第6章 地下气体及其特征

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三、地下水中的气体成分
1. 氧(O2)、氮(N2)
(1)来源:
O2 主要来源于大气; N2 三个来源:大气、生物成因、变质成因。
(2)判别:
O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境 N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 大气中惰性气体(Ar, Kr, Xe)与N2的比值: (Ar, Kr, Xe)/ N2 = 0.0118,则N2是大气起源 (Ar, Kr, Xe)/ N2 < 0.0118,则N2有生物或变质起源
Hg0不易氧化, Hg+与Hg2+易从化合物中还原成自然汞。
6.3 汞气及其特性
二、地壳中的汞
地壳中汞的丰度为约77×10-7%,但整个地球中的丰度 可能要高得多。地壳中的汞,可以硫化物(HgS)呈富集 状态,但99.98%的汞呈吸附与吸留方式分散存在。
地壳中汞的来源有多种,有岩浆成因的,也有大气降雨 渗入成因的。一般说来,汞在超基性岩中趋于富集,在碱 性岩与碳酸盐岩中也较富集。
6.2 氡气及其特性
(3)水的携带作用:由于氡溶解于水中,因而地下水就成为
氡射气迁移的载体,其运动速度往往比扩散作用快得多。 (4)伴生气体的压力作用:氡是一种微量气体元素,在大多
数情况下,可在其它浓度大的土壤气体如O2 、 N2 、 CO2扩散
压力的推动下进行迁移。 (5)地热作用:由于地热梯度的存在,气体在向冷的部位迁
当深层水沿井筒向运移时,由于温度与压力等变化,部分溶 解气将转化成游离气,到井水面,可向大气释放,因此可以在井 口利用适当的集气装置收集气样后进行测试。
二、气体迁移形式:
赋存与活动于岩土空隙中
地下水中的气体
有时吸附于固体颗粒表面 有的以包裹体形式赋存于矿物晶体骨架之间
6.1 地下气体的成因与组成
6.2 氡气及其特性
氡的迁移与地震活动密切相关:地震活动对扩散作用、
携带作用、对流作用、地热作用等施加影响,地层中温度、 压力的变化必然改变氡射气的对流速度,地热梯度和伴生气 体压力、孕震过程中岩层产生应变,必然会影响扩散速度及 水的搬运作用的强度。
连续观测地下水中的氡含量变化,有可能捕捉到 地震的孕育信息。地震活动必将对氡射气的迁移、富集的
6.2 氡气及其特性
氡的衰变规律公式: Ct = Co ·e―λt
Ct : t 天后,水中氡的浓度;
Co : 水脱离岩石时的氡的浓度; e―λt : 氡的衰变函数值。
t
e―λt
5
10
15
20
25
30
40
50
0.4039 0.1632 0.0659 0.0266 0.0108 0.0043 0.0007 0.0001
火 成 岩
沉 积 岩
石英岩 砂岩 泥质岩 泥灰岩 灰岩
8 14 5 4 19
0.13 0.01 - - 0.01
0.30 0.12 - - 0.25
0.20 0.11 0.21 0.13 0.11
6.2 氡气及其特性
3. 氡的溶解特性
氡可溶于水中,在地下水中,主要以溶解氡和气氡的形式存在。
氡在液体中的浓度( Rn液/V液)与气体中的浓度( Rn气/V气)成
6.2 氡气及其特性
不同类型岩石的射气系数
土壤类型 泥炭土 灰化土 中粒灰化砂质粘土 砂质粘黑土 砂质灰黑土 红土 Kra 0.53 0.24---0.36 0.18 0.40 0.22 0.47---0.62
不同类型岩石的射气系数
岩石类型 片麻岩和花岗片麻岩 花岗岩和花岗闪长岩 花岗伟晶岩 石英斑岩 粗面流纹岩 样品数 13 11 2 2 27 Kmin 0.20 0.05 - - - Kmax 0.26 0.24 - - - K平均 0.22 0.17 0.28 0.04 0.15
6.3 汞气及其特性
汞蒸气具有较强的穿透能力,可以沿着地壳中的破碎带 与岩石中的空隙向四周扩散,形成汞气晕。因此,断裂带 特别是深大断裂带上,无论在岩土还是地下水中汞的含量 明显偏高。 汞化合物在地下水中的溶解度很低,加上岩土颗粒对汞 有较强的吸附力,因此地下水中汞的含量很低,每升水中 只含零点几μg至几μg,常称为超微量元素。
