Патент на изобретение №2316028

(54) СПОСОБ ПОИСКОВ В НЕДРАХ ЗЕМЛИ СКОПЛЕНИЙ ГАЗООБРАЗНЫХ ВОДОРОДА И ГЕЛИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области добычи полезных ископаемых и предназначено для поисков природных скоплений в недрах Земли газообразных водорода и гелия. Сущность: осуществляют региональное прогнозирование гелийводородоносности территории, локальное прогнозирование в пределах потенциально перспективных региональных геотектонических структур, поисковое бурение. Причем бурение проводят в точечных местах современного выхода гелийводородоносных флюидов из мантии в верхние этажи коры – в активных глубинных разломах, особенно в континентальных и океанических рифтах, а в их пределах – на участках аномально высоких уровней теплового потока, сейсмичности, электропроводности, на взрывных кольцевых структурах, на вскрытых интрузивах центрального типа – массивах ультраосновных щелочных пород и в других тектонических структурах и магматических телах, корни которых дренируют верхнюю мантию. Технический результат: повышение достоверности и экологичности поисков.

Предлагаемое изобретение относится к области добычи полезных ископаемых и предназначено для поисков природных скоплений в недрах Земли газообразных водорода и гелия.

Подобно тому как себестоимость бензина из природной нефти всегда была значительно ниже себестоимости синтетического бензина, так и улавливание свободного водорода из газовых струй, вырывающихся под давлением из земных глубин, или даже извлечение водорода из высокотермальных вод, где он находится в растворенном состоянии, должно быть, очевидно, дешевле, чем производство водорода любыми иными существующими сейчас промышленными технологиями.

Природные водород и гелий обычно обнаруживаются в одних и тех же проявлениях и поэтому ниже рассматриваются совместно. Но несмотря на то что водород является экологически идеально чистым топливом, а гелий – многофункциональным ценным полезным ископаемым, а запасы нефти и газа подходят к концу, добыча водорода в энергетических целях из природных источников в промышленных масштабах не проводится (гелий в ограниченных объемах добывают в США). Причина – в отсутствии достаточно полно обоснованной научной теории формирования, миграции и концентрации водорода и гелия в земных недрах, на основе которой могла бы быть сконструирована соответствующая стратегия (способы) прогноза, поисков, разведки и оценки запасов природных скоплений водорода и гелия, экономически рентабельных для их разработки. Фактический материал для такой теории накапливался в течение XX в. во всем мире и в т.ч. довольно интенсивно в бывшем Советском Союзе. То, что водород в гигантских количествах находится в недрах Земли, предполагал еще В.И.Вернадский. С 70-х гг. среди геологов стала широко известна (и вместе с тем дискуссионна) гипотеза В.Н.Ларина (Ларин, 1975. [1]) об изначально гидридном составе Земли как планеты и что внутреннее ядро Земли состоит из гидридов металлов (железа и никеля), а внешнее ядро – из металлов с растворенным в них водородом.

Известно, что Солнце, звезды и межзвездные газы согласно спектроскопическим данным состоят в основном лишь из двух элементов – на 75% из водорода, на 24% из гелия и только 1% их массы составляют все другие элементы. Планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – обладают первичной флюидной оболочкой (90% водорода, 10% гелия), сохранившейся с момента их образования и всей Солнечной системы в результате аккреции гелий-водно-водородной ледяной массы.

Аналогичные флюидные оболочки имели и околосолнечные планеты Земной группы – Меркурий, Венера, Земля и Марс, потерявшие эти оболочки еще на ранней стадии своего развития под действием солнечного ветра (Маракушев, 1992. [2]).

Лишившись своей первичной флюидной оболочки, Земля превратилась в железо-каменную планету, тем не менее, обладающую в своем жидком никель-железном внешнем ядре весьма значительными запасами гелий-водородных флюидов, присутствие которых доказывается существенным дефицитом плотности ядра – ниже плотности никеля и железа при существующем там давлении от 140 до 360 ГПа (Ozima М., 1987 [3], Маракушев, 1999. [4]). Величина этого дефицита позволяет оценить и запасы гелий-водородной субстанции ядра, водород которой местами сжат до металлического состояния.

