这是中国地质科学院学者10月发表于《科学通报》的短篇通讯，报道了我张北地区发现高浓度天然氢气，这意味着我国也可能有大量天然氢气的存储，天然氢气被誉为白氢，是未来绿色能量的重要来源之一，近年来受到广泛重视。相对来说，国内这方面的报道比较少。但考虑到我国的地质特点多样性，符合天然氢气矿藏的地区有很多分布，天然氢气预计会有更多发现。

天然氢作为一种自然生成且可持续的清洁能源，最近引起了广泛关注。与人工生产的灰色、蓝色和绿色氢气相比，天然氢能够从地下储存中持续提取[1]。深部生成的天然氢代表了一种潜在的主要能源来源，假设地质构造中的可回收积累量足够大[2]。目前，天然氢已成为全球寻求清洁能源解决方案的焦点。在马里、美国和澳大利亚的广泛钻探已经导致了连续的勘探发现和超富氢（H₂，高达98%）的独立商业开发[3,4]。与此同时，中国松辽、楚雄、柴达木、上渡和渤海湾盆地的气体钻孔中获得了特定浓度的H₂（高达44%）[4-6]。此外，通过在巴西、澳大利亚、马里、美国和中国各地的沉积盆地进行的土壤气调查，还识别出了各种H₂泄漏点[7,8]。因此，全球范围内天然氢的发现为资源开发提供了充满希望的机会。然而，专门的勘探和大规模异常H₂泄漏的发现明显滞后，限制了对H₂起源、积累和分布的理解。本研究展示了一项比例尺为1:100,000的地球化学调查结果，揭示了中国北方张北盆地存在显著的大规模H₂泄漏。这些发现不同于之前记录的H₂泄漏地点[8]。

张北盆地被归类为位于华北北部边缘的中生代-新生代大陆裂谷盆地（图1a）。随后的构造运动和岩浆活动将其分裂成两个较小的盆地。两组埋藏断层，分别呈NWW和NE走向，控制了晚中生代和新生代期间盆地的形成和演化[9]。早白垩纪活跃的裂谷盆地归因于沿着地壳尺度撕裂断层的软流圈物质上升[10]。相比之下，新生代盆地受到浅层地壳持续伸展的影响，这与中国北方西太平洋板块的撤退有关。该盆地包含早白垩纪湖泊-冲积扇沉积物，以及晚渐新世和新近纪蜿蜒河流沉积物、溢流玄武岩、扇三角洲-湖泊沉积物和冲积扇沉积物。自燕山期以来，盆地内发生了多阶段的岩浆和火山活动。相邻的上渡盆地钻孔中检测到高浓度的二氧化碳（CO₂，97.54%）和一定量的H₂（1.92%）[5]。在本研究中，我们使用JH90便携式土壤气体探测器通过现场地球化学调查测量H₂（最大1000 ppm，1 ppm = 1 cm³/m³ = 10^-6）和CO₂（>1000 ppm）。地震反射、布格重力异常和遥感解释用于描述盆地的断层结构和地层特征，并划定土壤气体测量的目标区域。通过反复实验和使用自制采样设备，我们确定了气体数据收集的采样间隔（<1 km × 0.5 km）和时间（~1分钟）（图1b）。在围绕安固淖盆地的1060平方公里区域内，从深度为1.5米的浅孔中总共获得了1530个H₂和CO₂测量值，显示出异常的H₂和CO₂浓度（图1b,c）。我们的结果显示H₂水平升高，包括76个读数超过1000 ppm，107个读数在500 ppm至1000 ppm之间，以及260个读数在200 ppm至500 ppm之间（图1b）。等高线图显示了各种断层和圆形结构交汇处周围的异常H₂分布（图1b）。同时，土壤气体中检测到了较高浓度的CO₂，最高达到82,000 ppm，272个读数超过5000 ppm（图1c）。此外，对9个气体样品进行气相色谱分析（GB/T 13610-2014）显示氮气（约79.1%）和氧气（约20.5%）占主导地位，其次是CO₂和H₂。H₂含量的实验测试通常与现场结果一致（图1d）；然而，偶尔会超出现场极限，达到最大值3780 ppm（图1d）。这一发现表明盆地内存在大量H₂泄漏。因此，现场土壤气体的地球化学测量表明，张北盆地的H₂泄漏浓度高于在巴西（541 ppm）、澳大利亚（96 ppm）、美国（815 ppm）、马里（600 ppm）和俄罗斯的鲍里索格列布斯克（3000 ppm）发现的浓度[7,8]。然而，这些水平低于在俄罗斯莫斯科（8000 ppm）和中国三水盆地（6948 ppm）观察到的水平（图2a）[7,8]。值得注意的是，在土耳其阿穆尔盆地的土壤气体中检测到了异常高的H₂含量（38.4%），该盆地位于一个蛇绿岩背景下（图2a）[7]。实际上，H₂的高浓度通常在板块俯冲或碰撞带的边缘及其周边盆地以及与大陆裂谷系统相关的裂谷盆地中发现[11]。这些发现突显了全球天然氢的巨大潜力。

