0 引言
能源是人类生存、社会发展和科技进步的基础性资源，在国家战略发展中具有不可替代的地位。中国作为能源需求高增长、自我产能稳定的部分进口型国家，能源对外依存度较大［1］。在全球碳中和问题和第三次能源结构转型的背景下，氢气因其燃烧时无污染和不产生二氧化碳、储能量大、能量转换率高、来源广泛及易储存等特点被认为是石油、天然气等化石燃料的有效替代品［2］。当前工业氢气生产主要方式包括：①利用风能、太阳能等可再生能源电解水制氢（绿氢），该方法制氢无污染但成本高昂，其实际生产和使用仍面临产量与技术问题［3］；②蒸汽甲烷转化结合碳捕获、利用与封存技术（CCUS）进行低碳排放制氢（蓝氢）；③利用石油、天然气等化石燃料制取氢气（灰氢），该方法制氢占目前全球氢总用量的96%［4］，但该方法在制氢的同时会产生大量二氧化碳（CO2）污染环境。目前全球实施的电解水制氢气项目大约有250个，其产量仍难以满足国际能源署所规定的80×106 t需求量［5］。因此迫切需要寻找更经济、更低碳的氢气生产途径。近年来，美国、澳大利亚等国家在能源战略方面强调了氢能行业的发展战略和计划，并提出了新的氢气来源——天然氢。作为一种由地下地质作用生成的可再生氢气，其绿色的生产方式、更低的生产成本和地下足以满足千年使用量的巨大储量被认为是未来能源格局中的重要支柱［4，6］。ELLIS等［6］建立的氢气模型指出地球上现有技术可采天然氢储量足以满足数百年的全球未来能源需求。自21世纪初俄罗斯第一个氢矿床的发现和马里天然氢井的开发和民生用电以来，各国针对天然氢的研究开始兴起，美国与澳大利亚签订的日内瓦天然氢井计划已经于2022年完成了钻井、完井和抽汲测试，有望证实氢气可天然成藏并被人类开发利用。为应对国家能源转型战略和推动化石能源与新能源融合发展，推进洁煤稳油增气，发展新型清洁能源，把握石油行业转型机会，本文拟通过广泛调研国内外天然氢资料，系统梳理和总结了天然氢气藏的勘探开发情况、基本地质特征和形成分布模式，尝试提出中国天然氢的发展方向和对策建议。
1 全球天然氢勘探和利用现状
长时间以来，人们受传统观念影响，认为氢气难以在地下存在或量太少而不具备勘探价值［7］。然而，随着世界各地多次在地表或井下检测到氢气的存在［5］，各国陆续通过地表卫星图像识别、地球化学气体分析和土壤检测、重磁电震等地球物理手段以及井下测井（主要是中子测井和声波测井）来识别和勘探天然氢［8］。但该工作由于受制于技术设备不足［9］、观念上不重视［10］等原因，且天然氢在当时与其他目标产物在地质特征上不同，因此，在以往的钻孔及采矿的样本中并没有对氢气进行采样和分析，这使得历史数据记录不足［8］。近年来，部分国家已尝试对天然氢资源进行开发，并已取得较好的效果。如：非洲马里Bourakebougou地区钻探纯度98%的氢气井并将其应用于民生领域，使得马里成为全球天然氢能源利用先驱国；德国投资3 000万欧元用于西非天然氢调研；美国1982年在Scott井中检测到50%的氢气［11］，2013年成立天然氢公司NH23并在多个国家进行天然氢探测，在2019年末于堪萨斯州玉米地钻探了美国第一口天然氢井；美国地质调查局声称已通过地球物理数据划定美国天然氢勘探热点区位于美国东海岸10 km附近和美国中西部地下火山裂谷附近；美国能源基金与西班牙金氢公司签署勘探协议，研究西班牙阿拉贡区域地下的异常高氢气［12］；巴西在2018年对圣弗朗西斯盆地的天然氢逸出洼地进行资源评估，并同牛津大学建立了联合研究计划［7］；法国建立了天然氢研讨组织以帮助天然氢学科建立，此外法国45-8能源公司于2020年圈定了欧洲高天然氢潜力区并提出在2023年首次试采［8］；澳大利亚金氢公司确定了袋鼠岛及约克岛南部高纯度天然氢资源，并计划进行勘探开发及资源量计算工作；2023年，法国FDE在洛林矿盆发现高浓度巨量天然氢，总储量可达46×106 t［13］；俄罗斯在2005—2011年对562个氢逸出洼地进行检测和资源计算［14］；ZGONNIK等［15］对阿曼北部山脉的氢气流做了详细检测；科索沃和阿尔巴尼亚对温泉地区天然氢渗漏进行充分的地球化学实验研究［16］。
