（本文發(fā)表于2024年第1期）

第一作者簡介田黔寧，正高級(jí)工程師。長期從事地質(zhì)、礦產(chǎn)及油氣相關(guān)工作，參與礦產(chǎn)資源調(diào)查、油氣資源調(diào)查、炸彈尋找、考古、核電站選址、情報(bào)等研究項(xiàng)目，涉及地球物理、地學(xué)情報(bào)、地質(zhì)、測繪、計(jì)算機(jī)編程等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)開發(fā)用于地球物理和情報(bào)研究工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并取得一定成效。承擔(dān)并完成項(xiàng)目30余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，出版專著3部。

> 清潔地球

人類文明的基石是能量，縱觀歷史，人類經(jīng)歷“火與柴草”“煤炭與蒸汽機(jī)”“石油與內(nèi)燃機(jī)”三大轉(zhuǎn)變，逐漸從農(nóng)耕文明步入工業(yè)文明。在能源利用不斷轉(zhuǎn)型的過程中，人們也意識(shí)到，在環(huán)境友好需求的驅(qū)動(dòng)下，如氫能這類新型清潔能源已是大勢所趨。時(shí)間的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)到21世紀(jì)，基于碳中和共識(shí)及對(duì)能源安全的考慮，發(fā)展氫能勢在必行。由于氫能發(fā)展的戰(zhàn)略重要性，世界主要國家和地區(qū)都發(fā)布了相關(guān)支持政策，高度重視氫能產(chǎn)業(yè)，加快對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的布局，氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)升溫，由此，之前一直被人們所忽視的天然氫也得到全世界的關(guān)注。未來，天然氫可能會(huì)為人類尋找新能源添上濃墨重彩的一筆。

與蒸汽重整制氫（灰氫、藍(lán)氫等）或電解制氫（綠氫）不同，天然氫（地質(zhì)氫、白氫或金氫）通過地殼和地幔中的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地球化學(xué)過程自然形成，它是一次能源，這一點(diǎn)與化石燃料和可再生能源相似。

氫（H），是一種氣體元素，也是宇宙中最輕、最豐富的元素，通常為雙原子分子（H2）。氫氣具有無色、無臭、無味的特性，無特定儀器很難檢測到；密度非常低，約為空氣的1/14，因此可以迅速擴(kuò)散；它是高度易燃?xì)怏w，在氧氣中燃燒產(chǎn)生水蒸氣。氫氣是一種有吸引力的高效燃料，燃燒時(shí)釋放出大量能量，可用于工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸和發(fā)電等。因?yàn)闅錃馊紵龝r(shí)僅產(chǎn)生水蒸氣，所以它還是溫室氣體排放量最小的清潔能源，用作燃料時(shí)不會(huì)造成空氣污染或氣候變化。然而，目前絕大多數(shù)氫是通過消耗能源制成的，制取過程會(huì)向大氣中排放大量二氧化碳，而不排放二氧化碳的電解制氫成本又較高。因此，未來氫能生產(chǎn)與利用需要追求更清潔、更低廉的能源供應(yīng)渠道，目前來看，天然氫具備這種特質(zhì)，由此，今后天然氫的勘探開發(fā)可能會(huì)占據(jù)氫能開發(fā)利用的舞臺(tái)中心。

幾個(gè)世紀(jì)前，人們就知道地下存在天然生成的氫氣，在元素周期表之父門捷列夫于煤礦中發(fā)現(xiàn)富氫氣體并進(jìn)行記載后，有關(guān)逸出地表的富氫氣體的概念在19世紀(jì)后期就發(fā)展起來。但由于存在天然氫無法富集的認(rèn)知偏差，長期以來，人們并沒有對(duì)地下天然氫成藏有進(jìn)一步探索。直到1987年，馬里的布拉克布古村附近正在鉆探的一個(gè)水井發(fā)生爆炸，人們才發(fā)現(xiàn)了地下純度高達(dá)98%的氫氣，從2012年開始在此處鉆探氫氣并進(jìn)行小規(guī)模發(fā)電。至此，人類開啟了天然氫勘探開發(fā)利用之門，這是全球迄今為止唯一一處被開發(fā)利用的天然氫氣藏。然而，隨著對(duì)天然氫氣藏賦存的地質(zhì)構(gòu)造的深入調(diào)查和研究，這種現(xiàn)狀將會(huì)改變，未來會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的天然氫氣藏。

