Bajo las minas de oro de Sudáfrica, un gas inesperado se ha estado acumulando durante miles de millones de años. El helio, esencial para los escáneres de resonancia magnética y la investigación avanzada, se encuentra atrapado en las antiguas rocas de la Cuenca de Witwatersrand en concentraciones raramente encontradas en otros lugares.
En el proyecto de gas Virginia, el gas natural rico en helio ya llega a los clientes, y las estimaciones sugieren que el campo podría contener más de 12.700 millones de metros cúbicos de este elemento.
Esto convierte al sitio en un laboratorio natural para los científicos que estudian cómo se forma el helio, cómo migra a través de las rocas y cómo sobrevive bajo tierra durante eras geológicas.
La investigación está liderada por Fin Stuart, del Centro de Ciencias de Isótopos (SUERC) de la Universidad de Glasgow (SUERC). Su equipo utiliza mediciones de helio para rastrear el movimiento del gas a través de algunas de las cortezas terrestres más antiguas.
Al rastrear el helio desde minerales radiactivos en las profundidades hasta los pozos de gas modernos, los científicos buscan descubrir pistas que podrían remodelar la forma en que el mundo busca este recurso irremplazable.
Helio antiguo bajo Sudáfrica
En la Cuenca Sur de Witwatersrand, el proyecto de gas Virginia extrae gas natural con hasta un 12 por ciento de helio, según un trabajo detallado.
Basándose en la geología regional, los científicos creen que el reservorio ha contenido helio desde que los sedimentos de Karoo lo sellaron hace unos 270 millones de años.
El equipo sospecha que los arrecifes de oro ricos en uranio debajo de la cuenca suministran la mayor parte del helio, mientras que un basamento de granito fracturado más profundo proporciona una fuente adicional.
Un gas del que dependen los hospitales
El helio enfría los imanes superconductores, que conducen la electricidad sin resistencia, dentro de los escáneres de resonancia magnética en hospitales de todo el mundo.
Debido a que el helio se forma lentamente a medida que el uranio y el torio se desintegran, es no renovable y no se reemplaza en escalas de tiempo humanas.
Esta discrepancia entre la producción lenta y el uso rápido ya ha provocado escasez de helio para laboratorios, fabricantes de semiconductores y centros médicos.
Un campo que pueda soportar décadas de producción de helio es, por lo tanto, mucho más importante que una sola mina, influyendo en la planificación a largo plazo de las cadenas de suministro globales.
Rocas radiactivas alimentan el helio
El helio en el campo de Virginia es en gran medida radiogénico, lo que significa que se ha producido por la desintegración radiactiva en las rocas durante millones de años.
El Supergrupo Witwatersrand contiene arrecifes auríferos de entre 2.800 y 3.000 millones de años que concentran minerales de uranio y torio.
Debajo de esos sedimentos se encuentra un basamento de granito, una roca cristalina antigua formada por granos minerales entrelazados, que produce helio que se filtra en fracturas profundas.
Al estimar las contribuciones de helio de cada unidad de roca, el equipo puede juzgar la longevidad del campo e identificar dónde podrían existir acumulaciones similares en otros lugares.
Pistas antiguas en el gas moderno
El proyecto utilizará petrografía, el estudio microscópico de finas láminas de roca, para mapear qué minerales en las muestras contienen uranio, torio y helio atrapado.
Los investigadores aplicarán un método de termocronología que mide la acumulación de helio mineral, revelando qué granos retienen el helio y cuáles lo liberan rápidamente.
Los instrumentos de gases nobles en los laboratorios de SUERC calentarán los granos para liberar sus isótopos, versiones de elementos con diferentes masas, revelando cuándo escapó el helio.
Al combinar las mediciones de roca con los datos de helio y metano de los pozos, el equipo construirá un modelo de generación, almacenamiento y escape de helio.
Microbios, metano y agua en movimiento
Los estudios clasifican el metano de Virginia como biogénico, producido por microbios en lugar de reacciones de alta temperatura.
