Навігація
Головна
 
Головна arrow Географія arrow Грунтознавство
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

ГАЗОВА КОМПОНЕНТА ГРУНТІВ

Поширення, склад і властивості газової компоненти грунту

Гази в будь-якому стані впливають на різні властивості ґрунтів. Оскільки фізичні характеристики газів різко відмінні від аналогічних параметрів твердої і рідкої частини грунту, то найістотніше від газосодержания залежать фізичні характеристики грунтів - їх щільності, теплофізичні параметри (теплоємність, теплопровідність і ін.), Проникність, а також фізико-механічні властивості.

Стан газів в грунтах . Г ази в порах грунтів можуть перебувати в вільному, адсорбованому і защемлення стані; вони можуть бути присутніми у воді, що заповнює пори, у вигляді дрібних бульбашок або в розчиненому стані. На зміну фізичних і фізико-механічних характеристик ґрунтів впливає зміст як адсорбованих, так і вільних і затиснених газів.

Вільні гази містяться в сполучених порах грунту, т. Е. Їх кількість залежить від відкритої пористості грунту і ступеня його водонасичення Sr. Дослідження показують, що вільне повітря може перебувати в грунтах лише при невеликому ступені вологості - при S r < 0,5 ... 0,6. При збільшенні S r до 0,8 ... 0,9 вільні гази поступово затискаються в порах капілярної водою і переходять в категорію затиснених. Вільні гази в грунтах зони аерації знаходяться під атмосферним тиском, а в грунтах, відокремлених від атмосфери малопроникними породами, вони можуть перебувати під високим тиском, аж до утворення зріджених газів. Тиск у вільному газі визначається законом Клапейрона-Менделєєва.

Адсорбовані гази утримуються на поверхні ґрунтових частинок під впливом молекулярних сил тяжіння. Завдяки цим силам в сухому грунті на поверхні частинок утворюються полімолекулярнимі газові "плівки", нижні шари яких знаходяться під тиском в кілька десятків або навіть сотень мегапаскалей; верхні шари менш міцно пов'язані з грунтовими частинками (що випробовується ними тиск близько до атмосферного). Кількість адсорбованих газів в грунтах залежить від їх мінерального складу, присутності гумусу та інших органічних речовин, від дисперсності і величини пористості грунтів. Зазвичай вміст адсорбованих газів в ґрунтах підзолистого смуги коливається від 2 до 7 см 3 на 100 г грунту, а для чорнозему - в межах 8 ... 15 см 3 на 100 г грунту. З ростом дисперсності ґрунту кількість адсорбованих газів в ньому збільшується. Для кварцового дрібнозернистого піску зміст адсорбованих газів було менше 1 см 3 на 100 г, т. Е. В кілька разів менше його звичайного вмісту в грунтах. Інтенсивність адсорбції елементів, що становлять газову компоненту, на поверхні мінеральних часток змінюється в ряду: ССЬ> N2> сь> Н2, тому адсорбовані гази за складом відрізняються від газів, що знаходяться у вільному стані. При зволоженні грунту відбувається витіснення адсорбованих газів водної плівкою.

Затиснені гази утворюються на окремих ділянках грунту при одночасному надмірному зволоженні знизу і зверху. Затиснені гази можуть займати значні ділянки всередині грунтів або перебувати тільки в невеликих кількостях в найтонших мікропорах. На відміну від адсорбованих, максимальна кількість затиснених газів утворюється при оптимальній вологості грунту. Затиснені гази можуть займати в глинистих ґрунтах до 20 ... 25% від обсягу пір. Тиск в бульбашках защемленного повітря залежить від поверхневого натягу води на контакті з повітрям. Воно перевищує тиск в навколишньому капілярної воді на величину капілярного тиску, що визначається рівнянням Лапласа: Р кап = 2о / г, де про - коефіцієнт поверхневого натягу води; г - радіус бульбашки защемленного повітря.

