Natural Gas Geoscience >

2026 , Vol. 37 >Issue 1: 163 - 177

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.05.004

Hydrogen-natural gas interplay in deep geological systems： Genetic mechanisms and organic-inorganic interactions

  • Yu XIAO , 1 ,
  • Qiang MENG , 1 ,
  • Heng ZHAO 2 ,
  • Mengting ZHANG 1 ,
  • Zhuo GUO 1 ,
  • Yaohui XU 1
Expand
  • 1. Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment，College of Resources and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China
  • 2. Jiangsu Design Institute of Geology for Mineral Resources （the Testing Center of China National Administration of Coal Geology），Xuzhou 221006，China

Received date: 2025-03-27

  Revised date: 2025-05-05

  Online published: 2025-05-14

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(41903013)

the Open Fund of Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment(HKLPGE-202308)

Fold

Abstract

Under the global low-carbon energy transition， natural hydrogen exploration and development have emerged as a focal point in global energy competition. This paper systematically reviews the genetic mechanisms of hydrogen generation and its interactions with hydrocarbon gases in deep geological systems. Key findings include：（1） Inorganic processes dominate hydrogen generation， where serpentinization serves as a key hydrogen source due to its high efficiency and widespread distribution. Mantle degassing and basement water-rock interactions provide stable hydrogen supplies in cratonic regions. （2） Hydrogen-hydrocarbon interactions exhibit dynamic equilibrium under high-temperature/pressure conditions： External hydrogen influx reactivates secondary hydrocarbon generation in overmature source rocks， while Fischer-Tropsch synthesis drives CO2/H2-to-CH4 conversion， establishing an equilibrium between hydrogen consumption and hydrocarbon enrichment. （3） Tectonic-fluid coupling systems demonstrate dual effects on gas accumulation： Deep-seated fault systems act as preferential migration pathways for hydrogen and alkane gases， yet associated hydrothermal fluid activities and caprock integrity deterioration may induce gas escape. Ductile caprocks （e.g.， evaporites） significantly enhance hydrogen retention through physical adsorption and sealing mechanisms. High-hydrogen natural gas reservoirs discovered in China's Songliao and Qaidam basins validate the co-accumulation potential in Precambrian basement margins and fault zones. Current challenges lie in three aspects： （1） Poorly constrained temperature-pressure coupling mechanisms of hydrogen isotope fractionation； （2） Lack of in-situ reaction simulation techniques for deep geological conditions； （3） Insufficient quantitative models for hydrogen generation-consumption （biotic vs. abiotic）.Future research should prioritize hydrogen source tracing techniques， develop numerical models for hydrogen-hydrocarbon interactions， and establish a dynamic evaluation framework tailored to continental sedimentary basins in China， providing theoretical and technological foundations for clean energy development.

Key words： Hydrogen origin; Deep and ultra-deep reservoirs; Organic-inorganic interplay; Deep natural gas; Hydrogen supply

Cite this article

Yu XIAO , Qiang MENG , Heng ZHAO , Mengting ZHANG , Zhuo GUO , Yaohui XU . Hydrogen-natural gas interplay in deep geological systems： Genetic mechanisms and organic-inorganic interactions[J]. Natural Gas Geoscience, 2026 , 37(1) : 163 -177 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.05.004

0 引言

2023年，《科学》（Science）将氢气勘探列为年度十大科学突破之一，标志着天然氢气（H2）勘探已成为全球能源领域的热点［1］。天然氢气作为一种零碳清洁能源，被誉为“金氢”或“白氢”，在缓解能源需求和推动环境保护方面具有巨大潜力。然而，中国目前的氢气生产主要依赖工业制氢，包括碳排放较高的“灰氢”（化石燃料制氢）和成本昂贵的“绿氢”（电解水制氢）等［2-3］。作为全球氢气消费大国，我国亟需勘探开发天然生成的“白氢”，以实现碳中和目标。
国际勘探实践已证实天然氢气成藏的可行性。早在1987年，非洲马里共和国的Bougou-1井就发现了纯度高达98%的氢气藏，成为全球首个商业化氢气田［4］。此后，美国堪萨斯州中陆裂谷系、澳大利亚约克半岛、加拿大地盾等地也相继发现了天然氢气资源［5-6］。我国同样展现出巨大的氢气勘探潜力，在松辽盆地SK-2井埋深6 000 m以下的天然气样品中发现氢气含量介于10.38%~23.06%之间，参照HAND［1］提出的“氢气含量>10%即具经济开采价值”的标准，其具备明显的经济可采价值［7-8］；柴达木盆地SN2井则发现纯度高达99%的生物氢气藏［9］；此外，楚雄盆地盐丰凹陷、渤海湾盆地东营凹陷、川东黔中隆起及黔北地区正页1井等地也陆续发现氢气显示［10-12］。这些发现表明，我国丰富的地质条件为各类成因氢气藏的发育提供了良好基础。尽管目前尚未开展针对天然氢气的专项勘探，但多个油气田中高含量氢气的显示已充分证明了其成藏潜力［13］。
随着我国油气勘探向深层—超深层领域拓展，深层烷烃气藏已成为未来能源勘探的重要方向［14-15］。然而，深层勘探面临诸多挑战：首先，深层—超深层有机质热演化程度高（R O>2.0%~4.0%），传统生烃理论难以解释晚期烷烃气藏的富集现象［16］，且深部幔源—壳源—有机氢的混合贡献率缺乏定量判识标准；其次，氢气因其分子量小、扩散系数高、易于反应等特点导致保存条件苛刻，现有的原位测量技术不成熟、氢气储盖体系不明确导致氢气勘探存在困难［7］；最后，现有研究多聚焦于单一气体的成因，忽视了深部氢气与烷烃气相互作用对协同成藏的影响，制约了复合成藏模式的建立。
基于上述问题，亟需开展深部地层氢气—天然气的成因及相互作用研究，明确有机与无机氢气—烷烃气的成藏贡献率，揭示氢气与烷烃气的生成、储集、封盖、运移及保存机制，为我国清洁能源开发提供理论支撑，助力“双碳”目标下深层资源的战略布局。

1 氢气成因机制

氢气作为一种小分子单质，其化学性质活泼、密度小、易扩散，天然氢气在地质环境中表现出高逃逸性与低保存效率的特点。自然界中氢气产生途径多样，总体上可分为有机成因与无机成因两大类。有机成因主要包括生物成因和有机质热解，而无机成因则涉及各种水岩反应、水的辐解及幔源脱气等过程［17］。这两类成因体系的氢气在生成方式与反应动力学方面存在显著差异，有机成因依赖于生物酶的催化作用以及低温的热力学反应，而无机成因主要是高温高压环境下的无机水岩反应。氢同位素（δ2H）作为气体地球化学示踪的重要手段之一，理论上能够反映氢气生成温度与反应路径［18］。然而，在复杂地质环境中，氢同位素分馏对温度极为敏感，且氢元素广泛存在于各种化合物之中，反应过程中氢原子频繁交换，导致氢气藏多为混源累积，几乎不存在单一氢源的氢气藏可供测定。因此，常见的δ2H值范围较宽，难以精准确定氢气的来源、运移及扩散机制［19］。

