2024, Vol. 36
2. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
2. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China
当前，全球新一轮能源革命蓬勃兴起，正经历着从化石能源向非化石能源（新能源）过渡的重要阶段[1-2]。作为一种来源广泛、清洁低碳、安全高效的燃料，氢气在能源清洁替代中具有重要的战略地位，氢能开发正逐步成为能源技术革命的重要方向，是实现能源脱碳的重要途径[3]。
作为绿色转型驱动模式的代表，德国最新发布的《国家氢能战略》已经明确发展路径，以可再生氢为先导、低碳氢与可再生氢为过渡的战略，并提出全面脱碳、政策监管、市场拓展、技术研发、能源安全等5个目标。德国氢能发展已进入战略实施期，采用“两步走”策略：第一阶段为2021—2023年，逐步扩大市场规模，为运作良好的德国氢能市场奠定基础；第二阶段为2024—2030年，巩固氢能市场，并参与建立欧洲和国际层面的氢能市场。对氢能的利用以人工制氢为主，但无论何种制氢方法，现阶段均还存在不足[4-6]（表 1），电解水制氢虽然可以有效地减少碳排放，但其成本高昂，欧洲能源交易所（EEX）根据德国氢的相对交易计算出的价格为每兆瓦时234欧元，而欧洲内部的天然气指标价格仅为每兆瓦时30欧元。鉴于此，德国计划在2024年开设首个氢交易所，以期通过增加交易量、拉低价格，带动氢能源普及。为了吸引更多用户，在氢交易所中，卖出价与买入价之间的差额将由德国政府支付。然而，要想实现收支平衡，还需要更长的时间来扩大使用范围以形成规模经济。目前商用占比最高的化石燃料制氢虽然成本低廉，却面临能量转化率低、碳排放量高的问题。以中国为例，人工制氢的原料中煤炭的占比超过了60%（图 1），并且短期内难以改变这种产业结构，若2050年实现1×108 t氢气的终端应用，通过煤炭、天然气等化石燃料制氢需要消耗超过5×108 t标准煤，排放二氧化碳（12~18）×108 t，这与发展氢能以降低碳排放的初衷相差甚远[7]。
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下载CSV 表 1 不同制氢方式的效能对比（数据来源于文献[4-6]） Table 1 Comparison of the efficiency of various hydrogen manufacturing processes |
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下载原图 图 1 世界主要国家和地区制氢原料占比（数据来源于文献[8]） Fig. 1 Proportion of hydrogen manufacturing raw materials in major countries and regions around the world |
氢气是氢元素形成的一种单质，分子量为2.015 88，在常温、常压下是一种无色、无味、极易燃烧且难溶于水的气体，密度为0.089 g/L（101.325 kPa，0 ℃），只占空气的1/14，是世界上已知的密度最小的气体。天然氢气又称“金氢”或“白氢”，是地下地质过程中生成的氢气，相比于人工制氢，是真正意义上的零碳、可再生的一次能源，能够填补能源需求缺口、优化氢能产业结构、助力能源清洁替代。在全球致力于实现能源脱碳、净零排放的背景下，天然氢气已然引发各大洲广泛的研究和勘探热情，多个国家制定了天然氢气的开发和利用计划。然而，相比于其他国家，中国还未将天然氢气视为一种潜在能源矿产，相关的研究和勘探工作也未展开，仅有个别学者对天然气藏中伴生氢气的成因进行了研究[9-10]，且只初步指出了天然氢气的重要能源意义[11]。开展天然氢气的普查工作、查清其资源潜力及开发利用前景迫在眉睫。
通过介绍全球已发现高含量天然氢气（体积分数大于10%）的主要赋存地质环境及成因类型，系统总结天然氢气富集的有利地质条件，结合国外天然氢气的勘探开发现状，评价中国天然氢气的勘探前景，并优选出有利勘探区带，以期为中国氢能开发和利用提供依据。