Розчинені гази утворюються за рахунок розчинення в поровом розчині. При цьому в залежності від складу газу і розчинника можуть формуватися норовлять розчини, що зумовлюють їх різну хімічну агресивність, наприклад вуглекислотну (при розчиненні СО2 у воді), сернокислую і ін. Відповідно до закону Генрі, ставлення мольної обсягу розчиненого газу до об'єму рідини при даній температурі і тиску - величина постійна, звана коефіцієнтом розчинності, або коефіцієнтом Генрі. У той же час слід мати на увазі, що багато гази (наприклад, HNCb, NH4, СІbО, SO2 і ін.) Можуть мати підвищену розчинність за рахунок освіти і розчині інших хімічних форм. На освіту розчинених газів істотно впливає температура і тиск: зі збільшенням тиску розчинність більшості газів зростає, тому їх кількість в земній корі збільшується з глибиною. Але в міру нагрівання води кількість розчиненого повітря в ній зменшується.

Зіставлення кількості газів, зосереджених в родовищах нафти, газу, вугілля і розсіяних в породах, показує, що основна маса присутня в осадових породах у розсіяному стані [50].

Стан газів в грунтах криолитозони відрізняється від аналогічних талих або немерзлих грунтів. Це обумовлено особливостями і характером термодинамічної рівноваги газів, незамерзаючих води і льоду в мерзлих грунтах. Гази здатні розчинятися в льоду, хоча нс так інтенсивно, як у воді. Так, розчинність метану в льоду нижче розчинності в воді на 3 порядки [50].

Затиснені гази в порах грунту часто знаходяться під тиском, створюваним різними причинами, наприклад рухом фронту промерзання, фазовими переходами в промерзають породі (кристалізаційний тиском), капілярним просоченням товщі, збільшенням гідростатичного тиску, збільшенням температури і ін. В стані рівноваги це тиск дорівнює тиску в рідкій фазі, що контактує з газом і обумовлює так зване норовить тиск. Величина норовить тиску впливає на багато фізико-механічні властивості ґрунтів, зокрема на їх міцність і стисливість під навантаженням. Стискаючись, бульбашки затиснених газів зменшують свій об'єм і при певному співвідношенні діаметра і розміру пір можуть перейти з защемленного стану у вільний, що може супроводжуватися різким проривом газів з пір грунту і скиданням порового тиску. Подібне явище може викликати руйнування земляних насипів, дамб і т. І. [49].

Гази в грунтах за умовами і особливостями генезису можуть бути природного та антропогенного (техногенного) походження. Серед газів природного походження виділяється три генетичних типу газів - геологічного, атмосферного та біологічного походження. Природні гази можуть бути сингенетичні (т. Е. Освіченими одночасно з формуванням породи) і епігенетичними (т. Е. Що надійшли в грунт в результаті газообміну з сусідніми товщами або з атмосферою).

Гази геологічного походження (ендогенного і екзогенного) формуються в ході магматичних (вулканічних), метаморфічних і радіогенних осадових процесів. Склад і особливості газів підземної атмосфери в різних частинах земної кори неоднакові [50].

Вулканічні гази, що надходять разом з магмою з глибоких надр Землі, пов'язані з дегазацією. Головними в їх складі є пари води (до 90 ... 95%), потім слідують СО2, Н2, SO2, H2S, НСІ, HF, у вигляді домішок в них містяться N2, NH3, Аг, Хіба ж то й органічні сполуки.

У газах гідротермальних джерел визначено понад 60 неорганічних і органічних сполук, останні представлені вуглеводнями, легколетучим карбонільних сполуками, спиртами, галогенвуглеводні.

Гази утворюються також в результаті патогенетичного перетворенні органічних речовин. В основному це метан та інші горючі вуглеводні. Для нафтових родовищ характерні СН ", важкі вуглеводневі гази (ТУ), N і ССЬ, а в якості домішок - Н2S2,11 і благородні гази. У газових родовищах набір такий же, але ТУ зазвичай присутні як домішки. Той же видовий газовий склад типовий і .тля районів родовищ кам'яного вугілля, але серед основних газів слід назвати тільки катагенетіческій метан, всі інші утворюють домішки.