1.1　有机成因

1.1.1　微生物

微生物成因氢气主要由厌氧菌、发酵菌、固氮菌等微生物通过代谢活动产生［20-22］。实验表明，在营养物质充足且缺氧的条件下，微生物可通过发酵、固氮等过程释放氢气［23-24］。微生物产氢速率受多种因素控制：一是微生物种类，不同微生物的产氢速率存在显著差异。例如，在有机物供给充足的情况下，有学者发现在相同的条件下［pH=4.5、有机质负荷为80~90 kgCOD/（m3·d）］乙醇型发酵菌产生的氢气分压高达50 kPa，而丁酸型发酵菌所产生的氢气分压小于15 kPa，二者产氢效率差异是由于代谢路径以及氢气分压影响不同所导致［25］。二是可被利用的有机物供给，在总有机碳（TOC）含量较低的地层中，微生物的活动会受到限制，导致氢气产量显著降低［26］；例如，有研究发现在低TOC环境（<1 mgC/L）中地下水中的作为典型微生物代谢产物的甲酸、乙酸浓度低至（7~9）×10-6 md/L，证明有机碳源量有限，但在裂隙水中溶解的H2浓度却高达（1 940~3 715）×10-6 md/L，说明高浓度H2由其他来源贡献。三是温度，温度是调控微生物活性的关键环境因素。普通发酵菌的最佳产氢温度为25~40 ℃，而嗜热产氢菌的产氢高峰则在60 ℃左右［27］。四是氢气浓度，地层中氢气含量过高会抑制微生物的进一步产氢［28］。
虽然产氢微生物种类繁多，但由于氢气的化学性质活泼，耗氢微生物更为普遍。许多低等微生物以氢气为主要能量来源，如产甲烷菌、硫酸盐还原菌、耻垢分枝杆菌及耗氢产乙酸菌等［21，29］。例如，氢气易被产甲烷菌或硫酸盐还原菌快速消耗，转化为甲烷或硫化氢。研究表明，当地层温度为30 ℃时，氢气的消耗速率达到最大值［20］。这种负反馈调节机制使得生物成因氢气难以形成大规模气藏。
微生物活动受环境因素制约。根据地温梯度计算，微生物能够存活的最大深度通常小于2 000 m（小于80 ℃）［30］。在此范围内，氢气的保存还需依赖良好的盖层以防止渗漏。澳大利亚富氢储层研究表明，黏土矿物和蒸发岩层能够有效吸附并捕获游离的氢气［31-32］。厚层盐岩因其极低的孔隙度和渗透率，能够富集氢气，使其浓度高达20%~30%［33］。在深井或富氢水层环境中，微生物活动普遍缺乏，氢气的富集机制更可能与无机成因相关［34］。
目前，关于微生物产氢—耗氢速率的研究较少，且缺乏地层条件下微生物产氢耗氢的原位实验数据，导致难以明确微生物产氢与无机成因氢气之间的关系，这制约了生物成因氢气模型的完善。

1.1.2　有机质热解

有机质热解产氢在过去的研究中常被低估，但近年来的勘探实例和研究表明，有机质热解能够形成一定规模的氢气藏［5-6，10-12］。在热演化过程中，有机质经历环化、芳构化、芳香化以及芳香烃缩聚等反应过程，均会释放氢自由基（图1）［16，35-37］。这一情况在热演化晚期的高温阶段尤为显著，这是由于C—H键键能（414 kJ/mol）高于C—C键（332 kJ/mol）［38］，当R O值升至4.0%时，芳香环聚合主导反应路径，氢气产量达到峰值（20 mg/gTOC），并持续至R O=5.0%的焦沥青形成阶段［7］。然而，实验发现热演化末期氢气生成量逐渐减少，与CO2浓度升高呈负相关，这可能源于氢气参与CO2还原反应导致自消耗［式（1）］ ［39］。
C O 2 + H 2 → C O + H 2 O
图1 沉积盆地有机质复合生烃模式

Fig.1 Composite hydrocarbon generation model of organic matter in sedimentary basins

热演化过程中气体成分会随着温度动态变化。通过页岩与变质泥岩模拟实验发现，在封闭体系下，残留气成分从CO2（100~200 ℃）向CH4（200~400 ℃）再向H2（>400 ℃）转变，最终伴随CH4浓度下降及石墨含量升高，H2产量可达102~103 μL/gTOC ［38］。实际地层中有机成因氢气富集受多种因素制约：强还原性氢气易参与其他反应［式（1）］、低渗透盖层（如膏盐岩）可有效抑制氢气逸散［33，40］。松辽盆地SK-2井沙河子组泥岩热解氢气产量与Barnett页岩气藏经济开采量相当，且δ2H值介于-850‰~-650‰之间［7，38］，显著区别于无机氢（如幔源δ2H介于-60‰~-218‰之间）［41］，为氢源鉴别提供了可靠的同位素证据。

1.2　无机成因

1.2.1　水岩反应

水岩反应泛指地质作用过程中流体与岩石之间的相互作用，主要包括蛇纹石化、断层摩擦热液反应、碳酸盐岩矿物水解反应及钙长石化反应等［42-44］。其中，蛇纹石化反应是目前认为产氢最为显著的过程。蛇纹石化反应条件相对宽松，仅需铁镁—超铁镁质岩石与地壳或上地幔（<6 GPa，<600 ℃）中的水接触即可发生反应［式（2）］［45］，因此广泛存在于洋中脊和陆地环境中［46］。
M g 1.8 F e 0.2 S i O 4 + 1.37 H 2 O → 0.5 M g 3 S i 2 O 5 O H 4 + 0.3 M g O H 2 + 0.067 F e 3 O 4 + 0.067 H 2
已有大量研究通过模拟实验验证了蛇纹石化反应的生氢潜力。例如，在高温高压（300 ℃、300 MPa）的蛇纹石化反应中，测得氢气产量为（0.1~10）×10-3 mol/L［47］；在低温（55 ℃和100 ℃）条件下利用不同底物模拟得出蛇纹石化产氢量为50~300 nmol/g［45］。基于实验数据，结合地质背景估算了全球及区域氢气通量。例如，全球玄武岩洋壳的氢气通量达7.5 Tg/a［48］，前寒武纪地层的氢气产量为0.04~0.38 Tg/a［49］。也有学者报道了阿尔巴尼亚Bulqizë矿井中持续释放超过30年的高含量氢气（H2=84%、CH4=13.2%），其来源为侏罗系中的蛇绿岩断块油气藏［50］。我国渤海湾盆地、苏北盆地及松辽盆地等地也发现了蛇纹石化成因的高氢气含量气藏［51-52］。
蛇纹石化产氢速率受多种因素控制，包括温度、水岩比、岩石类型及流体环境等［44，53］：①温度，蛇纹石化反应在300 ℃附近氢气生成速率达到峰值［54］；随着温度下降，辉石产氢浓度逐渐降低［47］。②水岩比，增加水岩比会降低溶液中的氢气浓度，虽然水的增加使总产氢量提高，但也会导致所产氢气被溶解稀释［55］。③岩石类型，铁镁岩石中的矿物组成（如辉石、尖晶石、橄榄石）对产氢速率有显著影响，其中尖晶石能够显著提升蛇纹石化产氢速率［56］。有学者发现Al—Si 配合物和Cr6+通过增加橄榄石溶解度促进产氢［57］。④流体环境，不同盐度和酸碱度的溶液通过促进橄榄石溶解从而加快产氢速率［58］。

1.2.2　水的辐解

水分子在放射性核素（如U、Th、K）释放的α、β、γ射线作用下发生电离，氢氧键断裂生成氢自由基（H·）和羟基（OH·），随后氢自由基相互结合形成氢气［式（3），式（4）］［59］。
H 2 O   → α 、 β 、 γ 辐射   H ∙ + O H ∙
H ∙ + H ∙   →   H 2
水辐解产氢效率受放射性元素含量、地层水饱和度、岩石孔隙度及溶解盐类浓度等因素控制［图2（a）］［59-61］。理论模型表明，放射性衰变总能量中仅不足1%被水吸收用于产氢，其余能量多转化为热能［62］，因此单一水辐解源难以形成大规模氢气藏。此外，放射性衰变伴生的He、Ar等稀有气体产量通常高于氢气，若氢气由水的辐解产生，其富集区应伴随有高丰度稀有气体［61］。同时，N2/He值和H2/He值的稳定性可能指示氮气也间接来源于水的辐解［图2（b）］［61］。
图2 产氢速率控制因素与伴生气指示（修改自文献［61］）

（a）孔隙度对H2产量影响；（b）H2伴生N2—He含量

Fig.2 Control factors of hydrogen production rate and indication of associated gas （modified from Ref.［61］）

