CC BY
32
УДК 553.492.1:550.847
В.И. Мамедов1, С.А. Воробьев2
ГАЗОВЫЙ РЕЖИМ БОКСИТОНОСНОЙ ЛАТЕРИТНОЙ КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ (ГВИНЕЙСКАЯ РЕСПУБЛИКА)
Мониторинг состава подземной атмосферы месторождения бокситов в Западной Африке позволил впервые получить данные о ее влиянии на минералого-геохимическую зональность латеритной коры выветривания. Наблюдения выполнены на участках с различным геоморфологическим строением, что дало возможность оценить влияние факторов рельефа и ландшафта на процесс подземной газогенерации.
Установлено, что состав подземной газовой атмосферы периодически меняется в течение суток. Высокое содержание СО2 и СО регистрируется в дневные часы, снижение происходит в ночные часы и во время дождя. В профиле латеритного выветривания над зеркалом грунтовых вод за счет низкого содержания кислорода из выветривающихся пород, одновременно с кремнием и щелочными и щелочно-земельными металлами активно выносится железо, в результате чего формируется горизонт высококачественных бокситов.
Ключевые слова: бокситы, латерит, геохимическая зональность, двуокись углерода, кислород, профиль выветривания.
The ground air of a bauxite deposit of western Africa was tested for chemical composition. The obtained data have allowed first understanding the air effect on the mineralogical-geochemical zoning of lateritic weathering profile. The air was tested in areas with different geomorphologic features, which made it possible to study the effect of relief and landscape on the ground air formation.
The chemical composition of ground air was revealed to periodically change during the day. Its СО2 and СО concentrations were high in day hours, but they decreased in night hours and when it was raining. Formation of the high-grade bauxite horizon in the lateritic weathering zone located above the water table is explained by its oxygen-poor ground air conditions favorable for intense leaching-out of iron along with silica and alkaline and alkali-earth metals.
Key words: bauxite, laterite, geochemical zoning, carbon dioxide, oxygen, weathering profile.
Введение. Состояние подземной атмосферы всегда учитывается при разведке месторождений бокситовых руд. Для обеспечения безопасности работ при проходке разведочных шурфов, начиная с 3—5 м, необходимо принудительно вентилировать их стволы, особенно с начала периода сезона дождей, так как в них возникает высокое содержание токсичных газов, исходящих из горных пород.
В горных выработках, пройденных при разведке месторождений бокситов, зафиксировано, что зона загазованности соответствует горизонту высококачественных руд, залегающих над зеркалом подземных вод. В соответствии с известной направленностью трансформации растительного органического вещества в условиях тропического климата естественно предположить, что преобладающий компонент этой газовой смести — двуокись углерода. По данным разовых наблюдений содержание углекислого газа на уровне горизонта высококачественных бокситов достигало 3,6 об.%. Начало зоны загазованности соответствует, горизонту высококачественных руд, залегающих над зеркалом подземных вод. Совпадение глубины расположения в разрезе зон с высоким содержанием двуокиси углерода и алюминия позволяет
предположить, что газовый режим является одним из факторов, определяющих физико-химические условия образования бокситов.
Исследования химического состава латеритной коры [Машеёоу, 2005] показали, что закономерность распределения главных породообразующих компонентов в ее профиле (рис. 1). Образование высококачественных бокситов зависит от выноса железа из выветривающихся пород в зоне низкого содержания кислорода в подземной атмосфере [Мамедов и др., 1983]. Для характеристики этого процесса необходимы данные о состоянии подземной атмосферы по разрезу коры выветривания.
Исследования по установлению основных закономерностей распределения газов в вертикальном разрезе латеритов выполнены в июне 2008 г. на одном из месторождений бокситов в Западной Африке, которое расположено на северо-западе Гвинейской Республики в бокситорудном районе Боке в саванной ландшафтно-климатической зоне. В это время года с началом сезона дождей активизируются процессы разложения и трансформации растительного опада и отмершей части корневой системы. Поступление с метеорными водами органических соединений в
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геохимии, доцент, e-mail: vorobjov@geol.msu.ru
2 «Geoprospects Ltd.», генеральный директор, e-mail: geoprospects@mail.ru
Горизонты латеритной коры выветривания
Почвенно- растительный горизонт
Кираса-верхний железистый горизонт
Бокситы
Переходная зона-нижний железистый горизонт
Глины каолинитовые, красные, железистые, верхняя часть
1 липы каолинитовые. светлые, средняя часть
1лины полиминеральные (сапролит). нижняя часть
кору активизирует процессы газогенерации, что отражается в составе подземной атмосферы. Исходя из известной направленности трансформации растительного органического вещества в условиях тропического климата, естественно предположить, что одним из продуктов этих реакций является двуокись углерода. Для изучения закономерностей формирования состава подземной атмосферы были организованы систематические наблюдения за изменением содержания газов в поровом пространстве пород латерит-ного покрова.
