Физические основы газового анализа и геохимической съемки

Серия основана в 2001 году

УЧЕБНИКИ

НГТУ

 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
 
 
 

НОВОСИБИРСК

2019

Â. Ì. ÃÐÓÇÍÎÂ, Ì. Í. ÁÀËÄÈÍ,

È. È. ÍÀÓÌÅÍÊÎ

ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ 

ÃÀÇÎÂÎÃÎ ÀÍÀËÈÇÀ 
È ÃÅÎÕÈÌÈ×ÅÑÊÎÉ

ÑÚÅÌÊÈ

УДК 543.27:550.84(075.8) 
Г 902 
 
Рецензенты: 
чл.-корр. РАН, д-р геолого-минералог. наук, профессор  
В.А. Каширцев 
канд. геолого-минералог. наук, доцент Н.В. Юркевич 
д-р хим. наук, профессор Н.Ф. Уваров 
 
 
Грузнов В.М. 
Г 902  
Физические основы газового анализа и геохимической 
съемки : учебное пособие / В.М. Грузнов, М.Н. Балдин, 
И.И. Науменко. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2019. – 163 с. : 
ил., 8 цв. ил. (Серия «Учебники НГТУ»). 

ISBN 978-5-7782-3894-7 

В пособии даны физические основы газового анализа для геохимической съемки по углеводородам при поиске залежей нефти и 
газа. Рассмотрена общая теория газовой хроматографии, в том 
числе газо-жидкостной, газоадсорбционной, капиллярной и поликапиллярной. Приведены расчетные модели сорбционного концентрирования паров из воздуха и экспрессного термодесорбционного ввода пробы с концентратора в газохроматографическую 
колонку. Кратко изложены общие понятия масс-спектрометрии. 
Даны геологические и методические основы поверхностной геохимической съемки углеводородов при поиске залежей с использованием естественных и искусственных пассивных концентраторов с анализом проб на портативном газовом хроматографе ЭХО в 
полевых условиях. 
Учебное пособие адресовано студентам, аспирантам и специалистам в области газового анализа, портативных газовых хроматографов для поиска залежей углеводородов и геоэкологии. 
 
 
УДК 543.27:550.84(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3894-7 
© Грузнов В.М., Балдин М.Н., 
 
Науменко И.И., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

Оглавление  
 

Список сокращений .......................................................................................... 9 

Указатель обозначений................................................................................... 11 

Введение .......................................................................................................... 17 

Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ................. 19 

1.1. Параметры удерживания .................................................................... 21 

1.1.1. Время удерживания ................................................................. 21 

1.1.2. Объем удерживания ................................................................. 22 

1.1.3. Относительные параметры удерживания .............................. 23 

1.1.4. Параметры хроматографического пика ................................. 25 

1.2. Основные процессы в хроматографической колонке ..................... 26 

1.2.1. Теория теоретических тарелок ............................................... 28 

1.2.2. Теория скоростей в хроматографическом размывании ........ 29 

1.3. Понятие о степени разделения, эффективности и селективности .................................................................................................... 40 

1.3.1. Критерии разделения ............................................................... 40 

1.3.2. Связь критериев разделения с параметрами опыта .............. 41 

1.4. Влияние температуры на хроматографическое разделение ........... 43 

1.4.1. Зависимость удерживаемых объемов от температуры ......... 43 

1.4.2. Хроматографическое разделение с программированием 
температуры колонки во времени .......................................... 45 

1.5. Влияние параметров опыта на хроматографическое разделение .................................................................................................... 46 

1.5.1. Выбор оптимального режима разделения в зависимости от характера аналитической задачи ............................. 46 

1.5.2. Влияние природы сорбента на степень разделения .............. 47 

 

Глава 2. ГАЗОЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ................................. 49 

2.1. Основные требования к жидким неподвижным фазам ................... 50 

2.2. Межмолекулярные взаимодействия, определяющие удерживание соединений в газожидкостной хроматографии .................... 50 

2.3. Классификация жидких фаз ............................................................... 53 

2.4. Понятие селективности жидких фаз в ГЖХ .................................... 54 

2.5. Элементы технологии изготовления насадочных колонок  
для ГЖХ .............................................................................................. 55 

2.5.1. Твердые носители для жидких фаз ......................................... 55 

2.5.2. Нанесение жидких фаз на твердые носители ........................ 57 

2.5.3. Химическая прививка (иммобилизация) жидких фаз........... 57 

Глава 3. ГАЗОАДСОРБЦИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ......................... 59 

3.1. Основные соотношения ..................................................................... 59 

3.2. Классификация разделяемых веществ и сорбентов ........................ 61 

3.3. Основные адсорбенты ........................................................................ 63 

Глава 4. КАПИЛЛЯРНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ......................................... 67 

4.1. Теория эффективности капиллярных колонок ................................ 70 

