Газовый состав воды - раздел Геология, Вода в геосферах Земли Газы Являются Одной Из Ведущих Составляющих Подземной Гидросферы. По В.и. Вер...
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, СО2, Н2S, СН4, С nН2n+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. 5), 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 5
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.
Все темы данного раздела:
Надземная гидросфера
На Земле выделяют 4 геосферы: 1) атмосфера, 2) гидросфера, 3) литосфера, 4) биосфера. Кроме собственно «водяной» сферы – гидросферы вода охватывает и все остальные оболочки, она отмечается всюду и
Влажность воздуха
Иметь сведения из метеорологии и климатологии гидрологам необходимо для правильного суждения об условиях питания и режима подземных вод.
Атмосфера окружает нашу планету тонким слоем, не им
Испарение и Транспирация
Процесс превращения воды из жидкого состояния в парообразное – испарение. Фактически наблюдаемое испарение представляет собой разность между количеством молекул, вылетающих с испаряемой пове
Атмосферные осадки
Атмосферные осадки оказывают большое влияние на формирование рельефа и питания подземных вод. От количества, интенсивности и вида осадков зависят состав почв, развитие коры выветривания, площадной
Виды воды в атмосфере
Уникальность свойств воды определяет разнообразие форм ее нахождения. В нижних слоях тропосферы преобладает лед и вода, а взаимопереходы их контролируются t, облака, дождь и снег здесь по массе пре
Наземная гидросфера
Она охватывает мировой океан, все внешние и внутренние моря, озера, реки. Состав воды Мирового океана удивительно однообразный.
В воде Мирового океана растворены все известные на Земле вещ
Гидрологический круговорот воды
Нагревание земной поверхности солнечным теплом вызывает постоянный круговорот влаги в природе. Под влиянием нагревания – испарение влаги с поверхности океанов, морей, рек, а также суши и растительн
Малый и большой круговороты воды
Различают малый и большой круговорот воды в природе:
- при малом круговороте испарившаяся с поверхности морей и океанов влага выпадает здесь же, на водной поверхности и не пе
Поверхностный сток
Поверхностный сток составляет временные и постоянно действующие водотоки, которые сливаясь вместе, образуют реки. Реки питаются как поверхностными, так и подземными водами. Роль того или иного вида
Подземный сток
Подземный сток формируется за счет подземных вод, которые залегают и движутся в водопроницаемых горных породах, принимающих участие в геологическом строении водосборных бассейнов. Подземный сток им
Строение подземной гидросферы
В вертикальном разрезе подземной гидросферы условно выделяют (сверху вниз) 3 зоны:
1) зона аэрации;
2) зона насыщения;
3) зона надкритического состояния воды.
СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
По современным представлениям гидрогеологическая структура – это элементарное геологическое пространство, заполненное водой. Оно является двуединым, то есть первичным (пора) и вторичным (трещина) (
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ
Понятие «подземные водные резервуары» (ПВР) тесно связано со структурно-гидрогеологическими подразделениями. ПВР классифицируются по условиям залегания и по условиям движения подземных вод.
Гидрогеологический цикл и его этапы
Вся история гидрогеологического развития подземных водных резервуаров подчиняется закону тектонической цикличности и теснейшим образом с ней связана.
Гидрогеологический цикл
Формирование ресурсов подземных вод
Понятие о ресурсах подземных вод прямо связано с их происхождением. На основе современных теоретических представлений можно выделить следующие пути образования подземных вод (генетические типы):
Процессы формирования состава подземных вод
Основными процессами формирования состава подземных вод являются: выщелачивание пород, обменные реакции между водами и породами, окислительно-восстановительные реакции, гидратация и дегидратация ми
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ
Это расчленение разреза подземной гидросферы на таксономические единицы различного масштаба. В основу гидрогеологической стратификации положено разделение горных пород на водоносные и вод
Гидрогеологическая стратификация ЗСМБ
На территории Западно-Сибирской равнины выделяется как водный резервуар – Западно-Сибирский гидрогеологический мегабассейн (ЗСМБ).
Таксонами 1-ого порядка в его составе являются сложные, н
ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Первую классификацию видов воды в горных породах дал замечательный ученый экспериментатор А.Ф. Лебедев в 1936 году с выделением 7 видов воды. Затем были и другие классификации, а последней была пре
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Следует различать движение воды, которое происходит в порах и трещинах, не насыщенных водой, от движения ее в водонасыщенных пластах. Ненасыщенные породы обычно встречаются в зоне аэрации, где влаг
Элементы фильтрационного потока. Закон Дарси
Фильтрационный поток – это условный поток жидкости через пористое (трещинное) пространство. Условность заключается в допущении, что фильтрационный поток идет через всю породу. Реальный поток движет
Методы определения коэффициента фильтрации
Коэффициент фильтрации K определяется как лабораторными, так и полевыми методами (откачки, наливы, нагнетания). Второй способ гораздо точнее первого. Все эти методы изложены в курсах «Динамика подз
Особенности движения подземных вод повышенной минерализации
Выведенный А.Дарси коэффициент фильтрации (К) корректен только для пресных подземных вод, т.к. он не зависит от свойств фильтрующихся флюидов. В то же время глубокие горизонты подзе
Установившееся и неустановившееся движение
Характер движения подземных вод может быть установившимся и неустановившимся во времени. Это связано с изменением уровня подземных вод, напорного градиента, скорости и расхода. Изменения связаны с
Гидрогеотермический режим земной коры
Тепловой режим Земли формируется под влиянием различных источников тепловой энергии – внешних (космос) и внутренних (планетарные).
Внешние (космические) источники тепла – сол
Кондуктивная теплопередача.
Основным механизмом перераспределения тепла в Земной коре многие считают кондуктивную теплопроводность горных пород. Здесь происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов, э
Конвективный теплоперенос.
