氡的运移规律

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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说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碎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（气相滚动、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派方面起着显著作用。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，气泡向连续流体的蜕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适合的机理。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派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大量地球科学领域（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）。依照地热勘测、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在地热环境中四处存在的主要原因。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探讨。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。这里不探讨在高压环境、高焓流体系统以及典型的岩浆环境中气体运动的特别状况，由于假使探讨这方面的状况，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说明：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。往往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。大量基于试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试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碎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），但却提防选用术语，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）和地下自然现象的试验观测的假说。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，由于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，它对不同程度的繁杂性有着确切的方程式。运移模型受碳氢化合物勘测的直接观测数据增加的影响，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测数据的增加限制。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GoldandSoter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滚动模型。这样就提出了新的见解并提供了地质媒质中从前未估计到的气体滚动的量。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、高温滚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滚动的驱动力。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依照时间（至少是地质时间）变化的运移发生明显变化。大量相互依靠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滚动的类比。流体在毛细管中的滚动符合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，假使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繁杂的关系。在试验室发现在孔径为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（由于气体流经的空间减少了）。

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在地下，大量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。在第一种状况下，气体分子运动是为了使岩石系统中各处浓度一致，这就形成了气体扩散。在其次种状况下，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大量。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〞、“粘滞滚动〞、“液体滚动〞、“气体滚动〞、“非扩散性运输〞这些术语用于水平对流。但是有的将并不适合的的术语“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，在体积不便的状况下，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滚动）称之为“水平对流〞是不正确的。因此，将与热现象相关的水平滚动称之为“水平对流〞才是适合的。Lapwood、Mogro-CamperoandFleicher、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，由于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）必需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需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，缺乏扩散系数的确切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。在这三个过程中必需使用不同的系数，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。大量学者认为，对于土壤可以依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）

RnHeCO2Dm（25oC）DW（25oC）DeD0.120.70.151.37×10-52.12×10-51.95×10-50.03~0.05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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该式说明：在描述松散土壤中气体的球形扩散时，必需考虑松散扩散系数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。

孔径微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）这就是说假使我们考虑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。Andrewetal用以下的方程式计算由Rn在隔一致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）

该式说明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。

经试验证明：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。观测到的氡的长距离运移必需由其他机理来解释。

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、地下水滚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提防。进行水平对流的气体应当是可以自由滚动的气体，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滚动的宏观气体。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）。更确切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，短距离的状况下，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、岩石破碎、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，依照所采用的假定与限定，运输的总方程式可以写成繁杂的形式。在大量状况下，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迫近。Muskat认为将某些物理定律的严格数学推理用于繁杂的地质模型是不适合的。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。图一中说明白影响气体滚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中定性探讨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滚动（气相水平对流）。在水相水平对流中，气体在溶液中，其滚动速度与水的速度一致。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大量文献的研究课题。

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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（）必需大于流体静压力（）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滚动的研究说明：

1．假使，气体只通过扩散进入媒质。

2．假使，气体取代水，两相滚动发生。

3．假使岩石静压力）。

，气体使岩石破碎（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滚动。但是，11

假使时，气体只会在裂缝中滚动，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滚动，这样使体积增加。随着压力的增加可

以使裂缝扩散。相反，假使，气体就会在裂缝中滚动，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，假使流体宽度和裂缝宽度一致，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，假使气体以一个细小的带（其宽度小于裂缝宽度）滚动，或者是不连续滚动（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．氡运移的特别性

在使用氡的扩散和水平对流定律时必需考虑氡的衰变。Varhegyietal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探讨。

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（假使水力参数已知）。

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。因此滚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。不管气体来自哪里（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）

简单的计算说明，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VanderWaals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，且简单被破坏，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，在求试验数据时，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，会产生很难解释的繁杂问题，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十分重要。

AndrewsandWoodandStokerandKruger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）。

StokerandKruger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。StokerandKruger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）

：滚动速度Q（cm3/s）

StokerandKruger引入了辐向滚动的概念，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）。由薄片状向紊流状滚动的辐向滚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StokerandKruger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。

DAmoreetal（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滚动中，而不管气体来自何处，甲烷井和地热井中的现象类似。

AndrewsandWood模型刚开始是为了描述氡在薄片状液体中的运移，StokerandKruger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AndrewsandWood。该模型认为氡的不规则产生是源于液态流体速度的改变。

假使膨胀理论是正确的，那么AndrewsandWood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。

AndrewsandWood提出的模型，尽管令人很信服，但并没有明白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。

StokerandKruger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。这些措施说明氡并不是简单的由滚动变化引起的，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大量观测到的现象的原因。

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，大量学者认为扩散过程是地球排气的重要途径，地下水的滚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。GingrichandFisherandMogro-CamperoandFleischer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，由于不管氡源是多么的强大，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，KristianssonandMalmqvist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织时会变成“微小气泡〞。后来，该假说与大量的试验数据相吻合。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（C