Методика полевых исследований. На месторождении бокситов, представляющем местную возвышенность — боваль (принятый в литературе термин «bowe») — с плоской, слабовыпуклой вершиной и пологими склонами (рис. 2), были выбраны два профиля скважин: продольный и поперечный к удлинению бовали. Линии профилей пересекали участки местности с разными формами рельефа, что позволило оценить влияние этого фактора на распределение газов в толще латеритного покрова.
Выбранные для наблюдения 27 скважин были прочищены повторным бурением либо пробурены дополнительно до горизонта подземных вод, залегающего в это время года на глубине 12—14 м. Высокая прочность бокситов и латеритов обеспечила сохранность скважин на протяжении всего периода наблюдений. Для уравновешивания состава газов в породах и скважинах их устья герметизировали заглушками.
Материнские породы
Положение уровня грунтовых вод
обвс
она цнения
Индикаторы
подъемной атмосферы
о„ со.
О,
со,
Периодическ
О,
Относительный водоупор
Величины коэффициентов привноса-выноса основных породообразующих компонентов
А1 Н,0 , Ti R0+R,0 Si Fe — < —— < < — < --- < — < —
0,90 0,96 1 1.01 1,67 1,74 1,80
Si R0+R,0 Fe , FLO Ti A1
— < --- < — < 1 < —-- < — < —
П/1Л n sA T 1 1 77 i /1/,
Si RO+RO , Ti A1 IK) Fe — < -— < 1 < — < — < —< —
0.23 0,24 1.35 1.38 1-77 2,12
RO+RO Si . Ti A1 H,0 Fe -— <.—,<!< — < — < —
0,24 0.i6 -1 1,21 1,24 1.50 1,99
RO+RO Si Н^О Ti A1 Fe
0,49 < 0.60< 0.80 < 0,87 < 0.91 < 1 < 1,02
R0+R,0 Si Fe Ti . A1 H,0 -— < — < — < — < 1 < — < —=—
0.40 0.76 0.87 0,95 1.05 1.29
Si
A1
I
Ti,
Fe
ro+r2o
I
H20
Рис. 1. Вертикальная литологическая зональность латеритной бокситоносной коры выветривания в сопоставлении с изменением состава подземной атмосферы по глубине
Определение содержаний компонентов подземной атмосферы проводилось с помощью портативного газоанализатора «OLDHAM MX2100», позволяющего одновременно in situ определять объемные содержание кислорода, углекислого газа, оксида углерода и метана. Чувствительность определения СО2 и О2 составила 0,1 об. %, СО — 1 ppm и CH4 — 10 ppm. Мониторинг состава подземной атмосферы проводился в различное время суток в течение 8 дней. По степени детальности выполненные наблюдения можно разделить на три группы: общие, детальные и специальные.
Общие наблюдения проводились на всех 27 скважинах, они включали ежедневные замеры концентра-
Рис. 2. Рельеф месторождения бокситов (а) и графики распределения рудообразующих элементов (б) в вертикальном разрезе рудной зоны. Линиями показано положение профилей скважин газового мониторинга
Рис. 3. Распределение содержания кислорода в разрезе коры выветривания вкрест простирания боваля до (а) и после (б) дождя
ции газов шагом 1 м по всей глубине скважины два раза в сутки — ранним утром и после полудня.
Детальные наблюдения проводились на 12 скважинах меридионального профиля и состояли из замеров концентрации газов с шагом по глубине 1 м через каждые 2 ч в течение 42 ч.
Специальные наблюдения включали определение скорости вертикальной миграции газов из коры выветривания в атмосферу. Они проводились в разное время суток в 4 скважинах, 2 из которых находились на вершине бовали, а две другие — у ее подножия. Скорость миграции оценивалась исходя из времени, затраченного на замещение атмосферного воздуха в трубе длиной 1 м, установленной на устье скважины. Ее верхний торец закрывали двойным слоем тонкоячеистой матерчатой сетки, преграждающей проникновение воздушных вихрей, но не препятствующей выходу газов в атмосферу. Изменение содержания О2, СО и О2 фиксировали с интервалом 30 с газоанализатором, размещенным под сеткой.
