Состояние газов в грунте.

Сопоставление количества газов, сосредоточенных в месторождениях нефти, газа, угля и рассеянных породах, показывает, что основная масса газов присутствует в осадочных породах в рассеянном состоянии (растворена в воде и нефти, сорбирована породами). Газы в породах могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состоянии; они могут присутствовать в воде, заполняющей поры, в виде мелких пузырьков или в растворенном состоянии.

Свободные газы содержаться в сообщающихся порах грунта, т.е. их количество зависит от открытой пористости грунта и степени водонасыщения.

Т.е. при W=6-10% количество газов ≈ 1-1.5% от V образца. При W=25-30% - V газов увеличивается до 5-6%, а дальше происходит уменьшение содержания газа до их полного вытеснения при полном водонасыщении, чаще они переходят в категорию защемленных.

Адсорбированные газы удерживаются на поверхности частиц под воздействием молекулярных сил притяжения. Количество адсорбированных газов в грунтах зависит от минерального состава, присутствия гумуса и других органических веществ, от дисперсности и величины пористости грунтов. Природные влажные грунты не содержат адсорбированных газов, они присутствуют только в сухих грунтах (при влажности ниже гигроскопической).

Защемленные газыобразуются на отдельных участках породы при одновременном увлажнении грунта сверху и снизу они оказываются защемленными в капиллярах. В глинистых грунтах защемленные газы могут занимать 20-25% от объема пор.

Растворенные газы образуются за счет растворения в поровом растворе. При этом могут возникать химически агрессивные растворы, например углекислотные и сернокислые и др.

Влияние газов на свойства грунтов.

Газы оказывают влияние на различные свойства грунтов. Прежде всего – плотность, теплофизические параметры (теплоемкость, теплопроводность и др.), проницаемость, а также физико-механические.

Защемленные газы находятся под давлением, на контакте с жидкой фазой обусловливающей поровое давление. Это влияет на сжимаемость. Сжимаясь в объеме пузырьки защемленных газов, уменьшают свой объем и могут перейти в свободное состояние, это может сопровождаться резким прорывом газов из пор и сбросом порового давления. Подобные явления могут вызывать разрушения земляных насыпей, дамб, откосов дорог и т.п.

С повышением давления газов связаны и газодинамические явления, имеющие большое значение в горнодобывающей промышленности.

Сжимаемость защемленных газов в грунтах может обусловливать и длительную осадку сооружений.

В грунт газы поступают, в основном, из атмосферы благодаря диффузному перемешиванию газов, колебаниям температуры (t^oC) и давления (Р) воздуха, атмосферным осадкам.

Долгое время воздух, как и воду, считали одним из элементов, из которых состоит все остальное: До конца 18 века воздух считали единым веществом. В 1775-1777г.г. французский химик Антуан Лоран Лавуазье показал, что в состав воздуха входят азот и кислород. В 1894г. английские ученые Дж. Релей и У. Рамзай обнаружили в воздухе инертный газ аргон. Позже были открыты другие газы.

Сухой воздух состоит по объему из (%):

N₂ – 78.09%, О₂ – 20.95%, Аr – 0.03%, СО₂ – 0.03%. Очень невелико содержание Н₂, озона (О₂ -?), окислов азота, окиси углерода СО, аммиака NH₃, метана СН₄, сернистого газа SO₂.

Газообмен в грунтах и почвах направлен на выравнивание составов, давлений, t^o, концентраций элементов.

Кроме этого важной составляющей газового компонента является водяной пар. В приземном воздухе его содержание изменяется от 0,00002 до 3% по объему. В грунте содержится больше, но оно все равно не превышает 0,001% от веса грунта.

Важность изучения и сила влияния газа-воздуха на свойства системы-грунт обусловлены большой подвижностью воздуха. Водяной пар, содержащийся в воздухе грунта является единственной формой воды, которая способна передвигаться в воздушно-сухом маловлажном грунте. Конденсируясь при изменении t^oС (термическая конденсация) на поверхности грунтовых частиц, или в силу молекулярного взаимодействия паров воды с грунтовыми частицами (молекулярная конденсация), он образует другие виды воды.

Водяной пар может двигаться самостоятельно и со всей массой газа. Самостоятельно под влиянием разности упругости паров в различных слоях грунта, от слоя с большей упругостью к слою с меньшей упругостью

Обычно газ в грунте полностью водонасыщен. Относительная влажность ≈ 100%. В этом случае пары имеют максимальную упругость при данной температуре. Тогда их движение будет определяться температурой. От слоя с большей температурой к слою с меньшей. Кроме этого пары воды передвигаются в зависимости от формы поверхности частиц.

