0 引言
自工业革命以来，煤、石油、天然气等化石燃料一直在人类利用的一次能源中占有重要的地位，但在此基础上形成的能源体系无论是在资源的可再生还是对环境的保护等方面都没有形成良性的闭环。21世纪以来，随着人们对碳排放及相应环境保护的重视程度不断提高和对新能源的不断探寻，氢气作为一种清洁、零排放和高热值的能源逐渐进入人们的视野［1］。2019年6月，国际能源署（IEA）发布了一份具有里程碑意义的报告——《氢的未来：抓住今天的机遇》，在报告前言中提到：“氢气现在正以前所未有的势头发展，世界不应错过这一独特的机会，使氢气成为我们清洁和安全能源未来的重要组成部分”［2］。作为世界上最大的氢气生产国和消费国［3］，中国仍以不可再生资源煤炭作为生产氢气的主要原料。从目前阶段来看，寻找自然条件下富集形成的氢气资源对于填补能源需求缺口，减少消耗不可再生资源，促进灰氢、蓝氢至绿氢的转化等均具有重要的意义。关于氢气的相关地质—地球化学研究，前人［4-6］进行了积极的探索。本文系统总结了氢气的成因，从来源判识、分布特征与富含氢气天然气资源勘探开发等多角度出发，探讨了天然气中氢气的来源类型、成因特点及能源意义。
1 天然气中氢气成因类型
1.1 无机成因氢气
1.1.1 地球脱气
深部流体是地球脱气作用的主要物质基础，深部流体的挥发份和幔源、壳源岩石的热释气是氢气运移的重要载体［7-9］。地球脱气作用往往伴随较大规模的构造运动，因此深部流体活跃区域，尤其是火成岩发育区，通常是氢气富集的有利区，但是浓度变化极大［10］。深部物质可释放的氢气量理论上相当可观，金之钧等［11］结合玄武岩中斑晶的热释气体组分和含量，认为我国东营—惠民凹陷幔源火成—岩浆活动理论上可输入约44.1×109 m3的氢气。也有研究认为氢气的大量溢出主要集中在洋中脊和陆地蛇绿岩环境中［12］，美国堪萨斯州的Heins井中曾有高浓度含氢天然气的相关报道，结合氢气和氮气的同位素特征认为其中的高浓度氢气可能来自于地球脱气作用［13］。
大陆地表的氢气渗漏现象的相关报道主要存在于近圆形凹陷中，这些凹陷内的氢气浓度相对较高，此类活跃的氢气系统和地表的连续氢气渗漏现象均表现出“仙女圈（Fairy Circles）”的特点［14-16］，在俄罗斯、马里、美国和巴西等全球不同区域均有研究记载。从俄罗斯莫斯科到哈萨克斯坦的整个区域内目前已经发现数千个直径数百米到数公里不等的近圆形结构，这些结构内部氢气的浓度与结构的几何形状密切相关，在结构内部或边界能检测到最大氢气浓度，而结构外的邻近区域则检测不到氢气，并且氢气的渗流也与结构的几何形状相关［14］。类似的，美国北卡罗来纳州被当地人称之为“卡罗来纳海湾”区域的椭圆洼地中，内部的氢气浓度较高，而在低洼之外氢气浓度几乎为0［15］。在巴西东南部的克拉通盆地中，在部分浅层钻探土壤样品中检测到大量氢气，MYAGKIY等［16］通过研究论证将该现象解释为聚集在圆形凹陷中的氢气渗漏。
地表近圆形结构中的氢气渗漏现象极有可能预示着大规模地下天然氢气资源的存在。2012年，马里北部约50 km的Bourakebougou附近的一口水钻井中发现了纯度高达98%的氢气，进而发现其周边1 m深的土壤为一个完整的氢气渗出环状结构，最终结合先导井Bougou-1井及其周边12口井的气测结果证实了一个范围远大于8 km的大面积氢气田。该地区高含氢天然气中大量交代作用或基底作用形成的放射成因氦和氩均指示氢气很可能来自于基底，生成的氢气受辉绿岩床和含水层的封存作用得以保存，并最终形成大规模气田［12］。
1.1.2 水岩反应
