应用地球学_7气体地球化学测量gas.ppt

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1、勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,第一节 气体的通性第二节 气体类型第三节 气体的迁移第四节 气体异常的观察方法第五节 汞气异常,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,利用气体异常找矿的设想在化探发展的初期就从理论上提了出来。但当时由于化探的其他分枝正在迅速发展，而气体测量的方法技术又比较复杂，所以除了在油气田普查和放射性Rn气测量方面有所应用外，在金属矿床找矿及一般地质测量中并没有认真开展。,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,直到六十年代末，由于测试取样技术的进步和在覆盖地区找矿的需要，气体测量才开始活跃起来。目前，它不但应用于直接找矿，而且还应用于地质制图、地热勘察、地震预报、环境

2、调查等方面。,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,气体不同于液体与固体之处，就在于它们的分子之间是分离的，只要没有压力限制，就可以自发地拉大分子之间的平均距离去均匀地占满空间。这一性质是气体测量的基本依据之一。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,假设在一个孔隙度为的均匀覆盖层底下，有一个气源，它散发出Q克气体，充满疏松物的所有孔隙，则形成一个半径为R的半球体 (下图)，此时孔隙气体中的平均浓度C为:CQ/V(3/2)(Q/R3) 由此可以得：R (3/2)(Q/C),第一节 气体的通性,3,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,第一节 气体的通性,H,R,O,理想气体

3、异常示意图,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,设 =10%，C=1g/m3，Q=lkg, 则不难算出:R=1700m 这是对气体测T探测深度的一个乐观估计，虽然是绝大地简化了的，但至少可以看出气体测量在覆盖地区找矿的巨大潜力。对气体异常来说，覆盖物不再是一个找矿的障碍，倒是成了沟通异常与气源的桥梁。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、理想气体方程式 在地表的温度压力条件下，所有气体的行为非常接近理想气体即它们的各个参数之间，服从理想气体方程：PVnRT 式中P为压力，V为体积；n为所研究的气体的摩尔数，R为气体常数 (R=8308PaL/molK)，T为绝对温度

4、 (T=273+t)。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、理想气体方程式 当P=l，t=0时(标准状态)时，1mol(n=1)的任何气体占有的体积V=273xR=22.4L。 在气测单位的换算及标准气源的制备时，都要利用理想气体方程。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、理想气体方程式气体测量常用单位: (体积/体积)及 (重量/体积)前者不受温度压力的影响，通常用%或ppm来表示，后者用ng/m3、mg/L等单位表示，与温度压力有关，所以应指明在标准状态下或其它条件下。上述二者的换算公式为: 1(体积/体积)单位=（22.4/分子量(重量

5、/体积)单位 (标准状态),第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、分压定律 空间内如果同时存在几种互不反应的气体，则某一气体的分压或有效压力，又叫该气体的逸度Pi为:Pi=P总Xi 这就是分压定律，共中的Xi为各气体所占的摩尔数。由此可见，当各气体以等重量相混时，分子量小的气体逸度大。所以，如选择分子量小的气体可望提高气测的探测深度,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,三、饱和蒸汽压 如果某一气体与其液相共存，则在液面上的气相中该气体所占的分压叫饱和蒸气压。 饱和蒸气压是温度的函数，使饱和蒸气压达到外加气压的温度，就是沸点。对于一些升华的气体，则饱

6、和蒸气压是指与固体平衡时的压力。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,三、饱和蒸汽压 饱和蒸气压随温度增加不是直线关系，可用杨氏经验公式近似表示:logP=-a/T+b 式中a与b是与气体种类有关的常数 当温度升高时，饱和蒸气压升高，即气体从液体中蒸发出来，反之，则导致凝结。所以气体测量的结果受温度的影响很大，必要时需引人温度校正，即把所得结果全部换算到同一温度。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,三、饱和蒸汽压 某些简单金属硫化物的饱和蒸汽压矿物 元素 饱和蒸汽压(ng/m3)雌黄 As 1.1*104辰砂 Hg 1.1*102辉锑矿 Sb 1.

