Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Савичев О.Г. 1 Домаренко В.А. 1

---

1 Томский политехнический университет

Разработана и апробирована математическая модель изменения химического состава донных отложений рек в зависимости от площади водосбора и слоя водного стока. На основе этой модели предложена методология поисков полезных ископаемых, месторождения которых формируются в междуречьях рек в зоне гипергенеза при активном участии гидрологических процессов. Основная концепция методологии заключается в выявлении участков с одноразовым и устойчивым изменением интенсивности водообмена (а именно – её уменьшением) и последующем их изучении. В соответствии с этой концепцией основные этапы поисков полезных ископаемых включают: 1) выделение по картам и космоснимкам малоприточных участков рек с относительно резким снижением интенсивности водообмена; 2) проведение выборочного опробования речных отложений (2–3 пробы); 3) приближённая оценка расчётным методом содержаний элементов в истоках рек и выделение геохимических аномалий; 4) проведение детальных исследований выделенного района.

Статья в формате PDF

562 KB

донные отложения рек

химический состав

пространственные изменения

поиски полезных ископаемых

1. Веницианов Е.В. Физико-химические процессы в поверхностных водах // Водные проблемы на рубеже веков / отв. ред. М.Г. Хубларян. – М.: Наука, 1999. – С. 241–255.

2. Домаренко В.А. Радиогидрогеохимическое районирование юга Красноярского края и Республики Хакасия // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Материалы III Международной конференции – Томск, ТПУ, 23–27 июня 2009. – Томск: STT, 2009. – С. 167–171.

3. 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.

4. Мартынова М.В. Донные отложения как составляющая лимнических экосистем. – М.: Наука, 2010. – 243 с.

5. Руководство по определению гидрографических характеристик картометрическим способом. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 92 с.

6. Савичев О.Г. Метод оценки допустимых антропогенных изменений химического состава поверхностных вод // Известия Томского политехнического университета. – 2005. – Т. 308. – № 4. – С. 51–55.

7. Савичев О.Г., Колоколова О.В., Жуковская Е.А. Состав и равновесие донных отложений р. Томь с речными водами // Геоэкология. – 2003. – № 2. – С. 108–119.

8. Савичев О.Г., Льготин В.А. Пространственные изменения химического состава донных отложений рек Томской области // География и природные ресурсы. – 2008. – № 3. – С. 46–51.

9. Савичев О.Г., Копылова Ю.Г., Хващевская А.А. Эколого-геохимическое состояние окружающей среды в Северном Приангарье (Восточная Сибирь) // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – Т. 316. – № 1. – С. 129–136.

10. Состояние геологической среды (недр) Сибирского федерального округа в 2005 г.: Информационный бюллетень / под ред. В.А. Льготина. – Вып. 2. – Томск: ОАО «Томскгеомониторинг», 2006. – 166 с.

11. Страховенко В.Д. Геохимия донных отложений малых континентальных озёр Сибири: автореф. дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. – Новосибирск: Институт геологии и минералогии СО РАН, 2011. – 30 с.

12. Требования к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования масштаба 1: 200000. – М.: ИМГРЭ РАН, 2002. – 92 с.

13. Янин Е.П. Русловые отложения равнинных рек (геохимические особенности условий формирования и состава). – М.: ИМГРЭ, 2002. – 139 с.

14. Янин Е.П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек (состав, особенности, методы оценки). – М.: ИМГРЭ, 2002. – 52 с.

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 озёр в последние годы были выполнены крупные обобщения Е.П. Яниным [13, 14], М.В. Мартыновой [4], В.Д. Страховенко [11] и рядом других авторов, а изучение донных отложений водных объектов уже достаточно давно является неотъемлемым элементом методологии геолого-разведочных и геоэкологических работ [3, 12].

Тем не менее требуется дальнейшее её совершенствование с учётом гидрологических моделей, что и определило цель рассматриваемой работы – разработку методики изучения пространственных изменений химического состава донных отложений рек как основы повышения эффективности поисков полезных ископаемых. В качестве объектов исследования выбраны малые водотоки как наиболее оптимальные индикаторы геохимических аномалий. Исходными данными послужили результаты работ, выполненных в 1990–2010 гг. авторами в Западной и Восточной Сибири [2, 7–9].