4.2. Технология изготовления капиллярных колонок ............................ 76 

4.3. Поликапиллярные колонки ................................................................ 79 

Глава 5. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ ........................ 85 

5.1. Типы и характеристики детекторов .................................................. 85 

5.2. Детектор по теплопроводности ......................................................... 89 

5.3. Пламенно-ионизационный детектор ................................................. 92 

5.4. Термоионный детектор ...................................................................... 94 

5.5. Пламенно-фотометрический детектор .............................................. 95 

5.6. Фотоионизационный детектор .......................................................... 96 

5.7. Электронозахватный детектор .......................................................... 98 

5.8. Ионизационный детектор перестраиваемой селективности ......... 101 

Глава 6. ЭКСПРЕССНОЕ СОРБЦИОННОЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ПАРОВ ВЕЩЕСТВ ИЗ ВОЗДУХА .................................... 107 

Глава 7. ЭКСПРЕССНЫЙ ВВОД ПРОБЫ С КОНЦЕНТРАТОРА .......... 113 

Глава 8. ВИХРЕВОЙ ДИСТАНЦИОННЫЙ ПРОБООТБОР ................... 117 

Глава 9. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ .......................................................... 123 

9.1. Магнитный анализатор с однократной фокусировкой .................. 123 

9.2. Электростатический анализатор. Масс-спектрометр с двойной фокусировкой ............................................................................ 125 

9.3. Квадрупольный масс-спектрометр ................................................. 127 

9.4. Ионная ловушка (Ion Trap) .............................................................. 128 

9.5. Времяпролетный масс-спектрометр (TOF, Time Of Flight) .......... 130 

9.6. Аналитические характеристики масс-спектрометров ................... 131 

9.7. Методы ионизации пробы................................................................ 133 

9.7.1. Электронный 
удар 
или 
электронная 
ионизация  
(ЭУ, Electron Impact, Electron Ionization, EI) ........................ 133 

9.7.2. Химическая ионизация (Chemical Ionization, CI) ................ 137 

Глава 10. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ПРИ 
ПОИСКЕ ЗАЛЕЖЕЙ УГЛЕВОДОРОДОВ ................................. 139 

10.1. Модель миграции углеводородов от залежи к поверхности ...... 140 

10.2. Виды геохимической съемки ......................................................... 143 

10.3. Общая характеристика геохимических съемок, применяемых для поисков залежей УВ ........................................................ 144 

10.4. Характер распределения свободных углеводородов на поверхности Земли над залежью ...................................................... 145 

10.5. Съемка с использованием пассивных концентраторов ............... 147 

10.5.1. Газогеохимическая съемка по снежному покрову  
и грунтам .............................................................................. 147 

10.5.2. Геохимическая съемка с искусственными пассивными концентраторами ............................................................ 148 

10.6. Место газогеохимической съемки в общем подходе поиска 
залежей углеводородов по данным наблюдений на дневной 
поверхности .................................................................................... 156 

10.7. Этапы комплексной интерпретации геологических, геофизических и геохимических данных при поиске залежей 
нефти и газа .................................................................................... 156 

Вопросы для самоконтроля .......................................................................... 158 

Библиографический список ......................................................................... 161 
 

 
 
 
 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
 
БП – бесполевое пространство 
ВНИИЯГГ – Всесоюзный научно-исследовательский институт 
ядерной геофизики и геохимии 
ВЭТТ – высота, эквивалентная теоретической тарелке 
ГАХ – газоадсорбционная хроматография 
ГЖХ – газожидкостная хроматография 
ГХ – газовый хроматограф, газохроматографический 
ГХК – газохроматографическая колонка 
Д – детектор 
ДТП – детектор по теплопроводности 
ДЭЗ – детектор электронного захвата 
ИДПС – ионизационный детектор перестраиваемой селективности 
ИИ – источник ионов 
КИ – камера ионизации 
КК – капиллярные колонки 
КР – камера разделения 
МДРТ – максимально допустимая рабочая температура 
МКТ – многоканальные трубки 
НГН – нефтегазонакопление 
НЖФ – неподвижная жидкая фаза 
ПИГС – парофазный источник газовых смесей 
ПИД – пламенно-ионизационный детектор 
ПК – пассивный концентратор 
ПКК – поликапиллярные колонки 
ПФД – пламенно-фотометрический детектор 
ТИД – термоионный детектор 
ТНТ – тринитротолуол 
т.т. – теоретическая тарелка  
УВ – углеводороды 

 

УФ – ультрафиолетовое излучение 
ФИД – фотоионизационный детектор 
ЭЗД – электронозахватный детектор 
ЭИ – энергия ионизации 
ЭП – энергия появления 
ЭУ – электронный удар 
ЭХО – экспрессный хроматографический обнаружитель