水岩反应的含义相对宽泛，泛指一切地质作用过程中发生的流体与岩石的相互作用［17］，同时其作用范围也非常广泛，地表至地幔均存在不同机理的水岩反应。本文所讨论的与氢气生成相关的水岩反应主要集中于地球化学、矿物学、岩石学领域，聚焦于深部流体与岩石矿物的一系列物理化学反应，包括幔源岩石蛇纹石化作用、橄榄石或辉石中的Fe2+以及结晶基底或富钾岩石中的40Ca氧化还原反应、含Fe2+的角闪石（钠铁闪石）的热液蚀变作用以及火成岩和变质岩矿物中的结晶水羟基反应。
（1）幔源岩石蛇纹石化作用。蛇纹石化作用是一种常见且重要的水岩作用，根据其矿物组分和流体类型的不同会生成除蛇纹石外的多种产物［18］。由于蛇纹石化作用会生成大量氢气，对氢气相关的能源地质研究具有重要意义，长久以来受到了广泛的关注和研究，被视为自然地质条件下生成氢气的主要地球化学作用之一，针对蛇纹石化作用的研究也因此被不断地拓展丰富。
位于美国堪萨斯州的Scott和Heins 2口气井中的氢气含量分别高达29%和37%，其周边8个新钻探的油气井中也存在少量氢气显示（含量为0.2%~0.5%），由于该地区位于Humboldt断层以西数英里的Nemaha背斜上，切割前寒武纪基底岩石以及古生代地层，是一个低能量地震带，且与中大陆裂谷系统重合，因此COVENEY等［19］研究认为堪萨斯州的氢气成因主要是地层中超镁铁岩的蛇纹石化作用，包括金伯利岩和其他可能隐伏的层状超镁铁岩，其反应公式如下：
6[(Mg1.5FeO5)SiO4]+7H2O=3[Mg3Si2O5(OH)4]+
Fe3O4+H2
KLEIN等［20］评估了来自广泛地质环境的富镁橄榄石次生流体包裹体中氢气的形成条件，结果表明流体包裹体内的反应结果与强还原性封闭系统条件下的蛇纹石化具有相似性，产物主要为蛇纹石、水镁石、磁铁矿、甲烷以及氢气。当镁橄榄石温度低于约400 ℃时，它与捕获的水发生反应，形成蛇纹石；当橄榄石温度冷却到340±20 ℃以下时，镁橄榄石与地层水发生反应，水镁石成为平衡矿物组合的一部分；同时橄榄石和辉石中的Fe2+水驱氧化为沉淀在磁铁矿和蛇纹石中的Fe3+，从而产生氢气，这种反应可用广义反应来表示：
2(Fe2+O)rock+H2O→(Fe3+ 2O3)rock+H2
蛇纹石化橄榄岩的矿物成分结果显示，在蛇纹石化过程中，由于富SiO2流体的加入会促使岩石进一步蛇纹石化从而缺失水镁石，同时Fe3+不仅赋存于磁铁矿中，而且会大量赋存在蛇纹石矿中［21］，相关反应式如下：
Mg1.82Fe0.18SiO4+wH2O→0.5（Mg，Fe2+，Fe3+）3（Si，Fe3+）2O5（OH）4+x（Mg，Fe）（OH）2+yFe3O4+zH2
而且，蛇纹石化作用不只会发生在高温（>300 ℃）环境，在较低的温度（50~300 ℃）下铁橄榄石中的Fe2+也会与水发生蛇纹石化［22］。因此，虽然目前已有大量针对蛇纹石化作用生成氢气的相关研究，但近年来对幔源岩石蛇纹石化作用机理的深入研究表明，自然地质环境下可能仍存在部分蛇纹石化生氢作用的反应途径尚未明确，该类成因氢气的产率可能远高于前人计算结果。
（2）橄榄石或辉石中的Fe2+以及结晶基底或富钾岩石中的40Ca氧化还原反应。不难发现，铁的氧化与氢气的产生密切相关，氢气的产量在很大程度上受铁氧化态的影响。以蛇纹石化作用研究为基础，发现自然地质环境中存在大量与蛇纹石化作用相类似的其他水岩反应，该类作用的反应机理均为基性岩石中的金属元素在特定地下环境中被氧化，在此过程中生成或消耗水并产生氢气。在铁橄榄石溶解过程中，深部流体中的水与超基性岩石中的金属离子（Fe2+、Mn2+等）发生氧化还原反应可以产生氢气，其中的Fe2+主要来自于富Fe2+矿物，比如铁橄榄石［22］，反应公式如下：
3Fe2SiO4+2H2O→2Fe3O4+3SiO2+2H2
