氡的运移规律

岩石圈内载气和示踪气体的运移规律总述

摘要

用流岩状态对岩石圈内气体的运移机理进行了详细说明，并用基本的运输方程式进行了分析。根据裂缝孔径（在最近的地壳研究中表明在几千米深处孔径值在10-2~10mm之间），载气的水平对流，对影响多孔渗水媒质和破裂媒质方程式中物理参数的地质因素进行了检测，并考虑了广泛分布的深层地下岩石的高渗透性，气体的各种状态（气相流动、水置换、气泡系列和气泡带），得出了主要的运移过程。因此，与早期观点相反，地下气体向地表扩散的过程中气体扩散和水的水平对流的作用应将其最小化。广泛的地质环境中，示踪气体（Rn，He）向地表运移，载气（CO2，CH4）在其运移控制及重新分配方面起着显著作用。气泡在裂岩中的运移是快速（气体流速在10~103m每天）、长距离气体运移的有效方式。随着气体压力和裂缝宽度的改变，气泡向连续流体的演变是说明地震构造学、环境论和地球探测相关联的表面地球化学过程最合适的机理。已经对载气携带的示踪气体的运移效率进行了数量化分析。但是，将来对示踪气体向地表运移过程中的分配和运移行为的研究只有和载气的动力学分析结合起来才有意义。

1．简介

岩石圈内地下气体的起源和运移在许多地球科学领域（探测框架结构、环境地质学）中都进行了研究。气体的起源和性能已经被人们所了解，但是对于运移过程人们还不熟悉。而且，在气体动力学及其工程领域研究的气体运移机理的一些方面，还未被地球科学文献普遍承认（特别是在地震构造学和环境论应用方面）。

在地质环境中应用气体动力学规律时，首先应考虑的是：气体运移规律一般反映在岩石(体积给定)中的气体量（气体产生与积聚的量以及速率）以及它的化学反应。地下气体包括活泼气体（H2O、CO2、H2S、NH3、H2、N2）、不活泼气体（CH4和巨大的碳氢化合物）以及惰性稀有气体（主要是He、Rn、Ar）。按照地热勘测、石油勘测和构造学勘测获得的经验，地质环境中大量存在的CO2和CH4可视为载气。尽管覆盖物、岩浆以及有机过程可以构成CO2总释放量的一部分，但碳酸盐变质作用是造成CO2在地热环境中到处存在的主要原因。CH4来自有机物和无机物，主要是由沉积盆地的碳氢化合物生产机理（成岩机理和碎裂作用）产生。在地热环境或深层地壳环境，CH4主要来自Fischer-Tropsch反应和岩浆的排气作用。Sugisaki、Giggenbach和Klusman已经对地面气体的起源作了详细论述。近来，Toutain和Baubron已经对地震构造学中气体地球化学的浅能进行了讨论。这里，我们将对在地震构造学和环境论应用中没有考虑的地下气体运移机理的某些方面进行分析。我们主要考虑地质环

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境中的气体运移。这里不讨论在高压环境、高焓流体系统以及典型的岩浆环境中气体运动的特殊情况，因为如果讨论这方面的情况，读者需要有关于火山学方面的知识。

对可用科学文献的调查表明：一些不同种类支离破碎的课题涉及到了气体运移，但却对主要的运移机理缺乏正式的认识。特别是，重要参数—气体速率的数据被忽略。常常是专业术语的混乱使非本专业的读者对该课题的理解感到困难。许多基于实验数据和计算机程序的气体运移模型没有充分考虑地质时间和空间的现象（例如发生在纯粹地质学中的过程）。从气体流经低渗透性粘土或花岗岩的实验室测量到煤田测量可以归纳总结出地下废物处理的实例。

但是，在过去的十年里，新的气体地球物理学和地球化学的研究有助于我们的理解，并提出了可供选择的观点和理论。因此本文旨在提出多孔渗水破裂媒质中气体的运移规律和基本原理。主要通过对地质因素或影响运移方程式中物理因素的过程进行检测来完成。运移规律以及不同形态间的传播和水平对流已经进行了总结（没有用严格的数学推理），但却谨慎选用术语，以便为非气体动力学专业的人士提供地质应用的简单参照框架。原先被认为非正常的气体水平对流机理的潜能根据深层岩石的新数据以及最近地壳勘测的数据得到了重新检测。这样，重点在于可划分为单独的统一途径的 “geogas理论”、煤田研究（气体流量、废气和地下水气的测量）和地下自然现象的实验观察的假说。已经检测到气泡在地质媒质中运移的基本原理。渗透裂缝岩石中的平移速率在理论上被认为是裂缝宽度的函数，并与可用的试验速率相比较。

2．气体运移机理 2．1 主要的参考书目

对气体在岩石圈中运移的研究开始于20世纪30年代石油勘测中，当人们明白了气化碳氢化合物在沉积岩中的运动时，认为有巨大的商业重要性。早期的研究涉及到与碳氢化合物储集层相联系的气态化合物的动力行为。矿井开采的发展，特别是20世纪60年代铀的研究，推进了所有地面气体的动力学知识，特别是氡，因为它直接与铀的矿化作用相关。

从20世纪70年代开始，地球化学勘测的全面提高、分析器具的改进意味着可以获得大量的地球排气方面的数据。气体运移的第一个物理模型主要用于地热勘测、铀勘测以及与氡相关的环境辐射防护，它对不同程度的复杂性有着精确的方程式。运移模型受碳氢化合物勘测的直接观察数据增加的影响，以及放射性废物地质处理和土壤与地下水污染研究的直接观察数据的增加限制。关于排气作用与地震构造关系假说的测试装置已经由Gold和Gold and Soter进行了研究。最近，已经对岩石工程中的问题以及沉积岩中碳氢化合物的渗出提出了两相流动模型。这样就提出了新的见解并提供了地质媒质中先前未估计到的气体流动的量。第

