Газовый состав воды

Газы являются одной из ведущих составляющих подземной гидросферы. По В.И. Вернадскому, они определяют всю химию воды и находятся в динамическом равновесии: подземные воды – природные газы. Между свободными и растворенными газами также существует динамическое равновесие, определяемое температурой, давлением и соленостью воды. Основными газами подземной гидросферы являются О₂, N₂, СО_2, Н₂S, СН₄, С _nН_2n+2, Н₂ , NН₃ , Не, Rn и другие. В осадочных породах, по В.А. Соколову, содержится 2,14·10¹⁴т газов, среди которых преобладают СН₄ (39%), СО₂ (27%),N₂(26%), тяжелые УВ (6,4%), Н₂S (0,3%) и Н₂ (0,2%). В газах магматических пород преобладает СО₂ (83,8%).

Содержание газа в воде определяется газонасыщенностью, под которой понимается объем газа, растворенный при 0⁰С и нормальном давлении в 1 л воды. Газонасыщенность обычно выражается в объемах (мл/л) или весовых (мг/л) единицах. Объем растворенного газа 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). 1 атм = 0,1 МПа.

Способность к растворению газов в воде определяется коэффициентом растворимости каждого газа, т.е. количеством газа, насыщающего 1 л воды при 0⁰С и нормальном давлении. С ростом температуры коэффициент растворимости газов, а значит, и их растворимость вначале понижаются (табл. 8), но при температуре выше 80-90⁰С растут. С повышением давления растворимость газов растет значительно быстрее. Например, растворимость метана в дистиллированной воде при Т=70⁰С с повышением давления увеличивается следующим образом: при 7 МПа оно составляет 1175,5, а при 28 МПа – 3129,9 см³/л.

При одновременном увеличении давления и температуры свыше 100⁰С растворимость газа растет особенно резко. Поэтому на глубине 2-3 км воды содержат значительно больше газов, чем у дневной поверхности. Так, в водах океанов и морей содержится лишь 13 см³/л азота и 30 см³ /л кислорода. В подземных водах на глубине 3-4 км в среднем растворено примерно 500 см³/л газов, а в нефтегазоносных бассейнах, по данным А.А. Карцева, даже 1000-1500 см³/л, из которых основную часть составляет метан.

Таблица 8

Растворимость газов в воде, мл/л (по Ф.Ф. Лаптеву, И.Ю. Соколову)

Газ	Температура, ^0С
Азот(N)	23,5	18,6	15,5	13,4	11,8	10,9
Водород (Н2)	21,7	19,8	18,2	17,2	16,6	16,3
Кислород (О2)	48,9	38,0	31,0	26,1	23,1	20,9
Метан (СН4)	55,6	41,8	33,1	27,6	23,7	21,3
Сероводород (Н2S)
Диоксид углерода (СО2)

Максимально достоверные концентрации газов в воде установлены следующие: кислород - 20 мг/л, сероводород - 37 г/л, диоксид углерода - 40 г/л, метан +ТУ - 13000 см³/л, азот - 1200 мл/л, водород - 1500 мл/л и т.д. Общее же количество растворенных в подземной гидросфере 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 называемый эффект высаливания. Например, растворимость метана при 20⁰С 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 (О₂, СО₂, N₂, Аr, Кr, Nе), которые проникают в подземную гидросферу из воздуха;

2) газы биохимического происхождения (СН₄, Н₂S, СО₂, N₂, тяжелые углеводороды), образующиеся при разложении микроорганизмами органических и минеральных веществ;

3) газы метаморфического и магматического происхождения (СО₂, Н₂, СО, N₂, реже НСl, НF, SО₂, NН₃, Не – из мантии), образующиеся при повышенных температурах и давлениях в результате преобразования карбонатных и глинистых минералов и воздействия магматических расплавов;

4) газы радиоактивного происхождения (Не, Rn, Аr, ³Н), образующиеся в результате радиоактивного распада.

Газы атмосферного происхождения распространены преимущественно в инфильтрационных водах, развитых в зоне активного водообмена; биохимического генезиса – в седиментационных водах зоны весьма 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.

По данным А.М. Овчинникова, А.В. Щербакова, Л.М. Зорькина и др., с глубиной резко меняется газовый состав и газонасыщенность подземных вод. Если в неглубоких водах зоны активного водообмена преобладают кислород и азот при газонасыщенности не более 100 мл/л, то в глубоких водах зоны затрудненного водообмена преобладающим газом становится метан, а газонасыщенность вод достигает 10 000 мл/л и более. С глубиной уменьшается роль азота и возрастает роль СО₂, Н₂S, и Н₂ (при преобладающем значении СН₄ + 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.

Дата добавления: 2014-01-07