К.т.н., доц. Чекушина Т.В.¹, д.т.н., проф. Воробьев А.Е.², Чекушина Е.В.¹

¹Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г. Москва, Россия

²Российский университет дружбы народов, г. Москва, Россия

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ, МИГРАЦИИ И НАКОПЛЕНИЯ ГАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Периодически возникающие энергетические кризисы, охватывающие многие страны мира, с особой остротой выдвигают проблему поиска дополнительных источников энергетического сырья. Такими нетрадиционными источниками могут стать растворенные горючие газы подземных и морских (океанических) вод [1, 8, 9]. При этом необходимо учитывать и то, что в подземных водах, а также водах океанов, морей и озер по всему миру растворено значительное количество метана, и это содержание метана иногда представляет определенный промышленный интерес. Среднее содержание метана в водах Мирового океана составляет порядок 10^-2 см³/л, а его общее количество – 14×10¹² м³.

Различные геолого-экономические условия нахождения ресурсов растворенных газов предполагает проведение конкретных исследований в области разработки соответствующим этим условиям разнообразных высокоэффективных технологий извлечения газов, представляющих практический интерес для национальной экономики.

В этой связи, первоначально в ходе исследований, на основе сопоставительного и контрастного изучения и сравнения, были проанализированы и сравнены между собой существующие теоретические модели воды (с представлением их графического изображения - электронное облако, тетраэдр, пирамида, решетка, кластер, клатрат, топологические цепочки и кольцо, кристаллы и т.д.), обуславливающие не только значения угла наклона между ее орбиталями атомов и параметры (вид и характеристику) связей между ними, по величине возможного газонасыщения и содержания (включения) ионов некоторых загрязнителей.

В настоящее время на модель структуры жидкой воды не существует единой (общепринятой) точки зрения [4].

Физическую форму молекулы воды Н₂О можно рассмотреть в виде особого электронного облака (рис. 1): атом кислорода находится в центре данного облака, а два атома водорода (с положительными зарядами) расположены в противоположных углах нижней грани условно взятого куба. При этом угол между электронными орбиталями атомов водорода в молекуле воды равен 104,523º (рис. 2).

251658240	251658240
Рисунок 1 - Электронные орбитали и тетраэдрическая структура молекулы воды [3]	Рисунок 2 – Угол между атомами водорода в молекуле воды

Расстояние между кислородным атомом и водородными атомами приблизительно равно 0,1 нм (0,9572·10^-8 см). Причем, атом кислорода имеет 8 электронов [3]: 2 из них расположены с ядром, еще 2 электрона присутствуют как связка с атомами водорода в молекуле воды, а два остальных представляют собой не поделенные пары электронов, образуя своего рода «ветви», простираемые к верхним углам грани условного куба.

Атомы кислорода и водорода связаны между собой ковалентно (Н – О), поэтому молекула воды обычно чрезвычайно устойчива. Составляющие молекулу воды атомы имеют малые атомные радиусы, вследствие чего, длина Н-О связи в ее молекуле составляет всего 0,096 нм [3]. Причем, наибольший размер молекулы воды имеет значение около 3 ангстрем.

В связи с указанным распределением положительного и отрицательного зарядов в молекуле воды существует большой дипольный момент, который имеет основное значение при взаимодействии таких молекул между собой, а также и с растворенными веществами.

Таким образом, возникают водородные связи между молекулами воды. Их энергия составляет порядка 1 кДж/г, а длина связи (расстояние между атомами кислорода до двух соседних молекул) равна 0,3 нм (рис. 3).

251658240

Рисунок 3 - Схематическое изображение структурных особенностей молекулы воды и водородной связи [3]

Имеющимися особенностями строения молекул воды и ее структуры объективно объясняется существующие изменения электропроводности водных растворов (позволяющие полезно использовать этот эффект при последующем теоретическом обосновании и практической реализации выделения газов, а также очистки вод от загрязнителей), а также пропорциональное уменьшение вязкости вод, при повышении пластового давления (что способствует уточнению математической модели образования, миграции и накопления газоносных подземных вод) и другие ее свойства (табл. 1).

