способ геохимического поиска месторождений полезных ископаемых

Формула изобретения

1. Способ геохимического поиска месторождений полезных ископаемых, состоящий в том, что осуществляют отбор проб из природного объекта, где предполагается наличие околорудных геохимических ореолов, проводят многоэлементный анализ проб на рудообразующие и сопутствующие химические элементы-индикаторы, отличающийся тем, что полученные многомерные геохимические данные стандартизируют путем деления содержаний элементов на кларковые (фоновые), преобразуют их в нормированные, балльные или иные оценки, имеющие близкие функции и параметры распределений, производят ранжирование в каждой пробе рассчитанных стандартизованных величин в порядке их убывания, сравнивают многомерные ранжированные геохимические спектры между собой при помощи непараметрического критерия Спирмена (Rsp), выделяют рудно-ореольные классы проб и определяют их сходство с заданными эталонными классами руд или околорудных ореолов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для анализа берут не менее 6-8 элементов-индикаторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геохимическим методам поисков месторождений полезных ископаемых и может найти применение в геологии.

Известен способ поисков рудных месторождений (1), состоящий в отборе проб горных пород и их анализе на содержание химических элементов, в котором для выявления наличия скарново-шеелитовых рудных тел на поисковой площади определяют содержание олова, бериллия, висмута и вольфрама, оценивают величину индикаторного отношения (Р_олово+Р_{бериллий})/(Р_висмут+Р_{вольфрам}) и по величине отношения, превышающей 0,1, судят о наличии рудного тела.

Недостатком этого способа является то, что он основан на анализе исходных содержаний рудных элементов, что не позволяет сопоставлять данные, существенно отличающиеся между собой по интенсивности накопления содержаний, но геохимически подобных по ассоциациям элементов, и, в конечном итоге, надежно выявлять слабо проявленные месторождения.

За прототип изобретения взят способ геохимических поисков золоторудных месторождений (2), заключающийся в том, что в закрытых районах по определенной сети проводят отбор проб почвенного воздуха, выделяя подвижную форму прямых элементов-индикаторов. Отобранные пробы анализируют высокочувствительным методом, определяя содержание прямых элементов-индикаторов, и по количественным соотношениям этих элементов выделяют аномальные участки, соответствующие искомым объектам.

Недостатком этого способа также является то, что он основан на анализе абсолютных величин исходных содержаний элементов.

Задачей изобретения является создание способа геохимического поиска месторождений, позволяющего обнаруживать слабо проявленные по величинам содержаний химических элементов месторождения полезных ископаемых.

Способ состоит в том, что отбирают пробы из природного объекта (пород, почв, донных осадков вод, растительности, газов и т.п.), где предполагается наличие околорудных геохимических ореолов, проводят многоэлементный анализ проб на рудообразующие и сопутствующие химические элементы-индикаторы. Новым является то, что полученные многомерные геохимические данные стандартизируют путем деления содержаний элементов на кларковые (фоновые), преобразуют в нормированные, балльные или иные оценки, имеющие близкие функции и параметры распределений, производят ранжирование в каждой пробе полученных стандартизированных величин в порядке их убывания, сравнивают многомерные ранжированные геохимические спектры (РГХС) между собой при помощи непараметрического критерия Спирмена (Rsp) с последующим выделением рудно-ореольных классов проб и определением их сходства с заданными эталонными классами руд или околорудных ореолов, при этом для анализа берется не менее 6-8 элементов-индикаторов.

Преимуществом данного способа является то, что он основан на анализе не абсолютных величин исходных содержаний химических элементов, а последовательностей их расположения в исследуемых РГХС, что позволяет сопоставлять данные, существенно отличающиеся между собой по величинам содержаний элементов в случаях их согласованной изменчивости, например, выделять по характерным РГХС слабо проявленные околорудные геохимические ореолы и потоки рудного рассеяния. При этом содержания химических элементов могут быть сопоставимы с кларковыми (фоновыми) величинами, что делает невозможным выделение ореолов в виде специфичных геохимических объектов (аномалий) обычно применяемыми способами.

Использование заявляемого способа особенно эффективно при обработке материалов мелкомасштабных геохимических поисков, прогнозировании скрытого и погребенного оруденения, проведении поисков в неблагоприятных ландшафтных обстановках, выявлении геохимически малоконтрастных объектов.

