Поля легких газов

Геологам хорошо известно явление дегазации. Оно заключается в том, что некоторые газы, в том числе водород, гелий, азот, которые образуются глубоко внутри континентов, просачиваются на поверхность.

Самый легкий из газов нужен при производстве удобрений, в пищевой, угольной и фармацевтической промышленности. Сейчас почти весь водород производят газификацией угля и паровой конверсией природного метана. Однако существуют значительные подземные запасы водорода, которые могут стать его дополнительным источником.

Другой легкий газ, инертный гелий, важен для производства компьютерных чипов и высокотехнологичной электроники, магниторезонансных томографов и оптических волноводов, ядерных и криогенных исследований. В земных недрах гелий образуется при радиоактивном распаде тория, урана и их дочерних нуклидов. Обычно газ содержится в смеси других газов, его доля может достигать десятка процентов.

Почти весь промышленный гелий — это побочный продукт получения других газов. Его извлекают из нефтяного и природного газа. Производство обычно связано с выделением парниковых газов. Принято считать, что они усиливают глобальное потепление.

С введением в строй летом 2021 года Амурского газоперерабатывающего завода наша страна планировала обеспечивать более трети мировых поставок гелия. Этот завод работает на сырье Чаяндинского газоконденсатного месторождения. Здесь применяют технологии предварительного мембранного извлечения гелия прямо на промысле. Сегодня гелий в дефиците, цены на него взлетели. Нынешнее глобальное сокращение поставок почти у кризисной точки из-за сложностей в международных отношениях.

Процесс дегазации полон загадок. Его теоретические модели предполагают, что легкие газы растворены в глубинной воде и их вертикальное перемещение в осадочных породах вблизи земной поверхности происходит за счет диффузии по наполненным водой порам.

Работа канадско-английской группы ученых, выполненная под началом доктора Анрана Чена (Anran Cheng) из Оксфордского университета, предлагает новый подход, который объясняет, почему гелий задерживается недалеко от поверхности земли и создает так называемые гелиевые поля. Это коллекторы, пористые породы, богатые извлекаемыми запасами гелия в смеси с другими газами.

Ученые отмечают, что азот, поступающий из кристаллического фундамента, также образует газовые коллекторы. Он дегазирует в определенной пропорции к гелию и достигает высоких концентраций у оснований осадочных бассейнов. Как правило, редкие гелиевые поля сопутствуют высоким концентрациям азота.

До сих пор причины этого явления не были понятны геологам. Авторы доказали, что азот дегазирует вместе с гелием, и определили геологические условия появления пузырьков этих газов в скальных порах. Процесс такого просачивания требует сотни миллионов лет. Пузырьки поднимаются к поверхности до непроницаемых для них пород и собираются под такой покрышкой, чтобы образовать коллекторы. И они не содержат ни метана, ни диоксида углерода.

Модель дает возможность численно оценить водородные и гелиевые ресурсы в похожих внутриконтинентальных осадочных бассейнах по всему миру. На примере североамериканского газового бассейна Виллистона (Williston Basin) и с учетом закономерностей эволюции региона ученые показали, что уже 140 миллионов лет назад азот образовал здесь крупный газовый коллектор. По вычисленным на модельной основе концентрациям азота авторам работы удалось правильно предсказать пропорцию гелия, который можно извлечь с километровых глубин.

Геологи надеются, что выводы работы помогут разведать новые запасы легких газов. Ученые также указывают на вероятные области расположения коллекторов водорода, поскольку он образуется из воды под действием радиоактивного гелия.

Главный вывод работы состоит в том, что слабопроницаемые для гелия и медленно наполняемые газами горные породы содержат существенные запасы газов, так необходимых человечеству. Эти коллекторы могут стать промышленным источником не только гелия, но и водорода. Правда, извлечь их можно будет всего один раз. Работа опубликована в журнале Nature.