Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ВОД

Романов А.М. 1
1 ТОО «Научно-производственный центр «Разведка, добыча, переработка полезных ископаемых»
При поисках урановых месторождений выделение потенциально рудоносных структур производится специализированным комплексом геолого-геофизических методов. Для повышения результативности комплекса предложена модификация обоснования геофизических методов. Модификация основана на представлении о взаимодействии горных пород и вод. Установлены три главных параметра взаимодействия: скорость движения вод относительно твердой фазы горных пород; структурные особенности горных пород, определяющие мощность (поперечное сечение) потока вод; вещественная составляющая горных пород, определяющая отношение удельных электрических сопротивлений твердой и жидкой фаз. Все три параметра могут влиять на взаимодействие вод и горных пород только через посредство электрического поля. Характерные особенности параметров проявлены в природных условиях. Они доказывают правомерность физико-геологического представления взаимодействия горных пород и вод. На основе геоэлектрических особенностей параметров определены новые поисковые признаки рудовмещающих структур.
уран.
полезные ископаемые
метасоматическое изменение пород
рудовмещающая структура
электрическое сопротивление
потенциал течения
электрическое поле
1. Краев А.П. Основы геоэлектрики.: Л., Недра, 1965. - 566 с.
2. Романов А.М. Взаимодействие вод с горными породами: Алматы.: ИВТ НАК «Казатомпром», 2003. - 247 с.
3. Романов А.М. Миграция долгоживущих загрязняющих веществ в литосфере: Алматы.: КАПЭ, 2005. - 147 с.
4. Романов А.М., Романова М.А. Модификация физико-геологического представления о формировании эпигенетических месторождений урана: Екатеринбург: УИПП, 2012. - 238 с.
5. Романов А.М., Гуськов А.В. Возможные погрешности оценки безопасности отвалов урановых руд// Медико-биологические и экологические проблемы в уранодобывающих регионах: доклады международной научно-практической конференции, Медицинский журнал Астаны №4. - Астана, 2003. - С.21-23.
6. Спpавочник геофизика. Электpоpазведка. М., Hедpа, 1980. - 516 с.
7. Старостин В.И. Геодинамика и петрофизика рудных полей и месторождений. М., Недра, 1984. - 205 с.
8. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. М., Недра, 1978. - 422 с.

Практически все отрабатываемые месторождения урана сформировались в результате воздействия вод на горные породы. Рудные тела этих месторождений характеризуются преимущественно линейно вытянутой формой. Выявление объектов такой формы относится к работам с высокой вероятностью промаха [5].

На стадии поиска урановые руды выделяются, в основном, радиометрическими методами, имеющими малую глубинность. Поэтому поиски включают работы по выявлению рудовмещающих структур, имеющих существенно большие размеры по сравнению с рудными телами. Комплекс «Специализированное геологическое картирование» включает методы общей геофизики, которые систематически выполняются, но не обеспечивают однозначное выделение рудовмещающих структур. Причина: отсутствие базы специфических признаков проявления рудовмещающих структур в физических полях.

Признаки должны основываться на главной геологической особенности: метасоматическом изменении горных пород, вмещающих месторождения, связанном с воздействием вод.

Наиболее простым из существующих представлений взаимодействия горных пород и вод является представление о растворимости веществ. Но, согласно Коржинскому Д.С., растворимость не является определяющей характеристикой перехода веществ между твердой фазой горных пород и водами. Переход частичен и относится к процессам выщелачивания, а не растворения.

Использование произведений растворимости в объяснении взаимодействия горных пород и вод также недостаточно корректно. Причина: в реальных геологических средах потоки вод удаляют часть реагентов из места реакции и привносят новые вещества. Т.е., среды являются открытыми системами. Это нарушает условия применимости термодинамики.

Кроме того, термодинамические представления не учитывают геометрию пространства, в котором происходят химические реакции. Объяснение накопления веществ в т.н. «структурных ловушках» невозможно без дополнительных условий.

Приведенные несоответствия указывают на необходимость дополнения термодинамических представлений. Требуется принципиально новое физическое представление взаимодействия горных пород и вод. Только таким образом можно доказательно обосновать методику геофизического картирования рудовмещающих структур.

Одним из факторов, определяющих межфазное перераспределение веществ в гидродинамических структурах литосферы, является движение вод, формирующее электрическое поле потенциала течения.

Установлена статистически значимая зависимость между соотношениями содержаний главных химических элементов в водах и скоростью, а также мощностью потока вод. Скорость - механическая характеристика. Мощность - геометрическая. Сами по себе они не могут оказывать непосредственное воздействие на прохождение химических процессов. Зато движение вод относительно горных пород формирует электрическое поле, влияющее на химические реакции.

Представления о формировании поля известны [1]. Они основаны на двойном электрическом слое, находящемся на границе раздела твердой и жидкой фаз. Модели двойного слоя преимущественно составлены с нарушением закона электронейтральности. Обязательность соблюдения закона доказана автором логически, математически и подтверждена экспериментально [2]. Разработано новое представление формирования электрического поля, строго соответствующее физическим законам [2].

