全球天然氫分布成因和勘探

 一個世紀以前，已經有關于天然氣開采過程中伴生氫氣的觀測，但氫的含量變化很大(從1ppm到10%不等)。但直到20世紀70年代末在大洋中脊發現富含氫氣的流體之后，科學家才開始著手系統研究天然氫的起源，先后經歷從海洋到陸地作業再到定點觀測三個階段，但對其形成機理不如甲烷、氮氣和一氧化碳那樣認識全面。“尋找天然氫源的熱潮”于2023年12月被《科學》（Science）雜志列為2023年度十大科學突破之一。天然氫是一種自然生成的無碳、低成本氫源，產量規模潛力大，具備顛覆傳統制氫方式的可能性。傳統氫能生產方式以能源資源為原料、以設備生產為主要方式，天然氫以地質勘探為依托，通過對廣泛存在于地球深處的氫進行探測與開發。全球已發現的天然氫地面逸出量估算值為1.5-3.1千萬噸/年，相當于200-400吉瓦電解槽制氫規模。目前，非洲馬里純度約98%的天然氫礦，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計生產成本為50-70美分/公斤。  

天然氫儲量及分布

當前，歐亞、西非及美國是天然氫的主要發現區域，在間歇泉、溫泉、煤井、油氣井等中都發現過富氫氣體，其含量在不同地質環境中在1%-100%之間。截至目前，全球濃度超過10%的天然氫發現案例已超過300例，集中于美國、非洲馬里、歐洲、菲律賓等30多個國家及區域，估算地面逸出量達到2千萬噸/年以上。新的天然氫礦藏也不斷被發現，2023年7月，法國洛林礦盆地發現了高濃度的巨量天然氫，總儲量可能高達4600萬噸，是歐洲迄今為止發現的最大潛在天然氫；10月，澳大利亞進行首次試鉆得到了濃度73%的天然氫。由于我國及其他一些國家和地區尚未展開天然氫的系統檢測和資源量計算，實際天然氫資源儲量應該更為可觀。

圖丨全球已發現的天然氫地點

天然氫形成機理

地殼輻射裂解水、水巖反應和深層脫氣等非生物成因被認為是天然氫的主要形成機理。天然氫成因類型眾多，經歸納總結，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；另一種劃分為非生物成因氫源和生物成因氫源，其中非生物成因氫源得到學術界廣泛認同，包括水巖反應、地幔脫氣、水的輻解。水巖反應包括蛇紋石化作用、水與巖石表面反應和礦物中羥基反應，其中蛇紋石化作用研究最多，即水與富含鐵的巖石發生反應產生氫氣。深層脫氣理論認為，氫氣來自地球更深處的地幔或地核，氫氣沿著板塊邊界和斷層縫隙上升到地表形成。當前高質量天然氫（體積分數大于10%）主要發育于蛇綠巖帶、裂谷和前寒武系富鐵地層。據已有研究，探測深度增加，氫氣濃度也逐漸升高。當探測深度達1093米，氫氣濃度為15%；探測深度達1250米時，氫氣濃度增加到20%；探測深度達3000米時，氫氣濃度可能增加到98%。水的放射性分解也被認為是氫的重要來源，即地殼深層大量鈾、釷等放射性元素衰變時釋放射線，其能量將水分子分解產生氫氣。通過輻射分解產生氫氣只需要水和放射源，因此水的輻解過程被認為可以在地球上廣泛發生。

與傳統油氣成藏系統相似，天然氫的形成也需要“生、儲、蓋、圈、運、保”等要素條件，并且傳統油氣儲藏層可儲集天然氫。天然氫的成藏條件與傳統油氣資源相似，主要為富鐵巖石、水以及地球深部存儲的原始氫，在深層活動斷層和火山活動影響下向上運移，積聚于沉積盆地發育的砂巖和碳酸鹽巖儲層中，形成與傳統油氣藏儲層相似的儲集天然氫的條件。此外，現有研究認為當天然氫作為伴生氣與其他氣體共存時，傳統的蓋層（泥頁巖、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，而當天然氫氣含量過高（如馬里氫氣體積分數大于95%）時，其對蓋層的要求就更苛刻。與油氣不同的是，天然氫可以在更長的時間范圍內和更寬的溫度范圍內連續產生，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

通常氫氣與甲烷和氦氣等其他氣體一起存在于地下，天然氫的勘探與化石能源勘探相似。現有研究正在利用遙感技術、地球化學、地球物理和巖石物理學技術制定對天然氫多樣化勘探策略。天然氫的地表跡象大部分表現為有輕微圓形、橢圓形洼地，即“仙女圈”。目前，業界在進行天然氫資源勘探時，首先，利用遙感技術再加上樣品采集來研究地表氫氣滲漏標志的特征。其次，為了提高發現儲層內和密閉蓋層下面大型的天然氫資源的機會，選擇應用地球化學、地球物理和巖石物理學技術，識別基底上面的沉積物厚度及巖漿巖侵入體，如在澳大利亞South Nicholson盆地，在鉆井中發現有高濃度氫氣逸出的區域，利用重力異常、磁異常和深部地震資料進行綜合分析，繪制地殼構造圖，利用大地電磁數據解釋了蝕變地殼的流體通道，判定生氫最有利的區域。