Во всех проведенных измерениях полное замещение измерительной емкости газом, поступающим с глубины, не превышало 8 мин. Столь быстрое протекание этого процесса нельзя объяснить диффузией и позволяет рассматривать его как фронтальное вытеснение одной газовой смеси другой.
Макрокомпоненты подземной атмосферы. По данным определения газов в вертикальном разрезе латеритной коры выветривания от поверхности до зеркала грунтовых вод максимально изменяется содержание кислорода — от 20,6 до 4,8%, углекислого газа — от 0,1 до 10%. Мощность слоя, в пределах которого наиболее резко проявлены эти изменения, в среднем не превышает 5 м. Характер распределения газов по вертикали зависит от погодных условий, времени суток и положения в рельефе участка наблюдения. Мониторинг подземной атмосферы в течение нескольких суток позволил оценить влияние этих факторов.
Влияние фактора погодных условий изучали в 12 скважинах поперечного профиля. В течение вось-мисуточного мониторинга один раз выпал ливневый дождь продолжительностью 1,5—2 ч. Менее чем через час по его окончании вода полностью сошла с поверхности земли. Она частично скатывалась поверхностным стоком, а также просачивалась вниз по многочисленным трещинам и кавернам, пополняя грунтовые воды.
Во время дождя или сразу же после его окончания мощность зоны аэрации — области проникновения атмосферного воздуха в толщу пород — заметно увеличивается на глубину. За счет этого высокое содержание кислорода (18—19%) фиксируется вплоть до зеркала грунтовых вод. Проникновение кислорода внутрь разреза объясняется просачиванием дождевой воды, которая, вытесняя подземные газы, способствует притоку атмосферного воздуха. При этом растворенный в воде кислород частично дегазируется, обогащая подземную атмосферу.
После окончания дождя концентрация СО2 в поверхностном слое коры близка к атмосферной (<0,1%), у поверхности водоносного горизонта ее величина составляла 1,5—2%, хотя непосредственно перед дождем она была в 4—5 раз выше (рис. 3). Содержание кислорода на этой глубине составляло 20,8 и 18,5%. За последующие 3—5 ч распределение О2 и СО2 возвращается к состоянию, свойственному подземной атмосфере для данного времени суток.
Влияние фактора времени изучали во всех 27 скважинах путем определения содержания газов в разное время суток. На рис. 4 показано распределение содержания углекислого газа в латеритном покрове в различное время суток по профилю, пересекающему боваль в продольном направлении. Наибольшая мощность зоны аэрации и соответственно максимальное содержание кислорода в подземной атмосфере фиксируются в предутренние часы, а минимальные — в послеполуденное время. Следует отметить,
Рис. 4. Распределение содержания углекислого газа в разрезе коры выветривания в крест простирания бовали в предрассветные (а) и
послеполуденные (б) часы
что в предутренние часы распределение кислорода весьма сходно с его распределением, устанавливающимся после выпадения дождя, отличие — меньшая мощность зоны аэрации. На вершинах бовалей содержание кислорода над зеркалом грунтовых вод в предутренние часы при отсутствии осадков в среднем составляло 12—14%, тогда как после выпадения дождя оно достигает 19%.
В коре выветривания у подножий склонов режим газообмена пород коры выветривания с атмосферой менее динамичен. Изменения состава подземной атмосферы захватывают только приповерхностный слой земли мощностью до 2,5 м. в его пределах содержание кислорода снижается с 20 до 8%, а углекислого газа — возрастает до 5,8%. Далее с глубиной содержание этих газов остается на одном уровне вплоть до горизонта подземных вод.
В послеполуденные часы наблюдается инверсия состава подземной атмосферы. В подпочвенном воздухе резко повышается содержание углекислого газа и понижается — кислорода. Среднее содержание кислорода в разрезе коры — 10%, что в 1,5 раза меньше, чем в предутренние часы. Среднее содержание углекислого газа в приповерхностном слое пород мощностью 1,5 м в это время суток равно 3%, тогда как в предутренние часы оно составляло всего 0,15%.
