ҚАЗАҚСТАНДАҒЫ ТАЗА ЭНЕРГИЯ ӨНДІРУ ЖӘНЕ КӨМІРҚЫШҚЫЛ ГАЗЫН АЗАЙТУ ЖОЛЫ: НЕГІЗДІ ЖӘНЕ УЛЬТРАНЕГІЗДІ ЖЫНЫСТАРДЫ СУТЕГІ ӨНДІРУ МЕН КӨМІРҚЫШҚЫЛ ГАЗЫН СЕКВЕСТРЛЕУГЕ ПАЙДАЛАНУ

Көмірқышқыл газын (CO₂ ) ұзақ мерзімге геологиялық ортада сақтау және табиғи сутегі (H₂ ) сияқты төмен көміртекті энергия көзін игеру көміртегі бейтараптығына өтуге бағытталған зерттеулердің маңызды бөлігіне айналды. Негізді және ультранегізді жыныстар бұл тұрғыдан ерекше қызығушылық тудырады, себебі олардың минералдық құрамы CO₂ -нің карбонат минералдары түрінде байланысуына және H₂ түзілуіне жағдай жасай алады. Дегенмен, бұл екі процестің бір жыныс жүйесінде қалай қатар жүретіні және олардың минералдық құрамға тәуелділігі жеткілікті зерттелмеген. Осы жұмыста Шығыс Қазақстандағы Шар офиолиттік тігіс аймағы мен Батыс Қазақстандағы Кемпірсай ультранегізді массивінен алынған негізді және ультранегізді жыныстар зерттелді. Зерттеу нәтижелері көрсеткендей СО₂ газының минералдану жылдамдығы серпентинге бай ультранегізді үлгілердің құрамында лизардит минералының еруінен бөлінетін Mg²⁺ мөлшеріне тікелей байланысты. Ал магнезиохромит минералының мөлшері жоғары болған үлгілерде рекациядан кейінгі жалпы көміртек мөлшері аз ғана пайызды құрады. H₂ түзілуінің ең жоғары мөлшері Шар аймағының U-2C ультранегізді үлгісінде (0,872 мол.%) және M-1C негізді үлгісінде (0,721 мол.%) байқалды. Кемпірсай массивінен алынған үлгілердің кейбірінде ғана өте аз мөлшерде H₂ тіркелді. CO₂ -нің минералдық байланысуы Mg құрамды фазалардың реакциясымен тығыз байланысты болса, H₂ түзілуінде реакцияға қабілетті Fe құрамды минералдардың рөлі басым болды. Осы айырмашылықтарды ескеру Қазақстандағы офиолиттік кешендерді CO₂ минералдық сақтау және табиғи H2 іздеу тұрғысынан бағалауда маңызды.

1. Matter, J.M., and Kelemen, P.B. Permanent storage of carbon dioxide in geological reservoirs by mineral carbonation. Nature Geoscience, 2 (12), 837–841 (2009). https://doi.org/10.1038/ngeo683

2. Oelkers, E.H., Gislason, S.R., and Matter, J. Mineral carbonation of CO2. Elements, 4 (5), 333–337 (2008). https://doi.org/10.2113/gselements.4.5.333

3. Osselin, F., Pichavant, M., Champallier, R., Ulrich, M., and Raimbourg, H. Reactive transport experiments of coupled carbonation and serpentinization in a natural serpentinite: Implication for hydrogen production and carbon geological storage. Geochimica et Cosmochimica Acta, 318, 165–189 (2022). https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.11.039

4. Godard, M., Gouze, P., Pascale, B., Martinez, I., Escario, S., Decrausaz, T., Leprovost, R., Roubinet, D., and Pézard, P. In Situ CO2 Mineralization in Mantle-Derived Ultramafic Basements: Insights from Laboratory Experiments and Field Studies (Oman Ophiolite). SSRN Electronic Journal (2022). https://doi.org/10.2139/ssrn.4285227

5. Kularatne, K., Sissmann, O., Kohler, E., Chardin, M., Noirez, S., and Martinez, I. Simultaneous ex-situ CO2 mineral sequestration and hydrogen production from olivine-bearing mine tailings. Applied Geochemistry, 95, 195–205 (2018). https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.05.020

6. Gislason, S.R., Wolff-Boenisch, D., Stefansson, A., Oelkers, E.H., Gunnlaugsson, E., Sigurdardottir, H., Sigfusson, B., Broecker, W.S., Matter, J.M., and Stute, M. Mineral sequestration of carbon dioxide in basalt: A pre-injection overview of the CarbFix project. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4 (3), 537–545 (2010). https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2009.11.013

7. Gíslason, S.R., Sigurdardóttir, H., Aradóttir, E.S., and Oelkers, E.H. A brief history of CarbFix: Challenges and victories of the project’s pilot phase. Energy Procedia, 146, 103–114 (2018). https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.07.014

