天然氢作为一种新发现的、地质成因的、可再生清洁氢或将改变未来的氢气能源格局。基于对国内外天然氢勘探和利用现状、研究进展等调研，取得以下4点认识：

①美国、俄罗斯、法国、澳大利亚等多个国家已在天然氢气藏勘探研究取得积极进展，中国仍处于未起步阶段；

②天然氢气藏具有5个地质特征：氢源分布广泛、断层裂缝是氢主要运移通道、游离氢决定资源量大小、资源甜点区埋深浅及氢气藏属于动态成藏系统；

③天然氢有深层脱气、蛇纹石化、水的裂解等多种成因机制，天然氢气藏主要分布在陆上火成岩区、金伯利岩、矿体、蒸发岩、油气田、裂谷带岩体和前寒武纪基底7个区域；

④现有的氢生成量估算值(254±91)×10⁹ m³/a远低于实际，天然氢有望成为全球清洁氢的主要来源。此外，围绕天然氢学科建立和中国天然氢领域发展面临的理论技术问题提出了相关建议和方向。

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/OL].天然气地球科学:1-11[2023-10-23]

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]。

当前工业氢气生产方式主要方法包括：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]，但该类制氢方法同时产生大量二氧化碳污染环境。目前全球实施的电解水制氢气项目大约 250 个，其产量仍难以满足国际能源署所规定的 80×10⁶t 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，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]。但该工作受制于技术设备不足够[9]与观念上不重视[10]等原因，且由于天然氢在当时与其他目标产物在地质上特征不同，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，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，并已取得较好的成果。如：非洲马里 Bourakebougou 地区钻探纯度 98%的氢气井并应用于民生领域，使得马里成为全球天然氢能源利用先驱国；德国投资 3000 万欧元用于西非天然氢调研；美国 1982 年 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，并在 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，以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计划在 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46×10⁶t[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[16]。

中国的天然氢资源研究仍处在未起步阶段，未能把天然氢作为一种能源进行独立研究，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幔成因气[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 井中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

同石油天然气研究类似，氢源是最难以约束和最重要的条件，其深度可能远超目前可钻深度。目前天然氢研究中氢气的来源分为地幔岩浆和岩石脱气、蛇纹石化以及水的裂解，而超基性岩石、富铁克拉通基底以及含铀岩石被认为是已确定的三类氢源岩[10,28]。超基性岩石广泛分布在洋壳以及断裂带和俯冲带附近；克拉通基底在北美、南美、非洲、东欧、西亚、印度、华北及澳大利亚等板块均有分布(图 1)，而氢同样发现于各类矿产以及油气田中。综合全球氢可能成因和分布(图 2)，可以看出天然氢源广泛分布在各大板块区域和洋壳中，且以深层氢源为主。

2.2 断层裂缝是天然氢的主要运移通道

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、矿体以及煤盆中，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才可通过流体通道和裂缝断层自由运移。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、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、800~1040 m 和 1 130~1 460 m，在深处虽有氢存在，但多以溶解态存在难以利用。ELLIS[6]根据目前已知因素纳入计算并建立的模型(图 3)，同样将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，下方地质作用同时生成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]；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和减少的，具体资源总量取决于该地区氢气源的资源量。

3 天然氢形成与分布

3.1 形成机制

关于天然氢地下形成作用仍未有定论，目前地质学家们根据地区实例研究提出的机制包括但不限于：深层岩浆与地幔脱气、岩石破裂产气、岩石与流体的氧化作用、水的裂解、有机生物与非生物分解等[38]，其中深层脱气、蛇纹石化和水的裂解被认为是产氢的主要机制(表1,图3)。现有研究观测到的天然氢形成和发现的地质环境多样(图2)，因此天然氢可能是多种成因机制下的产物。以 Asal–Ghoubbet 裂谷为例，该地区的氢可能是来源于火山岩浆的脱气、海水与玄武岩的反应改造以及 H₂S 的氧化[27]。

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

自 1983 年起，陆续有学者对全球自然界中的氢气生产量进行估算(图 6)，可以看出氢气生成量估算值呈数量级增加，最近的天然氢生成量数据为 2020 年的估算值(254±91)×10⁹ m³ /a[8]。由于目前深源氢气量无法估算以及很多国家和地区仍未重视天然氢的检测和资源量计算，因此最新的天然氢生成量数据中量仍旧是被低估的。氢不同于化石燃料，其形成深度和温度范围更大，氢源持续生产可能会提供“无穷的氢”。结合地球形成以来的巨大氢消耗和产生量，地下存在大型氢气储层与氢源的可能性很高，天然氢资源具有非常大的资源潜力与研究价值。

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、能否人为约束是值得进一步研究[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，如何通过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，截止至目前仍未有定论，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基底共 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。