有了氦气，石油和天然气以外的商业发展正在向我们招手

 

JK Obatala——公共讲师、业余天文学家和卫报撰稿人 33 年——长期以来一直试图将注意力集中在“氦”这一被忽视的资源上。例如，2015年5月，他在《卫报》上发表了一系列题为“氦气难题”的专栏。两年后，时任联邦石油资源大学 (FUPRE) 副校长的 Akii Ibhadode 教授邀请Obatala就此主题发表演讲。在这篇文章中引用了他的演讲之后，Ibhadode 迅速任命了一个“研究小组”，并让这位 Helium Activist 成为了一名成员。作为小组成员和顾问，Obatala 举行了简报会并提交了书面咨询，其中包含他现在与读者分享的问题和见解。

 

沙特阿拉伯在2017年对世界领先的氦气生产国卡塔尔的封锁导致这种具有高度战略意义的商品在全球范围内短缺。该行业陷入了“氦气短缺4.0”，“就像氦气短缺 1.0、2.0 和 3.0 一样，”Nicolás Rivero 在《石英》杂志上写道，“这场危机是由高度集中的氦气生产行业中的几次意外供应中断造成的。”

 

根据 Rivero 的说法，全球只有 14 家工厂储存全球氦气。但在过去几个月里，他说，“灾难袭击了这些工厂中最大的一家，中断了供应……”。例如，直到今年，尤其是美国一直期望俄罗斯缓解供应紧缩。但正如 NBC 电视台的卡罗琳·霍普金斯 (Caroline Hopkins) 最近所说，其位于西伯利亚的庞大的阿穆尔工厂发生火灾，加上乌克兰战争，已经“打乱了时间表”。

由于对全球气候变化的担忧（2015 年巴黎协定、2021 年格拉斯哥公约和埃及刚刚结束的 COP27 证明了这一点），以及蓬勃发展的替代能源行业，进一步提高了氦气的商业地位。但实际上，氦气是什么？首先，它是仅次于氢的第二丰富、第二古老和第二轻的元素。在化学上，氦气 是元素周期表中的第一种惰性气体。它无毒、无味、无色、惰性。氦的两种同位素自然存在：氦 3 (He-3) 和氦4。所有的He-3和大约7%的氦气都是原始残留物，在地球形成期间被困在地球内部深处。地壳元素的放射性衰变占93%。

 

氦气一颗冉冉升起的商业和战略之星，源于某些独特的性质，赋予它许多科学、技术和工业应用。最重要的是，在所有元素中，氦的沸点最低。事实上，氦气不会变成固体，除非在特殊条件下。这使得它几乎不可或缺，用于低温（低温）用途，例如冷却红外望远镜、核反应堆和强力磁铁。此外，作为所有原子中最小的，氦的迁移几乎是不可阻挡的。它在地壳中自由移动（垂直和水平）——很容易通过花岗岩和其他岩石扩散。

氦气市场

氦气市场分为“气态”和“液态”两个阶段。一般来说，气是最大的，约占 70% 的份额。但它是支离破碎的，分成无数小领域，例如“净化”、“呼吸混合物”、“焊接”等。相比之下，液氦在医疗行业中的使用——主要用于冷却磁共振成像 (MRI) 扫描仪中的磁体，但也用于治疗——占总销售额的 32%：使医疗保健成为市场中最大的单一组成部分.

 

Verified Market Research 估计，2020 年全球氦气市场价值为210.4亿美元，预计到 2028 年将达到 308 亿美元。它将以 4.90% 的复合年增长率 (CAGR) 扩大。分析师进一步指出，自 2009 年以来需求一直在稳步增长，导致价格螺旋式上升。但氦气价格独立变动：因此，作为对动摇的天然气和液化天然气 (LNG) 回报的“名副其实的对冲”。

 

每年对氦气的需求量为 32,000 吨（62 亿立方英尺）——主要集中在西欧、前苏联 (FSU) 各州和美国。其他消费地区包括中国、拉丁美洲、中东/非洲和亚洲太平洋国家。市场分析师列举了一系列最终用途行业作为全球氦气需求的驱动因素。主要消费国购买力的增强预计将影响派对气球行业和氦气医疗保健服务。

不断扩大的电子行业将氦气用于从智能手机和笔记本电脑到 LED（发光二极管）屏幕和半导体制造的所有领域。甚至 COVID-19 的需求也有所增加——因为疫苗是在液氦中冷却的！分析师预计，未来七年，氦气在国防和能源研究、核电厂、太空、互联网、运输和金属加工中的使用将以4.6% 的复合年增长率推动气相需求，而液态氦气含量为3.6%。

氦气的来源：“工业”和“天然”

商业氦气的主要来源是： (1) 甲烷和天然气液体 (NGL) 的初级加工；(2) 液化天然气（LNG）生产；(3) 地质构造，含有至少0.3%的氦气浓度。

工业油藏

与流行的看法相反，“天然气”并不是“碳氢化合物”的同义词。从天然储层中提取的气体还含有非碳氢化合物，例如氢气、氩气、硫化氢、氮气、二氧化碳和氦气。整个地壳每年以大约 3000公吨的速度产生氦气。但推动这一过程的是铀和钍的核衰变——而不是浮游生物（如碳氢化合物）的细菌衰变。