水辐解的典型产氢速率为（10-8~10-7）×10-3 mol/s［59］。区域性富集需满足以下条件：其一，放射性元素长期富集，例如太古宙基底中铀（2.5×10-6）、钍（16×10-6）、钾（3%）的高丰度［63］，其中钾的β辐射因穿透性强，对晶间流体的辐解贡献更显著［64］；其二，开放—封闭耦合系统，断裂带提供流体运移优势通道，上覆致密层（如膏盐层）抑制气体逸散；其三，持续地质时间跨度长（>3.3 Ga），古老基底的缓慢辐解与运移协同促进浅层氢积累［65］。例如，圣弗朗西斯科盆地（3×105 km2）的年辐解产氢量达90 266 t，而全球前寒武纪地壳（1.06×108 km2）的年产氢潜力为1.6×1010 mol［66］。尽管蛇纹石化产氢速率更高，但水辐解因在前寒武纪克拉通广泛分布，成为区域性氢源的重要补充。
水辐解产氢的鉴别标志包括：H2的δ2H值介于-605‰~-836‰之间［67］，3He/4He<0.02 R/Ra［68］。结合放射性元素区域分布规律与构造特征，这些标志为勘探此类氢气藏提供了关键依据。

1.2.3　深部脱气

深部脱气指源自地球深部地幔或地核的氢气释放过程，其成因机制与地壳内部生成的氢气存在显著差异［32］。深部氢气来源可分为两类：一是原生氢气，即地球形成过程中或早期演化阶段通过铁—水反应生成的氢，后期通过大型构造活动（如断裂带和裂隙）向上迁移至浅部［69-70］；二是次生氢气，由深部高温高压环境下的化学反应（如水岩作用、放射性裂解等）生成［32］。研究表明，氢气浓度通常随深度增加而显著升高［7，50，71］。例如，科拉超深钻井的深部样品中氢气占主导［72］，地震活动后土壤氢含量异常及断裂带的高氢气含量均表明深部构造通道对氢气迁移具有关键作用［32，73］。
近年研究为深部氢的幔源属性提供了直接证据。以色列白垩纪火山岩中发现的天然氢化物（VH2）首次证实地幔存在富氢流体［74］，金刚石包裹体中的氢及地幔条件下存在大量铁氢化合物进一步支持地幔、地核的还原性环境可赋存大量氢［75-76］。气体同位素为幔源脱气提供了佐证，例如高3He/4He值（典型值约为1.1×10-5）［77］，以及与幔源CO2的 δ 13 C C O 2和CO2/3He值［19］。氢同位素显示，幔源H2的δ2H值范围为-60‰~-218‰［41］，显著高于壳内成因氢，反映其可能继承自地球原始积累或深部高温的还原过程。
深部氢的释放不仅是地球挥发分循环的重要环节，还可能影响深部的C、N循环［50］。幔源H2与He、CO2的协同迁移为浅层气藏提供了稳定、持续的供给，并可能参与俯冲带流体活动及地幔柱动力学过程，为理解地球深部物质交换提供了新视角［66］。

2 氢气与天然气的有机—无机相互作用

2.1　外源氢对成烃的促进作用

深层油气藏通常埋深超过4 500 m，其有机质成熟度普遍达到或超过高成熟阶段（R O>1.3%，T>150 ℃）［78］。根据传统油气成因理论，此阶段的有机质以产气为主，且在R O>2.0%后达到生气下限［16］。然而，实际勘探中发现了许多超深层天然气藏（埋深>6 000 m，R O>2.0%），如国内的塔东2气田、安岳气田，以及国外的Elgin Franklin油田等［16，79］。
大量勘探实例表明，深层—超深层烃源岩仍具有一定的生烃潜力。通过生烃加氢模拟实验，学者们发现，原本的Ⅲ型干酪根或低TOC含量的烃源岩在氢气、水、金属矿物、黏土矿物及放射性矿物的作用下，能够显著提高产烃率［80-84］。其本质机理主要包括加氢裂解与催化生烃。
不同温度下外源氢对生烃的贡献度不同。例如，相比于寒武系，在温度更高的震旦系中H2O对生烃的贡献更为显著［图3（a）］［85］；另外，水—烃反应速率也受黏土矿物含量的调控，如黏土矿物含量更高的长宁页岩比涪陵页岩对H从H2O中转移到烃类的促进作用更显著［图3（b）］ ［85］。
图3 不同体系下外源氢对水—烃反应的贡献率（修改自文献［85］）

（a）不同层位天然气；（b）不同地区天然气

Fig.3 Contribution of exogenous hydrogen to water-hydrocarbon reactions in different systems（modified from Ref. ［85］）

对于水—烃反应而言，其生成烃类的δ2H值能有效证明水对于生烃的贡献。模拟实验证明，在370 ℃的无水与含水（H2O的δ2H = -22‰）热解实验中，由于水中的H—H键能小于H—D键能，并优先发生热化学反应和同位素交换至甲烷分子中，所以与无水热解体系相比，含水热解体系生成的CH4的δ2H值明显偏小［86］。加去离子水（H2O的δ2H=-58‰）和海水（H2O的δ2H = -4.8‰）进行生烃实验时，初始阶段二者生成的甲烷和氢气的δ2H值均比无水生烃实验偏小，但加海水生烃系列在晚期高温阶段会使甲烷和氢气的δ2H值比无水生烃系列大40‰［87］。
热演化晚期阶段烃源岩因缺氢而使干酪根易发生芳构化，生成大分子芳烃和环烷烃［88］。加氢生烃反应主要参与有机质的加氢脱烷基、加氢脱甲基过程，生成小分子烷烃，氢源包括水以及各种途径产生的气态氢［36-37］。有学者通过高温（330~420 ℃）水—烃模拟实验发现，在easy%R O=2.35%时含水热解比无水热解烃类总产率提高约8%，CO2和H2的产率提升了约9~10倍，这是由于实验中的方解石通过表面羟基自由基（HO·）促进烃裂解，同时外源H+氧化烯烃生成CO2和H2 ［89］。在更高温度（450~600 ℃）且强还原性（钼—三氧化钼缓冲剂提供高氢逸度）的极端环境中，水—烃反应产生的甲烷产率最高能够提高至4.18倍［90］。
在实际地层当中，加氢反应受控于地层中的氢逸度水平及温度调控。当 ƒ H 2（环境）> ƒ H 2（有机质）且温度大于130 ℃时，外源氢才能参与有机质的热演化［37］。在水—烃反应模拟实验当中通过添加MH缓冲剂（磁铁矿—赤铁矿氧化还原缓冲剂）控制生烃模拟体系的氢逸度，模拟实际地层环境，证明了沉积盆地热水条件下的生烃产率增加了14.9%，且气体干燥系数（C1/C1-5）显著提高［84］。深部地质环境中不仅需要考虑烃源岩的成熟度、环境氢逸度水平，同时也需要注意烃源岩所处环境的矿物组成，以上条件皆会对深部生烃的效率与产量有所影响。

2.2　氢气与烷烃气的相互转化

费托合成（Fischer-Tropsch合成，简称FT合成）由德国化学家Fischer和Tropsch于1925年提出并开始工业化，广泛应用于天然气液化和煤炭液化领域。FT合成是通过CO非均相催化加氢生成不同链长的烃和含氧有机物的反应［式（5）］［91］。萨巴蒂尔（Sabatier）型反应是FT反应的修正方案，采用CO2代替CO［式（6）］。
n C O + 2 n + 1 H 2 →   C n H 2 n + 2 + n H 2 O
C O 2 + 4 H 2 → C H 4 + 2 H 2 O
实验研究表明，费托合成的烃类产物在封闭体系中随时间和温度的增加而提高转化率［92-93］。在特定催化剂（如Fe、Ni、Co、Cr等）作用下，CO2与H2可直接合成CH4和重烃［94］，合成速率受金属催化剂类型的影响［95］。
在有机质热裂解后期，有机质残留的石墨及环烷化和芳构化产生的H2可通过费托合成进一步生成甲烷［37，96］。例如，庆深气田发现了由费托合成形成的无机甲烷与热成因甲烷复合而成的天然气藏［67］。
有学者在模拟实验中发现，在最高热模拟温度下，H2浓度依然会持续增加，而CH4浓度逐渐减少［式（7）］。伴随石墨化过程的进行，H/C原子比进一步下降，表明有机质石墨化阶段能够富集有机成因氢气［38］。
C H 4 → C g r a p h i t e +   2 H 2
在深部地质系统当中，氢气向甲烷的直接转变主要依托于FT合成实现，间接转变主要体现在氢气对晚期生烃的加氢反应，二者的核心机制是无机氢加入有机烃类的动态循环过程；而烷烃气向氢气的转变主要依靠甲烷在热演化末期的石墨化反应。其中同位素分馏作为氢气—甲烷之间相互反应的关键证据，还需要进一步建立深部高温高压环境下的氢同位素动力学/热力学分馏模型，明确混合气源判识标准。

