全球天然氫氣勘探開發(fā)利用進(jìn)展及中國的勘探前景

竇立榮，劉化清，李 博，齊 雯，孫 東，尹 路，韓雙彪

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

當(dāng)前，全球新一輪能源革命蓬勃興起，正經(jīng)歷著從化石能源向非化石能源（新能源）過渡的重要階段［1-2］。作為一種來源廣泛、清潔低碳、安全高效的燃料，氫氣在能源清潔替代中具有重要的戰(zhàn)略地位，氫能開發(fā)正逐步成為能源技術(shù)革命的重要方向，是實現(xiàn)能源脫碳的重要途徑［3］。

作為綠色轉(zhuǎn)型驅(qū)動模式的代表，德國最新發(fā)布的《國家氫能戰(zhàn)略》已經(jīng)明確發(fā)展路徑，以可再生氫為先導(dǎo)、低碳?xì)渑c可再生氫為過渡的戰(zhàn)略，并提出全面脫碳、政策監(jiān)管、市場拓展、技術(shù)研發(fā)、能源安全等5 個目標(biāo)。德國氫能發(fā)展已進(jìn)入戰(zhàn)略實施期，采用“兩步走”策略：第一階段為2021—2023 年，逐步擴(kuò)大市場規(guī)模，為運作良好的德國氫能市場奠定基礎(chǔ)；第二階段為2024—2030 年，鞏固氫能市場，并參與建立歐洲和國際層面的氫能市場。對氫能的利用以人工制氫為主，但無論何種制氫方法，現(xiàn)階段均還存在不足［4-6］（表1），電解水制氫雖然可以有效地減少碳排放，但其成本高昂，歐洲能源交易所（EEX）根據(jù)德國氫的相對交易計算出的價格為每兆瓦時234 歐元，而歐洲內(nèi)部的天然氣指標(biāo)價格僅為每兆瓦時30 歐元。鑒于此，德國計劃在2024 年開設(shè)首個氫交易所，以期通過增加交易量、拉低價格，帶動氫能源普及。為了吸引更多用戶，在氫交易所中，賣出價與買入價之間的差額將由德國政府支付。然而，要想實現(xiàn)收支平衡，還需要更長的時間來擴(kuò)大使用范圍以形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。目前商用占比最高的化石燃料制氫雖然成本低廉，卻面臨能量轉(zhuǎn)化率低、碳排放量高的問題。以中國為例，人工制氫的原料中煤炭的占比超過了60%（圖1），并且短期內(nèi)難以改變這種產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，若2050 年實現(xiàn)1×108t氫氣的終端應(yīng)用，通過煤炭、天然氣等化石燃料制氫需要消耗超過5×108t 標(biāo)準(zhǔn)煤，排放二氧化碳（12～18）×108t，這與發(fā)展氫能以降低碳排放的初衷相差甚遠(yuǎn)［7］。

圖1 世界主要國家和地區(qū)制氫原料占比（數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［8］）Fig.1 Proportion of hydrogen manufacturing raw materials in major countries and regions around the world

表1 不同制氫方式的效能對比（數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［4-6］）Table 1 Comparison of the efficiency of various hydrogen manufacturing processes

氫氣是氫元素形成的一種單質(zhì)，分子量為2.015 88，在常溫、常壓下是一種無色、無味、極易燃燒且難溶于水的氣體，密度為0.089 g/L（101.325 kPa，0 ℃），只占空氣的1/14，是世界上已知的密度最小的氣體。天然氫氣又稱“金氫”或“白氫”，是地下地質(zhì)過程中生成的氫氣，相比于人工制氫，是真正意義上的零碳、可再生的一次能源，能夠填補(bǔ)能源需求缺口、優(yōu)化氫能產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、助力能源清潔替代。在全球致力于實現(xiàn)能源脫碳、凈零排放的背景下，天然氫氣已然引發(fā)各大洲廣泛的研究和勘探熱情，多個國家制定了天然氫氣的開發(fā)和利用計劃。然而，相比于其他國家，中國還未將天然氫氣視為一種潛在能源礦產(chǎn)，相關(guān)的研究和勘探工作也未展開，僅有個別學(xué)者對天然氣藏中伴生氫氣的成因進(jìn)行了研究［9-10］，且只初步指出了天然氫氣的重要能源意義［11］。開展天然氫氣的普查工作、查清其資源潛力及開發(fā)利用前景迫在眉睫。

通過介紹全球已發(fā)現(xiàn)高含量天然氫氣（體積分?jǐn)?shù)大于10%）的主要賦存地質(zhì)環(huán)境及成因類型，系統(tǒng)總結(jié)天然氫氣富集的有利地質(zhì)條件，結(jié)合國外天然氫氣的勘探開發(fā)現(xiàn)狀，評價中國天然氫氣的勘探前景，并優(yōu)選出有利勘探區(qū)帶，以期為中國氫能開發(fā)和利用提供依據(jù)。

