應(yīng)用地球化學(xué)：7氣體地球化學(xué)測量gas

勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量第一節(jié)氣體的通性第二節(jié)氣體類型第三節(jié)氣體的遷移第四節(jié)氣體異常的觀察方法第五節(jié)汞氣異?？辈榈厍蚧瘜W(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量利用氣體異常找礦的設(shè)想在化探發(fā)展的初期就從理論上提了出來。但當(dāng)時由于化探的其他分枝正在迅速發(fā)展，而氣體測量的方法技術(shù)又比較復(fù)雜，所以除了在油氣田普查和放射性Rn氣測量方面有所應(yīng)用外，在金屬礦床找礦及一般地質(zhì)測量中并沒有認(rèn)真開展?？辈榈厍蚧瘜W(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量直到六十年代末，由于測試取樣技術(shù)的進(jìn)步和在覆蓋地區(qū)找礦的需要，氣體測量才開始活躍起來。目前，它不但應(yīng)用于直接找礦，而且還應(yīng)用于地質(zhì)制圖、地?zé)峥辈?、地震預(yù)報、環(huán)境調(diào)查等方面。勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量氣體不同于液體與固體之處，就在于它們的分子之間是分離的，只要沒有壓力限制，就可以自發(fā)地拉大分子之間的平均距離去均勻地占滿空間。這一性質(zhì)是氣體測量的基本依據(jù)之一。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量假設(shè)在一個孔隙度為的均勻覆蓋層底下，有一個氣源，它散發(fā)出Q克氣體，充滿疏松物的所有孔隙，則形成一個半徑為R的半球體(下圖)，此時孔隙氣體中的平均濃度C為:C＝Q/V＝(3/2)(Q/R3)

由此可以得：R＝(3/2)(Q/C)第一節(jié)氣體的通性3勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量第一節(jié)氣體的通性HRO理想氣體異常示意圖＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量設(shè)=10%，C=1g/m3，Q=lkg,則不難算出:R=1700m這是對氣體測T探測深度的一個樂觀估計，雖然是絕大地簡化了的，但至少可以看出氣體測量在覆蓋地區(qū)找礦的巨大潛力。對氣體異常來說，覆蓋物不再是一個找礦的障礙，倒是成了溝通異常與氣源的橋梁。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、理想氣體方程式

在地表的溫度壓力條件下，所有氣體的行為非常接近理想氣體即它們的各個參數(shù)之間，服從理想氣體方程：PV＝nRT式中P為壓力，V為體積；n為所研究的氣體的摩爾數(shù)，R為氣體常數(shù)(R=8308Pa·L/mol·K)，T為絕對溫度(T=273+t)。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、理想氣體方程式

當(dāng)P=l，t=0時(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))時，1mol(n=1)的任何氣體占有的體積V=273xR=22.4L。

在氣測單位的換算及標(biāo)準(zhǔn)氣源的制備時，都要利用理想氣體方程。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、理想氣體方程式氣體測量常用單位:

(體積/體積)及(重量/體積)前者不受溫度壓力的影響，通常用%或ppm來表示，后者用ng/m3、mg/L等單位表示，與溫度壓力有關(guān)，所以應(yīng)指明在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下或其它條件下。上述二者的換算公式為:

1(體積/體積)單位=（22.4/分子量〕(重量/體積)單位(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、分壓定律

空間內(nèi)如果同時存在幾種互不反應(yīng)的氣體，則某一氣體的分壓或有效壓力，又叫該氣體的逸度Pi為:Pi=P總·Xi

這就是分壓定律，共中的Xi為各氣體所占的摩爾數(shù)。由此可見，當(dāng)各氣體以等重量相混時，分子量小的氣體逸度大。所以，如選擇分子量小的氣體可望提高氣測的探測深度第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量三、飽和蒸汽壓

如果某一氣體與其液相共存，則在液面上的氣相中該氣體所占的分壓叫飽和蒸氣壓。飽和蒸氣壓是溫度的函數(shù)，使飽和蒸氣壓達(dá)到外加氣壓的溫度，就是沸點。對于一些升華的氣體，則飽和蒸氣壓是指與固體平衡時的壓力。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量三、飽和蒸汽壓