NEAL等［23］研究发现阿曼地区蛇绿岩的超镁铁质岩石中产生的氢气与富Ca2+、OH－的碱性地下水（pH值10~12）共生。同位素和化学证据表明，氢气是在封闭的地下水环境中通过低温氧化还原反应生成的，反应分为2个阶段：第一阶段，在超镁铁质岩石内部，反应消耗溶解于地下水的游离氧，从而留下明显的气态氮，生成铁氧化物；第二阶段，游离氧接近耗尽时，氧化还原电位降低的同时pH值增加，水和氢氧化亚铁的平衡逐渐接近水稳定性的极限，从而发生低温氧化还原反应，反应式如下：
2Fe(OH)2→Fe2O3+H2O+H2
3Fe(OH)2→Fe3O4+2H2O+H2
值得一提的是，其反应条件相对苛刻，需要具有相对未风化的地幔衍生岩石和较为枯竭的地下水资源，以及没有任何富含二氧化碳（去中和碱性）和氧气（破坏还原条件）的土壤覆盖层，才能发生以上反应。
类似的，除铁元素能与地下水发生氧化还原反应外，在结晶基底和富钾岩石中，由40K发生放射性衰变产生的40Ca也能与水发生反应生成氢气［24］，反应式如下：
40Ca+2H2O→Ca(OH)2+H2
（3）含Fe2+角闪石（钠铁闪石）的热液蚀变作用。对流体包裹体的研究过程中发现，含Fe2+角闪石（钠铁闪石）的热液蚀变作用也可能生成质量可观的氢气，该类氢气在过碱性侵入岩中尤为富集。加拿大地盾东部构造区奇异湖（Strange Lake）伟晶岩中的流体包裹体内存在大量的烷烃和氢气，其中氢气含量高达35%，受高温蚀变影响的岩石中气体主要为甲烷（54%~80%）和氢气（1%~35%），同时含有C2—C6碳氢化合物、二氧化碳和氮气，而受低温蚀变影响的岩石中气体则主要为甲烷（8%~40%）、二氧化碳（25%~62%）和氢气（15%~27%），同时含有少量C2—C6碳氢化合物［25］。 SALVI等［26］认为在伟晶岩侵位时亚溶花岗岩（Subsolvus Granite）与岩浆流体相互作用的过程中，含Fe2+的钠铁闪石在湿度≥350 ℃时蚀变为霓石并产生大量氢气，反应表达式如下：
3Na3Fe5Si8O22(OH)2+2H2O=9NaFeSi2O6+2Fe3O4+6SiO2+5H2
（4）火成岩和变质岩矿物中的结晶水羟基反应。在钻井过程中，由于钻具切削岩石形成新鲜断面，在这些新鲜面上可能发生水岩反应形成氢气［27］。对于自然地质环境，研究认为受构造作用产生的新鲜岩石表面也可能发生机械化学作用生成氢气。
KITA等［28］在湿润条件下对花岗岩和石英进行破碎加热，发现破碎时所释放的氢气量随温度升高而增加，在200 ℃时达到峰值，随后突然降低。采用控制变量法，同样的实验条件下未粉碎的样品释放的氢气量则可以忽略不计（约10-7 cm3），证明了氢气是由水与新鲜岩石表面的Si•和Si—O•等自由基发生化学反应产生的，并在此基础上解释了粉碎样品氢气释放量变化的原因：当温度高于200 ℃左右时，由于Si—O•自由基的寿命减少，故氢气释放量达到最大值并且随后突然降低。
FREUND等［29］在探究深层地下环境岩石中微生物群落所需能量供给时发现：虽然当水与新鲜矿物表面发生反应并氧化Fe2+时可以产生氢气，但这种反应并不能占据主导地位，因为它取决于岩石通过裂缝隙的偶发性开裂而产生的新鲜暴露面，而火成岩和变质岩的矿物中结晶水通过羟基反应则能生成更可靠、更大量的氢气。
该团队通过红外光谱、电导率、磁感应率、热膨胀和折射率等方法确定了相应氢气生成的反应式，并通过橄榄石单晶断裂和岩石破碎实验进行了验证（图1）。即当氧化镁开始从分解的氢氧化镁中结晶出来时，氢气开始大量生成。氢气释放后，又释放出氧原子，这说明在氧化镁中形成的过氧阴离子O2 2－通过歧化作用（O2 2－→O2－+O）分解。该反应也易于发生在成岩的硅酸盐中，并不只限于氧化镁这种离子结构中，例如水参与［SiO4］4－四面体之间的Si—O—Si键的水解，熔融二氧化硅中存在过氧离子，这表明类似于方程（2OH－↔O2 2－+H2）的反应将导致［SiO4］4－四面体和分子氢之间的过氧连接断裂。
