Геохимический способ выявления неоднородностей (варианты)

 

Способ относится к геохимическим методам исследований и может быть использован для выявления месторождений полезных ископаемых, а также тектонических, антропогенных и других структурно-вещественных неоднородностей геосферы. Из надповерхностного слоя атмосферы собирают путем прокачивания свободного воздуха через пробоотборник содержащиеся в нем поступающие из области неоднородности, мигрирующие в направлении дневной поверхности, и поступающие в воздух подвижные частицы, наличие которых связано с этой неоднородностью или обусловлено ее существованием. Для анализа отбирают частицы размером не более 0,05 мкм. Наиболее удобно собирать частицы на графитовую кювету, которую можно помещать в электротермический атомизатор многоэлементного атомно-абсорбционного спектрофотометра. Определяют содержания элементов, сопутствующих искомой неоднородности, и по обнаруженному изменению содержаний элементов устанавливают наличие, природу и параметры неоднородности. Во втором варианте определяют не содержания, а соотношения содержаний определяемых элементов. Выбор элементов-индикаторов в каждом конкретном случае определяется поставленной задачей. Технический результат: создание простого и экономичного способа выявления неоднородностей земной коры различной природы. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ относится к геохимическим методам исследований и может быть использован для выявления месторождений полезных ископаемых, а также тектонических, антропогенных и других структурно-вещественных неоднородностей геосферы.

Известно, что от находящихся в глубине месторождений твердых и жидких полезных ископаемых к дневной поверхности восходит поток подвижных частиц, несущих информацию об объекте. Например в патенте США № 4587847 и статье Malmquist'a и др. "Geogas prospecting - an ideal industrial application of PIXE" (Nuclear Instruments and Methods, B, 150 (1999), p.484-490) этот поток называется геогазом, в статье Wang и др. "Nanoscale metals in Earthgas and mobile forms of metals in overburden..." (Journal of Geochemical Exploration, 58 (1997), р.63-72) - земным газом, в патенте РФ № 2097796 - струйной субвертикальной миграцией химических элементов, в патенте США № 4573354 говорится о потоке летучих соединений, эманирующих от подземного источника. Существуют способы геохимических исследований, использующие это явление.

Известен геохимический способ поисков углеводородов по патенту РФ № 2097796 (МПК G 01 V 9/00, приор. 03.04.96г.), в котором на изучаемой площади в каждой точке наблюдения производят отбор проб с различных горизонтов почвы и экстрагируют из них элементы-индикаторы углеводородов, связанные с органическими соединениями почвы, отбирают элементы в электроподвижных формах нахождения, определяют концентрации заранее установленных элементов-индикаторов в каждом из экстрактов и по совпадению зон с аномальными концентрациями элементов-индикаторов и элементов в электроподвижных формах нахождения устанавливают границы нефтегазоносных провинций, областей, месторождений или отдельных залежей. Этот способ трудоемок, так как требует отбора проб с различной глубины, установки специальных электродов для отбора проб элементов в электроподвижных формах и проведения большого количества химических анализов.

Известен способ поиска месторождений рудных полезных ископаемых по а.с. СССР № 1322846 (МПК G 01 V 9/00, приор. 12.07.85г.). в котором на электроде, дискретно перемещаемом по исследуемому профилю, накапливают рудные компоненты, причем измерения производят в приземном слое воздуха, продувая электроды равными объемами воздуха при каждом измерении, определяют концентрации накопленных компонентов и по их значениям судят о наличии месторождений. Этот способ достаточно прост и производителен, но предназначен только для поиска рудных месторождений.