1 全球已发现天然氢气的地质环境氢气的检测技术是限制人们认识这种自然资源的主要因素之一。早在古希腊时期，位于土耳其安塔利亚附近的燃烧气体就被用作奥运圣火，但直到2007年才首次检测出其中的氢气体积分数为7.5%~11.3%[12-13]。同样的，在200年前，人们在菲律宾发现了持续燃烧的天然气体，经检测其中氢的体积分数高达41.4%~44.5%[14]。通过文献调研，发现全球天然氢气的分布极为广泛（图 2）。这主要得益于2个原因：一是19世纪末前苏联学者提出的油气无机成因学说，认为大量的氢气存在是无机生烃的前提，并在前苏联地区进行了专门针对天然氢气的检测，并发现了大量高含量氢气显示[15]；二是由于天然氢气与早期生命演化的关系[16]，在地球生命科学领域受到重视。自1997年法国在大西洋中脊发现了含高含量氢气的热液喷口（“黑烟囱”）以来，陆续在海洋环境发现多个高含量氢气的逃逸点。除此之外，天然氢气的发现更多是被用于地质过程的示踪研究。天然氢气作为能源直到近十年才被人们所关注，特别是近两年在一系列天然氢气专题国际大会（如2021和2022年的HNAT、2022年的AAPG等会议）的推动下，针对天然氢气的研究迎来了大爆发[15, 17-22]，科学出版物的数量成倍增长。全球已发现的天然氢气具有分布范围广泛、含量差异显著、赋存环境复杂的特点，其中高含量天然氢气（体积分数大于10%）主要发育于3种地质环境：蛇绿岩带、裂谷和前寒武系富铁地层。
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下载原图 图 2 全球不同地质构造环境中的天然氢气显示（根据文献[26-27]修改） Fig. 2 Natural hydrogen display in different geological tectonic environments worldwide |
蛇绿岩带是古代汇聚板块边缘的重要组成部分，代表了消失古洋壳的岩石圈残片，主要由火成岩（地幔橄榄岩、堆晶岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩等）和沉积岩（深海远洋沉积）两部分组成[23]。在世界多个汇聚板块边缘的蛇绿岩带上均发现了天然氢气显示（图 2），如前文所述的发现于土耳其和菲律宾的高含量氢气[12, 14]、阿曼和美国等地的蛇绿岩带上的高含量天然氢气等（图 3）。全球与蛇绿岩带相关的天然氢气都具有较高的含量显示，90%以上的样品中氢体积分数超过了30%。阿曼是发现与蛇绿岩相关的天然氢气最多的国家（图 3），且多数样品氢体积分数达到了60%以上，最高达到97%~99%[24-25]。
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下载原图 图 3 全球与蛇绿岩相关的天然氢气发现及含量（数据来源于文献[15]） Fig. 3 Global discovery and content of natural hydrogen related to ophiolite |
裂谷环境的天然氢气发现主要集中于洋中脊区域[28]，特别是在大西洋中脊区域（Mid-Atlantic ridge，MAR）。目前已经在多个部位的“黑烟囱”中检测到了高含量氢气（图 2），如位于大西洋中脊的彩虹热液田（Rainbow hydrothermal field）中的氢气体积分数可超过40%[29]，在洋中脊岩石中也含有高含量的天然氢气，平均体积分数大于21.4%[15]。此外，大陆裂谷环境同样具备富氢流体发育的地质条件，但目前对该地质环境的氢气检测较少，仅在位于美国爱荷华州西北约100 km的2口钻井中检测到氢气，体积分数分别达到了33.7%（Willey 1井）和96.3%（Hofmann 3井）[30-31]，其成因被认为与北美中陆裂谷（The Midcontinent Rift，MCR）有关（图 4）。
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下载原图 图 4 美国中陆裂谷及天然氢气显示位置（根据文献[15]和[32]修改） Fig. 4 Location of Central Rift Valley and natural hydrogen display in the United States |
