随着全球从化石燃料向更加可持续的低碳能源转型, 氢能正成为未来能源结构中的重要组成部分^[1]。氢气作为能量密度极高的物质, 燃烧后仅产生无任何环境影响的水蒸汽, 既是化学工业的重要原料, 也可以为运输行业提供能源来源^{[2, 3]}。尽管目前大部分氢气通过煤炭、石油、天然气等化石燃料制取^[4], 但利用太阳能、风能等清洁可再生能源作为电力来源进行电解水制氢的低碳氢生产方式正受到越来越广泛的关注, 有望在未来能源系统中发挥重要作用^{[5, 6]}。天然氢这一潜在新兴一次能源的发现及引发的天然氢研究和勘查开发热潮, 可能会进一步巩固氢能在未来低碳经济中的重要作用^{[3, 7, 8]}。关于天然氢的第一次科学讨论可以追溯至1888年, 当时元素周期表之父德米特里· 门捷列夫报告称在乌克兰的一座煤矿的裂隙中发现了氢气渗漏现象^[9]。

1987年在非洲马里的Bourakebougou钻探寻找水源时的意外爆炸, 使加拿大Petroma公司(后更名为Hydroma)通过2011年后的大量钻探工作发现了纯度高达98%的氢气, 并于2012年实现了商业开采和小规模发电, 但由于安全和政治问题导致其产量有限^{[10, 11]}。据不完全统计, 全球有20余家科研机构和40余家企业参与其中, 使得近年来天然氢勘查开发格局发生了巨大变化, 天然氢这一新兴能源行业正在进入快速成长阶段, 在生氢机制和成藏机理研究、勘查发现、试验性开发等方面呈“ 井喷式” 发展^[12]。

本文在系统跟踪全球天然氢勘查开发最新进展的基础上, 从天然氢已成为全球地质与能源领域关注热点、多成因机制下资源调查发现呈点多面广特征、欧美主要国家持续投入带动全球发展、氢氦地质资源具有“ 兼探共采” 潜力等方面对全球天然氢的勘查开发和发展趋势进行了较为全面的分析总结, 并结合我国天然氢资源调查和研究情况从保障国家能源安全、加强能源资源储备能力、实现双碳目标的角度为我国开展全国性天然氢资源调查评价工作提出了建议。

如前文所述, 尽管2012年就在马里实现了对天然氢资源的开发利用, 但以“ natural hydrogen” 为主题词对Web of Science数据库的检索发现, 该领域总体发文量不高, 从2020年才开始呈较明显的上升趋势。其中, 高被引论文主要为Zgonnik(现为美国Natural Hydrogen Energy公司首席执行官)2020年在国际地学权威期刊《Earth-Science Reviews》上发表的综述文章“ The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review” ^[9], 被引用量超过130次, 该文章结合500多篇科学出版物的数据和观点对天然氢分类和成因、全球氢气总量估算、氢气与自然现象等主要方面进行了全面论述。

随着部分国家研究机构、企业等对天然氢勘查开发的关注, 2022年以来国际知名期刊《Science》《Nature》先后刊登天然氢类论文^{[13, 14, 15]}。其中, 法国和阿尔巴尼亚科学家对位于阿尔巴尼亚Tirana东北约40 km处侏罗纪超镁铁质岩体内的Bulqizë 铬铁矿强烈氢气渗漏现象开展了为期6 a的观测, 发现该矿山每年至少排出200 t氢气^[15]。尽管无法证实氢气来自于岩石内圈闭的古流体还是超镁铁质岩的蛇纹石化, 但能够初步证实存在一个深至侏罗纪蛇绿岩地块的断层气藏^[15]。2023年, 天然氢入选《Science》期刊年度十大科学突破之一。

2023年11月底, 在澳大利亚召开了第三届全球天然氢峰会, 在新冠肺炎疫情后首次线下全面展示天然氢最新进展。来自30多个国家的300余名与会者就政策法律、科学研究、资源勘查、设备研发等方面展开研讨。如在法律法规层面: 美国、澳大利亚、马里、摩洛哥、法国、西班牙、德国等国家已修改或正在修改相关法律法规^[16], 加强对天然氢勘查开发的监管措施, 欧盟正在积极将天然氢纳入其正在推动的脱碳能源组合。在勘探许可审批方面: 继马里、澳大利亚和美国后, 法国目前已提交6份天然氢勘探许可申请, 且1份已获批, 东欧部分国家也已开放申请。

