氦气——许多医疗和工业过程所必需的——在全球范围内供应严重短缺。生产还与大量碳排放有关，从而导致气候变化。这项研究提供了气田形成的新概念，以解释为什么在极少数地方，氦气会在地表下方以高浓度自然聚集。这些发现可能有助于找到新的无碳氦储层——也可能是氢储层。

 

该研究的主要作者 Anran Cheng 博士（牛津大学地球科学系）说：“我们的模型表明考虑到氦气的高扩散率和积累大量气体所需的长时间尺度的重要性，以及事实上，整个地质系统动态地影响这个过程。这个模型提供了一个新的视角来帮助识别使氦气减速到足以积累商业数量的环境。

Ballentine 实验室的设备用于测量地质样品中的氦同位素。学分：伊恩沃尔曼

在发现稀有富氦地下气田的地方，它们总是与高浓度氮气一起出现。到目前为止，还没有对此做出解释。这项同时涉及多伦多大学和杜伦大学的新研究首次提供了答案。

 

研究小组建立了一个模型来解释这些富含氦气的矿床（首次）将氮气的存在考虑在内，氮气也与氦气一起从地壳深处释放出来。作者确定了氮浓度高到足以在岩石孔隙空间中产生气泡的地质条件。

Ballentine 实验室的设备用于测量地质样品中的氦同位素。学分：伊恩沃尔曼

这样的过程可能需要数亿年，但当它发生时，相关的氦会从水中逸出到气泡中。由于浮力，这些气泡向表面上升，直到它们碰到不允许气泡通过的岩石类型。根据该模型，富含氦气的气泡随后聚集在密封层下方，形成一个巨大的气田。富含氮气和氦气的气体不含甲烷或二氧化碳，因此开采它们不会释放碳排放。

 

当研究人员使用预期的氮浓度值将该模型应用于示例系统（北美威利斯顿盆地）时，该模型预测了现实生活中观察到的氮/氦比例。该模型可以帮助确定可能包含类似富氦矿床的区域。

博士。Anran Cheng 和 Darren Hillegonds（Ballentine 实验室经理）准备测量地质样品中氦同位素的设备。图片来源：约翰·凯恩斯

氦气是一个价值 60 亿美元（53 亿英镑）的市场，这种气体对于 MRI 扫描仪、计算机芯片和光纤制造以及最先进的核和低温应用的运行至关重要。当前的全球短缺已将供应推向危机点，近年来价格飞涨。乌克兰战争使局势升级，因为这排除了由新的俄罗斯阿穆尔工厂供应氦气的可能性，该工厂计划供应全球氦气需求的 35%。

 

此外，今天几乎所有的氦气都是甲烷或二氧化碳天然气生产的副产品。这带来了巨大的碳足迹，阻碍了到 2050 年实现净零碳排放的雄心。

博士。Anran Cheng 和 Darren Hillegonds（Ballentine 实验室经理）准备测量地质样品中氦同位素的设备。图片来源：约翰·凯恩斯

总之，这些原因意味着确定替代的、无碳的天然氦源变得至关重要。

 

该模型还表明，地下可能会积聚大量氢气，因为产生氦气的放射性也会将水分解成氢气。氢气的全球市场规模为 1350 亿美元，可用于制造肥料并生产许多对食品、石化和制药行业必不可少的化合物。目前几乎所有的氢气都是从煤和天然气（甲烷）中生产的，仅此一项就占全球 CO 2排放量的 2.3%。富含氢的地下矿藏可以提供一种替代的无碳来源。

 

该研究的合著者 Chris Ballentine 教授（牛津大学地球科学系）指出：“过去 10 亿年大陆地壳产生的氢气量可以满足社会 10 万多年的能源需求。 “

博士。Anran Cheng 和 Darren Hillegonds（Ballentine 实验室经理）准备测量地质样品中氦同位素的设备。图片来源：约翰·凯恩斯

Barbara Sherwood Lollar 教授（多伦多大学地球科学系）是合著者，他补充说：“大部分氢气已经逸出、发生化学反应或被地下微生物消耗殆尽——但我们通过研究深层气体知道在世界各地的地下，其中一些氢确实大量储存在地下。”

 

合著者 Jon Gluyas 教授（达勒姆能源研究所/达勒姆大学地球科学系）指出，“这种对氦积累的新认识为我们提供了一个关键的开端，可以确定大量地质氢的位置，因为以及氦气，可能仍会被发现。”

编辑：澜澜

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