【摘要】本文简要介绍了氢气的基本性质与应用、能源转型中的氢能、氢的主要来源、天然氢形成机理与赋存状态、全球天然氢的发现情况、天然氢资源量估计、全球天然氢能勘探开发研究现状、天然氢能的勘探开发方法、中国天然氢能勘探前景等内容。

氢作为元素周期表中的第一个元素，是自然界中存在最多和来源最广泛的元素。氢气是氢元素形成的一种单质，化学式为H2，分子量为2. 01588。常温常压下氢气是一种无色、无味、易挥发、极易燃烧的气体。氢气的密度为0.089g /L（101.325 kPa，0 ℃），只有空气的1/14，是目前已知密度最小的气体。氢气的用途十分广泛。

 氢气的主要用途示意图

一、能源转型中的氢能

氢一直以来被认为是一种最清洁的燃料、良好的能量载体和零碳可持续的理想能源。氢气燃烧时没有污染，只产生热量和水蒸气。当氢气与氧气结合时，不产生二氧化碳，也不产生环烃、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）以及臭氧。

氢燃料电池使用氢气或富氢气体作为燃料，在氢燃料电池中氢气和氧气在催化剂的作用下发生电化学反应产生电能和水，在此过程中没有任何污染物产生。

氢燃料电池原理示意图

氢能相较于传统能源有三大优势：首先，氢能是一种能量密度更高的燃料，氢气的热值约为石油的3倍、煤炭的4.5倍，每1kg氢气相当于2.5kg天然气、2.8kg汽油、33.70kWh电力。其次，氢能使用更加灵活与高效，石油燃烧产生能量的效率一般为30-40%，而氢气发电能量转化效率可高达65-90%，且燃料电池装置体积可大可小更加灵活。最后，氢能源是已知最环保的能源，它的燃烧产物就是水，真正实现了零碳排放。

因此，氢能作为一种可再生的、清洁高效的二次能源，具有资源丰富、来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多样、可作为储能介质及安全性好等诸多优点，是实现能源转型与碳中和战略目标的重要选择。

氢气在未来能源系统中的作用

氢气应用领域短期以工业为主，长期在交通、电力领域发展空间大。目前，氢作为能源应用的普及程度不高，主要用作火箭燃料，也部分应用于氢燃料汽车，现阶段氢主要作为化工原料使用（合成氨、合成甲醇和炼油）。

工业领域氢气用量大、用氢技术成熟。IEA预计，“净零排放”情形下，2030年全球工业用氢需求达1亿吨，占全球用氢规模的47%；2050年全球工业用氢规模约1.4亿吨，占全球用氢规模的26%。中国氢能联盟预计，碳中和情景下2060年我国工业用氢规模达7794万吨，占氢总需求量的60%。

氢能在交通、电力等领域的应用将逐步扩展。氢能在重载交通工具、长时储能等领域潜力巨大，但规模化推广有赖于技术成熟、产业链降本、基础设施建设等因素。IEA预计，全球“净零排放”情形下，2030年全球交通、电力领域氢能需求分别为0.2、0.3亿吨；到2050年则大幅增至2.0、1.0亿吨，2050年交通将成为全球氢能最大的需求领域。有估计，到2050年氢能源将承担全球18%的能源需求。国际氢能委员会预计，当全球气温升高幅度控制在2℃以内的情景下，到2050年全球氢能需求潜力可达5.5亿吨，减少60亿吨二氧化碳排放，届时氢能在交通运输领域的需求可达1.6亿吨；还有预测2050年全球氢能需求量将达到10亿吨。中国氢能联盟预计，碳中和情景下2060年我国交通、电力用氢规模分别为4051万吨、600万吨，我国氢气总年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%。

世界各国普遍认为氢能将在未来能源系统中发挥重要的作用，将氢能源发展作为低碳清洁能源发展战略中的一个重要组成部分，截至2021年全球共有30多个国家确定了氢能发展路线并为此提供了大量氢能发展资金。2023年10月美国白宫宣布，政府将利用《两党基础设施法案》提供的70亿美元资金在全美建立7个地区性清洁氢气中心，以加速美国清洁氢气市场发展、加强能源安全并助力国内制造业。氢能中心的目标是每年生产超过300万吨的清洁氢，从而实现美国2030年清洁氢生产目标的近三分之一。这7个氢能中心每年将减少2500万吨最终用途的二氧化碳排放量。日本政府早在2017年12月发布《氢能源基本战略》，2022年宣布《绿色增长计划》，提出到2030年实现氢能产量300万吨的目标。2020年7月，欧盟委员会推出《气候中的欧洲氢能战略》，推动可再生能源制氢和氢能的多元化应用，到2030年可再生氢能年产能达到1000万吨。2021年12月，韩国政府发布首个《氢经济发展基本规划》，提出到2050年韩国氢能将占最终能源消耗的33%，发电量的23.8%，成为超过石油的最大能源。