Растворенные в воде вещества, заполняя пространство внутри кристаллической решетки воды, обычно изменяют ее изначальную структуру и свойства. В частности, электропроводность водных растворов, как правило, увеличивается в десятки тысяч раз (благодаря появлению заряженных ионов в воде). Кроме этого, пропорциональное уменьшение вязкости воды происходит с увеличением температуры и давления, что делает ее довольно подвижной [2] даже в глубоких водоносных горизонтах (с очень высокими пластовыми давлениями).

Для последующей разработки эффективных методов дегазации подземных вод важным представляется и коэффициент поверхностного натяжения, при 0ºС имеющий значение 75,65×10^-3 Н/м. При разработке эффективных методов выделения водорастворимых газов необходимо учитывать, что размеры молекул воды обычно меньше молекул и ионов всех растворенных, коллоидов и неионогенных веществ находящихся в ней (табл. 2).

Таблица 1 - Свойства воды [4]

Свойства жидкой воды, насыщенного пара	Изменение свойств с ростом температуры и давления вдоль двухфазной кривой жидкость - насыщенный пар	Сравнительная характеристика
Плотность воды, г/см^3 – 0,998 Насыщенного пара, г/дм^3, при 20 ºС 0,0173	Плотность жидкой воды уменьшается, плотность насыщенного пара возрастает, достигая 0,322 г/см^3в критической точке (374ºС и 22,1 МПа)	С увеличением солености до 300 г/кг плотность увеличивается до 1,2-1,3 г/см^3 в зависимости от состава водного раствора
Теплоемкость при 0ºС, воды – 4,22, пара 1,87	Для жидкой воды проходит через минимум, для пара возрастает	Высокая по сравнению с другими веществами
Скрытая теплота плавления льда, кДж/г 0,3
Скрытая теплота испарения воды при 100ºС, кДж/г, 2,26	Убывает, стремясь к нулю критической точке
Коэффициент объемного расширения, град-1, при 0ºС -3,4×10^-5 при 10ºС 9×10^-5	Температура максимальной плотности для чистой воды 4 ºС	Температура максимальной плотности уменьшается с повышением солености
Коэффициент поверхностного натяжения, при 0 ºС, Н/м 75,65×10^-3	Убывает, стремясь к нулю в критической точке	Высокий по сравнению с другими жидкостями
Вязкость при 0ºС, мкПа×с 1,792	Уменьшается с температурой	С ростом солености возрастает
Диэлектрическая проницаемость при 25 ºС, 78,3	Уменьшается с температурой	Наиболее высокая для жидкостей
Электролитическая диссоциация при 25 ºС, г-ион, Н^+и СН^-в кг воды,10^-7	Для жидкой воды проходит через максимум	При сверхкритических параметрах убывает с температурой и возрастает с давлением
Электропроводность при 0ºС, Ом^-1, м^-1, 0,68×10^6	Возрастает с температурой	Резко возрастает при растворении неорганических веществ
Теплопроводность при 0ºС, МВт×м^-1× град^-1 , 561	Уменьшается с температурой	Наиболее высокая для жидкостей
Растворяющая способность	Увеличивается для сильных электролитов (галит, сильвин), проходит через максимум для многих оксидов (кварц и др.) убывает для сульфатов, карбонатов	Вода обладает наиболее высокой растворяющей способностью к неорганическим веществам благодаря высокой диэлектрической проницаемости
Прозрачность		Относительно высока

Рассмотренные характеристики и показатели воды оказывают существенное влияние на последующие процессы формирования природных вод в литосфере.

В настоящее время существует две основные теории образовании воды (современная земная гидросфера оценивается величиной 1,385×10⁹ км³) на нашей планете – литогенетическая (обусловленная химическим синтезом воды в недрах Земли) и биогенетическая (вследствие биохимического синтеза воды живым веществом).

Таблица 2 - Диаметр молекул некоторых газов [4]

Название вещества	Критический размер молекул веществ, нм	Название вещества	Критический размер молекул веществ, нм
Гелий	0,22	Хлородифторметан	0,49
Аргон	0,34	Дихлородифторметан	0,49
Ацетилен	0,24	Пропан	0,49
Водород	0,27	бутан и высшие n-парафины	0,49
Вода (H2O)	0,28	Диоксид углерода	0,40
Этил меркаптан	1	i-бутан и высшие i-парафины	0,56
Моноксид углерода	0,39	Азот	0,35
Метил меркаптан	0,45	Циклогексан	0,61
Метан	0,39	Хлор (Cl2)	0,49
Сульфид водорода	0,36	Кислород	0,26
Полипропилен	0,50	Этилен	0,42
Этан	0,44	Бензол	0,58
Диоксид серы (SO2)	0.34

