Біогеохімічні методи пошуків

Біогеохімічні методи пошуків корисних копалин засновані на вивчені розподілу хімічних елементів у рослинах, шляхом їх систематичного опробування і виявлення геохімічних аномалій.

У залежності від об’єктів опробування, біогеохімічні методи розділяються на власне біогеохімічні, які вивчають розподіл хімічних елементів у рослинах і біологічні, які вивчають біологічні зміни рослин під впливом хімічних елементів. Серед перших іноді виділяють фітогеохімічні методи, засновані на вивчені розподілу хімічних елементів у рослинах, торфогеохімічні, грунтогеохімічні а серед других – геоботанічні і мікробіологічні методи.

Ці методи слід вважати одними із найдавніших пошукових методів, особливо це стосується біологічних методів.

В основу біогеохімічного чи фітогеохімічного методу покладена встановлена ще А.Гумбольтом у 1793 р. відповідність хімічного складу організмів і середовища їх існування. В.І.Вернадський і О.Л.Виноградов сформулювали положення про біосферу як невід’ємну частину земної кори і розробили теоретичні засади нової області знання – біогеохімії, як науки про розподіл хімічних елементів в організмах у зв’язку з їх розподілом у природних середовищах - гірських породах, грунтах, водах.

Вміст хімічних елементів у рослинах залежить від багатьох факторів, зокрема від біологічної активності, видових особливостей, розподілу хімічних елементів по органам рослин, їх віку і вегетаційних змін, клімату, типу і хімічного складу грунтів і ґрунтоутворюючих порід. Найбільш високу біологічну активність мають сильні катіони – калій, натрій, барій, фосфор, літій, рубідій, цезій, кальцій, стронцій. Їх середні концентрації у попелі рослин перевищують кларки гірських порід. Дещо поступають їм слабкі катіони – олово, кобальт, нікель, залізо, селен, ртуть тощо. Підвищений вміст цих елементів залежить від тієї ролі, які вони відіграють в життєдіяльності рослин. Цілий ряд елементів мають підвищену токсичність (уран, хром, миш’як, сурма тощо) і тому у рослинах існують у кількостях менших кларку гірських порід. Елементи, які є складовими рослин, утримуються в кількостях вищих кларкових – вуглець, калій, натрій, сірка, хлор тощо. У відповідності з розповсюдженістю хімічних елементів у золі рослин по відношенню до гірських порід розрізняють три групи елементів:

- надлишкові;

- нормально розповсюдженні;

- недостатні.

До надлишкових відносяться елементи, вміст яких у попелі вищий максимального кларку у породах: калій, натрій, свинець, золото, срібло, рубідій, літій, цинк, мідь, молібден, марганець, фосфор, сірка, бор, йод, хлор, бром.

Лантан, олово, берилій, хром, алюміній, селен, талій відносяться до нормально розподілених. Їх вміст у попелі перевищує мінімальний кларк порід, але менший максимального.

До недостатніх, вміст яких, як правило, менший кларкового відносяться нікель, ітрій, сурма, кобальт, кремній, залізо, ванадій, цирконій, миш’як, фтор, ртуть.

За особливостями накопичення хімічних елементів виділяються два види концентрації. Перший, коли всі рослини даної місцевості характеризуються підвищеним вмістом елементу, у зв’язку з підвищеним його вмістом у грунтах і породах. Це груповий вид концентрації. Другий, характерний лише для певного виду рослин у зв’язку з підвищенням його вмісту у грунтах. Це видовий чи селективний тип концентрації.

Рослини поглинають елементи вибірково, у залежності від їх біологічних особливостей, характеру кореневої системи, тощо. Існує різниця у розподілі хімічних елементів у різних частинах рослин – гілках, корі, листях, плодах, корінні. Ця різниця визначається їх фізіологічними функціями, процесами обміну. За роллю, які елементи відіграють у рослинах, відрізняють:

- елементи, які є “будівельними” для клітин – калій, натрій, літій, магній, фосфор, молібден, свинець, нікель;

- елементи – “стимулятори” різних реакцій – цезій, стронцій, бор, барій, радій, алюміній, цинк, залізо, титан, олово, уран тощо.

У великих дозах останні, як правило, небезпечні для рослин.

Найбільша кількість елементів зосереджена в надземних частинах рослин. Найбільша кількість попелу у листях, менша – у коренях, стеблах, найменша – у деревині і насінні. Численні елементи накопичуються у коріннях аж до насичення клітин. Тільки після цього відбувається передача елементів іншим частинам рослин.

Встановлена зміна хімічного складу рослин при їх розвитку. Основну роль при цьому відіграють вікові зміни рослин і властивості хімічних елементів. Найбільш енергійно поглинання елементів відбувається у молодих частинах рослин. У більш старих може відбуватися розпад білків і частина іонів може мігрувати у молоді частини рослин або навіть у грунт.

У рослинах з багаторічним циклом розвитку найбільша кількість хімічних елементів спостерігається восени при листопаді, для багаторічних трав – в період цвітіння і на початку плодоношення.