2.3　氢气与烷烃气的动态平衡

在深层—超深层地质环境中，氢气与烷烃气的动态平衡受多源供给与耗散途径的复杂调控（图4）［5，6，53，97-99］。无机成因氢气主要源自幔源脱气与蛇纹石化反应，前者通过深部断裂垂向迁移，后者则受超镁铁质岩空间分布控制；有机质热演化末期的石墨化作用可提供大量有机成因氢气，并通过断裂向浅部运移成藏。膏盐岩盖层因其极低的渗透率可作为良好的封盖层，而超临界CO2的驱替作用则共同促进了氢气与甲烷的稳定富集［100-101］。然而，深部热液流体的双重作用可能打破这一平衡：一方面，热液携带的富氢流体能够促进有机质加氢生烃；另一方面，酸性溶蚀作用会破坏储盖完整性，导致气藏渗漏［102］。
图4 深部地层氢气—天然气成藏模式

Fig.4 Co-accumulation model of hydrogen and natural gas in deep strata

松辽盆地SK-2井是氢气与烷烃气协调成藏的典型实例，其氢气与甲烷异常富集（H2>20%）与断裂的阶段性逸散共同证明了这一动态平衡［8］。同位素证据进一步揭示了二者的相互作用。例如，庆深气田甲烷δ2H值的倒转现象可能源于费托合成过程中外源氢（δ2H=-600‰）与热成因甲烷（δ2H= -180‰）的氢原子交换［67，85］。
氢气与烷烃气之间的多种成因及相互作用导致氢在各种产物中频繁交换，并随着最终产物转化率的提高，其分馏模式会由温度控制的动力学分馏［式（8），式（9）］转变为由特定温度下分馏平衡常数（α）控制的热力学分馏［式（10）］，并最终达到分馏平衡［85，88］。动力学分馏：
L n k = - E a R T + L n A
L n   ( 1 - f ) = L n   δ 2 H w - δ 2 H e δ 2 H i - δ 2 H e
式中：k为氢转移速率常数；Ea为活化能；R为气体常数；T为温度；A为指前因子；ƒ为未达平衡时转化率；δ2Hw为水δ2H值；δ2Hi为初始甲烷δ2H值；δ2He为平衡甲烷δ2H值。
热力学分馏：
α = δ 2 H e + 1   000 δ 2 H w + 1   000
式中：α为平衡常数；δ2He为平衡甲烷δ2H值；δ2Hw为水δ2H值。
因此可以利用δ2H值在一定程度上揭示不同成因氢的来源或混合过程（表1）。例如，上地幔通过板块俯冲接受由于蒸发、分馏等作用富集2H的地表水/化合物导致δ2H值升高，而下地幔长期未参与地表水循环或地幔对流，显示出原始地球的δ2H值［41］；壳源氢（如蛇纹石化、水的辐解）受低温水岩反应（< 300 ℃）氧化还原电位控制，导致键能更小的1H更易于发生反应，使得δ2H值整体偏小［17，19，60，103-104］；有机热解氢则也受C—H与C—C键能影响，其氢同位素受反应温度调控，表现为低温（热演化早期）CH4的δ2H值偏小（-810‰），高温（热演化晚期）CH4的δ2H值偏大（-629‰）［7，38］。这种阶梯式同位素分布为混源贡献率的量化提供了参考：例如，SK-2井H2的δ2H值为-720‰，可能对应热解氢（贡献率>60%）与蛇纹石化氢（约为30%）的混合输入［8］。稀有气体的协同也可佐证氢源的贡献：幔源氢常伴随高3He/4He值（>1.1×10-5），而壳源氢气则与放射性成因的40Ar及低3He/4He值（<0.02 R/Ra）相关［68］。
表1 不同单一成因类型的氢气δ2H值

Table 1 Distribution of δ2H values in hydrogen gas from different single-source origins

成因类型 δ2H/‰ 文献来源
蛇纹石化 -687~-792 ［17］
-664~-756 ［103］
-637~-738 ［104］
水的辐解 -490~-540 ［19］
-600~-689 ［60］
幔源脱气 上地幔 -55~-65 ［41］
下地幔 -218
有机质热解 -629~-810 ［38］
-650~-850 ［7］

3 国内氢气与天然气耦合有利区域

目前已发现的天然气藏中，部分气藏的高氢气含量表明氢气与烷烃气存在协同成藏的可能性。虽然氢气成因多样，但仅无机成因能够提供稳定且持续的氢气供给，如水岩反应、深部脱气及水的辐解等，这些过程均依赖特定的地质构造和岩石类型。
在构造稳定区，氢气富集主要受控于稳定基底的岩石类型和上覆的封闭系统。核心控制因素包括：基底岩石的U、Th、K等放射性元素的含量，其产氢量与基底年龄和元素丰度呈正相关；基底中铁镁质岩石的分布占比与分布深度，其蛇纹石化反应能够成为可持续供给的氢源；基底上覆发育的区域性膏盐岩盖层，为氢气的富集提供场所。影响因素包括：深部地层中的有机质热演化晚期石墨化反应产氢，以及有机质加氢生烃对氢的消耗；浅部地层中的微生物有机成因氢气；地层环境中的矿物种类，其对有机—无机成因氢气的催化作用。例如，发育在稳定克拉通的非洲马里气田的高纯度氢气藏（H2含量达98%）为当地商业化发电站提供了原料来源［105-106］。
在构造活动区，氢气富集主要受控于深部构造—流体的耦合。核心控制因素包括：深大断裂作为幔源氢的运移通道，幔源氢通量与断裂活动强度呈正相关；俯冲带大量的蛇绿岩提供了极大的氢气生成通量；上覆致密膏盐岩盖层的发育状况，为大量的氢气提供聚集场所。影响因素包括：从深大断裂上涌的还原性热液流体提供额外氢源；区域性的构造抬升使得氢气脱溶幕式成藏；区域性的构造活动形成超压，从而封存氢气抑制扩散。例如，东太平洋中脊喷出的热液流体中H2含量高达1.80×10-5 g/kg，全球洋中脊每年释放的氢气总量估计达1.17×1011 g的氢气［107］。蛇绿岩作为板块俯冲后古洋壳的碎片，在许多地区被发现赋存高含量氢气。例如，阿拉伯板块东北缘的阿曼蛇绿岩带中检测出H2含量高达99%［108］，地中海俯冲带附近的Bulqizë蛇绿岩带每年释放的氢气通量达2.0×108 g［50］。
基于上述成藏条件与反应机理，我国多个地区具备氢气成藏的潜力。松辽盆地SK2井、楚雄盆地盐丰凹陷及柴达木盆地SN2井的发现，证明了我国存在多种成因的氢气藏［9，11，52］。同时，我国深层天然气资源丰富，估算总资源储量高达20.31×1012 m3。目前，深层天然气勘探主要集中在松辽盆地碎屑岩—火山岩、四川盆地古隆起碳酸盐岩、塔里木盆地前陆区碎屑岩与台盆区碳酸盐岩等地层［109］。
根据蛇绿岩分布、大型断裂带、断陷盆地及稳定克拉通基底等条件（图5）［110-115］，我国氢气—烷烃气成藏优势区主要包括：①东北地区松辽盆地，由一系列断陷组成，发育火成岩、致密盖层及多套陆相烃源岩；②西部地区塔里木盆地周缘及柴达木盆地，塔里木盆地具有大规模火成岩及丰富的天然气储量，柴达木盆地则发育膏盐岩盖层及大量蛇绿岩；③南部地区四川盆地和楚雄盆地，深部发育多套蛇绿岩带，且具有多条大型逆冲走滑断裂带；④华北地区渤海湾盆地，作为郯庐断裂带周缘发育的主要裂陷盆地，具有丰富的火成岩、运移通道及湖相烃源岩。
图5 国内主要氢气显示及深层天然气藏分布

Fig.5 Distribution of major hydrogen occurrences and deep natural gas reservoirs in China