1.1.3 水的辐解
JOHN等［36］分析英国约克郡Boulby钾盐矿二叠纪钾盐样品时，在其流体包裹体释放的挥发份中检测到了微量氢气，在没有天然辐射源的情况下对钾盐岩晶体进行辐射，得到了相应流体包裹体中的水辐解产生的氢气，证实了水辐解产生的氢气存在于钾蒸发岩矿物的流体包裹体中，由此认为钾盐中的钾发生放射性衰变过程中，水被辐解生成氢气。值得一提的是，雪茄湖铀矿床中水辐解产生的氢气有4%~17%被束缚在周围的黏土蚀变晕中，即氢气可以吸附在沉积岩和基底岩中的水饱和黏土矿物表面，微孔网络的性质和结合位点的不同均在促进氢气吸附中起关键作用［37］。富黏土矿物吸附氢气的发现拓展了以往对氢气赋存机理的认知，该发现极有可能代表着一种全新的富氢气天然气资源勘探方向。
1.2 有机成因氢气
1.2.1 生物作用
微生物作用也是氢气产出的重要一环，以某些存在于几乎没有光合作用输入环境的生物群落为主体，通过发酵、固氮、一氧化碳氧化及亚磷酸盐氧化等作用产生氢气，PICHÉ-CHOQUETTE等［40］研究认为生物成因氢气主要有氢化酶作用和固氮酶作用2种成因。
N2+8H+ +8e-→2NH3+H2
C6H12O6+4H2O→2CH3COO3 -+2HCO3 -+4H++4H2
1.2.2 有机质热解
有机质热演化过程中，H/C元素比值总体降低，芳香程度增加［48］，尤其是高—过成熟阶段，原始有机质经过链烃的环化、环烃的芳构化及芳香烃的缩聚等反应，会释放出大量氢自由基［49］，这些氢自由基重新分配并发生反应［50-51］，在此过程中，氢气可能伴随烃类气体大量生成。类似的，原煤、腐殖酸、腐殖酸残煤、抽提残煤和沥青质等热解过程中也可以产出氢气，在不同氢气生成阶段，含氧官能团、脂肪链及芳香环等会发生脱氢反应生成氢气，其中，芳香体系聚合增大阶段生成氢气量最大［52］。目前研究发现全球各地存在着大量的富含氢气天然气储层，由于氢自由基的来源和消耗途径相对复杂［53］，因此氢气的有机成因机制尚未完全明确。但是，天然气中氢气和甲烷的氢同位素值存在着明显的相关性，表明氢气的生成与有机质热演化存在着紧密联系［54］。
PATIENCE等［55］利用核磁共振分析了热演化作用过程中干酪根平均分子结构的相对变化，结果表明，有机质芳构化过程中，干酪根中烷基会被消耗从而生成氢原子。
-CH2-CH2- → -CH=CH-+2H
根据上式，在芳构化过程中，当一个碳原子被“芳香化”时，会产生一个氢原子，但此处的氢原子不一定以氢气气体形式产出，部分氢原子会返回有机质重新反应从而提高有机质的H/C元素比值（例如石油中的烷基结构裂解成烷烃）。
RCH2CH2CH3+4H2O→R+2CO2+CH4+5H2
式中：R为新生成的烷烃，该过程中生成的氢气可能会被地下环境中的矿物氧化剂消耗从而使整个反应持续进行，因此该过程中除了生成大量的短链烷烃外，还会伴生大量的二氧化碳和氢气［58］。
CH4↔Cgraphite+2H2
同时，在经历250~400 ℃最高温热演化的页岩及弱变质岩中均检测到低结晶度石墨的生成，而随着石墨化的持续进行，低结晶度石墨的H/C元素比值逐渐下降，表明该过程也会释放甲烷和氢气［61］。以上证据均说明自然地质条件下通过石墨化作用生成的有机成因氢气可在高热演化阶段富集。
2 天然气中氢气的分布及含量变化
富含氢气天然气在全球范围内的分布极为广泛，北美、亚太、欧洲、非洲、中东等地区均有大量报道，但不同地区氢气的最高含量百分比不尽相同且差距较大，在0.1%~99%区间变化。由于海洋环境中产生的大部分氢气在深海环境中被消耗掉，并且难以进入大气，因此此类氢气不被统计在内。