Известен также способ геофизической разведки по патенту СССР № 1764436 (МПК G 01 V 9/00, приор. 07.09.89г.), в котором отбирают пробы воздуха из приземного слоя атмосферы, фильтруют аэрозольные частицы более 0,2 мкм, ионизируют попавшие в пробоотборник частицы энергетическим воздействием не более 14 эВ, меньшим минимального потенциала ионизации смеси атмосферных газов, измеряют полное количество ионизованных частиц, которое принимается в качестве физико-химической характеристики среды. Недостатком этого способа является то, что на величину ионизационного тока влияют многие факторы, например, влажность и наличие газовых компонентов, имеющих тот же потенциал ионизации, что и газообразные рудные компоненты. Это может привести к недостоверности результатов. Кроме того, невозможность накопления массы подвижных частиц, необходимой для работы аналитического прибора выше предела обнаружения, может привести к пропуску выявляемых разрывных нарушений. Основным недостатком является принципиальная невозможность определить природу выявляемой неоднородности.

Наиболее близким по назначению к предлагаемому является способ обнаружения скрытых месторождений по патенту США № 4587847 (МПК G 01 N 33/24, приор. заявка РСТ №83/01309 от 30.09.82). В этом способе предлагается для обнаружения скрытых месторождений поток восходящих из глубины частиц (ионов, атомов или агрегатов атомов), представляющих интерес для исследования, собирать на изолированный от атмосферы пробоотборник, находящийся ниже или выше уровня поверхности. Частицы, собранные в течение длительного времени на мембрану, анализируют на протонном ускорителе и по полученным содержаниям элементов-индикаторов устанавливают наличие скрытых месторождений. Недостатками способа являются длительность накопления материала для анализа, возможность сбора материала только в фиксированных точках, дорогостоящий анализ. Этот способ так же, как и предыдущие, предлагается только для поиска месторождений полезных ископаемых.

Ставится задача создания простого и экономичного способа выявления неоднородностей земной коры различной природы.

Задача может быть решена двумя путями.

В первом варианте в способе выявления неоднородностей, включающем накопление частиц, появление которых связано с этими неоднородностями, элементный анализ накопленного материала и установление наличия, природы и параметров неоднородности по обнаруженному изменению содержаний определяемых элементов в накопленном материале, частицы собирают путем прокачивания свободного воздуха из надповерхностного слоя атмосферы через пробоотборник при его передвижении по выбранному профилю в пределах площади опробования, причем для анализа отбирают частицы размером не более 0,05 мкм, которые собирают на графитовую кювету.

Во втором варианте в способе выявления неоднородностей, включающем накопление подвижных частиц, появление которых связано с этими неоднородностями, и анализ состава накопленного материала, определяют отношения содержаний определяемых элементов в накопленном материале, а наличие, природу и параметры неоднородности устанавливают по обнаруженному изменению отношений содержаний элементов, причем частицы собирают путем прокачивания свободного воздуха из надповерхностного слоя атмосферы через пробоотборник при его передвижении в пределах площади опробования, причем для анализа отбирают частицы размером не более 0,05 мкм, которые собирают на графитовую кювету.

Наиболее удобно для проведения элементного анализа помещать графитовую кювету с накопленным на ней материалом в электротермический атомизатор многоэлементного атомно-абсорбционного спектрофотометра. Это позволяет избежать "мокрых" химических операций. При этом графитовая кювета будет являться контейнером подвижных частиц, поскольку они могут сохраняться в ней в течение длительного времени.

Элементный анализ можно проводить и другими способами (например, атомно-эмиссионным или рентгеноспектральным). Для этого материал, накопленный на кювете, необходимо преобразовать в форму, подходящую для этих видов анализа.

Отбор частиц из надповерхностного слоя воздуха известен из а.с. СССР № 1322846, однако там он применялся только для поиска рудных месторождений.

Для этого требовалось лишь выделить на электроде компоненты соответствующих руд и определить их концентрацию в каждой точке измерений. Однако на наличие месторождения определенной руды могут указывать не только компоненты соответствующей руды, но и другие элементы. Так, на наличие золоторудного месторождения могут указывать, например, мышьяк, селен или теллур. В этом случае, а также в случае нерудных месторождений нахождение элементов, указывающих на наличие этих месторождений, в надповерхностном слое воздуха не было известно. Для установления этого факта, а также состава этих элементов потребовались дополнительные исследования.

