يقع تحت حقول الذهب في جنوب أفريقيا غاز غير متوقع تراكم لعدة مليارات من السنين. الهيليوم، الضروري لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي والبحث المتقدم، محاصر في صخور حوض ويتواترسراند القديمة بتركيزات نادرة.
في مشروع الغاز بفيرجينيا، يصل الغاز الطبيعي الغني بالهيليوم بالفعل إلى العملاء، وتشير التقديرات إلى أن الحقل قد يحتوي على أكثر من 400 مليار قدم مكعب من العنصر.
يتيح هذا الموقع للعلماء دراسة كيفية تكوّن الهيليوم، وانتقاله عبر الصخور، وبقائه تحت الأرض لآلاف السنين الجيولوجية.
يقود البحث في جامعة جلاسكو مركز علوم النظائر (SUERC) الباحث فين ستيوارت وفريقه، الذين يستخدمون قياسات الهيليوم لتتبع حركة الغاز عبر بعض أقدم قشرة أرضية على كوكبنا.
من خلال تتبع الهيليوم من المعادن المشعة العميقة إلى آبار الغاز الحديثة، يسعى العلماء إلى كشف دلائل قد تعيد تشكيل طرق البحث عن هذا المورد غير القابل للاستبدال.
الهيليوم القديم تحت جنوب أفريقيا
في الجزء الجنوبي من حوض ويتواترسراند، يستخرج مشروع فيرجينيا الغاز الطبيعي الذي يحتوي على ما يصل إلى 12% هيليوم، وفقًا لدراسات مفصلة، يُعتقد أن الخزان احتوى على الهيليوم منذ أن غطت رواسب كاروا الصخور قبل نحو 270 مليون سنة.
تشير الفرضية إلى أن الشعاب الذهبية الغنية باليورانيوم توفر معظم الهيليوم، بينما يقدم الصخر الجرانيت المتصدع أدنى الصخور مصدرًا إضافيًا.
الغاز الذي تعتمد عليه المستشفيات
يُستخدم الهيليوم لتبريد المغناطيسات الفائقة التوصيل داخل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي حول العالم.
يتكون الهيليوم ببطء من تحلل اليورانيوم والثوريوم، وهو غير متجدد على المدى الزمني البشري.
تسبّب هذا التفاوت بين الإنتاج البطيء والاستخدام السريع في أزمات إمداد للمعامل ومصنعي أشباه الموصلات والمستشفيات، لذا فإن وجود حقل قادر على الإنتاج لعقود له أهمية عالمية.
الصخور المشعة تُنتج الهيليوم
ينشأ الهيليوم في حقل فيرجينيا غالبًا عن التحلل الإشعاعي للصخور، إذ تحتوي شعاب الذهب في سوبرغروب ويتواترسراند على معادن اليورانيوم والثوريوم منذ 2.8 إلى 3 مليارات سنة.
تحت هذه الرواسب، يقع الجرانيت البلوري العميق، الذي ينتج الهيليوم ويتسرب إلى الشقوق العميقة.
آثار قديمة في الغاز الحديث
ستستخدم الدراسات البتروغرافيا لفحص مقاطع رقيقة من الصخور لتحديد المعادن المحتوية على اليورانيوم والثوريوم والهيليوم المحاصر.
كما ستطبق طريقة الثرموكرونولوجيا لقياس تراكم الهيليوم في المعادن، وكشف أي الحبوب تحتفظ بالغاز وأيها تطلقه سريعًا.
سيتم استخدام أجهزة قياس الغازات النبيلة في مختبرات SUERC لتسخين العينات، وإطلاق نظائر الهيليوم وقياس متى هرب الغاز، ثم بناء نموذج لتوليد وتخزين وتسرب الهيليوم.
الميكروبات والميثان والمياه الجوفية
يُصنّف الميثان في فيرجينيا كميثان حيوي تنتجه الميكروبات، وليس عن طريق تفاعلات حرارية.
في المناجم القريبة، تم رصد مياه تحتوي على ميكروبات تتغذى على المواد الكيميائية على عمق حوالي 3 كيلومترات.
تحرك المياه الجوفية عبر شقوق الحوض ينقل الميثان والهيليوم والأملاح، وتكون فقاعات الميثان مصحوبة بالهيليوم وتتجمع في المصائد الهيكلية مثل حقل فيرجينيا.
من الغاز إلى السائل
حلّت شركة رينرجين مشكلات التبريد في مصنع الهيليوم البارد، لتصل درجة التبريد إلى -269°م لإنتاج الهيليوم السائل في الموقع.
المرحلة الأولى من المصنع مصممة لإنتاج الغاز الطبيعي المسال وما يقارب 770 رطل هيليوم سائل يوميًا.
الباحثون الجدد
توظف جامعة جلاسكو باحثًا دكتوراه للانضمام إلى المشروع، بحيث يشارك في أخذ عينات ميدانية، والقياسات المخبرية، والتعاون مع الشركاء الأكاديميين والصناعيين، سيصبح الباحث هو المسؤول الرئيسي عن تنفيذ العمل، وترجمة النظرية الجيولوجية إلى قياسات توضح كيف وصل الهيليوم القديم إلى حقل فيرجينيا.
قياس الصخور والغاز
سيجمع الباحث عينات الصخور، ويجهز مقاطع رقيقة، ويحلل التركيب المعدني الذي يتحكم في تخزين الغاز.
في المختبر، سيقيس اليورانيوم والثوريوم والهيليوم في أنواع الصخور، ثم يقارن النتائج مع تركيبات الغاز في الآبار.
الهيليوم يرشد إلى التنقيب المستقبلي
يمكن أن تساعد دراسة الهجرة الهيليوم إلى هيكل فيرجينيا الجيولوجيين في استهداف القارات القديمة المستقرة التي تحتوي على صخور مشققة تحتفظ بالهيليوم.
الإشارات الغازاتية النبيلة المميزة يمكن أن تكشف ما إذا كان الحقل قد بقي مختومًا لآلاف السنين.
النظرة إلى ثلاثة مليارات سنة
يربط حقل الهيليوم في ويتواترسراند التحلل الإشعاعي في القشرة القديمة، والحياة الميكروبية العميقة، والطلب المعاصر على الطاقة والتصوير الطبي.
سيساعد المشروع الشركات والهيئات التنظيمية على فهم مدة استمرار المورد وتحديد أساليب الإنتاج الآمن.
الدروس المستفادة قد توجه البحث عن حقول الهيليوم في مناطق قديمة أخرى حول العالم.