En las minas cercanas, los científicos han muestreado aguas que albergan microbios que se alimentan de productos químicos, documentados en una encuesta metagenómica a una profundidad de aproximadamente 3 kilómetros.
Las aguas subterráneas que se mueven a través de la red de fallas de la cuenca recogen metano y helio, transportando gases y sales a medida que circulan a través de fracturas profundas.
A medida que ese agua rica en gas asciende, se forman burbujas de metano, arrastran el helio y se acumulan en trampas estructurales como el campo de Virginia.
Del gas al líquido
Renergen ha resuelto problemas de enfriamiento en su planta de helio frío, alcanzando los -452°F (-269°C) para que se pueda producir helio líquido en el sitio.
“Este enfoque práctico continuará hasta que nuestra planta alcance cerca de su capacidad nominal”, dijo Stefano Marani, CEO de Renergen.
La planta de Fase 1 está diseñada para entregar gas natural licuado y aproximadamente 350 kilogramos de helio líquido cada día.
A medida que la producción aumenta, hacer coincidir la producción de helio con el modelo geológico será crucial para restablecer la confianza de los clientes y planificar la segunda fase.
Reclutando rastreadores de helio
La Universidad de Glasgow está reclutando un investigador doctoral para llevar a cabo este proyecto de helio como parte de un doctorado totalmente financiado.
El programa se dirige a un científico físico en las primeras etapas de su carrera y lo integra en la investigación durante varios años.
En lugar de analizar únicamente conjuntos de datos existentes, el puesto se centra en el muestreo de campo práctico, las mediciones de laboratorio y la estrecha colaboración con socios académicos e industriales.
El investigador se convertirá en el investigador principal que ejecuta el trabajo, traduciendo la teoría geológica en mediciones que expliquen cómo el helio antiguo llegó al campo de gas de Virginia.
Midiendo rocas y gas
El investigador doctoral recolectará muestras de roca, preparará secciones delgadas y documentará la mineralogía y las texturas que controlan el almacenamiento de gas.
En el laboratorio, el estudiante medirá la retención de uranio, torio y helio en los tipos de roca, luego comparará los resultados con las composiciones de gas de los pozos.
El trabajo en los laboratorios de SUERC capacitará al investigador doctoral en espectrómetros de masas, instrumentos que separan los iones por masa, para medir el helio y los gases nobles.
Las prácticas en Renergen brindarán experiencia práctica en helio y conectarán la geoquímica, el estudio de los patrones químicos en las rocas, con las operaciones en un campo de gas.
El helio guía la futura perforación
Comprender la migración del helio hacia la estructura de Virginia podría ayudar a los geólogos a apuntar a cratones, núcleos continentales antiguos y estables, donde las rocas falladas contienen gas helio.
En tales reservorios, las distintivas firmas de gases nobles, las relaciones entre el helio y otros gases inertes, pueden indicar que un campo ha permanecido sellado durante siglos.
El estudio de Virginia podría ayudar a los científicos a refinar las estimaciones de cuánto helio se libera cuando los operadores inyectan dióxido de carbono en acuíferos profundos utilizados para el almacenamiento.
Debido a que el helio es inerte y fácil de medir, las señales de helio pueden rastrear si el dióxido de carbono inyectado permanece bajo tierra o se filtra a la superficie.
Mirando tres mil millones de años hacia adelante
La historia del helio de Witwatersrand vincula la desintegración radiactiva en la corteza antigua, la vida microbiana a kilómetros de profundidad y la demanda actual de combustible y una imagen médica confiable.
Utilizando el proyecto de gas de Virginia como laboratorio, los científicos pueden estudiar cómo interactúan los factores geológicos y de ingeniería en el desarrollo de un recurso rico en helio.
A medida que el modelo de helio mejore, las empresas y los reguladores comprenderán cuánto tiempo durará el recurso de Virginia y con qué precaución se debe producir.
Las lecciones de esta parte de Sudáfrica podrían guiar futuras búsquedas de campos de gas ricos en helio en otros terrenos antiguos de todo el mundo.
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