4 结论与展望

氢气作为一种可再生的清洁能源，已成为全球自然资源勘探的热点。然而，由于氢气化学性质活泼、分子小易扩散、成因类型多样等特点，国内尚未发现大型纯氢气藏。其中，无机成因（如蛇纹石化、水的辐解、深部脱气）是氢气成藏的关键因素，因其能够稳定持续地产生氢气，且众多勘探实例已证实其成藏潜力。相比之下，有机成因氢气多与浅表地层或有机质生烃相关，虽能生成氢气但易被消耗，难以形成规模性氢气藏。
从氢气成因机制与地质背景来看，我国多个地区具备深层烷烃气—氢气成藏的条件。如东部太平洋板块与华北板块俯冲带附近发育的松辽盆地和渤海湾盆地，塔里木板块碰撞带周缘的塔里木盆地和柴达木盆地，以及南部地区蛇绿岩带、断裂带发育的四川盆地和楚雄盆地。
深部温压场控制下，氢—烃相互作用呈现动态平衡。外源氢介入可激活高—过成熟烃源岩二次生烃潜力，而费托合成反应通过催化氢与二氧化碳向甲烷转化，形成氢消耗与烃富集的动态平衡机制。
构造—流体耦合系统对气藏形成具有双重效应：深大断裂系统为深源氢气和烷烃气提供优势运移通道，但伴随的热液流体活动和储盖层完整性破坏会导致气体逸散。膏盐岩等致密盖层通过物理吸附与封堵效应显著提升氢气封存效率。
未来研究应重点关注3方向：一是建立氢源示踪技术，研发深部原位氢同位素测量手段，构建幔源、壳源、有机源氢同位素混合模型，明晰深部复杂温压条件下氢同位素分馏动力学机制；二是强化氢气—深层烷烃气的勘探评价，开展深部高温高压条件下氢气—天然气的模拟实验，通过分子模拟和氢气扩散系数测试仪等方式确定有效储盖条件，最终明确氢气与天然气成因、相互作用机制和储存运移机制；三是揭示我国陆相盆地氢气—天然气的成藏与富集机理，发挥我国深层氢气—烷烃气资源的减排潜力，形成氢气、甲烷能源协同开发新模式，为我国清洁能源开发及“碳达峰、碳中和”目标的实现提供理论依据与技术支撑。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
HAND E. Hidden hydrogen： Earth may hold vast stores of a renewable， carbon-free fuel［EB/OL］. ［2023-02-16］. https：//www.science.org/content/article/hidden-hydrogen-earth-may-hold-vast-stores-renewable-carbon-free-fuel.

[2]
张博，万宏，徐可忠，等.世界各国氢能源经济发展举措分析［J］．国际石油经济，2017，25（9）：65-70．

ZHANG B， WAN H， XU K Z， et al. Hydrogen energy economy development in various countries［J］. International Petroleum Economics，2017，25（9）：65-70.

[3]
GAUCHER E C. New perspectives in the industrial exploration for native hydrogen［J］. Elements，2020，16（1）：8-9.

[4]
MAIGA O，DEVILLE E，LAVAL J，et al.Trapping processes of large volumes of natural hydrogen in the subsurface：The emblematic case of the Bourakebougou H2 field in Mali［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2023，50：640-647.

[5]
窦立荣，刘化清，李博，等.全球天然氢气勘探开发利用进展及中国的勘探前景［J］.岩性油气藏，2024，36（2）：1-14．

DOU L R， LIU H Q， LI B， et al. Global natural hydrogen exploration and development situation and prospects in China［J］. Lithologic Reservoirs，2024，36（2）：1-14.

[6]
房大任，裴秋明，王海华，等.天然氢气成因与全球氢资源勘探进展［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2024，51（6）：989-1007，1021．

FANG D R， PEI Q M， WANG H H， et al. Genesis of natural hydrogen and progress in global hydrogen resource exploration［J］. Journal of Chengdu University of Technology（Science & Technology Edition），2024，51（6）：989-1007，1021.

[7]
HORSFIELD B， MAHLSTEDT N， WENIGER P， et al. Molecular hydrogen from organic sources in the deep Songliao Basin， P.R. China［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2022，47（38）：16750-16774.

[8]
HAN S B， TANG Z Y， WANG C S， et al. Hydrogen-rich gas discovery in continental scientific drilling project of Songliao Basin， Northeast China： New insights into deep earth exploration［J］. Science Bulletin，2022，67（10）：1003-1006.

[9]
SHUAI Y H， ZHANG S C， SU A G， et al. Geochemical evidence for strong ongoing methanogenesis in Sanhu region of Qaidam Basin［J］. Science China Earth Sciences， 2010，53（1）：84-90.

[10]
秦川，余谦，刘伟，等.黔北地区牛蹄塘组富有机质泥岩储层特征［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2017，39（4）：13-24．

QIN C， YU Q， LIU W， et al. Reservoir characteristics of organic-rich mudstone of Niutitang Formation in northern Guizhou［J］. Journal of Southwest Petroleum University （Science & Technology Edition），2017，39（4）：13-24.

[11]
李秀梅，刘映辉，温景萍.楚雄盆地乌龙1井天然气的地球化学特征和地质意义［J］.天然气工业，2002，22（5）：16-19，11．

LI X M， LIU Y H， WEN J P. Geochemical characteristics of the natural gas from well Wulong-1， Chuxiong Basin， and its geological significance［J］. Natural Gas Industry， 2002，22（5）：16-19，11.

[12]
吴珍珠，张万益，王丰翔，等.国外白氢勘查进展及对中国的启示［J］.地质通报，2024，43（8）：1395-1405．

WU Z Z， ZHANG W Y， WANG F X， et al. The development of overseas exploration of white hydrogen and implications for China［J］. Geological Bulletin of China，2024，43（8）：1395-1405.

[13]
陶士振，杨怡青，张功成，等.跨圈层油气系统与石油地质学发展新方向［J/OL］.地学前缘，1-16.［2025-03-24］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3370.P.20241213.1141.002.html.

TAO S Z， YANG Y Q， ZHANG G C， et al. The trans-spheric petroleum system and the new development direction of Petroleum Geology［J/OL］. Earth Science Frontiers， 1-16［2025-03-24］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3370.P.20241213.1141.002.html.

[14]
徐春春，邹伟宏，杨跃明，等.中国陆上深层油气资源勘探开发现状及展望［J］.天然气地球科学，2017，28（8）：1139-1153.

XU C C， ZOU W H， YANG Y M， et al. Status and prospects of exploration and exploitation of the deep oil & gas resources onshore China［J］. Natural Gas Geoscience，2017，28（8）：1139-1153.

[15]
郭旭升，胡宗全，李双建，等.深层—超深层天然气勘探研究进展与展望［J］.石油科学通报，2023，8（4）：461-474．

GUO X S， HU Z Q， LI S J， et al. Progress and prospect of natural gas exploration and research in deep and ultra-deep strata［J］. Petroleum Science Bulletin，2023，8（4）：461-474.

[16]
张水昌，何坤，王晓梅，等.深层多途径复合生气模式及潜在成藏贡献［J］.天然气地球科学，2021，32（10）：1421-1435．

ZHANG S C， HE K， WANG X M， et al. The multi-path gas generation model and its potential contribution to petroleum accumulation in deep formations［J］. Natural Gas Geoscience，2021，32（10）：1421-1435.

[17]
ZHU G Y， HOU J K， ZHU Z G， et al. Genetic mechanism and exploration progress of global deep alkane gases and small molecule gases （H2， He）［J］. Gas Science and Engineering， 2024：205467.

[18]
HORIBE Y， CRAIG H. Fractionation in the system methane-hydrogen-water［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59（24）：5209-5217.

[19]
LIU Q， WEI Y， LI P， et al. Natural hydrogen in the volcanic-bearing sedimentary basin：Origin，conversion，and production rates［J］. Science Advances，2025，11（4）：eadr6771.

[20]
CONRAD R. Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace gases （H2， CO， CH4， OCS， N2O， and NO）［J］. Microbiological Reviews，1996，60（4）：609-640.

[21]
CONRAD R， SEILER W. Contribution of hydrogen production by biological nitrogen fixation to the global hydrogen budget［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres， 1980，85（10）：5493-5498.

