Газы в грунтах

Газы в грунтах — характерная часть грунта, представленная различными газообразными веществами, содержащимися в порах, трещинах и др. пустотах грунта и влияющая на его состояние и свойства.

Газы в грунтах по генезису могут быть природными и антропогенными (техногенными). Среди природных газов выделяется три генетических типа — геологического, атмосферного и биологического происхождения. Газы первой группы образуются за счет собственно геологических процессов (экзогенных и эндогенных); второй — в основном за счет газообмена с атмосферой; третьей — за счет жизнедеятельности организмов в грунтах.

Среди природных газов геологического происхождению выделяются следующие четыре генетические группы: вулканические, катагенетические, метаморфические и радиогенные. Вулканические газы поступают вместе с магмой из глубоких недр Земли, связаны с дегазацией мантии и выделяются в атмосферу. Они состоят из паров воды (до 90-95 %), а также CO₂, H₂, SO₂, H₂S, HCl, HF, в виде примесей в них содержатся CO, N₂, NH₃, Ar, He и органические соединения. Газы катагенетические возникают в зоне катагенеза горных пород в результате преобразования органического вещества. К ним относится газовыделение метана в горные выработки, сопровождающее добычу угля. В осадочной толще катагенетические газы или образуют скопления (в районах нефтяных, газовых и каменноугольных месторождений), или рассеяны в породах. Метаморфические газы образуются на последующих (вслед за катагенезом) стадиях метаморфизма горных пород вплоть до их расплавления, при котором выделяются так называемые газы возрождения. Радиогенные газы представлены благородными газами (гелий, ксенон, аргон, радон и др.) и являются продуктами распада естественных радиоактивных элементов (урана, тория, калия) в недрах планеты.

Газы атмосферного происхождения содержатся в основном в почвах и грунтах зоны аэрации. Их состав весьма близок к атмосферному воздуху, но более богат СО₂ и обеднен О₂.

Биогенные газы формируются в грунтах за счет жизнедеятельности в них различных организмов от одноклеточных бактерий до высших растений и животных. Они представлены метаном CH₄, а также СО₂, H₂S, H₂ и др.

Среди техногенных газов в грунтах наблюдается наибольшее разнообразие. Источниками их возникновения в грунтах являются различные виды хозяйственной деятельности человека. Наибольшее количество техногенных газов образуется на урбанизированных территориях, за счет газогенерирующих свалок отходов и т. п. Многие из них являются токсичными.

Количественное содержание газов оценивается показателями газоносности. Газоносность зависит от многих факторов, пористости и сорбционной способности грунта, его влажности, а также от вида газа, от термодинамических условий: внешнего давления, температуры и др.

Выделяют два показателя: объемную и массовую газоносность.

Объемная газоносность (Г_v) 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 (давлении): Г_v = V_г/ V, где V_г - объем газа, содержащегося в грунте; V - объем грунта. Величина Г_v измеряется в см³/см³ или м³/м³.

Массовая газоносность (Г_m) характеризует общее содержание свободных и адсорбированных газов в единице массы грунта (m) и численно равна объему газа, содержащемуся в 1 г грунта при данных условиях (давлении): Г_m = V_г/ m, где V_г - объем газа, содержащегося в грунте; m - масса грунта. Величина Г_m измеряется в см³/г или м³/т.

Газосодержание грунта (Г) характеризует относительный объем газа, содержащийся в порах грунта. Оно численно равно отношению объема газа в порах грунта к объему всего грунта: Г = (V_г/V).100, где V_г - объем газа в порах грунта; V - объем грунта. Величина Г измеряется в %, она зависит от влажности и меняется в пределах от 0 (при отсутствии газов и полном водонасыщении) до величины, соответствующей пористости данного грунта (при полном заполнении пор воздухом).

Величина максимального газосодержания данного грунта, соответствующая его пористости и определяемая при полном заполнении всех пор газом (отсутствии влаги), называется воздухоемкостью грунта (В) и измеряется, как и пористость, в %. Численно величина воздухоемкости равна пористости грунта.

Газы в порах грунтов могут находиться в свободном, адсорбированном, защемлённом и растворенном состоянии. Свободные газы содержатся в сообщающихся порах грунта, их количество зависит от открытой пористости грунта и степени его водонасыщения S_r. Адсорбированные газы удерживаются на поверхности грунтовых частиц под действием сил притяжения. При одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху на отдельных его участках газы могут оказаться в замкнутом состоянии (защемлённые газы).

Состояние газов в грунтах криолитозоны отличается от аналогичных талых или немерзлых грунтов. В мерзлых грунтах возможно образование газовых гидратов, в пределах которых аккумулируется наибольшее количество газа.

• Базовые понятия инженерной геологии и экологической геологии: 280 основных терминов. / Под ред. В. Т. Трофимова. — М.: ОАО Геомаркетинг, 2012. — 320 с.
• Виноградов А. П. Газовый режим Земли. // Химия земной коры. — Т. 2. — М.: 1964. — С. 11—18.
• Грунтоведение / Под ред. В. Т. Трофимова. — 6-е изд. — М.: Изд-во МГУ, 2005. — 1024 с.
• Королёв В. А. Газовый компонент грунтов / Российская геологическая энциклопедия. — В 3-х тт. — Т 1 (А-И). — М.—СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2010. — С. 260—261.
• Макаров Б. Н. Газовый режим почвы. — М.: Агропромиздат, 1988.
• Соколов В. А. Геохимия природных газов. — М.: Недра, 1971.