天然氢也被称为地质氢、白氢或金氢, 主要指广泛分布在陆壳、洋壳、火山热液等地质环境中, 由生物或非生物作用形成的地质成因可再生氢气资源^{[17, 18]}。目前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、水的辐解、有机生物与非生物分解等^{[19, 20, 21]}, 其中蛇纹石化、地球深部脱气和水的辐解被认为是生氢的主要机制, 因此勘探有利区主要为裂谷发育区、蛇绿岩发育区以及断裂发育的前寒武系富铁地层^{[22, 23, 24]}。实际观察也确实证实了天然氢在不同地质环境中的赋存^{[10, 16, 25, 26, 27]}, 包括: 洋中脊^{[28, 29, 30]}; 板块汇聚边缘蛇绿岩带, 如美国、阿曼、新喀里多尼亚、土耳其、菲律宾和马来西亚^{[31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38]}; 以前寒武纪大陆基底为代表的构造稳定区, 如美国、纳米比亚、马里、俄罗斯、芬兰、澳大利亚和巴西^{[10, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45]}; 以岩浆及温泉活动区为代表的构造活动带, 如美国、意大利、冰岛和吉布提^{[46, 47, 48]}。目前天然氢的发现以地表“ 仙女圈” 现象的显示、已有钻井测井资料的氢气异常显示、土壤气体测量为主要手段^{[49, 50]}, 但进一步的资源潜力评估需要多种地球物理、地球化学勘探方法与钻探的综合应用^{[16, 18]}。

此外, 尽管对天然氢的成因机制和成藏机理存在争论, 但这并不影响对该类能源资源的勘查开发研究, 正如油气开发远早于油气成藏系统研究一样^[14]。目前, 针对天然氢成藏系统的研究多借鉴油气研究的经验(图1)^[23], 结合天然氢多成因机制、多成藏地质条件、多赋存形态、易与含氧元素矿物和微生物反应、易于挥发扩散、低溶解度等特点, 从“ 生储盖圈运保” 6个方面开展分析^[51], 通过构建成藏系统模型, 促进更高效、更有效的远景区和有利目标区圈定以及资源量和储量评估^[18]。如Boreham等^[4]利用油气系统概念结合澳大利亚天然氢资源调查情况, 建立了可用于指导不同常规和非常规油气地质环境条件下天然氢勘探的源运聚系统^[21]。

图1

Fig.1

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	图1 天然氢成藏系统与油气成藏系统对比[23]Fig.1 Comparison between hydrogen accumulation system and oil and gas accumulation system

近期进展跟踪表明, 美国地质调查局正在开发天然氢资源潜力预测模型和成藏系统模型, 并计划发布全球天然氢资源潜力分布图和美国天然氢勘探开发有利区分布图^{[52, 53, 54]}。澳大利亚地球科学局对历史钻井样品的氢气同位素分析表明: 横跨南澳大利亚州、塔斯马尼亚州、西澳大利亚州和北领地的前寒武纪基底岩石之上的氢气摩尔浓度大于10%, 且主要为非生物成因; 根据蛇纹石化和水的辐解作用估算认为, 澳大利亚陆上1 km深度内的年氢气资源潜力为(1.6~58)× 10⁶ m^{3[4, 55]}。法国国家科学研究中心等在阿尔巴尼亚和科索沃开展的地球化学调查, 在迪纳拉山脉附近的多处泉水中检测到较高含量氢气, 且主要与氮气和甲烷气共存, 综合同位素分析结果和假设的地温梯度认为, 该区域的氢气可能来自2 km深度处蛇绿岩地块的蛇纹石化^[2]。北京大学等在三水盆地的土壤气体测量调查, 发现了可能来自多个断层带的异常高浓度氢气显示, 对深部氢气成因的分析认为, 可能来自地幔的岩浆脱气或地壳的镁铁质-超镁铁质岩蛇纹石化^[56]。中国矿业大学(北京)等指出松辽盆地大陆科学钻探工程在松科二井的钻探过程中探测到明显的氢气异常, 同位素分析表明氢气为壳源和幔源, 表明了氢气成因的复杂性^[57]。

法国作为最早开始天然氢勘查开发研究的国家之一, 在比利牛斯前陆、洛林地区、巴黎盆地等证实了天然氢的存在^{[22, 58, 59]}。2022年4月在法律上正式承认天然氢为一种能源资源, 并开放独家研究许可证或勘探许可证申请, 如TBH2 Aquitaine公司2023年12月首个获得为期5 a的独家研究许可证, 以调查比利牛斯山— 大西洋省225 km²区域内的天然氢、氦气等相关资源的赋存情况。但需要注意的是, 法国天然氢勘探许可证的审批过程较为漫长, 预计需要18个月的时间。法国总统马克龙在2023年12月纪念“ 法国2030” 投资计划实施两周年的活动中提出该计划将提供大量资金支持天然氢研究。法国石油研究院2024年4月受法国能源与气候总局委托组织相关领域专家开展本国天然氢资源潜力评估, 具体包括总结控制天然氢生成的物理化学机制、确定法国陆上和海上的勘查开发有利区、以及确定可能的生产方法等^[60]。该机构还牵头由国际能源署氢技术合作计划发起的“ 天然氢任务” , 旨在提高人们对天然氢这一新能源资源的研究和行业发展现状的认识, 涵盖科学、技术、经济、法律和环境等几乎所有领域, 具体包括提供如何评估天然氢资源潜力的科学指南、帮助政府和资助机构制定研究计划、提供如何开发利用天然氢的技术指南、开发储量经济评价方法、提供有关审批天然氢开发利用的法律指南、提供有关天然氢开发利用风险的信息等。