8. McCollom, T.M., and Bach, W. Thermodynamic constraints on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73 (3), 856–875 (2009). https://doi.org/10.1016/j.gca.2008.10.032

9. Gadikota, G. Multiphase carbon mineralization for the reactive separation of CO2 and directed synthesis of H2. Nature Reviews Chemistry, 4 (2), 78–89 (2020). https://doi.org/10.1038/s41570-019-0158-3

10. Klein, F., Bach, W., and McCollom, T.M. Compositional controls on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks. Lithos, 178, 55–69 (2013). https://doi.org/10.1016/j.lithos.2013.03.008

11. Ely, T., Leong, J., Canovas, P., and Shock, E. Huge variation in H2 generation during seawater alteration of ultramafic rocks. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 24 (3), e2022GC010658 (2023). https://doi.org/10.1029/2022GC010658

12. Wang, J., Watanabe, N., Okamoto, A., Nakamura, K., and Komai, T. Enhanced hydrogen production with carbon storage by olivine alteration in CO2-rich hydrothermal environments. Journal of CO2 Utilization, 30, 205–213 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.02.008

13. Miller, H.M., Mayhew, L.E., Ellison, E.T., Kelemen, P., Kubo, M., and Templeton, A.S. Low temperature hydrogen production during experimental hydration of partially serpentinized dunite. Geochimica et Cosmochimica Acta, 209, 161–183 (2017). https://doi.org/10.1016/j.gca.2017.04.022

14. McCollom, T.M., Klein, F., and Ramba, M. Hydrogen generation from serpentinization of iron-rich olivine on Mars, icy moons, and other planetary bodies. Icarus, 372, 114754 (2022). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114754

15. Ueda, H., Sawaki, Y., and Maruyama, S. Reactions between olivine and CO2-rich seawater at 300°C: Implications for H2 generation and CO2 sequestration on the early Earth. Geoscience Frontiers, 8 (2), 387– 396 (2017). https://doi.org/10.1016/j.gsf.2016.10.002

16. Smith, N., Shepherd, T., Styles, M., and Williams, G. Hydrogen exploration: A review of global hydrogen accumulations and implications for prospective areas in NW Europe. Geological Society, London, Petroleum Geology Conference Series, 6 (1), 349–358 (2005). https://doi.org/10.1144/0060349

17. Neal, C., and Stanger, G. Hydrogen generation from mantle source rocks in Oman. Earth and Planetary Science Letters, 66, 315–320 (1983). https://doi.org/10.1016/0012-821X(83)90144-9

18. Osselin, F. Experimental study of the co-valorization of carbon dioxide storage through hydrogen production in ultramafic formations. American Geophysical Union Fall Meeting Abstracts, GC31E-1297 (2022). https://doi.org/10.1002/essoar.10501775.1

19. Khandoozi, S., Hazlett, R., and Fustic, M. A critical review of CO2 mineral trapping in sedimentary reservoirs—from theory to application: Pertinent parameters, acceleration methods and evaluation workflow. Earth-Science Reviews, 244, 104515 (2023). https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104515

20. Klein, F., and McCollom, T.M. From serpentinization to carbonation: New insights from a CO2 injection experiment. Earth and Planetary Science Letters, 379, 137–145 (2013). https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.08.017

21. Neubeck, A., Nguyen, D.T., and Etiope, G. Low-temperature dunite hydration: Evaluating CH4 and H2 production from H2O and CO2. Geofluids, 16 (3), 408–420 (2016). https://doi.org/10.1111/gfl.12159

22. Melcher, F., Grum, W., Simon, G., Thalhammer, T.V., and Stumpfl, E.F. Petrogenesis of the ophiolitic giant chromite deposits of Kempirsai, Kazakhstan: A study of solid and fluid inclusions in chromite. Journal of Petrology, 38 (10), 1419–1458 (1997). https://doi.org/10.1093/petroj/38.10.1419

23. Zgonnik, V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review. EarthScience Reviews, 203, 103140 (2020). https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103140

24. Selyatitskii, A.Y., Reverdatto, V.V., Kuz’Min, D.V., and Sobolev, N.V. Minor elements in unusual olivines from high-pressure peridotites of the Kokchetav Massif (Northern Kazakhstan). Doklady Earth Sciences, 445 (2), 1015–1019 (2012). https://doi.org/10.1134/S1028334X12080235

25. Kuibida, M.L., Safonova, I.Y., Yermolov, P.V., Vladimirov, A.G., Kruk, N.N., and Yamamoto, S. Tonalites and plagiogranites of the Char suture-shear zone in East Kazakhstan: Implications for the KazakhstanSiberia collision. Geoscience Frontiers, 7 (1), 141–150 (2016). https://doi.org/10.1016/j.gsf.2015.09.002.