Постепенный процесс кристаллизации вещества твердого внутреннего ядра Земли сопровождается возрастанием флюидного давления в жидком внешнем ядре, периодически прерываемым импульсами дегазации. В процессе дегазации жидкого ядра водород и гелий мигрируют в области меньшего давления – в нижнюю мантию Земли, близкую по составу к веществу начальной стадии формирования Земли – соединениям на основе кремния, магния, титана и железа. Окисляясь в пути, водород генерирует водную компоненту восходящих флюидов, накапливающихся в нижней мантии, где по экспериментальным данным японских ученых (Murakami et al., 2002. [5]) содержится от 0,2 до 0,4 весовых процентов H₂O, общий объем которой в 5 раз превышает объем Мирового океана. Вода снижает температуру плавления вещества нижней мантии, вследствие чего образуются очаги и области магматических расплавов, проникающие в верхнюю деплетированную мантию (с перемешанным, обедненным первичными компонентами веществом). Этот процесс ответственнен за тепломассопотоки глобальной конвекции, выражающейся в архее – на стадии существования мощной первичной флюидной оболочки Протоземли – в форме гранито-гнейсового купольного тектогенеза, а с протерозоя – после потери флюидной оболочки – в классической форме тектоники плит с образованием океанов и континентов. Таким образом, именно водородная дегазация определяет всю эндогенную активность Земли на протяжении всего периода ее развития вплоть до настоящего времени.

Эндогенный глубинный водород, кроме образования им (при окислении) воды всей гидросферы Земли – поверхностной и подземной, из-за латеральной вещественной неоднородности нижней и верхней мантии при соединении с углеродом (особенно при медленной диффузной миграции) генерирует углеводороды – метан (СН₄), его гомологи (С_nН_2n) и углеводородные компоненты абиогенных нафтидов (жидкой нефти и ее естественных производных, в т.ч. битумов) и, возможно, по мнению ряда российских исследователей (Шахновский, 2002. [6]), вообще всех других видов горючих ископаемых. Аналогично образуются в верхней мантии и земной коре соединения водорода с серой (H₂S) и с азотом (NH₃).

В наиболее проницаемых зонах – каналах быстрой вертикальной миграции эндогенных газов – свободные водород и гелий (кроме корового радиогенного гелия, состоящего в основном из изотопа ⁴Не и продуцируемого радиоактивным распадом урана и тория) мигрируют в виде газовых струй или в растворе с ювенильными водами, часто достигая поверхности, проникают в стратосферу (где вносят вклад в разрушение озонового слоя), после чего почти полностью теряются в космическом пространстве, поскольку гравитационное поле Земли неспособно удержать молекулярные водород и гелий. Такими высокопроницаемыми зонами являются рифты – океанические и континентальные, региональные глубинные разломы, а также зоны современного вулканизма, крупные взрывные кольцевые структуры (обычно называемые астроблемами) и даже алмазоносные трубки взрыва с относительно рыхлым кимберлитовым заполнителем. В качестве наиболее ярких примеров выноса из глубин водорода обычно приводят Срединную зону Исландии, представляющую часть океанического рифта, континентальные рифты запада США и Канады, Байкальский рифт (Россия), северное окончание Красноморского рифта – Левантский разлом (Израиль, Ливан), кимберлитовую трубку «Удачная» (Саха-Якутия) и др. (Щербаков, 1985. [7]).

Из глубинных разломов максимально проницаемыми и, следовательно, наиболее перспективными на водород и гелий будут активизированные в неотектонический этап и особенно новейшие, ограничивающие зоны интенсивного современного тектонического прогибания (впадины типа трогов или грабенов) с сокращенной мощностью земной коры. В связи с этим важное информативное значение приобретает анализ и картирование неотектонических и современных движений земной коры. При этом неотектонический анализ с дешифрированием по аэрокосмическим материалам новейших разрывных нарушений в данном случае имеет большее значение, чем при прогнозно-поисковых работах на другие полезные ископаемые, связанные с новейшим тектогенезом в меньшей степени, чем водород и гелий.