第六章 地下气体及其特征
6.1 地下气体的成因与组成 6.2 氡气及其特征 6.3 汞气及其特征
6.2 氡气及其特性
1. Rn的物理化学特性
Rn是无色、无臭的惰性气体,原子序数为86,比重 0.0096g/cm3,是Ra衰变的产物。 Rn自身也衰变,其半衰期为3.825天。
2. Rn的射气特性
含有Ra的岩石,具有向周围空间扩散氡气的能力,这种能 力称为岩石的射气作用。
正常动态产生明显影响。采用氡射气(溶解氡、逸出氡)作 为地震前兆观测项目有充分的理论依据。
第六章 地下气体及其特征
6.1 地下气体的成因与组成 6.2 氡气及其特征 6.3 汞气及其特征
6.3 汞气及其特性
一、汞(Hg)的基本性质
一般情况下呈液态存在的金属元素。它在门捷列夫元素 周期表中的序数为第80,原子量为200.59。 汞的密度为13.59g/cm3,熔点为-38.87℃,沸点为 356.58℃,即-38.87℃下呈固态,356.58℃下呈气态。 汞蒸气是单原子分子(Hg),汞在化合物中表现为0, +1,+2三种价态,互相间保持如下平衡关系:
力越强。
6.1 地下气体的成因与组成
3. 硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)
H2S来源:
硫酸盐还原:
硫化矿物分解: 火山喷发 H2S和CH4的存在表明还原环境 。
H2S一般出现在深层地下水中,油田水中含量很高,常以此作为寻
找石油的间接标志。
6.1 地下气体的成因与组成
三、 地下气体基本特性
1、不同成因的气体具有不同的组成特征
放射成因
放射性元素衰变生成
火山喷发成因 火山喷发物带出
He,Ar等 CO2 , CO , NH3 , NH4 , Cl , HCl , Cl2,S,N2等
6.1 地下百度文库体的成因与组成
2、同一种气体具有多种成因
水中H2的浓度,一般是在很小的范围内波动,但在较大的地震前表 现出几倍至几十倍于下沉背景的起伏,异常是非常显著的。 H2的动态 不稳定,但随着井深的增大其相对起伏幅度变弱。 CO2的来源多样。地下水中的CO2溶解度较高,且随温度的升高而增 大,随压力的增大而降低。正常情况下,井水中CO2的动态也不平稳, 但随着井孔深度的增大起伏相对变小,震前的CO2异常多表现为上升型 异常。 H2S是地下水中的常见气体,尤其是较深层封闭的含水层中。 H2S的 化学性质活泼,易溶于水,其溶解度随温度的升高而降低。 CH4是深层地下水中可见的气体,特别是赋存于油气田中,一般认为 CH4是生物化学成因的气体。
成因类型 大气成因 生物成因 化学成因 生成的作用 大气圈中的空气渗入地下而生 主要气体成分 N2,O2为主 CH4 , CO2 , H2S ,重烃, N2 , H2 微生物分解有机物与矿物盐类而生 等 CO2,H2S,H2,CH4,CO ,N2, 岩石在高温高压下变质生成 HCl,HF,NH3,SO2等 岩石在常温常压下化学反应生成 Cl,S,CO2等
6.2 氡气及其特性
岩石的射气作用可用三个参数来说明:
射气强度:1克岩石在1秒钟内析出的自由氡射气量。
射气能力:1克岩石在其建立放射平衡( Ra与Rn之间) 的时间内析出的总射气量。 在岩石的空隙中,氡以自由氡、吸附氡、封闭氡等形 式存在。所以,总射气量包括以上几种。 射气系数:在单位时间内,析出到岩石空隙中的自由 氡量与在同一时间间隔内形成的总射气量的比值。 不同的 岩石其射气系数不同,如下表:
随着水温度升高,氡的溶解系数减小。所以,相同条件下,冷水含氡量 高于热水。 此外,氡溶解系数随矿化度升高而减小。
6.2 氡气及其特性
4. 氡的积累与衰变
当地下水与岩石接触后,岩石中镭衰变所产生的氡便开始在水
中积累。水中氡的积累浓度由公式Ct = Cmax ·(1-e―λt ) 决定。
Ct :水与岩石接触,经历t时间后水中氡的浓度(Bg/L); Cmax:岩石提供的最大氡浓度(Bg/L); t :水与岩石接触的时间(天); λ:氡的衰变常数= 0.1813天; e :自然对数的底; 1-e―λt : 氡的积累函数.