Математическая модель изменения химического состава донных отложений малых водотоков

Базовое уравнение, описывающее изменение концентрации вещества С в одномерном потоке во времени t и вдоль пространственной координаты x, имеет вид:

(1)

где w – площадь сечения потока, м2; Q – расход воды, м3/с; D – коэффициент продольной дисперсии, м2/с; f(С) – функция, описывающая поступление и трансформацию вещества в потоке, например, пропорционально концентрации:

(2)

где k_C – коэффициент трансформации вещества, с^-1.

Уравнения (1), (2) применимы при анализе изменений содержаний как растворённого и взвешенного вещества непосредственно в водной среде, так и химического состава донных отложений [1]. Применительно к расчётным периодам геологического масштаба в первом приближении можно использовать упрощённую модель распространения вещества преимущественно за счёт адвективного переноса в виде:

(3)

В части решения уравнения (3) предположим, что, во-первых, водосбор реки площадью F можно представить как часть кругового кольца внутри сектора с центральным углом b, 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). Во-вторых, движение водных масс происходит от дуги сектора по направлению к точке О (рис. 1).

Рис. 1. Схема представления речного водосбора как части кругового кольца: b – центральный угол сектора; B′ – ширина водотока в замыкающем створе; L(0) – средняя длина участка водосбора от его внешней границы до начала постоянного русла; L(1) – длина водотока; L(2) – расстояние от замыкающего створа до начала сектора

Тогда площадь распространения волны F от источника на границе водосбора примерно описывается уравнением (4), площадь условного сечения водного потока w на расстоянии x от центра дуги – уравнением (5), а расход воды – уравнением (6).

(4)

(5)

(6)

где Y – слой водного стока, мм; k_Y – коэффициент перехода от слоя стока к условной средней глубине потока; a – коэффициент размерности; T – расчётный период, с; π ≈ 3,14; центральный угол β (в градусах) определяется по данным о морфометрических характеристиках водотока и его водосбора:

(7)

С учётом (4–6) уравнение (3) принимает вид (8), а его аналитическое решение – (9):

(8)

(9)

где ; C₀ и Y₀ – концентрация вещества и слой водного стока в истоках реки (участок водосбора без выраженного русла).

Очевидно, что величина 1 + h может быть определена при сравнении концентраций С₁ и С₂, а затем (при допущении Y ≈ Y₀) по формуле (10) и полученным данным в первом приближении оценивается среднее содержание вещества C₀, что позволяет оптимизировать процесс планирования поисковых и геолого-разведочных работ и повысить их эффективность.

(10)

Другой способ использования уравнения (9) связан с анализом условий аккумуляции вещества в русловом аллювии и почвенном покрове с учётом фактического распределения по водосбору слоя водного стока.

Апробация модели и обсуждение результатов исследования

Основная апробация модели (9) выполнена по данным о химическом составе донных отложений малого водотока в междуречье рек Ангара и Подкаменная Тунгуска (Красноярский край). В геологическом строении водосбора этого водотока участвуют отложения палеозойского, мезозойского и кайнозойского возрастов. Нижнепалеозойская карбонатно-песчаниковая толща прорвана основными породами формации сибирских траппов. На размытой поверхности нижнепалеозойских отложений залегают терригенные образования каменноугольной системы с размывом, перекрывающиеся рыхлыми образованиями палеогеновой и неогеновой систем. В нижнем течении рек распространены четвертичные отложения [2, 10]. В 2008 г. были проведены комплексные геоэкологические исследования данной территории [9], в ходе которых с использованием метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой были изучены образцы донных отложений малого водотока на расстоянии 25, 27, 28 и 44 км от начала постоянного русла (площади водосбора соответственно: 203, 304, 315 и 430 км2), отражённого на карте масштаба 1:100000 [5]. Результаты определения концентраций ряда химических элементов и площади участков водосбора, в замыкающих створах которых отбирались пробы, приведены в таблице.

Анализ результатов исследований показал, что в пространственном изменении химического состава донных отложений по мере нарастания площади водосбора явственно проявляются тенденции уменьшения концентраций Fe, Cr и Ni, а в изменении Au и Pb – тенденции уменьшения; колебания Cu и Zn более хаотичны. При этом следует отметить, что зависимость между концентрацией изученных элементов в донных отложениях и речных водах не выявлена (рис. 2).