Распределение углекислого газа варьирует по глубине и простиранию разреза. При этом на возвышенных частях бовали содержание С02 более 2,5% начинается с глубины 3—5 м и постепенно нарастает к низу до 7,5%. К этому времени у подножия склона содержание С02 до глубины 1,5—2 м от дневной поверхности увеличивается до 85 и остается практически постоянным вплоть до зеркала грунтовых вод.
Внутри латеритного покрова содержание кислорода и углекислого газа периодически изменяется за суточный цикл. В пределах отдельных интервалов глубины эти изменения протекают различно. На рис. 5
показано изменение положения в разрезе латеритной коры фронтов потоков С02 и 02 с фиксированными уровнями концентрации.
В изменении положения фронта потока углекислого газа с граничным содержанием 1% отчетливо проявлен суточный ритм, амплитуда его колебаний по глубине разреза коры составляет около 4 м. В полуденные часы фронт потока СО2 с этим граничным содержанием поднимается к дневной поверхности, достигая подошвы железистой кирасы. В предутреннее время спускается к зоне маложелезистых бокситов.
Фронт потока кислорода с граничным содержанием 12% в течение суток периодически изменяет свое положение в разрезе латеритов на глубине от 7 до 10 м. Эта область коры выветривания соответствует горизонту высококачественных бокситов с малым содержанием железа ^е203 18—20%). Колебания фронта потока 02 с низким граничным содержанием в меньшей степени подчинены суточному ритму, в их частотном спектре преобладают колебания малой амплитуды с периодом 8—10 ч. Сходные частотные характеристики имеют колебания положения в разрезе максимума содержания окиси углерода, который всегда отвечает горизонту высококачественных бокситов
Влияние форм рельефа на изменчивость состава атмосферы не столь контрастно, как воздействие на нее метеоосадков или смены времени суток. Однако в ряде случаев это влияние проявляется достаточно сильно. На возвышенностях содержание С02 в течение суток периодически нарастает и спадает по всей глубине разреза вплоть до горизонта подземных вод. В пониженных частях рельефа суточные колебания содержания двуокиси углерода захватывают меньший интервал глубин, мощность которого не превышает 8 м. На нижней границе этого слоя уровень содержания С02 в среднем равен 5,3%, ниже оно
Рис. 5. Изменение во времени положения в разрезе латеритной коры фронтов газовых потоков С02, 02 и С0 с фиксированными уровнями содержания: 1—3 — бокситы: 1 — низкого качества (А1203 40—44%); 2 — среднего качества (А1203 48-50% Ре203 22-18%); 3 — высокого качества (А1203 55%, Ре203 12,5%); 4 — железистые латериты (А1203 38% , Ре203 43%); 5 — железистые латериты глинистые (А1203 38%, Ре203 33%, 8Ю2 11%); 6 — глины каолинитовые с примесью гётита и гиббсита (А1203 36%, Ре203 12,5%, 8Ю2 34%)
асимптотически возрастает до постоянного значения, которое у горизонта грунтовых вод в среднем составляет 6,2%.
Об интенсивности генерации углекислого газа в профиле латеритного выветривания косвенно свидетельствует скорость миграции газов подземной атмосферы к дневной поверхности. Замеры скорости методом вымывания атмосферного воздуха из трубы, установленной на устье скважины, показали, что на вершине бовали фильтрация глубинного газа, обогащенного С02, в полуденные часы идет со скоростью 2-10-5 м2/с. Замеры скорости вертикальной миграции, выполненные в это же время у подножия, показали, что она равна 0,025 м/с. Это на три порядка выше значений, полученных на вершине бовали. Столь высокая скорость разгрузки подземных газов в атмосферу на этих участках рельефа приводит к тому, что в послеполуденное время над устьем скважины на высоте 0,5 м от поверхности земли содержание С02 в приземном слое воздуха достигает 2,2%, тогда как в ночное и предрассветное время оно соответствует атмосферному (< 0,1%).
Резкое увеличение потока газа из латеритного покрова в атмосферу на нижних участках склонов, вероятно, обусловлено «подземным стеканием» С02 по склону с вершины бовали, подобно тому, как во время дождей просочившаяся в кору вода стекает от вершины к подножию бовали, что приводит к образованию суффозионно-карстовых полостей и даже разрушению латеритов вдоль линии тока.
