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文/黃元 黃澤平 張全震 王業亮，北京理工大學,科學通報
氦資源在航空航天、醫療和基礎物理研究等諸多高科技領域有不可替代的應用, 是贏得未來科技競爭的重要戰略物質. 長期以來, 我國被認為是貧氦的國家, 氦資源對外依賴度極高. 氦氣的穩定供應已經成為我國未來高新科技發展中的潛在風險因素之一, 亟須尋找新的解決辦法. 以往的學術觀點通常認為, 氦氣和天然氣具有伴生關係, 而這方面的科學依據值得深入討論和研究. 系統地認識與氦相關的物理和化學性質可以為我國獨立自主尋找氦資源提供科學依據和指導思想, 對我國儘快解決氦資源短缺和擺脫對外依賴有重要意義. 氦資源的開發利用也將對我國其他科技領域的發展產生巨大的推動.
1 氦資源的發展及現狀
人類對氦的認知始於1868年, 此後許多科學家嘗試將氦液化. 1908年, 荷蘭物理學家卡莫林·昂內斯(Onnes H K)成功獲得了液氦. 液氦的獲得極大地促進了多個重要科學分支的發展, 包括超導物理、量子計算、大型加速器、航空航天工業和積體電路等. 在日常生活中, 氦氣似乎並不常用, 但這種惰性氣體正在諸多高新技術領域扮演越來越重要的角色, 特別是在醫療、半導體封裝和低溫電輸運測量與應用方面, 液氦是不可替代的. 在能源應用方面, 氦也有巨大的應用潛力. 隨著常規能源(煤、石油、天然氣等)和核能的長期使用, 這類資源正在逐漸減少, 能源問題變得越來越迫切, 而3He(簡稱為氦3)提供了一種新的核聚變形式, 有望打破常規重核裂變的核能利用模式.
已有的公開資料顯示, 全球氦氣生產主要被美國、阿爾及利亞、卡達、俄羅斯等少數幾個國家壟斷. 美國被認為是氦資源最豐富的國家, 約佔全球的40%; 其次是卡達, 約佔19%, 但是卡達開採氦氣的核心技術受制於美國. 2018年前後, 美國將二戰時期囤積的氦氣庫存清倉完畢, 國際氦氣價格應聲而漲, 目前價格已經是從前的4倍多.
我國現在每年氦氣消耗量大約在4300t, 進口價格在50~60元/kg, 並且價格在逐年上升, 僅氦氣進口就要花費高達約18億元人民幣. 對於我國未來科技發展而言, 氦的重要性不僅僅是一種高昂的進口產品, 更是制約我國高科技發展的重要戰略物質. 一旦國外對我們進行氦資源封鎖, 許多凝聚態物理、新材料、醫療、半導體和資訊領域的基礎和應用研究都將受到嚴重的阻礙, 進而使我國的高科技發展處於全面被動的局面. 提出新的科學思路探索國內的氦氣資源具有非常急迫的需求.
2 氦資源開發中的認識誤區
相比於石油和天然氣, 氦氣在幾十年前並沒有被作為具有重要商業開採價值的資源來對待, 它常常被作為天然氣中的副產品. 早期人們在開採天然氣的過程中, 發現有少部分氣體在常溫下無法透過壓縮使其液化, 後來被證實這些難以液化的氣體成分主要是氦氣. 目前大部分氦氣都是在開採後的天然氣中分離出來的, 因此直到現在, 很多地質學方面的研究人員都有一個共識, 認為氦氣和天然氣具有伴生關係. 但是, 這種判斷氦氣來源的思路只是經驗性的, 從物理和化學的角度來看並沒有科學依據.
作為元素週期表中排名第一的惰性氣體元素, 氦在自然界中不與任何其他元素髮生化學反應, 因此與其他化合物不存在任何伴生關係. 石油和天然氣的勘探大部分都是在盆地裡尋找, 是由於這兩類物質在地殼中都是以液態的形式存在. 甲烷(CH4)的分子量是16, 與水分子的分子量18相當, 在地下以液體形式或可燃冰的固體形式存在, 而石油的分子量為100~1000, 因此在聚集的過程中, 由於地球重力的影響, 石油、天然氣這類物質將往地勢低的區域聚集.
