Водород называют новым топливом для «чистой» энергетики, обещающей сократить выбросы парниковых газов. Промышленность давно заинтересована в водородных двигателях, но не все способы производства экологичные. Идея искать газ в земной коре привлекательна, но где находятся богатые месторождения? Ученые из ЕС и США нашли ответ при помощи моделирования масштабных тектонических процессов.
В природе водород образуется несколькими способами. Например, при разложении органики или расщеплении молекул воды под действием распада радиоактивных элементов в недрах Земли. Потоки природного H2 зафиксированы во многих местах планеты. Так, в Мали действуют пилотные проекты, использующие водород из небольшого природного резервуара в осадочных породах.
Исследователи под руководством Франка Звана из Центра наук о Земле Геймгольца GFZ (Германия) разработали метод поиска месторождений водорода, основанный на моделирование тектоники плит. Согласно их данным, потенциальные «горячие точки» для образования газа располагаются в горных хребтах, где мантийные расплавы поднимаются близко к поверхности. Результаты этой работы опубликованы в журнале Science Advances.
Большие объемы H2 образуются при взаимодействии мантийных пород с водой в узком температурном окне. Под действием растворов одни минералы заменяются другими — из группы серпентина. Отсюда название процесса — серпентинизация. Попутно высвобождается водород, который может скапливаться в пластах-ловушках.
Для серпентинизации необходимо, чтобы вещество из мантии поднималось к поверхности, потому что на этом пути есть вода. Процесс занимает миллионы лет. На Земле это происходит в рифтовых зонах — глубоких разломах, раскалывающих сушу, или, наоборот, при закрытии рифта, когда в месте столкновения континентальных плит растут горные цепи.
Ученые смоделировали все стадии тектоники плит — от разрыва континента и образования океана, до его схлопывания и поднятия гор. Они проследили, сколько мантийного вещества выходит к поверхности под горными цепями и когда эти породы могут контактировать с водой при благоприятных для серпентинизации температурах.
Моделирование показало, что лучшие условия складываются при поднятии гор, нежели закладке рифтов.Там более холодный температурный режим — 200-350 градусов Цельсия и большие объемы воды циркулируют вдоль крупных разломов.
По оценке авторов, в горных хребтах в год образуется в 20 раз больше водорода, чем в рифтах. Там есть подходящие породы-резервуары, такие как песчаники. В рифтовых бассейнах во время серпентинизации их, скорее всего, нет. Это подтверждают выходы природного H2 во французских Пиринеях. Повышенное содержание этого газа отмечено в Западных Альпах. На Кавказе скважина, пробуренная в советское время, поставляла газ в течение нескольких месяцев. Все эти места расположены на западе пояса альпийской складчатости, который, по мнению авторов, наиболее перспективен для разведки на водород.
Тектоническая карта западной части пояса альпийской складчатости