Важливу роль у накопиченні рослинами хімічних елементів відіграє клімат – кількість опадів, температура тощо. Так, в умовах сухого клімату водні розчини характеризуються лужним характером середовища, малою рухливістю заліза, нікелю, кобальту, марганцю, цинку, міді - елементів, які накопичуються у грунті. В той же час в районах з вологим кліматом, коли грунтові розчини мають нейтральну або слабокислу реакцію, відбувається винос цілого ряду елементів – кальцію, міді, цину, молібдену, урану, заліза, марганцю, кобальту, тощо.

Рослини відіграють активну роль в створенні придатного середовища для свого існування, виділяючи у грунт вуглекислоту, органічні кислоти, ферменти, вуглеводи і інші органічні сполуки, які здатні переводити у розчин багато хімічних елементів з мінералів гірських порід і грунтів. Між складом грунту, ґрунтоутворюючими породами існує певний зв’язок, що фіксується рослинами.

Ця відповідність концентрації хімічних елементів в системі порода - наземна рослина є передумовою використання даних по елементному складу рослин для вивчення геохімічних особливостей порід на яких вони існують. З цією метою співставляють середній хімічний склад золи рослин даного виду з їх регіональним кларком. Під регіональним кларком рослин (РКР) розуміється середній вміст елементу у мінеральному залишку (попелі) рослин, які ростуть у даному регіоні. Він розраховується шляхом об’єднання середніх значень із вибірок різних видів, пропорційно їх розповсюдженості у регіоні.

При біогеохімічних дослідженнях відрізняють фонові, позитивні і від’ємні концентрації хімічних елементів у рослинах.

За фонові концентрації (місцевий біогеохімічний фон) приймають середній вміст хімічних елементів у конкретному виді рослин, опробуванних на ділянках з фоновим вмістом цих елементів у гірських породах. При перевищенні фонових значень отримаємо позитивну аномалію, меншу фону – від’ємну. Відповідність складу елементів у рослинах і гірських породах дозволяє проводити оцінку ступеню їх концентрації чи розсіювання у породах. Критеріями такої оцінки є статистичні дані вмісту хімічних елементів у рослинах по відношенню до фону (РКР) і місцеві (локальні) фонові значення їх у породах .

При низькому вмісті хімічних елементів спостерігається пряма пропорційність між їх концентрацією у гірській породі і рослинах. Далі, починаючи з певної концентрації (відмінною для різних елементів і видів рослин) збільшення концентрації елементів в породі не супроводжується збільшенням їх кількості у рослині. При подальшому збільшенні вмісту елементів у породі може бути досягнутий певний рівень, при якому знову спостерігається залежність вмісту елементів в системі порода – рослина. При таких концентраціях рослина, як правило, гине чи спотворюється.

Вміст елементів у рослинах, які ростуть на родовищах, може перевищувати фонові значення у сотні і тисячі разів. При цьому утворюються аномалії і ореоли розсіювання в рослинах. Форма і розміри таких ореолів часто співпадають з літогеохімічними ореолами. Але можуть бути іншими, особливо у випадках коли компоненти родовища утворюють водні ореоли розсіювання.

Відповідно пошукової ефективності, елементи-індикатори біогеохімічних ореолів поділяються на 4 групи:

Широко розповсюдженні елементи з високим вмістом у земній корі – кремній, алюміній, натрій, залізо тощо. Пошукова вартість їх не велика.

Життєво важливі для рослин мікроелементи, які накопичуються в рослинах – калій, фосфор, кальцій, магній, азот. Їх пошукова вартість також не велика.

Мікроелементи з високою рухливістю, які можуть у невеликій кількості накопичуватися у рослинах – цинк, мідь, срібло, марганець, кадмій, йод, бор, бром тощо. Вони можуть створювати високий фон і уявні аномалії, але при високих концентраціях можуть використовуватися як індикатори певних родовищ, перш – за все як їх індикатори-супутники.

Елементи, які накопичуються в рослинах у незначній кількості і характеризуються малою рухливістю – свинець, вольфрам, золото, тантал, ніобій тощо. Вони є найкращими індикаторами.

Біогеохімічні пошуки виконуються шляхом масового відбору проб по певній сітці. Основним принципом її організації є прямолінійні маршрути вхрест простягання порід і рудоконтролюючих структур.

Перед проведенням пошукових робіт виконуються певний обсяг підготовчих робіт, які мають за мету:

- вибір об’єкта опробування (рослинності, опаду, торфу тощо);

- вибір найбільш розповсюджених рослин;

- визначення оптимальної сітки опробування;

- вибір найкращих умов відбору проб, їх обробка і аналіз.

Сітка відбору проб розбивається таким чином, щоб кожна відміна гірських порід була охарактеризована не менш як 30 пробами. Принципово опробування можливо проводити по будь-якій рослині. Але практично при виборі об’єктів опробування треба мати на увазі наступне:

- розповсюдженість рослин;

- вік рослин;

- характер розвитку її кореневої системи.