Интенсивность адсорбции сконденсировавшейся парообразной воды минеральными частицами зависит с одной стороны от:

а) относительной влажности или относительной упругости водяного пара, а с другой стороны

б) свойств минеральных частиц.

Газовый компонент содержит радиоактивный радон Rn (222) причем, приблизительно, в 2000 раз больше, чем его содержится в воздухе. Это происходит потому, что горные породы содержат радий ( Ra 226).

Движение воды вглубь вызывает скопление радона в грунтах, а ветер, уменьшение атмосферного давления – понижение его концентрации в грунтах.

Гелий. Кроме радона газовый компонент содержит гелий, которыйподнимается избольших глубин к поверхности земли. При наличии разломовего количество увеличивается, т.е. его передвижение облегчается. Это свойство используется для поиска разломов.

Метан. Часто газовый компонент содержит метан – СН₄ и тяжелые углеводороды. Скопление этих газов, которые являются горючими, имеет большое практическое значение. Природные горючие газы состоят: из метана (до 98%), этана, пропана, изобутана, бутана и пентана.

В результате деятельности микроорганизмов, разлагающих органическое вещество, в определенных условиях также может происходить образование метана. Он образуется в болотах при разложении торфа, органических отбросов в техногенных слоях.

В порах грунта газы могут находиться в а) свободном, б) защемленном, в) адсорбированном состояниях, г) растворенными или в виде пузырьков в воде.

При наличии капиллярного поднятия газ вытесняется в атмосферу. При одновременном водонасыщении грунтов происходит и защемление газа. Это могут быть большие полости и тонкие микропоры. Содержаниезащемленных газов. В глинистых грунтах защемленные газы могут занимать20-25% от объема пор. Адсорбция газов происходит за счет воздействия молекулярных сил. На поверхности частиц образуются полимолекулярные газовые пленки. Нижние слои газа находятся под давлением в несколькодесятков, сотен или даже 1000 атмосфер, верхние испытывают давление ≈ атмосферному.

Количество адсорбированных газов зависит от:

а) минерального состава, б) содержания органических веществ (гумуса и др.), в) дисперсности грунтов.

Значительной адсорбционной способностью обладают окиси железа и органические вещества.

Содержание адсорбированных газов в почвах составляет 7-15см³ на 100г почвы. Кварцевый песок ≈ 1см³ на 100г почвы.

Интенсивность адсорбции элементов, составляющих газовый компонент, на поверхности частиц изменяется по следующему ряду:

СО₂> N₂> O₂ > H₂ .

Максимальное количество адсорбированных газов содержится в абсолютно сухом грунте.

При увлажнении грунта одновременно с вытеснением свободного воздуха вытесняются и адсорбированные газы.

Наличие защемленных и адсорбированных газов обуславливают значительную амортизирующую способность грунтов. Релаксация напряжения происходит из-за наличия и медленного выдавливания газов.

Газы геологического происхождения.

Сингенетические и эпигенетические газы:

Наземная атмосфера до 60-100км.

Общее количество газов 2.14*10¹⁴ т.

В том числе 0.97*10¹⁴ – СН₄

0.60*10¹⁴ – СО₂

0.56*10¹⁴ – N₂

0.01*10¹⁴ – остальные.

Среди природных газов геологического происхождения 4 группы:

Вулканические газы поступают вместе с магмой из глубоких недр в связи с дегазацией магмы, дегазация мантии.

На 95-90% это водяной пар.

Катагенетические газы выделяются в процессе углефикации органического вещества. В основном метан (СН₄ ) при t= 250-300^о .

Наибольшие выделения газов связаны с зонами тектонических нарушений: пары воды, СО2, N2, H2S и др.

Метаморфические газы

Радиогенные газы – продукты распада естественных радиоактивных элементов – урана, тория, калия. Основными являются гелий, радон и аргон.

Уран и торий в процессе распада генерируют альфа-частицы, которые являются ядрами элемента гелия. Он поднимается из недр земли на поверхность.

Газы атмосферного происхождения.

Основным является водяной пар.

Биогенные газы формируются за счет жизнедеятельности организмов от одноклеточных бактерий до высших растений. В основном метан. В течении дня биопродуцирование постоянно.

Техногенные – продукты захоронения бытовых и промышленных отходов.

Показатели.

Газоносность – общее количество паров в единице массы или объема.

Воздухоемкость – коэффициент воздухосодержания: отношение объема газа к общему объему пор.