01

發(fā)現(xiàn)與分布

大氣中的氫含量極低，約為百萬分之0.5。而在海底或大陸噴氣孔、溫泉口、“仙女圈（天然氫逸出造成植被難以生長的圓形洼地，可以在航空或衛(wèi)星照片中觀察到）”或構(gòu)造裂縫處發(fā)現(xiàn)天然氫含量較高，而且在許多深度從幾米到1000米不等的地下水、石油和天然氣鉆孔中也發(fā)現(xiàn)有天然氫，由此可認(rèn)為地下賦存大量天然氫。

天然氫分布廣泛，在裂谷、弧后盆地、克拉通盆地、條帶狀含鐵建造或礦化帶和礦床內(nèi)、洋中脊和造山帶都能檢測到天然氫。全球天然氫分布受到地質(zhì)和構(gòu)造控制的影響，不同地區(qū)、不同地質(zhì)環(huán)境其含量變化范圍在1%~100%之間。目前，大多數(shù)天然氫發(fā)現(xiàn)點(diǎn)集中在全球少數(shù)幾個(gè)地區(qū)，并以前蘇聯(lián)地區(qū)居多，其他位于美國、中非、歐洲和中國等國家。而這并不代表這些地區(qū)的天然氫賦存豐富，僅能說明在這些地區(qū)發(fā)現(xiàn)氫氣的活動(dòng)更頻繁、受到關(guān)注的時(shí)間更長。

地下天然氫的產(chǎn)生和分布受多種地質(zhì)控制因素的影響，這些控制因素對(duì)氫的生成、儲(chǔ)存和運(yùn)移起著重要作用。天然氫的地質(zhì)控制因素對(duì)于識(shí)別可勘探的區(qū)域和評(píng)價(jià)氫富集的可能性非常重要。

> 海底噴氣孔

> 陸地噴氣孔

> 溫泉口

> “仙女圈”

（Alain Prinzhofer，2019）

02

來源與賦存狀態(tài)

地殼中的天然氫主要由非生物作用和生物作用形成。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，水巖反應(yīng)、深部脫氣和水輻解可能是產(chǎn)生天然氫的主要非生物作用。產(chǎn)生氫氣的水巖反應(yīng)是指水和富含鎂鐵的巖石之間發(fā)生的反應(yīng)，即巖石中的鎂鐵質(zhì)礦物在有水存在的環(huán)境下，水與其中的鎂鐵質(zhì)礦物發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樯呒y石，同時(shí)釋放出氫氣（稱為鎂鐵質(zhì)巖石的蛇紋石化）；深部脫氣指從地球深處沿著構(gòu)造板塊邊緣冒出“原生”氫氣，研究者曾給出了“地幔脫氣”的說法；水輻解指由地殼中放射性元素（鈾、釷或鉀）分解水分子形成氫氣，這個(gè)過程很緩慢。生物作用是通過有機(jī)物的厭氧分解、發(fā)酵和固氮菌生成天然氫氣。上述這些生氫機(jī)制，對(duì)天然氫的形成和富集起著重要作用，觀察到的天然氫可能存在不同的氫源，而且不同的地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生氫氣的機(jī)理也很多，可通過氫同位素分析對(duì)氫氣的來源進(jìn)行鑒別。