Агентами его являются подземные воды, пароводяная смесь и магматические расплавы. Экспериментальные данные показали, что количество тепла, выносимого подземными водами, не только соизмеримо с конду
Тепловое излучение.
Энергетика всех видов излучений, как Вам известно из курса физики (физические поля) проявляется комплексно (тепловое, электрическое, электромагнитное, волновое и др.). С позиций классической теории
Геотемпературное поле
Геотемпературное поле представляет собой распределение температуры внутри Земли. Существуют понятия идеального (теоретического), нормального и аномального полей.
Кроме того, в гидрогеологи
Практическое применение геотермических методов в гидрогеологии
По температуре подземных вод можно устанавливать глубины их залегания, характер источников и их связь с определенными водоносными горизонтами. В процессе гидрогеологической съемки геотермические ме
Распространение воды на Земле и уникальность ее свойств
По сравнению с водородом (отец воды, 93% атомов вселенной) вода во вселенной – вещество более редкое из планет солнечной системы. Только на Марсе и Юпитере имеется незначительное количество воды. Н
Строение и структура воды
В 30-х годах 20века Д. Бернал и Р. Фаулер, исследуя строение воды, установили, что ее молекула окружена по тетраэдру четырьмя другими. То есть жидкая вода имеет сложное строение, а отдельные молеку
Изотопный состав воды
Изучение изотопов кислорода (О16, О17, О18) и водорода (Н1, Н2, Н3) показало, что в зависимости от их комбинаций может существовать
Физические свойства воды
К главнейшим физическим свойствам природных вод, которые обычно определяются при гидрогеологических исследованиях, относятся: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах, удельный вес.
Макрокомпоненты
Макрокомпонентысодержатся в концентрациях 1 мг/л и выше. Сюда относятся Na, Ca, Mg и Сl, присутствующие в виде простых ионов, а также углерод, сера, азот, кислород, водород и кремний, присутствующи
Микрокомпоненты
Содержание их в воде, как правило, составляет доли мг/л (мкг/л). Однако отдельные микрокомпоненты могут встречаться в природных водах и в довольно значительных количествах - до г/л, например В
Ионное произведение и активная реакция воды. рН.
Как известно, вода диссоциирует по уравнению:
Н2О↔Н+ + ОН-
Однако степень диссоциации воды очень мала. При температуре = 220С из
Окислительно-восстановительный потенциал воды
Окислительно-восстановительные реакции, связаны с потерей или присоединением электронов:
Fe2+ ↔ Fe3++e или Fe2+ - e = Fe3+
Окисли
Типы химического анализа при гидрогеологических исследованиях
Химический анализ природных вод проводится при решении следующих задач:
1) изучение закономерностей формирования и распространения природных вод различного состава;
2) поиски мест
Бактериологический состав воды
Микробиологические исследования воды проводятся для различных целей (санитарная оценка питьевой воды, поиски нефтегазовых и рудных месторождений, оценка характера и интенсивности биохимических проц
Жесткость воды
Жесткость воды – это свойство, обусловленное солями кальция и магния. Жесткая вода не дает пены при намыливании, образует накипь в паровых котлах; она непригодна для сахарной, кожевенной и м
Агрессивность воды
Это способность воды разрушать различные сооружения. Различают: углекислотную, выщелачивающую, общекислотную, сульфатную, магнезиальную и кислородную агрессивности.
Углекислотная агресс
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КРИОЛИТОЗОНЫ
Многолетнемерзлые горные породы занимают около 25 % территории всей земной суши. Особенно они распространены в северном полушарии. Территория нашей страны примерно на 60% представлена площадью с на
Надмерзлотные воды деятельного слоя
Распространены повсеместно. Водоупорным основанием (подошвой) является верхняя поверхность мерзлоты, неровности, которой обусловливают изменение мощности водоносного горизонта. Область питания и ра
Межмерзлотные воды
воды в жидкой фазе воды в твердой фазе
Межмерзлотные воды в жидкой фазе
Залегают в зоне многолетнемерзлых осадочных, магматических и метамор
Подмерзлотные воды
Подмерзлотные воды залегают или непосредственно под зоной мерзлых горных пород или отделены от ее нижней границы водоупором. Они встречаются только в жидкой фазе. Обладают напором.
При изу
ОСНОВЫ ПАЛЕОГИДРОГЕОЛОГИИ
Палеогидрогеология – это раздел гидрогеологии, задачей которого является восстановление гидрогеологической истории региона, бассейна или водоносного комплекса. Другими словами это реконструкция гид
Теоретические основы нефтегазовой гидрогеологии
Роль подземных вод как фактора, созидающего и разрушающего нефтегазовые месторождения (НГМ) по мнению многих специалистов и ученых, является решающей. При этом гидрогеологические условия формирован
Растворенные углеводородные газы
В подземных водах нашей планеты растворено громадное количество газа, причем в глубоких горизонтах основная доля приходится на метан, а для нефтегазоносных отложений наиболее характерны углеводород
Воднорастворенные органические вещества (ВРОВ)
В подземных водах НГБ обнаруживается значительный комплекс органических соединений, в ионной, молекулярной, коллоидной формах, а так же в виде металл - органических комплексных соединениях. Их изуч
Гидрогеологические условия, благоприятные для сохранения и разрушения залежей нефти и газа
Весь процесс образования формирования и сохранения сформировавшихся залежей нефти и газа непрерывно связан с историей формирования подземных вод и их химического состава.
При этом благопри
Минимальные значения углов падения пластов при сохранении
залежей газа и нефти от полного вымывания (pв=1, pн=0,8, pг=0,001)
Гидравлический уклон
Углы
Новости и инфо для студентов