Важливе значення при опробуванні має одноманітність відбору проб – вибирається один чи декілька близьких видів рослин одного віку, опробується конкретний орган рослин.

Як правило, вибираються рослини з великою глибиною коренів і найбільшою розповсюдженістю. Якщо має місце зміна рослинних асоціацій (ліс, степ, оранка) опробування проводиться за декількома видами рослин. Найбільш доцільним органом опробування рослин є гілки дерев дво-трирічного віку, бажано з усіх боків. Опробування бажано проводити у стислі строки у період сталої сухої погоди. Контрольне опробування складає від 3 до 5 %.

За даними польових робіт складається карта фактичного матеріалу на топографічній основі у масштабі 1:50 000. На карту виносяться пункти опробування, його типи, види рослин, склад грунту, ознаки мінералізації. Зміни гірських порід.

Обробка проб включає:

1) очищення проби (механічна і промивкою);

2) сушка до повітряно-сухого стану;

3) подрібнення;

4) озолення (у польових умовах) і доозолення у муфельних печах (до отримання однорідної золи).

Проби аналізуються. За отриманими даними виконується обробка, що включає:

1) оцінку місцевого фону вмісту хімічних елементів;

2) оцінку мінімально-аномальних значень;

3) виявлення біогеохімічних асоціацій елементів;

4) побудова карт геохімічних аномалій і металогенічного прогнозування.

Фонові і аномальні значення треба будувати окремо для кожного виду рослин і для кожного елементарного ландшафту. Карти будують або для кожного елементу або для групи елементів (адитивних чи мультиплікативних) на розвантаженій геологічній обстановці. Суміщення поелементних карт кларків концентрацій хімічних елементів дозволяє побудувати прогнозну біогеохімічну карту, яка у поєднанні з картами металогенічною і геолого-структурною дозволяє намітити перспективні ділянки для детальних робіт. Біогеохімічні аномалії можуть виділятися за своєю інтенсивністю, конфігурацією і іншими показниками. Інтенсивні аномалії, у яких концентрація хімічних елементів у десятки і більше разів перевищує фонові значення можуть мати місце тоді, коли рудне тіло знаходиться на невеликій глибині (менше 25), коли корені рослин контактують або з ним, або з його ореолом розсіювання. Крім того, коли у рудах відмічаються високі концентрації металу, особливо якщо він знаходиться у розчинних формах. У той же час слабкі аномалії мають місце у таких умовах:

- коли рудне тіло залягає на великій глибин або коли воно представлене мало розчинними рудами;

- коли процеси вивітрювання проявлені дуже слабо;

- коли покриваючі рудні тіла породи дуже проникливі для водних розчинів, тому спостерігається значне зубожіння верхньої частини руд і ореолу розсіювання.

Біогеохімічний метод, як прямий метод пошуків геохімічних аномалій і родовищ корисних копалин, досить широко поширений у залісених районах (Полісся, Карпати, Скандинавія, Сибір), на територіях степів і напівпустель, де трав’яниста чи кущова рослинність має глибоку систему коріння. Метод має ряд важливих переваг:

- успішне застосування у важкодоступних умовах (ліси, болота, гірські райони);

- можливість застосовувати взимку;

- досить велика глибинність, яка може досягати 10 і більше метрів;

- економічна привабливість і відносно не складна методика реалізації.

Геоботанічний метод. Метод дозволяє знаходити підвищенні концентрації і аномалії хімічних елементів у гірських породах по видам рослин. Заснований метод на факті розвитку окремих типів рослинності, на грунтах певного хімічного складу. Здатність поглинати різні елементи у різних рослин відмінна. Деякі з них здатні накопичувати значну кількість металу, інші при надлишку металів змінюють свій зовнішній вигляд, а при великій кількості його хворіють і гинуть. Деякі рослини при надлишку металу у певних ділянках обминають їх, утворюючи прогалини (мідь, залізо). Ряд рослин переважно ростуть тільки на певних грунтах збагачених певними металами і є індикаторами. Відрізняють універсальні і локальні індикатори. Під універсальними індикаторами розуміють такі види рослин, які зустрічаються тільки на грунтах з певною мінералізацією і не зустрічаються у інших умовах. До них можна віднести альпійські фіалки і ярутки, які ростуть на грунтах збагачених цинком. Деякі види астрагалів ростуть на селенових грунтах, деякі мохи – на багатих міддю субстратах тощо. Метод локальних індикаторів використовує звичайні, широко розповсюдженні рослини, які при певних умовах можуть бути індикаторами певних властивостей грунтів, змінюючи свій зовнішній вигляд при збагачені або збідненні грунтів певними компонентами. Цей метод знайшов певне застосування при пошуках нафти, заліза, урану, води тощо. Відомі факти аномальної життєдіяльності рослин на ділянках диз’юнктивних порушень, тектонічних контактів.