全球天然氫分布成因和勘探

 一個世紀以前，已經(jīng)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(fā)現(xiàn)富含氫氣的流體之后，科學家才開始著手系統(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(chǎn)量規(guī)模潛力大，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、以設備生產(chǎn)為主要方式，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行探測與開發(fā)。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，相當于200-400吉瓦電解槽制氫規(guī)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)區(qū)域，在間歇泉、溫泉、煤井、油氣井等中都發(fā)現(xiàn)過富氫氣體，其含量在不同地質(zhì)環(huán)境中在1%-100%之間。截至目前，全球濃度超過10%的天然氫發(fā)現(xiàn)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(qū)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(fā)現(xiàn)，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，總儲量可能高達4600萬噸，是歐洲迄今為止發(fā)現(xiàn)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(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該更為可觀。

圖丨全球已發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(fā)生反應產(chǎn)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(zhì)量天然氫（體積分數(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。據(jù)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(chǎn)生氫氣。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，天然氫的形成也需要“生、儲、蓋、圈、運、保”等要素條件，并且傳統(tǒng)油氣儲藏層可儲集天然氫。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、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(fā)育的砂巖和碳酸鹽巖儲層中，形成與傳統(tǒng)油氣藏儲層相似的儲集天然氫的條件。此外，現(xiàn)有研究認為當天然氫作為伴生氣與其他氣體共存時，傳統(tǒng)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(shù)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(nèi)和更寬的溫度范圍內(nèi)連續(xù)產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)為有輕微圓形、橢圓形洼地，即“仙女圈”。目前，業(yè)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(fā)現(xiàn)儲層內(nèi)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(fā)現(xiàn)有高濃度氫氣逸出的區(qū)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(shù)據(jù)解釋了蝕變地殼的流體通道，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，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(fā)，并取得實際進展。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，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(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，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(zhì)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(jīng)歷了多期俯沖與碰撞構造運動，在板塊縫合帶處發(fā)育多期蛇綠巖，是天然氫的重要來源。同時，我國發(fā)育有多條規(guī)模巨大、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。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(zhì)背景，是天然氫氣勘探的潛力區(qū)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(qū)、阿爾金斷裂帶及兩側盆地區(qū)、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(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85.54%；在柴達木盆地三湖地區(qū)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(fā)主體以初創(chuàng)型企業(yè)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(fā)，2021年成立初創(chuàng)型Koloma公司，已獲得9,100美元資金實現(xiàn)美國中西部天然氫開采。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。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(zhì)條件，但真正把天然氫作為能源進行的調(diào)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(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、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(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，并與相關初創(chuàng)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(xù)性和普遍性有待學界進一步深入研究。通過匯總全球已發(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(tǒng)”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(tǒng)理解油氣的有機來源，并逐步對油氣系統(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)型提供新的戰(zhàn)略契機。相比于現(xiàn)有氫源，天然氫清潔程度更高、開發(fā)成本更低，一旦天然氫的持續(xù)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(chǎn)和轉(zhuǎn)換，可能比當前傳統(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?？紤]到目前影響氫能發(fā)展的關鍵在于成本與技術，天然氫的大規(guī)模開發(fā)有望從源頭上解決用氫成本高、氫能技術研發(fā)創(chuàng)新不足等問題。即使短期內(nèi)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(tǒng)的研究，尤其是儲氫層的探索，有助于拓展地下大規(guī)模、低成本儲氫設施，進一步降低分銷成本，加速氫能的規(guī)?；瘧?。

但是，天然氫大規(guī)?？睖y開發(fā)尚存在一系列挑戰(zhàn)：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(zhì)量輕，溶解度小，極易揮發(fā)遷移等特點，同時由于在自然系統(tǒng)中，其產(chǎn)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(guī)模的天然氫被封存在地球深處，常規(guī)地質(zhì)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(shù)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(tǒng)計。三是早期勘探企業(yè)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(jīng)濟可行性的不確定性。