Преимуществом по отношению к способу по патенту СССР № 1764436 является накопление частиц, что дает возможность уверенно работать выше предела обнаружения аналитического прибора, и определение их химического состава, что позволяет устанавливать природу выявляемой неоднородности.

Все указанные выше аналоги разработаны для поиска месторождений полезных ископаемых. Однако исследования авторов предлагаемого решения показали, что в случае других видов структурно-вещественных неоднородностей из области неоднородности также восходит к дневной поверхности поток подвижных частиц определенного состава, что позволило применить определение содержаний элементов в надповерхностном слое для поиска структурных, геодинамических и антропогенных неоднородностей земной коры.

Очень важен признак, касающийся размеров наиболее информативных подвижных частиц. Экспериментально установлено, что использование для анализа частиц размером менее 0,05 мкм максимально отделяет частицы техногенного происхождения и дает более контрастные аномалии. Таким образом, ограничение размеров частиц позволяет выявлять аномалии без многократных измерений, что затруднительно при проведении измерений по патенту СССР № 1764436.

На фиг.1 представлена схема пробоотборника для сбора частиц. 1 - графитовая кювета, 2 - электрод, 3 - дискриминатор, 4 - воздушный микронасос, 5 - таймер, 6 - источник высокого напряжения.

На фиг.2 показана залежь углеводородов (1) и ее геохимическое проявление в почвенных газах (2), в почвах (3) и в надпочвенном воздухе (4).

На фиг.3 - распределение суммарных содержаний калия, кальция и цинка в надпочвенном воздухе над тектоническим разломом. (1) - содержания элементов в пробах, включающих частицы размером не более 0,05 мкм. (2) - содержания элементов в пробах, включающих частицы всех размеров.

На фиг.4 - проявление антропогенной аномалии в надпочвенном воздухе на примере кадмийсодержащих отходов. (1) - содержания элементов в пробах, включающих частицы размером не более 0,05 мкм. (2) - содержания элементов в пробах, включающих частицы всех размеров.

На фиг.5 - проявление золоторудного месторождения в надпочвенном воздухе по абсолютным содержаниям золота и серебра (1) и отношению содержаний золота и серебра (2).

На фиг.6 - отношения содержаний элементов в пробах воздуха над разломами различной тектонической природы.

Для осуществления способа необходимо произвести следующие операции.

В первом варианте:

1. Через пробоотборник прокачивают свободный воздух из надповерхностного слоя атмосферы. При этом в нем накапливаются содержащиеся в этом слое поступающие из области неоднородности, мигрирующие в направлении дневной поверхности, и поступающие в воздух подвижные частицы, наличие которых связано с этой неоднородностью или обусловлено ее существованием. Пробоотборник перемещают по выбранному профилю или площади с выбранным шагом или непрерывно на одинаковой высоте. При этом результат будет усреднен по участку профиля или площади. Для анализа отбирают частицы размером не более 0,05 мкм. В качестве дискриминатора частиц можно использовать фильтр, импактор и т.п. Наиболее удобно собирать частицы на графитовую кювету, которую можно помещать в электротермический атомизатор многоэлементного атомно-абсорбционного спектрофотометра.

Возможно проводить определение содержаний элементов также методами атомно-эмиссионного анализа или рентгеноспектрального анализа. В этом случае также удобно использовать графитовую кювету для накопления подвижных частиц из воздуха. Это позволяет унифицировать пробоотбор для различных методов анализа. Накопленный материал необходимо перевести в форму, удобную для проведения анализа (например, смыть для перевода в жидкую форму).

Во всех случаях необходимо произвести накопление такой массы частиц, которая обеспечивает работу аналитического прибора выше предела обнаружения.

2. Абсолютные содержания элементов нормируют на объем воздуха, прокачанный через пробоотборник на данном участке профиля или площади.

3. Определяют содержания элементов, сопутствующих искомой неоднородности, и по обнаруженному изменению содержаний элементов устанавливают наличие, природу и параметры неоднородности.