1 全球已發(fā)現(xiàn)天然氫氣的地質(zhì)環(huán)境

氫氣的檢測技術(shù)是限制人們認(rèn)識這種自然資源的主要因素之一。早在古希臘時期，位于土耳其安塔利亞附近的燃燒氣體就被用作奧運圣火，但直到2007 年才首次檢測出其中的氫氣體積分?jǐn)?shù)為7.5%～11.3%［12-13］。同樣的，在200 年前，人們在菲律賓發(fā)現(xiàn)了持續(xù)燃燒的天然氣體，經(jīng)檢測其中氫的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)41.4%～44.5%［14］。通過文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)全球天然氫氣的分布極為廣泛（圖2）。這主要得益于2 個原因：一是19世紀(jì)末前蘇聯(lián)學(xué)者提出的油氣無機(jī)成因?qū)W說，認(rèn)為大量的氫氣存在是無機(jī)生烴的前提，并在前蘇聯(lián)地區(qū)進(jìn)行了專門針對天然氫氣的檢測，并發(fā)現(xiàn)了大量高含量氫氣顯示［15］；二是由于天然氫氣與早期生命演化的關(guān)系［16］，在地球生命科學(xué)領(lǐng)域受到重視。自1997 年法國在大西洋中脊發(fā)現(xiàn)了含高含量氫氣的熱液噴口（“黑煙囪”）以來，陸續(xù)在海洋環(huán)境發(fā)現(xiàn)多個高含量氫氣的逃逸點。除此之外，天然氫氣的發(fā)現(xiàn)更多是被用于地質(zhì)過程的示蹤研究。天然氫氣作為能源直到近十年才被人們所關(guān)注，特別是近兩年在一系列天然氫氣專題國際大會（如2021 和2022 年的HNAT、2022 年的AAPG 等會議）的推動下，針對天然氫氣的研究迎來了大爆發(fā)［15，17-22］，科學(xué)出版物的數(shù)量成倍增長。全球已發(fā)現(xiàn)的天然氫氣具有分布范圍廣泛、含量差異顯著、賦存環(huán)境復(fù)雜的特點，其中高含量天然氫氣（體積分?jǐn)?shù)大于10%）主要發(fā)育于3 種地質(zhì)環(huán)境：蛇綠巖帶、裂谷和前寒武系富鐵地層。

圖2 全球不同地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中的天然氫氣顯示（根據(jù)文獻(xiàn)［26-27］修改）Fig.2 Natural hydrogen display in different geological tectonic environments worldwide

1.1 蛇綠巖帶

蛇綠巖帶是古代匯聚板塊邊緣的重要組成部分，代表了消失古洋殼的巖石圈殘片，主要由火成巖（地幔橄欖巖、堆晶巖、輝長巖、輝綠巖、玄武巖等）和沉積巖（深海遠(yuǎn)洋沉積）兩部分組成［23］。在世界多個匯聚板塊邊緣的蛇綠巖帶上均發(fā)現(xiàn)了天然氫氣顯示（圖2），如前文所述的發(fā)現(xiàn)于土耳其和菲律賓的高含量氫氣［12，14］、阿曼和美國等地的蛇綠巖帶上的高含量天然氫氣等（圖3）。全球與蛇綠巖帶相關(guān)的天然氫氣都具有較高的含量顯示，90%以上的樣品中氫體積分?jǐn)?shù)超過了30%。阿曼是發(fā)現(xiàn)與蛇綠巖相關(guān)的天然氫氣最多的國家（圖3），且多數(shù)樣品氫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了60%以上，最高達(dá)到97%～99%［24-25］。

圖3 全球與蛇綠巖相關(guān)的天然氫氣發(fā)現(xiàn)及含量（數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［15］）Fig.3 Global discovery and content of natural hydrogen related to ophiolite

1.2 裂谷

裂谷環(huán)境的天然氫氣發(fā)現(xiàn)主要集中于洋中脊區(qū)域［28］，特別是在大西洋中脊區(qū)域（Mid-Atlantic ridge，MAR）。目前已經(jīng)在多個部位的“黑煙囪”中檢測到了高含量氫氣（圖2），如位于大西洋中脊的彩虹熱液田（Rainbow hydrothermal field）中的氫氣體積分?jǐn)?shù)可超過40%［29］，在洋中脊巖石中也含有高含量的天然氫氣，平均體積分?jǐn)?shù)大于21.4%［15］。此外，大陸裂谷環(huán)境同樣具備富氫流體發(fā)育的地質(zhì)條件，但目前對該地質(zhì)環(huán)境的氫氣檢測較少，僅在位于美國愛荷華州西北約100 km 的2 口鉆井中檢測到氫氣，體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了33.7%（Willey 1 井）和96.3%（Hofmann 3 井）［30-31］，其成因被認(rèn)為與北美中陸裂谷（The Midcontinent Rift，MCR）有關(guān)（圖4）。

圖4 美國中陸裂谷及天然氫氣顯示位置（根據(jù)文獻(xiàn)［15］和［32］修改）Fig.4 Location of Central Rift Valley and natural hydrogen display in the United States

1.3 前寒武系富鐵地層

地質(zhì)和地球化學(xué)證據(jù)表明，前寒武紀(jì)克拉通普遍代表一種缺氧富鐵的環(huán)境［33-34］，形成于前寒武紀(jì)的條帶狀鐵建造（BIF），占全球鐵礦產(chǎn)量的90%以上［35］，許多已發(fā)現(xiàn)的天然氫氣都與前寒武紀(jì)的富鐵地層有關(guān)（圖2）［36-38］。通過分析氫氣含量與古老基底埋深的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)基底埋深越小，氫氣含量越高（圖5）。除游離態(tài)的氫氣外，在前寒武系的巖石包裹體中同樣檢測到高含量的氫氣，其含量比年輕基底巖石中的氫氣要高出一個數(shù)量級［39］。此外，在全球多個盆地實施的鉆井勘探表明，天然氫氣賦存于多種能源礦產(chǎn)及沉積巖中［15］，部分地區(qū)沉積巖中氫的體積分?jǐn)?shù)超過90%［40-41］，而無機(jī)成因氫氣通常都與前寒武系富鐵地層有關(guān)［15，42-43］。由此可見，前寒武系富鐵地層是全球天然氫氣的一個重要產(chǎn)層。

