全球天然氫分布成因和勘探

 一個世紀(jì)以前糜隶，已經(jīng)有關(guān)于天然氣開采過程中伴生氫氣的觀測方仿，但氫的含量變化很大(從1ppm到10%不等)犬性。但直到20世紀(jì)70年代末在大洋中脊發(fā)現(xiàn)富含氫氣的流體之后舶卧，科學(xué)家才開始著手系統(tǒng)研究天然氫的起源，先后經(jīng)歷從海洋到陸地作業(yè)再到定點觀測三個階段，但對其形成機(jī)理不如甲烷、氮氣和一氧化碳那樣認(rèn)識全面。“尋找天然氫源的熱潮”于2023年12月被《科學(xué)》（Science）雜志列為2023年度十大科學(xué)突破之一痪寻。天然氫是一種自然生成的無碳、低成本氫源虽惭，產(chǎn)量規(guī)模潛力大槽华，具備顛覆傳統(tǒng)制氫方式的可能性。傳統(tǒng)氫能生產(chǎn)方式以能源資源為原料趟妥、以設(shè)備生產(chǎn)為主要方式猫态，天然氫以地質(zhì)勘探為依托，通過對廣泛存在于地球深處的氫進(jìn)行探測與開發(fā)披摄。全球已發(fā)現(xiàn)的天然氫地面逸出量估算值為1.5-3.1千萬噸/年亲雪，相當(dāng)于200-400吉瓦電解槽制氫規(guī)模。目前疚膊，非洲馬里純度約98%的天然氫礦义辕，可以每公斤50美分的價格開采，西班牙比利牛斯山麓開采的天然氫預(yù)計生產(chǎn)成本為50-70美分/公斤寓盗。  

天然氫儲量及分布

當(dāng)前灌砖，歐亞、西非及美國是天然氫的主要發(fā)現(xiàn)區(qū)域傀蚌，在間歇泉晌叽、溫泉、煤井互聪、油氣井等中都發(fā)現(xiàn)過富氫氣體囊砰，其含量在不同地質(zhì)環(huán)境中在1%-100%之間。截至目前突棉，全球濃度超過10%的天然氫發(fā)現(xiàn)案例已超過300例为惧，集中于美國、非洲馬里绒怯、歐洲搬即、菲律賓等30多個國家及區(qū)域，估算地面逸出量達(dá)到2千萬噸/年以上笑院。新的天然氫礦藏也不斷被發(fā)現(xiàn)贿桃，2023年7月，法國洛林礦盆地發(fā)現(xiàn)了高濃度的巨量天然氫兵扭，總儲量可能高達(dá)4600萬噸哑立，是歐洲迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大潛在天然氫袒碍；10月脾鸠，澳大利亞進(jìn)行首次試鉆得到了濃度73%的天然氫杰捂。由于我國及其他一些國家和地區(qū)尚未展開天然氫的系統(tǒng)檢測和資源量計算，實際天然氫資源儲量應(yīng)該更為可觀棋蚌。

