第6章 地下气体及其特征

移时，带动了氡的迁移。
氡的浓度受多种因素的影响。
6.2 氡气及其特性
6. 氡与地震
地震孕育是与地壳活动紧密联系。震源体、区域构造活动场中 应力的积累会导致岩土的变形与破坏（首先，弹性变形，然后微 破裂，最张望发展到宏观破裂并发生地震）。 岩土的变形不仅会改变介质的受力状态，而且还会引起岩土空 隙的变化，水流条件的改变，可引起岩土中氡射气量变化，引起 水－岩相互作用发生变化，同时，浓度不等的氡水间发生混合。 岩土变形发展到一定阶段后，可能促使岩石破裂而发生振动， 振动又进一步促进岩土的射气作用，甚至可能促使深部物质上涌， 把深部的氡带到浅部的含水层来。
放射成因
放射性元素衰变生成
火山喷发成因 火山喷发物带出
He，Ar等 CO2 ， CO ， NH3 ， NH4 ， Cl ， HCl ， Cl2，S，N2等
6.1 地下气体的成因与组成
2、同一种气体具有多种成因
水中H2的浓度，一般是在很小的范围内波动，但在较大的地震前表 现出几倍至几十倍于下沉背景的起伏，异常是非常显著的。 H2的动态 不稳定，但随着井深的增大其相对起伏幅度变弱。 CO2的来源多样。地下水中的CO2溶解度较高，且随温度的升高而增 大，随压力的增大而降低。正常情况下，井水中CO2的动态也不平稳， 但随着井孔深度的增大起伏相对变小，震前的CO2异常多表现为上升型 异常。 H2S是地下水中的常见气体，尤其是较深层封闭的含水层中。 H2S的 化学性质活泼，易溶于水，其溶解度随温度的升高而降低。 CH4是深层地下水中可见的气体，特别是赋存于油气田中，一般认为 CH4是生物化学成因的气体。
第六章 地下气体及其特征
6.1 地下气体的成因与组成 6.2 氡气及其特征 6.3 汞气及其特征
6.2 氡气及其特性
1. Rn的物理化学特性
Rn是无色、无臭的惰性气体，原子序数为86，比重 0.0096g/cm3，是Ra衰变的产物。 Rn自身也衰变，其半衰期为3.825天。
2. Rn的射气特性
含有Ra的岩石，具有向周围空间扩散氡气的能力，这种能 力称为岩石的射气作用。
6.1 地下气体的成因与组成
2. 二氧化碳（CO2）
来源：
大气——但含量较低，工业化城区含量高。
生物——土壤有机质残骸的发酵作用与植物的呼吸作用 变质——地球深部高温高压下变质生成：
400℃ CaCO3======CaO+CO2
人为——工业发展造成（温室效应） 作用:
地下水中CO2越多，其溶解碳酸盐岩和对结晶岩进行风化作用的能
第六章 地下气体及其特征
6.1 地下气体的成因与组成 6.2 氡气及其特征 6.3 汞气及其特征
6.1 地下气体的成因与组成
地下气体是多种气体的混合气体。地壳中最为常
见的气体有N2，O2，CO2，Ar，H2，He，CH4，H2S
等。
一、气体存在形式： 赋存与活动于岩土空隙中 地下水中的气体 有时吸附于固体颗粒表面 有的以包裹体形式赋存于矿物晶体骨架之间
6.3 汞气及其特性
汞蒸气具有较强的穿透能力，可以沿着地壳中的破碎带 与岩石中的空隙向四周扩散，形成汞气晕。因此，断裂带 特别是深大断裂带上，无论在岩土还是地下水中汞的含量 明显偏高。 汞化合物在地下水中的溶解度很低，加上岩土颗粒对汞 有较强的吸附力，因此地下水中汞的含量很低，每升水中 只含零点几μg至几μg，常称为超微量元素。
正常动态产生明显影响。采用氡射气（溶解氡、逸出氡）作 为地震前兆观测项目有充分的理论依据。
第六章 地下气体及其特征
6.1 地下气体的成因与组成 6.2 氡气及其特征 6.3 汞气及其特征
6.3 汞气及其特性
一、汞（Hg）的基本性质
一般情况下呈液态存在的金属元素。它在门捷列夫元素 周期表中的序数为第80，原子量为200.59。 汞的密度为13.59g/cm3，熔点为-38.87℃，沸点为 356.58℃，即-38.87℃下呈固态，356.58℃下呈气态。 汞蒸气是单原子分子（Hg），汞在化合物中表现为0， +1，+2三种价态，互相间保持如下平衡关系：
三、地下水中的气体成分
1. 氧（O2）、氮（N2）
（1）来源：
O2 主要来源于大气； N2 三个来源：大气、生物成因、变质成因。
（2）判别：
O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境 N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 大气中惰性气体（Ar, Kr, Xe）与N2的比值： （Ar, Kr, Xe）/ N2 = 0.0118，则N2是大气起源 （Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2有生物或变质起源
6.2 氡气及其特性
岩石的射气作用可用三个参数来说明：
射气强度：1克岩石在1秒钟内析出的自由氡射气量。
射气能力：1克岩石在其建立放射平衡（ Ra与Rn之间） 的时间内析出的总射气量。 在岩石的空隙中，氡以自由氡、吸附氡、封闭氡等形 式存在。所以，总射气量包括以上几种。 射气系数：在单位时间内，析出到岩石空隙中的自由 氡量与在同一时间间隔内形成的总射气量的比值。 不同的 岩石其射气系数不同，如下表：
6.2 氡气及其特性
不同类型岩石的射气系数
土壤类型 泥炭土 灰化土 中粒灰化砂质粘土 砂质粘黑土 砂质灰黑土 红土 Kra 0.53 0.24---0.36 0.18 0.40 0.22 0.47---0.62
不同类型岩石的射气系数
岩石类型 片麻岩和花岗片麻岩 花岗岩和花岗闪长岩 花岗伟晶岩 石英斑岩 粗面流纹岩 样品数 13 11 2 2 27 Kmin 0.20 0.05 － － － Kmax 0.26 0.24 － － － K平均 0.22 0.17 0.28 0.04 0.15
随着水温度升高，氡的溶解系数减小。所以，相同条件下，冷水含氡量 高于热水。 此外，氡溶解系数随矿化度升高而减小。
6.2 氡气及其特性
4. 氡的积累与衰变
当地下水与岩石接触后，岩石中镭衰变所产生的氡便开始在水
中积累。水中氡的积累浓度由公式Ct = Cmax ·(1-e―λt ) 决定。
Ct ：水与岩石接触，经历t时间后水中氡的浓度（Bg/L)； Cmax：岩石提供的最大氡浓度（Bg/L)； t ：水与岩石接触的时间（天）； λ：氡的衰变常数= 0.1813天; e :自然对数的底; 1-e―λt : 氡的积累函数.