我国国家层面日益重视氢能的战略重要性，2022年3月国家发改委、能源局发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢能的战略定位，提出了氢能产业一系列发展目标。从已公布的规划目标来看，到2025年我国将累计至少建成加氢站762座，燃料电池车保有量8.8万辆，氢能产业规模接近7000亿元。中国工程院原副院长干勇估计，到2050年氢能在我国终端能源体系中的占比约为10%，到2060年将达到约15%，成为我国能源战略的重要组成部分。氢能将与电力协同互补，共同成为我国终端能源体系的消费主体，引领形成十万亿级的新兴产业。

但是，关于氢能发展前景也有不同的声音。对氢能发展主要的担忧包括：氢能生产成本过高，目前也是高能耗和高碳排放；氢能应用成本高等。氢能源汽车的单车成本在50万以上，电动车的普遍价格在20万左右，氢能源汽车每百公里成本在39元，而电动车成本仅10元，现阶段氢能源汽车在乘用车领域无法与电动车竞争，因此主要应用范围集中在商用车领域。2022年我国燃料电池汽车销售新增3367辆，保有量达到12682辆，比上年增长36%；累计建成加氢站358座，比上年增长超过40%。未来随着氢能产业链技术成熟和规模降本，燃料电池汽车购置成本和用氢成本有望逐步降低，成本竞争力提升。

二、氢能的主要来源

目前，绝大多数的氢是由化石燃料（碳氢化合物）通过化学工程来制造的，其制造过程需要消耗能源并向大气中排放温室气体二氧化碳。

根据IEA统计数据，2021和2022年全球氢气总产量分别为9423和9813万吨。2022年我国氢气产能约4880万吨/年，产量3533万吨。从全球制氢结构来看，氢气产量主要来源于化石燃料制氢，占比高达81%，其中天然气制氢占比高达62%，煤制氢占19%；低碳排放制氢占比仅0.7%，其中电解水制氢占比0.04%。我国是世界上最大的制氢国家，能源结构为“富煤少气”，煤制氢成本要低于天然气制氢，62%的制氢量来自于煤或焦炭生产，工业副产氢占比约为19%，天然气制氢占比18.1%，电解水制氢占比不足1%。

全球氢气总产量趋势图

全球制氢结构占比统计图

制氢原料来源分布与对比

根据氢气的来源、生产方式和碳排放量，我们可以将氢气分为灰氢、绿氢和白氢三大类，简述如下：

（1）灰氢

灰氢是通过化石燃料（石油、天然气和煤）燃烧制造的氢气，其制造成本低、技术成熟，但制造过程中产生的温室气体二氧化碳排放量大。煤制氢路线下每生产1吨氢气平均要排放15-20吨二氧化碳，此外还会产生大量高盐废水及工业废渣；天然气制氢路线下每吨氢气的生产将排放9-11吨二氧化碳。相对煤制氢来说，天然气制氢的成本更低、二氧化碳排放量更低，当然这还依赖于原料的价格变化。

如果在灰氢制造过程中使用碳捕集利用和储存（CCUS）技术，通过捕获灰氢生产过程中产生的二氧化碳来实现低碳或零碳排放，则其生产的氢气称为蓝氢。即蓝氢=灰氢+CCUS。

天然气制氢与煤制氢成本测算

四种制氢工艺技术水平与成本对比

（2）绿氢

绿氢是通过使用可再生能源（如风电、水电、太阳能、核电等）、采用电解水方式制造的氢气，其制氢过程完全没有碳排放，但绿氢的制造成本较高。电解水制氢具有绿色环保、生产灵活、纯度高等优势。氢能产业目前以“灰氢”为主，未来将逐步过渡至“绿氢”时代。水电解制氢主要原理为水分子在直流电的作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料不同，可以分为碱性水电解（AE）、质子交换膜（PEM）纯水电解以及高温固体氧化物水电解（SOEC)几类。

