全球天然氢分布成因和勘探
一个世纪以前，已经有关于天然气开采过程中伴生氢气的观测，但氢的含量变化很大(从1ppm到10%不等)。但直到20世纪70年代末在大洋中脊发现富含氢气的流体之后，科学家才开始着手系统研究天然氢的起源，先后经历从海洋到陆地作业再到定点观测三个阶段，但对其形成机理不如甲烷、氮气和一氧化碳那样认识全面。“寻找天然氢源的热潮”于2023年12月被《科学》（Science）杂志列为2023年度十大科学突破之一。天然氢是一种自然生成的无碳、低成本氢源，产量规模潜力大，具备颠覆传统制氢方式的可能性。传统氢能生产方式以能源资源为原料、以设备生产为主要方式，天然氢以地质勘探为依托，通过对广泛存在于地球深处的氢进行探测与开发。全球已发现的天然氢地面逸出量估算值为1.5-3.1千万吨/年，相当于200-400吉瓦电解槽制氢规模。目前，非洲马里纯度约98%的天然氢矿，可以每公斤50美分的价格开采，西班牙比利牛斯山麓开采的天然氢预计生产成本为50-70美分/公斤。
天然氢储量及分布
当前，欧亚、西非及美国是天然氢的主要发现区域，在间歇泉、温泉、煤井、油气井等中都发现过富氢气体，其含量在不同地质环境中在1%-100%之间。截至目前，全球浓度超过10%的天然氢发现案例已超过300例，集中于美国、非洲马里、欧洲、菲律宾等30多个国家及区域，估算地面逸出量达到2千万吨/年以上。新的天然氢矿藏也不断被发现，2023年7月，法国洛林矿盆地发现了高浓度的巨量天然氢，总储量可能高达4600万吨，是欧洲迄今为止发现的最大潜在天然氢；10月，澳大利亚进行首次试钻得到了浓度73%的天然氢。由于我国及其他一些国家和地区尚未展开天然氢的系统检测和资源量计算，实际天然氢资源储量应该更为可观。
图丨全球已发现的天然氢地点
天然氢形成机理
地壳辐射裂解水、水岩反应和深层脱气等非生物成因被认为是天然氢的主要形成机理。天然氢成因类型众多，经归纳总结，主要可分为两大类划分方式，一是划分为原生成因氢源和次生成因氢源；另一种划分为非生物成因氢源和生物成因氢源，其中非生物成因氢源得到学术界广泛认同，包括水岩反应、地幔脱气、水的辐解。水岩反应包括蛇纹石化作用、水与岩石表面反应和矿物中羟基反应，其中蛇纹石化作用研究最多，即水与富含铁的岩石发生反应产生氢气。深层脱气理论认为，氢气来自地球更深处的地幔或地核，氢气沿着板块边界和断层缝隙上升到地表形成。当前高质量天然氢（体积分数大于10%）主要发育于蛇绿岩带、裂谷和前寒武系富铁地层。据已有研究，探测深度增加，氢气浓度也逐渐升高。当探测深度达1093米，氢气浓度为15%；探测深度达1250米时，氢气浓度增加到20%；探测深度达3000米时，氢气浓度可能增加到98%。水的放射性分解也被认为是氢的重要来源，即地壳深层大量铀、钍等放射性元素衰变时释放射线，其能量将水分子分解产生氢气。通过辐射分解产生氢气只需要水和放射源，因此水的辐解过程被认为可以在地球上广泛发生。
与传统油气成藏系统相似，天然氢的形成也需要“生、储、盖、圈、运、保”等要素条件，并且传统油气储藏层可储集天然氢。天然氢的成藏条件与传统油气资源相似，主要为富铁岩石、水以及地球深部存储的原始氢，在深层活动断层和火山活动影响下向上运移，积聚于沉积盆地发育的砂岩和碳酸盐岩储层中，形成与传统油气藏储层相似的储集天然氢的条件。此外，现有研究认为当天然氢作为伴生气与其他气体共存时，传统的盖层（泥页岩、膏岩等）具备对天然氢的封盖能力，所以在一些油气井中会检测到天然氢气的存在，而当天然氢气含量过高（如马里氢气体积分数大于95%）时，其对盖层的要求就更苛刻。与油气不同的是，天然氢可以在更长的时间范围内和更宽的温度范围内连续产生，可视为一种天然的可再生能源。
图丨天然氢成藏模式
天然氢勘探技术
通常氢气与甲烷和氦气等其他气体一起存在于地下，天然氢的勘探与化石能源勘探相似。现有研究正在利用遥感技术、地球化学、地球物理和岩石物理学技术制定对天然氢多样化勘探策略。天然氢的地表迹象大部分表现为有轻微圆形、椭圆形洼地，即“仙女圈”。目前，业界在进行天然氢资源勘探时，首先，利用遥感技术再加上样品采集来研究地表氢气渗漏标志的特征。其次，为了提高发现储层内和密闭盖层下面大型的天然氢资源的机会，选择应用地球化学、地球物理和岩石物理学技术，识别基底上面的沉积物厚度及岩浆岩侵入体，如在澳大利亚South Nicholson盆地，在钻井中发现有高浓度氢气逸出的区域，利用重力异常、磁异常和深部地震资料进行综合分析，绘制地壳构造图，利用大地电磁数据解释了蚀变地壳的流体通道，判定生氢最有利的区域。
全球天然氢分布成因和勘探