圖5 全球天然氫氣含量與前寒武系富鐵地層埋深的關(guān)系（數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［15］）Fig.5 Relationship between the burial depth of Precambrian iron-rich strata and natural hydrogen content worldwide

2 全球天然氫氣的成因

天然氫氣的成因可概括為無機(jī)和有機(jī)兩大類型，已發(fā)現(xiàn)的天然氫氣多為無機(jī)成因。有機(jī)成因的天然氫氣主要是通過熱作用和微生物作用產(chǎn)生的，如有機(jī)質(zhì)的分解、發(fā)酵以及固氮過程等，最新的研究已就天然氫氣的有機(jī)成因進(jìn)行了詳細(xì)論述［44］，本文不再討論，主要分析天然氫氣的無機(jī)成因。天然氫氣的無機(jī)成因可進(jìn)一步分為多種類型，如蛇紋石化、地球深部脫氣、水的輻解、巖漿熱液、巖石碎裂以及地殼風(fēng)化等［15，45-47］，其中蛇紋石化作用是主要成因，其次為地球深部脫氣和水的輻解。

2.1 蛇紋石化

蛇紋石化生氫是指基性—超基性巖石中的富Fe2+礦物（橄欖石）與水反應(yīng)生成氫氣的過程。橄欖石在自然界通常以Mg-Fe 二元固溶體的形式存在［（Mg，F(xiàn)e）2SiO4］。其中鐵橄欖石端元（Fe2SiO4）與水的反應(yīng)如下：

鎂橄欖石端元（Mg2SiO4）與水的反應(yīng)有2 種形式，一是鎂橄欖石與式（1）中生成的過量SiO2反應(yīng)生成蛇紋石［Mg3Si2O5（OH）4］：

二是鎂橄欖石還可與水直接發(fā)生反應(yīng)生成蛇紋石和氫氧化鎂：

由此可知，蛇紋石化成因的富氫流體的pH 值通常都較高，為10～12。

天然氫氣的生成量與橄欖石蛇紋石化的程度呈正相關(guān)，而影響蛇紋石化過程中生氫速率的2 個主要因素是反應(yīng)溫度與催化劑［48-52］。熱力學(xué)計算結(jié)果表明，橄欖石發(fā)生蛇紋石化反應(yīng)的最佳溫度為200～310 ℃，超過或低于這一溫度范圍都會抑制氫氣的生成［52］，但自然界（如阿曼以及挪威等）同樣存在許多低溫（＜122 ℃）蛇紋石化過程［53-57］。最新研究表明，Ni2+的加入能極大提高蛇紋石化過程的生氫速率［19］，在90 ℃時，僅添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Ni就能使氫的生成速率顯著提高約2 個數(shù)量級。此外，其他礦物的加入也會影響橄欖石蛇紋石化的速率，如當(dāng)加入輝石時，其中的Al 會大幅增加橄欖石蛇紋石化速率［58］。

2.2 地球深部脫氣

本文所討論的地球深部脫氣特指從地幔和地核中釋放出的氣體，并不包括地殼范圍內(nèi)的脫氣過程（如地下水的脫氣過程以及沉積盆地中有機(jī)氣體的釋放過程等）。以往研究認(rèn)為，地球深部可能存在巨大的氫氣儲庫，并通過脫氣過程到達(dá)地表，是天然氫氣的重要來源［15，42］。然而，受鉆探深度的影響，目前還無法直接觀測到地幔中氫的存在。

氫作為太陽系豐度最高的元素，在原始大氣中占比很高［59］。在地球的形成演化過程中，原始?xì)鋾粩喾e累而存在于地球深部［60-61］。相比于地殼，地幔流體的化學(xué)性質(zhì)更具還原性，氫更易以分子氫的形式存在［62-65］。最近的研究進(jìn)一步證實地球深部存在天然氫氣，Bindi 等［66］在以色列北部的白堊紀(jì)火山噴出物中首次發(fā)現(xiàn)了天然存在的氫化物金屬VH2，表明地幔具有低氧逸度，并且這種金屬氫化物需要在富氫環(huán)境中才能結(jié)晶生成；Mao 等［67］、Toulhoat等［68］通過理論計算、實驗?zāi)M等研究，認(rèn)為地核中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%的氫以鐵氫化合物的形式存在，氫含量約為海洋中氫含量的100 倍［69-70］。

地球深部脫氣的主要方式包括火山噴發(fā)、地震活動和斷裂活動等，其中，火山噴發(fā)和地震活動為現(xiàn)代地球深部脫氣的主要形式。天然氫氣在火山氣中的含量僅次于CO2和H2O，在火山口以及與火山活動相關(guān)的溫泉和熱液流體中均存在著高含量氫氣［15，71-73］。地震活動也會造成大量深部氫氣的釋放。通過對地表土壤中氫氣的檢測發(fā)現(xiàn)，在地震發(fā)生前、后的短時間內(nèi)，土壤中的氫含量表現(xiàn)出明顯異常，這種含量的急劇變化程度最高可達(dá)到106倍［15］，且在平面上的響應(yīng)范圍最高可達(dá)到數(shù)千千米［74］。此外，由地殼運動或地震形成的活動斷層也是地幔脫氣的重要通道。研究發(fā)現(xiàn)，相比于非活動斷層，與地震相關(guān)的活動斷層周圍的氫含量明顯更高，稀有氣體和同位素地球化學(xué)分析也表明活動斷層周緣的氫氣具有深部來源［75-76］。

