О методике определения фоновых и аномальных значений гидрогеохимических показателей

Abstract

Актуальность исследования определяется необходимостью объективного определения фоновых и аномальных гидрогеохимических показателей как при проведении геохимических поисков полезных ископаемых, так и при оценке геоэкологического состояния водных объектов и их водосборов. Применяемые на практике методики основаны на использовании методов математической статистики и теории вероятностей, но недостаточно обоснованы с точки зрения физического смысла исследуемых процессов. Вследствие этого в ряде случаев возрастает объём и стоимость полевых и лабораторных работ без адекватного увеличения эффективности исследований. Цель исследования: разработка и обоснование методики определения фоновых и аномальных значений гидрогеохимических показателей на основе анализа взаимосвязей между водным стоком и химическим составом вод. Методы исследования: географо-гидрологический и статистические методы, методы химической термодинамики. Результаты и выводы. Выполнен анализ взаимосвязей между гидрогеохимическими и гидрологическими показателями. На основе результатов разработана имитационно-статистическая модель формирования химического состава поверхностных и подземных вод и предложена методика определения фоновых и аномальных значений гидрогеохимических показателей. Проведена её апробации по данным гидрологических и гидрогеохимических наблюдений в водосборных бассейнах средних рек Сибири (Российская Федерация) с привлечением гидрогеохимических материалов, полученных в северной части Вьетнама. Показано, что: 1) гидрогеохимические показатели в общем случае подчиняются логнормальному распределению вероятностей; 2) математическое ожидание концентрации вещества, аппроксимируемое средним геометрическим, может рассматриваться как "фоновое" значение, которое отражает условно равновесное состояние системы "вода-порода" в статистически однородных условиях; 3) стандартное отклонение концентрации вещества является линейной функцией произведения соответствующего среднего геометрического значения и коэффициента вариации расходов воды. Практическое определение фоновых концентраций растворённых веществ сводится к определению доверительного интервала для среднего геометрического, а аномальных концентраций - по "правилу двух сигм" для логнормального распределения вероятностей. При этом: 1) среднее геометрическое тем больше, чем меньше среднемноголетний модуль водного стока; 2) границы интервала расширяются при увеличении вариации водного стока (суммарного или подземного).

The relevance of the research is caused by the necessity of objective definition of background and extreme hydrogeochemical parameters both at geochemical searches of minerals, and at estimation of a geoecological condition of water objects and their basins. The techniques, which are applied, are based on use of methods of mathematical statistics and probability theory, but they are insufficiently proved from the point of view of physical sense of researched processes. Therefore, in some cases the volume and cost of field and laboratory works grow without adequate increase in efficiency of researches. The aim of the research is to develop and substantiate a technique of determining the background and extreme values of hydrogeochemical parameters on the basis of the analysis of interrelations between a water runoff and chemical composition of waters. Methods of the research: geography-hydrological and statistical methods, methods of chemical thermodynamics. Results and conclusions. The authors have analyzed the interrelations between hydrogeochemical and hydrological parameters. On the basis of the results the physical-statistical model of formation of chemical composition of surface and ground waters is developed and the technique for defining background and extreme values of hydrogeochemical parameters is offered. It was approved by the data of hydrological and hydrogeochemical observations in basins of the average rivers of Siberia (Russian Federation) and the hydrogeochemical data obtained in northern part of Vietnam. It was shown that: 1) hydrogeochemical parameters generally submit to log-normal distribution; 2) the expected value of substance concentration approximated by average geometrical, can be considered as "background" value which reflects conditionally the equilibrium condition of the system "water-rock" in statistically homogeneous conditions; 3) the standard deviation of substance concentration is the linear function of corresponding average geometrical value and the coefficient оf water runoff variation. Practical definition of background concentration of the dissolved substances is reduced to definition of a confidential interval for average geometrical, and extreme concentration is reduced to definition by "the rule of two standard deviation" for log-normal distribution. Thus: 1) the average geometrical is more than less annual water runoff; 2) borders of the interval extend at increase in water runoff (total or ground) variation.