Практическая реализация предложенного способа заключается в следующем.

После отбора и многоэлементных анализов проб содержания химических элементов в пробах стандартизируются, преобразуясь по соответствующему алгоритму в сопоставимые между собой величины.

В простейшем случае содержания центрируются по их кларковым или фоновым значениям





где КК - кларк концентрации j элемента в i пробе; С_ji - исходное содержание j элемента в i пробе; Ск_j - кларковое содержание j элемента в объекте; Кс - коэффициент фоновой концентрации j элемента в i пробе; Сф_j - фоновое содержание j элемента в объекте.

Могут быть и другие виды стандартизирующих преобразований содержаний химических элементов (компонентов), например, расчеты нормированных или балльных оценок (Вострокнутов, 1986), перевод содержаний в мг-эквивалентную форму и т.п.

В соответствии с алгоритмом картографирования многомерного геохимического поля для всего заданного множества N проб со стандартизированными и ранжированными РГХС вычисляются значения некоторых комплексных показателей, характеризующих общую "аномальность" геохимического поля. В качестве таких показателей могут служить аддитивный показатель аномальности - Zc (Сает и др. , 1990), близкий по смыслу к коэффициенту накопления (Шоу, 1969), или другие показатели аномальности (Вострокнутов, 1986).

Находится проба с максимальными значениями показателя аномальности. РГХС этой пробы попарно сравнивается с РГХС остального множества проб (N-1) и вычисляются значения критерия ранговой корреляции Спирмена (Rsp)



где R_ji и R_ji+1 - значения рангов j элемента в i и i+1 сравниваемых пробах, соответственно; m - число сравниваемых элементов.

При совпадении рангов нескольких элементов применяется уточненная формула (Смирнов, 1981):



где Тк и T1 - поправки на совпадающие ранги; tp_j - объем группы элементов с совпадающими рангами для i и i+1 проб;





Полученные величины Rsp сравниваются с заданными критическими значениями Rsp_q. Пробы со значениями RspRsp_q объединяются в 1-й класс и убираются из первоначального множества проб.

Данные процедуры повторяются до тех пор, пока не будет выделено некоторое множество классов проб, различающихся между собой ранжированными геохимическими спектрами. Если число классов заранее задано, то уровень Rsp_q меняется таким образом, чтобы обеспечить разделение множества проб на заданное число классов.

Для каждого выделенного класса проб вычисляется усредненный ранжированный геохимический спектр, в котором элементы располагаются в порядке убывания средних значений их рангов. Каждая проба из заданного множества сравнивается с усредненными геохимическими спектрами К классов с вычислением Rsp и, в конечном итоге, относится к тому классу, для которого получено максимальное значение Rsp. Таким образом, уточняются состав "К" классов по пробам и их обобщенные геохимические характеристики, представленные усредненными ранжированными геохимическими спектрами.

Для интерпретации (распознавания) выделенных классов задается некоторое множество ранжированных геохимических спектров, представляющих определенные эталонные классы объектов, например, руд и околорудных ореолов. С этими спектрами сравниваются спектры выделенных классов. Выделенный класс (в) относится в эталонному (э), если наблюдается неравенство

maxRsp_в/эRsp_q,

где Rsp_q - заданный уровень минимального значимого сходства.

При построении и исследовании полей геохимического сходства все пробы изучаемой совокупности сравниваются по своим РГХС с заданным эталонным РГХС путем вычисления Rsp. Далее строятся поля распределения убывающих значений Rsp, и области этих полей, обладающие максимальными значениями RspRsp_q, интерпретируются как участки наиболее вероятного нахождения объектов, аналогичных эталонным. При этом вместо ранжированных геохимических спектров в пробах могут вычисляться ранжированные геохимические спектры одного или нескольких элементов в заданном множестве проб. Таким путем могут быть выделены области наиболее вероятного нахождения руд и околорудных ореолов, прослежены в геологическом пространстве зоны предполагаемого развития рудно-ореольных процессов и т.п.

Эти решения основаны на том факте, что при всем многообразии геохимических процессов, регулирующих распределения химических элементов в объектах, чем дальше удалены пробы по пространственным (или пространственно-временным) координатам от искомого (эталонного) объекта, тем меньше уровень сходства их ранжированных геохимических спектров с искомым (эталонным) объектом вследствие проявления внутренних и внешних факторов миграции химических элементов, а также смешения вещества объектов.