2.3 水的輻解

水的放射性分解被認(rèn)為是氫的重要來源［15，45-47］。地殼中含有大量鈾、釷和鉀等放射性元素，放射性衰變產(chǎn)生的能量足以將水分解為H2和H2O2，而H2O2極不穩(wěn)定，很快分解成H2O和O2。如在德國的鉀鹽礦以及加拿大的富鈾地層中均發(fā)現(xiàn)高含量的氫氣［15，77-78］。通過輻射分解產(chǎn)生氫氣只需要水和放射源，因此水的輻解過程被認(rèn)為可以在地球上廣泛發(fā)生。研究表明，僅吸收放射性元素1%的輻射能量，巖石孔隙水就可以發(fā)生分解反應(yīng)，因此，在水富集的巖石中，氫氣的生成量與巖石孔隙度成正比［79］。此外，水的存在狀態(tài)（冰、蒸汽或鹽水等）并不影響其輻解的發(fā)生［45］，甚至相比于純水，鹵水的輻解能產(chǎn)生更多的氫氣［80］。

水的輻解過程中除了生成氫氣外，還存在相應(yīng)比例的氧氣，但由于氫氣和氧氣均具有活躍的化學(xué)性質(zhì)，在后期地質(zhì)過程中也都易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此這2 種氣體很難被同時檢測到［39，81］，這也是部分學(xué)者對水的輻解生烴過程質(zhì)疑的原因［15］。然而，水的輻解從來都不是一個單獨的反應(yīng)，而是一個復(fù)雜的、相互關(guān)聯(lián)的過程。因此，對水的輻解生氫機(jī)制還需要進(jìn)一步研究以明確其發(fā)生過程，對在氫氣生成的同時產(chǎn)生的氧化物及其后續(xù)的反應(yīng)過程也不應(yīng)被忽視。

3 天然氫氣富集的有利地質(zhì)條件

參照油氣的成藏系統(tǒng)，天然氫氣同樣存在“生、儲、蓋、圈、運、?！钡瘸刹匾兀啾扔诼L的生烴過程，天然氫氣在人類時間尺度內(nèi)是可再生的，其成藏周期為10～100 a［40，82］。在天然氫氣的所有成藏要素中，氫源主要為富鐵巖石、水以及地球深部存儲的原始?xì)?，而深層活動斷層和火山活動提供了氫氣向上運移的通道（圖6）。如前文所述，在沉積盆地中發(fā)育的砂巖和碳酸鹽巖儲層中均見到大量高含量的氫氣顯示，說明傳統(tǒng)油氣藏儲層同樣具備儲集天然氫氣的條件。

圖6 天然氫氣成藏模式（根據(jù)文獻(xiàn)［84］修改）Fig.6 Accumulation model of natural hydrogen

相比于烴類氣體，氫氣的物理化學(xué)特性使其對蓋層的要求更為苛刻，因氫氣的易燃易爆性，目前針對天然氫氣藏蓋層的研究較少，僅Maiga 等［83］對馬里天然氫氣藏的蓋層特征進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為其蓋層主要為呈巖席狀侵入的輝綠巖夾層，而裂縫密度、巖層厚度以及礦物顆粒大小是影響其封蓋能力的關(guān)鍵要素。致密頁巖等作為傳統(tǒng)油氣藏中的有效蓋層，對天然氫氣的封蓋作用較差，這也是在全球范圍發(fā)現(xiàn)諸多由天然氫氣引起的地表橢圓形洼陷顯示（“仙女圈”，F(xiàn)airy Circles）的原因。氫氣的富集是一個動態(tài)平衡的過程，主要取決于儲層中氫的補(bǔ)排關(guān)系，對馬里氫氣開采井的長期檢測發(fā)現(xiàn)，持續(xù)開采并沒有降低氫的井口壓力，說明存在深部的氫源對儲層的持續(xù)供給［40］。氦氣是物理性質(zhì)最接近氫氣的分子，對氦氣蓋層的研究表明，當(dāng)氦氣與其他大分子氣體（CO2，CH4等）伴生共存時，大分子氣體會優(yōu)先堵塞巖石孔喉，從而提高蓋層對氦氣的封蓋能力。因此，也可以認(rèn)為當(dāng)天然氫氣作為伴生氣與其他氣體共存時，傳統(tǒng)的蓋層（泥頁巖、膏巖等）具備對天然氫氣的封蓋能力，所以一些油氣井中會檢測到天然氫氣的存在，而當(dāng)天然氫氣含量過高（如馬里氫氣體積分?jǐn)?shù)大于95%）時，其對蓋層的要求就更苛刻。

