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第一作者简介  田黔宁，正高级工程师。长期从事地质、矿产及油气相关工作，参与矿产资源调查、油气资源调查、炸弹寻找、考古、核电站选址、情报等研究项目，涉及地球物理、地学情报、地质、测绘、计算机编程等专业技术领域，设计开发用于地球物理和情报研究工作的计算机系统，并取得一定成效。承担并完成项目30余项，发表学术论文40余篇，出版专著3部。

> 清洁地球

人类文明的基石是能量，纵观历史，人类经历“火与柴草”“煤炭与蒸汽机”“石油与内燃机”三大转变，逐渐从农耕文明步入工业文明。在能源利用不断转型的过程中，人们也意识到，在环境友好需求的驱动下，如氢能这类新型清洁能源已是大势所趋。时间的车轮转动到21世纪，基于碳中和共识及对能源安全的考虑，发展氢能势在必行。由于氢能发展的战略重要性，世界主要国家和地区都发布了相关支持政策，高度重视氢能产业，加快对氢能产业的布局，氢能产业持续升温，由此，之前一直被人们所忽视的天然氢也得到全世界的关注。未来，天然氢可能会为人类寻找新能源添上浓墨重彩的一笔。

与蒸汽重整制氢（灰氢、蓝氢等）或电解制氢（绿氢）不同，天然氢（地质氢、白氢或金氢）通过地壳和地幔中的地质构造运动和地球化学过程自然形成，它是一次能源，这一点与化石燃料和可再生能源相似。

氢（H），是一种气体元素，也是宇宙中最轻、最丰富的元素，通常为双原子分子（H2）。氢气具有无色、无臭、无味的特性，无特定仪器很难检测到；密度非常低，约为空气的1/14，因此可以迅速扩散；它是高度易燃气体，在氧气中燃烧产生水蒸气。氢气是一种有吸引力的高效燃料，燃烧时释放出大量能量，可用于工业生产、运输和发电等。因为氢气燃烧时仅产生水蒸气，所以它还是温室气体排放量最小的清洁能源，用作燃料时不会造成空气污染或气候变化。然而，目前绝大多数氢是通过消耗能源制成的，制取过程会向大气中排放大量二氧化碳，而不排放二氧化碳的电解制氢成本又较高。因此，未来氢能生产与利用需要追求更清洁、更低廉的能源供应渠道，目前来看，天然氢具备这种特质，由此，今后天然氢的勘探开发可能会占据氢能开发利用的舞台中心。

几个世纪前，人们就知道地下存在天然生成的氢气，在元素周期表之父门捷列夫于煤矿中发现富氢气体并进行记载后，有关逸出地表的富氢气体的概念在19世纪后期就发展起来。但由于存在天然氢无法富集的认知偏差，长期以来，人们并没有对地下天然氢成藏有进一步探索。直到1987年，马里的布拉克布古村附近正在钻探的一个水井发生爆炸，人们才发现了地下纯度高达98%的氢气，从2012年开始在此处钻探氢气并进行小规模发电。至此，人类开启了天然氢勘探开发利用之门，这是全球迄今为止唯一一处被开发利用的天然氢气藏。然而，随着对天然氢气藏赋存的地质构造的深入调查和研究，这种现状将会改变，未来会发现更多的天然氢气藏。

01

发现与分布

大气中的氢含量极低，约为百万分之0.5。而在海底或大陆喷气孔、温泉口、“仙女圈（天然氢逸出造成植被难以生长的圆形洼地，可以在航空或卫星照片中观察到）”或构造裂缝处发现天然氢含量较高，而且在许多深度从几米到1000米不等的地下水、石油和天然气钻孔中也发现有天然氢，由此可认为地下赋存大量天然氢。

天然氢分布广泛，在裂谷、弧后盆地、克拉通盆地、条带状含铁建造或矿化带和矿床内、洋中脊和造山带都能检测到天然氢。全球天然氢分布受到地质和构造控制的影响，不同地区、不同地质环境其含量变化范围在1%~100%之间。目前，大多数天然氢发现点集中在全球少数几个地区，并以前苏联地区居多，其他位于美国、中非、欧洲和中国等国家。而这并不代表这些地区的天然氢赋存丰富，仅能说明在这些地区发现氢气的活动更频繁、受到关注的时间更长。

地下天然氢的产生和分布受多种地质控制因素的影响，这些控制因素对氢的生成、储存和运移起着重要作用。天然氢的地质控制因素对于识别可勘探的区域和评价氢富集的可能性非常重要。

> 海底喷气孔

> 陆地喷气孔

> 温泉口

> “仙女圈”