氦氣中比例最大的是4He, 分子量是4, 自然環境中氦氣密度是除氫氣密度以外最小的. 正是由於密度低, 因此氦氣在離開地殼之後會迅速地逃離地球引力的束縛, 難以再次收集, 導致在接近地面的空氣中氦氣含量是極低的. 當我們把眼界拓寬到更大的宇宙環境中, 會發現其實整個太陽系中氦並非稀有資源, 它約佔太陽系的25%, 僅次於氫元素. 地球上的氦資源之所以稀少, 主要是因為地球的重力加速度並不大(約為9.8m/s2), 難以束縛原子量較小的氦元素.
氦氣只能透過氫元素聚變或者放射性重元素經過α衰變產生, 而天然氣則可以透過多種化學反應合成. 常見的核反應生成He的方式有
地球環境不具有天然的核聚變條件, 因此地球內部的氦氣主要是重元素裂變產生的. 氦氣和天然氣之間沒有必然的伴生關係, 兩者在生成機制上是完全不一樣的. 之所以在開採的天然氣中能夠探測到氦氣, 主要原因是儲存這類氣體、液體需要封閉完好的地層結構, 但這不等同於兩者在形成機理上存在依賴關係. 作為地球上自然條件下密度最輕的氣體, 地球內部重元素核裂變產生的氦氣將向遠離地心的方向遷移, 在地層結構較為完好的穹頂形區域氦氣更容易聚集. 這種結構在幾何對稱性上與盆地是相反的.
從地球的結構來看, 最外層是地殼, 下面是地幔和地核. 由於高密度的物質傾向於往地勢低的方向聚集, 因此地幔和地核附近的重元素要遠大於地殼. 整個地殼平均厚度約為17 km, 其中大陸地殼厚度較大, 平均約為39~41 km; 而地球的半徑在6350km左右, 地幔的厚度在2800 km以上, 地核的半徑在3500 km左右.
因此, 地殼所佔的厚度比例相對較小, 而地球上的氦氣如果是透過裂變方式產生的, 那麼地幔和地核處所貢獻的氦氣比例要遠大於地殼. 透過以上分析可知, 地殼所佔的物質比例遠小於地幔和地核, 地殼在重元素裂變產生氦氣的過程中貢獻較小, 因此不同區域地殼以下所釋放的氦氣應該大致相同, 而差別在於不同區域地殼的幾何結構和完整性. 氦氣是所有氣體中最容易逃逸和洩漏的, 對地層結構的密封性要求更為苛刻, 因此一些地震斷裂帶附近不具有儲存高濃度氦氣的地質條件.
3 探尋氦資源的新思路
中國是否像之前認為的那樣, 是一個貧氦國家? 或許實際情況並非如此. 我國目前氦資源面臨的最大問題不是短缺, 而是缺乏新的理論來指導實踐, 尋找具有開採價值的氦氣資源. 如果沒有氦氣, 有什麼樣的理論依據; 如果有氦氣, 如何建立新的理論框架去尋找氦氣.
我們在之前的相關研究中指出, 我國的青藏高原地區可能存在較多的氦資源. 這主要是由於青藏高原亞歐板塊與印度板塊碰撞後形成的高原海拔較高(約在3000~5000 m), 是世界上最高的高原, 並且整體的板塊結構較為完整, 這種地質結構為氦氣提供了一個天然的儲存區域. 因此, 有望在青藏高原發現高濃度的氦氣.
儘管我國地質學方面的研究已報道了青藏高原熱泉中存在較高濃度的氦氣, 但並沒有深入討論其形成機理以及未來是否具有開發價值. 更為關鍵的是, 之前的研究並沒有提出新的理論體系糾正氦氣與天然氣的伴生關係, 尋找氦氣的主要思路仍然是將目光盯在富產石油和天然氣的盆地地區. 我們新的理論體系指出, 在高原地區有望找到更高濃度的氦氣資源.