7、1*10-10闪锌矿 Zn 1.1*10-20方铅矿 Pb 1.1*10-31,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,四、气体的溶解度 气体可以溶解在水中，在水中的溶解度通常表示为与1大气压的该种气体平衡时每100mL水中该气体的毫升数。 溶解度与温度有关。 当气体为混合气体时，则溶解度与其分压成正比: Mi=Kpi,称为亨利定律，K与温度成反比,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,五、渗透定律 气体分子在外压力驱使下可以通过多孔介质作整体的迁移，迁移的速度 (dv)(通过方向上单位时间内通过单位面积的整体体积)与压力梯度及介质的渗透系数K成正比。 D

8、v=K(dp/dx)dt 渗透作用是形成气体异常的重要动力之一。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,六、扩散定律 扩散作用是气体分子力图消除浓度梯度的一种自发的运动。它可以用费克第一定律来描述: 某一微小时间间隔dt内通过单位面积的扩散量dm与垂直子该面的浓度梯度dc/dx成正比。Dm=-D(dc/dx)dt,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,六、扩散定律 式中扩散系数D与气体种类、介质种类及温度有关。在多孔介质 (如士壤)中扩散时，还受到吸附作用和气体分子量的影响。 扩散系数： 气气:100m3/s; 气液:10m-4/s; 气一固: 100m

9、-4/s,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,七、吸附与解吸 气体分子还很容易被固体表面吸附，被吸附的分子当外界条件变化时又可以解脱出来 (解吸)。 固体对气体的吸附与温度、表面积大小与性质及气体的种类有关。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,七、吸附与解吸 从能量观点来分析，气体被固体吸附是自发进行的，而解吸作用则需要外界给以能量。一个分子被吸附时放出的能量，就是解脱它所需要的最小能量。 由于天然吸附剂的不均匀性，不同吸附位置上的吸附，能量是不同的，同时，由于吸附剂本身的老化与晶化，解脱能也会随时间而增加。因此对一种特定的吸附剂来说，存在着吸附能

10、的某种分布。,第一节 气体的通性,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,自然界的气体在地壳中任何一点上的气体，如壤中气、大气、岩石裂隙中的气体及水中溶解的气体，都是许多不同来源的气体混合物。按它们的来源，可以分成大气、表成气及深成气。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、大气 大气本身实际上也是深成气与表成气混合物，它的成分虽然在地质历史上是演化的，但对气体测量的观察阶段来说，是非常稳定的，而且共基本组成具有世界范围的均匀性。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、大气 大气中的02、CO2的稳定含量是靠光合作用，生物呼吸作用及海洋的缓冲作用等来维

11、持的。大气中的H2、Ar、He等低分子量的气体，由于逸度大，地球的重力场不足以克服它们向外层空间的逸散。据计算，大气中现有的5.24ppm的He在不长的地质时期内就能够逸散殆尽。大气中之所以还保存有He，就是He不断地从深部补充，因此He的异常能反映深部构造。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、大气 大气中还有一些微量成分，如N2O、CO、SO2等，则可能来自火山喷发，矿床氧化或人为污染，它们的含量会随地点与时间发生很大的变化，在不同的高程上，也不相同。环境地球化学勘查主要研究后生气体的分布与变化。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、表成气体

12、 表成气体是由水、阳光、游离氧、生物活动形成的，当然也有放射成因的气体，但其量甚少。由于具体地质条件的不同，表成气体的种类就有很大的差别，碳酸盐岩地区，有机沉积岩地区及硫化矿床氧化带均有各自的特征气体组合。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、表成气体 含有大量硫化物的地质体，在地表氧化时，可能生成H2S、COS、SO2，等气体。此外，还可能有S、As、Se的有机气体如:(CH3)2S，(CH3)2Se，(CH3)2As。这些气体的浓度及稳定性取决于温度、pH、Eh、硫及氧的浓度。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、表成气体 在碳酸盐岩地区，C

