寻找氦资源的新思路
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文/黄元 黄泽平 张全震 王业亮，北京理工大学,科学通报
氦资源在航空航天、医疗和基础物理研究等诸多高科技领域有不可替代的应用, 是赢得未来科技竞争的重要战略物质. 长期以来, 我国被认为是贫氦的国家, 氦资源对外依赖度极高. 氦气的稳定供应已经成为我国未来高新科技发展中的潜在风险因素之一, 亟须寻找新的解决办法. 以往的学术观点通常认为, 氦气和天然气具有伴生关系, 而这方面的科学依据值得深入讨论和研究. 系统地认识与氦相关的物理和化学性质可以为我国独立自主寻找氦资源提供科学依据和指导思想, 对我国尽快解决氦资源短缺和摆脱对外依赖有重要意义. 氦资源的开发利用也将对我国其他科技领域的发展产生巨大的推动.1 氦资源的发展及现状
人类对氦的认知始于1868年, 此后许多科学家尝试将氦液化. 1908年, 荷兰物理学家卡莫林·昂内斯(Onnes H K)成功获得了液氦. 液氦的获得极大地促进了多个重要科学分支的发展, 包括超导物理、量子计算、大型加速器、航空航天工业和集成电路等. 在日常生活中, 氦气似乎并不常用, 但这种惰性气体正在诸多高新技术领域扮演越来越重要的角色, 特别是在医疗、半导体封装和低温电输运测量与应用方面, 液氦是不可替代的. 在能源应用方面, 氦也有巨大的应用潜力. 随着常规能源(煤、石油、天然气等)和核能的长期使用, 这类资源正在逐渐减少, 能源问题变得越来越迫切, 而3He(简称为氦3)提供了一种新的核聚变形式, 有望打破常规重核裂变的核能利用模式.
已有的公开数据显示, 全球氦气生产主要被美国、阿尔及利亚、卡塔尔、俄罗斯等少数几个国家垄断. 美国被认为是氦资源最丰富的国家, 约占全球的40%; 其次是卡塔尔, 约占19%, 但是卡塔尔开采氦气的核心技术受制于美国. 2018年前后, 美国将二战时期囤积的氦气库存清仓完毕, 国际氦气价格应声而涨, 目前价格已经是从前的4倍多.
我国现在每年氦气消耗量大约在4300t, 进口价格在50~60元/kg, 并且价格在逐年上升, 仅氦气进口就要花费高达约18亿元人民币. 对于我国未来科技发展而言, 氦的重要性不仅仅是一种高昂的进口产品, 更是制约我国高科技发展的重要战略物质. 一旦国外对我们进行氦资源封锁, 许多凝聚态物理、新材料、医疗、半导体和信息领域的基础和应用研究都将受到严重的阻碍, 进而使我国的高科技发展处于全面被动的局面. 提出新的科学思路探索国内的氦气资源具有非常急迫的需求.
2 氦资源开发中的认识误区
相比于石油和天然气, 氦气在几十年前并没有被作为具有重要商业开采价值的资源来对待, 它常常被作为天然气中的副产品. 早期人们在开采天然气的过程中, 发现有少部分气体在常温下无法通过压缩使其液化, 后来被证实这些难以液化的气体成分主要是氦气. 目前大部分氦气都是在开采后的天然气中分离出来的, 因此直到现在, 很多地质学方面的研究人员都有一个共识, 认为氦气和天然气具有伴生关系. 但是, 这种判断氦气来源的思路只是经验性的, 从物理和化学的角度来看并没有科学依据.
作为元素周期表中排名第一的惰性气体元素, 氦在自然界中不与任何其他元素发生化学反应, 因此与其他化合物不存在任何伴生关系. 石油和天然气的勘探大部分都是在盆地里寻找, 是由于这两类物质在地壳中都是以液态的形式存在. 甲烷(CH4)的分子量是16, 与水分子的分子量18相当, 在地下以液体形式或可燃冰的固体形式存在, 而石油的分子量为100~1000, 因此在聚集的过程中, 由于地球重力的影响, 石油、天然气这类物质将往地势低的区域聚集.
氦气中比例最大的是4He, 分子量是4, 自然环境中氦气密度是除氢气密度以外最小的. 正是由于密度低, 因此氦气在离开地壳之后会迅速地逃离地球引力的束缚, 难以再次收集, 导致在接近地面的空气中氦气含量是极低的. 当我们把眼界拓宽到更大的宇宙环境中, 会发现其实整个太阳系中氦并非稀有资源, 它约占太阳系的25%, 仅次于氢元素. 地球上的氦资源之所以稀少, 主要是因为地球的重力加速度并不大(约为9.8m/s2), 难以束缚原子量较小的氦元素.
氦气只能通过氢元素聚变或者放射性重元素经过α衰变产生, 而天然气则可以通过多种化学反应合成. 常见的核反应生成He的方式有
地球环境不具有天然的核聚变条件, 因此地球内部的氦气主要是重元素裂变产生的. 氦气和天然气之间没有必然的伴生关系, 两者在生成机制上是完全不一样的. 之所以在开采的天然气中能够探测到氦气, 主要原因是存储这类气体、液体需要封闭完好的地层结构, 但这不等同于两者在形成机理上存在依赖关系. 作为地球上自然条件下密度最轻的气体, 地球内部重元素核裂变产生的氦气将向远离地心的方向迁移, 在地层结构较为完好的穹顶形区域氦气更容易聚集. 这种结构在几何对称性上与盆地是相反的.