不同來源的天然氫，賦存狀態(tài)也有所不同，研究人員根據(jù)天然氫在地質(zhì)環(huán)境中的賦存狀態(tài)，將其分為三類，即游離氫、包裹體氫和溶解態(tài)氫。通過巖石（或地層）的孔隙或裂縫自由遷移的天然氫為“游離氫”，主要在蛇綠巖中可以發(fā)現(xiàn)；以包裹體形式或者以吸附的形式圈閉在巖石內(nèi)的天然氫稱“包裹體氫”，在橄欖石樣品中就有發(fā)現(xiàn)；以溶解態(tài)氣體存在于地下水中的天然氫為“溶解態(tài)氫”，在裂谷和深斷層中可以發(fā)現(xiàn)。

> 地下天然氫工廠（Eric Hand，2023）

03

開發(fā)利用成本

全球每年消耗7000多萬噸氫氣，主要用于工業(yè)用途。目前市場上的氫都是制造出來的。蒸汽重整制氫（灰氫和藍(lán)氫）是工業(yè)制氫最常用的方式之一，缺點(diǎn)是會(huì)釋放大量的二氧化碳，加上碳捕獲和碳儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，生產(chǎn)成本約為每千克2~4美元。水電解制氫（綠氫）屬于能源密集型生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)成本很高，為每千克5~8美元，且目前只占?xì)渖a(chǎn)總量的4%。而天然氫是可以從地下開采出來的資源，開發(fā)天然氫僅需消耗少量能源，既不需要淡水，也不排放二氧化碳，生產(chǎn)成本估計(jì)每千克不到1美元。因此，天然氫比目前人工制氫更便宜，更環(huán)保，與其他可再生能源和無碳能源相比，其成本較低，因此天然氫具有挑戰(zhàn)化石燃料的有利地位。開發(fā)天然氫的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一將是克服運(yùn)輸問題，如果未來能夠借鑒石油和天然氣運(yùn)輸技術(shù)，形成安全的運(yùn)輸系統(tǒng)，那么天然氫可能會(huì)同150年前石油開發(fā)熱潮一樣，有望成為未來能源的改變者。

> 氫的生產(chǎn)成本（美元/千克）

04

估算資源量

地下天然氫在生成、運(yùn)移、積累和保存方面存在不確定性，所以目前無法精準(zhǔn)確定潛在資源量。盡管如此，人們對(duì)地下天然氫的形成還是取得了不少研究成果。研究人員認(rèn)為，在下地幔內(nèi)，天然氫廣泛分布，但其資源量未知。在上地?！貧?nèi)，據(jù)估算年產(chǎn)天然氫量約為（254±91）×109立方米（2540億±910億立方米），這個(gè)估算量隨著全球?qū)μ烊粴湔{(diào)查工作的進(jìn)一步部署，可能會(huì)有所提高。最近，相關(guān)學(xué)者根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)建立了天然氫資源潛力評(píng)價(jià)模型，估算原地天然氫資源量為數(shù)十萬噸到數(shù)千億噸不等，平均達(dá)到數(shù)千萬噸。研究者認(rèn)為，即使大多數(shù)天然氫礦藏因埋藏太深、離岸太遠(yuǎn)、累積量太少而無法進(jìn)行開采，但只需開采其中的百分之幾的量，就能滿足百年內(nèi)年均約5億噸的氫氣需求量。近幾年來，在馬里布拉克布古氣田、澳大利亞約克半島、西班牙蒙松礦區(qū)、法國洛林盆地均發(fā)現(xiàn)了大量天然氫氣藏，它們的天然氫資源估算量分別為500萬噸、130萬噸、500萬~1000萬噸、4600萬噸。

目前認(rèn)為現(xiàn)存天然氫可以滿足全球1/4的用氫需求，但實(shí)際資源量尚未得到證實(shí)。要確定地下有多少天然氫，很難給出一個(gè)確切的數(shù)字，全球地下天然氫富集的潛力尚不清楚，需要后期投入大量研究來深入了解地下天然氫的富集過程和富集量。