Расчётная и измеренные концентрации химических элементов в донных отложениях малого водотока в междуречье рек Ангара и Подкаменная Тунгуска, мг/кг

Примечание. Слой водного стока ориентировочно принят постоянным в размере 136 мм.

Рис. 2. Соответствие концентраций Ni в донных отложениях и водах малого водотока в междуречье рек Ангара и Подкаменная Тунгуска

Расчёт концентраций веществ в истоках реки проводился по данным, полученным для пунктов в створах участков с наименьшей площадью (203 и 304 км2). Их сопоставление с измеренными содержаниями свидетельствует о перспективности поисков чёрных и цветных металлов в данном регионе (таблица).

Зависимости концентраций ряда химических элементов от площади водосбора установлены не только для малых, но средних и даже больших рек. Например, для р. Васюган (левый приток р. Оби в Томской области) выявлено значимое уменьшение концентраций Mn в донных отложениях от верховий к устью (рис. 3), а для р. Томи – снижение содержаний Ti, Fe, Al и увеличение Si [7, 8]. Однако в целом с увеличением площади водосбора и водного стока зависимости вида (9) становятся более неустойчивыми (по сравнению с малыми реками), что объясняется существенными изменениями водного стока и гидравлических условий (скорость течения, глубина и ширина потока, гидравлическая крупность наносов). В качестве подтверждения можно привести результаты моделирования пространственной динамики концентрации условного вещества при различных вариантах изменения слоя стока на водосборе (рис. 4).

Рис. 3. Изменение концентраций Mn в донных отложениях р. Васюган (левый приток р. Оби) по мере возрастания площади водосбора; проба с максимальной концентрацией Mn 700 мг/кг отобрана у устья крупного левого притока – реки Махня

Рис. 4. Модельный расчёт изменения концентрации условного вещества в донных отложениях при C0 = 100 мг/кг, F0 = 10 км2, h = –0,2; условия изменения слоя стока: I – Y = 100 мм; II – при площади водосбора до 20 км2 Y = 100 мм, при бóльшей площади Y = 80 мм; III – при увеличении F на 1 км2 слой стока Y уменьшается на 1 мм

При этом следует подчеркнуть, что подобные изменения характерны для всех водотоков – и малых, и средних, и больших. Однако с точки зрения геохимических поисков важно, чтобы они либо сводились к выходу малой реки на равнинный участок, либо возможности аккумуляции вещества на участке средней или большой реки на участке пониженной интенсивности водообмена в течение длительного времени (например, на участках русловой многорукавности). Еще одно важное примечание касается целесообразности проведения пробоотбора в такой период гидрологического года, когда фактический водный сток примерно равен среднемноголетнему (обычно это – летне-осенняя межень – время, наиболее удобное для полевых работ).

При допущении условной стационарности условий формирования химического состава донных отложений и нивелирования в течение года флуктуаций, связанных с колебаниями водности реки и соответствующих концентраций вещества в водной среде и донных отложений согласно зависимости (11), это позволит повысить достоверность выборочных оценок средних концентраций веществ в донных отложениях.

(11)

где  – расход воды, соответствующий условно равновесной концентрации в конкретном створе реки; l – удельная скорость изменения расхода воды, с–1 (обоснование зависимости (11) приведено в [6]).

Таким образом, модель (9) является 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 методологии поисков подобных полезных ископаемых заключается в выявлении участков с одноразовым и устойчивым изменением интенсивности водообмена (а именно – её уменьшением), последующем опробовании речных отложений в подобных местах и оценке перспективных для более детальных исследований участков.

Заключение

Разработана модель изменения химического состава донных отложений по длине водотоков (9), на основе которой предлагается методология поисков полезных ископаемых, включающая в себя:

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. расчёт содержаний веществ С0 в истоках рек по формуле (11) и планирование детального обследования районов с повышенными значениями С0 с бóльшей 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.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 13-05-98045 р_сибирь_а, РНФ 14-17-00045.

Шумилин М.В., д.г.-м.н., профессор, консультант, Федеральное государственное унитарное предприятие (ФГУП) «Урангео», г. Москва;

Поцелуев А.А., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой общей геологии и землеустройства Института природных ресурсов, Томский политехнический университет, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 11.04.2014.

Библиографическая ссылка