电解水制氢不同技术路线对比

以目前主流的碱性电解水为例，制氢效率约为5度/立方米，电费成本约占85%，因此其经济性受电价的影响较大。如果按照平均工业电价0.6元计算，绿氢生产成本约40-50元/kg，明显偏高。据估算，当电价低于0.3元时，电解水制氢成本将与其他工艺路线相当。

当前灰氢蓝氢绿氢平均生产成本对比

2023年8月30日中国石化宣布，我国规模最大的光伏发电直接制绿氢项目-新疆库车绿氢示范项目全面建成投产，总投资近30亿元。项目主要包括光伏发电、输变电、电解水制氢、储氢、输氢五大部分，项目新建装机容量30万千瓦、年均发电量6.18亿千瓦时的光伏电站，年产能2万吨的电解水制氢厂，储氢规模约21万标准立方米的储氢球罐，输氢能力每小时2.8万标准立方米的输氢管线及配套输变电设施。该项目每年可生产绿氢2万吨，可减少二氧化碳排放48.5万吨。

2023年9月底，中国石油吐哈油田鄯善工业园区1200立方米/小时制氢试验项目一次投运成功，标志着中国石油首个自主研发设备制氢试验项目在吐哈油田投运。该项目由吐哈油田与宝石机械联合开展，具有完全自主知识产权。系统总负荷为6兆瓦，白天运行期间由吐哈油田120兆瓦源网荷储一体化项目所发绿电进行供电，晚间部分时段由一体化项目储能供电，产出氢气纯度达99.9%。

海洋是地球上最大的氢矿，结合海上风光发电技术，通过取之不尽的海水资源直接制氢，将为绿氢产业的发展提供全新路径。按照是否需要提前对海水进行淡化处理，海水制氢分为直接电解制氢和间接电解制氢两类路线。相比于间接制氢，海水直接制氢路线简化了工艺流程，因此更容易实现降本目标。

近期，我国深圳大学/四川大学谢和平院士团队、天津大学凌涛教授与澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授团队、中国科学院大连化学物理研究所、大连洁净能源集团有限公司，国际上的印度理工学院马德拉斯分校、澳大利亚皇家墨尔本理工学院、美国斯坦福大学SLAC团队、英国ERM公司、法国氢技术公司 Lhyfe和电解槽制造公司 Ohmium与膜蒸馏技术公司Aquastill等在海水制氢技术研发与试验方面取得了重要进展。

2022年11月30日，深圳大学/四川大学谢和平院士团队在Nature期刊上发表了海水原位直接电解制氢相关研究成果。该研究采用物理力学与电化学相结合的全新思路，建立了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术，彻底隔绝海水离子，实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的海水原位直接电解制氢原理与技术重大突破。随后东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院与深圳大学谢和平院士团队共同签署了“海水无淡化原位直接电解制氢原创技术中试和产业化推广应用”四方合作协议。2023年6月经中国工程院专家组现场考察后确认，全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术海上中试在福建兴化湾海上风电场获得成功。除了海水，此项目的原理和技术还可应用于各类工业废水、城市生活污水等非淡水直接电解制氢。

“东福一号”海水无淡化原位直接电解制氢平台

中国科学院大连化学物理研究所研制出25千瓦级海水制氢联产淡水装置。运行结果显示，以海水为原料可实现高效电解水制氢联产淡水，氢气产能可达3吨/年，氢气纯度高于99.999%，产生的淡水在满足自身电解需求的基础上，可额外联产淡水6吨/年，淡水电导率小于20μs/cm，盐度小于0.04ppt（ppt：千分之一），证明了海水制氢联产淡水新技术的可行性与先进性，有望为近岸/离岸海上风电规模化制氢提供具备核心竞争力的技术支撑。

随着海上风电价格持续降低，海水直接电解制氢技术未来具有更大潜力。当电价低于0.23元/度时，海水制氢成本与“煤制氢+CCUS”相比具有竞争优势；当电价低于0.15元/度时，海水制氢与煤制灰氢成本相当；当电价低于0.11元/度时，海水制氢成本将完全低于煤制灰氢成本。技术进步也必将促进绿氢生产成本的不断降低。

虽然全球正在实施大约数百个电解水制氢项目，预计到2030年全球电解水制氢的供应量将超过8Mt（百万吨），但这远低于国际能源署制定路线图中所规定的80Mt绿氢需求量，所以必须寻求更好的氢源供给途径才能满足未来对绿氢的需求。