高浓度的富氢气天然气主要分布在火山岩发育区和部分发育深大断裂的盆地，并且通常拥有良好的上覆地层和含水层封存条件以聚集成藏［62］。天然气中氢气的含量往往与地质条件紧密相关。美国加利福尼亚州San Andreas断层附近的氢气排放量检测结果发现，沿活动断层的氢气排放可能与大陆边缘破坏性地震构造活动有关［63］，类似的，日本西南部Yamasaki断层的70个测点中，断裂带内测点的氢气浓度明显高于周围采样点，且距离断裂越近、断裂带周围的岩石破碎程度越高，氢气浓度越高［64］。此类氢气排放一般小于10%，例如中国沿郯庐断裂带发现的最高氢气含量为5.5%［5］，日本Atotsugawa和Ushikubi断层发现的最高氢气含量为7.8%［65］。虽然现阶段难以作为矿产资源工业开采，但是以此作为地震前兆，对于地震的预报有着积极意义。
在全球范围内已知的含氢气天然气中，其主要气体成分为甲烷、氮气和氢气［10，19，66-68］ （图2）。其中氢气的含量变化范围非常大，有的只含有少量的氢气，如土耳其安塔利亚地区的天然气中氢气含量为11.3%［67］，美国北卡罗来纳州的土壤样品的气相色谱显示氢气浓度仅在0.010 7%~0.104 3%之间［15］；而有的天然气主要成分是氢气，如马里北部约50 km的水钻井的天然气中氢气浓度高达98%［12］。VACQUAND等［66］据气体成分的多少将天然气分为4种类型，富氢型、氮—氢—甲烷型、富氮型、氢—甲烷型，富氮型天然气中的氮气主要来自于大气或是地壳深部；富氢型天然气与超碱性（pH值10~12）泉水或蛇纹石化有关，其伴生的惰性气体显示出接近空气值的特征，当蛇纹石化有更多的碳源时，会变成氢—甲烷型；如果富氮气型和富氢气型之间发生混合，则易形成氮气—氢气—甲烷型。
从地质背景角度考虑，我国地质构造复杂多样，拥有众多有利于高浓度氢气产出及保存的自然地质条件[62]，理论上自然地质环境中存在大量不同成因的地质来源氢气。目前我国不同地区均有含氢气天然气的相关报道，并通过地球化学证据直接或间接地判识了部分氢气的成因来源。我国柴达木盆地三湖地区2口井岩屑的罐顶气中存在高含量氢气，3He/4He、40Ar/36Ar及地质背景等间接证据均指示该地区氢气生成于沉积有机质微生物降解过程中[69]；在渤海湾盆地济阳坳陷构造活动区天然气中检测到了含量介于0.013 272%~0.000 652%之间的氢气，结合氢同位素和具有R/Ra测试值样品的H2/3He值，认为受深部流体活动影响，该地区天然气中存在部分幔源氢气[70]；在松辽盆地徐家围子断陷的氢气含量异常明显、变化范围大[71]，并且在松科2井中检测到大段连续的氢气气测异常，其成因尚未完全明确，有可能是有机—无机混合成因；除此之外，部分构造活动区天然气中也存在少量的氢气，但含量相较于国外同类型地区较低，例如云南腾冲热海地区及长白山五大连池的温泉气中氢气含量在1%左右[5⁃6]。总体而言，由于重视程度的不足及地球化学检测技术的限制，我国能源地质领域针对天然气中氢气产出及赋存的研究相对薄弱，缺乏系统性的深入研究。虽然目前国内针对天然气中氢气的相关报道仍相对较少，但综合已有研究成果不难看出，我国自然地质环境中氢气分布广泛，覆盖了无机—有机多种成因类型，且部分钻井中氢气含量相对较高，具有重要勘探评价意义。
3 天然气中氢气的来源判识
3.1 同位素