Метаморфічні гази утворюються на наступних (слідом за катагенез) стадіях метаморфізму гірських порід аж до їх розплавлення, при якому виділяються так звані гази відродження. Найбільші газовиділення на поверхню Землі зазвичай пов'язані з зонами тектонічних порушень. У складі таких газів присутні пари води Н 2 0, а також СО2, N2, H2S і 1Ь; основним компонентом є СО2, за ним по величині середньої концентрації і частоті слід N2.

Радіогенні гази представлені благородними газами. Гелій, радон і аргон-40 складають основну частку радіогенних газів в грунтах. Уран і торій в процесі радіоактивного розпаду генерують альфа-частинки, які є нічим іншим, як ядра елемента гелію.

Гази зони аерації представлені СО2, Н2, О2, найбільш важливі домішки - Аг (і інші благородні гази), CН4, Н2. Переважно повітряними за походженням є азот, кисень і благородні гази. У грунтовій частини ґрунтової товщі кисню та азоту, як правило, менше, ніж в атмосфері. Его пояснюється тим, що в грунті відбуваються процеси їх поглинання і виділення вуглекислоти. Загальна кількість водяної пари в грунті не перевищує 0,001% від ваги ґрунту. Гази грунтів зони аерації найчастіше є епігенетичними, так як містять домішки, що надходять з атмосфери.

Біогенні гази формуються за рахунок життєдіяльності в них різних організмів - від одноклітинних бактерій до вищих рослин, тварин. Біогенні гази в грунтах представляють головним чином органічні сполуки. Природні горючі гази складаються з метану (до 98%), а також із суміші етану, пропану бутану, ізобутану і пентану. Шахтний метан виникає в процесі трансформації органічних залишків в вугілля під впливом високого тиску і температур.

Інтенсивність виділення метану з боліт змінюється в широких межах. Величина емісії метану в західносибірських болотах коливається, за даними Н.М. Бажина (2000), в інтервалі від 0,1 до 40 мг / (м 2 год). Крім метану біохімічним шляхом (в основному при бактеріальному розкладанні, рідше при відновленні мінеральних солей) утворюється вуглекислий і-аз (ССЬ). сірководень (H2S), водень (Нг). При цьому найбільше значення серед газів має С0 2 , кількість якого в грунтовому повітрі становить від 0,2 до 2% (за обсягом).

Техногенні гази є результатом господарської діяльності людини. У грунтах на міських територіях міститься широкий спектр органічних газів. Захоронення відходи виділяють в навколишній товщі сірковмісні газоподібні сполуки (д мати сульфід, диметил дисульфід, сірковуглець і ін.), Ароматичні і ненасичені вуглеводні, терпени, спирти і карбонільні з'єднання, а в найбільших кількостях - метан. Найбільш небезпечні довгоживучі газоподібні забруднювачі грунтів типу діоксинів, які є екотоксикантами.

За хімічним складом по переважному компоненту все гази в грунтах діляться на три основні групи: вуглеводневі, азотні, вуглекислотні. Чисті гази в грунтах практично ніколи не зустрічаються: через способностігазов легко змішуватися один з одним вони найчастіше в грунтах є газовими суміші складного складу [50].

У гірській промисловості кількість газів, що містяться в грунтах, визначають багаті на газ гірських виробок, під якою розуміється обсяг що надходить в вироблення газу за одиницю часу (абсолютна газовість гірничої виробки) або обсяг газу, що виділяється, віднесений до маси або об'єму розробляються гірських порід, вугілля або руди ( відносна багаті на газ). З підвищеним тиском газів в гірських породах пов'язані і так звані газодинамічні явища. До них відносяться швидко протікають руйнування газоносних пластів вугілля, руд і гірських порід в привибійну частинах підготовчих і очисних виробок, що супроводжуються підвищеним виділенням газу і переміщенням або викидом зруйнованих мас гірських порід. Крім того, стисливість порового защемленного газу може надавати грунту своєрідні демпфирующие властивості при дії на грунт зовнішнього тиску. При цьому зі збільшенням тиску грунт буде стискатися і зменшуватися в обсязі, а при скиданні тиску грунт буде розширюватися, відновлюючи свій обсяг. Стисливість затиснених газів в грунтах може обумовлювати і тривалу осадку споруд.

