كنوز مخفية من الهيدروجين الطبيعي.. السلاسل الجبلية نقاط ساخنة محتملة للهيدروجين

التطوير الناجح للموارد الجيولوجية المستدامة من أجل التحول في مجال الطاقة يشكل تحديًا رئيسيًا للبشرية في القرن الحادي والعشرين.

يتمتع غاز الهيدروجين (H 2 ) بإمكانات كبيرة لاستبدال الوقود الأحفوري الحالي مع القضاء في الوقت نفسه على الانبعاثات المرتبطة بثاني أكسيد الكربون وغيره من الملوثات.

ولكن هناك عقبة رئيسية تتمثل في ضرورة إنتاج الهيدروجين أولاً.

ويعتمد إنتاج الهيدروجين الصناعي الحالي في أفضل الأحوال على الطاقات المتجددة، ولكنه قد يكون ملوثاً أيضاً إذا تم استخدام الطاقة الأحفورية .

قد نجد الحل في الطبيعة، حيث يمكن للعديد من العمليات الجيولوجية أن تولد الهيدروجين، ومع ذلك، ظل من غير الواضح حتى الآن أين ينبغي لنا أن نبحث عن تراكمات طبيعية محتملة واسعة النطاق من الهيدروجين .

نقاط ساخنة محتملة للهيدروجين الطبيعي

يقدم فريق من الباحثين بقيادة الدكتور فرانك زوان، وهو عالم في قسم النمذجة الجيوديناميكية في مركز GFZ Helmholtz لعلوم الأرض، إجابة على هذا السؤال: باستخدام نمذجة الصفائح التكتونية، وجدوا أن السلاسل الجبلية التي توجد فيها صخور الوشاح العميقة في الأصل بالقرب من السطح تمثل نقاط ساخنة محتملة للهيدروجين الطبيعي.

وقد لا تكون مثل هذه السلاسل الجبلية بيئات جيولوجية مثالية لتوليد الهيدروجين الطبيعي على نطاق واسع فحسب، بل وأيضاً لتشكيل تراكمات واسعة النطاق من الهيدروجين يمكن حفرها لإنتاجه .

وقد نُشرت نتائج هذا البحث في مجلة Science Advances ، كما شارك في الفريق البروفيسور ساشا برون والدكتورة آن جليروم من قسم النمذجة الجيوديناميكية في GFZ.

ويتمركز أعضاء الفريق الآخرون في جامعة تافتس (الدكتور ديلان فاسي) ومعهد نيو مكسيكو للتكنولوجيا (الدكتور جون ناليبوف) في الولايات المتحدة، وكذلك في جامعة ستراسبورج (البروفيسور جيانريتو ماناتشال) وشركة لافوازييه H 2 جيو كونسلت (الدكتور إريك سي. جوشيه) في فرنسا.

الإمكانات الطبيعية لـH2 في البيئات التكتونية

يمكن إنتاج الهيدروجين الطبيعي بعدة طرق، على سبيل المثال عن طريق التحول البكتيري للمواد العضوية أو انقسام جزيئات الماء بسبب تحلل العناصر المشعة في القشرة القارية للأرض.

ونتيجة لهذا، تم الإبلاغ عن وجود الهيدروجين الطبيعي في العديد من الأماكن في جميع أنحاء العالم.

وقد ثبت بالفعل أن الهيدروجين الطبيعي يمكن أن يكون مصدرًا للطاقة في مالي، حيث يتم إنتاج كميات محدودة من الهيدروجين من طبقات الرواسب الغنية بالحديد من خلال الآبار الجوفية.

ولكن الآلية الأكثر وعداً لتوليد الهيدروجين الطبيعي على نطاق واسع هي عملية جيولوجية تتفاعل فيها صخور الوشاح مع الماء.

فتتغير المعادن الموجودة في صخور الوشاح وتتشكل معادن جديدة من المجموعة السربنتينية، فضلاً عن غاز الهيدروجين .
تسمى هذه العملية بالتحول إلى صخور سربنتينية.

توجد صخور الوشاح عادة على عمق كبير تحت قشرة الأرض.

ولكي تتلامس هذه الصخور مع الماء وتتحول إلى صخور سربنتينية، فلابد من استخراجها تكتونيا، أي إحضارها إلى سطح الأرض.

هناك بيئتان تكتونيتان رئيسيتان للصفائح تستخرج فيهما صخور الوشاح وتتحول إلى أشكال ملتوية على مدار ملايين السنين:

1- أحواض المحيطات التي تفتح عندما تتفكك القارات أثناء التصدع، مما يسمح للوشاح بالارتفاع مع ترقق القشرة القارية التي تعلوها ثم انقسامها في النهاية (على سبيل المثال في المحيط الأطلسي)،

2- إغلاق الحوض اللاحق وبناء الجبال عندما تتحرك القارات مرة أخرى معًا وتتصادم، مما يسمح بدفع صخور الوشاح إلى الأعلى نحو السطح (على سبيل المثال في جبال البرانس وجبال الألب).