При этом следует помнить, что наличие полей сходства проб с эталоном не означает их действительного тождества, а лишь отражает степень ранговой корреляции их РГХС. При этом не исключено, что проба, обнаружившая определенную степень сходства с одним эталоном, не будет в еще большей степени сходной с другим, пока еще неизвестным эталоном, так как статистически доказывается только различие между РГХС, а их сходство (тождество) лишь предполагается. Это следует иметь в виду при содержательной интерпретации данных.

Примеры практического применения предложенного способа

Пример 1. Сравнение ореолов, характеризующихся близкой суммарной интенсивностью накопления химических элементов, но существенно разными геохимическими спектрами.

В пробе 1 обнаружены содержания (г/т): Cu=600, Zn=700, Pb=80, Ag=2, Mo= 5, Co=20.

В пробе 2 обнаружены содержания (г/т) Cu=400, Zn=280, Pb=20, Ag=0,5, Mo= 40, Co=150.

Кларковые содержания металлов (г/т): Cu=50, Zn=70, Pb=10, Ag=0,05, Мо=1, Со=10.

Рассчитаем для данных ассоциаций химических элементов известный мультипликативный показатель ПМ [Григорян, Тумакян, 1971]: ПМ= C_CuC_ZnC_PbC_AgC_MoC_Co, где С - содержания соответствующих металлов (г/т). Для пробы 1 ПМ₁=600700802520=6,7210⁹.

Для пробы 2 ПМ₂=400280200,540150=6,7210⁹.

Как видно из примера, по величине ПМ пробы не отличаются друг от друга.

Рассчитаем для той же ассоциации металлов аддитивный показатель Zc.

Для пробы 1 Zc₁=600/50+700/70+80/10+2/0,05+5/1+20/10-(6-1)= 12+10+8+40+5+2-5=72.

Для пробы 2 Zc₂=400/50+280/70+20/10+0,5/0,05+40/1+150/10-5= 8+4+2+10+40+15-5=74.

Как видим, по величине Zc пробы также практически не отличаются друг от друга.

Построим и сравним между собой ранжированные (по убыванию кларков концентраций) геохимические спектры этих же проб.

Проба 1: Ag₄₀ Cu₁₂ Zn₁₀ Pb₈ Мо₅ Со₂.

Проба 2: Mo₄₀ Co₁₅ Ag₁₀ Cu₈ Zn₄ Рb₂.

Сравним спектры с помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмэна (Rsp). Для этого обозначим ранги элементов (R) в первой пробе как R(1), а во второй - как R(2):

проба 1: R_Ag=1, R_Cu=2, R_Zn=3, R_Pb=4, R_Mo=5, R_Co=6;

проба 2: R_Mo=1, R_Co=2, R_Ag=3, R_Cu=4, R_Zn=5, R_Pb=6.

Применяя упрощенную формулу (13), получаем



Сравнение ранжированных геохимических спектров проб 1 и 2 убедительно доказывает отсутствие между ними какого-либо геохимического сходства (Rsp= -0,37), в то время как суммарные интенсивности накопления металлов в пробах практически равны и пробы неотличимы между собой по показателям ПМ и Zc.

Пример 2. Сходство ореолов, характеризующихся существенно разной интенсивностью накопления металлов, но близкими (подобными) ранжированными геохимическими спектрами.

В пробе 1 обнаружены содержания металлов (г/т): Cu=600, Zn=700, Pb=80, Ag=2, Mo=5, Co=20.

В пробе 3 содержания металлов составляют (г/т): Cu=60, Zn=70, Pb=8, Аg= 0,1, Мо=0,5, Со=2.

Рассчитаем мультипликативные (ПМ) и аддитивные (Zc) показатели проб:

ПМ₁=600700802520=6,7210⁹;

ПМ₃=607080,10,52=3,3610³ или в 210⁶ раз меньше.

Соответственно:

Zc₁=600/50+700/70+80/10+2/0,05+5/1+20/10-(6-1)=12+10+8+40+5+2-5=72;

Zc₃= 60/50+70/70+8/10+0,1/0,05+0,5/1+2/10-5= 1,2+1+0,8+2+0,5+0,2-5=0,7 или более чем в 100 раз ниже.

