2.5. Газовая компонента грунтов

2.5.1. Распространение, состав и свойства газовой компоненты грунта

Газы в любом состоянии оказывают влияние на различные свойства грунтов. Поскольку физические характеристики газов резко отличны от аналогичных параметров твердой и жидкой части грунта, то наиболее существенно от газосодержания зависят физические характеристики грунтов – их плотности, теплофизические параметры (теплоемкость, теплопроводность и др.), проницаемость, а также физико-механические свойства.

Состояние газов в грунтах. Газы в порах грунтов могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состоянии; они могут присутствовать в воде, заполняющей поры, в виде мелких пузырьков или в ра­створенном состоянии. На изменение физических и физико-механических характеристик грунтов влияет содержание как адсорбированных, так и свободных и защемленных газов.

Свободные газы содержатся в сообщающихся порах грунта, т. е. их количество зависит от открытой пористости грунта и степени его водонасыщения Sr. Исследования показывают, что свободный воздух может находиться в грунтах лишь при небольшой степени влажности – при S_r<0,5–0,6. При увеличении S_r до 0,8–0,9 свободные газы постепенно защемляются в порах капиллярной водой и переходят в категорию защемленных. Свободные газы в грунтах зоны аэрации находятся под атмосферным дав­лением, а в грунтах, отделенных от атмосферы малопроницаемыми породами, они могут находиться под высоким давле­нием, вплоть до образования сжиженных газов. Давление в свободном газе определяется законом Клапейрона–Менделеева.

Адсорбированные газы удерживаются на поверхности грунтовых частиц под воздействием молекулярных сил притяжения. Благодаря этим силам в сухом грунте на поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые «пленки», нижние слои которых находятся под давлением в несколь­ко десятков или даже сотен мегапаскалей; верхние слои менее прочно связа­ны с грунтовыми частицами (испытываемое ими давление близко к атмосферному). Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от их мине­рального состава, присутствия гумуса и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов. Обычно со­держание адсорбированных газов в почвах подзолистой полосы колеблется от 2 до 7 см³ на 100 г почвы, а для чернозема в пределах 8–15 см³ на 100 г почвы. С ростом дисперсности грунта количество адсорбированных газов в нем увеличивается. Для кварцевого мелкозернистого песка содержание адсорбированных газов было меньше 1 см³ на 100 г, т. е. в несколько раз меньше его обычного содержания в почвах. Интенсивность адсорбции элементов, составляющих газовую компоненту, на поверхности минеральных частиц меняется в ряду: СО₂ > N₂ > О₂ > Н₂, поэтому адсорбированные газы по составу отличаются от газов, находящихся в свободном состоянии. При увлажнении грунта происходит вытеснение адсорбированных газов водной пленкой.

Защемленные газы образуются на отдельных его участках грунта при одновременном избыточном увлажнении снизу и сверху. Защемленные газы могут занимать значительные участки внутри грунтов или находиться только в небольших количествах в тончайших микропорах. В отличие от адсорбированных максимальное количество защемленных газов) образуется при какой-то оптимальной влажности грунта. Защем­ленные газы могут занимать в глинистых грунтах до 20–25 % от объема пор. Давление в пузырьках защемленного воздуха зависит от поверхностного натяжения воды на контакте с воздухом. Оно превышает давле­ние в окружающей капиллярной воде на величину капиллярного давления, определяемого уравнением Лапласа: Р_кап = 2σ/r, где σ – коэффициент поверхностного натяжения воды; r – радиус пузырька защемленного воздуха.

Растворенные газы образуются за счет растворения в поровом ра­створе. При этом в зависимости от состава газа и растворителя могут форми­роваться поровые растворы, обусловливающие их различную химическую аг­рессивность, например углекислотную (при растворении СО₂ в воде), серно­кислую и др. Согласно закону Генри, отношение мольного объема растворенного газа, к объему жидкости при данной температуре и давлении – величина постоян­ная, называемая коэффициентом растворимости, или коэффициентом Генри. В то же время следует иметь в виду, что многие газы (например, НNО₂, NН₄, СН₂О, SО₂, и др.) могут обладать повышенной растворимостью за счет образования и растворе других химических форм. На образование растворенных газов существенно влияет температура и давление: с увеличением давления растворимость большинства газов возрас­тает, поэтому их количество в земной коре увеличивается с глубиной. Но по мере нагревания воды количество растворенного воздуха в ней уменьшается.

Сопоставление количества газов, сосредоточенных в месторождениях нефти, газа, угля и рассеянных в породах, показывает, что основная масса присутствует в осадочных породах в рассеянном состоянии [50].