地质和地球化学证据表明，前寒武纪克拉通普遍代表一种缺氧富铁的环境[33-34]，形成于前寒武纪的条带状铁建造（BIF），占全球铁矿产量的90% 以上[35]，许多已发现的天然氢气都与前寒武纪的富铁地层有关（图 2）[36-38]。通过分析氢气含量与古老基底埋深的相关性，发现基底埋深越小，氢气含量越高（图 5）。除游离态的氢气外，在前寒武系的岩石包裹体中同样检测到高含量的氢气，其含量比年轻基底岩石中的氢气要高出一个数量级[39]。此外，在全球多个盆地实施的钻井勘探表明，天然氢气赋存于多种能源矿产及沉积岩中[15]，部分地区沉积岩中氢的体积分数超过90%[40-41]，而无机成因氢气通常都与前寒武系富铁地层有关[15, 42-43]。由此可见，前寒武系富铁地层是全球天然氢气的一个重要产层。
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下载原图 图 5 全球天然氢气含量与前寒武系富铁地层埋深的关系（数据来源于文献[15]） Fig. 5 Relationship between the burial depth of Precambrian iron-rich strata and natural hydrogen content worldwide |
天然氢气的成因可概括为无机和有机两大类型，已发现的天然氢气多为无机成因。有机成因的天然氢气主要是通过热作用和微生物作用产生的，如有机质的分解、发酵以及固氮过程等，最新的研究已就天然氢气的有机成因进行了详细论述[44]，本文不再讨论，主要分析天然氢气的无机成因。天然氢气的无机成因可进一步分为多种类型，如蛇纹石化、地球深部脱气、水的辐解、岩浆热液、岩石碎裂以及地壳风化等[15, 45-47]，其中蛇纹石化作用是主要成因，其次为地球深部脱气和水的辐解。
2.1 蛇纹石化蛇纹石化生氢是指基性—超基性岩石中的富Fe2+矿物（橄榄石）与水反应生成氢气的过程。橄榄石在自然界通常以Mg-Fe二元固溶体的形式存在[（Mg，Fe）2SiO4]。其中铁橄榄石端元（Fe2SiO4）与水的反应如下：
| $ 3 \mathrm{Fe}_2 \mathrm{SiO}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe}_3 \mathrm{O}_4+3 \mathrm{SiO}_2+2 \mathrm{H}_2 \uparrow $ | (1) |
镁橄榄石端元（Mg2SiO4）与水的反应有2种形式，一是镁橄榄石与式（1）中生成的过量SiO2反应生成蛇纹石[Mg3Si2O5（OH）4]：
| $ 3 \mathrm{Mg}_2 \mathrm{SiO}_4+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{S}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Mg}_3 \mathrm{Si}_2 \mathrm{O}_5(\mathrm{OH})_4 $ | (2) |
二是镁橄榄石还可与水直接发生反应生成蛇纹石和氢氧化镁：
| $ 2 \mathrm{Mg}_2 \mathrm{SiO}_4+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Mg}_3 \mathrm{Si}_2 \mathrm{O}_5(\mathrm{OH})_4+2 \mathrm{Mg}^{2+}+2 \mathrm{OH}^{-} $ | (3) |
由此可知，蛇纹石化成因的富氢流体的pH值通常都较高，为10~12。
天然氢气的生成量与橄榄石蛇纹石化的程度呈正相关，而影响蛇纹石化过程中生氢速率的2个主要因素是反应温度与催化剂[48-52]。热力学计算结果表明，橄榄石发生蛇纹石化反应的最佳温度为200~310 ℃，超过或低于这一温度范围都会抑制氢气的生成[52]，但自然界（如阿曼以及挪威等）同样存在许多低温（＜122 ℃）蛇纹石化过程[53-57]。最新研究表明，Ni2+的加入能极大提高蛇纹石化过程的生氢速率[19]，在90 ℃时，仅添加质量分数为1%的Ni就能使氢的生成速率显著提高约2个数量级。此外，其他矿物的加入也会影响橄榄石蛇纹石化的速率，如当加入辉石时，其中的Al会大幅增加橄榄石蛇纹石化速率[58]。
2.2 地球深部脱气本文所讨论的地球深部脱气特指从地幔和地核中释放出的气体，并不包括地壳范围内的脱气过程（如地下水的脱气过程以及沉积盆地中有机气体的释放过程等）。以往研究认为，地球深部可能存在巨大的氢气储库，并通过脱气过程到达地表，是天然氢气的重要来源[15, 42]。然而，受钻探深度的影响，目前还无法直接观测到地幔中氢的存在。
