深层氢气储层推动了 Bulqizë 蛇绿岩的强烈脱气《科学》编辑总结

氢气是传统化石燃料的有吸引力的替代品，因为它可用于生产能源而不会产生二氧化碳副产品。然而，氢气的天然来源很少，目前生产氢气仍然是能源密集型的。TrucHe 等在Bulqizë铬铁矿深处发现了一个大型天然氢气源。这种巨大的氢通量很可能来自断层储层内的长期积累。人们应该关注在具有相似地质条件的寻找天然氢气来源。——布伦特·格罗科尔斯基

论文摘要

深层地壳产生氢气是一次能源的潜在来源，如果地质构造中的可采储量足够大。我们报告了来自阿尔巴尼亚的地下深处 Bulqizë 铬铁矿纯度为 84%（体积）的氢气的直接测量结果。每年至少200 吨氢气从矿山洞排出，使其成为迄今为止有记录以来最大的氢气流速。我们不能将通量仅仅归因于被困在岩石中的古流体气体的释放，也不能归因于当今超基性岩的活跃和普遍的蛇纹石化。相反，我们的研究结果表明存在一个深深植根于侏罗纪蛇绿岩地块的断层储层。这一发现表明，某些蛇绿岩可能含有经济应用价值的氢气积累。

A deep reservoir for Hydrogen drives intense degassing in tHe Bulqizë opHiolite | Science

与电力一样，氢气是一种无碳能源载体，在现代工业和能源转型中发挥着重要作用。然而，目前大多数氢气使用天然气制造，这会消耗能源并向大气中释放大量二氧化碳。以前被忽视的地质来源天然氢气，有助于实现能源结构的多样化，减少经济的碳足迹。

虽然地质氢气在地壳中简单有机化合物的非生物合成和支持深层微生物群落中起着核心作用，该分子的高迁移率与其高反应性相结合曾被认为可以避免在地下积累，极少数情况下氢气能积聚。这种范式受到最新发现的质疑，地表氢气渗漏和地下矿井或特定地质环境中的钻孔中氢含量丰富的流体，以及对历史钻井数据的重新分析。特别是，伴随着超基性岩（如橄榄岩）的蛇纹石化而产生氢气的地下反应产生的丰富氢气流体在隆起的造山体和蛇绿岩体中得到了充分的记录 。尽管有这些观察结果，但我们对过程和环境的理解最有利于形成大量氢气积累仍在不断发展。尽管地质氢气作为清洁燃料或作为生命的能源可能很重要，目前对地球岩石圈内的氢气矿点的了解有限，可采资源量和经济资源量为氢气量化程度低。造成这种对氢气缺乏基本认识的主要原因是该系统源于深部地质流体取样的固有挑战，以及缺乏针对潜在富氢气深层基础设施设置。这就引出了一个关键问题，即是否真实存在可与石油相媲美地质氢气系统。我们的研究揭示了几乎纯的地质氢气的高排放率，表明了一种新的可提取一次能源的潜力。

阿布尔奇泽Bulqizë 矿：地质背景和强烈的氢气释放

在阿尔巴尼亚Bulqizë的地下铬铁矿深处，我们进行了勘探活动（图1），1992年首次报道了在620米深处存在易燃气体。发现气体后，2011年、2017年和2023年发生了重大爆炸。（阿尔巴尼亚铬矿发生气体爆炸 3名中国工人被困 (huanqiu.com)）Bulqizë铬铁矿是世界上最大的铬矿开采场之一，总回收量超过2000万吨高品位矿石，平均含35 wt%Cr2O3。该矿位于地拉那东北约40公里处的Bulqizë侏罗纪超基性地块（图S6）内。该地块是巨大的东地中海俯冲带蛇绿岩带的一个组成部分，从土耳其延伸到斯洛文尼亚超过 3000 公里，是地球上最大、保存最完整的海洋岩石圈之一 。其中深度达 6 公里地块占地 370 平方公里，并拥有许多褶皱和断层一致的铬铁矿矿体，嵌入地幔层序 。

我们在矿井的深处观察到非常强烈的氢气释气，特别是在地表以下500至1000米的深度（图1和表1）。矿井走廊中最强烈的气体排放位于构造带，即高度断层区域，在位于L19水平的排水池和径流中可以看到集中和强烈的气泡（图S1和视频S1）。矿井中的水与天然气的来源不同。水从矿井的上层渗出，主要通过竖井排出，而矿井的下层显然是干的，因为矿工报告说，在挖掘最深的矿道期间没有水流入的证据。然而，这并不排除陨石远端水或其他来源的水参与地质构造其他地方或下方的蛇纹石化。来自位于小30 m的几个剧烈冒泡区的水池，我们测得的气体流速为 5 ± 1 L/s（25°C 和 1.031 × 105Pa）。.这种气体由氢气（84.0 vol%） 和 CH4（13.2 vol%），N2浓度较低（2.7 vol%）。因此，氢气的量从这个单一池中排出的最小流量为11吨/年（∼30公斤/天），因为我们没有考虑到许多轻微的气泡点。