（Alain Prinzhofer，2019）

02

来源与赋存状态

地壳中的天然氢主要由非生物作用和生物作用形成。地质学家认为，水岩反应、深部脱气和水辐解可能是产生天然氢的主要非生物作用。产生氢气的水岩反应是指水和富含镁铁的岩石之间发生的反应，即岩石中的镁铁质矿物在有水存在的环境下，水与其中的镁铁质矿物发生反应，转变为蛇纹石，同时释放出氢气（称为镁铁质岩石的蛇纹石化）；深部脱气指从地球深处沿着构造板块边缘冒出“原生”氢气，研究者曾给出了“地幔脱气”的说法；水辐解指由地壳中放射性元素（铀、钍或钾）分解水分子形成氢气，这个过程很缓慢。生物作用是通过有机物的厌氧分解、发酵和固氮菌生成天然氢气。上述这些生氢机制，对天然氢的形成和富集起着重要作用，观察到的天然氢可能存在不同的氢源，而且不同的地质环境产生氢气的机理也很多，可通过氢同位素分析对氢气的来源进行鉴别。

不同来源的天然氢，赋存状态也有所不同，研究人员根据天然氢在地质环境中的赋存状态，将其分为三类，即游离氢、包裹体氢和溶解态氢。通过岩石（或地层）的孔隙或裂缝自由迁移的天然氢为“游离氢”，主要在蛇绿岩中可以发现；以包裹体形式或者以吸附的形式圈闭在岩石内的天然氢称“包裹体氢”，在橄榄石样品中就有发现；以溶解态气体存在于地下水中的天然氢为“溶解态氢”，在裂谷和深断层中可以发现。

> 地下天然氢工厂（Eric Hand，2023）

03

开发利用成本

全球每年消耗7000多万吨氢气，主要用于工业用途。目前市场上的氢都是制造出来的。蒸汽重整制氢（灰氢和蓝氢）是工业制氢最常用的方式之一，缺点是会释放大量的二氧化碳，加上碳捕获和碳储存环节，生产成本约为每千克2~4美元。水电解制氢（绿氢）属于能源密集型生产工艺，生产成本很高，为每千克5~8美元，且目前只占氢生产总量的4%。而天然氢是可以从地下开采出来的资源，开发天然氢仅需消耗少量能源，既不需要淡水，也不排放二氧化碳，生产成本估计每千克不到1美元。因此，天然氢比目前人工制氢更便宜，更环保，与其他可再生能源和无碳能源相比，其成本较低，因此天然氢具有挑战化石燃料的有利地位。开发天然氢的关键挑战之一将是克服运输问题，如果未来能够借鉴石油和天然气运输技术，形成安全的运输系统，那么天然氢可能会同150年前石油开发热潮一样，有望成为未来能源的改变者。

> 氢的生产成本（美元/千克）

04

估算资源量

地下天然氢在生成、运移、积累和保存方面存在不确定性，所以目前无法精准确定潜在资源量。尽管如此，人们对地下天然氢的形成还是取得了不少研究成果。研究人员认为，在下地幔内，天然氢广泛分布，但其资源量未知。在上地幔—地壳内，据估算年产天然氢量约为（254±91）×109立方米（2540亿±910亿立方米），这个估算量随着全球对天然氢调查工作的进一步部署，可能会有所提高。最近，相关学者根据当前数据建立了天然氢资源潜力评价模型，估算原地天然氢资源量为数十万吨到数千亿吨不等，平均达到数千万吨。研究者认为，即使大多数天然氢矿藏因埋藏太深、离岸太远、累积量太少而无法进行开采，但只需开采其中的百分之几的量，就能满足百年内年均约5亿吨的氢气需求量。近几年来，在马里布拉克布古气田、澳大利亚约克半岛、西班牙蒙松矿区、法国洛林盆地均发现了大量天然氢气藏，它们的天然氢资源估算量分别为500万吨、130万吨、500万~1000万吨、4600万吨。

目前认为现存天然氢可以满足全球1/4的用氢需求，但实际资源量尚未得到证实。要确定地下有多少天然氢，很难给出一个确切的数字，全球地下天然氢富集的潜力尚不清楚，需要后期投入大量研究来深入了解地下天然氢的富集过程和富集量。

05

勘探开发现状与挑战

目前，天然氢勘探开发尚处于起步阶段，全球第一个开发利用的天然氢气藏（2012年，在马里的布拉克布古地区），虽已过去10多年，然而此处地下的氢气还在源源不断产出，此例不仅证实了开采的地下天然氢比人工制氢的成本更低，也点燃了天然氢勘探开发的星星之火。