Сумма содержания кислорода и углекислого газа всегда монотонно убывает к низам разреза. Разность
значений этого показателя для верхнего и нижнего горизонтов коры выветривания превышает 6%. Средняя величина суммы содержания С02 и 02 — 17,2%, что на 3,2% меньше, чем в атмосферном воздухе. Если бы уменьшение содержания кислорода происходило за счет разбавления подземной атмосферы углекислым газом, поступающим с глубины, то сумма содержания С02 и 02 возрастала бы с глубиной. При реакциях окисления углеродсодержащих соединений сумма содержания 02 и С02 должна оставаться постоянной, так как расходование одного объема кислорода приводит к образованию равного ему объема двуокиси углерода. Наблюдаемый дефицит содержания кислорода в подземной атмосфере позволяет предположить, что наряду с окислением углеводородных соединений кислород расходуется в других реакциях, продуктами которых являются оксиды и гидроксиды железа, фиксируемые в низах латеритного разреза.
Микрокомпоненты газовой атмосферы. Распределение оксида углерода и метана, составляющих класс микрокомпонентов газовой атмосферы, существенно отличается от распределения макрокомпонентов. В подавляющем большинстве точек наблюдения их содержание в коре выветривания близко к геохимическому фону. Области высокого содержания макрокомпонентов прослеживаются отдельными полосами, протягивающимися от подошвы коры к кровле и имеющими ширину до 200 м. Содержание метана в подавляющем большинстве точек наблюдения менее 10 ррт, что соответствует диапазону вариаций его содержания в области нормального геохимического фона. На отдельных участках разреза
содержание метана равно или немного превышает 10 ррт, пространственно эти участки совпадают с максимумами содержания оксида углерода.
В отличие от метана оксид углерода образует в коре выветривания локальные ореолы с содержанием 10—300 ррт, что на два-три порядка превышает значения местного геохимического фона. В большинстве случаев подобные участки встречаются в разрезе латеритов у подножий бовалей, их протяженность по латерали в среднем составляет 150 м. Распределение оксида углерода по глубине в значительной мере отличается от распределения углекислого газа. Содержание СО сначала плавно возрастает с глубиной, достигая максимума на границе постоянных
значений СО2, а затем снижается до фонового. Вероятно, фрагментарное проявление аномалий содержания оксида углерода обусловлено тем, что он является промежуточным недоокисленным продуктом реакций преобразования органических соединений.
По данным определений содержания компонентов подземной атмосферы можно уверенно утверждать, что в изученных латеритных бокситоносных покровах в ее строении четко выделяются верхняя и нижняя области.
На рис. 6 показаны результаты четырехдневных наблюдений изменения содержания кислорода и углекислого газа в 7 скважинах, расположенных по профилю, пересекающему боваль в крест простирания. В выборку не включены скважины на концах профиля, так как условия газогенерации в припойменных участках речных долин резко отличаются. Изменение содержания оксида углерода показано по результатам замеров в 3 скважинах, расположенных в средней части северного склона, где содержание этого газа значимо отличается от фонового. На графиках отчетливо видны основные закономерности изменения состава подземной атмосферы по глубине и во времени, которые типичны для всего изученного месторождения.
Верхняя область — зона аэрации, в пределах которой содержание О2 и СО2 плавно изменяется от атмосферного до некоторой относительно постоянной величины. При этом фронт потока каждого газа периодически смещается по вертикали на 2,5—3,5 м за промежуток времени, отделяющий предутреннее и послеполуденное наблюдения. В среднем нижняя граница зоны аэрации находится на глубине около 5,5 м. Под мощностью зоны аэрации понимается
Рис. 6. Распределение газовых компонентов в подземной атмосфере в вертикальном разрезе коры выветривания в разное время суток: 1 — предрассветное, 2 — послеполуденное, 3 —
среднее за сутки
расстояние от дневной поверхности, где содержание газового компонента составляет 95% от асимптотически постоянного значения на глубине.
Нижняя часть латеритной коры характеризуется низким содержанием кислорода (6—7%) и высоким углекислого газа (5—7%), к верхам этой области приурочены максимумы содержания оксида углерода. Это очень важный эмпирический факт, так как граница описанных зон, отличающихся по газовому составу, совпадает с границей между более железистыми бокситами и латеритами в самой верхней части латеритных бокситоносных покровов и более высокоглиноземистыми бокситами в нижней части зоны инфильтрации профиля выветривания (рис. 1), это, по-видимому, характерная ситуация для латеритных покровов в тропиках. Так, в Восточных Гатах (Индия) на месторождении Пачпатмали при его эксплуатации предварительно убирают верхние 3 метра, так как они повсеместно представлены высокожелезистыми латеритами — некондиционными рудами.
