美国《科学》2023年的十大突破：寻找天然氢源的热潮

本文据李江海，2023，世界地质学讲义修改补充，限于篇幅，参考文献略。文中图片版权，归原出版方和原作者所有。本文材料仅供学术研究交流参考 。

#01

概述

氢气由于其燃烧时只产生水且热值高、无污染而被认为是较理想的清洁能源，受到全球广泛关注。

由于氢气无色无味又极易挥发，在过去的许多年一直没有引起地质学家的注意，直到1970年科学家在大西洋海脊的“黑烟囱”勘探时，意外发现了富含氢气的热液。随后几年陆续在别处的洋中脊也有发现（金之钧，2022）。

马里共和国布拉克布古（Bourakébougou）发现的天然氢气井，氢气含量高达97%，是目前唯一一个氢气田（Prinzhofer et al.，2018）。2012年，工程师们拔掉1987年由一根香烟引发爆炸后用水泥封闭的一个钻孔，发现它喷出的气体98%是氢气。由此连了一台发电机，为该村庄提供了第一批电力，而产生的废物只有水。经过十年的抽取后，钻孔中的气体压力并没有下降，这表明地底深层正源源不断地补充氢气（Hand，2023）。

马里共和国布拉克布古（Bourakébougou）发现大量的天然氢源

（据互联网资料）

（据互联网资料）

#02

天然氢源的分布

大陆地区的天然氢广泛分布于俄罗斯、美国的北卡罗来纳州、巴西等。在一些火山岩区也发现了氢气的异常分布，如菲律宾 Zambales、南澳变质岩及花岗岩、以及拉尔泥盆纪喷发岩中均富含氢气。意大利桑多里纳的火山气体中氢的含量大约为11.7%。含油气盆地中也发现高含量氢气，澳大利亚新几内亚地区氢气的含量超10%，德国Mulhausen的氢气含量为61.5%，美国Kansas气田的氢气高达40%（金之钧，2022）。

目前关于氢气的生成机制，尚未形成定论，但普遍认为主要有以下几种：蛇纹岩水岩反应、辐射水分解、断层摩擦、岩浆脱气、地幔脱气等。最近的估计全球洋中脊的蛇纹岩化产生的 H 2年 通量为 1011~1012 mol/a. 考虑历史时期大洋中脊蛇纹石化是普遍存在的，因此生成的氢气质量是巨大的，但海洋深处的氢气是很难开发利用的（金之 钧 ，2022）。

地球上天然氢源的成因示意图

（Hand，2023）

#03

天然氢源的勘探热潮

马里天然氢源的发现，引发了新一场能源热潮的开始，它是基于地球内部自然产生的氢气，这种气体可能会成为气候的解药。

传统地质学认为地球上不应储存着任何氢气。由于氢气富含化学能且具有反应性，认为在地球地壳中，大部分氢气将被微生物消耗或转化为其他化合物。但是它存在许多地方，并引发了新的假设。认为它是从地球核心泄漏出来的，或者是因地壳中放射性元素将水分子打破而产生的。一般认为在高温高压下，当水与富含铁矿物发生反应时，氢气就会生成（Hand，2023）。

受这一发现的启发，地质勘探现在在除南极洲以外的每个大陆都发现了大量氢气储备的迹象。2023年9月，美国地质调查局在雪佛龙和英国石油公司的支持下启动了一个研究联盟，而美国能源高级研究署也启动了一项价值2,000万美元的天然氢研发计划。美国地质调查局的研究表明，地球上可能储存有1万亿吨氢气，足以满足未来数千年燃料和肥料不断增长的需求（Hand，2023）。

美国北卡罗来纳州沿海激光雷达地图上有数公里宽的圆形凹陷，其中可能包含地底的氢气渗漏

（Viacheslav Zgonnik，2023; Hand，2023）

#04

全球不同环境的天然氢源

分子氢在自然界中比以前认为的要广泛得多。自然来源的氢主要归纳为三个主要组成部分：氢气在不同环境中作为游离气体，作为各种岩石类型的包裹体，以及作为地下水中的溶解气体。在所有类型的地质环境中，氢气通常作为主要气体，都以高浓度被检测到。对所有关于天然氢起源的机制的批判性评估表明，氢在自然界中储量丰富，可能其深层起源最可能的解释。结合现有数据，提出了地质来源氢气年总流量的估计值为23Tg/年。这个值比之前的估计值高一个数量级，但仍然不足以解释最近发现的全球扩散渗漏。氢可以在地球圈层（geospheres）的浅层和深层发生的机制中发挥关键作用，它可以影响非常广泛的自然现象。氢气是许多微生物的重要能量来源。氢气采样可以成为研究自然环境、地质填图、地震监测、绘制断层痕迹和资源勘探的有用工具。地质成因的氢源有可能成为未来的可再生能源，目前正在进行项目勘探（Zgonnik，2020）。

全球的体积浓度> 10% 的各种环境中的氢气检测图

（Zgonnik，2020）

东欧和北亚的地标密度很高，这是因为这些地区更频繁地寻找氢气，而不是因为这些地区的氢气含量更高。橙色矩形突出显示的区域在下图放大显示。

不同地质环境的体积浓度>10% 游离气体中的氢气检测图

（Zgonnik，2020）

东欧和北亚的地标密度很高，是由于这些地区更频繁地寻找氢气，而不是因为这些地区的氢含量更高。橙色矩形突出显示的区域显示在下图。

已发现与蛇绿岩相关天然氢源列表

（Zgonnik，2020）

全球不同环境围岩中体积浓度>10%的氢检测图

（Zgonnik，2020）

东欧和北亚是因为这些地区更频繁地寻找氢气，而不是因为这些地区的氢气含量更高。

氢能研究历史400年

（Christensen，2021）

来源|世界地球之旅