从马里这个重大突破开始，尤其是近几年，天然氢吸引着越来越多的目光，越来越多的创业公司加入了这股热潮。目前澳大利亚和美国处于领先地位，在南澳大利亚州，申请或获得天然氢勘探许可证数量激增。2021年以来，澳大利亚已颁发40多个天然氢勘探许可证，主要在占地面积57万平方千米的南澳大利亚州开展天然氢勘查工作；目前已确认一处高含量的天然氢气田，估计可开采的氢气量为130万~880万吨。美国天然氢勘探项目正在逐步实施，开展了相关天然氢调查工作，并在亚利桑那州麦考利气田、内布拉斯加州和堪萨斯州进行了天然氢钻探；与此同时，还在科罗拉多州启动了一个天然氢勘探开发试点项目。欧洲天然氢勘探开发项目数量也在成倍增加，西班牙在阿拉贡比利牛斯山脉开展了天然氢勘查工作，发现大量天然氢矿床，并准备开发这些矿床，目标是每年开采5.5万~7万吨天然氢；法国在西比利牛斯山和洛林进行了天然氢勘探活动，并宣布在洛林发现了天然氢气藏，1家公司已申请此区域独家采矿勘探许可，还有3家公司申请了法国皮雷内斯—亚特兰蒂斯地区、中部多姆山地区采矿勘探许可证，以开发天然氢气藏。巴西一个直径500米的“仙女圈”正在进行氢气连续监测，每天的气体流量约17.8万立方米。中国在松辽盆地等一些地区的钻井中同样发现了天然氢，但尚未开展有针对性的勘探开发工作。

尽管全球天然氢勘查钻孔数量、发现的潜在天然氢气藏数量和涉及的公司数量正在迅速增加，寻找到天然氢气藏的证据也越来越多，然而，观察到的地质环境的多样性、各种提出的生成机制，以及在确定生成因素时的明显不一致，表明我们对其来源、富集程度和含气丰度的理解因缺乏调查研究而受到限制。许多现有证据是通过对油气或特定地质过程和环境的调查得出的，都是间接的认识，而且不恰当的检测、分析和常规取样方法可能会扰乱或无法获取准确的氢气测量数据，造成目前很难发现具有经济可采的天然氢气藏的局面。

当前，对天然氢在地壳中运移和富集的地质认识还非常有限，虽然前期研究已积累一些证据，但寻找这种新兴气藏仍具有挑战性。天然氢产于地下深处，然后运移至地表，最终在大气中扩散，虽然可参考常规天然气勘探开发建立的“源—运移—储层—盖层”油气成藏系统，但天然氢的形成和储存的地质条件与天然气成藏机理存在较大差异，而且氢气来源及其所伴生的岩石类型和流体的多样性，则需要进一步监测、记录地表天然氢逸出，研究天然氢成藏系统，甚至钻探潜在的天然氢储层，形成全面的天然氢勘探指南，才能成功实现天然氢商业开发。另外，开发天然氢气藏时还需要弄清其位置、大小、技术实用性、安全性、成分、压力，以及储层中自然补充天然氢的速率，这些还需要对天然氢探测采用的遥感、地球化学、地球物理等勘探方法和工具进行进一步探索。

目前，研究者给出了一些初步地质观点：寻找富含铁或富含铀的目标基底；寻找断裂；寻找沉积盖层，特别是存在含水层或蒸发岩的沉积层；检测地表天然氢并进行长期监测，逸出标志可能显示为“仙女圈”，也可能没有任何标志；监测矿山、地下水、石油和天然气钻孔中的氢气。这些观点可以用来指导寻找地下天然氢的勘探活动。

06

环境与能源意义

天然氢的环境意义在于其作为清洁和可持续能源的潜力。使用天然氢可以对环境产生许多积极影响，其中之一就是减少温室气体排放。当用作燃料时，氢气燃烧仅产生水蒸气，不释放二氧化碳和其他有害污染物，这有助于缓解气候变化和改善空气质量。天然氢可以通过地质构造运动和地球化学过程持续产生，使其成为一种一次能源，可持续不断地为人类提供能量。天然氢燃烧时，可释放大量能量，这种能量可应用于各种领域，包括发电、运输和工业过程。天然氢可以用作燃料电池系统中的燃料，还可用于内燃机、涡轮机和其他能量转换设备。此外，氢可以是各种工业的原料来源，包括化学生产。

天然氢是实现长期能源安全和减少对化石燃料依赖的选择，并有可能在储能中发挥重要作用。天然氢可以利用现有的天然气管道、储存设施和输送网络，无需对设施进行重大更改，这种可扩展性和兼容性使天然氢成为从化石燃料过渡到清洁能源的可行选择。此外，使用天然氢作为能源还可以提高能源独立和安全，可以提高能源供应链的稳定性和弹性。

相信未来，天然氢勘探开发在世界各国的努力下，其潜力和优势能得到有效发挥，可为全球提供一种碳中和可持续发展的能源选项。而且，天然氢的开发利用，也可超越其本身的能源意义，随着天然氢研究的深入和资金的投入，还可以推动相关技术创新、降本增效，为绿色地球的可持续发展赋能。