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四部分中检测到的这些可能性在地震构造学的应用中还没有被充分的考虑。

2．2 总原理

气体运移的总原理涉及到地球排气和地球动力学的关系，与气体起源的位置（液体水库例如沉积盆地中的碳氢化合物池、高温流动区的地热液体或者是与岩浆及变质现象相关的液体）以及优先排气途径的位置密切相关。位于粘土序列中的沙层（主要是水平移动）以及断层和裂缝网（由浮力造成的竖直移动）中的不连续结构具有强渗透性。在气体上升过程中，根据气体遇到的物理地质条件，推动力的性质可以改变气体的运动。沉积盆地以及其中岩石的成分受盆地的装载应力、挤压应力、外延应力以及压缩应力影响，其他构造力影响流体流动的驱动力。温度的变化、压力的变化、机械压力的改变、化学反应以及矿物沉淀会改变地质形成的气体承受特性。这些因素间的相互作用会使地球释放出的气体按照时间（至少是地质时间）变化的运移发生明显变化。大量相互依赖的变化使运移模型的详尽细节受到严格限制，旨在考虑以上提到的地质原理。

岩石中的气体体积取决于岩石的多孔性，控制多孔媒质中气体运移的基本参数是渗透性。气体渗透性是气体在驱动力的作用下横穿媒介物的途径。该特性取决于媒质结构以及气孔和裂缝的百分含量、大小及连续性。气孔或裂缝大小的重要性来自与液体在毛细管中流动的类比。流体在毛细管中的流动符合Poisseuille’s定律：

?R4?PQ? （1）

8?L式中：

Q：气体流量

R：毛细管半径 L ：毛细管的长度

P ：沿着L的不同压力（kg/ms2）

? ：气体的动力学粘度（kg/ms）

单位时间液体流过毛细管的量与半径的四次方成正比，因此，如果半径变为原来的两倍流量就会变为原来的16倍。对于地质媒质还有更复杂的关系。在实验室发现在孔径为d的裂缝内，当孔径变为d3时，液体的流速与d2成正比。

多孔渗水媒质的渗透性是一个常数，它只由媒质的结构决定，与流经它的液体性质无关。因此，对于干爽媒质来说，水的渗透性和气体的渗透性是一样的。很明显，对于两相系统随着含水量的增加气体的渗透性降低（因为气体流经的空间减少了）。

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在地下，许多因素影响气体的移动。基本上，地下气体的运移规律可以从浓度梯度和压力梯度推导出来。在第一种情况下，气体分子运动是为了使岩石系统中各处浓度相同，这就形成了气体扩散。在第二种情况下，气体从压力高的地方相压力低的地方运动，这就形成了水平对流。在地质环境中这两种过程并不是单独存在的，因此，气体运动的原因应归于它们有聚集的趋势。然而，水平对流的时间和空间范围要比扩散大许多。扩散仅仅在毛细管或小孔岩石中重要，在大孔径或裂缝媒质中只有水平对流起作用。在一些文献中经常将“质量运输” 、“粘滞流动”、“液体流动”、“气体流动”、“非扩散性运输”这些术语用于水平对流。但是有的作者将并不合适的的术语“水平对流”用于压力作用下的运输。水平对流是由地热梯度（热气上升，分散迅速，会变得很轻，在体积不便的情况下，热气所受的压力较大）导致的压力梯度下的水平运动。换句话说，水平对流是用来描述温度梯度导致的水平对流。可以用状态方程式来进行改变使其表示压力梯度下的对流。将非温度作用下的现象（例如由浮力、流体静压力、岩石静压力或构造力导致的不规则气体流动）称之为“水平对流”是不正确的。因此，将与热现象相关的水平流动称之为“水平对流”才是合适的。Lapwood、Mogro-Campero and Fleicher、Fleischer和Mogro-Campero试图从温度的角度考虑质量运输。但有时他们所引用的方程式并不正确，因为他们所引用的物理参数（例如Rayleigh数、对流孔的高度以及媒质的热传导系数）很难界定。

扩散和水平对流可以通过运输方程式（不需要严格的数学推导）进行检测，例如限定流体和多孔渗水媒质的性质，在解决实际问题时经常用这样的限定。

2．3 扩散

Fick’s定律描述了扩散运动，在这里气体流量与浓度梯度和常数有关：

F??Dm?C ??????? （2） ?x?y?z在一维空间，沿着z轴：

F??DmdC （3） dz式中：

Dm：分子扩散系数（m2/s）

dC：沿z轴气体浓度变化（kg/m3）

对于特定气体，分子扩散系数是常数，它只随着温度、压力以及分子运动所在结构的物理性质的改变而变。在岩石孔中一般是水或空气（或气体混合物）。因此，对于每种气体，其在水中的扩散系数（Dmw或Dm）必须和其在空气中的扩散系数（Dma或Dm）相区分。而且

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在考虑气体在多孔媒质中的扩散时还必须考虑媒质体积的减小以及两点之间平均路径长度的增加。在文献中，缺乏扩散系数的精确参照会导致对液体中气体分子的扩散、气体在媒质裂缝中的扩散以及气体在媒质中的球形扩散的混淆。在这三个过程中必须使用不同的系数，不同的意义以及不同的大小（见表一）。在表一中已经对分子扩散系数进行了规定。由于它只与扩散气体和流体的界面有关，故也将其称为“相互扩散系数”或“两相系数”。裂隙中的扩散已经用有效扩散系数（De）进行了规定：

De?Dmn （4）

式中n表示媒质中的有效孔数（%），该式表示了多孔渗水结构中气体分子的扩散运动。球形扩散由表观扩散系数（在一些文献中也称为实际扩散系数或松散扩散系数）进行定义，它包括了媒质的多孔性和弯曲程度的影响。许多学者认为，对于土壤可以按照下式对该系数进行规定：