6.1 地下气体的成因与组成
地下水中气体的存在形式:
可以在地下水中以溶解气形式存在,随地下水的运动而 流动;也可以游离气形式独立存在,且可相互转化。
地下水与地下气之间,一般处于不断溶解与不断逸出的状态平衡之 中,这一平衡取决于所处的温度与压力条件。 一般情况下,环境温度升高时气体的溶解度降低,即地下水中的气 体将由水中分离出来,有条件时会逸出水面;但环境压力升高时气体 的溶解度升高,即水中游离的气体或大气中的气体,将会进一步被溶 解于水中,使水中气体的含量升高。
6.1 地下气体的成因与组成
2. 二氧化碳(CO2)
来源:
大气——但含量较低,工业化城区含量高。
生物——土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用 变质——地球深部高温高压下变质生成:
400℃ CaCO3======CaO+CO2
人为——工业发展造成(温室效应) 作用:
地下水中CO2越多,其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作用的能
当t趋近于30天时, e―λt趋近于0,1―e―λt趋近于1,水中氡的浓度接
近于最大值。
6.2 氡气及其特性
5. 氡的迁移
氡射气在地下水体中的迁移是一个复杂的过程,大量的 试验和研究表明,氡射气的迁移经历了两个过程:
1. 原始迁移:氡从岩石进入到水中的过程;
2. 二次迁移:氡在水中的迁移。二次迁移是氡的
移时,带动了氡的迁移。
氡的浓度受多种因素的影响。
6.2 氡气及其特性
6. 氡与地震
地震孕育是与地壳活动紧密联系。震源体、区域构造活动场中 应力的积累会导致岩土的变形与破坏(首先,弹性变形,然后微 破裂,最张望发展到宏观破裂并发生地震)。 岩土的变形不仅会改变介质的受力状态,而且还会引起岩土空 隙的变化,水流条件的改变,可引起岩土中氡射气量变化,引起 水-岩相互作用发生变化,同时,浓度不等的氡水间发生混合。 岩土变形发展到一定阶段后,可能促使岩石破裂而发生振动, 振动又进一步促进岩土的射气作用,甚至可能促使深部物质上涌, 把深部的氡带到浅部的含水层来。
正比。 ( Rn液/V液)= ω · ( Rn气/V气) ω 为溶解系数,ω= 0.1057 + 0.405 e –0.0582 t , 是与温度 t 有关的函 数。
6.2 氡气及其特性
氡气的溶解系数与温度的关系
t (℃) ω 0 0.510 5 0.420 10 0.351 20 30 40 0.159 50 0.138 60 0.125 70 0.117 80 0.112 90 0.110 0.254 0.195
迁移的主要形式。
6.2 氡气及其特性
氡的迁移主要通过以下几个作用:
(1)扩散作用:氡射气的分子由于热运动而向浓度小的方向 移动。氡在岩石中的扩散取决于岩石的空隙度、透水性、湿度、 结构、温度等。当上述条件或某些条件改变,氡射气的扩散性 必然发生改变。 (2)对流作用:在氡射气的迁移作用中,对流作用仅次于扩 散作用。当岩层中存在着压力差时,氡射气可从压力高的部位 向压力低的部位迁移。因此,氡射气从深部向地表迁移主要靠 对流作用。
第六章 地下气体及其特征
6.1 地下气体的成因与组成 6.2 氡气及其特征 6.3 汞气及其特征
6.1 地下气体的成因与组成
地下气体是多种气体的混合气体。地壳中最为常
见的气体有N2,O2,CO2,Ar,H2,He,CH4,H2S
等。
一、气体存在形式: 赋存与活动于岩土空隙中 地下水中的气体 有时吸附于固体颗粒表面 有的以包裹体形式赋存于矿物晶体骨架之间
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