Электрические поля потенциала течения являются следствием ориентировки гидроксил-ионов жидкой обкладки двойного электрического слоя по направлению потоков вод, и значимо воздействуют на межфазное перераспределение веществ.

Двойной электрический слой формируется в результате проникновения молекул воды в твердую фазу. Проникновение частичное, т.к. в твердую фазу могут поступить только ионы водорода имеющие аномально малый радиус. Гидроксил-ионы имеют больший ионный радиус и остаются на поверхности твердой фазы. Молекулы воды при этом удерживаются на поверхности раздела фаз и не разрушаются. На контакте твердая фаза (внутренняя обкладка двойного электрического слоя) имеет положительный потенциал, а жидкая фаза (внешняя обкладка) - отрицательный.

Гидроксил-ионы представляют собой диполи, которые могут механически ориентироваться по направлению потока воды. Единая ориентировка диполей двойного слоя приводит к образованию электрического поля потенциалов течения. Возрастание скорости потока приводит к увеличению удельного количества ориентированных диполей. Соответственно возрастает напряженность поля. При прочих равных условиях увеличение отношения удельного электрического сопротивления твердой фазы к сопротивлению жидкой приводит к возрастанию напряженности поля [2].

Расчеты и эксперименты доказывают, что разность потенциалов течения может достигать нескольких сотен милливольт [2].

Выполнено сравнение воздействий поля на ионы, отличающиеся по зарядам и размерам. Различие воздействий количественно объясняет селективность перехода ионов между фазами и выщелачивание только части компонентов минералов. Следствием этого является структурирование ионопроводящих сред. Наличие структурирования доказано экспериментально. Обнаружены линейные образования - каналы в растворах возле электродов [2].

Напряженность электрического поля обуславливает взаимный переход веществ на контактах твердой и жидкой фаз. Но осаждение веществ из растворов за счет электрического поля может происходить и на удалении от контактов фаз [2].

Вышеизложенное является физико-химическим представлением межфазного перераспределения веществ. Оно адаптировано к природным условиям как физико-геологическая модель взаимодействия горных пород и вод. Жидкая фаза движется относительно твердой. Это приводит к появлению электрического поля. Фронт потока отмечается положительными значениями потенциала, а исток - отрицательными. Чем выше скорость потока, тем больше разница потенциалов. Участки положительных потенциалов вод, относительно вмещающих пород, благоприятны для перехода катионов металлов из жидкой фазы в твердую. И наоборот [2].

Интенсивность переходов возрастает на участках резкого изменения скорости течения вод, а также увеличения отношения удельного электрического сопротивления горных пород к сопротивлению жидкой фазы [2].

Отсюда, модификация термодинамического представления взаимодействия горных пород и вод заключается в дополнительном учете трех параметров:

  • скорости движения вод относительно твердой фазы горных пород;
  • структурных особенностей горных пород, определяющих мощность (поперечное сечение) потока вод;
  • вещественной составляющей горных пород, определяющей отношение удельных электрических сопротивлений твердой и жидкой фаз.

Все три параметра могут влиять на взаимодействие вод и горных пород только через посредство электрического поля. Выполнена проверка соответствия вышеизложенного реальным условиям.

Физико-геологическое представление взаимодействия твердой и жидкой фаз горных пород через посредство электрического поля отвечает реальным условиям и непротиворечиво объясняет особенности рудоотложения и минералообразования.

Правомерность представления доказана особенностями проявления естественного электрического поля потенциала течения и специфическими распределениями веществ в геологических средах [2,4].

Электрические поля:

Микроуровень: наличие электрического поля при течении воды отмечено вдоль зерен песка и монолитов горных пород. На участках водотоков по трещинам скальных пород в скважинах отмечены локальные повышения естественного электрического поля до +150 мВ и более [2].

Макроуровень: известна аномалия естественного электрического поля до +250 мВ, на рудной зоне Дергачевского месторождения урана (данные МГРИ); такая же аномалия, согласно Гатцвейлеру, проявлена на урановом месторождении несогласия Ки-Лейк (Канада) [4].

Мегауровень: наиболее интенсивные электрические поля отмечены на склонах крупных возвышенностей, где разность потенциалов достигает 600-1200 мВ на километр и более [6].

Таким образом, электрические поля потенциала течения проявлены на всех уровнях геосферы.

Специфические распределения веществ геосферы:

Микроуровень:

  • по шлифам горных пород вблизи рудных зон урановых месторождений кварц-серицитовые оторочки на сульфидных включениях отвечают картине силовых линий электрического поля. Они являются следами каналов, образующихся при воздействии электрического поля на горные породы;

Макроуровень:

1. Отложение веществ из растворов происходит на контактах горных пород различного удельного электрического сопротивления. Согласно модели напряженность поля потенциалов течения на таких контактах резко повышена. Соответственно повышена вероятность отложения веществ из растворов. Примеры:

  • расположение оруденения на участках перехода от высоких сопротивлений к низким на урановых месторождениях Северного и Южного Казахстана;
  • такая же приуроченность радиометрических аномалий проявлена на нефтяных месторождениях Западного Казахстана.

