Про циркуляцію водню в атмосфері і земній корі
DOI:
https://doi.org/10.24028/gzh.v43i5.244051Ключові слова:
джерела і стоки водню, геологічний водень, перспективи утворення родовищАнотація
Наведено огляд даних щодо джерел і стоків водню різного походження в атмосфері і приповерхневій частини і земної кори (лише в окремих випадках мова йде про кору в цілому). За результатами розгляду цих відомостей зроблено висновок стосовно незначного впливу підземного небіогенного («геологічного») водню на вміст і баланс газу в атмосфері, аж до стратосфери. Очевидна складність експериментального визначення потоку геологічного водню, вільного від біогенних і антропогенних перешкод, впливу дослідної свердловини та ін. Розглянуто ймовірні джерела глибинного водню: залишки магматичних газів (поза зон вулканізму), метаморфічні реакції, радіоліз води. Можливості значного винесення водню очевидні лише в зонах активізованих на цей час розломів.
Наведено дані щодо найпотужніших постачальників геологічного водню — сучасні діючі вулкани і термальні поля. Побудовано схему циркуляції газів Авачинського вулкана на підставі теплової моделі. Останню проконтрольовано даними геотермометрів, результатами прямих вимірювань температури в глибоких свердловинах і швидкісною моделлю. Показано можливість винесення фумаролами незмінного водню з магматичного вогнища.
Перспективи формування родовищ водню оцінено як невизначені. Обсягів магматичного і метаморфогенного газу в окремих районах утворюється достатньо для накопичення значних покладів протягом декількох десятків тисяч років. Проте можливість їх збереження протягом цього періоду або довше викликає сумніви. Родовища вуглеводнів без надходження матеріалу з великих глибин можуть розгубити запаси за набагато менший час. Більш висока проникність гірських порід для водню сприяє суттєво значнішим витокам газу.
Посилання
Bagriy, I. D., & Kuzmenko, S. A. (2019). Scientific substantiation of the spatial distribution and mapping of anomalous manifestations of hydrogen — the energy raw material of the XXI century. Geologicheskiy Zhurnal, (1), 59—77. https://doi.org/10.30836/igs.1025-6814.2019.1. 159241 (in Russian).
Bogdanov, Yu. A., Bortnikov, N. S., Gurvich, E. G., Lein, A. Yu., Sagalevich, A. M., Vikentyev, I. V. Novikov, G. V., Peresypkin, V. I. (2000). Hydrothermal ore manifestations of the Logachev and Rainbow fields (Mid-Atlantic Ridge) — a new type of ocean rifts hydrothermal deposits. Russian Journal of Earth Sciences, 2(3), 313—326 (in Russian).
Verkhovtsev, V. G. (2008). Modern platform geostructures of Ukraine and dynamics of their development. Extended abstract Doctor¢s thesis (in Ukrainian).
Vovk, I. F. (1982). Brines of crystalline basement shields. Kiev: Naukova Dumka, 163 p. (in Russian).
Voytov, G. I. (1975). Earth’s gas breath. Priroda, (3), 91—98 (in Russian).
Voytov, G. I. (1974). To assess the intensity of gas on the shields (on the butt of the Ukrainian shield). Geologicheskiy Zhurnal, (2), 68—82 (in Ukrainian).
Voytov, G. I. (1986). The chemistry and scale of the modern flow of natural gases in various geostructural zones of the Earth. Zhurnal Vse¬soyuz¬nogo khimicheskogo obshchestva im. D. I. Men¬deleyeva, (31), 533—556 (in Russian).
Voytov, G. I. (1971). On the chemical composition of Krivoy Rog gases. Geokhimiya, (11), 1324— 1331 (in Russian).
Gordienko, V. V. (2019). Earth’s crust of the oceans and strip anomalies of the magnetic field. Geologiya i poleznyye iskopayemyye Mirovogo okeana, (4), 3—35 (in Russian).
Gordienko, V. V. (2017). Thermal processes, geodynamics, deposits. Retrieved from https://ivangord2000.wixsite.com/tectonos (in Russian).
