この記事は、Natural hydrogen and blend gas: a dynamic model of accumulation「天然水素と混合ガス: 蓄積の動的モデル」の要点を日本語で簡潔に解説します。
天然水素の蓄積と混合ガスの動的モデル:
天然水素はメタン、窒素、ヘリウムと結びついて「混合ガス」として蓄積されています。ヘリウムは化学的に不活性であり、窒素はほぼ不活性、メタンはCO2に変化し、水素は主に陽子に、一部はメタンに変化します。ガス化合物は堆積層から漏洩することがあり、水中で溶解し拡散することによって蓄積内に残る残留ガスの組成が変化します。
天然水素とヘリウムの同時発生:
このモデルにより、地質学的時間尺度で蓄積された高濃度のヘリウムと、人間の時間尺度で再生可能とされる水素の同時発生を説明することができます。また、モデルの最適なパラメータを使用すると、世界中で知られている水素の蓄積の年齢は比較的小さいものであり、水素は地質学的時間を経て窒素とメタンに徐々に希釈されていくとされています。
水素の再生可能性とガス組成の変動:
天然水素は再生可能性がありますが、窒素、メタン、ヘリウムと混合した形で存在します。ヘリウムは非常に不活性であるため、地下で容易に蓄積されます。窒素はほぼ不活性であり、水素は非常に反応性が高く、急速に変質します。未変質のヘリウムと変質しやすい水素が共存する理由は、動的な蓄積モデルによって説明されます。このモデルでは、さまざまな主要なガス化合物（水素、窒素、メタン、ヘリウム）が異なる速度で堆積層に入り、漏洩し、変質することが考慮されています。
将来の水素の生産では、生産時間の経過とともに水素の割合が増加し、一方でヘリウムと窒素の濃度が減少すると予測されています。
これは、水素が地下で再生可能であるため、その比率が増える一方で、ヘリウムと窒素は再生されないため、その濃度が減少するという結果です。
これらのポイントは、天然水素と混合ガスの特性、同時発生、再生可能性、およびガス組成の変動に関する重要な情報を提供しています。
この論文は、国際水素エネルギージャーナル48巻57号、2023 年 7 月 5 日、ページ 21610 ～ 21623に掲載されているものです。
天然水素・混合ガスの組成と地質環境による分類
| ガス組成タイプ | H₂濃度 | 共存ガス | 地質的環境・生成過程 | 探査・賦存評価上の意義 |
|---|---|---|---|---|
| 高純度H₂型 | 50〜98% | N₂・微量He・CH₄ | 超塩基性岩（かんらん岩）の蛇紋岩化反応が活発な地域。オフィオライト帯・大洋中央海嶺付近。 | 最も商業利用しやすい高品質ガス。マリ・ブーラケブグーの事例がこれに相当。精製コストが低い。 |
| H₂-N₂混合型 | 20〜60% | N₂が主、He微量、CH₄微量 | 先カンブリア代の安定大陸地域（クラトン）。深部からの「地質学的ガス」が混合。 | N₂が主要希釈剤。分離技術は比較的容易。カナダ楯状地・アフリカ安定地塊に多い。 |
| H₂-CH₄混合型 | 5〜40% | メタン（CH₄）が支配的 | 有機物の熱分解・微生物によるH₂消費が不完全な地域。深部熱水系・石炭層の周辺。 | CH₄の存在が地下水素の「消費者」（メタン菌）の活動を示す場合あり。H₂/CH₄比が生物・地質プロセスの指標。 |
| H₂-He混合型 | 数%〜30% | He（ヘリウム）が特徴的 | 古いクラトン地域の深部放射性崩壊（U・Th）由来のHeと蛇紋岩化H₂が混合。南アフリカ・カナダ等の深部鉱山。 | HeとH₂の同時発生は地質学的に重要。He含有ガスは付加価値素材（希少ガス）として別途回収可能。 |
天然水素の「再生可能性」と継続的生成プロセス
- 蛇紋岩化反応の持続性：かんらん岩（ペリドタイト）が地下水と反応して蛇紋石＋磁鉄鉱＋H₂を生成する反応は、岩石・水が存在する限り継続的に進行する。この意味で天然水素は「再生可能」（renewable）と見なせる可能性がある。ただし反応速度は地温・圧力・水の供給に依存する。
- ラジオリシスの継続的寄与：地殻内の放射性核種（U・Th・K）による水分子の放射線分解（ラジオリシス）は、放射性崩壊が継続する限り（数十億年スケール）H₂を生成し続ける。深部の古い岩盤地域では安定した長期的H₂供給源となりうる。
- ガス組成の時間変動：H₂/CH₄/N₂の組成比は季節・地下水位・気圧の変動によって変化することが観測されている。定期的モニタリングが賦存量評価に不可欠。