 灰氢-蓝氢-绿氢生产成本动态变化预测

（3）白氢

白氢指的是自然界中天然形成的氢气，是一种天然的可再生能源。也有人将白氢称为金氢。我们知道，通过地质过程可以自然形成氢，直接在自然界中找到并开发氢气，可以避免灰氢制造过程中存在的二氧化碳排放问题，也不需要绿氢制造过程中消耗的大量可再生能源。当然，目前天然氢资源的勘探开发进程才刚刚开始，仍然面临着资源量、勘探开发可行性、成本等一系列的不确定性和技术上的挑战。

三、天然氢形成机理与赋存状态

由于氢气是一种强还原性气体，地球表面存在大量氧化剂，氢气易于被氧化，因此传统观点认为自然界中很难存在自由态氢即氢气。因此，在传统的石油工业中，人们一直认为天然氢是不存在的，直至数十年前研究人员还确信在地球表面自然状态下不存在氢气。实际上氢气在地下无处不在，天然氢是一种地下可持续由地质作用生成的氢，氢气生成的过程可发生在地下的浅部和深层，深部生成的氢气也可以运移到浅部，当氢气逸出到地表时可以被观测到。

1970年代，科学家发现在大洋中脊“黑烟囱”热液中富含氢气，后来在陆地也陆续发现了自然氢气的存在。目前，关于氢气的生成机制尚无定论，但普遍认为主要有以下几种：地幔脱气（深源氢气从地核和地幔中逸出）、岩浆脱气（深部岩浆上升至地壳中氢气逸出）、水与超基性岩石发生反应或蛇纹岩水岩反应、水自然辐射分解、断层摩擦、矿物晶格结构中的羟基分解、有机质分解等。当然，氢气也可以来源于生物成因，包括热作用和微生物作用。按照地球内部地质成因，天然氢可以分为原生氢和次生氢两大类，原生氢指储存在地幔或地核中的氢气被逐渐释放至近地表，次生氢指地幔或地壳中通过各种化学反应生成的氢气。

研究表明，与众多行星一样地球在原始形成过程中积累了非常丰富的氢，幔源流体处于还原性化学环境，地幔中的主要流体是富氢流体，地幔向地壳岩石供应氢气。

地壳中的水岩反应是次生氢的重要生成机制，与氢气生成有关的水岩反应主要包括蛇纹石化作用（serpentinization）、水与新暴露岩石表面的反应和矿物中的羟基反应，其中蛇纹石化作用是水岩反应生氢中研究最多、也是最重要和最常见的。在深海热液喷口和大陆蛇绿岩处镁铁-超镁铁质岩的热液循环中会发生蛇纹石化作用，铁橄榄石的蛇纹石化过程中释放出氢离子。蛇纹石化作用可能仅在地壳浅部发生，即在上部4-6km深度处，对应400 ℃等温线，但是，蛇纹石化反应的最佳温度所处深度可能在10-12km处。

橄榄石蛇纹石化作用生成氢气

岩石圈中水的辐射分解（radiolysis）是生成天然氢的另一个重要机制。地壳中含有的大量放射性元素，如铀、钍和钾，放射性衰变时释放α、β和γ射线，产生的能量将水分子分解为氧气和氢气。值得注意的是，与纯水相比，盐水生成的氢气量更多。

生物活性通常用于解释天然气体样品中天然氢的来源，通过有机物的厌氧分解、发酵和固氮细菌生成氢气。在自然界，产氢微生物与耗氢微生物共存，所有通过生物方法生成的氢气迅速被转化为其他化合物。

有研究者估计，全球大洋中脊的蛇纹岩化产生的氢气年通量为10^11-10^12mol/a，生成的氢气质量十分巨大。研究发现，陆上氢气也广泛分布于全球多个地区。全球范围内均在沉积盆地内发现了高含量氢气，澳大利亚New Guinea 地区氢气含量超过10%，德国Mulhausen氢气含量为61.5%，美国Kansas气田的氢气高达40%。马里发现的氢气井氢气含量高达97%，是目前唯一一个氢气田。在沉积盆地中，高含量氢气的成因主要是含强还原性二价铁离子的矿物与水作用形成的，这种作用一般以基性-超基性岩中的矿物发生蛇纹石化作用为主。蛇纹石化作用发生的温度范围约为50-375℃，可以广泛发生在含油气沉积盆地中。沉积盆地中以蛇纹石化作用形成的氢气及与之伴生的气体种类及含量，与发生蛇纹石化作用时水及其溶解气的供应状况密切相关，可形成氢（H2）气藏（H2含量可达60%-80%）、氮（N2）气藏（N2含量可以超过90%）和甲烷（CH4）气藏（CH4含量超过80%）。