氢作为太阳系丰度最高的元素，在原始大气中占比很高[59]。在地球的形成演化过程中，原始氢会不断积累而存在于地球深部[60-61]。相比于地壳，地幔流体的化学性质更具还原性，氢更易以分子氢的形式存在[62-65]。最近的研究进一步证实地球深部存在天然氢气，Bindi等[66]在以色列北部的白垩纪火山喷出物中首次发现了天然存在的氢化物金属VH2，表明地幔具有低氧逸度，并且这种金属氢化物需要在富氢环境中才能结晶生成；Mao等[67]、Toulhoat等[68]通过理论计算、实验模拟等研究，认为地核中含有质量分数约为5%的氢以铁氢化合物的形式存在，氢含量约为海洋中氢含量的100倍[69-70]。
地球深部脱气的主要方式包括火山喷发、地震活动和断裂活动等，其中，火山喷发和地震活动为现代地球深部脱气的主要形式。天然氢气在火山气中的含量仅次于CO2和H2O，在火山口以及与火山活动相关的温泉和热液流体中均存在着高含量氢气[15, 71-73]。地震活动也会造成大量深部氢气的释放。通过对地表土壤中氢气的检测发现，在地震发生前、后的短时间内，土壤中的氢含量表现出明显异常，这种含量的急剧变化程度最高可达到106倍[15]，且在平面上的响应范围最高可达到数千千米[74]。此外，由地壳运动或地震形成的活动断层也是地幔脱气的重要通道。研究发现，相比于非活动断层，与地震相关的活动断层周围的氢含量明显更高，稀有气体和同位素地球化学分析也表明活动断层周缘的氢气具有深部来源[75-76]。
2.3 水的辐解水的放射性分解被认为是氢的重要来源[15, 45-47]。地壳中含有大量铀、钍和钾等放射性元素，放射性衰变产生的能量足以将水分解为H2和H2O2，而H2O2极不稳定，很快分解成H2O和O2。如在德国的钾盐矿以及加拿大的富铀地层中均发现高含量的氢气[15, 77-78]。通过辐射分解产生氢气只需要水和放射源，因此水的辐解过程被认为可以在地球上广泛发生。研究表明，仅吸收放射性元素1%的辐射能量，岩石孔隙水就可以发生分解反应，因此，在水富集的岩石中，氢气的生成量与岩石孔隙度成正比[79]。此外，水的存在状态（冰、蒸汽或盐水等）并不影响其辐解的发生[45]，甚至相比于纯水，卤水的辐解能产生更多的氢气[80]。
水的辐解过程中除了生成氢气外，还存在相应比例的氧气，但由于氢气和氧气均具有活跃的化学性质，在后期地质过程中也都易与其他物质发生反应，因此这2种气体很难被同时检测到[39, 81]，这也是部分学者对水的辐解生烃过程质疑的原因[15]。然而，水的辐解从来都不是一个单独的反应，而是一个复杂的、相互关联的过程。因此，对水的辐解生氢机制还需要进一步研究以明确其发生过程，对在氢气生成的同时产生的氧化物及其后续的反应过程也不应被忽视。
3 天然氢气富集的有利地质条件参照油气的成藏系统，天然氢气同样存在“生、储、盖、圈、运、保”等成藏要素，但相比于漫长的生烃过程，天然氢气在人类时间尺度内是可再生的，其成藏周期为10~100 a[40, 82]。在天然氢气的所有成藏要素中，氢源主要为富铁岩石、水以及地球深部存储的原始氢，而深层活动断层和火山活动提供了氢气向上运移的通道（图 6）。如前文所述，在沉积盆地中发育的砂岩和碳酸盐岩储层中均见到大量高含量的氢气显示，说明传统油气藏储层同样具备储集天然氢气的条件。
相比于烃类气体，氢气的物理化学特性使其对盖层的要求更为苛刻，因氢气的易燃易爆性，目前针对天然氢气藏盖层的研究较少，仅Maiga等[83]对马里天然氢气藏的盖层特征进行了初步研究，认为其盖层主要为呈岩席状侵入的辉绿岩夹层，而裂缝密度、岩层厚度以及矿物颗粒大小是影响其封盖能力的关键要素。致密页岩等作为传统油气藏中的有效盖层，对天然氢气的封盖作用较差，这也是在全球范围发现诸多由天然氢气引起的地表椭圆形洼陷显示（“仙女圈”，Fairy Circles）的原因。氢气的富集是一个动态平衡的过程，主要取决于储层中氢的补排关系，对马里氢气开采井的长期检测发现，持续开采并没有降低氢的井口压力，说明存在深部的氢源对储层的持续供给[40]。氦气是物理性质最接近氢气的分子，对氦气盖层的研究表明，当氦气与其他大分子气体（CO2，CH4等）伴生共存时，大分子气体会优先堵塞岩石孔喉，从而提高盖层对氦气的封盖能力。因此，也可以认为当天然氢气作为伴生气与其他气体共存时，传统的盖层（泥页岩、膏岩等）具备对天然氢气的封盖能力，所以一些油气井中会检测到天然氢气的存在，而当天然氢气含量过高（如马里氢气体积分数大于95%）时，其对盖层的要求就更苛刻。
