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01 氦资源开发中的认识误区

氦资源在航空航天、医疗和基础物理研究等诸多高科技领域有不可替代的应用, 是赢得未来科技竞争的重要战略物质. 相比于石油和天然气, 氦气在几十年前并没有被作为具有重要商业开采价值的资源来对待, 它常常被作为天然气中的副产品. 目前大部分氦气都是在开采后的天然气中分离出来的, 因此直到现在, 很多地质学方面的研究人员都有一个共识, 认为氦气和天然气具有伴生关系. 但是从物理和化学的角度来看并没有科学依据。

氦气由于密度低, 在离开地壳之后会迅速地逃离地球引力的束缚, 难以再次收集, 导致在接近地面的空气中氦气含量是极低的. 主要是因为地球的重力加速度并不大(约为9.8m/s2), 难以束缚原子量较小的氦元素. 氦气只能通过氢元素聚变或者放射性重元素经过α衰变产生, 而天然气则可以通过多种化学反应合成. 常见的核反应生成He的方式有：

之所以在开采的天然气中能够探测到氦气, 主要原因是存储这类气体、液体需要封闭完好的地层结构. 作为地球上自然条件下密度最轻的气体, 地球内部重元素核裂变产生的氦气将向远离地心的方向迁移, 在地层结构较为完好的穹顶形区域氦气更容易聚集. 这种结构在几何对称性上与盆地是相反的。

02

探寻氦资源的新思路

我们在之前的相关研究中指出, 我国的青藏高原地区可能存在较多的氦资源. 这主要是由于青藏高原亚欧板块与印度板块碰撞后形成的高原海拔较高(约在3000~5000 m), 是世界上最高的高原, 并且整体的板块结构较为完整, 这种地质结构为氦气提供了一个天然的存储区域. 因此, 有望在青藏高原发现高浓度的氦气。

       尽管我国地质学方面的研究已报道了青藏高原热泉中存在较高浓度的氦气, 但并没有深入讨论其形成机理以及未来是否具有开发价值. 更为关键的是, 之前的研究并没有提出新的理论体系纠正氦气与天然气的伴生关系, 寻找氦气的主要思路仍然是将目光盯在富产石油和天然气的盆地地区. 我们新的理论体系指出, 在高原地区有望找到更高浓度的氦气资源。

03

青藏高原氦资源的初步实践

2021年6月初, 北京理工大学王业亮和黄元团队在西藏拉萨、日喀则市和那曲市开展了野外实地实验, 并在多个温泉、土壤及空气中采集气体样品. 研究人员将样品带回北京理工大学后, 通过高精度的质谱分析仪, 对采集的气体样品进行了测量. 研究发现, 西藏热泉中的气体成分中都含有较高浓度的氦气. 测量时的背景压强为8×10−7 Torr(1 Torr=133.3 Pa), 而西藏热泉的气体中, 氦气的分压可以达到约2×10−9 Torr, 氦气浓度可以达到0.25%。

考虑运输和保存过程中损耗带来的影响, 通过对不同位置的热泉气体进行收集, 我们也总结了海拔与氦气浓度的关系., 海拔与氦气浓度之间的关系需要进一步验证. 最为重要的是, 我们所探测的所有西藏热泉气体中均含有氦气。关于西藏氦气储量以及是否具有可开采价值方面的研究和论证仍然需要大量的工作。

如果这种寻找氦气的假说被证实, 将极大地推动我国氦气资源的开发利用, 进而解决一系列卡脖子技术问题, 包括高温超导、核聚变、军工和医疗等领域都会带来极大的发展。

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