圖丨全球已發(fā)現(xiàn)的天然氫地點

天然氫形成機(jī)理

地殼輻射裂解水嫁佳、水巖反應(yīng)和深層脫氣等非生物成因被認(rèn)為是天然氫的主要形成機(jī)理。天然氫成因類型眾多谷暮，經(jīng)歸納總結(jié)蒿往，主要可分為兩大類劃分方式，一是劃分為原生成因氫源和次生成因氫源湿弦；另一種劃分為非生物成因氫源和生物成因氫源瓤漏，其中非生物成因氫源得到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)同，包括水巖反應(yīng)颊埃、地幔脫氣蔬充、水的輻解。水巖反應(yīng)包括蛇紋石化作用班利、水與巖石表面反應(yīng)和礦物中羥基反應(yīng)饥漫，其中蛇紋石化作用研究最多，即水與富含鐵的巖石發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣罗标。深層脫氣理論認(rèn)為拍斜，氫氣來自地球更深處的地幔或地核过拿，氫氣沿著板塊邊界和斷層縫隙上升到地表形成惹炕。當(dāng)前高質(zhì)量天然氫（體積分?jǐn)?shù)大于10%）主要發(fā)育于蛇綠巖帶、裂谷和前寒武系富鐵地層祸铁。據(jù)已有研究寿伊，探測深度增加，氫氣濃度也逐漸升高告锅。當(dāng)探測深度達(dá)1093米揽此，氫氣濃度為15%；探測深度達(dá)1250米時守迫，氫氣濃度增加到20%艘赂；探測深度達(dá)3000米時，氫氣濃度可能增加到98%公悟。水的放射性分解也被認(rèn)為是氫的重要來源听誓，即地殼深層大量鈾、釷等放射性元素衰變時釋放射線列林，其能量將水分子分解產(chǎn)生氫氣瑞你。通過輻射分解產(chǎn)生氫氣只需要水和放射源，因此水的輻解過程被認(rèn)為可以在地球上廣泛發(fā)生。

與傳統(tǒng)油氣成藏系統(tǒng)相似者甲，天然氫的形成也需要“生春感、儲、蓋虏缸、圈鲫懒、運、保”等要素條件刽辙，并且傳統(tǒng)油氣儲藏層可儲集天然氫窥岩。天然氫的成藏條件與傳統(tǒng)油氣資源相似，主要為富鐵巖石宰缤、水以及地球深部存儲的原始?xì)渌桃恚谏顚踊顒訑鄬雍突鹕交顒佑绊懴孪蛏线\移，積聚于沉積盆地發(fā)育的砂巖和碳酸鹽巖儲層中慨灭，形成與傳統(tǒng)油氣藏儲層相似的儲集天然氫的條件疚鲤。此外，現(xiàn)有研究認(rèn)為當(dāng)天然氫作為伴生氣與其他氣體共存時挡医，傳統(tǒng)的蓋層（泥頁巖溢扳、膏巖等）具備對天然氫的封蓋能力，所以在一些油氣井中會檢測到天然氫氣的存在训癌，而當(dāng)天然氫氣含量過高（如馬里氫氣體積分?jǐn)?shù)大于95%）時祠乔，其對蓋層的要求就更苛刻。與油氣不同的是娶匠，天然氫可以在更長的時間范圍內(nèi)和更寬的溫度范圍內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生橱序，可視為一種天然的可再生能源。

圖丨天然氫成藏模式

天然氫勘探技術(shù)

通常氫氣與甲烷和氦氣等其他氣體一起存在于地下炭答，天然氫的勘探與化石能源勘探相似∫唛伲現(xiàn)有研究正在利用遙感技術(shù)、地球化學(xué)匾颁、地球物理和巖石物理學(xué)技術(shù)制定對天然氫多樣化勘探策略癌玩。天然氫的地表跡象大部分表現(xiàn)為有輕微圓形、橢圓形洼地帮观，即“仙女圈”污益。目前，業(yè)界在進(jìn)行天然氫資源勘探時先口，首先型奥，利用遙感技術(shù)再加上樣品采集來研究地表氫氣滲漏標(biāo)志的特征。其次碉京，為了提高發(fā)現(xiàn)儲層內(nèi)和密閉蓋層下面大型的天然氫資源的機(jī)會厢汹，選擇應(yīng)用地球化學(xué)螟深、地球物理和巖石物理學(xué)技術(shù)，識別基底上面的沉積物厚度及巖漿巖侵入體烫葬，如在澳大利亞South Nicholson盆地界弧，在鉆井中發(fā)現(xiàn)有高濃度氫氣逸出的區(qū)域，利用重力異常厘灼、磁異常和深部地震資料進(jìn)行綜合分析夹纫，繪制地殼構(gòu)造圖咽瓷，利用大地電磁數(shù)據(jù)解釋了蝕變地殼的流體通道设凹，判定生氫最有利的區(qū)域。