相比于法国, 美国最初对天然氢的关注和投入程度较低, 但近年来得到明显改善, 如该国参议院于2024年2月举行了针对天然氢的听证会^[61], 邀请了美国能源部高级研究计划局主任、美国地质调查局天然氢项目负责人和Koloma公司首席执行官, 呈现出“ 政府加强关注、联邦机构积极推动、企业寻求突破” 的发展态势。其中, 美国能源部2024年2月宣布为16个项目提供2 000万美元资助, 用于开发以最低成本和环境影响通过人为刺激加速地下氢气生成的方法^[62]; 美国地质调查局则根据自身职能专注于天然氢气藏的勘探, 除了前面提到的正在开发天然氢资源潜力预测模型和成藏系统模型, 以及计划发布全球天然氢资源潜力分布图和美国天然氢勘探开发有利区分布图外, 2024年2月还宣布与科罗拉多矿业学院设立由由多家全球知名油气、固体矿产企业及天然氢初创企业参与资助的天然氢合作研究计划; 美国财政部和税务局2023年12月根据《通胀削减法案》发布了清洁氢气生产税收抵免指南, 提供了为期10 a的激励措施, 最高抵免额度达3美元/kg氢气, 但天然氢尚不在免税范围内, 美国能源部计划2024年年底前更新“ 温室气体、排放管控和运输中能源使用(GREET)” 模型, 以便天然氢生产企业今后申请免税; 美国多家企业已初步形成天然氢勘探开发规模, 如Natural Hydrogen Energy公司2019年在美国内布拉斯加州钻探了全球第一口天然氢专探井并成功钻获较高含量氢气流, Koloma公司在继2023年获得来自突破能源基金等的9 630万美元融资后于2024年2月又获得多家风投基金的2.46亿美元投资用于天然氢的勘查开发, Eden GeoPower公司2023年9月与阿曼能源与矿产部签署了一份谅解备忘录, 以在阿曼Samail蛇绿岩内富含橄榄岩的区域利用其已申请专利的“ 电储层刺激” 技术开展地质氢的人工刺激开发示范^[63]。

除法国、澳大利亚、美国、西班牙等较早就开始关注天然氢的国家持续发力外, 哥伦比亚、巴西、玻利维亚、摩洛哥、阿曼等国也开始关注和积极参与天然氢的勘查开发。哥伦比亚政府为促进该国的能源转型和能源结构多样化, 在批准通过的2022— 2026年国家发展计划中对作为非常规可再生能源的天然氢的开发给予了税费优惠。上述法律框架还授权哥伦比亚矿业与能源部审批天然氢勘查开发申请, 同时授权该部门负责制定上述申请必须遵循的准则、要求以及技术、经济、财务和法律条件^[64]。哥伦比亚国立大学等也首次在哥伦比亚的蛇绿岩区域发现天然氢的地表显示, 首先利用遥感调查在库卡-帕迪亚山谷发现了植被异常并圈定了天然氢勘查远景区, 然后利用土壤气体测量确定了氢气的地表逸出, 最后分析认为氢气可能来源于西科迪勒拉山脉和北科迪勒拉山脉下伏深部蛇绿岩或侵入岩等富铁岩石与大气降水的反应^[65]。此外, 巴西国家石油公司2023年10月在巴伊亚州开始天然氢研究工作, 计划投入390万美元, 并将进一步扩大资源调查范围^[66]。

氦气作为高科技产业无可替代的关键元素, 且资源分布相对集中, 已成为我国对外依存度极高并可能严重制约高科技产业发展创新的重要战略资源之一^{[67, 68]}。相较天然氢, 对氦气成因机制和成藏机理的研究更为系统深入, 其来源主要包括火山喷发和岩石风化等作用释放的大气源氦、壳内岩石矿物所含放射性元素衰变产生的壳源氦, 以及通过脱气作用释放到壳内沉积储层中的赋存于地幔的地球深部原始氦^{[69, 70]}。

