Учебное пособие для студентов специальности I 51. 01. 01 " Геология и разведка месторождений полезных ископаемых"
жүктеу/скачать 5.81 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 11.1.Атмосферные газы
- 11.2.Газы земных недр
11.ГЕОХИМИЯ ГАЗОВНа Земле газы образуют самостоятельную оболочку – атмосферу. В земной коре они встречаются в трех формах: свободной; растворимой в воде, расплавах и нефти; адсорбированной и окклюдированной горными породами. Общая масса газов оценивается величиной 8,38 . 1015 т, из них на массу атмосферы приходится 5,15 ∙ 1015 т. Относительно массы всей Земли газы составляют всего лишь около 9 . 10–5 %. 11.1.Атмосферные газыДля верхней атмосферы характерны процессы диссоциации и ионизации газов, которые происходят под влиянием солнечных и космических лучей, электромагнитного излучения Солнца. В результате диссоциации газы переходят из молекулярного состояния в атомарное. В состав атмосферы принято включать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается с ней как единое целое. Внешние части верхней атмосферы сложены преимущественно из ионизированных частиц, захваченных магнитным полем Земли и совершающих движение вдоль магнитных силовых линий. Ионизация газов начинается на высоте 50 км. Здесь концентрация их колеблется в пределах 2 . 105 – 2 . 106 на см3. Основу атмосферы составляют N2, O2, Ar, CO2 (99,99 % сухого воздуха). Незначительную примесь в атмосфере составляют углеводороды, озон, водород, инертные газы, пыль различного генезиса, аэроионы, органические летучие соединения (фитонциды, эфирные масла), микроорганизмы. Особое место в циркуляции атмосферы, изменении ее состава выполняет водяной пар. Общая сумма растворенных веществ в атмосферных водах колеблется в пределах 12 – 550 мг/л. Наиболее минерализованы осадки в аридных зонах. Главные компоненты осадков, условия выпадения (Na, Ca, Mg, HCO3, Cl, SO4) отличаются разным соотношением в зависимости от физико-географических условий. Состав атмосферных осадков определяют следующие факторы: первичный состав водяных паров, количество примесей в воздухе, количество и частота выпадаемых осадков (высота, направление ветра, погода, температура, форма воды – жидкая, твердая). Происхождение состава современной атмосферы в основном связано с биогенной миграцией. Тропосфера относится к биокосной системе, однако ведущую роль в ней играют физико-химические и механические процессы, связанные с круговоротом воды и движением воздушных масс. В стратосфере и мезосфере под воздействием фотолиза образуется озон (O2 + O → O3), который задерживает коротковолновую радиацию Солнца и создает возможность развития жизни на Земле. Общая масса озона невелика и при нормальном давлении (105 Па) составила бы слой мощностью 1,7 – 4,0 мм. Образование и классификация газов. А.И. Перельман (1989) выделил три основные группы процессов образования газов: физико-химические, биогенные и техногенные. Физико-химические процессы включают реакции, которые приводят к образованию CO2, H2S, водяного пара и других газов. Радиоактивный распад генерирует инертные газы, радиолиз воды создает химически активные H+ и ОН–, космические лучи приводят к образованию 14С, 3Н и других радиоактивных изотопов. Биогенные процессы (фотосинтез, биохимический) участвуют в образовании O2, CO2, N2, H2S, CH4 и других газов. С техногенными процессами связано поступление в атмосферу CO2, CO, оксидов азота, серы, органических летучих соединений (диоксин, бензапирен и др.). В.В. Белоусов выделил в земной коре газы воздушного, биохимического, химического и радиоактивного происхождения. По этой классификации одни и те же газы могут быть разного происхождения. Например, СO2 образуется в ходе химических реакций, под воздействием бактерий, в недрах Земли или техногенным путем. Наиболее удачная классификация А.И. Перельмана, в которой каждый газ занимает свою нишу:
Для магматических и гидротермальных систем необходима особая классификация, так как при высоких температурах увеличивается число газообразных соединений. 11.2.Газы земных недрХимический состав газов земных недр связан с составом горных пород и термодинамическими условиями их нахождения. В.И. Вернадский отнес их к "подземной атмосфере" и разделил на газы, образование которых связано с высокой температурой, и газы, проникающие в земную кору из атмосферы и мантии. В магматических расплавах многие элементы переходят в газообразное состояние (летучие компоненты). Через вулканизм происходит дегазация недр. По оценке В.А. Соколова общая масса газов осадочных пород около 2,1 . 