Откуда гелий на земле

ОТКУДА ГЕЛИЙ НА ЗЕМЛЕ

Три цепочки α— и β-превращений, отвечающие трем естественным семействам радиоактивных элементов, являются основными источниками гелия на Земле. Это семейства урана ²³⁸U, тория  ²³²Th актиноурана, представляющего собой легкий изотоп урана ²³⁵U. Периоды полураспада этих долгоживущих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, и именно поэтому они сохранились до нашего времени.  Для первого период полураспада равен 4,5 млрд. лет, для второго — 13,89 млрд. лет и для третьего — 713 млн. лет.
Каждая из трех цепочек распадов завершается образованием стабильного изотопа свинца:
 
²³⁸U   8 Не + ²⁰⁶Pb
²³⁵ 7 He + ²⁰⁷Pb
²³²Th  6 Не + ²⁰⁸Рb
 
Естественный α-распад обнаружен у 29 изотопов земных элементов, но все остальные 26 изотопов генерируют гелия-4 куда меньше, чем уран и торий. Некоторые источники интенсивно излучают аaa-частицы, но мало распространены. у других же периоды полураспада очень велики.
Названные α-активные элементы рождают только один изотоп гелия — Не. Что касается ³Не, то его содержание в минералах, как правило, в десятки триллионов раз меньше, чем Не. В одних случаях его присутствие в породах может быть объяснено наличием реликтового гелия, в других — это результат бомбардировки лития нейтронами, образующимися в земной толще при спонтанном делении урана и тория, а также при обстреле aaа-частицами легких элементов.
Короток пробег α-частицы в твердой среде. Достаточно минеральной крупице иметь поперечник в 30—40 мк, чтобы родившийся в ней гелий остался в сорбированном состоянии, создавая дефекты в кристаллической структуре.
 
Медленно образуется гелий на Земле. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет производит 0,224 + 0,29=0,51 см³ гелия. Тонна связанного в минералах урана, являющегося главным поставщиком гелия на Земле, испускает за год всего 0,11 см³ гелия. И из этих крохотных пузырьков ежегодно накапливается в доступных изучению толщах Земли и вод около 35 млн. м³
 
В среднем 1 кг земного вещества содержит 0,003 мг гелия .Это значит, что запас гелия в литосфере по меньшей мере в сто тысяч раз больше, чем в атмосфере, но он очень сильно рассеян.
Минералы, содержащие уран, торий и самарий, особенно богаты гелием. Клевеит, фергюсонит, самарскит, монацит, гадолинит содержат 1—3 см³ гелия на 1 г материала, а отдельные образцы клевеита и торианита — до 8—10 см³. Значительна скорость образования гелия в кислых изверженных породах, в глинах и карбонатах.
 
Однако не навеки попадает гелий в плен к кристаллам пород. Относительно прочно удерживают его магнетит, гранат, рутил, топаз, апатит, циркон и другие минералы плотной структуры; на протяжении сотен миллионов лет из них улетучилось не более 5—10% гелия. В других же материнских минералах в результате выветривания, перекристаллизации, метаморфических и иных вторичных процессов осталось лишь 1—2% гелия.
 
Цепь радиоактивного распада урана ведет в конечном счете к тому, что за 4,52 млрд. лет половина его превращается в свинец и гелий. Еще Резерфорд в 1905 г. высказал мысль о возможности, рассчитать геологический возраст горной породы или отдельного минерального образования путем измерения количества замкнутого в нем гелия (или свинца), а также материнских элементов — урана и тория. Такого рода «каменными часами» широко пользуются геологи при изучении геологической истории Земли или при поисках полезных ископаемых.
 
Большая или меньшая утрата гелия минералами правомерна и понятна. Загадку на сегодняшний день представляет обратное явление. Найдены минералы, содержание гелия в которых настолько высоко, что не может быть полностью отнесено за счет распада известных радиоактивных элементов. Попытки рассчитать возраст таких минералов по фактическому количеству гелия в них приводят к абсурдному выводу о их существовании в течение десятков миллиардов лет.
 
Избыточный гелий встречается, например, в древних бериллах, некоторых титановых минералах, роговой обманке, калиевых минералах осадочного происхождения (сильвинах, карналлитах). Есть основания думать, что избыточный гелий реликтовый. В пользу этого свидетельствует то, что в бериллах присутствует также избыточный аргон, притом нерадиогенный,  на Что указывает его изотопный состав. В. Л. Чердынцев и Л. В. Козак выдвинули гипотезу магматического происхождения избыточного гелия. Некогда он выделился вместе с другими газами из магматических пород при их переплавлении. Окружавшие расплав газы в процессе образования минералов внедрялись в их кристаллические решетки, благодаря чему минералы со времени своего зарождения содержали посторонний гелий.
Какая-то часть избыточного гелия возникла при ядерных реакциях легких элементов. Подсчитано, что свыше миллиарда кубометров гелия образовалось за время существования литосферы в результате двух таких реакций:
 
¹ºВ (n, α)Li, Li(n, α)³T.
 
Наконец, недавно была выдвинута гипотеза, что избыточные гелий и аргон обязаны своим существованием a-распад сверхтяжелых трансурановых элементов, которые, сохранись они до наших дней, занимали бы 110, 114, 115 и 120 -ю клетки в таблице Менделеева. Гипотеза обоснована расчетами, указывающими, что именно такие элементы могут генерировать наблюдаемый в минералах состав изотопов гелия и аргона.
 
Освободившись из разрушенных минералов химическим или механическим путем, гелиевые пузырьки отправляются странствовать  сквозь   поры и трещины земной коры. Изрядная доля пузырьков растворяется в водах минеральных источников, циркулирующих в горных породах. Такие воды не имеют промышленного значения, так как концентрация гелия в них невелика; редкие источники содержат 0,5—1,5% газа. Исключительную редкость представляют источник Сантаней во Франции, газ которого содержит до 10,2% гелия, и газы термальных источников близ оз. Танганьика в Африке, содержащие 13—18% Не. Углеводородные газы, поступающие из вентиляционных выработок золотоуранового рудного поля Витватерсранд в ЮАР, содержат 4—5% Не. В вулканических газах гелия обычно мало.
 
Концентрации гелия в подземных водах равновесны с концентрациями урана и тория во вмещающих породах. Однако в ряде мест обнаружено, что на глубинах 200 м и нижнее содержание Не в водах во много раз больше равновесных концентраций. Откуда этот поток гелия, пронизывающий горные породы различного состава? Полагают, что на некоторых глубинах породы содержат повышенные концентрации радиоактивных элементов, генерирующих гелий.
Часть кочующего под землей гелия выходит на поверхность с водами источников или в виде газовых струй и растворяется в воздухе.
 
Иначе складывается судьба других молекул гелия. Мигрируя, они в конце концов попадают в подземную ловушку,  где накапливаются нередко в течение миллионов и сотен миллионов лет. Эти газовые вместилища представляют собой  пласты тонкозернистых песков и песчаников, реже изборожденные трещинами отложения сланцев, мела или мергелей. В рыхлых породах газ заполняет пустоты примерно так же, как вода пропитывает донные пески морей и рек. Ложем для газовых коллекторов обычно служит вода или нефть, а сверху их прикрывают газонепроницаемые толщи глин, мергелей, карбонатных и других плотных осадочных пород.
 
В природе не встречаются скопления одного гелия — ведь в земной коре возникают и мигрируют и другие газы, притом в гораздо больших количествах. Обычно гелий присутствует в них как примесь в количествах, измеряемых сотыми, редко десятыми долями процента. Однако встречаются скопления, гелиеносность которых достигает 1,5—8 и даже (крайне редко) 16%.
Повышенная концентрация гелия характерна для древних скоплений углеводородных газов, причем чем больше в них азота, тем выше содержание гелия. Эта связь обусловлена тем, что основное количество гелия поступает в газовые месторождения из циркулирующих подземных вод вместе с растворенным в них азотом биохимического происхождения или проникшим из воздуха. Нередки повышенные содержания гелия в попутных (пропан-бутановых) нефтяных газах вследствие значительной растворимости гелия в нефти.
 
Месторождения углеводородных и азотных газов с повышенной гелиеносностью, пригодные для промышленной добычи гелия, известны в США, Россия, Канаде и на континентальном шельфе Северного моря. Недавно в Польше обнаружена группа месторождений метано-азотного газа, содержащего до 0,4% гелия. в России гелиеносные месторождения расположены в Поволжье, Западной Сибири и других районах, в США — в штатах Канзас, Техас и Нью-Мексико. Крупнейшее в мире месторождение Хьюготон-Панхедл в США имело начальные запасы гелия 2,9 млрд. м³ при среднем его содержании 0,46 об. %. Обычные же разрабатываемые месторождения имеют запасы 10—50 млн. м³.
 
Какие же факторы способствуют накоплению больших количеств гелия? С одной стороны, имеет значение близость мощных источников α-излучения; не случайно крупные скопления гелиеносных газов обычно находят невдалеке от гранитов или пород, образовавшихся при их разрушении. Очень важно наличие устойчивых с древнейших времен осадочных пород для накопления и сохранения газа. Наконец, большую роль играет процесс разложения углеводородов в древних газовых скоплениях. Если одни виды бактерий вырабатывают подземный метан, то другие в процессе жизнедеятельности окисляют его до воды и углекислоты. За счет исчезновения метана газовая смесь обогащается гелием. Очевидно, благоприятное сочетание всех указанных условий редко встречается в природе.
Статья на тему Откуда гелий на земле