Природный водород: где искать новое топливо?

Исследователи из Немецкого исследовательского центра геонаук имени Гельмгольца (GFZ) определили перспективные места для поиска природных ресурсов водорода. В своей работе они использовали передовое моделирование тектонических процессов плит.

Водород (H2) обладает значительным потенциалом для замены ископаемого топлива и одновременного снижения выбросов CO2 и других загрязняющих веществ. Однако массовое производство водорода является серьезной проблемой. Современные методы синтетического производства в лучшем случае основаны на возобновляемых источниках энергии, но также могут быть связаны с загрязнением окружающей среды при использовании ископаемого топлива.

Решение этой проблемы может быть найдено в природе, поскольку различные геологические процессы способны генерировать водород. До настоящего времени оставалось неясным, где следует искать потенциально крупные скопления природного водорода.

Группа исследователей под руководством доктора Франка Цваана, научного сотрудника секции геодинамического моделирования GFZ, представляет ответ на этот вопрос. Ученые выяснили, что горные хребты, в которых глубинные породы мантии выходят близко к поверхности, являются потенциальными «горячими точками» природного водорода.

Эти горные хребты не только представляют собой идеальную геологическую среду для крупномасштабного образования природного H2, но и способствуют формированию значительных скоплений H2, которые можно разрабатывать путем бурения.

Природный водород может образовываться несколькими способами, например, в результате бактериальной трансформации органического материала или расщепления молекул воды под действием распада радиоактивных элементов в континентальной коре Земли. Жизнеспособность природного водорода как источника энергии уже доказана на примере Мали, где ограниченные объемы H2, образующиеся в богатых железом осадочных слоях, добываются с помощью скважин.

Однако наиболее перспективным механизмом крупномасштабного образования природного водорода является геологический процесс, при котором породы мантии вступают в реакцию с водой. Минералы в мантийных породах меняют свой состав, образуя новые минералы серпентиновой группы, а также газообразный H2.

Чтобы эти породы вступили в контакт с водой и серпентинизировались, они должны быть тектонически подняты к поверхности Земли.

Используя современный численный подход к моделированию тектоники плит, откалиброванный на данных природных примеров, команда смоделировала полную эволюцию тектонических плит: от начального рифтогенеза до разрыва континента с последующим закрытием бассейна и горообразованием.

В этих симуляциях исследователи впервые смогли определить, где, когда и в каком количестве мантийные породы выходят на поверхность в горах, а также когда эти породы могут контактировать с водой при благоприятных температурах, обеспечивающих эффективную серпентинизацию и образование природного водорода.

Оказалось, что условия для серпентинизации и, следовательно, образования природного H2 значительно лучше в горных хребтах, чем в рифтовых бассейнах. Благодаря сравнительно более холодной среде в горных хребтах, большие объемы эксгумированных мантийных пород находятся при благоприятных температурах серпентинизации (200-350°C). В то же время, интенсивная циркуляция воды вдоль крупных разломов в горах может способствовать реализации их серпентинизационного потенциала.

В результате годовая мощность образования водорода в горных хребтах может быть до 20 раз выше, чем в рифтовых зонах.

Это исследование дает сильный импульс для активизации разведки природного H2 в горных хребтах. Различные разведочные работы уже ведутся в таких местах, как Пиренеи, Европейские Альпы и Балканы, где ранее были обнаружены признаки продолжающегося образования природного водорода.

Доктор Цваан отмечает, что решающее значение для успеха этих усилий будет иметь разработка новых концепций и стратегий разведки. Особую важность, по его словам, представляет то, как тектоническая история конкретного участка разведки контролирует формирование экономически выгодных скоплений природного H2.

Он заключает, что необходимо определить сроки ключевых геологических процессов, поскольку для формирования резервуаров H2 во время горообразования, ему должен предшествовать рифтогенез. В целом, по мнению ученого, результаты, полученные с помощью моделирования тектоники плит, подобных тем, которые были выполнены в этом исследовании, будут иметь большое значение.