[22]
MORITA R Y. Is H2 the universal energy source for long-term survival？［J］. Microbial Ecology，1999，38（4）：307-320.

[23]
YANG K C， METCALF W W. A new activity for an old enzyme： Escherichia coli bacterial alkaline phosphatase is a phosphite-dependent hydrogenase［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences，2004，101（21）：7919-7924.

[24]
CHRISTY P M， GOPINATH L R， DIVYA D. A review on anaerobic decomposition and enhancement of biogas production through enzymes and microorganisms［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，34：167-173.

[25]
REN N Q， WANG B Z， HUANG J C. Ethanol-type fermentation from carbohydrate in high rate acidogenic reactor［J］. Biotechnology and Bioengineering，1997，54（5）：428-433.

[26]
LIN L H， WANG P L， RUMBLE D， et al. Long-term sustainability of a high-energy， low-diversity crustal biome［J］. Science，2006，314（5798）：479-482.

[27]
WOON J M，KHOO K S，AL-ZAHRANI A A，et al. Epitomi-zing biohydrogen production from microbes：Critical challen-ges vs opportunities［J］.Environmental Research，2023，227：115780.

[28]
HOEHLER T M. Biogeochemistry of dihydrogen （H2）［J］. Metal Ions in Biological Systems，2005：9-48.

[29]
PICHÉ-CHOQUETTE S， KHDHIRI M， CONSTANT P. Dose-response relationships between environmentally-relevant H2 concentrations and the biological sinks of H2， CH4 and CO in soil［J］. Soil Biology and Biochemistry，2018，123：190-199.

[30]
MENG Q， WANG X F， WANG X Z， et al. Gas geochemical evidences for biodegradation of shale gases in the Upper Triassic Yanchang Formation， Ordos Basin， China［J］. International Journal of Coal Geology，2017，179：139-152.

[31]
BOREHAM C J， SOHN J H， COX N， et al. Hydrogen and hydrocarbons associated with the Neoarchean Frog's Leg Gold Camp， Yilgarn Craton， Western Australia［J］. Chemical Geology，2021，575：120098.

[32]
ZGONNIK V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen：A comprehensive review［J］.Earth-Science Reviews，2020，203：103140.

[33]
LI E T， PAN C C， YU S， et al. Interaction of coal and oil in confined pyrolysis experiments： Insight from the yields and carbon isotopes of gas and liquid hydrocarbons［J］. Marine and Petroleum Geology，2016，69：13-37.

[34]
Войтов Г， Осика Д. Водородное дыхание Земли как отражение особенностей геологического строения и тектон-ического развития ее мегаструктур［J］.Труды Геологиче-ского Института Махачкалы，1982：7-29.

[35]
LI X， KROOSS B M， WENIGER P， et al. Liberation of molecular hydrogen （H2） and methane （CH4） during non-isothermal pyrolysis of shales and coals： Systematics and quantification［J］. International Journal of Coal Geology，2015，137：152-164.

[36]
吴嘉，何坤，孟庆强，等.沉积盆地超深层有机-无机复合生烃机理及地质模式［J］.地质学报，2023，97（3）：961-972．

WU J， HE K， MENG Q Q， et al. Hydrocarbon generation mechanism via the organic-inorganic interaction pathway and its geological pattern in ultra-deep sedimentary basins［J］. Acta Geologica Sinica，2023，97（3）：961-972.

[37]
POETZ S， HORSFIELD B， WILKES H. Maturity-driven generation and transformation of acidic compounds in the organic-rich Posidonia Shale as revealed by electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry［J］. Energy & Fuels， 2014，28（8）：4877-4888.

[38]
SUZUKI N， SAITO H， HOSHINO T. Hydrogen gas of organic origin in shales and metapelites［J］. International Journal of Coal Geology，2017，173：227-236.

[39]
TINGEY G L. Kinetics of the water-gas equilibrium reaction. I. The reaction of carbon dioxide with hydrogen［J］. The Journal of Physical Chemistry， 1966，70（5）：1406-1412.

[40]
SAHU R， SONG B J， IM J S， et al. A review of recent advances in catalytic hydrocracking of heavy residues［J］. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2015，27：12-24.

[41]
MOINE B N， BOLFAN-CASANOVA N， RADU I B， et al. Molecular hydrogen in minerals as a clue to interpret ∂D variations in the mantle［J］. Nature Communications，2020，11（1）：3604.

[42]
LEFEUVRE N， TRUCHE L， DONZÉ F V， et al. Natural hydrogen migration along thrust faults in foothill basins： The North Pyrenean frontal thrust case study［J］. Applied Geochemistry， 2022，145：105396.

[43]
SUZUKI K， SHIBUYA T， YOSHIZAKI M， et al. Experimental hydrogen production in hydrothermal and fault systems：Significance for habitability of subseafloor H2 chemoautotroph microbial ecosystems［M］//Hydrocarbon and Lipid Microbiology Protocols. Berlin： Springer， 2014：87-94.

[44]
BARBIER S， HUANG F， ANDREANI M， et al. A review of H2， CH4， and hydrocarbon formation in experimental serpentinization using network analysis［J］. Frontiers in Earth Science，2020，8.

[45]
MAYHEW L E， ELLISON E T， MCCOLLOM T M， et al. Hydrogen generation from low-temperature water-rock reactions［J］. Nature Geoscience，2013，6（6）：478-484.

[46]
LIU Z， PEREZ-GUSSINYE M， GARCÍA-PINTADO J， et al. Mantle serpentinization and associated hydrogen flux at North Atlantic magma-poor rifted margins［J］. Geology， 2023，51（3）：284-289.

[47]
KLEIN F， BACH W， MCCOLLOM T M. Compositional controls on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks［J］. Lithos，2013，178：55-69.

[48]
SLEEP N H， BIRD D K. Niches of the pre-photosynthetic biosphere and geologic preservation of Earth's earliest ecology［J］. Geobiology，2007，5（2）：101-117.

[49]
LOLAR B S， ONSTOTT T C， LACRAMPE-COULOUME G， et al. The contribution of the Precambrian continental lithosphere to global H2 production［J］. Nature，2014，516（7531）：379-382.

[50]
TRUCHE L， DONZÉ F V， GOSKOLLI E， et al. A deep reservoir for hydrogen drives intense degassing in the Bulqizë ophiolite［J］. Science， 2024，383（6683）：618-621.

[51]
韩双彪，唐致远，杨春龙，等.天然气中氢气成因及能源意义［J］.天然气地球科学，2021，32（9）：1270-1284．

HAN S B， TANG Z Y， YANG C L， et al. Genesis and energy significance of hydrogen in natural gas［J］. Natural Gas Geoscience，2021，32（9）：1270-1284.

[52]
WEI Y B，LIU Q Y，ZHU D Y，et al. Helium and natural hydro-gen in the Bohai Bay Basin，China：Occurrence， resources， and exploration prospects［J］.Applied Energy，2025，383：125398.

[53]
于志琪，刘汇川，朱光有，等.基于蛇纹石化生氢影响因素的制氢方式新思考［J］.天然气工业，2023，43（8）：156-169.

YU Z Q， LIU H C， ZHU G Y， et al. New thoughts on hydrogen production method based on the influencing factors of hydrogen generation in serpentinization reaction［J］.Natural Gas Industry，2023，43（8）：156-169.

[54]
MCCOLLOM T M， KLEIN F， ROBBINS M， et al. Temperature trends for reaction rates， hydrogen generation， and partitioning of iron during experimental serpentinization of olivine［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，2016，181：175-200.

[55]
黄瑞芳，孙卫东，丁兴，等.橄榄岩蛇纹石化过程中氢气和烷烃的形成［J］.岩石学报，2015，31（7）：1901-1907．

HUANG R F， SUN W D， DING X， et al. Formation of hydrogen gas and alkane during peridotite serpentinization［J］. Acta Petrologica Sinica，2015，31（7）：1901-1907.

[56]
HUANG R F， SONG M S， DING X， et al. Influence of pyroxene and spinel on the kinetics of peridotite serpentinization［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2017，122（9）：7111-7126.