北美Kansas盆地富氢气藏形成过程示意图

除沉积盆地外，在板块碰撞带和俯冲带周边，由于板块碰撞导致的板块俯冲引发地球圈层之间物质的交换作用，深部流体可以向地球浅部输送大量的氢气，形成高含量氢气，并且不同类型的流体输送能力具有明显的差异性。一般而言，地下15km的1kg岩石在地表可以释放出75cm^3的氢气。具体而言，碱性岩中氢气的平均含量为3cm^3/kg，而基性超基性岩中则为26.8cm^3/kg，二者表现出极大的输氢能力差异性; 而1kg的水从地下15km运移至地表可以释放出12000 cm^3的氢气，表明水是极佳的输氢物质。因此，深部流体活动区特别是基性、超基性火山岩发育地区是高含量氢气的主要富集区，而它们的形成往往与构造背景密切相关。比如位于构造活动带的菲律宾Zambales地区、阿曼北部火山岩地区、意大利桑多里纳地区、新西兰温泉、瑞典Gravberg-1井等地区的氢气含量一般均超过10%。

板块俯冲带不同位置气藏成因机理示意图

板块俯冲带不同位置气藏类型分布示意图

按照氢气的赋存状态，天然氢可以分为游离氢、包裹体氢和溶解态氢三类。

游离氢是指赋存在岩石（或地层）孔隙或裂隙中能自由运移的氢气，是天然氢的主要赋存形式之一。目前，研究者从近30多个国家的蛇绿岩、前寒武纪岩石、火成岩、火山气体、间歇泉和温泉等热液系统、管状金伯利岩岩体、矿体、油气田、煤盆地、沉积岩及岩盐矿床中检测到天然氢，并且在不同地质环境、相同地质环境的不同生成区域以及不同探测深度处观测到游离氢含量不同、变化范围较大，最高含量可达90%以上。

包裹体氢指氢气以包裹体的形式或者以吸附的形式被圈闭在岩石内。同游离氢一样，在全球10多个国家的超基性岩、前寒武纪岩石、火成岩、火山岩、管状金伯利岩、矿体、煤盆地、沉积岩或变质岩及岩盐矿床样品的包裹体中发现了氢气。因为沸石、粘土矿物的比表面积大，孔隙结构发育，推测是较好的储氢材料，此外它们在地下广泛存在，因此是十分值得探索的。加拿大萨斯喀彻温省北部雪茄湖铀矿床是一个很好的粘土矿物吸附氢气的例子，以伊利石、绿泥石和高岭石为主的粘土岩中氢含量最高达500×10^-6，靠近铀矿床的地方粘土矿物含量高而氢气含量也高。

溶解态氢指天然氢作为溶解态气体存在于地下水中，已观察到许多这样的实例，在与深部断层和裂谷带相关的区域异常值更高，在10多个国家的水样和油气田水样中也发现了氢气。

天然氢赋存在多种地质环境中，例如天然氢出现在结晶基底、火山超镁铁质过碱性火成岩体、地热和矿物系统、石墨、蒸发岩矿床、缺氧沉积物、常规和非常规油气田以及煤层气中。

为建立氢气系统模型，我们必须确定岩层内天然氢的形成方式、可能影响氢的自然过程以及氢如何到达地表并存储在岩层中。地质学家已经知道有数十种自然过程可以产生氢气。氢气形成后各种自然过程也会消耗这种气体，特别是许多微生物依靠氢气生存。富含有机物的岩石形成石油的过程也会消耗氢，这就是为什么氢气很少与甲烷或丙烷等碳氢化合物气体共存的一个原因。

自然地质过程中未消耗的氢气可能到达孔隙岩石中形成气体聚集，但需要一定的盖层封闭条件使得氢气不会逸散掉。几十年来，地球科学家一直认为氢分子体积小，即使是最致密的岩石也难以阻止氢气的逸出。然而，研究表明两个氢原子分子的直径大约等于单个氦原子分子的直径，并且这两种气体很可能被相似的岩层捕获。已知氦气的聚集已经保存了长达一亿年，因此可以合理地假设氢气也可以类似地被长期捕获在圈闭内。

氢气如何在地下形成

四、全球天然氢的发现情况

天然氢在全球范围内的分布极为广泛，在美洲、欧洲、亚洲、非洲、大洋洲等陆上地区均有氢气发现，但不同地区、不同地质环境氢气含量差异较大，变化范围在1%-100%之间。

