3.4.2.4. Водяной пар (газообразная вода)

Водяной пар содержится в атмосфере, в т.ч. в приземном слое (4.1), в деятельном слое (4.2) и в составе геологических газов (4.3): вулканических, метаморфических и радиогенных. Имеет шесть разновидностей водяного пара: атмосферный, подземный сообщающийся, подземный изолированный, вулканический, метаморфический, радиогенный (4.1.1 … 4.3.6). Геологические пары́ воды (табл. 13, шифр 4.3.4 … 4.3.6), поднимающиеся из глубин Земли, конденсируются по мере поступления в гидросферу в качестве ювенильных (лат. juvenilis – юный) вод, названных так в 1902 г. Э. Зюссом. Ювенильные воды в земной коре смешиваются с водами иного происхождения, содержащимися в ней. Отличаются повышенным содержанием диоксида углерода СО₂, гелия Не и водорода Н₂.

3.4.2.5. Лёд (твёрдая модификация воды)

Лёд как твёрдая модификация воды относится к пятому классу и включает 8 видов, объединяющих 15 разновидностей льда. Только один из них (5.1) – иней – при скачкообразном понижении температуры до – 9,5 ^ºС и ниже образуется из водяного пара, находящегося в воздухе. Другими словами, пар сразу переходит в твёрдый лёд, минуя стадию жидкости. Это явление называется сублимацией, переходом вещества из одного состояния в третье, минуя второе. При этом реализуется фазовый переход первого рода, для которого характерно скачкообразное изменение термодинамического потенциала (температуры). Иней обнаруживается по тонким игольчатым кристаллам ёлочнообразного рисунка, совершенно асимметричного по длине и простиранию.

Известные особенности и свойства льда, по П.А. Шумскому, описаны выше в главе 3.3.6.1 и систематизированы в нашей классификации (табл. 13), которая включает, кроме инея и дисперсного льда, дополнительно новый вид льда – режеляционный пóровый (5.3) – и его разновидность – смёрзшиеся кристаллы (5.3.3).

3.5. Газообразные компоненты грунтов

Формулировка газа. Газ (греч. сhaos – хаос) – агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов, ионов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействия между ними, в связи с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полей весь предоставленный им объём. Газовая оболочка Земли (атмосфера) описана в гл. 1.1.3.

Состав газов разнообразен и изменяется в широком диапазоне. В зоне аэрации пóрового пространства грунтов происходит газообмен между частицами, поступающими из атмосферы или из соседних толщ грунтов, что определяет эпигенез (греч. epi – над, возле) газов в грунте. Основная масса газов присутствует в осадочных породах. В порах грунтов газы могут находиться в свободном, адсорбированном и защемлённом состояниях, а также присутствовать в воде, заполняющей поры, в виде мелких пузырьков или в растворённом состоянии.

Газы в грунтах составляют неотъемлемый газовый компонент и по номинациям генезиса подразделяются на четыре разновидности: геологические, подземные, биогенные и техногенные, что и рассматривается ниже.

3.5.1. Газы геологические

Газы магматического происхождения возникают при остывании магмы с бурным выделением газовых компонентов, таких как сероводород H₂S, фтористый водород HF. Кроме того, метаморфические и осадочные процессы на глубине 60…100 км приводят к образованию четырёх видов геологических газов: вулканических, газов в осадочном чехле, метаморфических и радиогенных.

Вулканические газы связаны с дегазацией мантии и содержат 90…95 % паров воды. Эти газы насыщают толщи вулканических отложений вблизи вулканов, проникают в пепловые отложения, туфы и выделяются в атмосферу при извержении вулканов. В спонтанных газах гидротермальных источников пока идентифицировано более 60 неорганических и органических соединений, входящих в состав вулканических газов. Вулканические газы включены в классификацию как разновидность пара 4.3.4 в табл. 13.

В осадочном чехле земной коры до начала метаморфизма пород газы выделяются в результате преобразования органического вещества, т.е. прессования его по мере увеличения давления от 10 до 200…250 МПа и температуры от 25 …30 ºС до 250…300 ºС. Это сопровождается опусканием осадочных пород на глубину. При этом образуется каменный уголь и происходит эмиссия (лат. emission – испускание, излучение) газа (в основном метана СН₄)до 98 % и др. горючих углеводородов. Они скапливаются в угольных пластах и находятся в растворённом (в нефти и пластовых водах), рассеянном (сорбированном породами) и твёрдом (в газогидратных залежах) состояниях. Растворённые в нефти газы (пропан, бутан) по мере нефтедобычи выделяются из неё как газы нефтяные попутные в результате снижения давления в залежах. Попутные газы, генетически тесно связанные с нефтью, используются в химической промышленности.

Газы в осадочном чехле представляют собой весьма дешёвое и удобное топливо, удельная теплотворная способность которого составляет 50 МДж/кг. Это самое высокое значение среди всех видов топлива. Основной представитель природного газа – метан – обладает характерными свойствами. Он бесцветен, без запаха, горит почти бесцветным пламенем, с воздухом образует взрывоопасные смеси, что и наблюдается в угольных шахтах, подземных выработках и иных сооружениях.

Метаморфические газы образуются на более поздних стадиях метаморфизма горных пород и связаны с зонами тектонических нарушений. Дегазация недр планеты происходит по всей её поверхности, но наиболее интенсивно – по бесчисленным разломам земной коры. Метаморфизм, возникающий в результате реакций между скоплениями летучих компонентов в остаточном расплаве и минералами, Н.А. Елисеев называет автометаморфизмом. В целом, при формировании различных типов метаморфических горных пород летучие компоненты (по Н.А. Елисееву) играют очень важную роль.

В составе метаморфических газов присутствуют пары́ воды (4.3.5), а также углекислый газ СО₂, сероводород H₂S, азот N₂ и водород Н₂.

Радиогенные газы являют собой продукты распада естественных радиоактивных элементов (урана, тория, калия) и несут информацию о недрах планеты. В грунтах основную долю радиогенных газов составляют благородные газы: гелий Не и радон Rn, а также аргон Ar.

Необычна вышеупомянутая гора Янгантау (гл. 2.1.2), которая характеризовалась П.С.Палласом так: «Из открытых трещин поднимается беспрестанно тонкий, против солнца дрожащий пар, к которому рукой невозможно прикоснуться». Здесь имеются сернистые, цинковые и радоновые источники. Газы мало отличаются от обычного водяного пара (4.3.6) или воздуха, лишены цвета и запаха, но имеют достаточно высокую, постоянную температуру. В составе их имеются углекислый газ, азот, радон, тяжёлая вода (табл. 13, класс 3.6.11). Конденсатный пар содержит заметное количество органических веществ (смол, фенолов) и биологически активные элементы (магний Mg, железо Fe, фосфор P). Лечебные свойств ингредиентов подземного газа используются на курорте «Янгантау» (гл. 1.3.2).

Имеется много версий о причинах выделения тёплых паров и газов из-под земли. В 70-80 гг. 20 в. С.Г. Фаттахутдинов (АН РБ) высказал свою гипотезу о природном ядерном реакторе и редком метеорите, ставшем катализатором термальных подземных процессов.