Гелий-3 стал энергетической ищейкой

Ученые-геохимики, Мак Кеннеди из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Маттейс ван Суст из университета Аризоны открыли новый способ выявления потенциальных геотермальных источников энергии в процессе изучения геологической структуры в Провинции бассейнов и хребтов на северо-западе США.

В настоящее время принято считать, что геотермальные источники энергии, пригодные для освоения человеком, существуют лишь в местах вулканической активности. Ими, например, являются гейзеры. Ресурсы же геотермальной энергии, на которые указывают Кеннеди и ван Суст, берут свое начало не в вулканических зонах, а из потоков горячего вещества мантии, просачивающихся через сетку глубинных разломов в нижних слоях земной коры. Отчет о своей работе ученые опубликовали в последнем выпуске журнала Science.

Как говорит Кеннеди, пригодный для освоения источник геотермальной энергии должен удовлетворять трем основным условиям. Во-первых, он должен обладать большим температурным градиентом, то есть потоки мантии должны близко подходить к скальной породе. Во-вторых, источник должен иметь пополняемый подземный резервуар с жидкой средой, которой, как правило, является вода – именно она будет выносить тепло и давление на поверхность, где мы можем их использовать. Кроме того, под источником должна существовать сеть глубинных пор, по которым потоки из мантии смогут добираться до горячей зоны источника, принося с собой тепло.

Кеннеди и ван Суст считают, что изобрели способ поиска источников, удовлетворяющих всем трём условиям – в первую очередь, третьему, выполнение которого очень трудно и дорого проверять. Эта методика позволяет оценивать проницаемость подземных каналов, образующихся не в результате вулканической активности, а в результате глубинных подвижек земной коры.

Изобретение появилось из анализа соотношения изотопов гелия в образцах, полученных методами бурения, из поверхностных источников, а также из открытых дренажных отверстий на поверхности. Ключом здесь стал изотоп гелия-3, который образуется только в ходе термоядерного синтеза в недрах звезд. Реликтовый гелий-3, оставшийся в Солнечной системе со времён её образования, в довольно больших количествах сохраняется по сей день в мантии Земли; в атмосфере его существенно меньше.

Земная кора, в свою очередь, содержит большое количество радиоактивных элементов, таких как уран или торий, подвергающихся медленному радиоактивному альфа-распаду. Продуктом такого распада являются ядра атомов гелия-4. Таким образом, именно соотношение гелий-3/гелий-4 в подземных водах позволяет оценить глубину и разветвленность подземных каналов, через которые они идут. Высокое содержание гелия-3 в таком случае означает, что подземные воды омывают мантийные породы, низкое же служит индикатором того, что вода или другие жидкости и близко не подходят к границе раздела кора – мантия.

Высокие соотношения изотопов гелия обычно встречаются в вулканических зонах, где потоки мантии проникают сквозь вязкие слои нижних отделов земной коры. Когда же ученые обнаружили высокие соотношения гелий-3/гелий-4 в удаленных от вулканической активности зонах, то сразу предположили некий иной механизм проникновения мантийных потоков через кору.

Ключом к пониманию этого механизма явилась геологическая структура района исследований – Провинции бассейнов и хребтов. В целом она характеризуется горными цепями, простирающимися с юга на север, перемежаемыми широкими и относительно ровными равнинами (бассейнами), которые, по сути, являются просаженными участками земной коры, наполненными различными горными породами, опустившимися с горных цепей в ходе их эрозии. С другой стороны, такая топография местности могла быть результатом расширения земной коры в направлении с запада на восток, которое происходило последние 30 миллионов лет. В результате этого расширения кора здесь тоньше, чем в большинстве других уголков планеты, по крайней мере, если речь идёт о континентах. А наименьшая толщина означает наибольшие температурные градиенты.

Грани блоков, составляющих рельеф этой местности и несущих на себе горные цепи, представляют собой разрывы земной коры, уходящие вглубь почти вертикально. Эти разломы хорошо очерчены в верхних слоях хрупкой коры. Однако, когда плоскость разлома достигает вязких нижних слоев, изменения в плотности и вязкости коренным образом меняют распределение напряжений, искажают плоскость разлома, которая становится более горизонтальной. В этой зоне и образуются проницаемые каналы, открывающие доступ к мантии.

Одна из наиболее сейсмически активных зон района находится в так называемом сейсмическом поясе Центральной Невады. Исследования ученых были сконцентрированы в термальной системе долины Дикси, находящейся по соседству с бассейном Стиллуотер. Они показали, что наиболее высокие значения соотношения изотопов гелия наблюдались именно в водах разлома Стиллуотер. Сама Провинция бассейнов и хребтов включает в себя часть территории Калифорнии, Невады, Орегона, Айдахо и Юты.

В своем исследовании ученые отметили также неизменный рост концентрации гелия-3 при движении поперёк района – с востока на запад. Именно в западных районах расширение земной коры идёт быстрее всего, что вызвано дополнительным напряжением из-за движения тихоокеанской тектонической плиты на север мимо североамериканского континента. Исследователи уверены, что это дополнительное напряжение приводит к более интенсивному расширению земной коры, что и открывает дорогу подземным жидким потокам к мантии.

Повышенные соотношения изотопов гелия, указывающие, по мнению геологов, на потенциальные источники геотермальной энергии, таким образом, соответствуют более проницаемым и тонким участкам земной коры. Выявленное соответствие позволяет ученым говорить о применимости их методики для обнаружения геотермальных источников в других местах.

До сих пор никому не удавалось выявить столь строгое соответствие между поверхностными геохимическими эффектами и структурой глубинных участков, более того, применять его для количественной оценки глубинных процессов.

Переход на возобновляемые геотермальные источники энергии, не испускающие парниковых газов в ходе своей работы, является важным шагом для энергетики США. Предварительная оценка мощности геотермальных источников энергии в США в 3000 раз превышает современные запросы этого государства, даже без учета Аляски и Гавайских островов. Учёные надеются вскоре применить свою методику для поиска наиболее перспективных участков геотермальной активности.