当深层水沿井筒向运移时，由于温度与压力等变化，部分溶 解气将转化成游离气，到井水面，可向大气释放，因此可以在井 口利用适当的集气装置收集气样后进行测试。
二、气体迁移形式：
赋存与活动于岩土空隙中
地下水中的气体
有时吸附于固体颗粒表面 有的以包裹体形式赋存于矿物晶体骨架之间
6.1 地下气体的成因与组成
力越强。
6.1 地下气体的成因与组成
3. 硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）
H2S来源：
硫酸盐还原：
硫化矿物分解： 火山喷发 H2S和CH4的存在表明还原环境 。
H2S一般出现在深层地下水中，油田水中含量很高，常以此作为寻
找石油的间接标志。
6.1 地下气体的成因与组成
三、 地下气体基本特性
1、不同成因的气体具有不同的组成特征
6.2 氡气及其特性
（3）水的携带作用：由于氡溶解于水中，因而地下水就成为
氡射气迁移的载体，其运动速度往往比扩散作用快得多。 （4）伴生气体的压力作用：氡是一种微量气体元素，在大多
数情况下，可在其它浓度大的土壤气体如O2 、 N2 、 CO2扩散
压力的推动下进行迁移。 （5）地热作用：由于地热梯度的存在，气体在向冷的部位迁
6.2 氡气及其特性
氡的衰变规律公式: Ct = Co ·e―λt
Ct : t 天后，水中氡的浓度;
Co : 水脱离岩石时的氡的浓度; e―λt : 氡的衰变函数值。
t
e―λt
5
10
15
20
25
30
40
50
0.4039 0.1632 0.0659 0.0266 0.0108 0.0043 0.0007 0.0001
6.1 地下气体的成因与组成
地下水中气体的存在形式：
可以在地下水中以溶解气形式存在，随地下水的运动而 流动；也可以游离气形式独立存在，且可相互转化。
地下水与地下气之间，一般处于不断溶解与不断逸出的状态平衡之 中，这一平衡取决于所处的温度与压力条件。 一般情况下，环境温度升高时气体的溶解度降低，即地下水中的气 体将由水中分离出来，有条件时会逸出水面；但环境压力升高时气体 的溶解度升高，即水中游离的气体或大气中的气体，将会进一步被溶 解于水中，使水中气体的含量升高。
火 成 岩
沉 积 岩
石英岩 砂岩 泥质岩 泥灰岩 灰岩
8 14 5 4 19
0.13 0.01 － － 0.01
0.30 0.12 － － 0.25
0.20 0.11 0.21 0.13 0.11
6.2 氡气及其特性
3. 氡的溶解特性
氡可溶于水中，在地下水中，主要以溶解氡和气氡的形式存在。
氡在液体中的浓度（ Rn液/V液）与气体中的浓度（ Rn气/V气）成
成因类型 大气成因 生物成因 化学成因 生成的作用 大气圈中的空气渗入地下而生 主要气体成分 N2，O2为主 CH4 ， CO2 ， H2S ，重烃， N2 ， H2 微生物分解有机物与矿物盐类而生 等 CO2，H2S，H2，CH4，CO ，N2， 岩石在高温高压下变质生成 HCl，HF，NH3，SO2等 岩石在常温常压下化学反应生成 Cl，S，CO2等
迁移的主要形式。
6.2 氡气及其特性
氡的迁移主要通过以下几个作用：
（1）扩散作用：氡射气的分子由于热运动而向浓度小的方向 移动。氡在岩石中的扩散取决于岩石的空隙度、透水性、湿度、 结构、温度等。当上述条件或某些条件改变，氡射气的扩散性 必然发生改变。 （2）对流作用：在氡射气的迁移作用中，对流作用仅次于扩 散作用。当岩层中存在着压力差时，氡射气可从压力高的部位 向压力低的部位迁移。因此，氡射气从深部向地表迁移主要靠 对流作用。