Геохимический фон и геохимические аномалии, методы оценки

Лекция 4

Геохимический фон и геохимические аномалии, методы оценки

Мы уже познакомились с понятием нормального и аномального геохимического поля. Нормальным геохимическим полем будем считать, тот или иной геохимический объект, в котором концентрации химических элементов соответствуют их природным значениям. Такие значения называют фоновыми. Однако, в таком объекта всегда будет иметь некоторый разброс значений содержания. Следовательно, норма это некоторый диапазон значений с верхним и нижним пределом, выходя за которые мы уже сталкиваемся с аномалией. Если мы выходим за верхний предел, это будет положительная аномалия, если за нижний - отрицательная.

В мире все относительно, и условно, в том числе и понятия аномального. Земная кора по термодинамическим условиям не является равновесной системой, поэтому все химические элементы в ней распределены весьма и весьма неравномерно от рассеянного состояния в горных породах, атмосфере, гидросфере, до крайне концентрированного в месторождениях и рудопроявлениях. На макроуровне это проявляется в гетерогенности земной коры, отдельных ее вещественных комплексов или в распространенности разных по своему составу горных пород. Огромные территории могут отличаться своим геохимическим фоном, отличным от сопредельных, поэтому геологи выделяют разные металлогенические провинции, с разной степенью перспективности на те или иные полезные ископаемые. Например, классическим примером такой провинции является Тунгусская синеклиза в Восточной Сибири, где типоморфными являются основные породы трапповой формации.. Иной комплекс – кислых гранитоидных пород характерен для Прибалтийского щита или метаморфических гранулитов Анабарского щита. В пределах таких структур развиты разные геологические формации или комплексы исторически связанных между собой горных пород. В них могут залегать и разные типы месторождений полезных ископаемых, соответственно и разные сопровождающие их геохимические ореолы, на чем и основана методика геохимических поисков.

1. Уровень фона

В расчетах при геохимических исследований, в том числе и экологических удобнее бывает пользоваться понятием уровня фона, как среднего значения для диапазона значений, которые мы считаем нормальными. Рассмотрев понятие законов распределения, приходим к выводу, что среднее, подсчитанное в соответствии с этим законом, хорошо отражает «геохимическое качество объекта». Для рудной геологии это среднее позволяет выделять руды кондиционные и забалансовые, породы пустые и минерализованные, в поисковой геохимии - геохимические ореолы и потоки рассеяния, в экологической геохимии производить районирование территорий по степени химической загрязненности.

Геохимические кларки часто могут служить мерой этого уровня. Однако, в настоящее время, в связи со стремительным загрязнением окружающей среды уровень фона, определенный как среднее значение на том или ином участке территории оказывается чаще всего выше значения кларка. Поэтому за уровень нормального фона принимается среднее значение в пределах экологических заповедников. А за его пределами, увы, фон уже рассматривается как аномальный. А для оценки границ между участками нормального и аномального поля используются значения ПДК. Но так как ПДК определены пока для ограниченного круга веществ, то приходиться при оценке загрязненности территорий пользоваться уровнем фона и показателе концентрации как величине, указывающей во сколько раз содержание в данной точке выше уровня фона. П_к = C_i /C_ф Если это отношение берется относительно кларка, то оно будет называться кларком концентрации. На мой взгляд - неудачный термин, под кларком мы привыкли понимать именно среднее значение. Уровень фонового содержания элемента отвечает наиболее вероятному его значению для участка, где отсутствуют геохимические аномалии. При этом, чем больше площадь этого участка, тем больше этот уровень приближается к значению кларка. При региональных геохимических съемках при отсутствии данных опытных исследований за фоновые в первом приближении можно принимать значения кларков. При съемках более крупных масштабов обязательно необходимо определять региональный фон и тип геохимического ландшафта Опыт показывает, что в пределах однородного участка, где отсутствуют геохимические аномалии, распределение это упорядочено и согласуется с так называемым нормальным законом, при котором график частот встречаемости случайной величины (в нашем случае это содержание химического элемента) близок кривой Гаусса. Вершина этой кривой отвечает наиболее часто встречающемуся значению в данной выборке (моде). В то же время это значение здесь является и средним (медианным). Отклонения от среднего на этом графике размещены симметрично. Для нормального закона распределения это значение будет наиболее вероятным, а оценкой его или математическим ожиданием будет среднеарифметическое значение признака (содержание элемента), которое и принимается за уровень фона.

