Природа извержения вулканов до настоящего времени не имела однозначного понимания. Чаще других высказывалось мнение, что вулканические явления связаны с расширением газов, находящихся в глубинах под большим давлением и с высокой температурой. Содержание основных компонентов вулканического газа, не считая паров воды, которые составляют примерно 90-95% представлены в таблице 1.
В настоящее время принято ошибочное представление, что эти газы растворены в магме на больших глубинах, и выделение энергии при извержении объясняется вскипанием магмы и расширением газов. Это не так. На больших глубинах, в условиях высокого давления и значительной температуры, эти газы совместно существовать не могут из-за малой свободной энергии. Однако атомы, из которых состоят эти газы в глубинах, в виде каких-то соединений должны находиться. Из чего эти газы получились при поднятии на поверхность? С точки зрения химической термодинамики при давлении 3-10 тысяч атмосфер и температур в сотни градусов стабильны соединения из этих атомов с большей свободной энергией (ацетилен, этан, озон, бензол, гидразин, окись азота), которые накапливаются в подземном вулканическом очаге, а затем горят и взрываются, выделяя энергию и выбрасывая продукты реакции на поверхность. Это подтверждается тем, что при извержении вулкана Толбачик на Камчатке в 1975-1976 гг. в вулканических газах обнаружены предельные и непредельные углеводороды этан, ацетилен, а также ароматические углеводороды [Мархинин 1980].
Справедливость таких утверждений подтверждается химическими реакциями, например, под высоким давлением азот взаимодействует с водородом, образуя аммиак 9Н2+2N3↔6NH3.
При давлении выше 3000 атмосфер наличие азота и водорода в смеси газов уже незначительно. Это говорит о том, что на глубинах более 10 км смесь азота и водорода существовать не может. В свою очередь аммиак, взаимодействуя с кислородом, дает NO2. Окись азота образуется и при взаимодействии азота с кислородом при адиабатическом сжатии до давлений 7000-10000 атм. [Гоникберг, 1953]:
2О2+N2↔2NO2
Наличие в глубинных газах аммиака и окислов азота подтверждается составом вулканических газов. В вулканических газах вулкана Тятя почти 100% катионов представлено аммонием, а среди анионов имеется NO3- [Мархинин, 1980].
При взаимодействии окиси углерода и водорода (реакция Фишера-Тропша) при давлении 7-10 атм. и температуре 180-200 градусов цельсия образуются нефтепродукты:
CО+Н2→нефтепродукты
Взаимодействуя с окислами азота нефтепродукты дают нитросоединения.
По известным химическим реакциям можно сделать вывод, что при давлении примерно до 10 тысяч атмосфер (глубина 30 километров) и больше, известные нам газы Н2О, СО, СО2, N2, Н2, О2 с малой свободной энергией существовать не могут, а наиболее вероятной с термодинамической и химической точки зрения в глубинах Земли становится существование силановой нефти [Тимофеев,2015а] и нитронефти [Тимофеев 2011].
Нитронефть обладает двумя характерными свойствами.
Во-первых, она способна взрываться, как взрывчатые вещества тротил, гексоген, или гореть как порох. Эти взрывы и горение могут происходить как на поверхности Земли, так и в ее глубинах без доступа кислорода. Кислород есть в составе нитронефти. Он является здесь источником энергии, но ряд компонентов нитронефти, например, ацетилен, могут взрываться и без участия кислорода, только за счет своей внутренней энергии.
Во-вторых, она может содержать компоненты, приводящие к ее самовоспламенению при понижении давления, например, гидразин N2H4, окись азота NO2, силан SiH4…
Доказательством существования нитронефти является и вид пламени при вулканических извержениях. Видимое пламя при извержении не может быть просто свечением раскаленных газов, поскольку газы Н2О, СО, СО2, N2, Н2, О2 не светятся даже при температуре в тысячу градусов. Пламя это – однозначно зона химических реакций окисления – зона горения (рис. 1).