表 1.来自不同站点的氢气释气率。

在 Bulqizë 矿游离气相中氢气和 CH4的浓度（N2和 O2浓度见表S1）和其他蛇绿岩主注的渗漏和冒泡池。

*L19层（∼20,000平方米）的面积） 对应于采矿厂足迹的水平投影，而不是氢气释气区，但主要涉及断层带。这些估计数表明了这些地点的规模，即使地表和地下除气地点的面积没有直接可比性。

自 2017 年以来，监测分析技术的进步使整个矿井的氢气流速获得精确测量成为可能。这是通过安装氢气传感器和流量计实现的，这些设备分布在N9 内井（L19 处）通风回路和由 38 个钻孔组成的密集网络（从 L17 延伸到 L21（170 m 深）穿过断层带（图 S2 和 S3）的通风回路上。从 L19 到 L21 的陈旧空气，含有 0.40 vol%氢气，通过 N9 轴以 840 Nm 的流速排出3/分钟。产生这样的结果需要 3.4 Nm3/分钟或 158 吨/年氢气流速。值得注意的是，30 平方米小池本身排放7%氢气的通过N9竖井排出，表明断裂带作为氢气的主要排出口或储层的重要性。钻了38个相互连接的钻孔，以管理氢气的排放从构造带与矿廊和矿体相交。钻孔不断以 4530 Nm3/Hr的速度冲洗的空气。废气内含 1.20 vol%氢气，通过专用管道引导到矿井外，从而提供额外的 54 Nm3/小时（42吨/年）氢气流量。该流速在六年的观察期内持续保持不变。只有矿井排放的空气总量的一小部分被监测为氢气。确实，100 Nm3/秒的空气通过主通风系统在矿井中循环。因此，每年至少200吨氢气从矿井中释放。如此大流量的氢气大大超过了先前报道的蛇绿岩中干渗和高碱性泉水的少数释气率（表1）。值得注意的是，我们报告的氢气释放率是已准确测量的最小值，不是从单点表面测量和扩散通量模型推断的。

揭示氢气藏的存在

升高的氢气产出提出了一个问题，即释气是由于活跃的蛇纹石化产氢，还是化石氢气的释放被困在岩石中。因此，评估该氢气气体的产生和除气中涉及的岩石体积至关重要。我们探索了三种可以解释观察到的氢气流量1.0×10⁸mol/yr，强调断层带、矿山排水量和整个 Bulqizë 地块的各自作用。我们的目标是区分活跃的（现在的）流动和存量（即积累），后者是由古代（可能是化石）和正在进行的氢气生成过程。虽然地质氢气在地下的多个来源被识别，我们的分析集中在与蛇绿岩背景特别相关的三种情景上。

我们的第一种情景既考虑了流体夹杂物的衰减，也考虑了 闭塞在微孔矿物和微裂缝中氢气的释放。在本例中，氢气被认为是蛇纹石化过程早期阶段的古副产品，该过程始于 165 至 160 年前。在第二种情景下，我们假设观察到的氢气矿井内的流动是当今低温蛇纹石化的结果。在第三种情景下，我们假设氢气的产生在采矿作业期间打开先前密封的断层带时发生。在后一种情况下，氢气储存在断层带的裂缝和相连的孔隙度内，其充填流速大大低于目前在矿山内测量的释气率。对于所有三种情况，我们计算了测量矿井中氢气流速的寿命与岩石排水量的函数关系（图2）。我们假设岩石密度为 3000 kg/m3并考虑在3 km深度处的平均温度和静水压力分别为100°C和30 MPa。我们还使用这些参数来估计含有气态 H 2的等效孔隙率。 由于蛇绿岩层的碗形几何形状，我们还考虑了蛇绿岩层的平均深度为 3 公里，最大深度为 6 公里。

图2.地质氢气生产的三种不同情景。

氢气的恒定寿命流量 1.0 × 108mol/yr 作为岩石排水体积和孔隙度的函数，根据三种不同的情景。情景 1：古氢气的衰退被岩石遮挡（深蓝色）;情景2：低温活性蛇纹石化（黄色）;情景 3：发布氢气被困在作为储层的断层带内（绿色）。灰色区域表示作为储层的断层带的估计体积范围。

在情景 1 中，涉及岩石中闭塞的古流体的释放，我们测量了氢气的范围内容从 7.5 ×10⁻⁶至 39.0 ×10⁻⁶摩尔/公斤岩石（平均 = 15.4 × 10⁻⁶摩尔/公斤岩石; n = 9 个样品）在矿山最深处收集的大量 Harzburgite、dunite 和 cHromite 岩石样品中（表 S2 和图 S4）。鉴于在过去的6年中，矿井的氢气流速一直保持不变，这需要 5 至 27 公里的岩石量。如果我们假设矿山是氢气的唯一出口，这意味着构成整个 Bulqizë 地块的蛇绿岩总体积（即 370 平方公里×3公里）将在250至1300年内耗尽。因此，这种情况似乎不太可能，因为在地块内所有氢气在地质时间尺度上会瞬间消失。