综上所述，在天然氢气的成藏要素中，优质的氢源与良好的运移通道是氢气富集的前提，而盖层的封盖能力是天然氢气成藏的重要评价要素，多种有利条件的叠合部位是寻找富氢气藏的目标区。全球天然氢气分布的主要地质环境表明，天然氢气勘探的有利区主要为裂谷发育区、蛇绿岩发育区以及断裂发育的前寒武系富铁地层[26]。
在裂谷发育区地壳厚度相对较小，深大断裂发育并伴有火山活动，沿断裂带发育的大量基性—超基性岩体为裂谷区地层提供了充足的氢源，而断裂及火山活动能使地球深部的氢气运移到浅部地层，因此富集成藏的潜力巨大。该类型构造区的典型代表有东非大裂谷和美国中陆裂谷，在美国中东部已发现的多个氢气点均位于中陆裂谷周缘[40-41]。蛇绿岩发育区通常位于板块缝合带周缘，岩层多产生弯曲和褶皱，其底部通常伴有大面积深成侵入岩体，隐伏蛇绿岩体以及大面积的侵入岩是该区域的主要氢气来源[24-25]，板块缝合带发育的深大断裂是良好的深部氢气运移通道。前寒武系富铁地层通常具有较高的氢含量，在构造活跃区，浅部沉积地层与前寒武系富铁地层通过断裂系统形成良好的沟通，地下水通过发育的断裂系统与富铁地层充分接触并发生反应，生成氢气向上运聚成藏[42-43]。
4 国外天然氢气勘探开发现状 4.1 开发概况天然氢气净零排放和可再生的资源优势已经引起了许多国家的关注，如美国、加拿大、澳大利亚和部分欧盟国家已纷纷启动天然氢气的资源调查工作。2013年，美国地质调查局（USGS）联合科罗拉多矿业学院（Colorado School of Mines）创建了地质氢联盟，并吸引了多个大型能源公司加入；2021年，美国石油地质学家协会成立了第一个天然氢气委员会；1920—2022年美国35个州共报告一千多个天然氢气发现点；当前美国地质调查局致力于完善天然氢气系统预测模型，计划发布全球资源潜力和初步地质氢资源分布图[84]。澳大利亚地球科学局估算澳洲陆上1 km深度内的氢气通量为（160~5 800）×104 m3/a，并认为天然氢气的成因主要与前寒武系富铁地层有关[85]。法国于2020年落实了整个欧洲的天然氢气高潜力区域[20-21]；法国国家科学研究中心在法国东北部Lorraine矿区的地下发现了天然氢气的存在，且氢气的含量随深度增加逐渐升高，氢气体积分数自1 100 m处的14%增高至1 250 m处的20%，据估算，该矿藏地下天然氢气储量为（0.06~2.50）×108 t[86]。德国联邦教育与研究部2019年投资3 000万欧元在西非调研，认为西非的氢气有可能解决未来部分能源供应需求[87]。此外，近期在阿尔巴尼亚与科索沃地区的泉水中也发现了与蛇绿岩体相关的天然氢气的存在，体积分数最高可达16%[88]。
马里、美国和澳大利亚当前已经取得了天然氢气勘探开发利用的实质性进展。加拿大Hydroma公司现已在马里建成全球首个商业化天然氢气发电站，并规划将该区用作燃料电池的加注站，为当地供电[84]。美国Natural Hydrogen Energy和澳大利亚HyTerra公司于2023年在美国内布拉斯加州完钻全球第1口氢气专探井Hoarty NE3并成功钻取氢气流[89]。澳大利亚Gold Hydrogen公司已于2021年取得南澳约克半岛（Yorke）和袋鼠岛（Kangaroo）的氢气勘探许可证，在Yorke半岛部署的全球第2口氢气专探井Ramsay 1已完成钻探，不仅钻遇体积分数为73.3%的天然氢气，还发现了体积分数为3.6% 的氦气存在，极大地增加了该项目的商业价值[90]。此外，法国45-8能源公司和西班牙Helios Aragón公司也分别在其本国取得了天然氢气勘探许可[91-92]。
4.2 勘探开发实例（1）非洲马里Bourakebougou井区
马里天然氢气的发现源自Bourakebougou附近一口水井（1987年钻探）的气体爆炸事故，2011年Hydroma公司（曾用名Petroma）将该井作为当地氢气生产的试点井（其气体成分中氢气体积分数为98%），建成全球首个商业化天然氢气发电站，通过对距地表 1 m深的土壤进行氢气检测，发现直径超8 km范围内均有较高含量的氢显示，目前在该区域内已累计完钻24口井，共发现5个氢气储层[93]。
