Газовая компонента грунтов

Происхождение и состав газов в грунтах
природного
антропогенного (техногенного)

Газы природного происхождения
А. Газы геологического происхождения
Б. Газы атмосферного происхождения
В. Газы биологического происхождения

А. Газы геологического происхождения
вулканические,
катагенетические,
метаморфические
радиогенные

Вулканические
Условия формирования:
Поступают вместе с магмой из глубоких недр Земли. Выделяются в атмосферу при дегазации мантии.
Состав:
Преобладают пары воды (до 90—95%).
В меньшей степени содержатся СО2, Н2, SO2, H2S, HCl, HF.
В виде примесей содержатся СО, N2, NH3, Ar, He, органические соединения.

Катагенетические
Условия формирования:
Возникают в результате катагенетического преобразования органического вещества в уголь, которое сопровожда­ется выделением газа.
Состав:
Преобладает метан (СН4).
В меньшей степени — другие горючие углеводороды, в том числе тяжелые углеводо­родные газы, N, и СО2.
В качестве примесей содержатся H2S, H2 и благородные газы.

Метаморфические
Условия формирования:
Образуются на посткатагенетических стадиях метаморфизма вплоть до их расплавления, при котором выделяются так называемые газы возрождения. Дегазация недр планеты происходит по всей ее поверхности, но наиболее интенсивно по бесчисленным разломам коры.
Состав:
пары воды (Н2О), СО2, N2, H2S и Н2.

Радиогенные
Условия формирования:
Являются продуктами распада естественных радиоактивных элементов (урана, тория, калия). Наибольшие концентрации приурочены к зонам тектонических разломов.
Состав:
Преобладают гелий, радон и аргон-40.
В меньшей степени — благородные газы (гелий, ксе­нон, аргон, радон и др.).

Б. Газы атмосферного происхождения
Образуются в основном за счет газообмена с атмосферой
К ней относятся газы почв и пород зоны аэрации.
Эти газы располагаются в приповерхностных условиях и наиболее активно участвуют в газообмене.
Их состав близок к атмосферному воздуху

Химический состав сухого атмосферного воздуха в приземной части

В. Газы биологического происхождения
образуются за счет ж/д организмов в грунтах (дыхание, выброс отходов метаболизма и т.п.)
Г.О. представлены органическими соединениями
По объему преобладает метан (СН4) и его гомологи
Реже: СО2, H2S и Н2

В. Газы биологического происхождения
Содержание зависит от многих факторов, главными из которых являются: количество органического вещества в грунте
скорость его разложения, температура и физико-химические условия среды.

Распределение концентрации СО2 по профилю дерново-подзолистой почвы под смешанным лесом

Газы техногенного происхождения
Источники:
промышленное производство
выбросы предприятий химической и нефтехимической промышленности
коммунальное и сельское хозяйство
Полигоны ТБО

Газы техногенного происхождения
Состав:
метилпропан и бутан - триметилбензол и ундекан
радон
Прочие в меньшей степени

Изменение во времени состава и количества газов в грунтах, выделяемых в ходе газогенерации на свалке

По химическому составу все газы в грунтах делятся на три основные группы по преобладающему компоненту:
1) углеводородные,
2) азотные,
3) углекислотные.
«Чистые» газы в грунтах практически никогда не встречаются

Состояние газов в грунтах
Газы в порах грунтов могут находиться:
в свободном,
адсорбированном,
защемленном
растворённом состоянии.

Свободные газы
содержатся в сообщающихся порах грунта,
их количество зависит от открытой пористости грунта и степени его водонасыщения Sr.
могут находиться в грунтах лишь при степени влажности Sг < 0,5-0,6.
При увеличении Sг до 0,8-0,9 свободные газы постепенно замещаются в порах капиллярной водой и переходят в категорию защемленных.

Адсорбированные газы
удерживаются на поверхности грунтовых частиц под воздействием молекулярных сил притяжения
в сухом грунте на поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые «пленки»

Адсорбированные газы
Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от:
минерального состава,
присутствия гумуса и других органических веществ,
дисперсности
величины пористости.

Адсорбированные газы
Интенсивность адсорбции элементов:
Поэтому адсорбированные газы по составу отличаются от газов, находящихся в свободном состоянии
При увлажнении грунта происходит вытеснение адсорбированных газов водной пленкой.
СО2 > N2 > О2 > Н2

Защемлённые газы
образуются при одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху.
Защемленные газы могут занимать значительные участки внутри грунта или находиться только в небольших количествах в тончайших микропорах.

Защемлённые газы

Защемлённые газы

Защемлённые газы

Растворенные газы
Образуются за счет растворения в поровом растворе.
В зависимости от состава газа и растворителя могут обладать химической агрессивностью (углекислотная,серно­кислая и др.)
С увеличением давления растворимость большинства газов возрастает.
С увеличением температуры количество растворенного газа уменьшается.

Показатели содержания газов в грунтах

Газоносность
Общее количество свободных и адсорбированных газов, содержащихся в единице массы или объема грунта в природных условиях.
Зависит:
от пористости
сорбционной способности грунта,
от вида газа,
от внешнего давления (с повышением давления газоносность пород возрастает).

Объемная газоносность (ГV)
Характеризует общее содержание свободных и адсорбированных газов в единице объема грунта (V) и численно равна объему газа, содержащемуся в 1 см3 грунта при данных условиях

Объемная газоносность (ГV)
где Vг — объем газа, содержащегося в грунте; V — объем грунта. Величина Г измеряется в см3/см3 или м3/м3.

Массовая газоносность (Гт)
характеризует общее содержание свободных и адсорбированных газов в единице массы грунта (т) и численно равна объему газа, содержащемуся в 1 г грунта при данных условиях:

Массовая газоносность (Гт)
где Г — объем газа, содержащегося в грунте, т — масса грунта. Величина Г измеряется в см3/г или м3/т.

Газосодержание грунта (Г)
относительный объем газа, содержащийся в порах грунта. Оно численно равно отношению объема газа за­нимаемого в порах грунта к объему всего грунта

Газосодержание грунта (Г)
где Vг — объем газа, занимаемый в порах грунта;
V— объем грунта.
Величина Г измеряется в %, она зависит от влажности и меняется от нуля (при отсутствии газов и полном водонасыщении) до величины, соответствующей пористости данного грунта (при полном заполнении пор воздухом)

Воздухоемкость грунта (В)
величина максимального газосодержания данного грунта, соответствующая его пористости и определяемая при полном заполнении всех пор газом (отсутствии влаги). Воздухоёмкость измеряется в %, она численно равна пористости грунта