13、O2的异常最为显著，它可以通过重碳酸盐分解而来，也可能由各种有机及无机酸对CO32-作用而来。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、表成气体 在有机物丰富的地层或地表疏松层内，细菌活动非常积极，能打破平衡热力学的常规，产生大量有机气体，其浓度甚至可以超过较稳定的H2S。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、表成气体 在有机物丰富的地层内，如果在缺氧条件下受到微生物作用，则产生CH4及其它碳氢化合物；如果在富氧条件下则分解生成CO2。高等植物甚至能合成一些金属有机化合物，以挥发性分泌物形式迸入周围空间。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地

14、球化学测量,三、深成气体 深部来的气体，与大气及浅部气体有截然不同的成分，这反映了物理化学条件的差别: 大气中的氧逸度为0.2xlO5Pa，而据罗比 (Robie)等人的实验，在700，10OOx1O5Pa下 (相当于4km深的地下)，水、石英、磁铁矿及铁揽檄石平衡时氧逸度仅为10-12.5Pa, 而在大气中微不足道的H2的逸度却达到2OxlO5Pa。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,三、深成气体 地球原始物质中所含的情性气体及放射成因的气体，如He、Rn、Ar等，在深部可以长期积累，遇有构造活动，就能达到地表。深部气体在地震活动强烈时，在地表含量升高，所以，在固定地点

15、对这些气体进行长期观察，可以作为预报地震的参数之一。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,三、深成气体 总之，深部气体总的特征是还原性与惰性气体占优势。从地质历史上看，现在的大气圈首先是由深部气体被重力场捕集，然后又由广泛的表生过程，特别是生命活动对原始大气进行深刻改造。,第二节 气体类型,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,气体的迁移，主要以扩散与气流两种方式：扩散 前者只要有浓度差存在，就能或快或慢地自发进行，所以这是最普遍最基本的迁移方式。气流 则需要有驱动力及通道系统。驱动力可以是温度差，这时引起对流运动，也可以是压力差，此时引起流动。 当然，在自然界往往是所有可

16、能的作用共同进行，但为了研究方便起见，按作用单独分析。,第三节 气体的迁移,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、扩散作用 虽然气体在三度空间内的扩散作用由费克第二定律作了最完备的理论描述，但该方程难以求得精确解，因此，人们就转向求近似解，由于计算机的应用，这种近似解法可以用数字来模拟与真实地质条件尽量接近的气体异常，因而求得的结果有较大的实际意义。,第三节 气体的迁移,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、扩散作用,第三节 气体的迁移,计算机模拟气体异常在均匀介质形成与耗散过程,异常发育过程,异常耗散过程,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、扩散作用 一些实测数据表明，气体通过

17、干燥土壤的扩散系数在10-1一10-2cm2/s之间，通过水饱和的沉积物的扩散系数在10-5一10-6cm2/s之间，由此可见，气体通过土壤气扩散要比通过地下水扩散快104倍。,第三节 气体的迁移,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、扩散作用 当覆盖层是不同扩散系数的物质互层时，数字模拟表明，最有利于气体异常形成的条件是直接覆盖在气源上的物质具有较大的扩散系数而上覆层为较小扩散系数的物质。如果反过来，在地表的物质具有大的扩散系数，而直接盖在气源上的物质是比较紧密的，则地表的气体异常就很弱。,第三节 气体的迁移,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、气流作用 引起气体流动的力是多种多样

18、的，主要的有大气压力变化及地下压力的变化。气体从高压区向低压处流动，力图取消压力差。地下的各种裂隙、断裂、不整合面、层间滑动都是低压带，可以吸引气体向它们流动，并沿着它们的方向迁移很远的距离。,第三节 气体的迁移,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、气流作用 气体异常的形成非常明显地受构造控制。这就是气体异常深部填图的基础。在地表，大气压力的变化好比一个巨大的活塞，大气压降低，吸引土壤气逸出，大气压升高，空气将赶入土壤，这就产生壤中气异常周期性地变化。,第三节 气体的迁移,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、气流作用 另一个引起气体迁移的重要作用是借助地下水的运动，即气体可以先溶解