05

勘探開發(fā)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

目前，天然氫勘探開發(fā)尚處于起步階段，全球第一個(gè)開發(fā)利用的天然氫氣藏（2012年，在馬里的布拉克布古地區(qū)），雖已過去10多年，然而此處地下的氫氣還在源源不斷產(chǎn)出，此例不僅證實(shí)了開采的地下天然氫比人工制氫的成本更低，也點(diǎn)燃了天然氫勘探開發(fā)的星星之火。

從馬里這個(gè)重大突破開始，尤其是近幾年，天然氫吸引著越來越多的目光，越來越多的創(chuàng)業(yè)公司加入了這股熱潮。目前澳大利亞和美國處于領(lǐng)先地位，在南澳大利亞州，申請(qǐng)或獲得天然氫勘探許可證數(shù)量激增。2021年以來，澳大利亞已頒發(fā)40多個(gè)天然氫勘探許可證，主要在占地面積57萬平方千米的南澳大利亞州開展天然氫勘查工作；目前已確認(rèn)一處高含量的天然氫氣田，估計(jì)可開采的氫氣量為130萬~880萬噸。美國天然氫勘探項(xiàng)目正在逐步實(shí)施，開展了相關(guān)天然氫調(diào)查工作，并在亞利桑那州麥考利氣田、內(nèi)布拉斯加州和堪薩斯州進(jìn)行了天然氫鉆探；與此同時(shí)，還在科羅拉多州啟動(dòng)了一個(gè)天然氫勘探開發(fā)試點(diǎn)項(xiàng)目。歐洲天然氫勘探開發(fā)項(xiàng)目數(shù)量也在成倍增加，西班牙在阿拉貢比利牛斯山脈開展了天然氫勘查工作，發(fā)現(xiàn)大量天然氫礦床，并準(zhǔn)備開發(fā)這些礦床，目標(biāo)是每年開采5.5萬~7萬噸天然氫；法國在西比利牛斯山和洛林進(jìn)行了天然氫勘探活動(dòng)，并宣布在洛林發(fā)現(xiàn)了天然氫氣藏，1家公司已申請(qǐng)此區(qū)域獨(dú)家采礦勘探許可，還有3家公司申請(qǐng)了法國皮雷內(nèi)斯—亞特蘭蒂斯地區(qū)、中部多姆山地區(qū)采礦勘探許可證，以開發(fā)天然氫氣藏。巴西一個(gè)直徑500米的“仙女圈”正在進(jìn)行氫氣連續(xù)監(jiān)測，每天的氣體流量約17.8萬立方米。中國在松遼盆地等一些地區(qū)的鉆井中同樣發(fā)現(xiàn)了天然氫，但尚未開展有針對(duì)性的勘探開發(fā)工作。

盡管全球天然氫勘查鉆孔數(shù)量、發(fā)現(xiàn)的潛在天然氫氣藏?cái)?shù)量和涉及的公司數(shù)量正在迅速增加，尋找到天然氫氣藏的證據(jù)也越來越多，然而，觀察到的地質(zhì)環(huán)境的多樣性、各種提出的生成機(jī)制，以及在確定生成因素時(shí)的明顯不一致，表明我們對(duì)其來源、富集程度和含氣豐度的理解因缺乏調(diào)查研究而受到限制。許多現(xiàn)有證據(jù)是通過對(duì)油氣或特定地質(zhì)過程和環(huán)境的調(diào)查得出的，都是間接的認(rèn)識(shí)，而且不恰當(dāng)?shù)臋z測、分析和常規(guī)取樣方法可能會(huì)擾亂或無法獲取準(zhǔn)確的氫氣測量數(shù)據(jù)，造成目前很難發(fā)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)可采的天然氫氣藏的局面。