飽和蒸氣壓隨溫度增加不是直線關(guān)系，可用楊氏經(jīng)驗公式近似表示:logP=-a/T+b

式中a與b是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)當(dāng)溫度升高時，飽和蒸氣壓升高，即氣體從液體中蒸發(fā)出來，反之，則導(dǎo)致凝結(jié)。所以氣體測量的結(jié)果受溫度的影響很大，必要時需引人溫度校正，即把所得結(jié)果全部換算到同一溫度。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量三、飽和蒸汽壓

某些簡單金屬硫化物的飽和蒸汽壓礦物元素飽和蒸汽壓(ng/m3)雌黃As1.1*104辰砂Hg

1.1*102輝銻礦Sb

1.1*10-10閃鋅礦Zn

1.1*10-20方鉛礦Pb

1.1*10-31第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量四、氣體的溶解度

氣體可以溶解在水中，在水中的溶解度通常表示為與1大氣壓的該種氣體平衡時每100mL水中該氣體的毫升數(shù)。溶解度與溫度有關(guān)。當(dāng)氣體為混合氣體時，則溶解度與其分壓成正比:Mi=Kpi,稱為亨利定律，K與溫度成反比第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量五、滲透定律

氣體分子在外壓力驅(qū)使下可以通過多孔介質(zhì)作整體的遷移，遷移的速度(dv)(通過方向上單位時間內(nèi)通過單位面積的整體體積)與壓力梯度及介質(zhì)的滲透系數(shù)K成正比。Dv=K(dp/dx)dt滲透作用是形成氣體異常的重要動力之一。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量六、擴(kuò)散定律

擴(kuò)散作用是氣體分子力圖消除濃度梯度的一種自發(fā)的運(yùn)動。它可以用費克第一定律來描述:某一微小時間間隔dt內(nèi)通過單位面積的擴(kuò)散量dm與垂直子該面的濃度梯度dc/dx成正比。Dm=-D(dc/dx)dt第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量六、擴(kuò)散定律

式中擴(kuò)散系數(shù)D與氣體種類、介質(zhì)種類及溫度有關(guān)。在多孔介質(zhì)(如士壤)中擴(kuò)散時，還受到吸附作用和氣體分子量的影響。

擴(kuò)散系數(shù)：

氣－氣:100m3/s;

氣－液:10m-4/s;

氣一固:100m-4/s第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量七、吸附與解吸

氣體分子還很容易被固體表面吸附，被吸附的分子當(dāng)外界條件變化時又可以解脫出來(解吸)。固體對氣體的吸附與溫度、表面積大小與性質(zhì)及氣體的種類有關(guān)。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量七、吸附與解吸

從能量觀點來分析，氣體被固體吸附是自發(fā)進(jìn)行的，而解吸作用則需要外界給以能量。一個分子被吸附時放出的能量，就是解脫它所需要的最小能量。由于天然吸附劑的不均勻性，不同吸附位置上的吸附，能量是不同的，同時，由于吸附劑本身的老化與晶化，解脫能也會隨時間而增加。因此對一種特定的吸附劑來說，存在著吸附能的某種分布。第一節(jié)氣體的通性勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量

自然界的氣體在地殼中任何一點上的氣體，如壤中氣、大氣、巖石裂隙中的氣體及水中溶解的氣體，都是許多不同來源的氣體混合物。按它們的來源，可以分成大氣、表成氣及深成氣。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、大氣

大氣本身實際上也是深成氣與表成氣混合物，它的成分雖然在地質(zhì)歷史上是演化的，但對氣體測量的觀察階段來說，是非常穩(wěn)定的，而且共基本組成具有世界范圍的均勻性。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、大氣

大氣中的02、CO2的穩(wěn)定含量是靠光合作用，生物呼吸作用及海洋的緩沖作用等來維持的。大氣中的H2、Ar、He等低分子量的氣體，由于逸度大，地球的重力場不足以克服它們向外層空間的逸散。據(jù)計算，大氣中現(xiàn)有的5.24ppm的He在不長的地質(zhì)時期內(nèi)就能夠逸散殆盡。大氣中之所以還保存有He，就是He不斷地從深部補(bǔ)充，因此He的異常能反映深部構(gòu)造。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、大氣

大氣中還有一些微量成分，如N2O、CO、SO2等，則可能來自火山噴發(fā)，礦床氧化或人為污染，它們的含量會隨地點與時間發(fā)生很大的變化，在不同的高程上，也不相同。環(huán)境地球化學(xué)勘查主要研究后生氣體的分布與變化。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、表成氣體