D?Den?Dmn2?Dmn? （5）

式中?是媒质的曲率。因此，Dm?De?D。

表一：Rn、He和CO2的Dm、DW以及De和D的平均值（cm2/s）

Rn He CO2 Dm（25oC） DW（25oC） De D 0.12 0.7 0.15 1.37×10-5 2.12×10-5 1.95×10-5 0.03~0.05土壤；2×10-6饱和土壤 4×10-4石灰石；10-9饱和岩石 0.02~0.03土壤 0.0074土壤 0.007土壤 以下的例子可以很好的说明De和D的意义。地下气体—氡的扩散量由下式得到：

F?DdC??CRa??Xd （6） dZ式中：

n：多孔率（%）

?：Rn的发散系数（%）

CRa：土壤中Ra226的浓度（Bq/kg）

?：土壤密度（kg/m3）

?：氡的衰变常数（2.1×10-6s-1）

Xd?(De?)0.5是扩散距离（m）

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该式表明：在描述松散土壤中气体的球形扩散时，必须考虑松散扩散系数D，放射性气体氡沿着裂缝衰变的过程中应考虑有效扩散系数De。

孔径极小的多孔渗透媒质和管径较小的毛细管与气体分子的平均自由路径相比，气体扩散速率是由气体分子与毛细管壁的碰撞决定的。

在时间t内，气体扩散的距离是Zd?(Dt)0.5 （7） 这就是说如果我们考虑He在水中的扩散（见表一），气体一天就可以扩散1.3cm，每年扩散25cm，1000年就可以扩散8m。

氡可以在固体内扩散，但是它的扩散系数（见表一）及平均寿命会限制它在该范围内的移动。Andrew et al用以下的方程式计算由Rn在隔相同性媒质中扩散所产生的浓度梯度。

Cx?Coexp(?x) （8） L式中：

Cx：在扩散方向上，距起源x处Rn222的浓度 Co：Rn222的原始浓度

由式L?(D?)12（D是Rn222的扩散系数，?是Rn222的衰变常数。）计算的Rn222L：

的扩散距离（cm）

该式表明5%的Rn222就可以达到5L的距离，由于扩散长度是0.7nm（小于反冲长度），扩散晶体中氡的运移就很有限。Andrews计算出了Ra226衰变产生的以及由粒径大小的岩石微粒释放的Rn222的百分含量如下：

log（释放的Rn的百分含量）=0.5logd+C (9) 式中d是微粒的直径，C是常数。

经实验证明：大多数有均匀结构的沉积物（石灰岩、页岩等）均符合该方程式。当温度增加10~20oC时，D变为原来的两倍，而且鉴于在不同地质条件中扩散常数不同，氡的浓度随着距离的增加而减小。当前地球科学的结论是：Rn222在绝大多数普通岩石空隙中的各种流体内进行长距离扩散是不可能的。观察到的氡的长距离运移必须由其他机理来解释。

2．4 水平对流

水平对流是指物质在外界作用下的运动，也即在压力梯度下的运动。从广泛的意义上讲，全球作用力下的运动都是水平对流，例如：大气沉积、蒸发、风化、沉积物的沉积、地下水流动以及地壳板块的运动。值得注意的是在将水平对流用于瓦斯气体时应谨慎。进行水平对流的气体应该是可以自由流动的气体，例如：只有在气体浓度达到一定值时重力才对其起作

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用。只有在同一时间同一位置有足够的该种原子才能形成这样特定的气流。稀有气体（例如氦和氡）的数量级很小，并不能形成随压力梯度变化而运动或由于水平对流而自发流动的宏观气体。对于这些气体，考虑其水平对流时应参照可大量聚集并承载这些稀有气体的载气（例如：CO2、CH4、N2）。更精确的水平对流可以通过“geogas”（主要成分是载气，次要成分是稀有气体，在第四部分中会详细说明）得到。

气体流量可以由气体浓度C（kg/m3）和速度?（m/s）按下式得到：

F?C? （10） 速度由压力梯度和迁移系数（与媒质的几何学以及气体粘度有关）决定。在多孔媒质中的水平对流，其活动系数取决于媒质自身的渗透性，并可由Darcy’s定律得到：

???k?P? ??????? （11） ?x?y?z在一维空间，沿着z轴，短距离的情况下，见下式：

???k?P （12） ?Z式中：

? ：气体速度（m/s）

k ：自身的渗透性（m2）

? ：动力学气体粘度

?P：相距Z（m）的两点间的压力变化（kg/ms2） 在平行裂缝中的气体平流速度由下式得到：

b2dP?? （13）

12?dz式中：

b212：裂缝的渗透性

b ：裂缝的宽度

? ：气体粘度

由cubic定律可以得到通过裂缝媒质（横断裂缝体系）的气体速度：

b3dP?? （14）

6d?dz式中d是相切裂缝间的平均距离。

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Darcy方程式的有效性受粘性流体（可以忽略重力影响）或薄片状流体限制。对于平均直径为dG的多孔渗水媒质，气流的运动将会变为紊流，当

R?dG??〉4（R是雷诺数） （15） ?时Darcy’s定律不适用。

水平对流过程可以在地下任何有压力梯度的两点间发生。压力梯度可由地质应力、岩石静压力的变化、岩石破裂、局部气体产生、蓄水层的装填与排放、深层流体蓄水池以及地表大气压力抽放引起。较轻气体（密度很小）自然上升的趋势就是水平对流，事实上，密度为?1的气体，在密度为?2（?2??1）的气体推动下向上运动。较轻气体是在压力梯度（的作用下运动的，即满足下式：

） （16）

式中g是重力，断排出。

是压力梯度。正是地球内部压力梯度的存在才导致了气体的不在较薄的岩层中，土壤气体的水平对流将会受到影响，并由大气参数（大气压力、风、气体温度以及雨）决定。大气压力在1~2天内改变1000~2000Pa将会使渗透性为10-12m2的土壤中的气体平流速度变为10-4cm/s。