现有研究表明: 在地质环境中, 氢气和氦气存在共存的可能^{[71, 72, 73, 74]}。一是氦气不能单独运移, 需要氢气、烃类气体、氮气和二氧化碳等作为载气; 二是两者可能具有相同来源, 如深部脱气、水的辐解/放射性元素衰变, 但也存在来源不同而在运移过程中发生混合的可能。因此, 有关国家正在部署或开展氢氦地质资源“ 兼探共采” 的可行性研究与示范工作, 如美国地质调查局Mendenhall博士后奖学金计划2023年设置相关课题, 旨在加强对近地表环境中氢气与惰性气体(尤其是氦气)相关性的认识, 从而促进对美国氢氦地质资源的更有效勘探开发^[75]; Cheng等^[76]2023年在《Nature》期刊发表的论文指出, 针对美国Williston克拉通内盆地氦气-氮气共存的模型研究表明该区域也可能赋存有大量氢气, 因为产生氦气的放射性机制也可通过分解水生成氢气。

目前的氢氦共同发现多出于偶然, 如法国45-8能源公司在其氦气和二氧化碳的资源勘探过程中发现了氢气赋存的可能^[77], 澳大利亚Gold Hydrogen公司在其氢气钻探验证过程中发现了高含量氦气显示。其中, Gold Hydrogen公司利用Ramsay 1和Ramsay 2两口天然氢专探井在澳大利亚南部约克半岛钻获高浓度氢气和氦气异常, 并初步评估项目区域的氢气和氦气远景资源量分别为1.31× 10⁶ t 和11.6× 10⁸ m^3[78]。2024年4月, Gold Hydrogen公司完成对Ramsay 2井的进一步试井, 证实在该井250 m至1 000 m深度区间的7个层位存在天然氢产出, 在531 m深度处测得纯度高达95.8%的氢气含量^[79]。澳大利亚HyTerra公司在美国堪萨斯州的Nemaha项目也钻获高含量氢气和氦气, 评估氢气和氦气远景资源量分别为28.4× 10⁸ m³和0.13× 10⁸ m^3[80]。

天然氢作为地质作用的产物, 深入研究其来源、成因、分布对于认识地球内部、地壳、水圈及生物圈的结构、演化和动态变化非常关键, 是开展地球系统科学研究不可或缺的重要内容, 是保障国家能源安全和加强能源资源储备能力以及实现双碳目标极具潜力的重要基础。

目前, 全球天然氢资源勘探开发已进入快速发展阶段, 据不完全统计已有美国、加拿大、巴西、哥伦比亚、玻利维亚、法国、德国、西班牙、俄罗斯、中国、马来西亚、阿曼、澳大利亚、马里、摩洛哥等涵盖各大洲的数十个国家参与其中。尽管我国针对天然氢的资源调查和科学研究刚刚起步, 但除前文所述在我国三水盆地和松辽盆地发现氢气异常显示外, 孟庆强等^[81]早在2014年就通过对济阳坳陷构造活动区内天然气中氢气含量及同位素组成的分析测试, 探讨了该区域的地下氢气赋存和可能的成因。近年开展的分析研究工作结合国外天然氢资源勘查与地质理论研究取得的进展, 提出了我国的天然氢资源调查方向, 如孟庆强等^[82]认为控制我国含油气盆地分布的板块碰撞带和俯冲带及其周缘具备高含量氢气发育和保存的地质条件; 窦立荣等^[24]认为我国已发现的高含量氢气点与富氢地质条件匹配度高, 郯庐断裂带及周缘裂陷盆地区、阿尔金断裂带及两侧盆地区、三江构造带— 龙门山断裂带及周缘盆地区是天然氢成藏有利区带。

综上所述, 我国应加快部署开展全国性天然氢资源调查评价工作, 充分发挥政府、能源和地质主管部门、能源矿产企业、高校、科研院所等的优势, 形成合力, 加大天然氢勘查开发理论研究、已有资料的汇总分析, 重点区域的普查与详查、资源基地的建设与开发示范、新矿种的申报与审批、相关探矿权、采矿权、税收抵免和补贴政策的研究等。具体来说, 应开展天然氢生成有利地质条件分布图编制工作, 如蛇绿岩带、富铁、铀、钍和钾的岩浆岩和沉积岩带、有利水岩相互作用的含水层带、有利氢气运移的断裂带、已发现的天然氢地表显示(异常)等, 选择有利区开展天然氢资源调查评价示范, 构建遥感、地球化学、地震和重磁、钻探、室内分析测试等一体化勘查技术体系, 在全球探索未来地质能源资源行列中占据制高点。

(责任编辑: 常艳)