Вопрос №27 Газовый состав подземных вод

Газы являются одной из ведуших составляющих подземной гдросферы. По В.И. Вернадскому, они определяют всю химию воды и назоятся в динамическом равновесии : подземная вода – природный газ. Различают сорбированные, растворенные и свободные газы. Между свободными и растворенными также существует динамическое равновесие, определяемое температурой, давлением и соленостью воды. Основными газами подземной гидросферы являются O₂, N₂, CO₂, H₂S, CH₄, C_nH_2n+2, H₂, NH₂, He, Rn и другие.

В осадочных породах, по В.А. Соколову, содержится 2,14*10¹⁴ т газов, среди которых преобладают CH₄ (39%), CO₂ (27%), N₂ (26%), тяжелые углеводороды (6,4%), H₂S (0,3%) и H₂ (0,2%). В газах магматических пород преобладает CO₂ (83,8%).

Содержание газа в воде определяется газонасыщенностью, под которой понимается объем газа, растворенный при 0^◦С и нормальном давлении в 1 л воды. Газонасыщенность обычно выражается в объемных (мл/л) или весовых (мг/л) единицах. Объем растворенного газ в воде характеризуется также давлением насыщения или упругостью газа, т.е. величиной давления, которая удерживает газ в водорастворенном состоянии. В единицах СИ давление насыщения выражается в мегапаскалях (МПа).

Способность к растворению газов в оде определяется коэффициентом растворимости каждого газа, т.е. количесвтом газа насыщающего 1 л воды при 0 ^◦С и нормальном давлении. С ростом температуры коэффициент раствормости газов, а значит, и их растворимость вначале понижается, но при температуре выше 80-90^◦С растет. С ростом же давления растворимость газов растет значительно быстрее. Например, растворимость метана в дистиллированной воде при Т=70^◦С с повышением давления увеличивается следующим образом: при 7МПа оно составляет 1175,5, а при 28 МПа - 3129,9 см³/л.

При одновременном увеличении давления и температуры свыше 100 ^◦С растворимость газа растет особенно резко. Поэтому на глубине 2-3 км воды содержат значительно больше газов, чем у дневной поверхности. Так, в одах океанов и морей содержится лишь 13 см³/л N₂ и 3 см³/л О₂. Общее количество газов, по данным В.Н. Корценштейна, достигает 10 млрд. км³, в том числе в свободных подземных водах верхнего 5 километрового слоя 0,15 млрд км³, или 1,5*10¹⁷ м³.

Рост минерализации воды оказывает обратное влияние на растворимость газа, так как сказывается так назывемый эффект высаливания. Например, растворимость метана при 20 ^◦С и Р=5 МПа в водах с минерализацией 20 г/л составляет 1,23, а в воде с минерализацией 200 г/л – только 0,43 см³/л.

По генезису газы в подземных водах делятся на четыре основные группы:

1. Газы атмосферного происхождения (O₂, N₂, CO₂, Ar, Kr, Ne), которые проникают в подземную атмосферу из воздуха;

2. Газы биохимического происхождения (N₂, CO₂, H₂S, CH₄, тяжелые углеводороды), образующие при разложении микроорганизмами органических и минеральных веществ;

3. Газы метаморфического и магматического происхождения (CO₂, H₂, CO, N₂, реже HCl, HF, SO₂, NH₃), образующиеся при повышенных температурах и давлениях в результате преобразования карбонатных и глинистых минералов и воздействия магматических расплавов;

4. Газы радиоактивного происхождения (He, Rn, Ar, ³H), образующиеся в результате радиоактивного распада.

Газы атмосферного происхождения распространены преимущественно в инфильтрационных водха, развитых в зоне активного водообмена; биохимического генезиса – в седиментационных водах зоны затрудненного водообмена; метаморфического генезиса – в глубинных водах, включая районы древнего и современного магматизма, альпийской складчатости; магматического генезиса – в зонах спрединга и рифта; радиоактивного генезиса – в породах с наибольшей радиоактивностью.

С глубиной резко меняется газовый состав и газонасыщенность подземных вод. Если в неглубоких водах зоны активного водообмена преобладает О₂ и N₂при газонасыщенности не более 100 мл/л, то в глубоких водах зоны затрудненного водообмена преобладающим газом становится метан, а газонасыщенность вод достигает 10000 мл/л и более. С глубиной уменьшается роль азота и возрастает роль CO₂, H₂S и Н₂ (при преобладающем значении CH₄ + ТУ).

Вертикальная зональность газового состава подземных вод связана в основном с их генезисом в различных гидрогеологических и геохимических условиях. Зональность может нарушаться в связи с проявлением азональных явлений. Так, в зоне развития кислородно-азотных газов могут проявляться наложенные зоны радоновых, углекислых, азотных и других газов.