同位素示踪法是一种利用放射性核素或经富集的稀有稳定核素来示踪的常用科学技术，能较好地反映地质环境中物质的分布、迁移和富集规律。孟庆强等［72］测定济阳坳陷天然气中氢气的氢同位素值为-798‰~-626‰（VSMOW标准），与云南省腾冲温泉中氢气的氢同位素（-790‰~-626‰）相似，故以此判断济阳坳陷中的氢气可能同样来源于深源。同时，研究表明来自构造活动和稳定区域的氢气同位素组成存在一定差异，构造活动区域的氢气具有较低的δD值，而来自相对稳定区域的氢气具有较高的δD值［5-6，72］。由于氢气的化学性质活泼，氢元素容易发生同位素之间的交换，且同一地区的氢气可能具有不同的成因来源，这导致了氢气同位素值分布范围较大，难以精确判别氢气的成因。
3.2 伴生气体
氢气作为天然气中的一种重要组分，往往伴随其他气体（如氦气、甲烷等）产出，因此，利用伴生气体的地球化学特征类比反演氢气成因，能在一定程度上减轻氢同位素示踪的不确定性。氦气化学性质稳定，大部分氦气为3He，由地幔产生，而几乎所有的4He都是地球地质历史过程中238U、235U和232Th经放射性衰变产生的［73］。不同的3He/4He值能反映气体的成因和来源，因此可以通过3He/4He值来分析具有不同Ra值的天然气中氢气的成因［74］。同时，H2/3He值也可用于判识氢气来源，幔源成因氢气有低H2/3He值的特征［4］，其上限值为20×106［11］，济阳坳陷高青—平南断裂带中样品的H2/3He值均小于幔源氢气的上限，因此前人研究认为该地区天然气中混入了深部流体活动的氢气［70］。
综前所述，在利用氢气的同位素组成特征判断氢气的来源时，由于氢气本身化学性质的活泼性，氢元素之间很有可能会发生同位素互换，并且同一地区的氢气也可能具有不同的成因，这些因素加大了用该方法准确判断氢气来源的难度；而利用3He/4He值、H2/3He值以及Ln（CH4/H2）—δDH2图版等方法结合伴生气体地球化学特征解释氢气成因时，虽然一定程度上提高了准确性，但是作为间接证据仍不能全面覆盖所有氢气成因判识，且不同成因氢气的区分区间仍相对模糊。目前尚未形成系统性的氢气成因判识方法及相关判识标准，仍需要在后续的工作中进行大量的实验和数据统计，并结合规律总结出系统性的氢气成因判识方法和判识标准，这对于揭示深层氢气的形成机理，完善天然气成因地质理论均有着重要的意义。
4 天然气中氢气的能源意义
4.1 无机成因烃类气体
目前认为与氢气相关的无机成因烃类气体主要通过费托合成产生，且多地均有该类成因油气的相关报道。费托合成，又称F—T合成，1925年由德国化学家FISCHER和TROPSCH联合开发实现工业化，目前已被应用在大型的天然气液化和煤炭液化设施中。
该方法通过对一氧化碳非均相催化加氢可以生成不同链长的烃和含氧有机物，用以解决基于石油的烃类的供应问题，其化学方程式如下：
nCO+(2n+1)H2=C nH2 n+2+nH2O
据化学反应式可知，反应物仅为一氧化碳和氢气，但反应产物可达数百种以上，包括从甲烷到石蜡的烷烃、烯烃和多种含氧有机物，并且在不同的操作条件下产物的分布也大不相同。
4.2 有机质加氢生烃
同时，在有机质热演化作用过程中，氢气既是产物也是反应物，当存在外来氢源加入时，将大幅提高有机质生烃率。
烃源岩有机质热演化生烃是一个复杂的反应过程，在常规的原生和次生热解作用之后，氢气作为氢源加入可以显著增加高热演化阶段烷烃气的产量。高岗等［79］认为湖相烃源岩的混合型母质在热演化中，生成的非烃气以二氧化碳和氢气为主，并且在生油高峰后的生气阶段尤为明显。但是实际气藏中的氢气含量较低，大多因为性质活泼而被消耗掉了，而在幔源流体活动性极强的盆地中，穿透性及迁移能力均强于氢气的氦气往往可以成藏，并且在深部流体活动阶段氢气含量不增反降，以上证据均指示氢气可能参与了加氢生烃作用。同时，烃源岩加氢模拟实验结果表明，氢气的加入能提供额外氢源从而增加生烃产率，理论认为Ⅲ型干酪根、过成熟、低有机碳含量的烃源岩有可能在富氢流体的作用下由于产烃率的提高而具有工业价值［80］。由于氢气活泼的化学性质和较强的迁移能力，来自深部流体的氢气对烃类生成的影响不仅可以覆盖构造活动区域，还可以延伸到稳定区域［72］。