 

这些核反应发生在花岗岩源岩的颗粒中，之后氦扩散到沉积储层孔隙中的水中。当分子氮 (N2) 流过岩石时，氦气 会分馏并随之移动。在天然气厂，脱氮装置 (NRU) 将N2分离出来NRU 分馏理所当然地与氦气回收相结合，在一个六步过程中产生世界上大部分的商业原料：
天然气加工/预处理（去除硫化氢、二氧化碳、水和重金属），天然气制冷（去除较重的碳氢化合物，如果有的话），液化（生产液化天然气）和脱氮（去除氮）从天然气中回收氦。

 

将碳氢化合物和非碳氢化合物分馏成它们的组成气体，具有浓缩氦气的效果——通常，浓度达到 50% 或更高。这些富含氦气的废气首先在阿尔及利亚开采，是重要的工业储层。

天然水库

 

一项基于文献和现有数据的初步评估是，尼日利亚大陆的东半部，从尼日尔三角洲向北延伸至乍得盆地，应该探索含有高氦气的构造圈闭。在地质学上，这片广阔的地带与贝努埃海槽的尼日利亚部分大致相连——宽 50 至 150 公里，长 1,000 公里，由裂谷、断层、高原、死火山和延伸到其边界之外的盆地组成.

2016 年，液氦勘探、开发和生产商 Helium One 的首席执行官 Thomas Abraham-James 提出了在坦桑尼亚 Rukwa 盆地建造大型氦气储层的可能性。“Rukwa 项目”将成为第一个通过有计划和系统的搜索而不是勘探偶然性发现的氦气库。因此，它是氦气供应链中新兴的独立生产项目的原型。

 

Helium One 勘探者的一个基本原则是，他们的技术适用于任何与坦桑尼亚地质条件相似的地方——在某种程度上，贝努埃海槽也是如此。尼日利亚和坦桑尼亚大陆之间的相似之处包括它们的结构、基底和盆地岩性，以及热和构造历史。但与坦桑尼亚极为活跃的裂谷系统相比，尼日利亚的地壳地质处于静止状态。

 

坦桑尼亚的裂谷系统是著名的东非大裂谷的一部分——裂谷、裂缝和火山网络沿着构造断层南北走向。（“断层”是地球众多地壳板块边界处的向上、向下或横向滑动）。两个关键因素是坦桑尼亚花岗岩克拉通的年龄，以及火山热与储层的接近程度。铀和钍已经有亿万年的时间发射 α 粒子（氦气 原子核）——伴随着火山热，为克拉通外的迁移提供动力。

 

离开源岩后，氦气开始二次迁移到气阱，在氮气、甲烷或二氧化碳为主的地下水中。Rukwa 的研究人员报告说，富含氮气和高氦气的气体从温暖的泉水中冒出。启发性的是，Helium One 探矿者在该地区发现了几个与断层相关的温泉。村民们通过蒸发高盐度的液体，利用泉水进行采盐。温泉中的咸水可能意味着盐顶气体陷阱。最后，地质学家还在 Rukwa 断层中发现了走滑运动的证据。“走滑”是指位于同一平面上的两个相邻的地壳板块（或板块）正在横向移动。这密封了垂直壁上的空腔，将气体困在里面。

尽管尼日利亚的地质情况并没有完全复制坦桑尼亚，但差异更多的是程度问题，而不是种类问题。尼日利亚的边界是政治的，而不是地质的。它的陆地是横跨非洲的整个大陆构造体系的一部分。众所周知，西非和中非裂谷系统 (WCARS) 在地质学上从尼日利亚延伸到苏丹 7,000 多公里，横跨喀麦隆、尼日尔、乍得和中非共和国。

东非和西非子系统都与大陆分裂和海洋形成有关：但时间不同。WCARS 较旧，已经耗散了大部分地震能量，因此不那么活跃。相比之下，索马里和非洲之角在过去 2500 万年左右的时间里一直与非洲大陆稳步分离——随着东非裂谷的扩大，引发了地震活动。红海（一个泛滥的盆地），是一个新海洋的早期阶段。

 

但是西非和中非裂谷系统要古老得多。它在 145 到 6600 万年前（白垩纪期间）进化，当时由南美洲、非洲、南极洲和澳大利亚组成的超级大陆“冈瓦纳大陆”正在分裂。非洲和南美洲裂开，大西洋充满了盆地。破裂沿着模糊的“Y”形三联结的两条线发生，这成为大西洋。“Y”的第三条腿未能形成海洋。

 

从结构上讲，这条失败的手臂（或“aulacogen”）就是我们所知的贝努埃槽。作为一个古老的裂谷，该槽一定曾经展示过坦桑尼亚裂谷地区的所有物理和地球化学特性：包括氦气的产生。