从地球的结构来看, 最外层是地壳, 下面是地幔和地核. 由于高密度的物质倾向于往地势低的方向聚集, 因此地幔和地核附近的重元素要远大于地壳. 整个地壳平均厚度约为17 km, 其中大陆地壳厚度较大, 平均约为39~41 km; 而地球的半径在6350km左右, 地幔的厚度在2800 km以上, 地核的半径在3500 km左右.
因此, 地壳所占的厚度比例相对较小, 而地球上的氦气如果是通过裂变方式产生的, 那么地幔和地核处所贡献的氦气比例要远大于地壳. 通过以上分析可知, 地壳所占的物质比例远小于地幔和地核, 地壳在重元素裂变产生氦气的过程中贡献较小, 因此不同区域地壳以下所释放的氦气应该大致相同, 而差别在于不同区域地壳的几何结构和完整性. 氦气是所有气体中最容易逃逸和泄漏的, 对地层结构的密封性要求更为苛刻, 因此一些地震断裂带附近不具有存储高浓度氦气的地质条件.
3 探寻氦资源的新思路
中国是否像之前认为的那样, 是一个贫氦国家? 或许实际情况并非如此. 我国目前氦资源面临的最大问题不是短缺, 而是缺乏新的理论来指导实践, 寻找具有开采价值的氦气资源. 如果没有氦气, 有什么样的理论依据; 如果有氦气, 如何建立新的理论框架去寻找氦气.
我们在之前的相关研究中指出, 我国的青藏高原地区可能存在较多的氦资源. 这主要是由于青藏高原亚欧板块与印度板块碰撞后形成的高原海拔较高(约在3000~5000 m), 是世界上最高的高原, 并且整体的板块结构较为完整, 这种地质结构为氦气提供了一个天然的存储区域. 因此, 有望在青藏高原发现高浓度的氦气.
尽管我国地质学方面的研究已报道了青藏高原热泉中存在较高浓度的氦气, 但并没有深入讨论其形成机理以及未来是否具有开发价值. 更为关键的是, 之前的研究并没有提出新的理论体系纠正氦气与天然气的伴生关系, 寻找氦气的主要思路仍然是将目光盯在富产石油和天然气的盆地地区. 我们新的理论体系指出, 在高原地区有望找到更高浓度的氦气资源.
4 青藏高原氦资源的初步实践
2021年6月初, 北京理工大学王业亮和黄元团队在西藏拉萨、日喀则市和那曲市开展了野外实地实验, 并在多个温泉、土壤及空气中采集气体样品. 研究人员将样品带回北京理工大学后, 通过高精度的质谱分析仪, 对采集的气体样品进行了测量. 研究发现, 西藏热泉中的气体成分中都含有较高浓度的氦气. 测量时的背景压强为8 10 7Torr(1 Torr=133.3 Pa), 而西藏热泉的气体中, 氦气的分压可以达到约2 10 9Torr, 氦气浓度可以达到0.25%.
考虑运输和保存过程中损耗带来的影响, 实际的氦气浓度应大于该数值. 研究人员还对北京和西藏的空气进行了测量, 没有在空气中发现氦气的质谱信号. 通过对不同位置的热泉气体进行收集, 我们也总结了海拔与氦气浓度的关系. 由于目前采集的数据量不是特别充足, 海拔与氦气浓度之间的关系需要进一步验证. 最为重要的是, 我们所探测的所有西藏热泉气体中均含有氦气, 而根据我们的理论, 青藏高原的热泉处还不是氦气浓度最高的区域, 一些具有更高浓度氦气的区域仍然需要进一步考证. 对青藏高原地区热泉中气体的质谱测量为寻找氦气的理论提供了关键证据.
我国塔里木盆地的和田河气田, 氦气含量为0.30%~0.37%, 与在西藏温泉气体中探测到的浓度较为接近. 云贵高原也有较多热泉, 特别是在云南省境内(平均海拔为2000 m), 热泉中氦气浓度在0.01%量级范围. 在低海拔地区的热泉中, 氦气浓度都较低, 如辽东半岛、长白山地区. 与这些区域相比, 西藏热泉中的氦气浓度较高, 与理论模型吻合较好. 关于西藏氦气储量以及是否具有可开采价值方面的研究和论证仍然需要大量的工作, 这不仅需要多个领域的科研人员精诚合作, 也需要更多高校和科技职能部门一起来推动. 如果这种寻找氦气的假说被证实, 将极大地推动我国氦气资源的开发利用, 进而解决一系列卡脖子技术问题, 包括高温超导、核聚变、军工和医疗等领域都会带来极大的发展.
5 结论
氦气是重要的战略物质, 对我国的经济、军事和科技发展都有重要影响. 随着许多高精尖科技领域的快速发展, 氦气和液氦所扮演的角色变得越来越重要. 中国作为氦气的需求大国, 长期以来主要依靠国外进口. 面对瞬息万变的国际形势和不断上涨的氦资源价格, 中国需要独立自主地开展氦气勘探和开发方面的研究, 努力实现这一战略物质的自给自足. 尽管目前国内外商业化的氦气都是在开采天然气的过程中附带分离出来的, 但这并不能证明两者存在必然的伴生关系, 寻找氦气应该打破之前的认识误区.
在我国寻找氦气需要建立完善的理论体系, 结合我国的地质特征提出新的模型. 从氦气的本质分析来看, 在地势高、地层结构完整的区域有望探测到储量较大的氦气资源. 结合我国的地形地貌来分析, 特别是从初步研究结果来看, 我国青藏高原地区存在具有较大经济开发价值的氦气藏.
新的理论模型和精密的氦气测量手段将会为氦气勘探提供新思路, 而规模化的氦气开发和利用将会为我国很多尖端高科技领域注入亟需的血液, 对推动我国科技和经济都具有重要的战略意义.
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