Средние значения содержания газовых компонентов в зоне активного газообмена пород с атмосферой по всей совокупности наблюдений по 27 скважинам в разное время суток и в разных геоморфологических условиях приведены в таблице. Из данных таблицы видно, что содержание кислорода в этой зоне достаточно высоко для образования оксидов и гидроксидов железа. Это полностью согласуется с составом пород верхней части латеритного покрова.
Данные, приведенные в таблице, позволяют оценить долю кислорода в подземной атмосфере, потребляемого в процессе латеритообразования. Количество газовых компонентов в разрезах латеритов равно среднему содержанию газов в изученном
разрезе и его распространения. Поскольку площадь обсуждаемых разрезов постоянна, то все расчеты можно вести по значениям средних величин. На возвышенных частях рельефа кислород в предутренние часы проникает в кору выветривания на глубину до 5,2 м, его среднее содержание в пределах этой области равно 18,4%. За время, отделяющее утренние и полуденные наблюдения, оно уменьшается на 1,6%, при этом среднее содержание углекислого газа возрастает на 0,51% (от 0,89 до 1,4%).
Наблюдаемое понижение содержания кислорода нельзя объяснить разбавлением подземной атмосферы углекислым газом, поступившим с глубины. Как показывают расчеты, в этом случае содержание кислорода понизилось бы лишь на 0,2%, т.е. значительно меньше наблюдаемого. Это позволяет предположить, что уменьшение содержания кислорода обусловлено его поглощением в процессе латеритообразования. Доля поглощенного кислорода от его количества, первоначально находящегося в коре выветривания в предутренние часы, равна: 5^=1,6:18,4=0,09 (8,7%).
Состояние зоны аэрации в пределах различных форм рельефа в разное время суток
Компонент Возвышенности Подножия склонов
утро поддень утро полдень
02, % 18,4 16,8 18,0 15,7
С02, % 0,89 1,4 0,24 1,5
СО, ррт 1,3 5,3 20 49
СН4, ррт <1 1,2 <1 1,2
Мощность зоны аэрации, м 5,2 3,3
В реакции синтеза углекислого газа расходование одной молекулы кислорода приводит к образованию одной молекулы конечного продукта. Поэтому доля кислорода, затраченного на окисление органических соединений, содержащихся в коре выветривания, от его количества, поглощенного субстратом коры выветривания, равна отношению увеличения содержания углекислого газа к уменьшению содержания кислорода: 50=0,51:1,64 = 0,32 (32%). Аналогично для подножий бовалей значения величин, характеризующих доли кислорода, поглощенного корой и затраченного на окисление, равны 58= 0,13 (13%) и 50= 0,55 (55%) соответственно. Полученные значения позволяют утверждать, что у подножий бовалей процессы газогенерации протекают в среднем в 1,6 раза активнее, чем на их возвышенных частях.
Оценка параметров миграции газов подземной атмосферы. Газовый режим в латеритных покровах периодически меняется в течение суток. В среднем за 12 ч, разделяющих предрассветные и послеполуденные измерения, содержание углекислого газа в подземной атмосфере (центр тяжести его распределения по глубине) периодически смещается по вертикали на 1,5 м (рис. 6). Это позволяет оценить скорость
вертикальной миграции С02 — для водораздельных частей рельефа ее величина в среднем составляет 3,4-10-5 м/с. Это значение согласуется с оценкой скорости фильтрации, полученной методом вытеснения атмосферного воздуха из цилиндрической емкости газом, поступающим из скважины.
Скорость движения газовых потоков можно оценить исходя из модели миграции газов в приповерхностном слое земли. Движение потоков кислорода и оксидов углерода протекает по одному механизму, но во взаимно противоположных направлениях. В ночные часы атмосферный воздух проникает в глубь латеритной толщи, а с восходом солнца постепенно вытесняется из нее образующимися внутри толщи газами. Вертикальная миграция газовых компонентов происходит в результате диффузии и фильтрации по порам пород, слагающих латеритный покров.