地球化学分析结果表明，马里Bourakebougou地区的氢气为无机成因，氢的产生与古老的富铁基岩有关，且呈现出可持续生成的特征[40]。Bourakebougou位于马里Taoudeni盆地的南部，盆地主要由花岗岩基底和上覆的新元古界不整合沉积地层组成，并被辉绿岩侵入体横切[93]（图 7a，7b）。自中—新元古代，西非克拉通经历了多期与裂谷相关的断裂活动[94]，橄榄石等富铁质的矿物与水接触并发生蛇纹石化的过程是氢气的主要来源[41]；断块基底上的碳酸盐岩（以白云岩为主）与砂岩是天然氢气的主要储层[93]；天然氢气在800 m深度之上以自由气体的形式存在于储层中，在800 m之下主要以水溶态的形式存在，其中最上部的碳酸盐岩储层是该区域最主要的天然氢气产层（图 7c）。盖层主要为呈岩席状多层侵入的辉绿岩夹层，辉绿岩的裂缝密度、孔隙度与厚度是影响封盖能力的关键因素[83]，研究表明，当辉绿岩厚度小于20 m时，对天然氢的封盖能力较差。碳酸盐岩储层上、下发育的2套辉绿岩盖层的声波钻孔成像研究表明，下部辉绿岩中裂缝更发育，天然氢气可以通过这些裂缝自底部进入储层；上部辉绿岩裂缝密度和矿物粒度均更小，对天然氢气具有较好的封闭性。
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下载原图 图 7 马里Bourakebougou井区地质特征（a）、地层剖面（b）及天然氢气赋存状态示意图（c）（根据文献[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）美国中陆裂谷系堪萨斯段
20世纪80年代初，在美国堪萨斯州中陆裂谷系（MRS）附近的油气勘探井中发现了高含量的氢气[31, 37, 95-96]。天然氢气赋存层位为宾夕法尼亚系碳酸盐岩储层，气体成分以H2和N2为主，含少量He和碳氢化合物气体[38]，其中，Sue Duroche井的氢气体积分数约92%。据此，全球第1口天然氢气专探井（Hoarty NE3）就部署在中陆裂谷沿线（属内布拉斯加州），钻探至前寒武系基底，完井深度3 400 m[97]。在钻井过程中检测到氢气含量升高，通过测井解释出2个含氢气储层段，气体点火燃烧确认氢气在气流中占主导，但该井天然氢气含量的具体信息尚未公布。该井的成功极大地提振了全球对陆上天然氢气勘探的信心。
美国堪萨斯州的3口氢气开采井均位于Humboldt断层以西的Nemaha隆起，Humboldt断层位于中陆裂谷堪萨斯段以东约65 km处，切割了前寒武系基底和下古生界，这条1 100 Ma的地壳裂缝中大量分布玄武岩和辉长岩[37]。Coveney等[31]和Guélard等[38]认为，前寒武系地层中富铁矿物的蛇纹石化是该区域氢气的主要来源，自中陆裂谷产生的氢气通过断层运移到邻近的构造高点（图 8）。
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下载原图 图 8 美国中陆裂谷系堪萨斯段天然氢气形成与溢出概念图（根据文献[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）澳大利亚
Gold Hydrogen公司于2021年取得南澳大利亚的袋鼠（Kangaroo）岛和约克（Yorke）半岛的氢气勘探活动许可证，初步评估了勘探区内天然氢气的潜在资源量约为130×104 t，商业价值可与非洲马里相媲美[98]。现阶段已在南澳大利亚约克半岛完成全球第2口天然氢气专探井Ramsay 1的钻探工作[90]，完钻深度1 005 m，在240 m处的上寒武统Parara组石灰岩中发现天然氢气显示，体积分数高达73.3%，在892 m处花岗岩基底风化壳中发现水溶性氦气，体积分数达到3.6%。
Ramsay 1井的部署思路与美国Hoarty NE3井类似，即对已发现氢气含量高的井进行地质环境分析，确定天然氢气富集的有利地质条件，继而在周缘类似地质环境中进行勘探部署。南澳大利亚的袋鼠岛和约克半岛的2口石油钻井的前寒武系花岗岩基底中曾检测出高含量氢气，体积分数分别为83.3%和89.3%。约克半岛的高含量氢气井位于澳大利亚南部的高勒（Gawler）克拉通盆地内，地处Delamerian造山带的岩石圈边界，具有构造活跃的地槽-地堑伸展裂谷背景，寒武系不整合于中—强磁性花岗岩基底之上[85]，该套地层富含铁、铜、金和铀矿石[99]。同时，该区域断裂系统发育，块状断裂基底因自然断裂而形成储层，盖层则为块状断裂基底上方的寒武系及上覆地层[98]。当地下水与富铁地层接触发生辐解和水解反应，产生了大量氢气[85]，并沿断裂系统运移至储层成藏。Ramsay 1井的钻探也证实该地区储层为裂缝发育的碳酸盐岩储层，并且存在沟通基底的深大断裂，是天然氢气运移的主要通道。同时，该井在花岗岩基底中钻遇的高含量水溶性氦气也为氢氦兼探提供了可能。