Иначе говоря, по интенсивности развития процессов накопления металлов пробы 1 и 3 существенно отличаются друг от друга. Накопление металлов в пробе 1 можно признать аномально высокими, а в пробе 3 - практически не отличающимися от кларкового уровня. Соответственно, проба 1 была бы отнесена согласно существующим методикам к числу аномальных, а проба 3 - к числу обычных (не аномальных) или фоновых проб.

Рассчитаем величину Rsp между ранжированными геохимическими спектрами проб 1 и 3

проба 1: R_Ag=1 R_Cu=2 R_Zn=3 R_Pb=4 R_Mo=5 R_Co=6,

проба 3: R_Ag=1 R_Cu=2 R_Zn=3 R_Pb=4 R_Mo=5 R_Co=6;



Иначе говоря, между пробами 1 и 3 наблюдается высокое (функциональное) геохимическое сходство, которое свидетельствует о том, что в пробе 3 проявлен тот же ореольный процесс, что и в пробе 1, только с гораздо меньшей интенсивностью, практически неотличимой от кларковых (фоновых) флуктуации металлов.

Приведенные примеры наглядно свидетельствуют о том, что:

1) пробы могут быть близки между собой по интенсивностям накопления заданных ассоциаций химических элементов, но существенно отличаться по их ранжированным геохимическим спектрам, отображающим геохимические различия между пробами;

2) пробы могут существенно отличаться друг от друга по интенсивности накопления заданных ассоциаций химических элементов, но быть близкими (тождественными) по ранжированным геохимическим спектрам, отображающим геохимическое подобие проб.

При этом ранжированные геохимические спектры проб определяют их геохимическую специфику, отображая геохимический парагенезис элементов, и являются, на наш взгляд, главным фактором при геохимической оценке проб, в то время как интенсивность накопления (или выноса) химических элементов служит дополнительным, хотя часто и очень важным показателем развития тех или иных геохимических процессов, специфика которых отражена в парагенетической ассоциации химических элементов.

Именно в этом заключается принципиальное отличие предлагаемого способа от других известных способов геохимических поисков, комплексные показатели которых одновременно реагируют как на заданную (полученную) парагенетическую ассоциацию элементов, так и на уровень их накопления (выноса) в пределах изучаемого (оцениваемого) объекта. При этом абсолютная или относительная изменчивость содержаний элементов, отображающая в основном интенсивность развития геохимических процессов, оказывается, как правило, превалирующим фактором, затрудняя или делая невозможным выявление слабо проявленных геохимических ореолов. Это особенно заметно в условиях применения приближенно-количественного многоэлементного спектрального анализа, когда абсолютные содержания химических элементов подвержены значительному временному дрейфу, а аналитическая погрешность изменчивости содержаний соизмерима с величиной их природных флуктуаций. В этих условиях результаты применения обычных методов выделения и оценки слабых геохимических аномалий становятся еще более неопределенными. В то же время постоянно положительно коррелирующиеся погрешности спектрального анализа, как правило, не сказываются существенно на изменчивости ранжированных геохимических рядов и как бы "исчезают", позволяя решать ряд ранее "невозможных" геолого-геохимических задач, например, выделять субфоновые околорудные ореолы.

Построение и сравнение РГХС позволяет решать широкий круг прогнозно-поисковых задач, включая выделение, картографирование и интерпретацию околорудных геохимических ореолов, существенно отличающихся по интенсивности своего проявления. При этом положительные значения Rsp, превышающие заданный значимый уровень сходства, интерпретируются как проявление сходных парагенетических ассоциаций элементов, обусловленных однотипностью геохимических процессов (факторов), в то время как различия в интенсивности проявления однотипных процессов могут быть весьма велики. Уменьшение значений Rsp в пространстве многомерного геохимического поля свидетельствует о снижающемся геохимическом сходстве проб, обусловленном, в общем случае, их удалением (по пространственно-временным координатам) от объекта-первоисточника геохимического спектра (рудного тела, околорудного ореола и т.п.). Отсутствие корреляции между спектрами позволяет считать, что они обусловлены различными и взаимно независимыми процессами (факторами). Наконец, значимые отрицательные значения Rsp могут быть проинтерпретированы как следствие развития взаимосвязанных, но разнонаправленных геолого-геохимических процессов (факторов).

Как уже отмечалось, основным преимуществом предложенного способа является то, что он учитывает только сходство или различие РГХС безотносительно к интенсивности согласованного накопления образующих спектры химических элементов. Таким образом становятся осуществимыми практические решения задач, невозможные с применением других методов геохимических поисков.