全球天然氫分布成因和勘探

目前，非洲馬里、法國、美國和澳大利亞正在積極開展天然氫勘探開發，并取得實際進展。非洲馬里建成全球首個商業化天然氫發電站，通過井口采集天然氫作為燃料為附近村落供電，自從鉆孔開始到開采氫氣十年來，濃度約98%的天然氫的逸出無任何減少。自2021年以來，澳大利亞已提交了35份對天然氫的勘探申請，澳美兩國企業在美國內布拉斯加州開發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，在地下250米檢測到濃度為73.3%的天然氫。此外，西班牙、法國、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條件，目前可初步圈定3個天然氫成藏有利帶。我國由多個板塊拼合而成，經歷了多期俯沖與碰撞構造運動，在板塊縫合帶處發育多期蛇綠巖，是天然氫的重要來源。同時，我國發育有多條規模巨大、向地下深切且長期活躍的區域性深大斷裂，為深源氫氣的運移提供了良好的通道。此外，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背景，是天然氫氣勘探的潛力區之一。目前已有研究表明，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、阿爾金斷裂帶及兩側盆地區、三江構造帶（怒江、瀾滄江、金沙江）—龍門山斷裂帶及周緣盆地區。在郯廬斷裂帶及周緣裂陷盆地區中的松遼盆地的個別鉆井中發現氫氣含量高達85.54%；在柴達木盆地三湖地區2號井的巖屑罐頂氣中，檢測到了含量最高可達99%的氫氣。

圖丨我國富氫構造類型及天然氫氣顯示

天然氫開發主體以初創型企業為主，利用社會融資、政府補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。2018年以來，美國、澳大利亞等國家相繼成立相關公司，開展天然氫勘探與開采工作。美國撥款2000萬美元用于深巖中天然氫技術研發，2021年成立初創型Koloma公司，已獲得9,100美元資金實現美國中西部天然氫開采。澳大利亞企業HyTerra計劃募資2,000萬美元用于天然氫井鉆探、地震研究等。法國政府擬增加天然氫投資計劃。我國具備尋找天然氫資源的地質條件，但真正把天然氫作為能源進行的調查研究工作尚停留在實驗室和文獻階段。與國外相比，我國對于天然氫勘探及開發工作較少，目前對氫氣的研究大多是對把氫作為監測自然環境、地震和化石資源方面的分散研究，尚無對天然氫勘探及開發體系化研究與部署。中國氫能聯盟研究院持續跟蹤國內天然氫的發展，并與相關初創團隊開展文獻交流合作，支持其開展初步勘探。

天然氫是一種自然生成的無碳氫源，其可持續性和普遍性有待學界進一步深入研究。通過匯總全球已發現的天然氫數據以及勘探活動，業界有望基于天然氫的“生產-遷移-積累”機制制定初步的勘探指南。作為一門新興科學，在完全理解“氫系統”之前，天然氫有可能重復石油和天然氣開采的歷程——石油和天然氣勘探始于19世紀中葉，并迅速取得了成功。但近百年后，學界才系統理解油氣的有機來源，并逐步對油氣系統的功能（生成、運移、聚集、蝕變和滲漏）有了全面的認識。

天然氫發展展望

天然氫有望顛覆將氫視為能源載體的認知，加速氫能成為獨立的能源品類，為全球能源轉型提供新的戰略契機。相比于現有氫源，天然氫清潔程度更高、開發成本更低，一旦天然氫的持續性得到進一步驗證，除了開采成本外，不需要任何能量來生產和轉換，可能比當前傳統制取方式都便宜，有望推動全產業鏈成本將從源頭降低。考慮到目前影響氫能發展的關鍵在于成本與技術，天然氫的大規模開發有望從源頭上解決用氫成本高、氫能技術研發創新不足等問題。即使短期內勘探和開采水平有限，通過其機理研究將拓展出如橄欖石水化等零碳、低成本制氫方式。此外，通過對天然氫系統的研究，尤其是儲氫層的探索，有助于拓展地下大規模、低成本儲氫設施，進一步降低分銷成本，加速氫能的規模化應用。

但是，天然氫大規模勘測開發尚存在一系列挑戰：勘探技術以及氣體檢測分析技術尚不成熟，缺乏新型完井技術。一是氫氣無色、無味，且自身具有質量輕，溶解度小，極易揮發遷移等特點，同時由于在自然系統中，其產生和消耗是緊密耦合的，導致其濃度較低。學界研究均指向大規模的天然氫被封存在地球深處，常規地質勘探或化石能源開采尚未涉及，需要研究新型完井技術。二是氫在上述活動中氣體樣品的檢測和技術分析過程缺位，氣相色譜法常用氫氣作為載氣，且檢出限一般≥1ppm，僅有少數用于自然科學的分析儀器在其設計中包括氫傳感器，有可能低估當前天然氫的逸出統計。三是早期勘探企業面臨不確定性高，需要風險資本支持。天然氫的資源類型定位、管理方法、管理部門等尚不明確，相關項目面臨審批難、落地后存在因政策變動而終止運營的風險。作為一種新興技術，天然氫融資結構與其他能源和大宗商品項目融資類似，具有勘探前景及其經濟可行性的不確定性。