綜上所述，在天然氫氣的成藏要素中，優(yōu)質(zhì)的氫源與良好的運移通道是氫氣富集的前提，而蓋層的封蓋能力是天然氫氣成藏的重要評價要素，多種有利條件的疊合部位是尋找富氫氣藏的目標(biāo)區(qū)。全球天然氫氣分布的主要地質(zhì)環(huán)境表明，天然氫氣勘探的有利區(qū)主要為裂谷發(fā)育區(qū)、蛇綠巖發(fā)育區(qū)以及斷裂發(fā)育的前寒武系富鐵地層［26］。

在裂谷發(fā)育區(qū)地殼厚度相對較小，深大斷裂發(fā)育并伴有火山活動，沿斷裂帶發(fā)育的大量基性—超基性巖體為裂谷區(qū)地層提供了充足的氫源，而斷裂及火山活動能使地球深部的氫氣運移到淺部地層，因此富集成藏的潛力巨大。該類型構(gòu)造區(qū)的典型代表有東非大裂谷和美國中陸裂谷，在美國中東部已發(fā)現(xiàn)的多個氫氣點均位于中陸裂谷周緣［40-41］。蛇綠巖發(fā)育區(qū)通常位于板塊縫合帶周緣，巖層多產(chǎn)生彎曲和褶皺，其底部通常伴有大面積深成侵入巖體，隱伏蛇綠巖體以及大面積的侵入巖是該區(qū)域的主要氫氣來源［24-25］，板塊縫合帶發(fā)育的深大斷裂是良好的深部氫氣運移通道。前寒武系富鐵地層通常具有較高的氫含量，在構(gòu)造活躍區(qū)，淺部沉積地層與前寒武系富鐵地層通過斷裂系統(tǒng)形成良好的溝通，地下水通過發(fā)育的斷裂系統(tǒng)與富鐵地層充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣向上運聚成藏［42-43］。

4 國外天然氫氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

4.1 開發(fā)概況

天然氫氣凈零排放和可再生的資源優(yōu)勢已經(jīng)引起了許多國家的關(guān)注，如美國、加拿大、澳大利亞和部分歐盟國家已紛紛啟動天然氫氣的資源調(diào)查工作。2013 年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）聯(lián)合科羅拉多礦業(yè)學(xué)院（Colorado School of Mines）創(chuàng)建了地質(zhì)氫聯(lián)盟，并吸引了多個大型能源公司加入；2021年，美國石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會成立了第一個天然氫氣委員會；1920—2022 年美國35 個州共報告一千多個天然氫氣發(fā)現(xiàn)點；當(dāng)前美國地質(zhì)調(diào)查局致力于完善天然氫氣系統(tǒng)預(yù)測模型，計劃發(fā)布全球資源潛力和初步地質(zhì)氫資源分布圖［84］。澳大利亞地球科學(xué)局估算澳洲陸上1 km 深度內(nèi)的氫氣通量為（160～5 800）×104m3/a，并認(rèn)為天然氫氣的成因主要與前寒武系富鐵地層有關(guān)［85］。法國于2020 年落實了整個歐洲的天然氫氣高潛力區(qū)域［20-21］；法國國家科學(xué)研究中心在法國東北部Lorraine 礦區(qū)的地下發(fā)現(xiàn)了天然氫氣的存在，且氫氣的含量隨深度增加逐漸升高，氫氣體積分?jǐn)?shù)自1 100 m 處的14%增高至1 250 m處的20%，據(jù)估算，該礦藏地下天然氫氣儲量為（0.06～2.50）×108t［86］。德國聯(lián)邦教育與研究部2019 年投資3 000 萬歐元在西非調(diào)研，認(rèn)為西非的氫氣有可能解決未來部分能源供應(yīng)需求［87］。此外，近期在阿爾巴尼亞與科索沃地區(qū)的泉水中也發(fā)現(xiàn)了與蛇綠巖體相關(guān)的天然氫氣的存在，體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)16%［88］。

馬里、美國和澳大利亞當(dāng)前已經(jīng)取得了天然氫氣勘探開發(fā)利用的實質(zhì)性進(jìn)展。加拿大Hydroma公司現(xiàn)已在馬里建成全球首個商業(yè)化天然氫氣發(fā)電站，并規(guī)劃將該區(qū)用作燃料電池的加注站，為當(dāng)?shù)毓╇姡?4］。美國Natural Hydrogen Energy和澳大利亞HyTerra 公司于2023 年在美國內(nèi)布拉斯加州完鉆全球第1 口氫氣專探井Hoarty NE3 并成功鉆取氫氣流［89］。澳大利亞Gold Hydrogen 公司已于2021年取得南澳約克半島（Yorke）和袋鼠島（Kangaroo）的氫氣勘探許可證，在Yorke 半島部署的全球第2口氫氣專探井Ramsay 1已完成鉆探，不僅鉆遇體積分?jǐn)?shù)為73.3%的天然氫氣，還發(fā)現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為3.6%的氦氣存在，極大地增加了該項目的商業(yè)價值［90］。此外，法國45-8能源公司和西班牙Helios Aragón 公司也分別在其本國取得了天然氫氣勘探許可［91-92］。

4.2 勘探開發(fā)實例

（1）非洲馬里Bourakebougou 井區(qū)

馬里天然氫氣的發(fā)現(xiàn)源自Bourakebougou 附近一口水井（1987 年鉆探）的氣體爆炸事故，2011 年Hydroma 公司（曾用名Petroma）將該井作為當(dāng)?shù)貧錃馍a(chǎn)的試點井（其氣體成分中氫氣體積分?jǐn)?shù)為98%），建成全球首個商業(yè)化天然氫氣發(fā)電站，通過對距地表1 m 深的土壤進(jìn)行氫氣檢測，發(fā)現(xiàn)直徑超8 km 范圍內(nèi)均有較高含量的氫顯示，目前在該區(qū)域內(nèi)已累計完鉆24口井，共發(fā)現(xiàn)5 個氫氣儲層［93］。