Например, при региональном геохимическом опробовании донных илисто-глинистых осадков поверхностных водотоков с плотностью 1 проба на 100 кв.км, даже при выходе на денудационную поверхность рудно-ореольных зон, их площадь для большинства месторождений составит не более 0,1 кв.км, а степень разбавления рудно-ореольного вещества фоновым достигнет 1000 раз и более. Для моделирования этого процесса было произведено тысячекратное "разбавление" колчеданных руд фоновым донным осадком. Полученная "смесь" содержала следующие количества элементов (г/т, Кс): Сu (50/2,5), Zn (85/1,7), Ag (0,06/1,45), Pb (7,5/1,07). Остальные сопутствующие элементы (Ва, Мо, Со, Sn, Ni, Ga, V, Mn, Ti) оказались в концентрациях, практически неотличимых от фоновых, и для них был принят Кс1.

Полученная "смесь" при обычном подходе к выделению геохимических аномалий накопления по величинам Кс1,5 проявляется только как слабая аномалия меди и цинка. При этом, учитывая фоновые флуктуации содержаний меди и цинка, близкие к двум (стандартный множитель), нормированные оценки содержаний составят: Z_Cu=lg2,5/lg2=+1,33; Z_Zn=lgl,7/lg2=+0,7; а в условиях взаимно независимого фонового распределения меди и цинка величина Zc_Cu,Zn= (1,3+0,77)/21,49, что намного меньше рекомендованного "Инструкцией. .. "(1983) 3-сигмового уровня.

Сравнение же ранжированного геохимического спектра этой "смеси" с эталонным геохимическим спектром колчеданной руды

(КК Сu>Zn>Ag>Pb>Ва>Мо>Со>Sn>Ni>Ga>V>Mn>Ti)

с расчетом величины Rsp по формулам (3)-(6) показало достаточно высокое их сходство (Rsp=0,84). При этом вероятность случайного характера величины Rsp= 0,84 составляет около 0,0001, что отвечает требованиям "Инструкции..." (1983).

Таким образом, этот весьма слабо проявленный поток рассеяния от денудированной и сильно разбавленной безрудным веществом колчеданной руды может быть выделен с требуемым уровнем надежности только предложенным способом по сходству ранжированных геохимических спектров. При этом надежность выделения возрастает в сравнении с обычным способом выделения аномалий в 700 раз, т.к. 1-F(1,49)0,07 (7%).

Аналогичные примеры можно привести с "разбавлением" фоновым веществом характерных разностей пород (например, алмазоносных кимберлитов или лампроитов), минеральных вод и т.п.

Практическое применение предложенного способа не означает отмены других методических приемов и критериев, используемых в практике геолого-геохимических работ в тех случаях, когда их использование обоснованно доказано и они являются достаточно надежными и эффективными, например, в случаях выделения достаточно контрастных аномалий или интенсивно проявленных околорудных ореолов.

Однако при проведении мелкомасштабных геохимических работ (масштаба 1: 200000 и мельче), геохимических поисков в неблагоприятных геолого-геохимических и ландшафтных обстановках, геохимического картографирования слабо проявленных околорудных ореолов применение предложенного способа становится необходимым, существенно расширяет арсенал используемых геологами и геохимиками методов, позволяет повысить надежность и эффективность решения вышеперечисленных задач.

Особенностью обрабатываемой геохимической информации обычно является ее неполнота вследствие недостаточной чувствительности анализов ряда химических элементов (компонентов), а также дискретность вследствие полуколичественного или приближенно-количественного характера анализов. В этих условиях применение предложенного способа также дает существенные преимущества в силу непараметрического характера критерия Стьюдента. В то же время малое число определяемых элементов (компонентов), обычно менее 6-8, является определенным препятствием для эффективного применения предложенного способа, который дает оптимальные решения при многомерности геохимического пространства, равного 15-20 элементам, редко - более. При избытке геохимических данных, в зависимости от поставленных задач, круг элементов-индикаторов может быть сокращен и оптимизирован при помощи того же предложенного способа, с помощью которого исключаются элементы, имеющие постоянные или малоизменчивые ранги в сравниваемых объектах.

Источники информации

1. А.с. СССР 616928.

2. Заявка к патенту РФ 95102475 (прототип).