确定H₂的来源对于氢积累的研究至关重要。我们在实验室分析了土壤气体样品的氢-碳同位素组成。我们的结果显示，分离出的H₂的氢同位素（δD）值在-462‰到-568‰之间变化（平均值为-504‰）（图2b）。丰富的CO₂（δ¹³Cco₂）和微量CH₄（δ¹³CCH₄）的碳同位素值分别在-14.6‰到-22.5‰和-51.7‰到-59.2‰之间。在本研究中，我们假设土壤气体中异常的H₂浓度源自深层。首先，异常高的H₂含量（图2a）超过了背景土壤H₂值（<5 ppm）[8]。这也排除了与微生物活动和植物覆盖相关的地表过程。其次，研究区域内土壤气体中的超富集H₂浓度伴随着CO₂异常（最高82,000 ppm），这大大超过了典型的土壤CO₂含量。从上渡盆地钻孔中识别出的超富集CO₂库（97.54%）表明存在深层气源[9]。最后，观察到各种断层和圆形结构的交汇处有高H₂含量，形成NE或SN走向的条带（图1b）。这表明深层活动断层可能影响H₂的迁移和泄漏。值得注意的是，张北地区频繁发生大地震（Ms≥6），导致储存的H₂（10,440 ppm）和He（10,370 ppm）大量释放[12]。这表明深层断层的活动触发了深层来源气体的释放。深层来源的高H₂水平主要由铁质岩石的蛇纹石化、地幔脱气和水辐射分解产生[1,4]。

我们对区域地质学和同位素地球化学的分析表明，土壤H₂的潜在来源主要是岩浆脱气和水-岩石相互作用，以及研究区域内有限的水辐射分解（图2b）。首先，多周期拉斑玄武岩和碱性玄武岩在张北地区广泛分布，时间约为33,22.8-22.1 Ma和12.2-9.4 Ma（图1a）[13]。Yb值的增加和La/Yb比的减少表明中国北部新生代岩石圈减薄[13]，引发了频繁的岩浆和火山活动。这一过程可能通过来自地幔的岩浆脱气促进H₂的产生。汉诺巴玄武岩包体中检测到一定量的H₂（5.7%-10.9%）[5]，表明深层地球可能是一个可能的H₂来源。然后，与大规模汉诺巴玄武岩相关的强烈火山活动在岩浆冷却和减压过程中释放了深层挥发物（例如，H₂和CO₂；图1c,d）[8]。我们的δD值（-462‰至-568‰）与经历地幔岩浆脱气的地区的数据一致（图2b）。其他同位素数据，如δ¹³Cco₂（-5.8‰至-6.5‰）、³He/⁴He（3.23×10⁻⁶至3.35×10⁻⁶）和R/Ra（2.31至2.39）也来自相邻上渡的钻孔，表明优选地幔来源[5]。其次，我们在野外露头中发现了一系列太古代辉石橄榄岩和新生代碱性玄武岩。广泛发育的基本到超基性岩石可能有助于在蛇纹石化过程中产生H₂。此外，研究区的航空磁异常表明存在前寒武纪富含铁的基底岩石（例如，黑云母片麻岩和铁矿）在中国北部[14]。富含铁的岩石的水合作用加上H₂O还原也可能负责H₂的产生[15]，正如在堪萨斯州观察到的那样[16]。此外，浅埋藏的太古代富含铁的基底岩石（最大深度1800米）在张北盆地容易受到水-岩石相互作用的影响，导致H₂含量增加[4]。最后，我们的δD值与水辐射分解地区的数据重叠（图2b）[16]。