中国的天然氢资源研究仍处于未起步阶段，未能把天然氢作为一种能源资源进行独立研究，仅在少量其他工作中涉及有检测到氢气的记录。云南腾冲部分热泉存在氢气渗漏现象，浓度介于0.32%~5.15%之间［17］；山西沁水煤矿和煤井中检测到部分氢气［18］；柴达木盆地三湖地区2口井的岩屑罐顶气中检测到含量99%的氢气，推测来源于生物降解［19］；在渤海湾盆地济阳坳陷的断裂带附近油气开采时检测到少量深部幔源成因气［20］；松辽盆地的吉木萨尔图、朝阳沟、葡萄花、扶余地区的深部气中含少量氢气［21］，盆地北部具有生物成因的天然气中含0.001%~0.352%的氢气［19，22-23］，徐家围子断裂凹陷处单井产气含氢且含量变化较大［24］，松科2井发现巨厚氢气异常带［22］以及长白山天池周围水热活动区的地下释放气体中含少量氢气［25］。
2 天然氢的地质特征
天然氢指分布在自然界大气圈、地壳、地幔等系统中的由地质作用自生形成的氢气，现阶段各国研究的天然氢气藏主要指广泛分布在大陆壳、洋壳和火山热液等地质环境中，由生物或非生物作用形成的，可在地表检测到氢气的可再生资源［7，26］，即完全地质成因的氢。在已有的天然氢研究中，前人主要分析在地表上大小不一的少植被或无植被洼陷（又称为“仙女圈”）中检测到含氢气流和油气田钻井以及煤矿开采中伴随的氢气，并通过氢同位素特征来确定天然氢的起源。“仙女圈”中氢的分布和浓度与洼陷地下构造结构有关，主要分布在裂缝发育的洼陷中心和边缘，且天然氢的产出同时伴随着少量的甲烷，其含量与天然氢含量成正比，同时检测到过量的氮气，但无其他碳氢化合物［14］；而火山或洋中脊区域的天然氢检测中同时伴随CO2和S相关产物［27］。现阶段研究认为天然氢成因建立在生物和非生物成因以及更复杂的机制上，在储层中以游离态、包裹体态以及溶解态存在［8］。本文采用上述天然氢定义，并基于前人研究归纳出天然氢藏具有氢源分布广泛、断层裂缝是主要运移通道、游离氢决定氢资源量大小、资源甜点区埋深小、氢藏属于动态成藏系统5个地质特征。
2.1 氢源分布广泛
2.2 断层裂缝是主要运移通道
前人研究指出地下氢气与断层存在密切关系，断层和裂缝可能是氢气运移的主要通道。在俄罗斯、马里、美国等地的“仙女圈”研究中指出，“仙女圈”的分布呈现一定的规律性，并与地下断裂、断层分布相符合；“仙女圈”中氢气流常集中在小型构造的中心或大型凹陷中心［14］；西澳大利亚北部的达令断层在空间上也与圆形构造相关［29］。美国对加利福尼亚州和犹他州断层系研究中指出，氢气和氦气的土壤气体浓度与深部断裂带有明显联系；堪萨斯州中部的数百个土壤气体测量的氢数据表明裂缝是游离氢垂直迁移的首要途径［30］。在深部金伯利岩和玄武岩裂缝中也有检测到相当浓度的富氢气体，被证明与裂缝存在相关性［27］。DONZE等［31］证明了天然氢的产状与相对较高的地热梯度和深断裂体和地堑构造有关。
2.3 游离氢量决定资源量大小
虽然天然氢存在游离态、包裹体态、溶解态3种赋存状态［8，32］，但在2020年统计的310个数据中有156例表现为游离态赋存在各类岩体、间歇泉、矿体、油气藏、裂谷和断层中；86例以包裹体态赋存在各类岩体、矿体以及含煤盆地中，68例作为溶解气赋存在油田水和地下水中。与游离氢相比，包裹体态氢同样具有随深度增加而氢浓度增加的特征［8］，但需要通过构造作用导致的活动和碎裂中释放转变为游离态后才可以通过流体通道和裂缝断层发生自由运移。而溶解态多存在于地下深层区域，并受制于低压下几乎为零的溶解性质，溶解态氢在随油水沿裂缝运移或流体通道向上运移的过程中逐渐以气泡形式析出［33］。马里Bourakebougou氢田中氢气就以游离态储藏在岩溶孔隙中而不是基质中，在深层中以溶解态存在于砂岩储层和裂缝基底中［34］。同时，地表“仙女圈”中检测出的持续性自由渗漏的天然氢表明游离态氢气是浅层的主要存在形式，具备更长的运移时间和更远的运移距离，保证了更好的成藏可能性。因此，推测游离氢含量越高天然氢资源量可能越大。