Во втором варианте определяют не содержания, а отношения содержаний определяемых элементов. В этом случае нет необходимости учитывать объем прокачанного через пробоотборник воздуха.

Состав частиц в приповерхностном слое воздуха связан с природой выявляемой неоднородности, и выбор элементов-индикаторов в каждом конкретном случае определяется поставленной геологической задачей. Например, известно, что в зонах разлома концентрируется специфический набор элементов (Булдаков И.В. Тектонохимический механизм формирования магматогенных рудных месторождений. - Л.: ЛГУ, 1979, 203 с.). Известно также, какие металлы сопутствуют углеводородным залежам (Надиров Н.К. и др. Металлы в нефтях. - Алма-Ата: Наука, 1984, 256 с.). В случае антропогенных неоднородностей состав частиц в приповерхностном слое воздуха определяется составом неоднородности.

Устройство-пробоотборник, позволяющее проводить определение содержаний элементов в приповерхностном слое воздуха (фиг.1), содержит графитовую кювету 1, коронирующий электрод 2, дискриминатор частиц 3, воздушный микронасос 4, источник высокого напряжения 5 и таймер 6. Микронасос 4 прокачивает надпочвенный воздух через графитовую кювету 1. В кювете коаксиально расположен электрод 2, на который с источника 5 подается высокое напряжение. На конце электрода 2 возникает коронный разряд, заряжающий пролетающие частицы, и они осаждаются на внутреннюю поверхность графитовой кюветы 1. Выбирают оптимальную скорость прокачивания, при которой происходит максимальное осаждение частиц на стенки кюветы. При выбранной величине скорости таймер 6 позволяет отбирать объем воздуха, необходимый для решения поставленной задачи.

В качестве примера на фиг.2 приведены результаты исследования надпочвенного воздуха над углеводородной залежью (4). На этой же фигуре показано распределение электроподвижных форм элементов в почвах, определенное по методике, изложенной в патенте РФ № 2097796 (3).

Известно, что над углеводородной залежью существует протяженная вертикальная зона, где в вышележащих отложениях проявляется целый комплекс физических, химических, микробиологических и геохимических процессов, формирующих окислительно-восстановительные барьеры и специфичную ассоциацию новообразованных минеральных и органоминеральных комплексов. Считается, что эти явления связаны с процессами субвертикальной миграции флюида из углеводородной залежи. В конечном счете этот процесс находит свое проявление в породах в виде более или менее контрастных геофизических, геохимических и минералогических неоднородностей. Нами установлено, что углеводородные залежи и связанные с ними неоднородности проявляются и в элементном составе надпочвенного воздуха.

Приведенные на фиг.2 данные свидетельствуют, что над фланговой и центральной частью залежи в почвах и в надпочвенном воздухе проявлены повышенные концентрации цинка, свинца и меди. При этом для залежи выделяется граница нефть - вода (НВ) и нефть - газ (НГ). Явление возрастания минерализации и образования геохимической аномалии в зоне НВ границы известно из геологоразведочной практики и находит объяснение с точки зрения процессов, протекающих на границе двух сред (Готтих Р.П. Радиоактивные элементы в нефтегазовой геологии. - М.: Недра, 1980).

Обратим внимание на то, что указанная геохимическая закономерность более четко проявлена в надпочвенном воздухе, чем в почве: для почв НВ и НГ контакты проявлены лишь в 1-2 точках опробования, тогда как для надпочвенного воздуха эти участки профиля опробования фиксируются более надежно и подтверждены в 5-7 точках.

Одной из разновидностей неоднородностей земной коры являются геотектонические разломы. По данным геохимических исследований известно, что в зонах разломов концентрируется специфический набор подвижных элементов. Из этого набора могут быть выбраны те, которые дают максимально контрастные аномалии.