地球化學(xué)分析結(jié)果表明，馬里Bourakebougou地區(qū)的氫氣為無機(jī)成因，氫的產(chǎn)生與古老的富鐵基巖有關(guān)，且呈現(xiàn)出可持續(xù)生成的特征［40］。Bourakebougou位于馬里Taoudeni盆地的南部，盆地主要由花崗巖基底和上覆的新元古界不整合沉積地層組成，并被輝綠巖侵入體橫切［93］（圖7a，7b）。自中—新元古代，西非克拉通經(jīng)歷了多期與裂谷相關(guān)的斷裂活動［94］，橄欖石等富鐵質(zhì)的礦物與水接觸并發(fā)生蛇紋石化的過程是氫氣的主要來源［41］；斷塊基底上的碳酸鹽巖（以白云巖為主）與砂巖是天然氫氣的主要儲層［93］；天然氫氣在800 m 深度之上以自由氣體的形式存在于儲層中，在800 m 之下主要以水溶態(tài)的形式存在，其中最上部的碳酸鹽巖儲層是該區(qū)域最主要的天然氫氣產(chǎn)層（圖7c）。蓋層主要為呈巖席狀多層侵入的輝綠巖夾層，輝綠巖的裂縫密度、孔隙度與厚度是影響封蓋能力的關(guān)鍵因素［83］，研究表明，當(dāng)輝綠巖厚度小于20 m 時，對天然氫的封蓋能力較差。碳酸鹽巖儲層上、下發(fā)育的2 套輝綠巖蓋層的聲波鉆孔成像研究表明，下部輝綠巖中裂縫更發(fā)育，天然氫氣可以通過這些裂縫自底部進(jìn)入儲層；上部輝綠巖裂縫密度和礦物粒度均更小，對天然氫氣具有較好的封閉性。

圖7 馬里Bourakebougou 井區(qū)地質(zhì)特征（a）、地層剖面（b）及天然氫氣賦存狀態(tài)示意圖（c）（根據(jù)文獻(xiàn)［93］修改）Fig.7 Geological characteristics（a），stratigraphic profile（b）and schematic diagram of natural hydrogen occurrence（c）in Bourakebougou well area of Mali

（2）美國中陸裂谷系堪薩斯段

20 世紀(jì)80 年代初，在美國堪薩斯州中陸裂谷系（MRS）附近的油氣勘探井中發(fā)現(xiàn)了高含量的氫氣［31，37，95-96］。天然氫氣賦存層位為賓夕法尼亞系碳酸鹽巖儲層，氣體成分以H2和N2為主，含少量He和碳?xì)浠衔餁怏w［38］，其中，Sue Duroche 井的氫氣體積分?jǐn)?shù)約92%。據(jù)此，全球第1口天然氫氣專探井（Hoarty NE3）就部署在中陸裂谷沿線（屬內(nèi)布拉斯加州），鉆探至前寒武系基底，完井深度3 400 m［97］。在鉆井過程中檢測到氫氣含量升高，通過測井解釋出2 個含氫氣儲層段，氣體點火燃燒確認(rèn)氫氣在氣流中占主導(dǎo)，但該井天然氫氣含量的具體信息尚未公布。該井的成功極大地提振了全球?qū)﹃懮咸烊粴錃饪碧降男判摹?/p>

美國堪薩斯州的3 口氫氣開采井均位于Humboldt 斷層以西的Nemaha 隆起，Humboldt 斷層位于中陸裂谷堪薩斯段以東約65 km 處，切割了前寒武系基底和下古生界，這條1 100 Ma的地殼裂縫中大量分布玄武巖和輝長巖［37］。Coveney 等［31］和Guélard 等［38］認(rèn)為，前寒武系地層中富鐵礦物的蛇紋石化是該區(qū)域氫氣的主要來源，自中陸裂谷產(chǎn)生的氫氣通過斷層運移到鄰近的構(gòu)造高點（圖8）。

圖8 美國中陸裂谷系堪薩斯段天然氫氣形成與溢出概念圖（根據(jù)文獻(xiàn)［97］修改）Fig.8 Conceptual map of natural hydrogen formation and spill in the Kansas section of the Central Rift Valley in the United States

（3）澳大利亞

Gold Hydrogen公司于2021 年取得南澳大利亞的袋鼠（Kangaroo）島和約克（Yorke）半島的氫氣勘探活動許可證，初步評估了勘探區(qū)內(nèi)天然氫氣的潛在資源量約為130×104t，商業(yè)價值可與非洲馬里相媲美［98］?，F(xiàn)階段已在南澳大利亞約克半島完成全球第2 口天然氫氣專探井Ramsay 1 的鉆探工作［90］，完鉆深度1 005 m，在240 m 處的上寒武統(tǒng)Parara 組石灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)天然氫氣顯示，體積分?jǐn)?shù)高達(dá)73.3%，在892 m 處花崗巖基底風(fēng)化殼中發(fā)現(xiàn)水溶性氦氣，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3.6%。