Gordienko, V. V., & Zavgorodnaya, O. V. (1984). Thermal fild of the southeastern part of the Russian plate. Geofizicheskiy Zhurnd, 6(6), 3— 11 (in Russian).
Ivanov, A. V. (2010). Deep geodynamics: process boundaries according to geochemical and petrological data. Geodinamika i tektonofizika, (1), 87—102 (in Russian).
Ikorskiy, S. V., Nivin, V. A., & Pripachkin, V. A. (1992). Geochemistry of gases of endogenous formations. St. Petersburg: Nauka, 179 p. (in Russian).
The infrastructure of the hydrogen network will connect 21 European countries. (2021). Sea|News. Retrieved from https://seanews.ru/ 2021/04/14/ru-infrastruktura-vodorodnoj-seti-obedinit-21-stranu-evropy/ (in Russian).
Kravchenko, O. V., Veligotskiy, D. A., Avramenko, A. N., & Khabibullin, R. A. (2014). Improving the technology of complex impact on productive formations of oil and gas wells. Vostochno-Yevropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy, (6/5), 3—8. https://doi.org/10.15587/1729-4061. 2014.29316 (in Russian).
Kravchenko, O. V., Suvorova, I. G., Baranov, I. A., Veligotsky, D. A. (2018). Effect of hydrogen on flow and heat transfer in the «fracture—fluid» system. Intehrovani tekhnolohiyi ta enerhozberezhennya, (3), 35—46 (in Russian).
Krayushkin, V. A., Timurziev, A. I., & Shevchenko, N. B. (2018). To the problem of non-biotic (non-biogenic) nature of oil and natural gas: Materials of the 6th Kudryavtsev Readings (pp. 235—238) (in Russian).
Kuzmin, A. (2020.08.25). «Twice wrote to Zelensky». How scientists are looking for hydrogen is the key to the energy of the future. Glavkom. Retrieved from https://glavcom.ua/new_energy/publications/dvichi-pisav-zelenskomu-yak-ukrajinski-vcheni-shukayut-klyuch-do-energetiki-maybutnogo-voden-701046.html (in Ukainian).
Malik, N. A., Zelenskiy, M. E., & Okrugin, V. M. (2017). The temperature and composition of the fumarole gas of the Avachinsky volcano (Kamchatka) in 2013—2016. Vestnik KRAUNTS. Nauki o Zemle, 33(1), 21—32 (in Russian).
Methodological guidelines for determining the technologically necessary irrecoverable gas losses during the creation and operation of gas storage facilities in porous formations. (1996). Moscow: RAOGazprom, 50 p. (in Russian).
Murich, A. T., Reznikov, A. L., Abrazhevich, E. V., & Serdyukov, V. V. (1975). The results of deep drilling in the central part of the Donbass. Sovetskaya geologiya, (8), 125—131 (in Russian).
Nivin, V. A. (2013). Gas components in igneous rocks: geochemical, mineralogical and envi¬ronmental aspects and consequences (for example, intrusive complexes of the Kola pro¬vince): Doctor¢s thesis. Apatity, 354 p. (in Russian).
Nizkous, I. V., Kissling, E., Sanina, I. A., & Gontovaya, L. I. (2006). Speed properties of the lithosphere of the transition zone of the ocean-continent in the Kamchatka region according to seismic tomography. Fizika Zemli, (4), 18—29 (in Russian).
Shestopalov, V. M. (Ed.). (2018). Essays on the degassing of the Earth. Kiev: Іtek service, 632 p. (in Russian).
Petersilye, I. A., & Pripachkin, V. A. (1979). Hydrogen, carbon, nitrogen, and helium in igneous rock gases. Geokhimiya, (7), 1028—1034 (in Russian).
Polevanov, V. P., & Glazyev, S. Yu. (2020). Searches for natural hydrogen deposits in Russia as a basis for integration into a new technological order. Nedropol’zovaniye. ХХI vek, (4), 12—23 (in Russian).
Rodkin, M. V., & Punanova, S. A. (2015). Assessment of the influence of crustal processes on the formation of microelement composition of caustobiolites: Abstracts of 4 Kudryavtsev readings. Moscow: Publ. of the Central Geophysical Expedition (in Russian).