2. Отложение веществ из растворов происходит на участках уменьшения скорости водного потока - местах увеличения его поперечного сечения. Примеры: схема отложения урановых руд месторождения Инкай и форма отложения рудных компонентов на участке сброса рудничных вод месторождения Косачиное.

Мегауровень:

  1. Растворы в начале водных потоков характеризуются повышенными значениями рН, а в конце - пониженными. Химический состав этих растворов, а также вмещающих пород не обуславливает подобное изменение рН. Наиболее вероятная причина этого явления - электрическое поле самих потоков.
  2. Особенности перераспределения физико-химических характеристик геологической среды по направлению потока вод отражены на схеме Лисицина А.К., дополненной представлениями автора [4].
  3. В Балкашинском рудном районе радионуклиды преимущественно концентрируются в корах выветривания, которые являются участками раздела между высокоомными скальными породами фундамента и перекрывающими низкоомными рыхлыми.

Выход веществ из движущихся вод на участках структурных и вещественных особенностей объясняется только воздействием электрического поля потенциала течения. Вышеизложенное доказывает правомерность физико-геологической модели взаимодействия потоков вод с горными породами для всех уровней геосферы. Геоэлектрические особенности модели являются поисковыми признаками рудовмещающих структур.

Особенности взаимодействия горных пород и вод через посредство электрического поля применимы в качестве поисковых признаков при картировании рудовмещающих структур.

Рассмотрены вещественные и структурные особенности модели, проявляющиеся в физических свойствах горных пород и полях. Вещественная особенность - березитизация горных пород рудовмещающих структур, широко и контрастно проявлена в Балкашинском урановорудном районе. Березитизация преимущественно представлена окварцеванием и карбонатизацией. Коэффициент корреляции между удельным электрическим сопротивлением и окварцеванием, а также карбонатизацией пород втрое больше критического уровня [2]. Сопротивление березитизированных осадочных пород и кристаллических сланцев в три - шесть раз больше сопротивления неизмененных аналогов.

Окварцевание и карбонатизация также широко проявлены на песчаниковых и приповерхностных месторождениях урана [4].

Структурная особенность - изменчивость поперечного сечения водопроводящих зон в обязательном порядке проявлена на всех урановых месторождениях. Значимость особенности резко повышается при ее совместном проявлении с вещественной особенностью - водонепроницаемыми высокоомными массивами вмещающих пород.

Выполнено сопоставление применимости геофизических методов при выделении рудовмещающих структур с помощью вышеуказанных особенностей. Определены весовые значения поисковых признаков. Сумма весов признаков по данным электроразведки оказались в 3-5 раз больше, чем по данным остальных геофизических методов.

Месторождения золота, серебра и полиметаллов в коренных породах характеризуются аналогичными особенностями [7]. Т.е. закономерности поведения радиоактивных компонентов, можно распространить на поведение в литосфере других рудных веществ.

На этой принципиально новой основе сформулирован комплекс физико-геологических предпосылок применения геофизических методов при поиске гидротермальных месторождений урана и, возможно, других рудных веществ.

Картирование рудовмещающих структур в коренных породах производится преимущественно электроразведочными методами. Сначала электропрофилированием выделяются крупные массивы горных пород, характеризующиеся высоким сопротивлением. Наличие метасоматических изменений пород устанавливается по данным минералого-петрографических исследований. Затем на периферии или в пределах массивов выделяются локальные участки пониженного сопротивления. Перспективность этих участков проверяется по наличию положительных аномалий естественного электрического поля. При совместном проявлении вышеперечисленных признаков участки признаются перспективными. Дальнейшая оценка включает электрокаротажные исследования и применение метода заряда для уточнения положения потенциально рудных зон.

Только в данном контексте применение методов общей геофизики можно отнести к специализированному геологическому картированию.

Применение электроразведочных методов в комплексе с радиометрическими позволило выявить участки, перспективные на обнаружение урановорудных объектов. Положительно оценены серии перспективных радиометрических аномалий в центральной и западной частях Балкашинского урановорудного района [2]. Этот же комплекс применим для поиска экзогенных месторождений урана. Так, вблизи одного из нефтяных месторождений обнаружена перспективная радиометрическая аномалия, аналогичная кальцикритовым поверхностным месторождениям Австралии [4].

Рецензенты:

Сковородников И.Г., д.г.-м.н., профессор кафедры геофизики ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», г.Екатеринбург.

Голиков Ю.В., д.г.-м.н., профессор кафедры геофизики ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», г.Екатеринбург.

Лебедев В.И., д.г.-м.н., директор, Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, г.Кызыл.


Библиографическая ссылка

Романов А.М. ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ВОД // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11254 (дата обращения: 22.05.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674