Ramsay 1 井的部署思路與美國Hoarty NE3 井類似，即對已發(fā)現(xiàn)氫氣含量高的井進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境分析，確定天然氫氣富集的有利地質(zhì)條件，繼而在周緣類似地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行勘探部署。南澳大利亞的袋鼠島和約克半島的2口石油鉆井的前寒武系花崗巖基底中曾檢測出高含量氫氣，體積分?jǐn)?shù)分別為83.3%和89.3%。約克半島的高含量氫氣井位于澳大利亞南部的高勒（Gawler）克拉通盆地內(nèi)，地處Delamerian 造山帶的巖石圈邊界，具有構(gòu)造活躍的地槽-地塹伸展裂谷背景，寒武系不整合于中—強(qiáng)磁性花崗巖基底之上［85］，該套地層富含鐵、銅、金和鈾礦石［99］。同時，該區(qū)域斷裂系統(tǒng)發(fā)育，塊狀斷裂基底因自然斷裂而形成儲層，蓋層則為塊狀斷裂基底上方的寒武系及上覆地層［98］。當(dāng)?shù)叵滤c富鐵地層接觸發(fā)生輻解和水解反應(yīng)，產(chǎn)生了大量氫氣［85］，并沿斷裂系統(tǒng)運移至儲層成藏。Ramsay 1 井的鉆探也證實該地區(qū)儲層為裂縫發(fā)育的碳酸鹽巖儲層，并且存在溝通基底的深大斷裂，是天然氫氣運移的主要通道。同時，該井在花崗巖基底中鉆遇的高含量水溶性氦氣也為氫氦兼探提供了可能。

5 中國天然氫氣的勘探開發(fā)前景

對比國外已發(fā)現(xiàn)天然氫氣區(qū)，中國同樣具備發(fā)育高含量天然氫氣的地質(zhì)條件。中國由多個板塊拼合而成，經(jīng)歷了多期俯沖與碰撞構(gòu)造運動，東部主要受太平洋板塊與華北板塊俯沖作用控制，西部受西伯利亞板塊與塔里木板塊、羌塘—揚(yáng)子—華南板塊與岡瓦納板塊碰撞作用的控制，在板塊縫合帶處發(fā)育多期蛇綠巖，是天然氫氣的重要來源。同時，中國發(fā)育有多條規(guī)模巨大、向地下深切且長期活躍的區(qū)域性深大斷裂［100］，如郯城—廬江深斷裂帶、阿爾金深斷裂帶、龍門山深斷裂帶等，為深源氫氣的運移提供了良好的通道（圖9）。此外，華夏裂谷系和汾渭裂谷系與北美裂谷系具有相似的地質(zhì)背景，是天然氫氣勘探的潛力區(qū)之一。

圖9 中國富氫構(gòu)造類型及天然氫氣顯示Fig.9 Types of hydrogen-rich structures and natural hydrogen display in China

現(xiàn)階段中國已在多個地區(qū)見到良好的天然氫氣顯示（表2），但對天然氫氣分布特征尚未厘清，對氫氣生成的地質(zhì)條件研究較少，對沉積盆地中氫氣的分布和形成機(jī)理尚不清楚。相關(guān)學(xué)者僅對柴達(dá)木盆地和松遼盆地的天然氫氣成因進(jìn)行了研究，指出無機(jī)和有機(jī)成因的天然氫氣在中國均有發(fā)育。柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)是中國主要的生物氣產(chǎn)區(qū)，在SN2井中測得天然氫氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)99%，Shuai 等［101］結(jié)合該地區(qū)的沉積、構(gòu)造特征，碳、氫以及稀有氣體（Ar、He）同位素分析，認(rèn)為該地區(qū)的天然氫氣主要為生物成因氣，而非來自地球深部或無機(jī)反應(yīng)。松遼盆地的天然氫氣則可能是多種成因混合的結(jié)果，Han 等［102］依托松遼盆地的大陸科學(xué)鉆探項目，在SK2—SK3 井區(qū)及周緣地下發(fā)現(xiàn)高含量的天然氫氣，已檢測的最高體積分?jǐn)?shù)達(dá)26.9%，天然氫氣的賦存層位包括白堊系登婁庫組、營城組和基底巖層，分布于頁巖、砂巖、礫巖、火山巖和變質(zhì)巖等多種巖性中。通過稀有氣體及同位素分析發(fā)現(xiàn)，SK2 井區(qū)的天然氫氣具有地幔及地殼等多種來源，具有復(fù)雜的成因機(jī)制，而在天然氫氣富集層段具有高GR異常，說明水的輻解也可能是該地區(qū)天然氫氣的來源。此外，深部地震勘探結(jié)果表明，SK2井所在的徐家圍子斷陷深部存在明顯的莫霍面斷裂，說明深大斷裂對天然氫氣的運移富集具有關(guān)鍵的控制作用。Wang 等［103］通過對登婁庫組、營城組富氫巖石的分析認(rèn)為，天然氫氣主要以吸附的形式存在于介孔和微孔中。