全球天然氫分布成因和勘探

目前茅姜，非洲馬里闪朱、法國、美國和澳大利亞正在積極開展天然氫勘探開發(fā)引妖，并取得實際進(jìn)展冕泡。非洲馬里建成全球首個商業(yè)化天然氫發(fā)電站，通過井口采集天然氫作為燃料為附近村落供電缚迟，自從鉆孔開始到開采氫氣十年來刑评，濃度約98%的天然氫的逸出無任何減少。自2021年以來灭奉，澳大利亞已提交了35份對天然氫的勘探申請且恼，澳美兩國企業(yè)在美國內(nèi)布拉斯加州開發(fā)全球首口氫氣專探井HoartyNE3并成功鉆取氫氣流；澳洲在約克半島部署的氫氣專探井Ramsay1完成鉆探过任，在地下250米檢測到濃度為73.3%的天然氫捉寻。此外，西班牙江眯、法國硼洁、韓國也紛紛部署勘探和開采計劃。

我國具備尋找天然氫資源的地質(zhì)條件东摘，目前可初步圈定3個天然氫成藏有利帶欢策。我國由多個板塊拼合而成，經(jīng)歷了多期俯沖與碰撞構(gòu)造運動赏淌，在板塊縫合帶處發(fā)育多期蛇綠巖猬腰，是天然氫的重要來源。同時猜敢，我國發(fā)育有多條規(guī)模巨大姑荷、向地下深切且長期活躍的區(qū)域性深大斷裂，為深源氫氣的運移提供了良好的通道缩擂。此外鼠冕，我國的華夏裂谷系和汾渭裂谷系與北美裂谷系具有相似的地質(zhì)背景添寺，是天然氫氣勘探的潛力區(qū)之一。目前已有研究表明懈费，我國可初步圈定3個天然氫成藏有利帶：即郯廬斷裂帶及周緣裂陷盆地區(qū)计露、阿爾金斷裂帶及兩側(cè)盆地區(qū)、三江構(gòu)造帶（怒江憎乙、瀾滄江票罐、金沙江）—龍門山斷裂帶及周緣盆地區(qū)。在郯廬斷裂帶及周緣裂陷盆地區(qū)中的松遼盆地的個別鉆井中發(fā)現(xiàn)氫氣含量高達(dá)85.54%泞边；在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)2號井的巖屑罐頂氣中颖喧，檢測到了含量最高可達(dá)99%的氫氣。

圖丨我國富氫構(gòu)造類型及天然氫氣顯示

天然氫開發(fā)主體以初創(chuàng)型企業(yè)為主顾惹，利用社會融資铅坚、政府補(bǔ)助等途徑獲取項目啟動資金，已披露的單個項目支持資金在千萬美元左右厉亥。2018年以來兰斑，美國、澳大利亞等國家相繼成立相關(guān)公司藏趁，開展天然氫勘探與開采工作修暑。美國撥款2000萬美元用于深巖中天然氫技術(shù)研發(fā)，2021年成立初創(chuàng)型Koloma公司谎雷，已獲得9,100美元資金實現(xiàn)美國中西部天然氫開采奥唯。澳大利亞企業(yè)HyTerra計劃募資2,000萬美元用于天然氫井鉆探、地震研究等婚乌。法國政府?dāng)M增加天然氫投資計劃拗疯。我國具備尋找天然氫資源的地質(zhì)條件，但真正把天然氫作為能源進(jìn)行的調(diào)查研究工作尚停留在實驗室和文獻(xiàn)階段中姜。與國外相比消玄，我國對于天然氫勘探及開發(fā)工作較少，目前對氫氣的研究大多是對把氫作為監(jiān)測自然環(huán)境丢胚、地震和化石資源方面的分散研究翩瓜，尚無對天然氫勘探及開發(fā)體系化研究與部署。中國氫能聯(lián)盟研究院持續(xù)跟蹤國內(nèi)天然氫的發(fā)展携龟，并與相關(guān)初創(chuàng)團(tuán)隊開展文獻(xiàn)交流合作兔跌，支持其開展初步勘探。

