Главная arrow Химический состав воды arrow Газы в подземных водах

Газы в подземных водах

Анализы газов, растворенных в подземных водах, производятся редко. Однако газы играют большую роль в гидрогеологических процессах. Газы, выделяющиеся из раствора, образуют пузырьки, которые препятствуют движению воды в водоносных горизонтах, особенно вблизи скважин. Некоторые растворенные газы, такие, как кислород и двуокись углерода, сильно влияют на химический состав воды, другие отрицательно действуют при использовании воды. Например, метан, выделяясь из раствора, может скапливаться и вызывать пожар или взрыв. Растворенный кислород вызывает коррозию металлов. Концентрация сероводорода, превышающая 1 ч. на 1 млн., делает воду непригодной из-за неприятного запаха. Присутствие сероводорода также способствует росту некоторых бактерий, кольматирующих фильтры скважин и трубы.

Растворимость большинства газов в воде прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре. Действие температуры на растворимость некоторых газов видно из табл. 4.3.

Таблица 4.3

В большинстве подземных вод растворенные газы имеют концентрации от 1,0 до 100 ч. на 1 млн. Более высокое содержание газов возможно в специфических условиях. Из воды некоторых скважин выделяются большие количества метана, сероводорода и углекислого газа. Вероятно, эти газы находятся в такой воде под давлением в несколько атмосфер. Вода, просачивающаяся через разлагающиеся органические остатки, может содержать большие количества растворенного аммиака, который, вероятно, быстро окисляется до нитрата. Аммиак имеется также в воде некоторых термальных источников.

Растворенные газы в дождевой воде и воде рек с водопадами находятся почти в равновесии с атмосферными газами (табл. 4.3). Если такие поверхностные воды инфильтруются непосредственно в сильно проницаемые водоносные породы, растворенные газы сохраняют свою первоначальную концентрацию. Однако в большинстве случаев вода, прежде чем пропикнуть в водоносные горизонты, инфильтруется в почву и подстилающие ее породы. Содержание кислорода в инфильтрующейся воде уменьшается вследствие окисления минералов, деятельности микроорганизмов и диагенеза органического вещества. При повышении температуры газ выделяется из воды, при охлаждении воды в процессе инфильтрации в раствор поступает дополнительное количество газа. Концентрация метана, сероводорода, аммиака и других газов может увеличиться в области питания, в связи с чем устанавливается новое равновесие газов в растворе. Количество азота в воде снижается некоторыми бактериями. В результате описанных процессов содержание газа в воде при поступлении ее в водоносный горизонт на значительных площадях существенно отличается от содержания газа в поверхностных водах.

При достижении инфильтрующейся водой зоны полного насыщения концентрация газа в воде остается относительно постоянной, особенно если вода находится под артезианским напором. Однако небольшие изменения в содержании газа в подземных водах происходят вследствие медленного окисления минералов и, вероятно, деятельности микроорганизмов на глубине.

Концентрации инертных газов, к которым относятся гелий, аргон и неон, очень чувствительны даже к незначительным изменениям в содержании различных газов подземных вод. Сугисаки использовал эту особенность для определения первоначальной температуры подземной воды в период, когда она просачивается из русла реки в проницаемый водоносный горизонт. Поскольку высокое содержание аргона указывает на низкую температуру, а низкое содержание — на высокую температуру в период питания, можно найти слои зимней и летней воды, расположенные вниз по потоку от области питания, и определить скорость движения воды (рис. 4.3).

Содержание аргона в подземных водах около Такада
Рис. 4.3. Содержание аргона в подземных водах около Такада, Япония.

 

Температура воды в момент питания определяется по содержанию аргона. Ориентировка разреза совпадает с направлением движения подземных вод. Расстояние между минимальными температурами соответствует пути (более 2 км), проходимом подземными водами за один год.

С течением времени подземные воды обогащаются гелием и в меньшей степени — аргоном, поскольку радиоактивный распад урана и тория продуцирует гелий, а калий-40, распадаясь, дает аргон. Быстро циркулирующие подземные воды постоянно уносят в небольших количествах гелий и аргон, которые выделяются из пород, контактирующих с водой. Малоподвижные подземные воды больших артезианских бассейнов и почти неподвижные погребенные воды отличаются повышенной концентрацией, по крайней мере гелия и, возможно, аргона. Судя по относительной распространенности гелия в атмосфере по сравнению с его природными запасами, соотношение гелия и аргона должно увеличиваться от примерно 0,0005 в поверхностных водах до 1,0 в некоторых соленых водах, находящихся в контакте с месторождениями газа.

Искусственно закачиваемый в скважины гелий успешно применяется в качестве индикатора движения подземных вод. Он безвреден в биологическом отношении и инертен, т. е. не вступает в химические реакции с водой и породами водоносного горизонта. Широкое применение гелия как индикатора осложнено необходимостью использовать специальное аналитическое оборудование.

 
< Пред.   След. >