Огонь вулканического извержения (рис. 1. 1.) больше похож на огонь горения пороха (рис. 1. 2), чем на огонь горения природного газа (рис. 1. 3). Это связано с тем, что порох и нитронефть горят за счет своего кислорода, а в природном газе кислорода нет, горение идет только за счет кислорода воздуха, из-за чего пламя колышется.
Об этом же говорит и состав вулканических газов Н2О, СО, СО2, N2. Аналогичный состав имеют пороховые газы или газы от взрыва взрывчатых веществ.
Другим доказательством наличия нитронефти в вулканическом процессе является то, что раскаленные глыбы породы (вулканические бомбы), выброшенные из жерла вулкана при извержении, не просто остывают, лежа на склоне вулканического конуса, а в некоторых случаях взрываются [Влодавец, 1973]. Взрывы не могут быть вызваны физическими причинами, например, температурными напряжениями, поскольку вещество бомб однородно, температура по толщине не имеет больших градиентов. Взрывы вулканических бомб являются взрывами компонента породы – химического вещества, способного взрываться.
При вулканических извержениях часто происходит образование значительных количеств вулканического пепла. Состав вулканического пепла содержит вещества, которые при сгорании образуют твердый остаток, продукт сгорания силановой нефти.
Всю цепочку возникновения энергии вулканов можно представить следующим образом. Энергия вулканических процессов зарождается в ядре Земли при ядерных реакциях распада урана и тория и накапливается там в виде высокой температуры ее газообразных сфер. Эта энергия частично расходуется на расщепление пород нижней мантии. Часть остается в ядре, в раскаленных газах погружающихся тяжелых элементов, а часть поднимается в мантию в виде легких радикалов, как химическая энергия соединений с большим изобарным потенциалом. Далее легкие радикалы эту энергию передают силановой нефти и нитронефти, которые далее поднимаются в мантии, поскольку эти образовавшиеся соединения имеют плотность меньше, чем окружающие породы. Затем эта энергия высвобождается в земной коре при экзотермических реакциях распада, горения и взрывов силановой нефти и нитронефти с образованием вулканических газов, лав и пеплов в вулканических каналах и магматических очагах вулканов рис. 2.
Магма представляет из себя горящую силановую нефть в которой значительную часть составляют продукты ее распада. При полном догорании в магме силановой нефти и нитронефти образуется лава.
Таким образом извержение вулкана это не просто расширение сжатых горячих газов, а горение и взрывы насыщенных энергией химических соединений силановой нефти и нитронефти.
Предотвратить извержение вулкана можно путём выкачивания силановой нефти и нитронефти из будущего вулканического очага. Места залеганий близких к поверхности скоплений силановой нефти – это районы вулканической и тектонической активности. В нашей стране это Кольский полуостров, Сахалин, Курильские острова, Камчатка, Байкальский рифт, Тува, Крым, Кавказ, Алтай, Новосибирские острова. Если в месте ожидаемого извержения, например спящего вулкана, проявляющего сейсмическую активность, провести бурение и извлекать силановую нефть, то извержения вулкана не произойдёт, поскольку энергетическое топливо будет извлечено и переработано на полезную для народного хозяйства продукцию. Добывать силановую нефть и нитронефть возможно без истощения месторождения непрерывно в течение тысяч лет, поскольку многие вулканы периодически извергаются, а значит подпитываются горючим, в течении тысячелетий, например вулкан Стромболь. Разумеется, проводить бурильные работы надо не в период активного извержения вулкана, а в период затишья, когда в этом районе происходит накопление силановой нефти и нитронефти. В такое время эти продукты в Земле разлагаются медленно, а магма не образуется. Такой период может длиться сто лет и более. Перспективное место поиска силановой нефти Эльбрус. Можно бурить не в районе основного конуса, а найти растущий шток, место возможного зарождения нового вулканического канала. В этом случае может оказаться, что бурить придется на глубину 2-3 км. Можно попробовать восстановить, например, с помощью взрыва, каналы выхода силановой нефти на Кольской сверхглубокой скважине, тем более, что место, где было её проявление известно. Добычу силановой нефти можно осуществить, применяя обычный процесс бурения с использованием буровых растворов на основе не взаимодействующих с силанами веществ, например, сероуглерода, фреона или дизельного топлива. Менее опасно проводить добычу в зонах вулканических явлений фумарольного типа, где содержание кислорода в силановой нефти меньше, и вероятность взрывов мала. Добывать силановую нефть рациональней, чем углеводороды, поскольку она в естественных условиях бесполезно распадается, а в виде углеводородов в глубинах Земли остается ее незначительная часть. Получение металлов из силановой нефти энергетически менее затратно, чем из руд. Металлы в составе силановой нефти не в виде окислов, а в виде соединений с более высокими изобарными потенциалами, на разложение которых в процессе получения металлов потребуется меньше энергии. Переработку силановой нефти и нитронефти можно осуществлять уже по имеющимся в химической промышленности и металлургии технологиям, поскольку есть большой опыт работы с подобными химическими соединениями. Силановая нефть очень ценное полезное ископаемое. Из силановой нефти будут получаться углеводороды, металлы (алюминий, железо, медь, никель, уран…), производиться продукция химической промышленности пластмассы, волокна, резины, смазочные материалы, взрывчатые вещества, красители, топливо.