На фиг.3 приведен пример реализации способа для выявления тектонической неоднородности. При исследовании состава надпочвенного воздуха по профилю в некоторых анализируемых пробах воздуха были обнаружены аномальные содержания калия, кальция и цинка. Проведенные исследования обнаружили существование в этой зоне активного тектонического разлома. Аномалия была выявлена по частицам размером не более 0,05 мкм (1). В пробах воздуха, содержащих частицы всех размеров, аномалия над тектонической зоной проявилась значительно менее контрастно (2).

Удобно использовать предлагаемый способ для идентификации антропогенных неоднородностей. На фиг.4 приведены результаты исследования надпочвенного воздуха в пределах территории хранения промышленных отходов. Было известно, что на отдельных участках территории в течение длительного периода накапливались материалы с высокими содержаниями кадмия. В данном случае для выявления экологически опасных зон традиционные геохимические и эколого-химические методы малоэффективны - мешает крайняя неоднородность пространственного распределения загрязнений и обусловленные этим обстоятельством проблемы аналитического характера (для представительности необходимо выбирать очень мелкий шаг опробования и брать большой объем материала для пробы).

Реализация предлагаемого метода позволяет решать эти проблемы. Как видно из приведенных на фиг.4 данных, над участком с отходами в воздухе наблюдаются аномалии кадмия. Примечательно, что контрастные аномалии проявились в приповерхностном воздухе даже над водоемом. При этом аномальная зона над кадмийсодержащими отходами выявлена в пробах воздуха, содержащих частицы не более 0,05 мкм (кривая 2). При анализе воздуха, содержащего спектр частиц всех размеров, локальные зоны загрязнения оказываются “размазанными” (кривая 1).

На фиг.5 представлены результаты определения отношения содержаний золота и серебра в надпочвенном воздухе над зональным золоторудным месторождением. Видно, что при использовании отношения элементов аномалия проявлена более контрастно.

На фиг.6 представлены результаты изучения двух систем разломов, различающихся по своим геодинамическим параметрам. Они различаются по отношению натрия к калию в надпочвенном воздухе над зонами этих разломов. Система разломов, представляющая океаническую палеогеодинамическую обстановку, характеризуется натриевой специализацией (отношение содержания натрия к содержанию калия - 3,0). В то же время воздух над разломами земной коры континентального типа отличается относительно большими содержаниями калия (отношение содержания натрия к содержанию калия - 2,1).

Приведенные примеры подтверждают, что проведение элементного анализа или определение отношений элементов приповерхностного слоя воздуха позволяет традиционными методами анализа эффективно выявлять месторождения полезных ископаемых, а также тектонические, геодинамические и антропогенные и другие структурно-вещественные неоднородности.

Формула изобретения

1. Геохимический способ выявления неоднородностей, включающий накопление подвижных частиц, связанных с выявляемой неоднородностью, элементный анализ накопленного материала и установление наличия, природы и параметров неоднородности по обнаруженному изменению содержаний определяемых элементов в накопленном материале, отличающийся тем, что частицы собирают путем прокачивания свободного воздуха из надповерхностного слоя атмосферы через пробоотборник при его передвижении в пределах площади опробования, причем для анализа отбирают частицы размером не более 0,05 мкм, которые собирают на графитовую кювету.

2. Геохимический способ выявления неоднородностей, включающий накопление подвижных частиц, связанных с выявляемой неоднородностью, и анализ состава накопленного материала, отличающийся тем, что определяют отношения содержаний определяемых элементов в накопленном материале, а наличие, природу и параметры неоднородности устанавливают по обнаруженному изменению отношений содержаний элементов, причем частицы собирают путем прокачивания свободного воздуха из надповерхностного слоя атмосферы через пробоотборник при его передвижении в пределах площади опробования, а для анализа отбирают частицы размером не более 0,05 мкм, которые собирают на графитовую кювету.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что накопленный на кювете материал анализируют атомно-абсорбционным методом.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что накопленный на кювете материал анализируют атомно-эмиссионным методом, предварительно переведя в удобную для этого форму.

5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что накопленный на кювете материал анализируют рентгеноспектральным методом, предварительно переведя в удобную для этого форму.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6