2．5 运输的总方程式

鉴于以上提到的内容，气体的总流量可由下式得到：

（17）

一维空间下的形式是：

（18）

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式中是扩散部分，是水平对流部分。

根据质量守恒定律，按照所采用的假定与限定，运输的总方程式可以写成复杂的形式。在许多情况下，用于解决实际问题的运移模型以及其相关的方程式可以遵循简单标准和可以接受的逼近。Muskat认为将某些物理定律的严格数学推理用于复杂的地质模型是不合适的。因此，可以考虑将一维方程式用于稳定状态薄片流体流经干爽均匀隔向同性的多孔渗水媒质。即用到了下述总的运输方程式：

（19）

式中是气体的产生速率，是流体中气体的移动速率（由于岩石的吸附、地下水的分解、微生物的消耗，对于氡来讲是指放射性衰变，此时）。

鉴于这一点我们可以定义气体-水-岩石系统中气体水平对流和扩散的几种形式。图一中表明了影响气体流动及其速度的岩石和流体特性的可能机理。

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浓度梯度 （温度和PH值） 多孔性和弯曲度 压力 水压梯度 渗透性 气体压力梯度 渗透性 裂缝孔径 气体粘度 气体密度 气相扩散 水中的气体扩散 液相水平对流 取代了水的气相水平对流 气相的气泡水平对流 气相水平对流

图一气体在干爽地质媒质（白色箭头）和渗透地质媒质（灰色箭头）中的运移形式，左边列出了控制几种机理的岩石和流体性质，箭头的长度代表了4.3中定性讨论的可以达到的相关速度

2．6 扩散形式

1．在干爽的多孔渗水媒质（土壤、固化的或松散的岩石）中，气体扩散发生在裂缝中的空气（气相扩散），可以使用方程式（2）。

2．在渗透的多孔渗水媒质中，气体扩散发生在水中（水相扩散），但其扩散速度低于在

空气中的扩散速度（方程式（2）中使用，见表一）。气体浓度及浓度梯度满足

Henry’s定律，例如由温度、压力决定，对于CO2由PH决定。

2．7 水平对流形式

1．在干爽的多孔渗水媒质中，气体沿着裂缝移动（气相水平对流），满足方程式（11）。 2．在渗透的多孔渗水媒质中，有两种可能的现象应进行区分：气体溶解在地下水中并运移（水相水平对流），或者是气体取代水的流动（气相水平对流）。在水相水平对流中，气体在溶液中，其流动速度与水的速度相同。因此可以使用水文地质中使用的Darcy’s方程式：

（20）

式中是媒质的水压传导率，是水压梯度。长距离地质时间范围内的流体运移是许多文献的研究课题。

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由于气体可以流经渗水媒质，因此在考虑气相水平对流时，其压力（）必须大于流体静压力（）和毛细管压力（）之和。流体静压力可以由测试点压力计中液柱的高度（）得到（）。毛细管压力由水的界

面压力（）以及Laplace方程式（）中的裂缝半径决定。有关气体在粘土岩石中流动的研究表明：

1．如果，气体只通过扩散进入媒质。

2．如果，气体取代水，两相流动发生。

3．如果岩石静压力）。

，气体使岩石破裂（是裂缝开始处的压力，大致等于当气体压力达到时，气体就会在产生的裂缝中流动。但是， 11

如果时，气体只会在裂缝中流动，在岩石中没有气体的运移。由于裂缝具有很强的渗透性，我们可以认为气体在其内储存而不流动，这样使体积增加。随着压力的增加可

以使裂缝扩散。相反，如果，气体就会在裂缝中流动，并且由裂缝流向脉石。应当注意当压力作用于气体时，流体静压力和岩石静压力均可作为气体的驱动力。

当时，水就会被气体所代替，其范围由含水媒质（均匀多孔渗水媒质、裂缝等）中推进气体的大小决定。例如：在渗透裂缝中，如果流体宽度和裂缝宽度相同，水就会全部被气体所取代。方程式（13）可以用来考虑由水和气体密度不同造成的压力梯度。相

反，如果气体以一个细小的带（其宽度小于裂缝宽度）流动，或者是不连续流动（值随着时间由大于开始端的值（）向小于开始端的值变化），则以气泡形式从水

中溢出。有关气泡的运动方程式将在4.2中进行说明。

3．氡运移的特殊性

在使用氡的扩散和水平对流定律时必须考虑氡的衰变。Varhegyi et al和Martinelli已经推导出了氡的运移方程式。这里，我们将对氡的动力学行为的一些特征进行讨论。

水-岩石界面向水中释放的氡沿晶粒间的空间进行运动，主要由其在液体中的扩散以及水流速度决定。由于该过程进行的极其缓慢，扩散是氡在大量水中传播的重要决定因素，特别是在高渗透性的蓄水层中，流体速度被认为相当高。

Andrew认为，流经多孔渗水发射氡的岩石后，氡在水中的浓度可以由下式得到：

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（21）

式中：

：岩石中所含镭的量

：岩石密度

：孔径

：水流在蓄水层中的速度

：水流流过蓄水层后的速度

：在蓄水层中流过的距离

：通过蓄水层后流过的距离

：释放到水里的氡和岩石产生的氡的比率，取决于孔径大小的分布和

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岩石中的矿物构成

该方程式规定了氡在常见蓄水层水流中的含量（如果水力参数已知）。

主要流体中Rn222浓度的增加是时间的函数：

（22）

式中是每单位时间进入流体的分子数；是Rn222的衰变常数。

对上式积分得到：

（23）

当时，在满意的流体，或者是一天只移动几米的流体中，Rn222的浓度由产

生速度和衰变速度的比率得到。

气体可以穿过的多孔渗水媒质可以溶解在水中。因此流动的气体不流经气态的水时会失去大量能量。

Rn222的长距离运移要有相对较快的水平对流流体。不论气体来自哪里（特别是在地质环境里），它们都会以可能产生不规则排气区的速度到达地球表面。这些气体是氡的快速载气。