天然氫是一種自然生成的無碳?xì)湓聪矿淇沙掷m(xù)性和普遍性有待學(xué)界進(jìn)一步深入研究坟桅。通過匯總?cè)蛞寻l(fā)現(xiàn)的天然氫數(shù)據(jù)以及勘探活動，業(yè)界有望基于天然氫的“生產(chǎn)-遷移-積累”機(jī)制制定初步的勘探指南蕊蝗。作為一門新興科學(xué)仅乓，在完全理解“氫系統(tǒng)”之前赖舟，天然氫有可能重復(fù)石油和天然氣開采的歷程——石油和天然氣勘探始于19世紀(jì)中葉，并迅速取得了成功夸楣。但近百年后宾抓，學(xué)界才系統(tǒng)理解油氣的有機(jī)來源，并逐步對油氣系統(tǒng)的功能（生成忱确、運移屏商、聚集、蝕變和滲漏）有了全面的認(rèn)識唐耿。

天然氫發(fā)展展望

天然氫有望顛覆將氫視為能源載體的認(rèn)知犹蝇，加速氫能成為獨立的能源品類，為全球能源轉(zhuǎn)型提供新的戰(zhàn)略契機(jī)窘螃。相比于現(xiàn)有氫源挑单，天然氫清潔程度更高馒俊、開發(fā)成本更低册向，一旦天然氫的持續(xù)性得到進(jìn)一步驗證，除了開采成本外避揍，不需要任何能量來生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換瘸卦，可能比當(dāng)前傳統(tǒng)制取方式都便宜，有望推動全產(chǎn)業(yè)鏈成本將從源頭降低蔓嚷×啵考慮到目前影響氫能發(fā)展的關(guān)鍵在于成本與技術(shù)，天然氫的大規(guī)模開發(fā)有望從源頭上解決用氫成本高雕蔽、氫能技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新不足等問題折柠。即使短期內(nèi)勘探和開采水平有限，通過其機(jī)理研究將拓展出如橄欖石水化等零碳批狐、低成本制氫方式扇售。此外，通過對天然氫系統(tǒng)的研究嚣艇，尤其是儲氫層的探索承冰，有助于拓展地下大規(guī)模、低成本儲氫設(shè)施食零，進(jìn)一步降低分銷成本困乒，加速氫能的規(guī)模化應(yīng)用贰谣。

但是娜搂，天然氫大規(guī)模勘測開發(fā)尚存在一系列挑戰(zhàn)：勘探技術(shù)以及氣體檢測分析技術(shù)尚不成熟吱抚，缺乏新型完井技術(shù)百宇。一是氫氣無色欧引、無味，且自身具有質(zhì)量輕鹊尤，溶解度小迈招，極易揮發(fā)遷移等特點，同時由于在自然系統(tǒng)中衣剂，其產(chǎn)生和消耗是緊密耦合的缘赋，導(dǎo)致其濃度較低。學(xué)界研究均指向大規(guī)模的天然氫被封存在地球深處惊派，常規(guī)地質(zhì)勘探或化石能源開采尚未涉及誓胆，需要研究新型完井技術(shù)。二是氫在上述活動中氣體樣品的檢測和技術(shù)分析過程缺位送服，氣相色譜法常用氫氣作為載氣庸飘，且檢出限一般≥1ppm，僅有少數(shù)用于自然科學(xué)的分析儀器在其設(shè)計中包括氫傳感器炼杉，有可能低估當(dāng)前天然氫的逸出統(tǒng)計瞒帜。三是早期勘探企業(yè)面臨不確定性高，需要風(fēng)險資本支持踢漏。天然氫的資源類型定位征绸、管理方法、管理部門等尚不明確俄占，相關(guān)項目面臨審批難管怠、落地后存在因政策變動而終止運營的風(fēng)險。作為一種新興技術(shù)缸榄，天然氫融資結(jié)構(gòu)與其他能源和大宗商品項目融資類似渤弛，具有勘探前景及其經(jīng)濟(jì)可行性的不確定性。