К факторам, обусловливающим протекание этих процессов, относятся суточные вариации состояния приземной атмосферы. После захода солнца понижается температура воздуха и растет его давление, в дневное время, наоборот, увеличивается температура и снижается давление. Газогеохимические исследования, выполненные во многих районах быв. СССР, показали, что содержание газов в подпочвенном слое земли и значения атмосферного давления связаны корреляционной зависимостью [Воробьев, Соловов, 1998]. Повышение давления приводит к притоку атмосферного воздуха в толщу пород, что ведет к разбавлению подпочвенных газов, понижению содержания СО2 и повышению кислорода. Снижение давления в приземном воздушном слое в свою очередь способствует разгрузке подземных газов в атмосферу.
Изменения температуры поверхности почвы и атмосферного давления генерируют волны давления, которые распространяются в почву. Глубина их проникновения зависит от эффективной пористости пород и периода колебаний атмосферного давления. В породах с повышенной проницаемостью мощность зоны может составлять десятки метров. Наличие в поровом пространстве чередующихся зон с разными значениями давления обусловливает течение газа из областей с повышенным давлением в разреженные. Скорость обмена выше- и нижележащих зон пропорциональна градиенту распределения давления по вертикали. Из модели этого процесса следует, что он достаточно быстро приходит к стационарному случайному состоянию [Воробьев, Симакин, 1988]. При различных значениям концентрации газов в основании разреза латеритного покрова и в атмосфере это ведет к перемещению их в вертикальном направлении с некоторой эффективной скоростью. Направление потока совпадает с направлением убывания концентрации мигрирующих компонентов. Вследствие этого потоки оксидов углерода разгружаются в атмосферу, а кислород из нее проникает внутрь латеритного покрова.
Распределение содержания кислорода, углекислого газа и оксида углерода по вертикальному разрезу коры выветривания в течение суток последовательно изменяется, варьируя около линии средних значений. Распределение, зафиксированное в процессе мониторинга, — реализация стационарного случайного процесса. Графики распределения содержания СО2 по разрезу латеритной коры (рис. 6) соответствуют стационарному состоянию подземной атмосферы. Для этого случая вертикальная миграция углекислого газа в приповерхностном слое земли может быть описана уравнением одномерной стационарной конвективной диффузии:
аг\ аг) аг
(1)
ад - Б, = Д, ехр(-ог),
(2)
йгС йг1 '
а +
Д,
^ = 0.
(3)
Решение этого уравнения может быть получено при граничных условиях: С2=0 = Сатм и С2=к = С,, где Сатм и С, — содержание СО2 в атмосферном воздухе и на глубине у границы зоны постоянных значений соответственно.
Так как содержание углекислого газа в приземном слое воздуха на два порядка меньше, чем в подземной атмосфере, то величину С2=0 можно принять равной нулю. С учетом этого допущения окончательное решение (3) имеет вид
С, — Си
где Б(г), и(г) и Дг) — функции, описывающие изменение с глубиной диффузионной проницаемости пород, скорость фильтрации газа и мощность процесса образования или поглощения газов при их миграции сквозь породу соответственно.
При прочих равных условиях диффузионная проницаемость горных пород пропорциональна их эффективной пористости. В породах приповерхностного слоя земли ее изменение с глубиной удовлетворительно описывается экспоненциальной зависимостью, поэтому убывание диффузионной проницаемости верхнего слоя коры выветривания можно представить выражением
1-е"
/
Ь=и/Б0.
(4)
где Б0 и Б, — эффективная пористость пород у поверхности земли и на глубине в зоне постоянных значений соответственно.
Исследование процессов формирования атмо-химических ореолов [Воробьев, Симакин, 1988] показывает, что в пределах зоны интенсивного газообмена (зоны аэрации) диффузионная проницаемость пород снижается к уровню постоянных значений. Согласно данным режимных наблюдений мощность зоны интенсивного газообмена латеритной коры выветривания не превышает 5,2 м, поэтому величину коэффициента а можно принять равной 0,8.