目前，非洲马里、法国、美国和澳大利亚正在积极开展天然氢勘探开发，并取得实际进展。非洲马里建成全球首个商业化天然氢发电站，通过井口采集天然氢作为燃料为附近村落供电，自从钻孔开始到开采氢气十年来，浓度约98%的天然氢的逸出无任何减少。自2021年以来，澳大利亚已提交了35份对天然氢的勘探申请，澳美两国企业在美国内布拉斯加州开发全球首口氢气专探井HoartyNE3并成功钻取氢气流；澳洲在约克半岛部署的氢气专探井Ramsay1完成钻探，在地下250米检测到浓度为73.3%的天然氢。此外，西班牙、法国、韩国也纷纷部署勘探和开采计划。
我国具备寻找天然氢资源的地质条件，目前可初步圈定3个天然氢成藏有利带。我国由多个板块拼合而成，经历了多期俯冲与碰撞构造运动，在板块缝合带处发育多期蛇绿岩，是天然氢的重要来源。同时，我国发育有多条规模巨大、向地下深切且长期活跃的区域性深大断裂，为深源氢气的运移提供了良好的通道。此外，我国的华夏裂谷系和汾渭裂谷系与北美裂谷系具有相似的地质背景，是天然氢气勘探的潜力区之一。目前已有研究表明，我国可初步圈定3个天然氢成藏有利带：即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（怒江、澜沧江、金沙江）—龙门山断裂带及周缘盆地区。在郯庐断裂带及周缘裂陷盆地区中的松辽盆地的个别钻井中发现氢气含量高达85.54%；在柴达木盆地三湖地区2号井的岩屑罐顶气中，检测到了含量最高可达99%的氢气。
图丨我国富氢构造类型及天然氢气显示
天然氢开发主体以初创型企业为主，利用社会融资、政府补助等途径获取项目启动资金，已披露的单个项目支持资金在千万美元左右。2018年以来，美国、澳大利亚等国家相继成立相关公司，开展天然氢勘探与开采工作。美国拨款2000万美元用于深岩中天然氢技术研发，2021年成立初创型Koloma公司，已获得9,100美元资金实现美国中西部天然氢开采。澳大利亚企业HyTerra计划募资2,000万美元用于天然氢井钻探、地震研究等。法国政府拟增加天然氢投资计划。我国具备寻找天然氢资源的地质条件，但真正把天然氢作为能源进行的调查研究工作尚停留在实验室和文献阶段。与国外相比，我国对于天然氢勘探及开发工作较少，目前对氢气的研究大多是对把氢作为监测自然环境、地震和化石资源方面的分散研究，尚无对天然氢勘探及开发体系化研究与部署。中国氢能联盟研究院持续跟踪国内天然氢的发展，并与相关初创团队开展文献交流合作，支持其开展初步勘探。
天然氢是一种自然生成的无碳氢源，其可持续性和普遍性有待学界进一步深入研究。通过汇总全球已发现的天然氢数据以及勘探活动，业界有望基于天然氢的“生产-迁移-积累”机制制定初步的勘探指南。作为一门新兴科学，在完全理解“氢系统”之前，天然氢有可能重复石油和天然气开采的历程——石油和天然气勘探始于19世纪中叶，并迅速取得了成功。但近百年后，学界才系统理解油气的有机来源，并逐步对油气系统的功能（生成、运移、聚集、蚀变和渗漏）有了全面的认识。
天然氢发展展望
天然氢有望颠覆将氢视为能源载体的认知，加速氢能成为独立的能源品类，为全球能源转型提供新的战略契机。相比于现有氢源，天然氢清洁程度更高、开发成本更低，一旦天然氢的持续性得到进一步验证，除了开采成本外，不需要任何能量来生产和转换，可能比当前传统制取方式都便宜，有望推动全产业链成本将从源头降低。考虑到目前影响氢能发展的关键在于成本与技术，天然氢的大规模开发有望从源头上解决用氢成本高、氢能技术研发创新不足等问题。即使短期内勘探和开采水平有限，通过其机理研究将拓展出如橄榄石水化等零碳、低成本制氢方式。此外，通过对天然氢系统的研究，尤其是储氢层的探索，有助于拓展地下大规模、低成本储氢设施，进一步降低分销成本，加速氢能的规模化应用。
但是，天然氢大规模勘测开发尚存在一系列挑战：勘探技术以及气体检测分析技术尚不成熟，缺乏新型完井技术。一是氢气无色、无味，且自身具有质量轻，溶解度小，极易挥发迁移等特点，同时由于在自然系统中，其产生和消耗是紧密耦合的，导致其浓度较低。学界研究均指向大规模的天然氢被封存在地球深处，常规地质勘探或化石能源开采尚未涉及，需要研究新型完井技术。二是氢在上述活动中气体样品的检测和技术分析过程缺位，气相色谱法常用氢气作为载气，且检出限一般≥1ppm，仅有少数用于自然科学的分析仪器在其设计中包括氢传感器，有可能低估当前天然氢的逸出统计。三是早期勘探企业面临不确定性高，需要风险资本支持。天然氢的资源类型定位、管理方法、管理部门等尚不明确，相关项目面临审批难、落地后存在因政策变动而终止运营的风险。作为一种新兴技术，天然氢融资结构与其他能源和大宗商品项目融资类似，具有勘探前景及其经济可行性的不确定性。