تساعد النمذجة العددية في تحديد المناطق التي تحتوي على موارد طبيعية من الهيدروجين

الفهم العميق لكيفية تطور مثل هذه البيئات التكتونية هو المفتاح لتقييم إمكاناتها الهيدروجينية الطبيعية بشكل صحيح.

باستخدام نهج النمذجة التكتونية الرقمية الحديثة، مع المعايرة ببيانات من الأمثلة الطبيعية، قام فريق البحث بقيادة GFZ بمحاكاة التطور التكتوني الكامل للصفائح من الصدع الأولي إلى الانفصال القاري، يليه إغلاق الحوض وبناء الجبال.

لأول مرة أين ومتى وكمية الصخور الوشاحية

وفي هذه المحاكاة، تمكن الباحثون من تحديد لأول مرة أين ومتى وكمية الصخور الوشاحية التي يتم استخراجها من الجبال، ومتى قد تكون هذه الصخور على اتصال بالمياه في درجات حرارة مناسبة، للسماح بالتحول السربنتيني الفعال وتوليد الهيدروجين الطبيعي.

يتبين أن الظروف المؤاتية لعملية تكوين السربنتين وبالتالي توليد الهيدروجين بشكل طبيعي أفضل كثيراً في السلاسل الجبلية مقارنة بأحواض الصدع.

ونظراً للبيئة الأكثر برودة في السلاسل الجبلية، فإن كميات أكبر من صخور الوشاح المستخرجة من باطن الأرض توجد في درجات حرارة مواتية لعملية تكوين السربنتين تتراوح بين 200 و350 درجة مئوية.

وفي الوقت نفسه فإن وفرة دوران المياه على طول الصدوع الكبيرة داخل الجبال من شأنها أن تسمح بتحقيق إمكاناتها في تكوين السربنتين.

ونتيجة لهذا، فإن القدرة السنوية على توليد الهيدروجين في السلاسل الجبلية قد تصل إلى عشرين ضعفاً مقارنة ببيئات الصدع.

فضلاً عن ذلك، فإن الصخور الخزانية المناسبة (مثل الحجر الرملي) اللازمة لتراكم كميات الهيدروجين الطبيعية المجدية اقتصادياً متاحة بسهولة في السلاسل الجبلية، ولكنها قد تكون غائبة أثناء عملية تكوين السربنتين وتوليد الهيدروجين في الأجزاء العميقة من أحواض الصدع.

استكشاف الهيدروجين الطبيعي

نتائج هذا البحث المنشور الآن توفر دافعاً قوياً لتكثيف عمليات الاستكشاف بحثاً عن الهيدروجين الطبيعي في السلاسل الجبلية.

والواقع أن جهود الاستكشاف المختلفة جارية بالفعل في أماكن مثل جبال البرانس، وجبال الألب الأوروبية، ومنطقة البلقان، حيث اكتشف الباحثون في السابق مؤشرات على استمرار توليد الهيدروجين الطبيعي.

ويقول فرانك زوان، المؤلف الرئيسي للدراسة: “إن تطوير مفاهيم واستراتيجيات استكشاف جديدة سيكون أمراً حاسماً لنجاح هذه الجهود.

ومن الأهمية بمكان أن نذكر كيف يتم التحكم في تكوين تراكمات الهيدروجين الطبيعية الاقتصادية من خلال التاريخ التكتوني لموقع استكشاف معين”.

“وبشكل خاص، سوف نحتاج إلى تحديد توقيت العمليات الجيولوجية الرئيسية المعنية، لأنه إذا كان من المفترض أن تتشكل خزانات الهيدروجين أثناء بناء الجبال، فلا بد أن يكون هناك تصدع، أي تمدد، من قبل، لذا فإن الرؤى المكتسبة من عمليات محاكاة الصفائح التكتونية مثل تلك التي أجريت في هذه الدراسة ستكون ذات قيمة كبيرة”.

ويضيف ساشا برون، رئيس قسم النمذجة الجيوديناميكية في مركز GFZ “يعزز هذا البحث الجديد فهمنا للبيئات المناسبة لتوليد الهيدروجين الطبيعي، ونظراً للفرص الاقتصادية المرتبطة بـ H 2 الطبيعي، فقد حان الوقت الآن للمضي قدماً والتحقيق في مسارات هجرة الهيدروجين والنظم البيئية الميكروبية العميقة المستهلكة للهيدروجين لفهم أفضل للمكان الذي يمكن أن تتشكل فيه خزانات H 2 المحتملة بالفعل”.

ويضيف زوان: “بشكل عام، ربما نكون عند نقطة تحول في استكشاف الهيدروجين الطبيعي، وبالتالي، قد نشهد ولادة صناعة جديدة للهيدروجين الطبيعي”.