Grammakov用下式计算出了速度是的载气以浓度从表面移动距离，其承载的Rn222的浓度为：

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（24）

简单的计算表明，有水平对流成分的地方，不可以忽略扩散的存在（就算每天只有几米）。另一方面，微弱的气流都可以使氡移动到较浅的地方。

借助Van der Waals力，氡在水中微溶，可以形成Rn·6H2O结构。在这些化合物种，氡原子被水分子的偶极子极化。这样我们就可以解释为什么随着原子数的增加水中溶解稀有气体的量会增加。当PH值较高时（PH值在7~12之间），晶格不稳定，且容易被破坏，这时氡就会由液态变为气态。

PH值变化越大，该过程进行的越快，就像温度变化会影响该过程一样，在求实验数据时，应考虑该过程。流速的变化也会影响氡的浓度。

这些过程（由于PH值、温度以及速度的变化而引起）在自然流体中的存在，会产生很难解释的复杂问题，就不得不在该领域采取抽样、在时间和空间上增加试验点的方法。这样正确理解运移现象就变得非常重要。

Andrews and Wood and Stoker and Kruger推导出了该领域最普遍的数学表达式。Andrew推导出了水控制系统的数学表达式。该方程式主要用于水文地质学和地热学的研究中（例如低焓热水圈）。

Stoker and Kruger进行的数学推导广泛应用于高焓系统、蒸汽控制系统、地热系统以及在评估氡与火山岩或地震现象的不规则共存中。Stoker and Kruger利用下式估算了氡在自然流体中的浓度：

（25）

式中：

（Bq/m3）：氡的浓度

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：岩石放射氡的系数

：Rn222的衰变系数

（cm）：已知孔率的半径

的岩石中在裂缝高度为h（cm）时孔

re（cm）：将氡放射到裂缝中的岩石圈的半径（包括rw）

：流动速度 Q（cm3/s）

Stoker and Kruger引入了辐向流动的概念，当钻孔打入地热系统中时人为地产生，但是在自然系统中也会存在（例如在火山系统中）。由薄片状向紊流状流动的辐向流动是典型的大蓄水层流，受打钻或包含大量受压气体的火山系统的影响，沿着管道或断层移动。这就解释了为什么Stoker and Kruger模型可以应用到地球动力学现象（火山喷发和地震）的监控中。

D Amore et al（解释了氡在不同深度地质系统中产生的可能性）对上述模型进行了进一步推导。这些模型可以应用到任何地下气体流动中，而不管气体来自何处，甲烷井和地热井中的现象类似。

Andrews and Wood模型刚开始是为了描述氡在薄片状液体中的运移，Stoker and Kruger提出的模型主要描述氡在气相流体和大量气体中的运移。这些模型在理解一些与氡在地球动力学系统中存在相关的问题时起了很重要的作用。

氡在地下流体中的不规则存在与地震现象、火山现象一起在20世纪80年代的科学文献中进行过描述。各种各样的研究组试图用当时盛行的模型解释这些不规则现象，例如Andrews and Wood。该模型认为氡的不规则产生是源于液态流体速度的改变。

如果膨胀理论是正确的，那么Andrews and Wood的研究方法就是有对的。但不幸的是，该模型描述的氡的不规则性被证明是氡在与气象现象（例如水文地质圈的再生）相近的冷或热泉水中的正常循环。

Andrews and Wood提出的模型，尽管令人很信服，但并没有清楚的说明让与地球动力学

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现象相关的氡的不规则性与只关注液相和薄片状流体的模型相符是很难的。换句话说，并不是流体速度的改变导致了20世纪80年代中国、USSR等国科学文献中所说的不规则性。在20世纪80年代Soviet文献开始报道其他地球化学参数（主要是气体）都可以改变氡。

Stoker and Kruger 首先为该领域的研究提供了有用信息，随后他们开始监控其他参数，如CO2、H2等。这些措施表明氡并不是简单的由流动变化引起的，其他现象同样可以导致瞬间的变化。在流体中载气气泡的存在被认为是许多观察到的现象的原因。

4． “geogas”理论

在前面已经说明地下气体的运移机理可以认为是由扩散和水平对流两个过程决定的。长期以来，许多学者认为扩散过程是地球排气的重要途径，地下水的流动是示踪气体和放射性核长距离运移的主要机理。但是自20世纪70年代以来，一些文献中提出了气体运移的新数据，一些学者重新界定了扩散和水的水平对流在地质环境中的有效作用。Gingrich and Fisher and Mogro-Campero and Fleischer第一次报道了氡的长距离运移：在地表测到的氡的浓度被认为太高而不能单独用气体从地下的扩散来解释。扩散不能让氡在其原子衰变前移动10m的距离，因为不论氡源是多么的强大，氡原子的衰变都会将其浓度减少到识别不出的状态。氡以及与地震现象、深层矿山地板、碳氢化合物蓄水池相关的其他气体的不规则浓度更进一步说明气体运移过程很难用扩散或地下水模型解释。直到最近，科学文献通过主题是“解释氡的长距离运移的困难性”或者是“用扩散现象说明地表内在气体普遍存在的困难性”的观测资料进行了充实。在20世纪80年代初，Kristiansson and Malmqvist提出了有关氡运移的假说：他们认为氡的运移和自然发生的气体流量（geogas主要在地壳断层中赋存）的存在有关，该气体做水平对流运动而且当其在蓄水池交叉时会变成 “微小气泡”。后来，该假说与大量的实验数据相吻合。现在文献建议将所有这些经验作为一个分支定义为geogas理论。该理论包括以下特点：

（1）微弱气流的广泛赋存。微弱气流在地壳中通过断层和裂缝上升是普遍存在的现象，并且在地球排气的过程中起着极其重要的作用。微弱的上升气流不仅在不稳定地方（地震发生的地方、火山喷发的地方）存在，而且在稳定地方（沉积盆地、shield、前陆）也存在。

（2）多组分气体的水平对流。自然存在的气体混合物（geogas）的微弱水平对流运动是由承载稀有气体（He、Rn）的载气（CO2、CH4、N2）构成。由于气体可以通过水平对流进行运动（例如在重力作用下就可以运动），因此它必须有大量的质量（这样才可以形成气体域）。在地下岩石中稀有气体（He、Rn）含量的数量级很小，不能形成可以水平对流的肉眼可见的气体量。因此，这些气体必须由其他向上流动的肉眼可见的气体进行承载。先前，Dikun et al认为表面氦的不规则存在以及它的存在时间应该由上升的载气进行解释。

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一般在铀含量较高的土壤和岩床中氡的放射性就很高，因此，富氡地区以及辐射防护带主要集中在花岗岩和火山环境中。然而在断层区不难发现土壤气体氡的含量比地下铀衰变的标准量高。而且，土壤中Rn和CO2的含量在时间和空间上相关。很明显示踪气体是由载气承载的。

（3）气体快速向上流动。以往的大量情况都说明氡的长距离运移不能用气体扩散模型或地下水流动模型进行简单解释。事实上，正如前面所说的，为了让氡在其衰变前到达地面，其在向上运动的过程中速度必须很快，而只有载气快速上升时才可能实现。气体相对快速的运移可以归因于：

A．在压力作用下连续气相流体流经干爽裂缝； B．在压力作用下连续气相流体在渗透裂缝中代替水； C．气泡在蓄水层和充满水的裂缝中浮动。

（4）气泡的流动。当微弱的geogas流经地下水时就会形成气泡流。Fault-linked气泡可以在不同的地质环境中流动。气泡的运移已经经过实验和理论证明是一种快速的气体运移机理。MacElvain 、Price and Klusman认为胶质大小（半径<1mm）的小气泡是气态碳氢化合物的主要运移机理。

（5）geogas气泡的质量运输。气泡可以承载示踪元素（geogas原子以及固体粒子）并带其向上运移很长距离。例如，该机理可以解释氡的快速长距离运移以及不能用气体扩散和水的运移单独解释的现象。该质量运输可以通过以下四种物理机理实现：

A．浮选（气泡内部固体粒子的提升） B．水-气界面上的表面活性元素 C．气溶胶运输

D．溶解在示踪气体中的挥发性化合物的运输

浮选是众所周知的由于水和气体之间的特定表面能高于固体和气体之间的特定表面能而发生的物理过程。这样当小气泡流经过粉碎岩石时可以将细小粒子提升。

在水-气界面表面活性元素的传输是由于界面的能量低于溶液中的能量。许多元素（特别是放射性核）有在气泡表面吸附并凝聚的趋势。有例子证明流经海水的气泡表面可以稳定富集元素。水表面的泡沫中每单位体积钚的含量是海水中每单位体积含量的600倍。

浮质气溶胶的运输可以通过气体快速流经岩石时产生的固体或液体粒子的传播实现。 由于微生物的作用，大量元素（例如水银、镉、砷、铅）可以形成烃化物。这些化合物极易挥发并且是这些元素在岩石圈和生物圈传播的重要原因。如果这样的化合物在岩石裂缝中形成，它们可以溶解在geogas中并传输到表面。

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所有气体运移的这些方面在环境地球化学、地球探测以及地震构造学的文献中还没有涉及到。

4．1 可吸附气体的裂缝渗透性和宽度

从定量的角度来看，控制以上提到的气体水平对流形式的主要参数是岩石本身的渗透性。特别是可吸附气体的裂缝宽度是气泡流动模型的直接参数。

Manning and Ingebritsen近来研究了整个区域的地壳渗透性，他指出渗透性的地球化学重要性存在于整个地区。除断层和裂岩外，上层地壳中的变质区和地热区的渗透性在10-20~10-16m2之间。这些值说明质量运输是由水平对流决定的。在断层区，几百米到几千米的范围内，其渗透性的值高于这些值；而且在局部裂岩中这些值也很高。这里只要知道了裂缝的宽度及其变化就可以得到气相运移包括水置换和气泡流动(见图一和二)。

图二 气相水平对流形式示意图

所有的流动形式均受渗透性（裂缝孔径和气泡流）、压力梯度（可以由构造压力、分裂、岩石静压力的变化、含水土层和流体库的装填与释放、当地气体的产生量以及表面的大气压力推导出来）影响

在给定点处，裂缝的宽度或孔径是裂缝壁之间的大概距离。同样的裂缝中该孔径值是不断变化的。式（13）和（14）给出了裂缝宽度和渗透性之间的关系。

当知道了参数在地下的存在及分布时，就可以得到气体以气泡形式的长距离快速运动。在低渗透性的粘土岩中，裂缝孔径值在10~50?m之间变化，在地热系统和碳酸盐环境中的大裂缝中其值会变化到几厘米。粘土岩石中的裂缝宽度在10~100?m之间变化，在花岗岩中其

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值在400~500?m之间变化。

在含有碳氢化合物的断层、热的干岩石、地热系统以及活性断层附近的结晶状岩石中，裂缝都比较大，其值一般是几毫米。在膨胀、矿藏富集区的反复挤压、地震抽水以及水的热膨胀的作用下断层的传导性和孔径会发生变化。在压缩断层周围，含有碳氢化合物的断层内的宽裂缝是平行于主要压力的裂缝的延伸。在油的钻探过程中，Po平原里砂岩中的裂缝宽度在0.2~0.5mm之间，Po平原南部的第四纪岩石含水土层中沙质岩中的裂缝宽度在0.1~0.2mm之间。在油库上方的Mesozoic碳酸盐中裂缝宽度在1~3mm之间，矿物富集区的裂缝宽度可达到50mm。在San Andreas断层区的晶质岩层中，当深度达到2000m时，裂缝宽度就会超过10mm。

钻孔中的可视化监测发现：在地热系统中（特别是在表面附近），裂缝的宽度可以达到1~10cm。

在石灰岩地区存在大的接口和岩石空间，在这里满是水的洞穴状地区和落水洞是大的岩石空间结构的代表。

4．2 气泡的运移机理

直到现在，专业文献中还没有关于气泡在下土层的自然流体中的流动或相关的地球动力学现象的直接描述。Varhegyi et al起初进行了有关气泡在多孔深水媒质中运移的理论研究。他们认为地下水中的气泡符合Stokes’定律。

?w??g （26） ??dg18?w2式中：

?：气泡速度

d ：气泡直径（m）

?w：水的密度（kg/m3） ?g：气体的密度（kg/m3）

?w：水的粘度（kg/ms）

式中表明气泡速度与直径的平方成正比。当流体静力学压力减小时，d增加，气泡速度增加。该式的上述形式是Stokes’定律的一般形式。在多孔渗水媒质中该式将会作适当的修正。首先，直径必须有一个上限（与媒质有关）。更精确的是，气泡的最大值由多孔渗水媒质中运移路径交叉值的最小值决定。对于裂岩，气泡的大小由裂缝壁间的最小距离决定。Varhegyi et

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al用理论模型来估计气泡的大小（dB），它的速度是媒质孔数（n）和平均颗粒大小（dG）的函数：

dB?1.26dGn(n?0.21) （27）

使用该公式可以推导出气泡流经均匀等粒度的多孔渗水媒质的最大速度（气泡大小等于孔径）。但是该种媒质在自然界中很少见。dG和实际粒度分布之间的关系很难由理论得到。一般粒度分布dG（认为与平均粒度相等）随着气泡流动的精确值以及交叉部分的减少而改变。但是，修正后的Stokes’方程式可以用于估计微小气泡在地质媒质中运移速度的数量级。

考虑到关于气泡运移的Stokes’定律，以及气泡直径是岩石多孔性的函数，该模型得到了发展。对于含有裂缝的媒质，裂缝的宽度决定了用于Varhegyi’s方程式中气泡直径的最大值。这个简单模型是推导出气泡在地质环境中运移速度的第一阶段，因为它没有考虑在真实情况下的诸多因素。首先，Stokes’方程式给出的速度适用于无限大的水环境中的单个气泡，它的运动和形状不受其他气泡或裂缝壁的影响。其次，随着气体流量的增加，气泡会联合到一起，在竖直方向上形成延长的气泡，称之为“气泡带”，然后在裂缝内形成连续的气流。

最近，Kostakis and Harrison对气泡在单独裂缝中快速流动的物理模型的许多问题进行了研究，他们导出了基本的质量和动量守恒方程式，并对数值分析提出了新程序（考虑了主要参数，例如：气体和液体密度、液体粘度、裂缝壁、裂缝孔径以及边界压力）。

根据在气泡动力学方面的大量经验，管道和毛细管影响气泡运移的主要参数是宽度和倾角，这对自然裂缝（裂缝壁的粗糙度也很重要）也有效。实验数据表明，小气泡（d<0.2mm）在污水中符合Stokes’定律。小气泡受到尺寸较大的表面活泼杂质（污染系统的拉力系数较高）的影响，因此气泡速度比在纯水中的速度小。

我们可以利用气体流量和裂缝尺寸辨别在自然岩石裂缝中气泡流动的四种主要形式（气泡速度不同）。

1．在不可忽略的裂缝壁影响下的气泡：可以使用假定在气泡流动过程中没有裂缝壁影响的经典单个气泡运动方程式。当小气泡在相对大的裂缝或岩石空间中运动时就满足该方程式的条件。

2．气泡沿着狭窄的裂缝（裂缝宽度和气泡直径大小相近，裂缝壁会影响气泡的大小）上升。气泡速度（?w）是否符合Stokes’速度（?）取决于气泡半径r和裂缝一般宽度b的比率：

?wrrrr?1?1.004()?0.418()3?0.21()4?0.169()5 （28） ?bbbb

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3．长的气泡链和气泡带。气体流量增加或裂缝孔径减小时，气泡就会变长形成典型的气泡链流。

4．大的岩石空间中的气泡流。气泡紊乱时就会形成附加的上升速度。在石灰岩环境中接口较大的系统、充满水的巨穴区以及落水洞中，不需要和裂缝壁的摩擦就可以形成强烈的气泡流。

当气体压力和流量较大时，在压力梯度的作用下，气泡带会被连续的气流取代。特别是，当压力作用下的速度大于浮力作用下的速度时，气泡就会和其后的气流连接。

气泡带和气泡系列是由reservoir-cap岩石系统中间断的气体泄漏或者是压力脉冲的传播（由构造压力作用下的裂缝产生）造成的。该机理已经作为水文地球化学地震预兆的产生机理。该工作再次提出检测气泡在地震构造结构中快速水平流动作用的尝试。

如果裂缝中有大量气体（其压力大于流体静力学压力和毛细管压力之和），就会有连续相流动（例如在地热或碳氢化合物密闭库中的泄漏）。任何气体压力或裂缝宽度的减少都会使连续流动中断，气泡带或气泡系列就会形成。在气泡上升过程中其半径会增大，而且会在裂缝中阻塞。气泡阻塞后，就会结合起来形成长的气泡带，然后形成连续气流。

