Kaasujen liukoisuus Outokummun syväkairareiän suolaisessa pohjavedessä
| Title: | Kaasujen liukoisuus Outokummun syväkairareiän suolaisessa pohjavedessä |
| Author(s): | Heikkinen, Nina |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography |
| Discipline: | Geology |
| Language: | Finnish |
| Acceptance year: | 2016 |
| Abstract: |
Saline groundwaters in crystalline bedrock may contain significant amounts of gases, most commonly methane, nitrogen, hydrogen and helium. Under normal atmospheric conditions the solubility of gases in water is much lower than deeper in the crust where pressure, temperature and salinity of the water affect the solubility. Gases behave differently as free gas as when dissolved in water. For that reason it is important to find out the state of the gases when examining for example the origin or age of the groundwater.
Solubilities of gases in water at different conditions are studied here with physical chemistry, semiempirical models and gas solubility literature. Maximum solubilities for methane, nitrogen, hydrogen and helium are determined for 273-323 K temperature, 1-300 bar pressure and 0-2 molal concentration salinities. The solubility of gases increases most when the pressure is increased. Increase in the salinity of the water usually decreases solubility, similarly increase in temperature usually decreases solubility. The study of solubilities is also applied to the conditions of the 2,5 km deep Outokumpu Deep Drill Hole and samples obtained from it during 2011-2012. The gas samples have been collected with pressurized techniques that preserve the sampling depth in situ -pressure in the samples until they are released for the analysis in the laboratory. This way accurate data of the gas amounts at certain depth is obtained, allowing reliable quantitative study of the gases and their solubilities.
In the Outokumpu Deep Drill Hole methane and nitrogen are the most represented gases. In the deepest part hydrogen is the dominating gas. The greatest amount of gases is observed at a depth of 970 m. In all sampling depths (180, 500, 970, 1470, 1820, 2350 and 2480 meters) all the gases seem to be dissolved in water. In sampling depth 180 m the sum of the partial pressures of the gases (ca. 13 bar) is approaching the existing hydrostatic pressure (ca. 18 bar). The depth where gas bubbles escape from the solution and form a separate gas phase is likely 150 meters and above. Deeper in the drill hole the effect of pressure is so significant that all the gases are most likely dissolved in water at depths under 180 meters.
Kiteisessä kallioperässä havaitut suolaiset pohjavedet voivat sisältää huomattavia määriä kaasuja, joista yleisimpiä ovat metaani, typpi, vety ja helium. Maan pinnan olosuhteissa kaasut ovat yleensä melko niukkaliukoisia veteen. Syvemmällä maan kuoressa paine, lämpötila ja veden suolaisuus vaikuttavat huomattavasti kaasujen liukoisuuteen. Kaasut käyttäytyvät hyvin eri tavalla ollessaan liukoisena veteen kuin vapaana kaasuna, joten kaasujen olomuodon selvittäminen erilaisissa olosuhteissa on oleellista tutkittaessa esimerkiksi kaasujen ja pohjaveden alkuperää ja viipymisaikaa.
Kaasujen liukoisuutta veteen erilaisissa olosuhteissa tarkastellaan fysikaalisen kemian, semiempiiristen mallien ja kaasujen liukoisuusaineistojen avulla. Metaanille, typelle, vedylle ja heliumille määritetään maksimiliukoisuuksia 273-323 K:n lämpötilassa, 1-300 barin paineessa ja 0-2 molaalisille suolaisuuksille. Paineen vaikutus kaasujen liukoisuuteen on merkittävin. Paineen kasvaessa myös kaasujen liukoisuus veteen kasvaa. Suolaisuuden kasvu vaikuttaa yleensä kaasujen liukoisuutta alentavasti, samoin kuin lämpötilan nousu. Kaasujen liukoisuustarkastelua sovelletaan myös Outokummun 2,5 km syvän kairareiän olosuhteisiin ja vuosina 2011-2012 kairaireiästä otetuista näytteistä havaittuihin kaasupitoisuuksiin. Tarkastellut kaasunäytteet on otettu paineellisilla menetelmillä, jotka pystyvät säilyttämään näytteenottosyvyydellä vallitsevan paineen näytteissä siihen asti, kunnes kaasut vapautetaan analyysiä varten laboratoriossa. Tämä mahdollistaa kaasujen luotettavan kvantitatiivisen tarkastelun, kun saadaan tarkkaa tietoa kaasumääristä näytesyvyyksillä.
Outokummun syväkairareiässä esiintyy eniten metaania ja typpeä, syvimmissä osissa vety on hallitseva kaasu. Suurimmat kaasupitoisuudet on havaittu 970 metrin syvyydessä. Erillisiä kaasufaaseja ei näyttäisi esiintyvän näytesyvyyksillä (180, 500, 970, 1470, 1820, 2350 ja 2480 metriä), eli kaikki kaasut näyttäisivät olevan liuenneena veteen. Näytesyvyydellä 180 metriä kaasujen osapaineiden summa (n. 13 bar) on melko lähellä tällä syvyydellä vallitsevaa hydrostaattista painetta (n. 18 bar), joten ollaan mahdollisesti lähellä tilannetta, jossa kaasuja irtoaa liuoksesta kaasumaiseen muotoon. Todennäköisesti n. 150 metrissä ja sen yläpuolella kaasuja erkanee liuoksesta. Syvemmällä kairareiässä paineen vaikutus kaasujen liukoisuuteen on niin merkittävä, että kaasut ovat todennäköisesti liuenneena veteen 180 metrin alapuolella.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Heikkinen_gradu.pdf | 1.615Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4017]