引言
日常生活中,絕大多數(shù)民眾可能很少關(guān)注地球深處的秘密,然而,地球科學(xué)家們卻一直在探尋著這些神秘的領(lǐng)域。稀有氣體,也被稱為惰性氣體,雖然不像鐵、銅和鉛等元素那樣廣為人知,但它們?cè)诘厍蚩茖W(xué)研究中扮演著非常重要的角色,稀有氣體被稱為地球深處的神秘使者,尤其是氦同位素,由于其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,不僅可以用來揭示地球表層巖石與氣體的來源,而且還含有有關(guān)地球深部形成歷史和演化過程的很多信息,甚至還可以幫助人們深入理解浩瀚宇宙演化等許多未知的基礎(chǔ)科學(xué)問題。因此,氦及其同位素地球化學(xué)示蹤技術(shù)成為地球科學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)獨(dú)特手段。在此,通過氦同位素地球化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的簡(jiǎn)單介紹。希望能夠吸引更多的民眾,尤其是不少人密切關(guān)注地球科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展和面臨的多種挑戰(zhàn)。
圖1. 不同的稀有氣體在放電或激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生不同的光譜顏色,因此可以用光譜顏色來區(qū)分不同的氣體。(氦(He):橙黃色;氖(Ne):橙紅色;氬(Ar):藍(lán)紫色;氪(Kr):灰藍(lán)色;氙(Xe):藍(lán)綠色)
宇宙中第二的元素,地球上為什么如此稀有?
繼氫原子之后,氦是可觀宇宙中第二輕且含量第二高的元素 ,在全宇宙的元素質(zhì)量中大約占了24%(維基百科),但是,在地球系統(tǒng)氦元素非常稀有,大氣中的體積百分比約只占百萬分之五左右。這是因?yàn)楹ず?“輕”,地球的引力不足以將其吸引留在大氣層中而會(huì)很容易地逸散到太空中。因?yàn)槠浞肿犹p,同時(shí)受熱力的影響。太陽風(fēng)是由太陽大氣層中的高溫等離子體流出的帶電粒子流。含有豐富的氦等元素,被電離并隨著地球磁場(chǎng)線逃逸到太空中。氦的惰性使其無法通過化學(xué)反應(yīng)與其他物質(zhì)結(jié)合并留存在地球表層。相比之下,氫元素雖然更輕,但它可以形成化合物,常見含氫化合物,比如與氧結(jié)合形成水,與碳結(jié)合形成各種碳?xì)浠衔?,尤其是有機(jī)物,等等。因此,地球上存有大量的氫元素,但氦元素卻很稀少。
圖2. 氦是宇宙演化過程的產(chǎn)物,恒星內(nèi)部的核聚變是宇宙中元素演化的一個(gè)重要過程。通過核聚變,氫元素可以聚變成氦元素,而氦元素又可以進(jìn)一步發(fā)生核聚變生成更重的元素(圖片來源:科技日?qǐng)?bào))
氦同位素比值是如何測(cè)量的?
同位素是指具有相同數(shù)量質(zhì)子數(shù)而不同數(shù)量中子數(shù)的核素或原子,在元素周期表上占據(jù)同一個(gè)位置,同位素比值就是某種元素不同同位素原子的數(shù)量比例,比如說3He/4He比值就是氦元素的3He和4He兩種同位素的原子的數(shù)量比例。同位素比值的測(cè)量可以用于確定物質(zhì)或者樣品的年齡、地質(zhì)年代、地球化學(xué)過程、生物學(xué)過程等。
不過,由于地球系統(tǒng)稀有氣體含量極低,導(dǎo)致對(duì)其進(jìn)行測(cè)量分析變得非常困難。測(cè)量氦的同位素比值要用到稀有氣體質(zhì)譜儀,這是一種很神奇的儀器,可以測(cè)量包括氦、氖、氬、氪和氙等稀有氣體同位素的比例。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)測(cè)量難題,稀有氣體質(zhì)譜儀采用了靜態(tài)真空和高分辨率的技術(shù),使分析測(cè)試變得更加精確和可靠。
測(cè)試流程如下:首先,將含有稀有氣體的待測(cè)樣品加熱或通過激光照射,促使相關(guān)稀有氣體釋放出來。然后,這些釋放出來的氣體會(huì)被送入氣體處理系統(tǒng)進(jìn)行凈化和分離,以去除雜質(zhì)。接下來,純化后的稀有氣體會(huì)被送入質(zhì)譜儀主機(jī)中。在主機(jī)中,氣體會(huì)被電子轟擊產(chǎn)生形成He離子,隨后,電磁場(chǎng)會(huì)按不同的質(zhì)量將離子分離,按照一定程序使用不同的檢測(cè)器測(cè)量具有不同質(zhì)量的離子信號(hào)。從而就可以得到稀有氣體各種同位素的比值。
圖3. 用于稀有氣體同位素測(cè)量的靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì)(中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院地球化學(xué)分析測(cè)試中心網(wǎng)站)
如何利用氦同位素比值來區(qū)分不同來源的氦?