Техногенне забруднення органічними речовинами підземного простору в поєднанні з впливом похованих болотних відкладень сприяє значній активізації мікробіологічної діяльності окремих фізіологічних груп мікроорганізмів або мікробіоти в цілому. Крім того, важливою умовою життєздатності мікробіоти в підземному просторі міста служать застійний гідродинамічний режим верхніх водоносних горизонтів і отепляющее вплив наземних споруд і підземних комунікацій. Життєдіяльність мікроорганізмів в грунті супроводжується накопиченням живих і мертвих клітин мікроорганізмів, продуктів їх метаболізму, серед яких найбільш активний вплив надають ферменти, органічні кислоти, а також генеруються ними гази. Основним продуктом дихання мікроорганізмів є СО2. Досить часто в підземному просторі міста спостерігається биогенная сульфатредукція. В результаті цієї реакції виділяється сірководень навіть в невеликих концентраціях (3 мг / л) призводить до різкого зниження Eh середовища. Генерація сірководню сприяє утворенню вторинного сульфідного мінералу - гідротроіліта (FeS-wI-bO), який погіршує водні та механічні властивості ґрунтів. Розчинені в норовом розчині гази в залежності від складу формують хімічну агресивність. Гази СО2 і H2S добре розчиняються у воді і підвищують її агресивність по відношенню до будівельних матеріалів підземних конструкцій будівель і споруд. Відомо, що розвиток процесу карстоутворення в карбонатних породах різко посилюється при збільшенні вмісту в порах розчиненого вуглекислого газу. Окислення H2S сприяє зростанню вмісту сульфат-іона і зниження величини pH підземних вод нижче 4, що викликає корозію металу, бетонів, а також природних каменів, які застосовувалися для будівництва фундаментів і підземних частин споруд в XVII-XIX ст .. вапняків і пісковиків на карбонатному цементі. Окислення метану, що утворюється в результаті біохімічної генерації, супроводжується утворенням СО2 і води, що формує вуглекислу агресію вод по відношенню до бетону, будівельних розчинів, виготовленим на основі вапна і гідравлічного в'яжучого [118].

Характеристики газової компоненти грунту

Газоносністю називається загальна кількість вільних і адсорбованих газів, що містяться в одиниці маси або обсягу грунту в природних умовах. Відповідно до цього виділяють два показника [50]: об'ємну і масову газоносність.

Газосодержание грунту Г , %, характеризує відносний обсяг газу, що міститься в порах грунту. Воно чисельно дорівнює відношенню обсягу газу, займаного в порах грунту, до обсягу всього грунту:

де V r - обсяг газу, який займає в порах грунту; обсяг грунту. Величина Г вимірюється в%, залежить від вологості і змінюється від нуля (при відсутності газів і повному водонасиченні) до величини, що відповідає пористості даного грунту (при повному заповненні пір повітрям).

Масова газоносність Г * ,, см 3 / г, характеризує загальний вміст вільних адсорбованих газів в одиниці маси грунту (ш) і чисельно дорівнює обсягу газу, що міститься в 1 г грунту при даних умовах плавлення):

Для оцінки ступеня заповнення нор газом використовують коефіцієнт воздухосодержанія або аерації G .., який дорівнює відношенню обсягу газу в порах (К,) до загального обсягу пір (V п ) грунту:

Якщо в порах крім повітря міститься і вода, то коефіцієнт аерації розраховують через ступінь вологості грунту за формулою G r = 1 - S r . Вимірюється G r в частках одиниці і змінюється в межах від 0 (при відсутності газу в порах) до 1 (при повному насиченні пір газом) [50].

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук