профессор,
доктор геолого-минераловедческих наук
Выхлопы автомобилей превратили воздух городов в ядовитый сизый смог. Оксиды азота, углерода, серы разрушают слизистую оболочку дыхательных путей и глаз. Качество жизни в городах быстро ухудшается: людям нечем дышать, многократно увеличилось число заболеваний дыхательных органов. Человечество ежегодно сжигает до 10 миллиардов тонн условного топлива и взамен выбрасывает в атмосферу 40 миллиардов тонн углекислоты в сочетании с массой смертельно опасных углеродистых и сернистых соединений. В то же время мировые запасы нефти и газа быстро сокращаются.
Возможным выходом из эколого-энергетического тупика является начатая в развитых странах замена бензина водородными топливными элементами, где пористые электроды разделены мембранами с платиновым напылением. Каталитические свойства платины позволяют окислять водород без взрыва и превращать его в обычную воду с огромным КПД, достигающим 95%. Где имеется в изобилии водород? В 2001 году Д. Буш заявил, что стратегическая задача Америки – прекратить импорт нефти и освободить страну от энергетической зависимости. Президент США сообщил, что в США создают «автомобиль свободы» и «топливо свободы», и для решения такой задачи выделено более 3 миллиардов долларов. Фирма «Дженерал моторс» разработала автомобиль «Гидроген-3» на водородных элементах, и через несколько лет в США появятся 10000 водородных автозаправочных станций. Европа выделяет на подобные разработки 5 миллиардов евро. Китай планирует в 2011 году выпустить несколько миллионов автомобилей на водородном топливе. Водородные элементы все шире внедряются в энергетику развитых стран. Международные корпорации решают вопрос о строительстве многочисленных водородных заправок в Западной Европе, Японии и США.
Энергия, получаемая при окислении водорода, очень велика. Теплоотдача водорода составляет 125000 кДж/кг и превосходит в этом все другие виды топлива. Экологически он совершенно безопасен, поскольку при сгорании превращается в водяной пар. Водородно-энергетическая революция может коренным образом изменить основы мировой энергетики и экологическую обстановку в мегаполисах будущего.
Однако возникает вопрос: где найти громадный источник дешевого водорода для решения технических проблем? Конечно, чудовищное количество водорода содержится в воде океанов. Но разложение воды на водород и кислород требует еще большей энергии, чем та, которая возникает при сжигании водорода.
В Соединенных Штатах планируется получение водорода за счет гидрогенизации каменного угля при его взаимодействии с водяным паром. При этом возникают водород, метан и оксид углерода. В США добывают ежегодно 1100 миллионов тонн каменного угля, поэтому получение водорода за счет каменного угля для них вполне реально. Китай добывает чудовищное количество угля — 2500 миллионов, и он тоже способен решить эту проблему. Совсем другое дело Россия, добывающая всего 280 миллионов тонн. Месторождения же водорода геологам неизвестны.
Еще в 70-х годах прошлого века советский геолог В. Н. Ларин предложил гипотезу гидроидного ядра Земли. В отличие от классической точки зрения о железо-никелевом ядре нашей планеты, он высказал мысль, что ядро содержит сверхсжатый водород, оставшийся от протопланетной стадии формирования Земли. Не исключено, что здесь содержится протонная плазма, при «обрастании» которой электронами возникают атомы водорода и выделяется огромная тепловая энергия.
В жидком ядре атомарный водород, видимо, находится в равновесии с водородом, поглощенным железо-никелевым ядром. Явление поглощения наиболее сильно проявлено в платине и палладии, способных впитывать в себя, как губка, на один объем металла до 900 объемов водорода. Но оно установлено также для железа, хрома, никеля.
Возможно, превращение протонов в атомарный водород происходит в жидком ядре планеты, а также в загадочных, так называемых астеносферных слоях мантии.
Слияние двух атомов водорода позволяет, помимо радиоактивного распада, объяснить энергию глубинных геологических процессов. «Молекуляризация» атомарного водорода может объяснить поток энергии, идущий от жидкого ядра Земли и представленный тепловыми аномалиями срединноокеанических хребтов, «горячими точками» Гавайских островов в Тихом океане, Йеллоустона в Северной Америке, Килиманджаро в Африке и др.
Несомненный источник водорода находится в зонах субдукции (поглощение океанической коры мантией под континентами). Здесь «водородогенез» связан с гидратацией мантии. Модель превращения оливина в серпентин с выделением водорода при воздействии океанической воды предложена Б. А. Дмитриевым, Б. А. Базылевым и С. А. Силантьевым в 1999 году. За счет углекислоты морской воды возникает также метан. Мы думаем, что при гидратации мантии образуются, помимо серпентина, также брусит, хлорит, тальк, амфиболы, и каждый раз выделяется водород.
Эксперименты указанных авторов показали, что при гидратации 1 куб. км оливин-пироксенового перидотита, слагающего верхнюю мантию, возникают 500 000 тонн (50 куб. км) Н2 и 250000 тонн СН4. Опускание тихоокеанской коры под континенты составляет в среднем 8 см в год, при этом из мантии постоянно выделяется водород.
Над зонами водородогенеза по берегам Тихого океана стоят шеренгами сотни вулканов. С площадей в десятки тысяч кв. км они собирают в свои жерла водород, буквально выжимаемый из мантии. И почти весь этот водород сгорает, образуя лаву, или взрывается, уничтожая жителей и наводя на них ужас.
К зонам субдукции относятся газонасыщенные вулканы, в России это камчатские огнедышащие горы — Ключевская сопка (4850 м), Кроноцкая сопка (3730 м) и Плоский Толбачик (4030 м), вулкан Алаид на Курильских островах (2334 м), в Японии — Фудзияма (3778 м), на Липарских островах — Стромболи, в Италии — Везувий и многие другие. Концентрация водорода в этих вулканах может быть весьма значительной.
Предвестниками извержений здесь являются подземный гул, удары, землетрясения. Нередко вулканы «курятся» в течение нескольких лет. Извержения начинаются со страшного рева скоростных газовых потоков, уходящих на высоту до 10 -15 км и расплываюшихся в стратосфере в виде пинии – итальянской сосны, растущей на склонах Везувия. Объем выброшенного газа составляет десятки тысяч куб. км. При извержениях возникают «палящие тучи» — взвеси вулканического пепла в раскаленном газе. Извержения отражаются на климате всей планеты и погубили за последние 200 лет сотни тысяч человек.
Чудовищный взрыв вулкана Кракатау в проливе между островами Ява и Суматра 27 августа 1883 года поднял вулканические газы и пепел на высоту в 70 км! Грохот взрыва был слышен за 3,5 тысячи километров — в Австралии и Шри Ланке. Энергия взрыва была эквивалентной взрыву 400 водородных бомб. На воздух было поднято 18 км куб. скального грунта, остров — вулкан Кракатау исчез под водой, а на его месте возникла воронка глубиной 0,5 км.
В 1902 году произошел грандиозный взрыв вулкана Мон-Пеле на острове Мартиника. Вулкан высотой около 1,5 км уже извергался в 1851 году, но тогда жители города Сен-Пьер благополучно пережили извержение. Ранним утром 8 мая раскаленная туча с температурой газа около 1000 0С за три секунды преодолела расстояние в 8 км, отделявшее кратер от набережной, где в порту столпилось 30 тысяч горожан. Сен-Пьер исчез, сметенный потоком огня. Толпа людей была сброшена в море. В облаке пламени море закипело, корабли вспыхивали, как факелы. Из всего населения уцелел один преступник, посаженный в подвал тюрьмы с толстыми каменными стенами. Из жерла вулкана давлением газа был выдавлен каменный блок высотой 400 м. Прибывшие спасатели обнаружили обгоревшие трупы и полностью уничтоженный город. Объем выброшенного газа в этом случае можно оценить в 10-20 тысяч куб. км.
Шестого июня 1912 года произошло страшное взрывное извержение вулкана Катмай на Аляске. К счастью, местность была пустынной. Столб пепла поднялся тогда на 20 км, грохот взрыва был слышен за 1200 км. Раскаленный пепел полностью засыпал долину близлежащей реки шириной 4 и длиной 23 км. Прибывшие через четыре года американские геологи увидели на месте глубокой долины равнину, покрытую пеплом, из под которого с ревом вырывались белые фонтаны дыма. Вулканолог Григгс назвал это место «Долиной десяти тысяч дымов». Он установил, что взрыв поднял в воздух 30 миллиардов тонн горных пород, примерно столько же, сколько вулкан Кракатау в 1883 году. Но состав газов, ответственных за взрыв, как и в предыдущих случаях, остался неизвестным.
Что является причиной таких взрывов? Геологи и вулканологи считают, что причина — пары воды, выделившиеся из магмы при снижении давления. Мы думаем, что это был сжатый раскаленный мантийный водород, мгновенно окислившийся в атмосфере. Объем выброшенного газа в таких катастрофах очень велик, и его можно оценить ориентировочно в 50 — 100 тысяч кубических километров, что в десятки раз превышает объем газа, добываемого ежегодно на Земле.
Газовой активностью характеризуются и многие вулканы Камчатки. Так, например, самый северный на полуострове вулкан Шивелуч в 1954 году выбросил столб огня высотой 20 км. Его видели жители селений, расположенных в 500 км. Взрывная волна дважды обошла земной шар. Глыба весом 2800 тонн была выброшена взрывом на расстояние 2 км, а вулканические бомбы весом 500-700 тонн летели на 10-12 км! Поскольку газ горел, то состав его, видимо, был водородный. Выброс водорода можно оценить в десятки тысяч куб. км.
Вулкан Безымянный молчал три столетия, а в 1955 году проснулся и начал извергать пепел, камни и лаву. Так продолжалось полгода, пока не раздался страшный взрыв. Пепел взлетел на высоту до 40 км, пепловые тучи уничтожили все живое на площади 500 кв. км. Видимо, по газонасыщенности водородом взрыв Безымянного аналогичен взрыву вулкана Шивелуч. Вулкан Толбачик в 1975 году извергался целый год. Тучи пепла поднялись на высоту 18 км и протягивались по ветру на 1000 км. Видимо, здесь были выброшены и сгорели в атмосфере десятки тысяч куб. км водорода.
Грандиозным было извержение вулкана Тамбора на острове Сумгава в Индонезии, вблизи острова Ява в 1815 году. При взрыве высота Тамбора снизилась с 4300 м до 2800 м. Пепел, выброшенный вулканом, закрыл Солнце, вызвал глобальное похолодание планеты и летние заморозки в США. Выбросы газа можно оценить в 100 тысяч куб. км.
В истории человечества известно катастрофическое извержение Везувия в 79 году н. э., когда были засыпаны пеплом древнеримские города Помпея, Геркуланум и Стабия. Страшной катастрофой было также извержение вулкана на острове Санторин в Эгейском море в XVI веке до н. э., когда исчезла цивилизация на острове Крит. Эти взрывы соответствуют объему выбросов водорода в сотни тысяч куб. км.
Размеры кальдер (пустот), в которые оседают и проваливаются вулканы после мощных извержений, свидетельствуют о значительной роли газов. Очевидно, что именно газовая фаза выносит к поверхности массу глубинных веществ, создает горы высотой в несколько километров, при этом формируются грандиозные подземные пустоты, в которые впоследствии проваливаются вулканические горы. По диаметру кальдеры можно судить о газонасыщенности вулкана. Известны кальдеры диаметром в десятки километров, например, кальдера Узона на Камчатке, кальдера острова Санторин около Крита и другие.
Вулканические зоны концентрации водорода Геологи обычно изучают вулканические породы, но гораздо меньше внимания обращают на газы, поскольку раскаленные газы собирать и анализировать трудно, а застывшую лаву — легко. Между тем объем газов в сотни и тысячи раз превышает объем лав. Вулканолог А. Риттман одним из первых в 1964 году указал, что вулканы следует рассматривать, как места дегазации нашей планеты. Очевидно, что процессы окисления газа при его выходе на поверхность полностью изменяют его первичный состав.
Газы исследуют вулканологи: с опасностью для жизни они набирают в пробирки раскаленные газы, поднимающиеся с поверхности расплавленной лавы. В пробах резко преобладают вода и углекислота. Но нет никаких оснований считать эти газы глубинными: это вторичные продукты, возникшие при сгорании водорода и метана.
Иногда вулканологам удается увидеть горение первичного газа. Исследователь вулканов Гарун Тазиев на поверхности кипящей лавы в кратере вулкана Эрта-Але в Эфиопии наблюдал завораживающий танец тысяч бледноголубых и синеватых полупрозрачных язычков пламени. Это был газ, пробившийся к поверхности сквозь раскаленную лаву. Он писал: «Все, кто наблюдал базальтовые извержения, видели огненные пузыри до метра в поперечнике, а те, кому приходилось видеть близко лавовое озеро, встречали горящие пузыри в десять раз больше».
На вулкане Эребус в Антарктиде Тазиев увидел вылетевший из кратера чудовищный горящий пузырь диаметром в 200 метров. За ним последовала пылающая полусфера высотой с двенадцатиэтажный дом и площадью в футбольное поле. Какие это были газы – водород или метан? Поскольку в составе вулканического газа пары воды составляют до 98%, мы считаем, что главным первичным газом является водород. Второй по распространенности вторичный газ — углекислота, что указывает на присутствие глубинного метана.
На вулканах Гавайских островов в кратерных лавовых озерах иногда возникает «большое пламя» («large flame») высотой до 180 м. Вулканологи считают, что это горит водород. «Большое пламя» держится несколько суток, затем постепенно уменьшается и исчезает. Предполагается, что окисление водорода продолжается под поверхностью жидкой лавы. Процесс этот экзотермический, выделение тепла в глубине вулкана сопровождается плавлением базальта.
Геологи обычно не исследуют происхождение вулканических лав. Считается, что чем глубже, тем выше температура земной коры. Однако сейсмические исследования показывают, что мантия Земли остается твердой до глубины 2900 км. Она магнитна, т.е. нагрета ниже точки Кюри — всего до 600 0С. Огромные глубины планеты практически лишены радиоактивных элементов, в мантийных породах урана и тория в тысячи раз меньше, чем в гранитах, 70% радиоактивных элементов содержатся в тонкой пленке земной коры.
Почему же возникает лава, нагретая до 1300 0С, и откуда берется энергия, создающая кипящий силикатный расплав? Мы думаем, что плавление пород связано с мощными экзотермическими реакциями окисления водорода, метана, железа силикатов.
Вулканы гавайского типа расположены на океанической базальтовой коре мощностью всего 8-10 км. Казалось бы, мантия расположена очень близко. Но лавы здесь имеют базальтовый, а не мантийный состав — мантийных дунит-пироксенитовых лав нет. Вулканы на континентах извергают лаву гранитного состава. Иначе говоря, плавится земная кора, а не мантия. Источник тепла расположен в коре и является локальным и мощным. Такую энергию может дать только окисление водорода.
Удельная теплоемкость плавления вулканических лав составляет, в среднем, 120 кДж/кг, т. е. окисление 1 кг водорода объёмом 11200 л может выплавить более тонны лавы. Учитывая, что еще окисляется метан и породы на глубине нагреты до 400 0С или выше, горение 2 куб. км водорода (при нормальных условиях) весом 22000 тонн приводит к выплавлению 30 миллионов тонн лавы или 10-12 миллионов куб. м базальта или андезито-дацита, что соответствует количеству лавы при обычном извержении.
Если оценивать ежегодную переработку мантийных пород в зонах субдукции в 2 куб. км, то в вулканах Земли окисляется миллион тонн водорода в год объемом 100 куб. км, т.е. первичных газов достаточно для создания 1,5 миллиардов тонн андезит-базальтового расплава. За счет дополнительных эффектов объем лавы составит около 1 куб. км. Таким образом, огромная энергия окисления водорода и метана уходит на плавление горных пород.
Состав лав – индикатор уровня плавления слоистой земной коры, где внизу залегают базальты, а выше — граниты. Базальтовые лавы свидетельствуют о глубинности процесса окисления. Риолит-дацитовые (гранитные) расплавы являются индикатором наиболее высоко расположенных очагов окисления водорода. Поэтому промышленно интересными представляются дымящиеся вулканы островных дуг с дацитовым или риолитовым составом лав, где окисление водорода идет на малой глубине.
Подземные газовые трубы Сейсмические профили от глубоководных желобов через камчатские вулканы Карымский, Безымянный и другие, как показано в монографии Н. И. Селиверстова, отражают плотность распределения энергии очагов слабых землетрясений в зонах субдукции под этими вулканами. Автор объясняет землетрясения подъёмом силикатного расплава и водного флюида.
В зоны субдукции уходит огромное количество морской воды. На глубине 15-20 км происходит выделение воды из морских осадков, изменение мантийных минералов. Но вулканы на этом этапе не образуются. Они вырастают позже, когда зона субдукции достигнет глубины 100 км. Как показывают профили, на этой глубине возникает отчетливое отделение газа от плоскости, по которой океанское дно затягивается в мантию. Видимо, здесь происходит выделение воды из минералов, возникших в зоне субдукции раньше, т. е. из хлорита, серпентина, талька, амфибола.
Вулканы возникают над зонами, по которым надкритический водный флюид поднимается из мантии вверх. При этом возникают диапировые (протыкающие) структуры, они появляются на глубине 70-80 км и прослеживаются далее до жерла вулкана. На глубине 50 — 30 км водный флюид вновь реагирует с оливином мантии, и землетрясения указывают на выделение газа. При образовании содержащих гидроксил минералов — серпентина, брусита, талька, хлорита, амфиболов, а также при окислении железа силикатов с образованием магнетита образуется водород. Именно над этими зонами располагаются шеренги вулканов.
Почему землетрясения сопровождают подъем флюида? Очевидно, они связаны с давлением массы водорода, «сверлящего» в толще пород канал к жерловинам вулканов. Нужно накопить такую критическую массу водорода, чтобы его подъемная сила смогла продавить твердые породы и создать вертикальный канал. Исходя из малой плотности водорода, подъемная сила кубического километра газа в мантии с плотностью 3,2 т/куб.м достигает миллиарда тонн и распределяется на малую площадь, т. е. давление газа чудовищно велико.
Наблюдения показывают, что сейсмические очаги возникают не повсеместно, а формируют локальные узлы, т.е. скопления газа, на определенных глубинах. Постепенно сейсмические узлы перемещаются вверх к жерлам вулканов. Наблюдения за Ключевским вулканом показали, как сейсмические узлы неоднократно перемещались с глубины 30 км вверх к жерлу с периодом от 6 месяцев до одного года, и сопровождались свечением (горением водорода) над кратером. Поверхностные окислительные процессы связаны с горением водорода и метана на глубине 2-3 км и непосредственно в жерлах вулканов. Грандиозные вулканические взрывы, уходящие под облака огненные столбы, рев газовых потоков напоминают аварии мощных метановых скважин и принципиально от них не отличаются.
Возможности использования глубинного водорода Энергия водорода бессмысленно расходуется на выплавление огромного количества лавы — до 5 куб. км ежегодно. На это расходуется не менее 1000 кубических км водорода. Как использовать грандиозную планетарную энергию на пользу человечества? Техническое решение проблемы видится в подключении к естественным газопроводам планеты путем бурения наклонных скважин под основание регулярно действующих вулканов. Задача газовиков будущего – создание «врезок» в естественные газопроводы планеты, перехват неокисленного мантийного газа до того, как он сгорит в жерле беснующегося вулкана. Откачка водорода позволит также усмирить вулканы, избежать трагедий населения, уничтожения городов и стран, расположенных, как Япония, на островных дугах.
Россия обладает уникальным опытом бурения сверхглубинных скважин. В СССР был установлен мировой рекорд бурения сверхглубокой скважины – более 12,2 км, который до сих пор не перекрыт. Бурение газовых скважин под основание вулканов не требует такой глубины, но все же техническое решение здесь непростое: требуется специальная легированная ниобиевая сталь из-за агрессивности глубинных газов, их высокой температуры и высоких давлений. Глубина скважин может достигать глубины 5-6 км. Каждое извержение – это десятки и сотни миллиардов кубометров газа с преобладанием водорода, потенциальное сырье для водородных элементов, многие миллиарды кВт.часов электроэнергии! Наиболее подходящими объектами являются вулканы Камчатки.
Комплекс современных геофизических методов – гравиметрия, сейсмика, магниторазведка и электроразведка позволят получить объемную детальную модель вулкана, вычислить точные координаты подземной «газовой трубы» и направить скважины в заданное место.
Постоянный отвод газов из под дымящих вулканов предотвратит катастрофические извержения вулканов Европы и позволит спокойно жить в окрестностях Везувия и Этны, решит энергетические и экологические проблемы Японии и Камчатки. На базе газовых месторождений, скрытых под вулканами пустынных Курильских островов, создадут заводы с новейшими технологиями, производящие водородно-энергетические элементы. Огненные вулканические пояса Земли станут главными источниками энергии, а экологически опасные уран, уголь, нефть потеряют свое значение.
Вулканы действуют на Земле миллиарды лет, они собирают водород из зон субдукции, к ним тянутся сквозь мантию газопроводы, дренирующие ядро планеты, где хранятся огромные запасы космического водорода — основного строительного «кирпича» Вселенной. Успешное подключение к планетарным газовым трубам, где роль «терминалов» выполняют вулканические горы, приведет к небывалому энергетическому прорыву человечества. Сгорающие без пользы сотни миллиардов кубометров водорода вулканов станут основой экологически чистой грандиозной энергетики будущего.
Россия обладает значительной частью планетарного пояса «огненных гор» на Камчатке и Курильских островах. Она тоже могла бы перейти на водородное топливо – за счет создания уникальной водороддобывающей промышленности. Для этого требуется ориентация вулканологов на изучение глубинных структур вулканов с целью их трехмерного картирования и выявления газопроводящих каналов. Для исследований следует рекомендовать «курящиеся» вулканы с длительным и умеренным газовыделением. Подобные работы могут выполняться совместно с геологами и геофизиками других заинтересованных стран, «живущих на вулканах», прежде всего со специалистами Японии и Италии.
Следующим этапом должно стать бурение скважины к газопроводящему каналу с целью отвода глубинного газа. Запасы водорода, уходящего в атмосферу в «курящемся вулкане», в том числе и в виде паров воды, могут оцениваться ежегодно миллиардами кубометров.
Целенаправленное бурение вулканов — сложная техническая задача, требующая особой подготовки. Решение такой жизненно важной задачи возможно лишь при условии концентрации соответствующих сил общества, развития научной базы, при наличии честного и умного «государственного капитализма», заинтересованного в развитии России.