氦元素有8種同位素,其中只有兩種同位素是穩(wěn)定的,分別是4He和3He。其他的同位素是不穩(wěn)定的,這意味著它們會(huì)放射出能量,并且很快就會(huì)消失。在地球系統(tǒng)內(nèi),4He和3He有兩種主要來源。一種是原始的3He,是在宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的,也在恒星內(nèi)部聚變時(shí)產(chǎn)生。它主要存在于地球內(nèi)部,可以通過火山或深海熱液釋放到地表。另一種是放射性成因的4He,是由地殼中放射性元素(例如釷鈾鉀)衰變時(shí)釋放出來的粒子形成。這種4He主要存在于地殼,特別是沉積盆地中,可以通過斷裂或地質(zhì)流體釋放到地表。
地球上的氦氣一般都由4He和3He組成。不同來源的氦氣的3He/4He比值存在顯著差異。原始的氦氣,比如來自太陽系物質(zhì)的氦氣,其3He/4He比值通常較高,約為10^-4左右。這是因?yàn)樵谔栂敌纬蓵r(shí),氦的同位素比例被固定下來,因此可以用其來判斷太陽系物質(zhì)的起源和演化。放射性成因的氦氣,如地球內(nèi)部產(chǎn)生的氦氣,其3He/4He比值通常較低,約為10^-8到10^-7之間。這是因?yàn)榈厍騼?nèi)部產(chǎn)生的氦氣主要是來自放射性衰變的4He,而放射性同位素的衰變會(huì)導(dǎo)致氦同位素比例發(fā)生變化。
圖4. 地球內(nèi)部核幔氦交換過程
(a) 地球在形成過程中通過吸收星云大氣中的氦-3并通過巖漿海運(yùn)輸?shù)皆嫉睾酥?;?(b) 地核到地幔的氦-3運(yùn)輸以及地幔到海洋的氦-3運(yùn)輸(圖片來源:Olson&Sharp,2022)
如何利用氦同位素研究地球內(nèi)部的物質(zhì)演化和循環(huán)?
如何利用氦同位素研究地球內(nèi)部的物質(zhì)組成、演化和循環(huán)?舉例來說,人們可以對(duì)不同地區(qū)來自地幔的樣品中進(jìn)行氦同位素比值的測(cè)量,進(jìn)而研究地幔物質(zhì)的來源和演化歷史。如果一個(gè)地區(qū)的氦同位素比值比平均水平高,那么可能表示該地區(qū)測(cè)試樣品來自較原始的地幔物質(zhì);反之,如果比值較低,那么可能表示該樣品所代表的具體地區(qū)經(jīng)歷了較多的物質(zhì)混合和再循環(huán)作用。例如,在夏威夷島上,火山巖石中的氦氣同位素比值竟然高達(dá)大氣水平的40 倍甚至更高,表明夏威夷島的火山巖漿可能是來自地球深層、原始或獨(dú)特的地幔物質(zhì),并形成獨(dú)特的火山巖(地質(zhì)學(xué)者稱其為熱點(diǎn))。在大西洋的洋中脊上,海底玄武巖中的氦氣同位素比值只有大氣水平的8 倍,可能表示大西洋洋中脊來自一個(gè)相對(duì)較淺的層位、并伴有混合、或者普通的地幔源頭。
圖5. 自然界中不同來源氦同位素值分布范圍(Yuji Sano, 2018)
圖5 顯示了不同類型的氦同位素(3He和4He)在不同來源(如大氣層、地幔、地殼、海水、地外天體等)中的相對(duì)豐度,以及它們之間的混合關(guān)系。圖表中的Ra表示樣品中3He/4He比值與大氣層中3He/4He比值的比值,用來反映樣品中氦同位素的組成和來源。
氦同位素地球化學(xué)應(yīng)用及未來挑戰(zhàn)
雖然氦同位素在地球化學(xué)研究中的應(yīng)用已經(jīng)有了很大的發(fā)展,但仍有很多未知的領(lǐng)域需要我們?nèi)ヌ剿鳌@?,我們?nèi)匀徊恢赖厍騼?nèi)部的某些區(qū)域的氦同位素組成和分布情況,以及地球演化對(duì)它們的影響。此外,氦同位素也可以用于研究地球外的天體,例如太陽系中的行星和隕石,從而更好地理解宇宙的形成和演化過程。
