title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Газовый состав подземных вод

Газовый состав подземных вод

Обязательной составляющей каждой природной воды являются растворенные газы. Происхождение их может быть связано с атмосферой, процессами дегазации мантии, химическими и биохимическими процессами, происходящими в недрах Земли и на ее поверхности. Газовый состав природных вод характеризует их генезис, способность взаимодействия с горными породами, время нахождения в недрах Земли. Изучение газового состава природных вод дает исключительно важную информацию при решении многих геологических, гидрогеологических и инженерных задач.
Азот (N2). Содержание азота в атмосфере по объему составляет 78 %. Практически почти в любой природной воде имеется растворенный азот. Растворимость азота (при 0 °C и парциальном давлении 0,1 МПа) 23,6 мл/л, или 29,5 мг/л. В равновесии с воздухом может находиться 29,5*0,78=23 мг/л азота. Большая часть азота, растворенного в подземных водах верхних горизонтов, имеет атмосферное происхождение и его концентрация пропорциональна парциальному давлению газа. Кроме того, в областях современного вулканизма в газовом составе подземных вод может появиться небольшое количество азота вулканического (мантийного) генезиса. В нефтегазоносных районах в подземных водах появляется азот биогенного происхождения, связанный с разложением органического вещества нефти.
Для того чтобы определить долю азота биогенного или вулканогенного происхождения, часто пользуются коэффициентом Ar*100/N2, полагая при этом, что весь аргон в газовой составляющей имеет воздушное происхождение. Для воздуха этот коэффициент равен 3,18%; для воздуха, растворенного в воде, разница в растворимости аргона и азота изменяет коэффициент на 2,52%. Если в спонтанном газе Ar*100/N2 < 1,18, а в растворенном < 2,52, то предполагают, что избыточный азот невоздушного происхождения. Расчеты эти приблизительные, так как не учитывается радиогенный аргон.
Кислород (O2). Объемная доля кислорода в воздухе составляет 20,9 %. Растворимость кислорода (при 0 °C и парциальном давлении 0,1 МПа) 49,2 мл/л, или 70,3 мг/л. В равновесии с воздухом может находиться 70,3*0,209=14,7 мг/л кислорода. Близкие к этому значения содержания кислорода и характерны для поверхностных и близповерхностных грунтовых вод. Иногда в поверхностных водоемах под влиянием процессов фотосинтеза происходит пересыщение воды кислородом и его концентрации достигают 50—70 мг/л. Присутствие кислорода в природных водах имеет огромное биологическое и геохимическое значение. Кислород поддерживает существование организмов, населяющих водоемы, и окисляет остатки отмирающих организмов.
В недрах Земли кислород расходуется на окисление органических веществ, железа, сульфидов. Реакции эти часто протекают при участии аэробных бактерий, что приводит к появлению в подземных водах биогенного углекислого газа; к выпадению в осадок окислов и гидроокислов железа, цементирующих горные породы; к формированию мощных зон окисления и вторичного обогащения на сульфидных месторождениях.
В результате активно протекающих в недрах Земли химических реакций кислород быстро расходуется и на глубинах первых сотен метров его содержание обычно не превышает нескольких миллиграммов на литр. Глубже 1 км кислород обычно практически исчезает.
Углекислый газ (СО2). Является обязательным компонентом большинства природных вод. Содержание углекислого газа в воздухе невелико и составляет по объему в среднем 0,033 %. Поэтому, несмотря на высокую растворимость, воды, находящиеся в соприкосновении с атмосферой, содержат относительно мало углекислого газа. Растворимость углекислого газа при 0 °C и давлении 0,1 МПа составляет 1713 мл/л, или 3350 мг/л. Соответственно количество углекислого газа в воде, находящегося в равновесии с воздухом, составит 3350*0,00033=1,1 мг/л.