Состояние газов в грунтах криолитозоны отличается от аналогичных та­лых или немерзлых грунтов. Это обусловлено особенностями и характером термодинамического равновесия газов, незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах. Газы способны растворяться во льду, хотя не так интенсив­но, как в воде. Так, растворимость метана во льду ниже растворимости в воде на 3 порядка [50].

Защемленные газы в порах грунта часто находятся под давлением, создаваемым разными причинами, например движением фронта промерза­ния, фазовыми переходами в промерзающей породе (кристаллизационный давлением), капиллярной пропиткой толщи, увеличением гидростатическо­го давления, увеличением температуры и др. В состоянии равновесия это давление равно давлению в жидкой фазе, контактирующей с газом и обуслов­ливающей так называемое поровое давление. Величина порового давления влияет на многие физико-механические свойства грунтов, в частности на их прочность и сжимаемость под нагрузкой. Сжимаясь, пузырь­ки защемленных газов уменьшают свой объем, и при определенном соотно­шении диаметра и размера пор они могут перейти из защемленного в свобод­ное состояние, что может сопровождаться резким прорывом газов из пор грунта и сбросом порового давления. Подобное явление может вызывать разрушение земляных насыпей, дамб и т. п. [49].

Газы в грунтах по условиям и особенностям генезиса могут быть природного и антропогенного (техногенного) происхождения. Среди газов природного происхождения выделяется три генетические типа газов – геологического, атмосферного и биологического происхождения. Природные газы могут быть сингенетическими (т. е. образованными одновременно с формированием породы) и эпигенетическими (т. е. поступившими в грунт в результате газообмена с соседними толщами или с атмосферой).

Газы геологического происхождения (эндогенного и экзогенного) формируются в ходе магматических (вулканических), метаморфических и радиогенных процессов, а также в результате осадочного процесса. Состав и особенности газов подземной атмосферы в разных частях земной коры неодинаковы [50].

Вулканические газы, поступающие вместе с магмой из глубоких недр Земли, связанные с дегазацией. Главными в их составе являются пары воды (до 90–95 %), затем следуют СО₂, Н₂, SО₂, Н₂S, НС1, НF, в виде примесей в них содержатся N₂, NH₃, Аг, Не, а также органические соединения.

В газах гидротермальных источников определено более 60 неорганических и органических соединений, последние представлены углеводородами, легколетучими карбонильными соединениями, спиртами, галогенуглеводородами.

Газы образуются также в результате катагенетического преобразования органического вещества. В основном это метан и другие горючие углеводороды. Для нефтяных месторождений характерны СН₄, тяжелые углеводородные газы (ТУ), N и СО₂, а в качестве примесей – Н₂S₂, Н, и благородные газы, в газовых месторождениях набор такой же, но ТУ обычно присутствуют как примеси. Тот же видовой газовый состав типичен и для районов место­рождений каменного угля, но среди основных газов следует назвать только катагенетический метан, все прочие образуют примеси.

Метаморфические газы образуются на последующих (вслед за катагенезом) стадиях метаморфизма горных пород вплоть до их расплавления, при котором выделяются так называемые газы возрождения. Наибольшие газовыделения на поверхность Земли обычно связаны с зонами тектонических нарушений. В составе таких газов присутствуют пары воды Н₂0, а также СО₂, N₂, Н₂S и Н₂; основным компонентом является СО₂, за ним по величине средней концентрации и частоте встречаемости следует N₂.

Радиогенные газы представлены благородными газами. Гелий, радон и аргон-40 составляют основную долю радиогенных газов в грунтах. Уран и торий в процессе радиоактивного распада генерируют альфа-частицы, которые есть не что иное, как ядра элемента гелия.

Газы зоны аэрации представлены СО₂, Н₂, О₂, наиболее важные примеси – Аг (и другие благородные газы), СН₄, Н₂. Преимущественно воздушными по происхождению являются азот, кислород и благородные газы. В почвенной части грунтовой толщи кислорода и азота, как правило, меньше, чем в атмосфере. Это объясняется тем, что в почве происходят процессы их поглощения и выделение углекислоты. Общее количество водяного пара в грунте не превышает 0,001 % от веса грунта. Газы грунтов зоны аэрации чаще всего являются эпигенетическими, так как содержат примеси, поступающие из атмосферы.

Биогенные газы формируются за счет жизнедеятельности в них различных организмов от одноклеточных бактерий до высших растений животных. Биогенные газы в грунтах представляют главным образом органические соединения. Природные горючие газы состоят из метана (до 98 %), а также из смеси этана, пропана бутана, изобутана и пентана. Шахтный метан возникает в процессе трансформации органических остатков в уголь под влиянием высоких давлений и температур.

Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Величина эмиссии метана в западносибирских болотах колеблется, по данным Н.М. Бажина (2000), в интервале от 0,1 до 40 мг/(м²ч). Кроме метана биохимическим путем (в основном при бактериальном разложении, реже при восстановлении минеральных солей) образуется углекислый газ (СО₂), сероводород (H₂S), водород (H₂). При этом наибольшее значение среди газов имеет СО₂, количество которого в почвенном воздухе составляет от 0,2 до 2 % (по объему).

Техногенные газы являются результатом хозяйственной деятельности человека. В грунтах на городских территориях содержится широкий спектр органических газов. Захороненные отходы выделяют в окружающий толщи серосодержащие газообразные соединения (диметилсульфид, диметилдисульфид, сероуглерод и др.), ароматические и непредельные углеводороды, терпены, спирты и карбонильные соединения, а в наибольших количествах метан. Наиболее опасны долгоживушие газообразные загрязнители грунтов типа диоксинов, являющихся экотоксикантами.

По химическому составу по преобладающему компоненту все газы в грунтах делятся на три основные группы: углеводородные, азотные, углекислотные. Чистые газы в грунтах практически никогда не встречаются: из-за способности газов легко смешиваться друг с другом они чаще всего в грунтах представляют собой газовые смеси сложного состава [50].

В горной про­мышленности количество газов, содержащиеся в грунтах, определяют газообильность горных выработок, под которой понимается объем поступающего в выработку газа за еди­ницу времени (абсолютная газообильность горной выработки) или объем выделяемого газа, отнесенный к массе или объему разрабатываемых горных пород, угля или руды (относительная газообильность). С повышенным давлением газов в горных породах связаны и так называемые газодинамические явления. К ним относятся быстро протекающие разрушения газоносных пластов угля, руд и горных пород в призабойных частях подгото­вительных и очистительных выработок, сопровождающиеся повышенным выделением газа и перемещением или выбросом разрушенных масс горных пород. Кроме того, сжимаемость порового защемленного газа может придавать грунту своеобразные демпфирующие свойства при действии на грунт внеш­него давления. При этом с увеличением давления грунт будет сжиматься и уменьшаться в объеме, а при сбросе давления грунт будет расширяться, вос­станавливая свой объем. Сжимаемость защемленных газов в грунтах может обусловливать и длительную осадку сооружений.

Техногенное загрязнение органическими веществами подземного пространства в сочетании с воздействием погребенных болотных отложений способствует значительной активизации микробиологической деятельности отдельных физиологических групп микроорганизмов, либо микробиоты в целом. Кроме того, важным условием жизнеспособности микробиоты в подземном пространстве города служат застойный гидродинамический режим верхних водоносных горизонтов и отепляющее воздействие наземных сооружений и подземных коммуникаций. Жизнедеятельность микроорганизмов в грунте сопровождается накоплением живых и мертвых клеток микроорганизмов, продуктов их метаболизма, среди которых наиболее активное воздействие оказывают ферменты, органические кислоты, а также генерируемые ими газы. Основным продуктом дыхания микроорганизмов является СО₂. Достаточно часто в подземном пространстве города наблюдается биогенная сульфатредукция. В результате этой реакции выделяющийся сероводород даже в небольших концентрациях (3 мг/л) приводит к резкому снижению Eh среды. Генерация сероводорода способствует образованию вторичного сульфидного минерала – гидротроилита (FeS·nН₂О), который ухудшает водные и механические свойства грунтов. Растворенные в поровом растворе газы в зависимости от состава форми­руют химическую агрессивность. Газы СО₂ и H₂S хорошо растворяются в воде и повышают ее агрессивность по отношению к строительным материалам подземных конструкций зданий и сооружений. Известно, что развитие процесса карстообразования в карбонатных породах резко усиливается при увеличении содержания в порах растворенного углекислого газа. Окисление H₂S способствует росту содержания сульфат-иона и снижению величины рН подземных вод ниже 4, что вызывает коррозию металла, бетонов, а также природных камней, которые применялись для строительства фундаментов и подземных частей сооружений в XVII–XIX веках, известняков и песчаников на карбонатном цементе. Окисление метана, образовывающегося в результате биохимической генерации, сопровождается образованием СО₂ и воды, что формирует углекислую агрессию вод по отношению к бетону, строительным растворам, изготовленным на основе извести и гидравлического вяжущего [118].