氦同位素技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)、宇宙科學(xué)和核科學(xué)等領(lǐng)域的研究。比如,我們可以測(cè)定巖石、地下水或隕石中的稀有氣體同位素比例,推斷它們的形成年代、來源和演化過程。不同來源的氦氣有不同的同位素比值,因?yàn)樗鼈冊(cè)诘厍騼?nèi)部經(jīng)歷了不同的演化過程。通過測(cè)量稀有氣體同位素比例,我們可以探究地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和演化,判斷礦床的成因和分布,甚至預(yù)測(cè)地震和火山噴發(fā)的可能性。
氦同位素地球化學(xué)面臨的未來挑戰(zhàn)可能包括以下幾個(gè)方面:①提高氦同位素分析的精度和靈敏度,以滿足對(duì)極低豐度樣品的測(cè)定需求;②拓展氦同位素在不同介質(zhì)(如巖石、流體、氣體、生物等)中的應(yīng)用范圍和深度,以揭示更多的地球科學(xué)問題;③探索氦同位素與其他稀有氣體同位素(如氖、氬、氪、氙等)之間的耦合關(guān)系,以增強(qiáng)對(duì)地球系統(tǒng)復(fù)雜過程的理解。
地緣沖突引發(fā)氦氣價(jià)格暴漲,“氣體黃金“亟待國(guó)產(chǎn)替代
氦氣是一種重要的戰(zhàn)略資源,全球供應(yīng)非常集中。它廣泛應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、尖端科研等領(lǐng)域,是國(guó)防軍工和高科技發(fā)展所必需的戰(zhàn)略性物資。由于國(guó)外對(duì)氦氣資源的保護(hù)與戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重視已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間,1960年美國(guó)修改了1925年首次頒布的《氦保護(hù)條例》,將全美國(guó)氦氣的提取、儲(chǔ)存及運(yùn)輸納入美國(guó)內(nèi)政部的統(tǒng)籌管理。2018年,美國(guó)總統(tǒng)簽署了一項(xiàng)命令,將氦氣列入至關(guān)重要的35種關(guān)鍵礦產(chǎn)之一。
圖6. 核磁共振技術(shù)需要使用液體氦冷卻磁體,以保持超導(dǎo)狀態(tài),從而使磁體能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)。而這些液體氦必須定期加注,以維持恒定的溫度和壓力,以確保核磁共振儀的正常運(yùn)行。
中國(guó)的氦氣資源比較匱乏,其氦資源僅占全球總量的2%。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)2020年的調(diào)查報(bào)告,全球氦氣資源約為520億方,但分布不均。美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯、加拿大和中國(guó)是全球前六大氦氣資源國(guó)家。中國(guó)需要積極探索和開發(fā)氦氣存量?jī)?yōu)質(zhì)氣田,以確保國(guó)內(nèi)的氦氣供應(yīng)。自2022年3月國(guó)際沖突爆發(fā)以來,氦氣價(jià)格急劇上漲。在2022年6月,俄羅斯發(fā)布了限制惰性氣體出口的政策,引發(fā)了全球?qū)夤?yīng)的史無前例的擔(dān)憂。這種擔(dān)憂導(dǎo)致中國(guó)氦氣價(jià)格上漲至420-460元/方,漲幅超過300%,2020 年中國(guó)氦氣進(jìn)口依賴度 97.5%,外資企業(yè)壟斷氦氣進(jìn)口。
美國(guó)的含氦天然氣中氦含量范圍為0.66%至8.2%,而俄羅斯的含氦天然氣中氦含量為0.15%至0.6%。相比之下,中國(guó)的氦資源總體含量較低。目前,中國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了8個(gè)含氦天然氣盆地,分別位于渭河、四川、塔里木、柴達(dá)木、松遼、渤海灣、蘇北和海拉爾等地。其中,塔里木盆地的和田河氣田是中國(guó)第一個(gè)富含氦氣的特大型氣田,氦含量在0.30%—0.37%之間,但是這個(gè)優(yōu)質(zhì)的氣體資源尚未得到充分開發(fā)。
