-20	2000-1000
1 :2000	25	10	4000