В силу условия неразрывности газового потока увеличение объема порового пространства горных пород должно приводить к снижению скорости движения газов с приближением к дневной поверхности. Однако учитывая, что движение газов идет за счет его перетекания из областей с более высоким давлением в области с низким, а амплитуда волн давления экспоненциально убывает с глубиной, то с учетом разнонаправленности этих воздействий скорость фильтрации в зоне активного газообмена можно принять постоянной. Для углекислого газа, основная масса которого генерируется ниже зоны активного газообмена, функцию ¥(г) можно принять равной нулю. С учетом этих допущений уравнение (1) преобразуется к виду
Полученное уравнение позволяет оценить величину коэффициента Ь, характеризующего динамику газообмена коры выветривания с атмосферой. Она определена численным решением уравнения (4) по данным среднесуточных значений изменения содержания углекислого газа с глубиной (рис. 6), Ь = 0,065 м-1. Параметры а и Ь характеризуют распределение всех газовых компонентов в зоне интенсивного газообмена. Моделирование распределения содержания СО2, О2 и СО по уравнению (3) с учетом найденных значений этих коэффициентов показывает весьма удовлетворительное совпадение экспериментальных и вычисленных величин.
Коэффициент Ь характеризует отношение скорости фильтрации газов в породах к их диффузионной проницаемости. Найденное значение коэффициента Ь позволяет оценить величину диффузионной проницаемости пород, слагающих приповерхностный слой коры выветривания. Скорость вертикальной фильтрации углекислого газа на этом участке бовали равна 2-10-5 м/с, а Б0 = 3-10-4 м2/с. Это значение на несколько порядков превышает диффузионную проницаемость большинства типов рыхлых пород и образований и более чем на порядок превышает величину коэффициента самодиффузии углекислого газа в атмосферном воздухе, равного 0,97Т0-5 м2/с [Физические величины, 1999]. Столь большая диффузионная проницаемость верхнего слоя латеритной коры позволяет предположить, что рассеяние в ее поровом пространстве, вероятно, идет по механизму аэродинамической дисперсии, обусловленной большой скоростью газообмена пород с атмосферой.
Выводы. 1. Установлено, что от поверхности к низам коры выветривания до глубины 5-6 м содержание О2 в среднем уменьшается от 20,8% до 5-6%, а содержание СО2 соответственно увеличивается от 0,1 до 6-10%; ниже к зеркалу грунтовых вод они изменяются незначительно. Распределение содержания СО имеет максимум (100-300 ррт) на глубине 5-6 м,
к верхам и низам разреза оно убывает до фонового (<1 ррт).
2. Состав подземной газовой атмосферы периодически меняется в течение суток. Высокое содержание СО2 и СО регистрируется днем, низкое — ночью и во время дождя, а содержание О2 изменяется с обратным знаком. Скорость вертикальной миграции газов в латеритном покрове варьирует от 2-10-5 до 2-10-2 м/с в зависимости от рельефа местности и времени суток. Максимальные значения отмечены в послеполуденное время у подножий склонов.
3. Минералого-геохимическая вертикальная зональность латеритного бокситоносного покрова пространственно совпадает с изменениями состава подземной атмосферы. В зоне аэрации накапливается преимущественно железо и выносится алюминий. В низах разреза, где подземная атмосфера обеднена кислородом и обогащена углекислым газом, выносится железо и накапливается алюминий. Доля кислорода, расходуемого в реакциях латеритообразо-вания, в среднем составляет 10% от его количества, поступающего в кору выветривания из атмосферы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Воробьев С.А., Симакин А.Г. Миграция газов в атмохи-мических ореолах рассеяния // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1988. № 2. С. 47-55.
Воробьев С.А., Соловов А.П. Атмохимические поиски погребенных рудных месторождений М.: ИМГРЭ, 1998. С. 55-63.
Мамедов В.И., Броневой В.А., Макстенек И.О., Иванов В.А., Покровский В.В. Режим грунтовых вод — основной контролирующий фактор минералого-геохимической зональности кор выветривания на Либерийском щите // Литология и полезные ископаемые. 1983. № 1. С. 3-11.
Мамедов В.И., Гоберман Р.Г. Закономерности поведения главных элементов в профиле сублатеритных кор выветривания Западной Гвинеи // Новые данные по геологии бокситов. Вып. 2. М.: ВИМС, 1975. С. 148-157.
Физические величины: Справочник. М.: Энергоатом-издат, 1991. 1232 с.
Mamedov V.I. The separation between Al and Fe the supergene zone as the determining factor of premium bauxite formation — Status of bauxite, alumina, aluminium, downstream products and future prospects // XVI Intern. Symp. ICSOBA-2005. Nagpur, India, 2005. P. 84-96.
Поступила в редакцию 09.11.2010