Чаще же распределение значений содержания элементов не столь упорядочено и график частот встречаемости будет отличаться некоторой асимметрией. Однако, если построить график по логарифмам этих значений, то он будет снова соответствовать кривой Гаусса, и в этом случае говорят о логнормальном законе распределения. Оценкой уровня фона в этом случае является среднегеометрическое значение содержания или антилогарифм от среднеарифметического логарифмов значений признака в выборке. Следовательно, при нормальном законе распределения Сф= Сср ар = å С_i / n, а при логнормальном С_ф = С ср геом = antlg (å lg C_i /n), где n – количество проб в выборке, С ср ар – среднеарифметическое, С ср геом – среднегеометрическое. Эти уравнения хорошо отражают состояние химических элементов в земной коре, где распределение их носит случайный и колебательный характер.

Существуют способы, позволяющие выявить соответствие распределения признака в выборке тому или иному математическому закону распределения – проверка гипотез о законе распределения [2,6]. Распределение считается нормальным, если соблюдены два условия: третий центральный момент случайной величины равен нулю, а четвертый – утроенному квадрату второго центрального момента. Моментом u_n порядка n случайной величины x_i относительно некоторой константы А есть математическое ожидание случайной величины u_n = m_i (x_i - A)ⁿ, где m_i – ее частота. Если А равно среднеарифметическому, то оценка момента представляет собой характеристику центрального момента, при А = 0 – начального момента. Последний вычисляется по общей формуле u_n = å m_ix_iⁿ / å m_i/. При n =1 начальный момент есть среднеарифметическое. Центральные моменты вычисляются по общей формуле u_n = å m_i (x_i – x_{ср ар})ⁿ / å m_i.

Технические погрешности лабораторий анализа содержаний химических элементов обычно согласуются с законом логнормального распределения, поэтому все расчеты при обработке данных ведутся на основе этой гипотезы. Оценки средних значений параметрических показателей должны дополнятся указанием доверительных пределов этих оценок, которые в общем случае могут быть определены как x -⁺ ts /Ö n, где x – среднее значение параметрического показателя (например Сф), s – стандартное отклонение, t – коэффициент, зависящий от требуемой точности оценки и числа наблюдений (проб), численное значения его приводятся в справочных материалах (критерий Стьюдента)

2. Пороговое аномальное значение Са

Между уровнем фона и минимальным значением, которое уже является аномальным, лежит некоторый промежуток значений, которые еще являются фоновыми, но они будут как меньше, так и больше значения уровня фона. Отклонения от среднего могут быть в сторону больших или меньших значений, но при нормальном и логнормальном законе число отклонений в ту или иную сторону будет поровну. Поэтому нас больше будет интересовать сам размах этих отклонений. Так вот этот размах или амплитуда отклонения считается как среднего квадратичное отклонения или стандартное отклонение

Важной характеристикой геохимического поля является среднее квадратичное отклонение S или дисперсия S², как мера разброса численных значений признака (отклонения от среднего). Эти параметры вычисляются по данным лабораторного анализа, но складываются они из двух составляющих: природной и технической. Отсюда из правила сложения дисперсий S = Ö S²прир. + Ö S²техн.

Стандартное отклонение вычисляется для той же выборки значений, что и для определения уровня фона. S = Ö [å(Ci - Cф)² / (n – 1)] при нормальном распределении, а при логнормальном – вместо численных значений содержания принимаются логарифмы этих значений. При этом антилогарифм стандартного отклонение называется стандартным множителем E = antlg S_lg.