1014 т, что примерно на порядок меньше, чем масса атмосферы. Основная масса газов сосредоточена в мантии. Содержание газов можно выразить следующим соотношением: атмосфера : литосфера и гидросфера : верхняя мантия как 1 : 2 : 80. Основные газы осадочных пород CH4 – 39 %, CO2 – 27,4, N2 – 26, тяжелые углеводороды – 6,4, H2 – 0,2, H2S + SO2 – 0,3 %. В магматических породах гранитного слоя преобладает СO2 – 83,8 %, далее следуют N2 – 11, H2 – 3, H2S + SO2 – 2, CH4 – 0,2%. Исследования химического состава вулканических газов даже из одного лавового озера Килауэа указывают на неравномерное их содержание. Это, вероятно, связано с неоднородными условиями первоначального внутреннего источника, наличием большого числа каналов лавовых потоков и с различной степенью окисления газовых компонентов, температурой среды. Почти все газы земных недр при выходе в атмосферу подвергаются трансформации, переходят в другое состояние и другие химические соединения. Парообразная вода конденсируется, СO2 фотосинтезируется растениями и способствует образованию карбонатных пород, HCl и HF поступают в гидросферу в виде ионов Cl– и F–, пополняя океанические воды, СН4 окисляется с образованием СО2 и Н2О. Если учесть, что вулканическая деятельность существует в течение всей геологической истории Земли, можно с уверенностью утверждать, что вулканические газы принимали участие в формировании состава атмосферы, гидросферы, осадочных горных пород и в происхождении Мирового океана за счет дегазации мантии. Известно, что с повышением температуры растворимость большинства газов понижается, с увеличением давления – растет. На глубинах, начиная с 2 – 3 км ведущим фактором при растворении газов выступает давление. Если в поверхностных водах растворяется около 13 см3/л N2 и 3 см3/л О2, то в подземных водах на глубине 1-4 км содержится около 500 см3/л газов, достигая величин 1000 – 1500 см3/л за счет СН4. Углеводороды лучше растворяются в нефти. В подземных водах формируются залежи нефтяных газов, поэтому они часто выполняют роль геохимического барьера. При растворении в газах жидких и твердых веществ образуются газовые растворы при условии высокого давления, когда плотность газов сравнима с плотностью жидкости. В сжатых газах механизм растворения практически не отличается от растворения в жидкости, т.е. происходит взаимодействие с молекулами растворителя. В углеводородных газах растворяется нефть и формируются газоконденсатные залежи. При выходе этого газа на поверхность из него выделяются жидкие углеводороды. Водяной пар в недрах Земли хорошо растворяет соединения Zn, W, Cu, Mo и других рудных элементов. Газы, содержащиеся в закрытых порах и кристаллической решетке минералов, называются окклюдированными. Кроме того, горные породы содержат сорбированный газ. Его количество может колебаться от десятых долей до нескольких кубических сантиметров на 1 кг осадочных пород (CO2, N2, CH4). Максимальной сорбционной емкостью обладают каменные угли (n ∙ 103 – n ∙ 104 см3/кг). Другие осадочные породы сорбируют не более 600 см3/кг газов, глины удерживают больше, чем пески и известняки. Органическое вещество увеличивает сорбционную емкость осадочных пород. Более низкая емкость изверженных и метаморфических пород. Сорбция газов растет с увеличением их молекулярной массы: C3H8 сорбируют в 10 раз больше, чем CH4. С ростом температуры сорбция уменьшается, однако на глубинах существенно влияние давления, поэтому с глубиной ее интенсивность увеличивается. В ходе геологического времени миграция газов изменялась. В эпохи прогибания осадочных толщ в геосинклинальных зонах, передовых прогибах, синеклизах платформ в связи с ростом давления свободные газы растворялись в воде и нефти. В подземных водах возрастала роль диффузии и уменьшалась роль фильтрации. Развивались термокаталитические процессы, формировавшие жидкие и газообразные углеводороды. В эпохи поднятий в складчатых областях с ростом трещиноватости и тектонических подвижек, с формированием и подновлением разломов резко возрастало значение фильтрации газов. Усиливалось выделение свободных газов из подземных вод и нефти, а жидких и твердых веществ из газовых растворов. С рифтогенезом связана миграция газов к земной поверхности. Газы используются как индикаторы месторождений полезных ископаемых, поэтому разработаны атмогеохимические методы поисков газов и некоторых металлов. Над месторождениями полезных ископаемых атмосфера обогащена газами. Они мигрируют к поверхности. Так вокруг месторождений образуются газовые ореолы по вертикали пород до сотен и тысяч метров. Например, в почвенном воздухе над нефтяными и газовыми залежами повышено количество CH4 и тяжелых углеводородов, над зоной окисления сульфидных руд – СO2, SO2, H2S, CH4 и понижено О2, вокруг ртутных месторождений – Hg. Таким образом, изучение геохимии газов дает возможность решать теоретические и прикладные аспекты возникающих проблем. жүктеу/скачать 5.81 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|