Однако новейшие глубинные разломы являются потенциально гелий-водородоносными не на всем своем протяжении, а, по-видимому, только на отрезках с максимальным тепловым потоком, поскольку согласно принципу Ле-Шателье в неоднородном тепловом поле Земли в зонах с аномально высокими температурами концентрируются газы с высокой удельной теплоемкостью – в первую очередь, водород и гелий (а также азот, метан, оксид углерода), а на периферии этих аномалий – газы с низкой удельной теплоемкостью (сероводород, пары воды, диоксид углерода и др.)

К тому же достаточно давно было обращено внимание на то, что в вулканических горячих газах (фумаролах) концентрация Н₂, SO₂ и СО тем больше, чем выше их температура, а в газах низкотемпературных фумарол наблюдаются высокие содержания H₂S и СО₂. Предполагается существование в земной коре реакции: 3Н₂+SO₂H₂S+2Н₂О, а, по нашему мнению, не менее часто проявляется реакция:

2Н₂+SO₂+СОH₂S+СО₂+Н₂О. В обоих случаях при подъеме горячих газов к поверхности и их остывании равновесие реакций смещается вправо, что приводит к заметному увеличению содержания в газах сероводорода. Подобные термальные сероводородные источники отмечаются (и некоторые из них используются в бальнеологических целях) во многих местах вдоль разломов Байкальского рифта. Предполагаем, что на глубине несколько километров в этих местах, согласно приведенной выше реакции, должны быть крупные скопления свободного водорода, индикатором которых является интенсивные выделения на поверхности сероводорода.

Существенное значение при прогнозировании гелий-водородоносности имеют данные магнито-теллурического зондирования, по которым выявляются зоны и слои высокой электропроводности, совпадающие в некоторых рифтах с зонами генерации и выделения водорода. Например, в Байкальском рифте зона с аномально высокой электропроводностью, интенсивно выделяющая водород и гелий, выявлена в Тункинской впадине на глубинах 5-6 км, где еще в 1989 г. Геологическим институтом АН СССР было рекомендовано для извлечения и изучения водорода сверхглубокое бурение, которое до настоящего времени так и не начато. Высокая электропроводность объяснялась там наличием линзы магматического расплава, но может быть вызвана и повышенной металлоносностью пород фундамента Тункинской впадины – железистыми кварцитами или высоким содержанием железа в базальтах, так как известно, что свободный водород выделяется в результате реакции низших оксидов и сульфидов железа с водой при поглощении воды базальтовыми и гранитоидными расплавами. А в электрическом поле на участках сопряжения разных металлов водород возникает при электролитических процессах, в которых вода разлагается на кислород и водород. Не случайно в железорудном месторождении Кривого Рога в составе природных водно-газовых систем в некоторых скважинах содержание водорода во много раз превышает его фоновое значение (Тыминский, Войтов, 1985. [8]). Поэтому определенный интерес могут представлять современные глубинные разломы в пределах зон железистых кварцитов в Курской магнитной аномалии и в зеленокаменных поясах Балтийского и Алданского щитов.

Механизм концентрации в земной коре свободных (или водорастворенных) водорода и гелия, по-видимому, близок механизму концентрации углеводородных газов – в структурных, тектонических, литологических и др. ловушках. При этом мигрирующие из глубин водород и гелий экранируются в ловушках низкопроницаемыми покрышками, отличающимися от улавливающих углеводороды покрышек в общем большей глубиной залегания, а по проницаемости – в той степени, в какой диффундирующие способности водорода и гелия превышают таковые углеводородных газов.

