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.