在情景 2 中，涉及在水存在下深度主动蛇纹石化过程的直接后果，体积为 1.2 × 10⁻⁴立方公里必须每年更改一次，以考虑观察到的氢气流量 1.0 × 108mol/yr，假设 0.3 mol氢气在低于 100°C 的温度下每公斤蛇纹石化橄榄岩产生。如果我们考虑 1 平方公里的橄榄岩面积，这将导致蛇纹石化前沿每年前进0.15米。值得注意的是，这一速率比 Bulqizë 蛇绿岩的 0.6 毫米/年的区域隆起速率快 250 倍。因此，如果隆起可以忽略不计，并且蛇纹石化前沿的速度随时间保持不变，则反应前沿将在 40,000 年内超过蛇绿岩的最大厚度（6 公里），这意味着氢气到现在为止，生产潜力应该已经耗尽。通过考虑最大矿井排水量为135公里，可以得出类似的结论3，对应矿山有效雨水集水面积45平方公里（图 S7）和厚度为 3 km 的岩石。在这种情况下，整个区域应该仅在 13.5 百万年内完全蛇纹石化，而最终结束释放时间为 15 至 45 百万年。另一个独立的证据排除了当今主动蛇纹石化作为氢气的来源在矿井中监测的来自对观察到的氢气流速与来自海洋岩石圈和前寒武纪大陆地壳的全球估计氢气产量值。后者的范围从 1.0×10¹⁰至 1.2×10¹²mol/yr ，这意味着仅 Bulqizë 矿的贡献就占全球通量的 0.01% 至 1%。到与80,000公里长的和1.06×10⁸平方公里洋脊系统相比，Bulqizë超镁铁质地块的面积实在太小，产生这一数字是不切实际的。因此，由蛇纹石化或任何其他岩石过程产生的氢气必须在储层岩石中长期积累，最现实的是断层带带来的强烈脱气。这个结论并不意味着不会发生衰减（情景 1）或蛇纹石化（情景 2），但仅凭它们并不能解释实际产生的流速。

在情景 3 中，我们认为矿井中测得的流量是由氢气脱气产生的气体只有在产生后才被困在断层带中。当矿井达到0.5至1公里的深度时，该矿在断层带的顶部的几个点上穿孔，释放出储存在这个密封体积中的气体，该密封体积充当多孔储层。根据现场观测，断层带宽~10 m，长度从100 m到1 km不等，最大高度为5 km（密封顶部在矿井中深约500 m）。这些尺寸产生的岩石体积从 0.005至 0.05立方公里不等（由图 2 中的灰色区域表示）。这个高度受损带中存在的裂缝总量产生的总孔隙空间体积是未知的，因此我们假设在阿曼蛇绿岩断层带中测量的等效孔隙度在深度处的平均值为 5% 。因此，断层体积为 0.001.3立方公里孔隙率为 5% 就足以维持6年观察到的氢气流速。考虑到断层体积的估计范围和相同的孔隙度，测得的流速可以维持25至238年。换言之，氢气的总量储存在断层带的储量从5000吨到~50000吨不等。40°C至160°C的温度范围，以及蛇绿岩深处的干燥条件可能阻碍了氢气的消耗通过微生物活动（太热）和非生物氧化还原（太冷）反应，至少在水库的最深处。据报道，在地壳中分离了数十亿年的富氢流体在地下矿山和前寒武纪盾构的钻孔的深裂缝网络中表明，氢气可以在地质时间尺度上积累。

对地质氢气勘探的影响因素

使我们的发现与众不同的是，我们观察到大量通量几乎纯氢气气体。在能源转型的背景下，我们的研究结果可能会对正在进行的新能源资源搜索产生重大影响。我们发现蛇绿岩是来自海洋地壳的地幔岩，被吸附到大陆上，不仅构成了有效的烃源岩，而且具有蕴藏高质量氢气-富气藏。这些地质构造遍布各大洲，不仅仅是地质异常。事实上，世界上许多蛇绿岩都被发现含有释放氢的泉水或氢气渗漏。在这种地质背景下，氢气具有商业开采的潜力，因为它可以集中在断裂带并被捕获。

过去，石油和天然气行业在很大程度上忽视了蛇绿岩，认为它们不适合油气资源开采。然而，这些陆上地层可能为提供了大规模氢气积累潜力，因此构成了  一个有希望的氢气勘探目标。一个关键点是这些地质环境中存在排水系统，例如断层和构造带。因此，全面了解影响氢气迁移途径和积累的构造和岩石物理因素需要指导探索。密封的构型和性质仍不确定，但矿体和断层的缩颈可能起着至关重要的作用。铬铁矿常见于蛇绿岩中，值得注意的是几种已知的氢气-丰富的渗漏位于铬铁矿附近。铬铁矿与氢气排放量之间的可能联系虽然尚未得到确认，但必须确定。最后，在对新兴的地质氢气探索工作中，关键是要同时考虑这些氢气资源的性质——无论是古代（化石）还是最近的——以及对在氢上茁壮成长的深层微生物生态系统的潜在影响 。全面了解这些因素对于降低风险和确保氢气资源的可持续发展至关重要。