4 青藏高原氦資源的初步實踐
2021年6月初, 北京理工大學王業亮和黃元團隊在西藏拉薩、日喀則市和那曲市開展了野外實地實驗, 並在多個溫泉、土壤及空氣中採集氣體樣品. 研究人員將樣品帶回北京理工大學後, 透過高精度的質譜分析儀, 對採集的氣體樣品進行了測量. 研究發現, 西藏熱泉中的氣體成分中都含有較高濃度的氦氣. 測量時的背景壓強為8×10−7Torr(1 Torr=133.3 Pa), 而西藏熱泉的氣體中, 氦氣的分壓可以達到約2×10−9Torr, 氦氣濃度可以達到0.25%.
考慮運輸和儲存過程中損耗帶來的影響, 實際的氦氣濃度應大於該數值. 研究人員還對北京和西藏的空氣進行了測量, 沒有在空氣中發現氦氣的質譜訊號. 透過對不同位置的熱泉氣體進行收集, 我們也總結了海拔與氦氣濃度的關係. 由於目前採集的資料量不是特別充足, 海拔與氦氣濃度之間的關係需要進一步驗證. 最為重要的是, 我們所探測的所有西藏熱泉氣體中均含有氦氣, 而根據我們的理論, 青藏高原的熱泉處還不是氦氣濃度最高的區域, 一些具有更高濃度氦氣的區域仍然需要進一步考證. 對青藏高原地區熱泉中氣體的質譜測量為尋找氦氣的理論提供了關鍵證據.
我國塔里木盆地的和田河氣田, 氦氣含量為0.30%~0.37%, 與在西藏溫泉氣體中探測到的濃度較為接近. 雲貴高原也有較多熱泉, 特別是在雲南省境內(平均海拔為2000 m), 熱泉中氦氣濃度在0.01%量級範圍. 在低海拔地區的熱泉中, 氦氣濃度都較低, 如遼東半島、長白山地區. 與這些區域相比, 西藏熱泉中的氦氣濃度較高, 與理論模型吻合較好. 關於西藏氦氣儲量以及是否具有可開採價值方面的研究和論證仍然需要大量的工作, 這不僅需要多個領域的科研人員精誠合作, 也需要更多高校和科技職能部門一起來推動. 如果這種尋找氦氣的假說被證實, 將極大地推動我國氦氣資源的開發利用, 進而解決一系列卡脖子技術問題, 包括高溫超導、核聚變、軍工和醫療等領域都會帶來極大的發展.
5 結論
氦氣是重要的戰略物質, 對我國的經濟、軍事和科技發展都有重要影響. 隨著許多高精尖科技領域的快速發展, 氦氣和液氦所扮演的角色變得越來越重要. 中國作為氦氣的需求大國, 長期以來主要依靠國外進口. 面對瞬息萬變的國際形勢和不斷上漲的氦資源價格, 中國需要獨立自主地開展氦氣勘探和開發方面的研究, 努力實現這一戰略物質的自給自足. 儘管目前國內外商業化的氦氣都是在開採天然氣的過程中附帶分離出來的, 但這並不能證明兩者存在必然的伴生關係, 尋找氦氣應該打破之前的認識誤區.
在我國尋找氦氣需要建立完善的理論體系, 結合我國的地質特徵提出新的模型. 從氦氣的本質分析來看, 在地勢高、地層結構完整的區域有望探測到儲量較大的氦氣資源. 結合我國的地形地貌來分析, 特別是從初步研究結果來看, 我國青藏高原地區存在具有較大經濟開發價值的氦氣藏.
新的理論模型和精密的氦氣測量手段將會為氦氣勘探提供新思路, 而規模化的氦氣開發和利用將會為我國很多尖端高科技領域注入亟需的血液, 對推動我國科技和經濟都具有重要的戰略意義.
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