當(dāng)前，對(duì)天然氫在地殼中運(yùn)移和富集的地質(zhì)認(rèn)識(shí)還非常有限，雖然前期研究已積累一些證據(jù)，但尋找這種新興氣藏仍具有挑戰(zhàn)性。天然氫產(chǎn)于地下深處，然后運(yùn)移至地表，最終在大氣中擴(kuò)散，雖然可參考常規(guī)天然氣勘探開發(fā)建立的“源—運(yùn)移—儲(chǔ)層—蓋層”油氣成藏系統(tǒng)，但天然氫的形成和儲(chǔ)存的地質(zhì)條件與天然氣成藏機(jī)理存在較大差異，而且氫氣來源及其所伴生的巖石類型和流體的多樣性，則需要進(jìn)一步監(jiān)測、記錄地表天然氫逸出，研究天然氫成藏系統(tǒng)，甚至鉆探潛在的天然氫儲(chǔ)層，形成全面的天然氫勘探指南，才能成功實(shí)現(xiàn)天然氫商業(yè)開發(fā)。另外，開發(fā)天然氫氣藏時(shí)還需要弄清其位置、大小、技術(shù)實(shí)用性、安全性、成分、壓力，以及儲(chǔ)層中自然補(bǔ)充天然氫的速率，這些還需要對(duì)天然氫探測采用的遙感、地球化學(xué)、地球物理等勘探方法和工具進(jìn)行進(jìn)一步探索。

目前，研究者給出了一些初步地質(zhì)觀點(diǎn)：尋找富含鐵或富含鈾的目標(biāo)基底；尋找斷裂；尋找沉積蓋層，特別是存在含水層或蒸發(fā)巖的沉積層；檢測地表天然氫并進(jìn)行長期監(jiān)測，逸出標(biāo)志可能顯示為“仙女圈”，也可能沒有任何標(biāo)志；監(jiān)測礦山、地下水、石油和天然氣鉆孔中的氫氣。這些觀點(diǎn)可以用來指導(dǎo)尋找地下天然氫的勘探活動(dòng)。

06

環(huán)境與能源意義

天然氫的環(huán)境意義在于其作為清潔和可持續(xù)能源的潛力。使用天然氫可以對(duì)環(huán)境產(chǎn)生許多積極影響，其中之一就是減少溫室氣體排放。當(dāng)用作燃料時(shí)，氫氣燃燒僅產(chǎn)生水蒸氣，不釋放二氧化碳和其他有害污染物，這有助于緩解氣候變化和改善空氣質(zhì)量。天然氫可以通過地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地球化學(xué)過程持續(xù)產(chǎn)生，使其成為一種一次能源，可持續(xù)不斷地為人類提供能量。天然氫燃燒時(shí)，可釋放大量能量，這種能量可應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括發(fā)電、運(yùn)輸和工業(yè)過程。天然氫可以用作燃料電池系統(tǒng)中的燃料，還可用于內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)和其他能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。此外，氫可以是各種工業(yè)的原料來源，包括化學(xué)生產(chǎn)。

天然氫是實(shí)現(xiàn)長期能源安全和減少對(duì)化石燃料依賴的選擇，并有可能在儲(chǔ)能中發(fā)揮重要作用。天然氫可以利用現(xiàn)有的天然氣管道、儲(chǔ)存設(shè)施和輸送網(wǎng)絡(luò)，無需對(duì)設(shè)施進(jìn)行重大更改，這種可擴(kuò)展性和兼容性使天然氫成為從化石燃料過渡到清潔能源的可行選擇。此外，使用天然氫作為能源還可以提高能源獨(dú)立和安全，可以提高能源供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和彈性。

相信未來，天然氫勘探開發(fā)在世界各國的努力下，其潛力和優(yōu)勢能得到有效發(fā)揮，可為全球提供一種碳中和可持續(xù)發(fā)展的能源選項(xiàng)。而且，天然氫的開發(fā)利用，也可超越其本身的能源意義，隨著天然氫研究的深入和資金的投入，還可以推動(dòng)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新、降本增效，為綠色地球的可持續(xù)發(fā)展賦能。

作者： 田黔寧 付 剛 劉延明 楊匯群

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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