1.3. Газова компоненту грунту

1.3.1. Склад газів в грунтах

Газова компоненту, що міститься в порах і тріщинах ґрунтів, багато в чому визначає їх властивості. Особливо велике значення вона має для ґрунтів, що залягають в зоні аерації, які, як правило, є трех- або чотирьохкомпонентні системи.

Кількість вільних і сорбованих газів, яке міститься в одиниці маси (або об'єму) гірських порід в природних умовах, називається газоносністю. Газоносність ґрунтів багато в чому визначається об'ємом пір і пусток (тріщин і більш крупних порожнин) і ступенем заповнення їх водою. Чим більше пори заповнено водою, тим менше в них міститься газів і навпаки. В цьому значенні вода і газ є антагоністами, прагнучими витіснить один одного з пір. Залежно від переважання в порах води або газів властивості ґрунтів різко змінюються.

Гази у вигляді повітря проникають в пори ґрунтів з атмосфери. Газообмін між атмосферою і товщею порід викликається низкою факторів: дифузним перемішуванням газів, коливаннями температури і тиску повітря, атмосферними осіданнями і вітром.

Інтенсивність газообміну між ґрунтом і атмосферою залежить від складу і будови порід. В монолітних скельних ґрунтах газо­обмін затруднений, в дисперсних ґрунтах він протікає інтенсивно; ін­тенсивність його тим вище, чим більше в них міститься макропор, тріщин, порожнин. Те ж можна сказати і відносно скельних грантів: із збільшенням їх тріщинуватості газообмін зростає.

Існуючий газообмін між атмосферою і товщею ґрунтів направлений на вирівнювання складу атмосферного повітря і газо­образної складової ґрунтів. Відмінність у складі атмосферного повітря і газів в ґрунтах перш за все полягає в змісті СО2, С2 і N2. Якщо в атмосферному повітрі вуглекислота складає лише соті частки відсотка (~0,03%), то вміст її в ґрунтах і гірських породах досягає десятих і навіть цілих відсотків, а в повітрі майже 10%. Кисень і азот в товщі ґрунтів міститься в різних кількостях. В ґрунтовій частині ґрунтової товщі їх, як правило, менше ніж в атмосфері. Це пояснюється тим, що в ґрунті відбуваються процеси поглинання кисню і азоту, виділення вуглекислоти.

Важливою складовою газової компоненти є водяна пара. Кількість водяного пара в коливається від десятих часток до декількох про­центів. Вміст пари в ґрунтовій атмосфері дещо вищий. Проте загальна кількість водяної пари в ґрунті не перевищує 0,001% від всієї ваги ґрунту. Не дивлячись на це, вода у формі пари г­рає велику роль в процесах, що протікають в ґрунтах, оскільки вона, по-перше, є єдиною формою води яка здатна пересуватися в ґрунті при незначній його вологості і, по-друге, тому що шляхом конденсації пари на поверхні ґрунтових частинок утворюються інші види води.

Пересування водяної пари можливо як зі всією масою газо­образної компоненти, так і незалежно від її руху під впливом різниці пружності пари в різних шарах ґрунту. В останньому випадку рух проходитиме від шару з більшою пружністю до шару з меншою пружністю. В більшості випадків газоподібна ком­понента в ґрунті повністю насичена водяними парами; її відносна вологість тоді близька до 100%. Якщо пари води знаходяться в стані насичення, тобто мають максимальну пружність при даній температурі, то пересування їх визначається тільки величиною температури і буде направлений від шару з більш високою до шару з бі­льш низькою температурою.

На невеликій відстані пари води можуть пересуватися при рівній температурі залежно від форми поверхні частинок. Пароподібна вода в ґрунті знаходиться в постійній динамічній рівновазі з іншими видами води (зокрема, із зв'язаною водою) і з парами води в атмосфері. За певних умов парообразна вода конденсується. Конденсація пари води може відбуватися під впливом падіння температури - термічна конденсація і через молекулярну взаємодію пари води з ґрунтовими частинками - молекулярна конденсація. У тому випадку, коли молекули пароподібної води адсорбуються на поверхні ґрунтових частинок, утворюється зв'язана вода.

Інтенсивність адсорбції пароподібної води мінеральними час­тинками визначається поряд чинників і, зокрема, вона залежить від відносної пружності водяної пари заповнюючого пори ґрунту: із збільшенням відносної пружності кількість адсорбується воло­ги зростає. Близько 50% конденсаційної води виявляється адсорбованою поверхнею ґрунтових частинок, а інші 50% конденсуються в ультрапорах ґрунту, де знаходяться в стані зв'язаної води. Інтенсивна конденсація водяної пари спостерігається в пісках, особливо в умовах різко континентального арідного клімату.

Водяна пара як газ в повітряному середовищі володіє поряд аномалій у фізичних відносинах, які дозволяють зробити припущення про можливість асоціації молекул води в складні комплекси. При адсорбції пароподібної води на поверхні ґрунтових частинок разом з окремими молекулами можуть зв'язуватися комплекси молекул водяної пари.

Газоподібна компоненту ґрунтів у багато разів багатше за атмосферне повітря за змістом радіоактивної еманації, газоподібного елемента з атомним вагою 222, є джерелом щодо великої радіоактивності. Присутність його в повітрі залежить від вмісту радію в гірських породах, якого, як правило, в ґрунтах менше. Внаслідок цього концентрація емана­ції радію до глибини 4 - 6 м зростає, після чого придбаває постійного значення. Сильні зливи і промерзання ґрунту викликають скупчення еманації радію в глибині ґрунтової товщі. Нагрівання ґрунту сонячним промінням, сильний вітер і падіння атмосферного тиску підвищують виділення еманації радію в атмосферу і зменшують її вміст в газоподібній складовій породи. Гелій підіймається з великих глибин до поверхні Землі. Його рух полегшується за наявності тектонічних розломів. Там, де є тектонічні розломи концентрація гелію більше. Ця закономірність може бути використаний у зворотному на­прямку: по зміні концентрації гелію знайти тектонічний розлом, що не простежується з поверхні. З цією метою проводиться гелієва зйомка за наслідками якої часто вдається знайти тектонічні розломи.

Велике значення мають що містяться в ґрунтових газах метан (СН4) і важкі вуглеводні. Скупчення природних горючих газів в нижніх товщах земної кори може досягати колосальних розмірів, що має велике практичне значення. Природні горючі гази складаються з метану (до 98%), етану, пропану, бутану, ізобутану і пентану.