Поскольку происхождение большей части водорода и гелия в недрах Земли однозначно эндогенное и не связано с биогенезом, перспективные на водород структуры пространственно локализуются в более узких, чем углеводороды зонах – вдоль глубинных разломов как каналов миграции водорода из мантии и представляют собой приразломные антиклинальные короткие линейные складки и брахискладки, обычно развивающиеся вдоль крупно-амплитудных региональных сдвигов, таких как трансформные планетарные разломы, как упомянутые Левантский разлом и многие разломы Байкальского рифта.

Наиболее близким к предлагаемому способу поисков в недрах Земли скоплений газообразных водорода и гелия является способ поисков скоплений нефти и газа, основанный на официально принятой осадочно-миграционной концепции генезиса углеводородов (Теоретические основы …, 1987. [9]).

Предлагаемый способ поисков в недрах Земли скоплений газообразных водорода и гелия также заключается в комплексе последовательно проводимых работ, в состав которых входят:

– региональное (мелкомасштабное) прогнозирование (гелий-водородоносности) территорий путем специализированной тектонической интерпретации существующей геологической и геофизической картографической информации на основе наметившейся закономерности в пространственной приуроченности проявлений природных газообразных водорода и гелия к активным геотектоническим структурам, дренирующим своими корнями верхнюю мантию Земли и являющимся, по-видимому, каналами миграции водорода и гелия в верхние этажи литосферы из глубинных очагов их генерации;

– локальное (среднемасштабное) прогнозирование (гелий-водородоносности) в пределах потенциально перспективных на гелий и водород региональных геотектонических структур дополнительным целенаправленным дистанционным зондированием – аэрокосмическим (в т.ч. тепловой инфракрасной аэросъемкой) и аэрогеофизическим (аэрогравиметрическим, аэромагнитометрическим, аэрогамма-спектрометрическим), наземными съемками – магнито-теллурической, геотермической, геохимической, грави- и сейсморазведкой;

– поисковое бурение, в т.ч. глубокое и/или подводное, в пределах контрастных локальных геофизических и геохимических аномалий, индицирующих наиболее благоприятные геологические условия миграции из мантии Земли гелий-водородных флюидов и скопления в верхних этажах коры (в ловушках) газообразных водорода и гелия на технически доступных глубинах в соответствии с предлагаемыми структурно-тектоническими и геолого-физико-химическими поисковыми критериями;

– дистанционная оценка инженерно-геологических условий территории выявленных местоскоплений (водорода и гелия) для рационального размещения объектов разведочных и эксплуатационных работ.

Новым в предлагаемом способе являются:

– новые объекты поисков – природные газообразные водород и гелий, до сих пор не рассматриваемые геологической теорией и практикой как полезное ископаемое и обнаруживаемые только попутно в поисковых, разведочных и эксплуатационных скважинах на месторождениях нефти и газа, алмазов, железа и ряда других полезных ископаемых;

– новые критерии прогнозирования и поисков скоплений водорода и гелия по сравнению с поисковыми критериями нефтегазоносности, основанные на принципиально иной концепции происхождения в недрах Земли газообразных водорода и гелия; если в соответствии с официально принятой в России осадочно-миграционной концепцией нефть и газ образуются в результате термокатализа захороненного органического вещества в осадочных бассейнах, то генезис водорода и гелия в земных недрах связывают с процессом дегазации вещества внешнего ядра и мантии Земли, в связи с чем прогноз и поиски скоплений водорода и гелия должны проводиться в крупных тектонически мобильных зонах независимо от наличия в них осадочных отложений – в современных океанических и континентальных рифтах и в других активных глубинных разломах, в пределах которых наиболее перспективными в отношении водорода и гелия являются участки повышенной сейсмичности, высокого уровня теплового потока, электропроводности, взрывные кольцевые структуры, вскрытые интрузивы центрального типа (массивы ультраосновных – щелочных пород) и др. тектонические структуры и магматические тела, корни которых дренируют верхнюю мантию Земли – область генерации газообразных водорода и гелия.