[57]
NAKATANI T， NAKAMURA M. Experimental constraints on the serpentinization rate of fore-arc peridotites： Implications for the upwelling condition of the slab-derived fluid［J］. Geochemistry， Geophysics， Geosystems，2016，17（8）：3393-3419.

[58]
LAMADRID H M， RIMSTIDT J D， SCHWARZENBACH E M， et al. Effect of water activity on rates of serpentinization of olivine［J］. Nature Communications， 2017，8（1）：16107.

[59]
KLEIN F， TARNAS J D， BACH W. Abiotic sources of molecular hydrogen on Earth［J］. Elements，2020，16（1）：19-24.

[60]
LIN L H， SLATER G F， LOLAR B S， et al. The yield and isotopic composition of radiolytic H2， a potential energy source for the deep subsurface biosphere［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta，2005，69（4）：893-903.

[61]
KAROLYTĖ R， WARR O， VAN HEERDEN E， et al. The role of porosity in H2/He production ratios in fracture fluids from the Witwatersrand Basin， South Africa［J］. Chemical Geology，2022，595：120788.

[62]
DUBESSY J， PAGEL M， BENY J M， et al. Radiolysis evidenced by H2-O2 and H2-bearing fluid inclusions in three uranium deposits［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta，1988，52（5）：1155-1167.

[63]
REIS H L， BARBOSA M S， ALKMIN F F， et al. Magnetometric and gamma spectrometric expression of southwestern São Francisco Basin，Serra Selada quadrangle（1∶100.000），Mi-nas Gerais state［J］.Revista Brasileira de Geofísica，2012，30（4）：445-458.

[64]
DONZÉ F V， TRUCHE L， NAMIN P S， et al. Migration of natural hydrogen from deep-seated sources in the São Francisco Basin， Brazil［J］. Geosciences，2020，10（9）：346.

[65]
PRINZHOFER A，MORETTI I，FRANÇOLIN J， et al. Natural hydrogen continuous emission from sedimentary basins： The example of a Brazilian H2-emitting structure［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44（12）：5676-5685.

[66]
LIU Q Y， DAI J X， JIN Z J， et al. Abnormal carbon and hydrogen isotopes of alkane gases from the Qingshen Gas Field， Songliao Basin， China， suggesting abiogenic alkanes？［J］. Journal of Asian Earth Sciences，2015，115：285-297.

[67]
FLUDE S， WARR O， MAGALHÃES N， et al. Deep crustal source for hydrogen and helium gases in the São Francisco Basin， Minas Gerais， Brazil［C］//AGU Fall Meeting Abstracts. 2019：EP51D-2111.

[68]
MCCARTHY J H， CUNNINGHAM K I， ROBERTS A A， et al. Soil gas studies around hydrogen-rich natural gas wells in northern Kansas［J］. Antarctica a Keystone in a Changing World， 1986.

[69]
GUÉLARD J， BEAUMONT V， ROUCHON V， et al. Natural H2 in Kansas： Deep or shallow origin？［J］. Geochemistry， Geophysics， Geosystems， 2017，18（5）：1841-1865.

[70]
孙龙德，冯子辉，江航，等.松辽盆地富氢天然气地质调查与研究［J］.大庆石油地质与开发，2024，43（3）：7-16．

SUN L D， FENG Z H， JIANG H， et al. Geological survey and study of hydrogen-rich natural gas in Songliao Basin［J］. Petroleum Geology and Development in Daqing， 2024，43（3）：7-16.

[71]
IKORSKY S V. The investigation of gases during the Kola Superdeep borehole drilling （to 11.6 km depth）［J］. Geologisches Jahrbuch，1999，107：145-152.

[72]
FINLAY A J， SELBY D， OSBORNE M J， et al. Fault-charged mantle-fluid contamination of United Kingdom North Sea oils： Insights from Re-Os isotopes［J］.Geology，2010，38（11）：979-982.

[73]
BINDI L， CÁMARA F， GRIFFIN W L， et al. Discovery of the first natural hydride［J］. American Mineralogist，2019，104（4）：611-614.

[74]
SMITH E M， SHIREY S B， NESTOLA F， et al. Large gem diamonds from metallic liquid in Earth's deep mantle［J］. Science，2016，354（6318）：1403-1405.

[75]
MAO H K， HU Q Y， YANG L X， et al. When water meets iron at Earth's core-mantle boundary［J］. National Science Review，2017，4（6）：870-878.

[76]
KANEOKA I， TAKAOKA N. Noble-gas state in the Earth's interior：Some constraints on the present state［J］. Chemical Geology，1985，52（1）：75-95.

[77]
何登发，马永生，刘波，等.中国含油气盆地深层勘探的主要进展与科学问题［J］.地学前缘，2019，26（1）：1-12．

HE D F， MA Y S， LIU B， et al. Main advances and key issues for deep-seated exploration in petroliferous basins in China［J］. Earth Science Frontiers，2019，26（1）：1-12.

[78]
邹才能，杜金虎，徐春春，等.四川盆地震旦系—寒武系特大型气田形成分布、资源潜力及勘探发现［J］.石油勘探与开发，2014，41（3）：278-293．

ZOU C N， DU J H， XU C C， et al. Formation， distribution， resource potential and discovery of the Sinian-Cambrian giant gas field， Sichuan Basin， SW China［J］. Petroleum Exploration and Development，2014，41（3）：278-293.

[79]
FANG Y X， LIAO Y H， WU L L， et al. The origin of solid bitumen in the Honghuayuan Formation （O1h） of the Majiang paleo-reservoir：Evidence from catalytic hydropyrolysates［J］. Organic Geochemistry，2014，68：107-117.

[80]
PAN C C， JIANG L L， LIU J Z， et al. The effects of calcite and montmorillonite on oil cracking in confined pyrolysis experiments［J］. Organic Geochemistry，2010，41（7）：611-626.

[81]
毛光周，刘池洋，张东东，等.铀在Ⅲ型烃源岩生烃演化中作用的实验研究［J］.中国科学（地球科学），2014，44（8）：1740-1750．

MAO G Z， LIU C Y， ZHANG D D， et al. Effects of uranium on hydrocarbon generation of hydrocarbon source rocks with type-III kerogen［J］.Science China （Earth Sciences），2014，44（8）：1740-1750.

[82]
MA X X， ZHENG G D， SAJJAD W， et al. Influence of minerals and iron on natural gases generation during pyrolysis of type-Ⅲ kerogen［J］. Marine and Petroleum Geology，2018，89：216-224.

[83]
吴嘉，季富嘉，王远，等.氢逸度对沉积有机质热演化的影响：超深层生烃的启示［J］.中国科学（地球科学），2022，52（11）：2275-2288．

WU J， JI F J， WANG Y， et al. Influence of hydrogen fugacity on thermal transformation of sedimentary organic matter： Implications for hydrocarbon generation in the ultra-depth［J］. Science China （Earth Sciences），2022，52（11）：2275-2288.

[84]
HE K， ZHANG S， WANG X， et al. Pyrolysis of 1-methylnaphthalene involving water： Effects of Fe-bearing minerals on the generation， C and H isotope fractionation of methane from H2O-hydrocarbon reaction［J］. Organic Geochemistry，2021，153：104151.

[85]
ZHANG S， HE K， HU G， et al. Unique chemical and isotopic characteristics and origins of natural gases in the Paleozoic marine formations in the Sichuan Basin， SW China： Isotope fractionation of deep and high mature carbonate reservoir gases［J］. Marine and Petroleum Geology，2018，89：68-82.

[86]
王晓锋，刘文汇，徐永昌，等.水介质对气态烃形成演化过程氢同位素组成的影响［J］．中国科学：地球科学，2012，42（1）：103-110．

WANG X F， LIU W H， XU Y C， et al. Influences of water media on the hydrogen isotopic composition of natural gas/methane in the processes of gaseous hydrocarbon generation and evolution［J］. Science China Earth Sciences，2012，42（1）：103-110.

[87]
刘全有，朱东亚，孟庆强，等.深部流体及有机—无机相互作用下油气形成的基本内涵［J］.中国科学（地球科学），2019，49（3）：499-520．

LIU Q Y， ZHU D Y， MENG Q Q， et al. The scientific connotation of oil and gas formations under deep fluids and organic-inorganic interaction［J］.Science China（Earth Sciences），2019，49（3）：499-520.