19、于水中，随地下水流动，到另一地点后，再在新的条件下回到气相，还有一些气体异常，本来并没有气体，完全是在当地通过地下水的反应新生成的。,第三节 气体的迁移,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 气体取样方法可以分成主动式和被动式二类。（一）主动式： 就是采用人工抽气，这样取样的体积可以控制，但取样的时间不能延得很长，所得结果受含量偶然涨落的影响较大。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样（一）主动式： 主动式取样又可分直接取样与浓集取样两种： 直接主动取样的操作最为简单，但气样的储存、密封、运输却十分困难。H2，He等低分子量气体不但可以通过塑料器璧扩

20、散，甚至可以穿过玻璃，所以，如果要分析这些气体，取样容器必须用金属材料。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样（一）主动式： 主动浓集取样是目前应用最多的取样方法。它是令一定体积的气体以恒速通过一种捕集剂，后者可以把气体中的有用成分捕集起来，在分析时，又能把捕集的成分释放出来。 对捕集剂的要求是捕集与释放都能定量、化学与物理性质稳定、能够反复使用、空白含量低、价格低廉。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （一）主动法：,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （一）主动法：,第四节 气体的观

21、察方法,1、螺纹锥形采样器2、双层静电滤膜过滤器3、5 硅胶管接头4、捕集器6、大气采样器或其它减压装置,测量装置示意图,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （二）被动式： 让气体与某种捕集剂长时间接触，这样，取样的体积不能控制，但可以自然地平滑掉气体浓度的偶然变化，同时又能起浓集的作用。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （二）被动法：,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （二）被动法： 被动法测得的结果显然是设置时间内的累积值，但要求吸附后的气体不再自发释放。这一方法的缺点是至少要到取样点去两次，埋一次，

22、收一次，而且捕集器易丢失或污染。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （二）被动法： 放射性气体，可以不经释放直接在吸附剂上测定，因此可以采用无选择性的不可逆吸附剂，如活性炭等。在铀矿普查中常用的径迹蚀刻法也可归人这一类。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （二）被动法： 还可通过天然吸附剂进行气体测量。天然吸附剂存在于地质时期中，代表长期作用的平均值。土壤中的各种粘土矿物及有机物都是很好的天然吸附剂。所以近年来对土壤中的吸附态气体的研究成了气体测量的一个重要组成部分，热释汞测量基于该原理之上。,第四节 气体的观察方法,

23、勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,一、取样 （二）被动法： 除了土壤样品外，水样也可以成为气测工作的取样对象。因为水中有溶解的气体。根据加拿大握太华地区130口水井的观察，水中溶解有多种气体，采用吹泡法即赶出水中溶解气体。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、分析 气体的测定方法与一般的固体试样分析方法有许多不同之点。一般的固体化探样品，测定是在原子水平上进行的，而气体样品多数是测定分子，只有对单原子分子的气体，如Hg、He、Ar等才分析到原子水平。因此，气体分析所依据的原理与仪器极其多样。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、分析 气体分析通常可以省略溶解、分离等冗长步骤，又由于气样运输的困难，所以有可能也有必要在现场直接测定。因此，许多手提式仪器在气测中应用更广。但对于一些稀有的气体，也要用到大型的实验室固定仪器。,第四节 气体的观察方法,勘查地球化学,第六章气体地球化学测量,二、分析 气体分析方法原理气体 仪器原理CO2 红外吸收、热电导、检气管SO2 化学荧光、库仑池CH4 气敏半导体、质谱计Hg 冷原子吸收、冷原子荧光、金 膜电阻Rn 电离室H2S 质谱计、离子泵、气相色谱,第四节 气体的观察方法,