Подземные воды содержат значительно большее количество углекислого газа. Повсеместно протекающие процессы окисления органического вещества продуцируют углекислый газ, содержание которого в почвенном воздухе составляет обычно десятые доли процента и даже первые проценты. Соответственно увеличивается и содержание углекислого газа в грунтовых водах, составляющие обычно от 20—30 до 200—300 мг/л. Этот углекислый газ прежде всего расходуется на выщелачивание карбонатных солей и выветривание силикатных пород и формирует огромную массу пресных гидрокарбонатных вод зоны интенсивного водообмена. Резкие уменьшения концентраций углекислого газа в водах этой зоны возможны лишь в поверхностных водоемах в период интенсивного протекания фотосинтеза.
Другим мощным источником углекислоты в недрах являются процессы термального метаморфизма горных пород. На всех стадиях протекания термального метаморфизма происходят физико-химические процессы, продуцирующие углекислоту. Реакции эти протекают при температурах от 100 до 800—1100 °C и давлениях от 100—200 до 1000—1500 МПа. Выделяющийся в процессе метаморфизма углекислый газ поднимается по зонам тектонических нарушений к поверхности и, смешиваясь с подземными водами различного генезиса, формирует широкую гамму углекислых вод, химический состав которых может быть очень разным в зависимости от конкретной гидрогеологической ситуации. Концентрация углекислого газа в таких водах зависит от его парциального давления и температуры и обычно составляет 1—3 г/л, в редких случаях достигает 15—20 г/л. Наиболее известные примеры углекислых источников — Боржоми, Ессентуки, Кисловодские нарзаны на Кавказе.
Аргон (Ar). Является постоянной составляющей газового состава природных вод. Содержание аргона в воздухе по объему составляет 0,93%. Растворимость аргона при 0 °C и давлении 0,1 МПа составляет 57,8 мл/л, или 107,8 мг/л, т. е. того же порядка, что и остальных главных составляющих атмосферы (азота и кислорода). Вода, находящаяся в равновесии с воздухом, содержит около 0,96 мг/л аргона. Поскольку аргон как благородный газ не вступает в реакции с горными породами, его содержание принято использовать как показатель доли атмосферного газа в газовой составляющей природных вод. Изменение соотношения изотопов аргона в воде используется при прогнозе землетрясений.
Гелий (He). Это — один из самых распространенных во Вселенной газов, составляющий 23 % от общей массы звезд, планетарных туманностей и межзвездного газа. На Земле распространенность гелия ниже на 10 порядков. Содержание гелия в воздухе невелико и объемная доля составляет 5,24*10в-4 %. Растворимость гелия при 0 °C и давлении 0,1 МПа 9,7 мл/л, или 1,73 мг/л. Относительно малая распространенность гелия на Земле объясняется его диссипацией, в особенности в начальный период формирования нашей планеты. Гелий имеет два стабильных изотопа — 3He и 4He, причем содержание тяжелого изотопа всегда на несколько порядков выше. Для первичного (мантийного) гелия отношение 3Не/4Не составляет примерно 10в-4. Гелий, образующийся в результате радиоактивного распада урана и тория, характеризуется 3Не/4Не = 10в-8. Отношения 3Не/4Не для природных вод находятся в промежутке между этими значениями и являются генетическим признаком, помогающим исследовать происхождение тех или иных их разновидностей.
Водород (H2). Водород — самый распространенный элемент Вселенной. В земных условиях водород распространен прежде всего в виде соединения с кислородом — воды, а газ Н2 присутствует только на значительных глубинах. Растворимость водорода близка к растворимости азота и составляет при 0 °C и давлении 0,1 МПа 21,5 мл/л (1,9 мг/л). Водород может продуцироваться в недрах Земли в восстановительной обстановке. Значительные содержания водорода могут встречаться в водах современных океанических рифтов. Здесь под влиянием мантийных расплавов могут формироваться парогидротермы, в газовом составе которых объемные содержания водорода могут достигать нескольких десятков процентов. Наиболее яркие проявления таких вод описаны для современной рифтовой зоны Исландии.

title-icon Подобные новости