2.4 资源甜点区埋深浅
虽然天然氢源主要集中在深部，但其运移能力较强，氢气藏甜点集中在中浅层。由于氢气本身的性质，分子小、质量低，氢气易在混合气体中处于最上层，同样在地下的氢可以通过扩散和平流机制，在浮力和浓度梯度驱动作用下从深处迁移到浅层储层［35］。在俄罗斯、澳大利亚、美国及巴西等地区观察到的深层蛇纹石化成因天然气渗漏表明天然氢易于运移至地表［10］。以马里氢气田为例，碳酸盐岩和含黏土砂岩储层中的5个叠置氢储层（>20 m）深度分布范围分别为110~150 m、330~390 m、465~520 m、800~1 040 m和1 130~1 460 m，在深处虽有氢存在，但多以溶解态存在且难以利用。ELLIS［6］根据目前已知因素纳入计算并建立的模型，同样认为浅层储层是产氢的最佳潜力区域。
2.5 氢藏属于动态成藏系统
氢系统与石油天然气系统存在许多相似性，但天然氢藏的生成模式不同于油气藏，其成藏过程是动态的：首先，氢的生成和消耗作用在地下同时发生，天然氢的成因和丰富源岩保证了氢的生成量大于氢的消耗量；其次，近地表氢气逸出或产出的同时，下方随地质作用进行生成的氢气运移并充入氢气藏或直接运移到地表发生渗漏，这一点根据各国家对“仙女圈”氢渗漏的长时间检测以及资源量计算可以证明［36］；此外，对莫斯科2口井的455 d检测表明氢浓度随深度变化始于地壳中的化学动力作用，与人工来源无关［37］；根据井中氢浓度随深度变化的浓度梯度指出氢的运移成藏是一个较短时间内的动态过程［34］；DONZE等［31］指出向地表方向氢气压力逐渐降低，氢保持稳定的窗口期条件将无法满足，在较浅深度可以观察到氢气的瞬态聚集。这表明一旦氢气形成气藏并可供开发，其在当下时刻的氢气储量和体积是可以增加或减少的，具体资源总量取决于该地区氢气源的资源量。
3 形成与分布
3.1 形成机制
| 作用机制 | 主要表现 | 案例 |
|---|---|---|
| 深层岩浆和地幔脱气 | 1.裂谷、洋中脊、火山和地热带以及蛇绿石相关的气体和土壤、热液流体以及火山气体重点高浓度氢 2.深钻井和深断层氢浓度随深度增加 3.地幔衍生矿物和前寒武纪基底岩石的包裹体内 4.氢可作为天然金属氢化物存在于地幔和地核中 | 文献［39］ 文献［8］ 文献［14］ |
| 岩石破裂 | 破碎带的岩石中硅酸盐矿物裂解释放氢气以及水与断层破碎面新鲜岩石反应； 可独立或依附于地幔脱气发生 | 文献［40-41］ |
| 富Fe2+矿物作用 | 水中Fe2+氧化生成氢气，如海洋地壳、蛇绿石、洋中脊的蛇纹石化和玄武岩氧化； 富铁克拉通盆地和沉积物氧化 | 文献［42-43］ |
| 水的裂解 | 地下水在富K\U\Th岩石放射性能量分解产生游离氢气和氧气 | 文献［8］ 文献［44］ |
| 有机物分解 | 有机物在厌氧细菌、固氮细菌作用下腐烂、发酵可产生氢气 有机质生氢 | 文献［45］ 文献［39］ |
3.2 分布区域
据上述天然氢分布地区特征和成因机制，氢资源可能的分布和勘探潜力区主要包括：①陆上火成岩区：为富氢天然气提供了广泛的环境，包括蛇绿岩、裂谷带、火山热液、间歇泉等；②金伯利岩：金伯利岩裂缝可以赋存天然氢；③矿体：火成岩和沉积岩环境中铁、金、铀、汞、铜等多种金属矿石中赋存天然氢；④蒸发岩：蒸发硫酸盐和蒸发钾岩是氢气良好的密封储层；⑤油气田：油气田一般不含高氢，高氢的油气田可能与液化天然气有关；⑥裂谷带岩体：氢以流体包裹体形式束缚在大洋裂谷带岩体内，目前尚未在大陆裂谷带有所发现；⑦前寒武纪基底：前寒武纪基底以及其上的克拉通盆地是氢的主要产区。