表成氣體是由水、陽光、游離氧、生物活動形成的，當(dāng)然也有放射成因的氣體，但其量甚少。由于具體地質(zhì)條件的不同，表成氣體的種類就有很大的差別，碳酸鹽巖地區(qū)，有機(jī)沉積巖地區(qū)及硫化礦床氧化帶均有各自的特征氣體組合。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、表成氣體

含有大量硫化物的地質(zhì)體，在地表氧化時，可能生成H2S、COS、SO2，等氣體。此外，還可能有S、As、Se的有機(jī)氣體如:(CH3)2S，(CH3)2Se，(CH3)2As。這些氣體的濃度及穩(wěn)定性取決于溫度、pH、Eh、硫及氧的濃度。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、表成氣體

在碳酸鹽巖地區(qū)，CO2的異常最為顯著，它可以通過重碳酸鹽分解而來，也可能由各種有機(jī)及無機(jī)酸對CO32-作用而來。

第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、表成氣體

在有機(jī)物豐富的地層或地表疏松層內(nèi)，細(xì)菌活動非常積極，能打破平衡熱力學(xué)的常規(guī)，產(chǎn)生大量有機(jī)氣體，其濃度甚至可以超過較穩(wěn)定的H2S。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、表成氣體

在有機(jī)物豐富的地層內(nèi)，如果在缺氧條件下受到微生物作用，則產(chǎn)生CH4及其它碳?xì)浠衔?；如果在富氧條件下則分解生成CO2。高等植物甚至能合成一些金屬有機(jī)化合物，以揮發(fā)性分泌物形式迸入周圍空間。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量三、深成氣體

深部來的氣體，與大氣及淺部氣體有截然不同的成分，這反映了物理化學(xué)條件的差別:

大氣中的氧逸度為0.2xlO5Pa，而據(jù)羅比(Robie)等人的實驗，在700℃，10OOx1O5Pa下(相當(dāng)于4km深的地下)，水、石英、磁鐵礦及鐵攬檄石平衡時氧逸度僅為10-12.5Pa,而在大氣中微不足道的H2的逸度卻達(dá)到2OxlO5Pa。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量三、深成氣體

地球原始物質(zhì)中所含的情性氣體及放射成因的氣體，如He、Rn、Ar等，在深部可以長期積累，遇有構(gòu)造活動，就能達(dá)到地表。深部氣體在地震活動強(qiáng)烈時，在地表含量升高，所以，在固定地點對這些氣體進(jìn)行長期觀察，可以作為預(yù)報地震的參數(shù)之一。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量三、深成氣體

總之，深部氣體總的特征是還原性與惰性氣體占優(yōu)勢。從地質(zhì)歷史上看，現(xiàn)在的大氣圈首先是由深部氣體被重力場捕集，然后又由廣泛的表生過程，特別是生命活動對原始大氣進(jìn)行深刻改造。第二節(jié)氣體類型勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量

氣體的遷移，主要以擴(kuò)散與氣流兩種方式：擴(kuò)散前者只要有濃度差存在，就能或快或慢地自發(fā)進(jìn)行，所以這是最普遍最基本的遷移方式。氣流則需要有驅(qū)動力及通道系統(tǒng)。驅(qū)動力可以是溫度差，這時引起對流運(yùn)動，也可以是壓力差，此時引起流動。當(dāng)然，在自然界往往是所有可能的作用共同進(jìn)行，但為了研究方便起見，按作用單獨分析。第三節(jié)氣體的遷移勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、擴(kuò)散作用

雖然氣體在三度空間內(nèi)的擴(kuò)散作用由費克第二定律作了最完備的理論描述，但該方程難以求得精確解，因此，人們就轉(zhuǎn)向求近似解，由于計算機(jī)的應(yīng)用，這種近似解法可以用數(shù)字來模擬與真實地質(zhì)條件盡量接近的氣體異常，因而求得的結(jié)果有較大的實際意義。第三節(jié)氣體的遷移勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、擴(kuò)散作用第三節(jié)氣體的遷移計算機(jī)模擬氣體異常在均勻介質(zhì)形成與耗散過程異常發(fā)育過程異常耗散過程勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、擴(kuò)散作用