[88]
HE K， ZHANG S C， MI J K， et al. Pyrolysis involving N-hexadecane， water and minerals： Insight into the mechanisms and isotope fractionation for water-hydrocarbon reaction［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2018，130：198-208.

[89]
YANG Y N，ZHONG N N，WU J，et al. Deep-basin gas generation via organic-inorganic interactions：New insights from redox-controlled hydrothermal experiments at elevated temperature［J］.International Journal of Coal Geology，2022，257：104009.

[90]
ANDERSON R B， KÖLLBEL H， RÁLEK M. The Fischer-Tropsch Synthesis［M］.New York：Academic Press，1984：1-30.

[91]
FU Q， SHERWOOD LOLLAR B， HORITA J， et al. Abiotic formation of hydrocarbons under hydrothermal conditions： Constraints from chemical and isotope data［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta，2007，71（8）：1982-1998.

[92]
ZHANG S C， MI J K， HE K. Synthesis of hydrocarbon gases from four different carbon sources and hydrogen gas using a gold-tube system by Fischer-Tropsch method［J］.Chemical Geology，2013，349-350：27-35.

[93]
WEI J，GE Q J，YAO R W，et al. Directly converting CO2 into a gasoline fuel［J］. Nature Communications，2017，8（1）：15174.

[94]
ETIOPE G， SHERWOOD LOLLAR B. Abiotic methane on Earth［J］. Reviews of Geophysics， 2013，51（2）：276-299.

[95]
刘全有，朱东亚，孟庆强，等.地球多层圈有机—无机相互作用的资源效应［J］.天然气地球科学，2024，35（5）：741-762．

LIU Q Y， ZHU D Y， MENG Q Q， et al. Organic-inorganic interactions in the Earth's multi-spheres and resources effects［J］. Natural Gas Geoscience，2024，35（5）：741-762.

[96]
田黔宁，张炜，王海华，等.能源转型背景下不可忽视的新能源：天然氢［J］.中国地质调查，2022，9（1）：1-15．

TIAN Q N， ZHANG W， WANG H H， et al. Non-negligible new energy in the energy transition context： Natural hydrogen［J］. Geological Survey of China，2022，9（1）：1-15.

[97]
张东东，刘文汇，王晓锋，等.深层油气藏成因类型及其特征［J］.石油与天然气地质，2021，42（5）：1169-1180．

ZHANG D D， LIU W H， WANG X F， et al. Genetic types and characteristics of deep oil and gas plays［J］. Oil & Gas Geology，2021，42（5）：1169-1180.

[98]
魏琪钊，朱如凯，杨智，等.天然氢气藏地质特征、形成分布与资源前景［J］.天然气地球科学，2024，35（6）：1113-1122．

WEI Q Z， ZHU R K， YANG Z， et al. Geological characteristics， formation distribution and resource prospects of natural hydrogen reservoir［J］. Natural Gas Geoscience，2024，35（6）：1113-1122.

[99]
HUI H F， SHU X S， SHI Q L. Numerical simulation of enhancing coalbed methane recovery by injecting CO2 with heat injection［J］. Petroleum Science，2019，16（1）：32-43.

[100]
LIU Q Y， ZHU D Y， JIN Z J， et al. Effects of deep CO2 on petroleum and thermal alteration： The case of the Huangqiao oil and gas field［J］. Chemical Geology，2017，469：214-229.

[101]
周冰，金之钧，刘全有，等.苏北盆地黄桥地区富CO2流体对油气储—盖系统的改造作用［J］.石油与天然气地质，2020，41（6）：1151-1161．

ZHOU B， JIN Z J， LIU Q Y， et al. Alteration of reservoir-caprock systems by using CO2-rich fluid in the Huangqiao area， North Jiangsu Basin［J］. Oil & Gas Geology，2020，41（6）：1151-1161.

[102]
孟庆强.地质体中天然氢气成因识别方法初探［J］.石油实验地质，2022，44（3）：552-558．

MENG Q Q. Identification method for the origin of natural hydrogen gas in geological bodies［J］. Petroleum Geology & Experiment， 2022，44（3）：552-558.

[103]
LOLAR B S， VOGLESONGER K， LIN L H， et al. Hydrogeologic controls on episodic H2 release from Precambrian fractured rocks： Energy for deep subsurface life on Earth and Mars［J］. Astrobiology，2007，7（6）：971-986.

[104]
PRINZHOFER A， CISSÉ C S T， DIALLO A B. Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou （Mali）［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2018，43（42）：19315-19326.

[105]
苏宇通，金之钧，刘润超，等.非洲马里气田天然氢气井勘探案例介绍及全球天然氢气勘探进展［J］.石油与天然气地质，2024，45（5）：1502-1510．

SU Y T， JIN Z J， LIU R C， et al. Natural hydrogen exploration： A case study of hydrogen wells in the Mali gas field in Africa and global advances［J］.Oil & Gas Geology，2024，45（5）：1502-1510.

[106]
WELHAN J A， CRAIG H. Methane and hydrogen in East Pacific Rise hydrothermal fluids［J］. Geophysical Research Letters，1979，6（11）：829-831.

[107]
NEAL C， STANGER G. Hydrogen generation from mantle source rocks in Oman［J］. Earth and Planetary Science Letters，1983，66：315-320.

[108]
于京都，郑民，李建忠，等.我国深层天然气资源潜力、勘探前景与有利方向［J］.天然气地球科学，2018，29（10）：1398-1408．

YU J D， ZHENG M， LI J Z， et al. Resource potential， explorative prospect and favorable direction for natural gas in deep formation of China［J］. Natural Gas Geoscience，2018，29（10）：1398-1408.

[109]
李剑，佘源琦，高阳，等.中国陆上深层—超深层天然气勘探领域及潜力［J］.中国石油勘探，2019，24（4）：403-417．

LI J， SHE Y Q， GAO Y， et al. Onshore deep and ultra-deep natural gas exploration fields and potentials in China［J］. China Petroleum Exploration，2019，24（4）：403-417.

[110]
熊盛青，杨海，范振宇，等.基于航磁资料的中国蛇绿岩带研究［J］.地质学报，2024，98（3）：725-757．

XIONG S Q， YANG H， FAN Z Y， et al. Research on ophiolite belts in China based on aeromagnetic data［J］. Acta Geologica Sinica，2024，98（3）：725-757.

[111]
石玉若，康月蓝，彭文骁.深大断裂之郯庐断裂［J］.地质学报，2025，99（1）：104-119.

SHI Y R， KANG Y L， PENG W X. The Tanlu Fault： The largest lithospheric fault in eastern China［J］. Acta Geologica Sinica，2025，99（1）：104-119.

[112]
于聪，胡国艺，黄士鹏，等.中国深层—超深层天然气轻烃地球化学特征及应用——以塔里木盆地和四川盆地为例［J］．天然气地球科学，2024，35（5）：917-924．

YU C，HU G Y，HUANG S P， et al. Geochemical characteristics and applications of light hydrocarbons in deep to ultradeep natural gas in China： Taking Tarim and Sichuan basins as examples［J］.Natural Gas Geoscience，2024，35（5）：917-924.

[113]
徐长贵.渤海湾盆地天然气勘探新进展、未来方向与挑战［J］.天然气工业，2024，44（1）：72-85．

XU C G. Progress， future direction， and challenges of natural gas exploration in the Bohai Bay Basin［J］. Natural Gas Industry， 2024，44（1）：72-85.

[114]
席胜利，闫伟，刘新社，等.鄂尔多斯盆地天然气勘探新领域、新类型及资源潜力［J］.石油学报，2024，45（1）：33-51，132．

XI S L， YAN W， LIU X S， et al. New fields， new types and resource potentials of natural gas exploration in Ordos Basin［J］. Acta Petrolei Sinica，2024，45（1）：33-51，132.

Options
Outlines

/

〈 〉

陇ICP备2021001824号-7　 甘公网安备 62010202000678号
Copyright © Natural Gas Geoscience, All Rights Reserved.
Tel: (0931)8277790　
E-mail：geogas@lzb.ac.cn
Total visitors:　 Visitors of today: 　 Now online:
Powered by Beijing Magtech Co. Ltd,.