4．3 气体速度的分析

理论上气体速度是裂缝宽度的函数，并且可以由式（13）计算平行板之间连续气相流动的速度，式（26）计算在Stokes流态下的气泡流动速度（假定气泡直径小于裂缝宽度）。在图3中绘制出了地下1000m处的速度曲线（图中还说明了流体特性）。压力梯度认为是密度导致的并受水中浮力的影响。在考虑速度衰减是气泡半径和裂缝宽度比率的函数（式（28））下，Brown提出了气泡速度在没有裂缝壁影响时的值（用没有修正的Stokes方程式，在4.2中的条件1下），以及有裂缝影响时的值（在4.2中的条件2下）。

气体速度的实验值很难得到，在文献中几乎没有可以使用的和裂缝宽度相关的值。它们主要来自地下气体注入实验（一般作为放射性废物地质处理研究的一部分），注入气体的压力等于流体静力学压力和毛细管压力之和。通过地下压力变化对地表碳氢化合物渗出量地球化学性质的影响，在没有裂缝孔径的情况下，对速度进行了保守估计。在与气体通风孔相关的特殊情况下，可以通过测量气体的发射量来估计速度值，认为气体通过泥火山每天上升150~300m（保守性估计）。

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气体粘度(cm/s)动流相续连升上泡气(最小缝裂响影壁)1观察到的微油气苗裂缝宽度(mm)

图3 气体速度和裂缝宽度的关系

理论上连续气相流体和气泡流动的速度（式（13）和式（26））是按照1000m处（38oC、10Mpa、水的密度为1000kg/m3、粘度为0.0009Pas、气体的密度为100kg/m3、粘度为0000015Pas）流体的性质计算出来的，在r/b=0.74时，按照式（28）计算出裂缝壁作用下气泡的最大速度。实验数据：（1）火岩中Rn值；（2）低渗透性饱和断层中He值，气体路径长度是22m；（3）渗透粘土媒质（高固性）中He值，气体路径长度是35m；（4）高渗透性饱和断层中He值，气体路径长度是117m。观察到的微油气苗的速度值取自Brown。

Brown指出，在理论上连续气相流动的机理是最快的机理。实际上连续相流动的速度是由气体粘度决定的（式（11）），而影响气泡速度的是水的粘度，在假定参照条件的情况下，水的粘度是气体粘度的60倍。在几毫米的裂缝中气泡的速度在10~20cm/s之间。MacElvain and Price用一个有利的碳氢化合物气体运移机理说明胶质大小（半径小于1?m）的小气泡速度在10-6~10-5cm/s之间。已经观察到的速度值在10-4~100cm/s之间（每天0.1~2000m）。图3说明在任何裂缝宽度下的连续相流动或气泡在宽度大于0.01mm的裂缝中流动可以很容易的达到这些速度值。对于大的裂缝和空间（其值是几厘米），小气泡的速度值会达到每天104m。气泡链和气泡带的速度介于小气泡流动的速度和连续气体流动的速度之间，主要取决于裂缝壁的影响。Heinicke and Koch观察到水文地球化学的地震信号是由充水断层中速度在7~8cm/s（每天6000~7000m）之间的CO2带造成的。Brown有关气泡上升不能解释观察到的微油气苗速度的结论只能用于胶质大小的气泡。正如在4.1中讨论过的，考虑到地壳中大裂缝的存

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在，上升气泡可以有效的解释观察到的快速长距离气体运移速率。

而且，地下注入实验表明含水土层不会影响气体运移也不会减小气体速度。实际上，在同样的注入压力下，气体通过渗透岩石的速度大于通过干岩石的速度。这是由于在气体和水之间的浮力（式（26））大于在气体和气体之间的浮力（式（16））。在实验室已经观察到的该现象说明气泡和气流可以流经含水土层和裂缝。

5．结论

关于该观点的结论总结如下：

1．最近的地壳研究表明具有高渗透性的深层地下岩石普遍存在。在几百米到几千米的深度下裂缝孔径的值在10-2~101mm之间，这样的宽度足以让大量气体水平对流。

2．裂岩中的主要气体运移机理包括：连续气相流体在压力作用下流经干裂缝；在渗透裂缝中由于压力作用或密度作用连续气相流体取代水；气泡、气泡带或小气泡在含水土层或含水裂缝中的浮动。胶质大小气泡的速度比观察到的速度小。随着气体压力和裂缝宽度的改变，大于0.01mm的气泡向连续相流动和vice versa转变的过程最有可能发生。气体水平对流的速度值主要在每天100~103m之间。对于高渗透性、破裂岩石（其裂缝孔径或空间在厘米的范围内），小气泡流的速度会达到每天104m。

3．在一个小的空间和时间范围内，扩散（其速度的平均值在每天10-4~10-2m）是主要现象（例如碳氢化合物的主要运移）。水的水平对流既不能解释观察到的气体竖直运移，也不能解释表面不规则的气体地球化学，只能解释罕见的高速再生水情形。

4．载气以气泡形式运移可以认为是调节地球表面大范围内载气（CO2和CH4）和示踪气体（Rn、He）分布的重要运移机理。在断层区，土壤中的Rn和CO2密切相关，而且Rn的浓度会达到意想不到的值（高于地下铀的衰变值）。

5．可以达到的速度和长距离说明：气体在充满水的裂缝中的水平对流是与地震活动度相关的不规则地球化学从聚集处向地面传播的主要过程。在地震现象中观察到的土壤气体的不规则性和地下水的化学变化应归因于载气动力学。例如，当CH4释放掉CO2后其PH值增加而CO2的PH值降低。

“geogas”基本上提出了气体在岩石圈运移的一些概念的重新定位（先前低估了其用途或应用不合理）。载气（CO2）在许多地质环境中的广泛存在以及气泡运移的性能是影响稀有气体在地球表面长距离运移、运移行为和分布的主要因素。例如，微小裂缝和相关气体的水平对流作用在地质构造学、地下废物的处理、放射性保护区以及地质勘探中进行了研究。示踪气体由载气承载的运移效果已经以数量形式进行了研究。但是，如果不对载气的动力学进行研究，关于示踪气体在地球表面的分布及运移行为的研究就不会有显著成果。

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