5 中国天然氢气的勘探开发前景对比国外已发现天然氢气区，中国同样具备发育高含量天然氢气的地质条件。中国由多个板块拼合而成，经历了多期俯冲与碰撞构造运动，东部主要受太平洋板块与华北板块俯冲作用控制，西部受西伯利亚板块与塔里木板块、羌塘—扬子—华南板块与冈瓦纳板块碰撞作用的控制，在板块缝合带处发育多期蛇绿岩，是天然氢气的重要来源。同时，中国发育有多条规模巨大、向地下深切且长期活跃的区域性深大断裂[100]，如郯城—庐江深断裂带、阿尔金深断裂带、龙门山深断裂带等，为深源氢气的运移提供了良好的通道（图 9）。此外，华夏裂谷系和汾渭裂谷系与北美裂谷系具有相似的地质背景，是天然氢气勘探的潜力区之一。
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下载原图 图 9 中国富氢构造类型及天然氢气显示 注：蛇绿岩带编号及名称：1.科克森他乌—阿尔曼泰蛇绿岩带（Pz1）；2. 乌瓦门—拱拜子蛇绿岩带（S—D）；3. 红柳河—洗肠井蛇绿岩带（Pz1）；4. 红柳河—拉配泉蛇绿岩带（∈—S）；5. 恩格尔乌苏蛇绿岩带（C）；6. 二连—贺根山蛇绿岩带（Pz2）；7. 索伦山—查干乌拉蛇绿岩带（Pz2）；8. 龙首山蛇绿岩带（Ar3—Pz2）；9. 北祁连蛇绿岩带（O—S）；10. 柴北缘蛇绿岩带（∈—S）；11. 阿帕—茫崖蛇绿岩带（∈—S）；12. 康西瓦—苏巴什蛇绿岩带（C—P）；13. 库地—祁漫于特蛇绿岩带（Pz1）；14. 祁漫塔格蛇绿岩带（Pz1）；15. 赛什塘—兴海蛇绿岩带（P—T）；16. 木孜塔格—西大滩—布青山蛇绿岩带（P）；17. 疏勒南山—拉脊山蛇绿岩带（O—S）；18. 商丹蛇绿岩带（Pz1）；19. 勉略蛇绿岩带（C—T）；20. 甘孜—理塘蛇绿岩带（P—T）；21. 西金乌兰湖—金沙江—哀牢山蛇绿岩带（C—T）；22. 乌兰乌拉湖—澜沧江蛇绿岩带（P—T）；23. 雅鲁藏布蛇绿岩带（T—E）；24. 大南澳蛇绿岩带（J—K，N）。板块缝合带编号及名称：1. 额尔齐斯—佐伦—黑河缝合带（华力西）；2. 卡拉麦里缝合带（华力西）；3. 达尔布特缝合带（华力西）；4. 北天山缝合带（华力西）；5. 纳曼—贾拉伊尔缝合带（华力西）；6. 南天山缝合带（华力西）；7. 北祁连缝合带（加里东）；8. 柴达木北缘缝合带（加里东）；9. 昆仑—秦岭缝合带（扬子—燕山多旋回缝合）；10. 金沙江缝合带（华力西）；11. 班公—怒江缝合带（燕山）；12. 印度河—雅鲁藏布缝合带（喜马拉雅）；13. 龙门山缝合带（印支）；14. 蒙古—萨拉伊缝合带（加里东）；15. 佳木斯—牡丹江缝合带（加里东）；16. 内蒙古—延吉缝合带（华力西）；17. 江山—绍兴缝合带（扬子）；18. 诸城—海州缝合带（华力西—印支）。 Fig. 9 Types of hydrogen-rich structures and natural hydrogen display in China |
现阶段中国已在多个地区见到良好的天然氢气显示（表 2），但对天然氢气分布特征尚未厘清，对氢气生成的地质条件研究较少，对沉积盆地中氢气的分布和形成机理尚不清楚。相关学者仅对柴达木盆地和松辽盆地的天然氢气成因进行了研究，指出无机和有机成因的天然氢气在中国均有发育。柴达木盆地三湖地区是中国主要的生物气产区，在SN2井中测得天然氢气体积分数高达99%，Shuai等[101]结合该地区的沉积、构造特征，碳、氢以及稀有气体（Ar、He）同位素分析，认为该地区的天然氢气主要为生物成因气，而非来自地球深部或无机反应。松辽盆地的天然氢气则可能是多种成因混合的结果，Han等[102]依托松辽盆地的大陆科学钻探项目，在SK2—SK3井区及周缘地下发现高含量的天然氢气，已检测的最高体积分数达26.9%，天然氢气的赋存层位包括白垩系登娄库组、营城组和基底岩层，分布于页岩、砂岩、砾岩、火山岩和变质岩等多种岩性中。通过稀有气体及同位素分析发现，SK2井区的天然氢气具有地幔及地壳等多种来源，具有复杂的成因机制，而在天然氢气富集层段具有高GR异常，说明水的辐解也可能是该地区天然氢气的来源。此外，深部地震勘探结果表明，SK2井所在的徐家围子断陷深部存在明显的莫霍面断裂，说明深大断裂对天然氢气的运移富集具有关键的控制作用。Wang等[103]通过对登娄库组、营城组富氢岩石的分析认为，天然氢气主要以吸附的形式存在于介孔和微孔中。