表2 中國天然氫顯示統(tǒng)計Table 2 Statistics of natural hydrogen display in China

綜合以上分析，中國完全具備尋找天然氫氣資源的地質(zhì)條件。雖然對已有天然氫氣的研究還需要進(jìn)一步開展，但天然氫氣富集的關(guān)鍵條件已基本明確，即充足的氫源（蛇綠巖、放射性元素、地幔熱流等）以及溝通基底的深大活動斷裂。通過疊合中國主要活動斷層、蛇綠巖帶以及天然氫氣顯示點，也證實已發(fā)現(xiàn)高含量氫氣顯示與前文總結(jié)的氫氣富集有利地質(zhì)條件具有良好的匹配關(guān)系（圖9），且在3 種類型的有利地質(zhì)環(huán)境中均見到氫氣顯示，鑒于此，可初步圈定3個天然氫氣成藏有利帶。

（1）郯廬斷裂帶及周緣裂陷盆地區(qū)。受太平洋板塊與歐亞板塊俯沖碰撞作用的影響，中國東部是典型的弧后火山活躍區(qū)，發(fā)育多期火山及巖漿侵入，氫源充足，而郯廬斷裂帶作為東部最主要的地震活動帶［104］，自古近紀(jì)以來受印度板塊擠壓而切入地幔，致使大規(guī)模的玄武巖沿斷裂帶噴出［105］，斷裂帶周緣發(fā)育的多個裂陷盆地。如松遼、渤海灣及蘇北等盆地都具有良好的沉積儲-蓋組合，有利于高含量氫氣的保存，目前在這些盆地內(nèi)已發(fā)現(xiàn)了多個高含量氫氣顯示點［106-108］。

（2）阿爾金斷裂帶及兩側(cè)盆地區(qū)。中國西部經(jīng)歷多次俯沖碰撞構(gòu)造運動，沿阿爾金斷裂帶兩側(cè)發(fā)育多條不同時期的蛇綠巖帶（圖9），尋找隱伏的蛇綠巖帶是該區(qū)域天然氫氣勘探的關(guān)鍵。阿爾金斷裂帶北側(cè)的塔里木盆地在早二疊世發(fā)生了大規(guī)模的巖漿活動，形成了著名的塔里木大火成巖省，盆地內(nèi)發(fā)育基性—超基性巖墻［109］，是優(yōu)質(zhì)的氫源。斷裂帶南側(cè)柴達(dá)木盆地鉀鹽和鹵水資源豐富，鉀鹽與鹵水的存在更有利于富氫流體的形成。

（3）三江構(gòu)造帶（怒江、瀾滄江、金沙江）—龍門山斷裂帶及周緣盆地區(qū)。三江地區(qū)大地構(gòu)造橫跨印度、亞歐板塊，由多條逆沖走滑斷裂帶及其間的塊體構(gòu)成，喜山期以來，巖漿構(gòu)造活動強(qiáng)烈，發(fā)育有多條蛇綠混雜巖帶及大量火山巖群，為天然氫氣的生成提供了充足的氫源，同時持續(xù)活動的大斷裂為地球深部氫氣的運移提供了良好通道，已在云南騰沖的火山溫泉氣中檢測到體積分?jǐn)?shù)超過5%的天然氫氣［110］。此外，作為地殼塊體走滑、旋轉(zhuǎn)拉分的產(chǎn)物，中新世以來的滇西騰沖—梁河—龍川江等地區(qū)的伸展盆地內(nèi)發(fā)育有上新世—第四紀(jì)河相、湖相沉積及玄武巖夾層［111］，這與馬里Bourakebougou 地區(qū)的天然氫氣藏具有相似的地質(zhì)條件，有望發(fā)現(xiàn)高含量氫氣藏。龍門山斷裂帶構(gòu)成青藏高原的東緣，向東推覆于四川盆地之上，具有逆沖與走滑共同作用的擠壓轉(zhuǎn)換造山特征，是天然氫氣運移的良好通道，同時該地區(qū)中—晚二疊世形成的峨眉山大火成巖省也能為其提供充足的氫源，區(qū)域東側(cè)的四川、黔中、楚雄等多個盆地中均發(fā)現(xiàn)了高含量天然氫氣的存在（表2），資源前景良好。

6 結(jié)論與展望

（1）全球已發(fā)現(xiàn)的高含量天然氫氣以無機(jī)成因為主，富鐵礦物的蛇紋石化過程是天然氫氣最主要的成因來源，在美國、馬里和澳大利亞等國已開始開發(fā)試驗。

（2）優(yōu)質(zhì)的氫源與良好的運移通道是氫氣富集成藏的關(guān)鍵，裂谷發(fā)育區(qū)、蛇綠巖發(fā)育區(qū)以及斷裂發(fā)育的前寒武系富鐵地層是尋找富氫氣藏的勘探有利區(qū)。

（3）中國已發(fā)現(xiàn)的高含量氫氣點與富氫地質(zhì)條件匹配度高，天然氫氣的勘探前景廣闊，郯廬斷裂帶及周緣裂陷盆地區(qū)、阿爾金斷裂帶及兩側(cè)盆地區(qū)、三江構(gòu)造帶—龍門山斷裂帶及周緣盆地區(qū)是天然氫氣成藏有利帶。

（4）中國可盡快開展天然氫氣的普查工作，查清天然氫氣的資源潛力及開發(fā)利用前景。同時，設(shè)立科技專項，加強(qiáng)天然氫氣的成藏過程研究，降低勘探風(fēng)險；加強(qiáng)勘查評價、開采分離、儲運等技術(shù)的攻關(guān)，為天然氫氣開發(fā)利用做好技術(shù)儲備。

致謝：中國石化石油勘探開發(fā)研究院孟慶強(qiáng)為本文提供了部分中國天然氫氣含量數(shù)據(jù)。