Без учета этого параметра невозможно производить оценку перспективности геохимических аномалий, как и само их выделение. Уменьшая Sтехн., за счет улучшения качества работы лаборатории, можно тем самым повысить качество и эффективность геохимических съемок. Для расчета уровня фона и порога аномальности на геохимических картах выбирается участок, на котором: 1) отсутствуют явные аномалии, выделяемые на карте визуально или на основании анализа графиков; 2) выдержаны ландшафтно-геохимические условия; 3) горные породы по химизму однотипны

Пороговое аномальное значение связывает уровень фона со стандартным отклонением при нормальном распределении С_а = С_ф + tS или уровень фона со стандартным множителем при логнормальном распределении С_а = С_фЕ^t. Вероятность, с которой некоторое значение этого параметра можно определенно считать выходящим за пределы колебаний фона, зависит от коэффициента t.. При t=1 эта вероятность будет равна 87,13%, при t=3 – 99,86%.

Математически граница между участками нормального и аномального поля определяется четко если ты выбрал значение t. Но в природе резкие границы скорее исключение, чем правило. Границы между фоном и аномалиями обычно постепенные. Контрастность аномалий на дневной поверхности зависит не только от масштабов вызывающего ее рудного объекта, но и от глубины залегания последнего. От принятого значения t во многом зависит успех и стоимость поисковых работ. Здесь возможны следующие варианты.. «Жесткий» - с завышенным t может привести к ситуации, при которой будут выделены лишь наиболее контрастные аномалии. Однако, такие аномалии не всегда связаны с значительными рудными объектами. И наоборот, нередки случаи, когда достаточно крупные рудные тела, залегающие на некоторой глубине, проявляются на дневной поверхности лишь слабоконтрастными аномалиями. В этом случае возможны пропуски слабых, хотя и перспективных аномалий.

«Мягкий» вариант оценки Са с заниженным t чреват риском выделения множества неперспективных аномалий и излишними расходами на их обследование. Нахождение золотой середины и здесь являются предметом творчества и мастерства исполнителя.

Существует определенное правило, руководствуясь которым, можно облегчить этот поиск. Также они применимо и для выявления эколого-геохимических аномалий.

Правило «трех стандартов» (t=3) применяется для оценки единичных точек наблюдений с аномальными значениями признака. Когда число таких точек больше и пространственно они сопряжены таким образом, что можно предполагать их общую природу, следует использовать более «мягкий» вариант расчета: с t = 3 /Ö m, где m – число проб, которые можно объединить в общий аномальный контур. Это число не может быть больше 9, так как t не может быть меньше единицы, в противном случае установление С_а при S < 1 теряет смысл.

3. Показатель контрастности аномалий

Показатель контрастности является величиной безразмерной и позволяет сравнивать аномалии учитывая их интенсивность и степень неоднородности. Итак показатель контрастности К = (Cmax – Cф)/ S (где Смах –максимальное значение содержания) при нормальном распределении или К = l/lg E [lg(Cmax/Cф) при логнормальном. Аномалия считается контрастной, если показатель К>3 и слабоконтрастной при меньшем значении этого показателя. Контрастность аномалии не обязательно отражает масштаб загрязнения. Или перспективу оруденения в поисковой геологии.. Нередко ее показатель зависит и от глубины залегания объекта или от свойств пород перекрывающей толщи. Так многие месторождения сульфидных руд на дневной поверхности проявляются лишь слабоконтрастными наложенными ореолами, если мощность аллохтонных перекрывающих отложений составляет десятки или сотни метров. При поверхностной съемке такие ореолы могут быть легко пропущены.

Установлено, что аномалия с показателем контрастности >3 будет выявлена, если в ее контур попадает хотя бы одна проба, если К<3, но >1, таких проб надо несколько, аномалия с показателем К<1 наверняка будет пропущена. [5]. Между тем, существуют способы, которые позволяют увеличить показатель контрастности аномалий и, тем самым, повысить эффективность поисковых работ. Одни из них связаны с повышением чувствительности анализов, с уменьшением технических погрешностей при их выполнении, другие – на специальных приемах математической обработки данных: 1) методе скользящего окна; 2) методе мультипликации и 3) их комбинации.

Дата добавления: 2015-08-29