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下载CSV 表 2 中国天然氢显示统计 Table 2 Statistics of natural hydrogen display in China |
综合以上分析，中国完全具备寻找天然氢气资源的地质条件。虽然对已有天然氢气的研究还需要进一步开展，但天然氢气富集的关键条件已基本明确，即充足的氢源（蛇绿岩、放射性元素、地幔热流等）以及沟通基底的深大活动断裂。通过叠合中国主要活动断层、蛇绿岩带以及天然氢气显示点，也证实已发现高含量氢气显示与前文总结的氢气富集有利地质条件具有良好的匹配关系（图 9），且在3种类型的有利地质环境中均见到氢气显示，鉴于此，可初步圈定3个天然氢气成藏有利带。
（1）郯庐断裂带及周缘裂陷盆地区。受太平洋板块与欧亚板块俯冲碰撞作用的影响，中国东部是典型的弧后火山活跃区，发育多期火山及岩浆侵入，氢源充足，而郯庐断裂带作为东部最主要的地震活动带[104]，自古近纪以来受印度板块挤压而切入地幔，致使大规模的玄武岩沿断裂带喷出[105]，断裂带周缘发育的多个裂陷盆地。如松辽、渤海湾及苏北等盆地都具有良好的沉积储-盖组合，有利于高含量氢气的保存，目前在这些盆地内已发现了多个高含量氢气显示点[106-108]。
（2）阿尔金断裂带及两侧盆地区。中国西部经历多次俯冲碰撞构造运动，沿阿尔金断裂带两侧发育多条不同时期的蛇绿岩带（图 9），寻找隐伏的蛇绿岩带是该区域天然氢气勘探的关键。阿尔金断裂带北侧的塔里木盆地在早二叠世发生了大规模的岩浆活动，形成了著名的塔里木大火成岩省，盆地内发育基性—超基性岩墙[109]，是优质的氢源。断裂带南侧柴达木盆地钾盐和卤水资源丰富，钾盐与卤水的存在更有利于富氢流体的形成。
（3）三江构造带（怒江、澜沧江、金沙江）—龙门山断裂带及周缘盆地区。三江地区大地构造横跨印度、亚欧板块，由多条逆冲走滑断裂带及其间的块体构成，喜山期以来，岩浆构造活动强烈，发育有多条蛇绿混杂岩带及大量火山岩群，为天然氢气的生成提供了充足的氢源，同时持续活动的大断裂为地球深部氢气的运移提供了良好通道，已在云南腾冲的火山温泉气中检测到体积分数超过5%的天然氢气[110]。此外，作为地壳块体走滑、旋转拉分的产物，中新世以来的滇西腾冲—梁河—龙川江等地区的伸展盆地内发育有上新世—第四纪河相、湖相沉积及玄武岩夹层[111]，这与马里Bourakebougou地区的天然氢气藏具有相似的地质条件，有望发现高含量氢气藏。龙门山断裂带构成青藏高原的东缘，向东推覆于四川盆地之上，具有逆冲与走滑共同作用的挤压转换造山特征，是天然氢气运移的良好通道，同时该地区中—晚二叠世形成的峨眉山大火成岩省也能为其提供充足的氢源，区域东侧的四川、黔中、楚雄等多个盆地中均发现了高含量天然氢气的存在（表 2），资源前景良好。
6 结论与展望（1）全球已发现的高含量天然氢气以无机成因为主，富铁矿物的蛇纹石化过程是天然氢气最主要的成因来源，在美国、马里和澳大利亚等国已开始开发试验。
（2）优质的氢源与良好的运移通道是氢气富集成藏的关键，裂谷发育区、蛇绿岩发育区以及断裂发育的前寒武系富铁地层是寻找富氢气藏的勘探有利区。
（3）中国已发现的高含量氢气点与富氢地质条件匹配度高，天然氢气的勘探前景广阔，郯庐断裂带及周缘裂陷盆地区、阿尔金断裂带及两侧盆地区、三江构造带—龙门山断裂带及周缘盆地区是天然氢气成藏有利带。
（4）中国可尽快开展天然氢气的普查工作，查清天然氢气的资源潜力及开发利用前景。同时，设立科技专项，加强天然氢气的成藏过程研究，降低勘探风险；加强勘查评价、开采分离、储运等技术的攻关，为天然氢气开发利用做好技术储备。
致谢: 本文中国石化石油勘探开发研究院孟庆强为本文提供了部分中国天然氢气含量数据。
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