Платон и Аристотель первыми пытались объяснить происхождение подземных вод [2]. В частности, Платон (427-347 гг. до н.э.) предположил, что их образование происходит на основе морских соленых вод, которые, проходя горные породы, освобождаются от солей и выходят на дневную поверхность уже пресными родниками. По мнению Аристотеля (384-322 гг. до н.э.) образование подземных вод происходит в результате сгущения холодного воздуха в имеющихся под землей пустотах горных пород.

К настоящему времени разработана базовая классификация подземных вод по их происхождению.

Ювенильные воды накапливаются в расплавленной магме в виде паров, где их содержание составляет от 0,5 до 8,01% [2]. Проходя во время извержений вулканов через охлажденную земную кору, эти воды достигают дневной поверхности и начинают конденсироваться (теория Зюсса).

По подсчетам Семененко Н.П., за всю историю существования Земли на ее поверхность выделилось около 3,4×10⁹ км³ ювенильных вод.

В самом начале ХХ века Андрусовым Н.И., Гефером Г. и Лейном А.Ч. независимо друг от друга была выдвинута гипотеза седиментогенного происхождения подземных вод. В ее основе лежало «захоронение» морских вод при образовании донных осадков и их последующее «отжатие» при уплотнении массива горных пород.

Необходимо отметить, что в соответствии с современными воззрениями атмосферные воды (осадки) являются первой стадией формирования поверхностных и подземных вод (рис. 4).

251658240

Рисунок 3 - Круговорот воды в природе (тыс. км^3)

Конденсационные и инфильтрационные воды называются метеорными или вадозными (от лат. Vadere — идти, двигаться), т.к. они образуются из влаги атмосферы и также участвуют в общем круговороте воды [6,7].

Формирование подземных вод происходит за счет атмосферных осадков, просачивающихся в последующем вглубь литосферы, а также из болот, рек, озер и водохранилищ. Эти воды проникают в массивы проницаемых горных пород, доходят где-то до водоупорного слоя и накапливаются над ним. Количество влаги, таким образом, проникающей сначала в почву, а затем далее – в литосферу, составляет 15-20% общего количества атмосферных осадков. В одних блоках литосферы воды просачиваются довольно глубоко, а в других - часто не проходят глубже почвенного слоя или первого водоупорного горизонта.

На степень инфильтрации вод значительное влияние оказывает рельеф местности, состав покрывающих пород и степень обнаженности коренных пород, их литологический состав, структура и текстура, а также и тектоническое строение района [9]. Зачастую на интенсивность инфильтрации вод влияет имеющийся растительный покров и техногенная деятельность.

Нами был осуществлен детальный анализ условий образования, миграции и накопления газосодержащих подземных вод на основе теоретического и экспериментального изучения к настоящему времени уже известных или потенциально возможных характеристик и параметров различных гидрогеологических бассейнов.

Литература

1. Технология извлечения метана, деминерализация подземных и промышленных вод /Воробьев А.Е., Портнов В.С., Роман А.Т., Таткеева Г.Г., Турсунбаева А.К. – Караганда: Издательско-полиграфический центр Казахстанско-Российского университета. 2012.- 320 с.

2. Зверев В.П. Подземные воды земной коры и геологические процессы. – М.: Научный мир. – 2006. – 256 с.

3. Климентов П.П. Гидрогеология. М., Госгеолтехиздат, 1955.

4. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. М.: Недра, 1992, 463 с.

5. http://greensource.ru/istochniki-jenergii/podzemnye-vody.html.

6. http://www.geohydrology.ru/gazyi-v-podzemnyih-vodah.html.

7. http://mygeos.com.

8. Стратегия развития минерально-сырьевого комплекса в XXI веке //Материалы II Междунар. конф., [г. Москва, 11-15 окт. 2006 г.] / отв. ред. - А. Е. Воробьев. Москва, 2006.

9. Воробьев А.Е., Роман А.Т., Нуршина А.Р. и др. Применение мембранной абсорбции - основной метод выделения газа из подземных вод // Материалы Х Междунар. конф. «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». – Москва: РУДН, 2011. - С. 40-41.