一些實測數(shù)據(jù)表明，氣體通過干燥土壤的擴(kuò)散系數(shù)在10-1一10-2cm2/s之間，通過水飽和的沉積物的擴(kuò)散系數(shù)在10-5一10-6cm2/s之間，由此可見，氣體通過土壤氣擴(kuò)散要比通過地下水?dāng)U散快104倍。第三節(jié)氣體的遷移勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、擴(kuò)散作用

當(dāng)覆蓋層是不同擴(kuò)散系數(shù)的物質(zhì)互層時，數(shù)字模擬表明，最有利于氣體異常形成的條件是直接覆蓋在氣源上的物質(zhì)具有較大的擴(kuò)散系數(shù)而上覆層為較小擴(kuò)散系數(shù)的物質(zhì)。如果反過來，在地表的物質(zhì)具有大的擴(kuò)散系數(shù)，而直接蓋在氣源上的物質(zhì)是比較緊密的，則地表的氣體異常就很弱。第三節(jié)氣體的遷移勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、氣流作用

引起氣體流動的力是多種多樣的，主要的有大氣壓力變化及地下壓力的變化。氣體從高壓區(qū)向低壓處流動，力圖取消壓力差。地下的各種裂隙、斷裂、不整合面、層間滑動都是低壓帶，可以吸引氣體向它們流動，并沿著它們的方向遷移很遠(yuǎn)的距離。第三節(jié)氣體的遷移勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、氣流作用

氣體異常的形成非常明顯地受構(gòu)造控制。這就是氣體異常深部填圖的基礎(chǔ)。在地表，大氣壓力的變化好比一個巨大的活塞，大氣壓降低，吸引土壤氣逸出，大氣壓升高，空氣將趕入土壤，這就產(chǎn)生壤中氣異常周期性地變化。第三節(jié)氣體的遷移勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量二、氣流作用

另一個引起氣體遷移的重要作用是借助地下水的運(yùn)動，即氣體可以先溶解于水中，隨地下水流動，到另一地點后，再在新的條件下回到氣相，還有一些氣體異常，本來并沒有氣體，完全是在當(dāng)?shù)赝ㄟ^地下水的反應(yīng)新生成的。第三節(jié)氣體的遷移勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

氣體取樣方法可以分成主動式和被動式二類。（一）主動式：

就是采用人工抽氣，這樣取樣的體積可以控制，但取樣的時間不能延得很長，所得結(jié)果受含量偶然漲落的影響較大。第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣－（一）主動式：主動式取樣又可分直接取樣與濃集取樣兩種：直接主動取樣的操作最為簡單，但氣樣的儲存、密封、運(yùn)輸卻十分困難。H2，He等低分子量氣體不但可以通過塑料器璧擴(kuò)散，甚至可以穿過玻璃，所以，如果要分析這些氣體，取樣容器必須用金屬材料。第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣－（一）主動式：主動濃集取樣是目前應(yīng)用最多的取樣方法。它是令一定體積的氣體以恒速通過一種捕集劑，后者可以把氣體中的有用成分捕集起來，在分析時，又能把捕集的成分釋放出來。對捕集劑的要求是捕集與釋放都能定量、化學(xué)與物理性質(zhì)穩(wěn)定、能夠反復(fù)使用、空白含量低、價格低廉。第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

（一）主動法：第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

（一）主動法：第四節(jié)氣體的觀察方法1、螺紋錐形采樣器2、雙層靜電濾膜過濾器3、5硅膠管接頭4、捕集器6、大氣采樣器或其它減壓裝置測量裝置示意圖勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

（二）被動式：

讓氣體與某種捕集劑長時間接觸，這樣，取樣的體積不能控制，但可以自然地平滑掉氣體濃度的偶然變化，同時又能起濃集的作用。第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

（二）被動法：第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

（二）被動法：

被動法測得的結(jié)果顯然是設(shè)置時間內(nèi)的累積值，但要求吸附后的氣體不再自發(fā)釋放。這一方法的缺點是至少要到取樣點去兩次，埋一次，收一次，而且捕集器易丟失或污染。第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

（二）被動法：

放射性氣體，可以不經(jīng)釋放直接在吸附劑上測定，因此可以采用無選擇性的不可逆吸附劑，如活性炭等。在鈾礦普查中常用的徑跡蝕刻法也可歸人這一類。第四節(jié)氣體的觀察方法勘查地球化學(xué)第六章 氣體地球化學(xué)測量一、取樣

（二）被動法：

還可通過天然吸附