Несомненным достоинством при получении энергии от сжигания силанов вместо углеводородов является отсутствие парниковых газов, загрязняющих атмосферу. Кроме этого, как побочный продукт образуется базальт или гранит, которые можно использовать как строительный материал (аналог бетона) для строительства домов, дорожных покрытий, взлетных полос аэродромов, мостов и т. д. Такой материал легко модифицируется для придания ему специальных свойств. Например, с помощью легирующих добавок можно получать материалы с заданными свойствами, которые не горят, не ржавеют, и сооружения из которых могут служить тысячи лет.
При грамотном технологическом подходе можно обеспечить подъем силановой нефти без возгорания, и получать ее из одной скважины бесконечно долго. Небольшое количество скважин в нескольких районах обеспечит потребности страны в этом сырье на сотни, если не на тысячи лет, чем отпадет потребность в постоянном поиске и разработке новых месторождений как углеводородов, так и руд. Экономический эффект от добычи силановой нефти даст пользы стране больше, чем освоение ядерной энергии и завоевание космоса вместе взятые, поскольку в разы увеличит эффективность энергетики и металлургии. Страна, первая освоившая добычу силановой нефти, совершит рывок в своем экономическом развитии и станет вне конкуренции в экономике по сравнению с другими странами. Схема переработки силановой нефти в отличие от традиционных видов получения металлов и энергии показана на рис. 4.
Использование и переработка силановой нефти полностью исключит необходимость в горных работах по добыче руд в шахтах и рудниках, заменит вредные металлургические производства на более экологически чистые и энергетически менее затратные заводы, значительно снизит выбросы углекислого газа в атмосферу. Извлечение силановой нефти из глубин сделает безопасными районы с вулканическими проявлениями и повышенной сейсмичностью, что может исключить жертвы и дать экономическую пользу в части исключения потерь от таких природных катастроф.
Это будет новая силановая эра, как был когда-то каменный век, далее железный век, атомный век. Настала очередь силанового века.
Наша страна традиционно была лидером в освоении земных недр. Ее научные достижения в этой области подтверждаются рекордной глубиной исследования на Кольской сверхглубокой скважине, которая до настоящего времени не достигнута другими странами. Продолжение исследований и решение задач добычи силановой нефти имеет перспективу существенного развития этой отрасли, что требует серьезного планирования и финансирования этого важного направления.
Литература
Тимофеев Д.Н. Энергия вулканов и землетрясений в свете законов химии, ядерной физики и термодинамики, а также возможность предотвращения вулканических проявлений и землетрясений. V Всероссийский симпозиум по вулканологии и палеовулканологии. Вулканизм и геодинамика. ИГГ УрО РАН Екатеринбург 2011а.с.449-452
Тимофеев Д.Н. Силановая нефть и глобальные процессы трансформации Земли. восьмые научные чтения Ю.П. Булашевича Геодинамика, глубинное строение, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. ИГ УрО РАН Екатеринбург 2015а. С.316-320. http://www.igeoph.net/Seminary/bulash2015/bulash2015.pdf