4.3 清洁气体能源
氢气是一种清洁能源气体，具有高利用率、高燃烧热值（14.3×104 J/g，约为燃烧1 g汽油放热的3倍）、高能量密度（120 MJ/kg，约为汽油、柴油、天然气的2.7倍）等优点［86］，已广泛应用在各个领域，为炼钢、冶金等提供了优质的还原剂和热源，并且有效减少了碳排放［87］。氢气与天然气混合燃烧可大幅降低氮氧化物的排放，如在CNG汽车中加入20%的氢气，可减少80%的氮氧化物排放［88］；并且氢气在清洁电力供应及交通运输领域大有可为，可以有效降低交通运输系统对传统“三大能源”的依赖，促进能源体系的清洁化、安全化。根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》［89］，“绿氢”将在未来氢气来源中占据主体，预计2050年可再生能源制氢占比将超过80%。
电解水制氢原理上主要有碱性水电解、PEM纯水电解、固体氧化物水电解等，能够实现高纯度制氢（最高可达99.7%）［86］，与电力相结合也能实现氢能的CO2零排放，是未来制氢工业的主流技术。尽管如此，当前国内的相关技术仍处于预研阶段，尚未实现突破，制氢装置普遍偏小，产能不到全年制氢总量的1%［91］，且制氢成本太高，难以实现工业化生产。而将该技术与再生能源相结合（风电制氢），其技术难度则更大，更需要进一步的研究优化［92］。除上述电解水制氢技术，以太阳能光催化制氢为代表的利用可再生能源制氢技术在经济环保方面更具优势，但是该类技术的相关基础理论研究不足，仍面临极大的技术壁垒和挑战，需要政策的扶持与补贴，并且转化效益也有待商榷，暂时无法实现广泛的工业化应用［93］。
综上所述，对氢气的地质成因及分布模式进行深入研究，揭示深层富含氢气天然气的成因机理，推动沉积盆地内氢气来源这一科学问题的发展，最终实现在自然地质条件下勘探开发高浓度含氢气天然气，将对清洁能源供给起到重要促进作用，对我国能源结构调整与转型具有科学和战略意义。
5 结论
氢气是天然气中的重要组分，既能促进油气的生成，又是极具潜力的清洁能源，对我国能源结构优化具有重要意义，也对推动全球能源变革有着重要的作用。本文对天然气中氢气的成因、分布、类型判识及能源意义等多方面进行了探讨，揭示了其与能源地质领域之间的密切联系。天然气中的氢气成因具有广泛性和多样性，主体分为无机成因与有机成因，无机成因类型包括地球脱气、水岩反应和水的辐解，有机成因类型包括生物作用和有机质热解，不同成因的氢气具有不同的分布和富集特征。在全球范围内，氢气分布非常广泛，在天然气中的含量变化范围也不尽相同。氢气既可以作为还原剂在费托合成中参与生烃，又可以作为氢源在有机质热演化过程中提高烃类物质产率，是关联无机与有机生烃学说的重要纽带，揭示深层富含氢气天然气的成因机理，有助于完善天然气成因地质理论。目前尚无对氢气成因判识的系统标准，主要通过氢气的同位素示踪和伴生气体地球化学特征类比，不能完全准确地判定氢气的成因来源，具有一定的局限性。
我国拥有地质背景复杂多样的天然条件，理论上自然地质环境中存在分布广、总量大且成因类型多样的富含氢气的天然气，但是国内针对天然气中氢气的相关研究起步相对较晚，自然地质环境中氢气的成因机理及分布规律均未完全明确。在清洁能源需要量日益增加的当下，科学研究、综合评价富含氢气的天然气将具有重要的能源战略意义。
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