Таким образом, способ поисков в недрах Земли скоплений свободных газообразных водорода и гелия заключается в проведении регионального прогнозирования по данным ранее проведенных геологических и геофизических исследований, локального прогнозирования по данным целенаправленного специализированного дистанционного аэрокосмического и аэрогеофизического зондирования, сейсморазведки и наземных геотермических, магнито-теллурических, геохимических и др. съемок. Отличается способ тем, что региональное и локальное прогнозирование осуществляют в отношении водорода и гелия, причем такими критериями прогнозирования и поисков, как глубокое бурение скоплений водорода и гелия, образованных в результате дегазации вещества внешнего ядра и мантии, причем поиски водорода и гелия проводят в линейных и точечных местах современного вывода гелийводородных флюидов из мантии в верхние этажи коры – в активных глубинных разломах, особенно в континентальных и океанических рифтах, а в их пределах – на участках аномально высоких уровней теплового потока, сейсмичности, электропроводности, на взрывных кольцевых структурах, на вскрытых интрузивах центрального типа – массивах ультраосновных-щелочных пород и в других тектонических структурах и магматических телах, корни которых дренируют верхнюю мантию.

Более подробно отличия предлагаемого способа (методики) поисков скоплений эндогенных водорода и гелия от методики поисков скоплений нефти и газа, основанной на официально принятой осадочно-миграционной концепции генезиса углеводородов (Теоретические основы …, 1987 [9].) даются в нижеприведенной таблице, в которой качественные оценки значимости различных поисковых критериев скоплений нефти, газа и водорода с гелием изображены следующими условными знаками:

– – отрицательные перспективы

? – неясные перспективы

+ – положительные перспективы

++ – высокие перспективы

+++ – весьма высокие перспективы

Техническим результатом внедрения предлагаемого способа являются:

– целенаправленные поиски скоплений природных газообразных водорода и гелия с высоким коэффициентом успешности;

– дистанционная оценка и зонирование территории местоскопления водорода и гелия по экологическим и техническим рискам (потенциальной аварийной опасности) при разведке и добыче водорода и гелия;

– эффективные разведочные работы с оценкой запасов водорода и гелия в выявленных их скоплениях и с выяснением горно-технических условий их разработки;

– экологически безопасное размещение объектов инфраструктуры строящихся гелий- и водорододобывающих промыслов;

– рентабельная добыча природных водорода и гелия и доставка добываемого сырья к потребителю, в т.ч. трубопроводным транспортом;

– постепенный переход в энергетике и на транспорте с экологически грязного нефтепродуктового топлива, углеводородные ресурсы которого находятся в стадии истощения, к экологически идеально чистому водородному топливу, природные ресурсы которого в земных недрах практически неисчерпаемы.

Источники информации

1. Ларин В.Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. – М.: Недра, 1975.

2. Ozima М. Geohistory: (Global evolution of the Earth). – N.Y.; Tokyo: Springer, 1987. – 165 p.

3. Маракушев А.А, Происхождение и эволюция Земли и других планет Солнечной системы. М.: Наука, 1992. – 207 с.

4. Маракушев А.А. Происхождение Земли и природа ее эндогенной активности. – М: Наука, 1999. – 255 с.

9. Теоретические основы и методы поисков и разведки скоплений нефти и газа / Под ред. А.А.Бакирова. – М.: Мир, 1987. – 384 с.

Формула изобретения

Способ поисков в недрах Земли скоплений свободных газообразных водорода и гелия, заключающийся в проведении регионального прогнозирования гелий-водородоносности территории, локального прогнозирования гелий-водородоносности в пределах потенциально перспективных на гелий и водород региональных геотектонических структур, поискового бурения, в том числе глубокого или подводного, в точечных местах современного выхода гелий-водородных флюидов из мантии в верхние этажи коры – в активных глубинных разломах, особенно в континентальных и океанических рифтах, а в их пределах – на участках аномально высоких уровней теплового потока, сейсмичности, электропроводности, на взрывных кольцевых структурах, на вскрытых интрузивах центрального типа – массивах ультраосновных щелочных пород и в других тектонических структурах и магматических телах, корни которых дренируют верхнюю мантию.