結(jié)束語
我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到氦氣在現(xiàn)代科技中的廣泛應(yīng)用價(jià)值,以及其稀缺性和戰(zhàn)略價(jià)值,應(yīng)該采取合理措施來保護(hù)和節(jié)約氦氣資源的使用。目前我國(guó)氦氣資源研究、評(píng)價(jià)、勘探程度均很低,資源量和儲(chǔ)量情況基本不明,中國(guó)的科學(xué)家們正在不斷尋找新的氦氣資源,并努力開發(fā)更高效的氦氣富集和利用技術(shù),以滿足我國(guó)對(duì)氦氣的不斷增長(zhǎng)的需求。
我國(guó)是一個(gè)貧氦國(guó)家,目前大部分氦氣都依賴進(jìn)口,因此需要加強(qiáng)氦氣資源的立法保護(hù),確立以人為本、可持續(xù)發(fā)展、政府管理與市場(chǎng)化結(jié)合、利用與保護(hù)相結(jié)合的原則。推廣和應(yīng)用節(jié)約和回收利用氦氣的技術(shù)和設(shè)備;加強(qiáng)對(duì)氦氣資源消費(fèi)行為的監(jiān)督和管理;提高公眾對(duì)氦氣資源保護(hù)的意識(shí)和參與度。
作為普通大眾,我們也可以在日常生活中做一些小事來保護(hù)氦氣資源。比如少買或不買充滿氦氣的氣球,因?yàn)檫@些氣球一旦飄到空中就會(huì)將寶貴的氦氣釋放到大氣層中,無法回收利用。下次和孩子一起出去,我們可以嘗試一些更有趣和創(chuàng)意的活動(dòng),避免浪費(fèi)寶貴的氦氣資源。畢竟,氦氣可不是只能用來吹氣球的哦,它還可以讓飛行器升空、讓核磁共振圖掃描更精準(zhǔn)、讓射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)更清晰。讓我們一起來保護(hù)氦氣資源,讓它為科技發(fā)展、醫(yī)學(xué)診斷和空間探索發(fā)揮更大的作用吧!
(作者感言:科普文章旨在將專業(yè)的知識(shí)用簡(jiǎn)明易懂的語言傳達(dá)給盡量多的讀者,因此寫作過程中需要在專業(yè)性和易懂性之間取得平衡,這對(duì)作者來說是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在文章的撰寫過程中,作者盡可能地核查和使用可靠的資料以確保文章的準(zhǔn)確性和可信度。然而,由于知識(shí)的廣度和深度,以及人專業(yè)知識(shí)的限制,仍然有可能存在遺漏和不足之處。我們歡迎讀者提出任何關(guān)于本文的補(bǔ)充、修改。如果您有任何有關(guān)于本文的資料、觀點(diǎn)或其他方面的問題,請(qǐng)不吝指出,我們將不勝感激。作者簡(jiǎn)介:李中平,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,中國(guó)礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng);感興趣的領(lǐng)域?yàn)闅怏w地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、分析地球化學(xué)等;聯(lián)系方式:Email:lizhongping@lzb.ac.cn。致謝: 北京師范大學(xué)陶明信教授、中國(guó)礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任委員鄭國(guó)東研究員、中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心李立武研究員通讀了全文,對(duì)文章提出了具體的修改建議,在此表示誠(chéng)摯的感謝。)
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