Aiuppa, A., Shinohara, H., Tamburello, G., Giudice, G., Liuzzo, M., & Moretti, R. (2011). Hydrogen in the gas plume of an open-vent volcano, Mount Etna, Italy. Journal of Geophysical Research, 116, B10204, https://doi.org/10.1029/ 2011JB008461.
Bjornstad, B., McKinley, J., Stevens, T., Rawson, S., & Fredrickson, J. (1994). Generation of hydrogen gas as a result of drilling within the saturated zone. Groundwater Monitoring & Remediation, 14(4), 140—147. https://doi.org/10.1111/j.1745-6592.1994.tb00492.x.
Cannat, M., Fontaine, F. & Escartin, J. (2010). Serpentinization and associated hydrogen and methane fluxes at slow spreading ridges. In Diversity of Hydrothermal Systems on Slow Spreading Ocean Ridges (Vol. 188, pp. 241—264). https://doi.org/10.1029/2008GM000760.
Constant, P., Chowdhury, S., Pratscher, J., & Conrad, R. (2010). Streptomycetes contributing to atmospheric molecular hydrogen soil uptake are widespread and encode a putative highaffinty [NiFe]-hydrogenase. Environmental Microbiologi, 12(3), 821—829. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2009.02130.x.
Coveney, R., Goebel, E., Zeller, E., & Dreschhoff, G. (1987). Serpentinization and the Origin of Hydrogen Gas in Kansas. AAPG Bulletin, 71(1). https://doi.org/10.1306/94886D3F-1704-11D7-8645000102C1865D.
Crotogino, F., Donadei, S., Burger, U., & Landinger, H. (2010). Large-Scale Hydrogen Underground Storage for Securing Future Energy Supplies. Proceedings 18th World Hydrogen Energy Conference. Book 4. 45 р.
Cvetković, V., Erić, S., Radivojević, M., & Šarić, K. (2012). Cognate clinopyroxene from Paleogene mantle xenolith-bearing basanite lavas (East Serbia, SE Europe): the role of dissolution of mantle orthopyroxene. Mineralogy and Pet¬ro¬logy, 106(3-4), 131—150. https://doi.org/ 10.1007/s00710-012-0231-9.
Ehhalt, D., & Rohber, F. (2009). The tropospheric cycle of H2: a critical review. Tellus B: Che¬mical and Physical Meteorology, 61(3), 500—535. https://doi.org/10.1111/j.1600-0889.2009. 00416.x.
Final report for executing a study of the effects of hydrogen injection in natural gas networks for the Dutch underground strogates. (2017). Netherlands Enterprise Agency. Hague, Lei¬pzig, Vienna. 66 p.
Gilat, L., & Vol, A. (2012). Degassing of primordial hydrogen and helium as the major energy source for internal terrestrial processes. Geoscience Frontiers, 3(6), 911—921. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2012.03.009.
Guélard, J., Beaumont, V., Rouchon, V., Guyot, F., Pillot, D., Jézéquel, D., Ader, M., Newell, D., & Deville, E. (2017). Natural H2 in Kansas: deep or shallow origin? Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 18(5), 1841—1865. https://doi.org/10.1002/2016GC006544.
Holland, H. D. (2002). Volcanic gases, black smokers, and the great oxidation event. Geochimica et Cosmochimica Acta, 66(21), 3811—3826. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(02)00950-X.
Holloway, J. R., & O’Day, P. A. (2000). Production of CO2 and H2 by Diking-Eruptive Events at Mid-Ocean Ridges: Implications for Abiotic Organic Synthesis and Global Geochemical Cycling. International Geology Review, 42, 673—683. https://doi.org/10.1080/00206810009465105.
Jähne, B., Münnich, K., Bösinger, R., Dutzi, A., Huber, W., & Libner, P. (1987). On the parameters air-water gas exchange. Journal of Geophysical Research, 92, 1937—1949. https://doi.org/10.1029/JC092iC02p01937.