研究区域内众多二叠纪-侏罗纪花岗岩的存在（图1a）表明，水辐射分解可能是H₂的一个潜在来源。因此，考虑到同位素不确定性和地质复杂性，进一步研究以阐明H₂的起源是必要的[8]。本研究表明，各种活动断层和广泛的溢流玄武岩为H₂的迁移和积累提供了条件。例如，Ulanhada-Gaowusu断层等NWW走向的深层活动断层在晚吕梁时期具有多阶段岩浆分布的特点（图1b）。相比之下，与汉诺巴玄武岩同时发育的NE走向次级断层出现在喜马拉雅时期（图1b）。这些深层活动断层穿过太古代地层，表明它们延伸到晚中生代盆地的基底[5]。这促进了深层H₂的长距离迁移和沿深层断层的异常泄漏，随后通过次级断层分散到盆地储层中（图1b）。此外，自渐新世以来，张北地区频繁发生地震，导致各种断层失去密封并释放高水平的H₂[16]。因此，深层活动断层使深层H₂能够迁移到盆地中，而次级断层则将H₂传输到适当的储层中。此外，在暴露的玄武岩区域观察到低含量的H₂（图1a,b），这表明多阶段紧密玄武岩可能具有封盖效应。此外，早白垩世和晚新生代时期的湖相和河流相砂岩具有通过浅层断层二次传输储存H₂的潜力。具有砂岩-泥岩-煤或砂岩-玄武岩组合的层状结构可能作为H₂储存的有效储盖组合，类似于在马里发现的那些（例如，砂岩-辉绿岩-碳酸盐组合）[3]。因此，我们认为紧密玄武岩可以作为H₂储存的优质盖岩。尽管自由氢广泛存在于沉积储层中，但含水储层中的溶解氢应受到足够的重视（例如，马里）[3]。一般来说，纯水中H₂的溶解度随压力显著增加[17]，过量的H₂可能会在饱和时形成水下气藏。因此，溶解氢可能潜在地存在于封闭的水储层中。总之，现场地球化学调查证实了张北盆地大规模天然氢的异常泄漏和空间分布。高浓度的H₂泄漏可能表明存在大量积累或持续供应的深层H₂。异常的H₂泄漏被认为主要来源于初级岩浆脱气和蛇纹石化，有限的水辐射分解。此外，深层活动断层和广泛的多阶段玄武岩有助于H₂的迁移和分布。溶解氢可能潜在地发生在封闭的水储层中。然而，H₂储层的形成和识别仍然是一个挑战。因此，对天然氢的广泛发现和积累进行专门的勘探和研究仍处于起步阶段，特别是在评估其商业开发潜力方面。这一进展在识别大规模H₂泄漏和分布方面强调了中国天然氢开发的重要性。

我们在实地调查和实验工作中得到了协助。我们衷心感谢《科学通报》副主编以及四位匿名审稿人的详细评论和建设性批评，这些都极大地提高了本文的质量。