在确定天然氢的可能分布区域后，仍需要制定可行的勘探策略以指导天然氢资源的进一步利用。然而由于天然氢气的来源和成因多样以及现阶段对于地壳中氢运移和聚集的知识了解不足，天然氢的勘探开采需要采取多样化的勘探策略并综合考虑不同的运移通道和圈闭，并制定可行的勘探指南以确定勘探靶区。如富铁岩石可能存在重磁异常，构造/断层可能影响潜在的深层和分散的氢源，深层的储层需要考虑岩性并规划相应的找矿方法。BOREHAM等［40］则根据澳大利亚氢资源研究现状给出了基于常规、非常规油气研究状况下氢气勘探的源运聚系统（图4）。而PASQUET等［27］则提出了裂谷带火山热液成因的氢气运聚模式（图5）。需要指出的是，地下天然氢一旦产生，便可能与地下含氧元素的矿物发生迅速反应或逸散。而氢气存储于地下空间和逸散至地表的运移通道仍未能确定，仅能根据断层的已知性质认为断层存在通道作用，因此上述模型仍可能存在很大的误导性。为此，仍需要新的实验数据和运移模型来研究确定氢如何在深部地质环境中运移和存储。
4 资源潜力与展望
4.1 资源潜力
4.2 展望
综上所述，天然氢作为一个新兴的勘探领域，可能发展成为一门新的学科并经历与石油天然气工业类似的发展历程。石油勘探领域从对烃源岩、运移通道、成藏模式的一窍不通到对油气系统的系统性认知，经历了近百年［51］，而氢系统的建立将基于石油勘探领域已发展的技术和知识的基础上，我们有望在短时间内取得相应的成果。目前，天然氢的大规模勘探仍存在许多问题：①氢本身的性质导致氢气易挥发迁移和与其他微生物以及矿物接触而被消耗，这种不利因素消耗的氢气量有多大、能否被人为约束值得进一步研究［10］；②深源成因的氢气仍被封存在地球深处，在开发技术落后于国外的情况下，如何借助在国内油气勘探从中浅层向超深层探索的趋势与天然氢勘探的目标和计划相结合［52］；③现有的氢气检测化学手段仍存在不足，不能充分满足天然氢的检测与逸出量计算；④现有证据下的氢气存在地质多样性、机制多样性，仍没有直接性证据来制定类似于石油天然气系统的明确概念。因此，在中国目前的天然氢能源发展计划中，首先需要系统性提高对天然氢的重视，加强天然氢潜力与机制研究，启动对已有勘探区域的氢能源在检测和资源类计算工作，同时推进利用地球物理与卫星图像寻找地表明显的氢渗漏构造，划分氢资源所属矿权区，协同碳封存技术加速储氢库研究工作开展，改进资源开采方法，推进低碳氢能源与化石燃料的替代和生成应用。
5 结论
（1）天然氢藏具有氢源分布广泛、断层裂缝是主要运移通道、游离氢决定氢资源量大小、资源甜点区深度浅、成藏属于动态成藏系统共5个地质特征。
（2）天然氢的成因机制多样，截至目前仍未有定论，深源脱气、蛇纹石化以及水的裂解被认为是产氢的主要机制；根据氢分布以及成因机制给出陆上火成岩区、金伯利岩、矿体、蒸发盐、油气田、各类岩体以及前寒武纪基底7个氢分布勘探潜力区；同时由于天然气的来源和成因多样以及现阶段对于地壳中氢运移和聚集的理解有限，现有天然氢系统模式和勘探研究仍需新的实验和数据进行补足。
（3）天然氢具有巨大的资源潜力与研究价值，目前所有对天然氢资源量的计算仍在实际上远低于天然氢的实际资源量；同时天然氢作为新型的勘探领域，在中国的研究起步和发展面临着基础理论不完善、检测开发手段落后等问题，需要系统性提高对天然氢的重视，及时展开天然氢检测和研究计划，结合地球物理等手段开展研究并推进资源矿区划分和开采，以推进中国能源结构更替。
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