Kiryukhin, A., Manukhin, Y., Fedotov, S., Lav¬ru¬¬shin, V., Rychkova, N., Ryabinin, G., Po¬ly¬a¬kov, A., & Voronin, P. (2015). Geofluids of Avachinsky-Koryaksky Volcanogenic Basin, Kamchatka, Russia. Proceedings World Geothermal Congress. Melbourne. 11 р.
Konn, С., Charlou, J., Holm, N., & Mousis, O. (2015). The Production of Methane, Hydrogen, and Organic Compounds in Ultramafic-Hosted Hydrothermal Vents of the Mid-Atlantic Rid¬ge. Astrobiology, 15(5), 381—399. https://doi.org/10.1089/ast.2014.1198.
Lilley, M., de Angelis, M., & Gordon, L. (1982). CH4, H2, CO and N2O in submarine hydrothermal vent waters. Nature, 300, 48—50. https://doi.org/10.1038/300048a0.
Lin, L., Hall, J., Lippmann-Pipke, J., Ward, J., Sherwood Lollar, B., DeFlaun, M., Rothmel, R., Moser, D., Gihring, T., Mislowack, B., & Onstott, T. (2005). Radiolytic H2 in continental crust: Nucklear power for deep subsurfase mic¬¬robial communities. Geochemistry, Geo¬phy¬sics, Geosystems, 6(7), 3—13. https://doi.org/10.1029/2004GC000907.
Lippmann, J., Stute, M., Torgersen, T., Moser, D. P., Hall, J., Lin, L., Borcsik, M., Bellamy, R. E. S., & Onstott, T. C. (2003). Dating ultra-deep mi¬ne waters with noble gases and 36Cl, Witwatersrand Basin, South Africa. Geochimica et Cosmochimica Acta, 67(23), 4597—4619. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(03)00414-9.
McMahon, P., & Chapelle, F. (1991). Microbial Organic-Acid Production in Aquitard Sediments and Its Role in Aquifer Geochemistry. Nature, 349, 233—235. https://doi.org/10.1038/ 349233a0.
Moussallam, Y., Oppenheimer, C., Aiuppa, A., Giudice, G., Moussallam, M., Kyle, P. (2012). Hydrogen emissions from Erebus volcano, Antarctica. Bulletin of Volcanology, 74, 2109—2120. https://doi.org/10.1007/s00445-012-0649-2.
Moussallam, Y., Tamburello, G., & Peters, N., Apaza, F., Schipper, I, Curtis, A., Aiuppa, A., Masias, P., Boichu, M., Bauduin, S., Barnie, T., Bani, P., Giudice, G., & Moussallam, M. (2017). Volcanic gas emissions and degassing dynamics at Ubinas and Sabancaya volcanoes; implications for the volatile budget of the central volcanic zone. Journal of Volcanology and Geo¬thermal Research, 343, 181—191. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2017.06.027.
Novelli, P. C., Lang, P. M., Masarie, K. A., Hurst, D. F., & Myers, R. (1999). Molecular hyd¬rogen in the troposphere: global distribu¬ti¬on and budget. Journal of Geophysical Research, 104, 30427—30444. https://doi.org/10.1029/ 1999JD900788.
Onstott, T., Phelps, T. J., Colwell, F. S., Ringeberg, D., White, D. C., & Boone, D. R. (1998). Observations pertaining to the origin and ecology of microorganisms recovered from the deep subsurface of Taylorsville basin, Virginia. Geomicrobiology Journal, 15(4), 353—385. https://doi.org/10.1080/01490459809378088.
Parnell, J., & Blamey, N. (2017). Global hydrogen reservoirs in basement and basins. Geochemical Transactions, 18, 2. https://doi.org/10.1186/s12932-017-0041-4.
Pfeiffer, W., Beyer, C., & Bauer, S. (2017). Hydrogen storage in a heterogeneous sandstone formation: dimensioning and induced hydraulic effects. Petroleum Geoscience, 23(3), 315—326. https://doi.org/10.1144/petgeo2016-050.
Pieterse, G. (2012). Modelling the global tropospheric molecular hydrogen cycle. Netherlands, 198 р.
Pieterse, G., Krol, M. C., Batenburg, A. M., Steele, L. P., Krummel, P. B., Langenfelds, R. L., & Röckmann, T. (2011). Global modelling of H2 mixing ratios and isotopic compositions with the TM5 model. Atmospheric Chemistry and Physics, 11(14), 7001—7026. https://doi.org/10.5194/acp-11-7001-2011.
Savary, V., & Pagel, М. (1997). The effects of water radiolysis on local redox conditions in the Oklo, Gabon, natural fission reactors 10 and 16. Geochimica et Cosmochimica Acta, 61(21), 4479—4494. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(97)00261-5.
Sherwood Lollar, B., Onstott, T., Lacrampe-Couloume, G., & Ballentine, C. (2014). The contribution of the Precambrian continental lithosphere to global H2 production. Nature, 516, 379—382. doi:10.1038/nature14017.
Sigurdsson, H., Houghton, B., Rymer, H., Stix, J., McNutt, S. (1999). Encyclopedia of volcanoes. Academic Press, 1417 p.
Sleep, N., & Bird, D. (2007). Niches of the pre-photosynthetic biosphere and geologic preservation of Earth’s earliest ecology. Geo¬biolo¬gy, 5,101—117. doi:10.1111/j.1472-4669.2007. 00105.x.
Tamanyu, S., & Fujimoto, K. (2005). Hydrothermal and Heat Source Model for the Kakkonda Geothermal Field, Japan. Proceedings World Geothermal Congress, Antalya (pp. 24—29).
Tarkowski, R. (2019). Underground hydrogen storage: Characteristics and prospects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 105, 86—94. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.01.051.
Tassi, F., Vaselli, O., Capaccioni, B., Macias, J., Nencetti, A., Montegrossi, G., & Magro, G. (2003). Chemical composition of fumarolic gases and spring discharges from El Chicho’n volcano, Mexico: causes and implications of the changes detected over the period 1998—2000. Journal of Volcanology and Geothermal Researches, 123, 105—121. https://doi.org/10.1016/S0377-0273(03)00031-3.
Vovk, I. F. (1987). Radiolytic salt enrichment and brine in the crystalline basement of the east European platform, in Saline Water and Gases in Crystalline Rocks. Geol. Assoc. Cannada Spec. Paper, 33, 197—210.
Xiao, X., Prinn, R. G., Simmonds, P. G., Steele, L. P., & Novelli, P. (2007). Optimal estimation of the soil uptake of molecular hydrogen from the Advanced Global Atmospheric Gases Ex¬pe¬riments and other measurements. Journal of Geophysical Research, 112, D07303. doi: 10.1029/2006JD007241.
Warneck, P. (1988). Chemistry of the Natural Atmosphere. San Diego: Academic Press. International Geophysics Series, 41. 757 p.
Welhan, J., & Craig, H. (1979). Methane and hydrogen in East Pacific rise hydrothermal fluids. Geophysical Research Letters, 6(11), 11, 829—831. https://doi.org/10.1029/GL006i011p00829.
Worman, S. L., Pratson, L. F., Karson, J. A., & Klein, E. M. (2016). Global rate and dis¬tri¬bu¬tion of H2 gas produced by serpentinization within oceanic lithosphere. Geo¬phy¬sical Re¬search Letters, 43, 6435—6443. doi:10.1002/ 2016GL069066.
Zgonnik, V. (2020). The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review. Earth-Science Reviews, 203, 103140. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103140.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори зберігають за собою авторські права на роботу і передають журналу право першої публікації разом з роботою, одночасно ліцензуючи її на умовах Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим поширювати дану роботу з обов'язковим зазначенням авторства даної роботи і посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі .
2. Автори зберігають право укладати окремі, додаткові контрактні угоди на не ексклюзивне поширення версії роботи, опублікованої цим журналом (наприклад, розмістити її в університетському сховищі або опублікувати її в книзі), з посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі.
3. Авторам дозволяється розміщувати їх роботу в мережі Інтернет (наприклад, в університетському сховище або на їх персональному веб-сайті) до і під час процесу розгляду її даними журналом, так як це може привести до продуктивної обговоренню, а також до більшої кількості посилань на дану опубліковану роботу (Дивись The Effect of Open Access).