全球天然氢的发现情况

从上表可见，在全球范围内大多数氢气发现点集中在少数几个地区，并以前苏联居多，其次为北美洲和欧洲。但这并不代表这些地区的天然氢赋存丰富，仅能说明在这些地区寻找氢气的活动更频繁、关注的时间更长。还可以看出: 在矿体、蛇绿岩、沉积岩、火山环境、油气田、煤盆地、间歇泉和温泉、前寒武纪岩石、火成岩、裂谷及金伯利岩中均有游离氢发现，且在矿体、蛇绿岩、沉积岩中发现游离氢的实例较多，这3种环境中检测到的最高氢气含量超过90%。在勘探铁、金、铀、汞、镍、铜和多金属矿的各种矿区，也发现了多处天然氢。沉积盆地发现天然氢较多处的原因可能是因寻找油气资源过程中钻探多，西非马里第一口氢气生产井就属于此类。在发生地震和火山事件的地区，也发现土壤中的氢气浓度增加，而且火山中的氢气足够丰富，超过火山环境中流体或岩石的氧化能力，氢气也与油气藏和煤伴生。在上述每种环境下发现的游离氢含量可从微量至百分之几十不等，最高可达90%以上。包裹体氢在火成岩、矿体、煤盆地、前寒武纪岩石、火山岩、盐岩矿床、金伯利岩、沉积岩、超基性岩样品包裹体中均有发现，全球范围内在火成岩、矿体包裹体中观察发现氢气的实例较多，在金伯利岩、沉积岩、基性岩包裹体中发现氢气的实例较少。超基性岩包裹体中的氢气来源于水岩反应，氢气总是以包裹体的形式存在于金刚石中。氢气通常存在于金矿中，含金岩脉内的氢气含量极高，高含量氢气以圈闭气体的形式存在。地下水中溶解态氢气发现点较多，前苏联在某些地区的氢气检测结果中发现，在与构造活动相关的区域中可观察到较高浓度的氢气，并且在与深部断层和裂谷带相关的区域中异常值更高。地下水中的氢气含量从0.05%-76%不等，随取样深度的增加而增大。

五、天然氢资源量估计

从1983年以来，陆续有研究者对全球自然界中氢气的生成量进行估算。1983年估算的氢气总生成量为0.027×10^6t/a（约0.3×10^9m^3/a）；2000年约为0.54×10^6t/a(约6×10^9m^3/a)；2005 年则为6×106t/a（约66.7×10^9m^3/a）；2020年估算的天然氢为（254±91）×10^9m^3/a、大气氢为（459±119）×10^9m^3/a、生物氢为（412±106）×10^9m^3/a。分析发现，全球氢气总量估计每隔10-20年就增加一个数量级，说明之前地质成因氢气的估算量被低估，又因目前还无法估算深源氢气，所以上述最新估算的天然氢量也可能是被低估的。土壤成为主要的氢汇，土壤氢汇比地球深部微生物利用的氢气、水中溶解的氢气以及非生物反应消耗的氢气体积上高出一个数量级左右。

自然界中氢源生成量与氢汇消耗量估计

为了了解地球可能储存的氢气量，美国地质学家杰弗里·埃利斯和莎拉·格尔曼开发了一个全球资源模型。该模型使用保守的输入值范围，预测了可以满足预计全球数千年氢气需求的平均氢气量，但大部分氢气可能是无法获取的。换句话说，氢可能埋藏得太深，或者离岸太远，或者储量太小，使得开采他们的经济性差。埃利斯坚信，地球内部的氢含量可能构成主要能源。

美国地质调查局的科学家正在将所有这些因素纳入他们的氢气模型中，这将增进我们对地球上天然氢资源潜力的了解。作为首席科学家，埃利斯正在领导美国地质调查局以氢气系统模型为基础绘制美国本土天然氢气资源分布图。美国至少有两个主要地区具有有利于产生大量氢气的地质条件，这些区域位于大西洋沿岸平原和美国中部、大平原和中西部上游的部分地区。大西洋区域东海岸的大部分地区与深埋在海底的富铁岩层带相关，这些岩石是在大西洋盆地形成时沉积的。地球物理调查证实，这些岩石中的一些铁与水发生反应并产生氢气，氢气很可能从富含铁的岩石中逸出，并沿着沉积层向海岸迁移。美国中部地区与古裂谷几乎将北美一分为二时形成的岩石有关，中部大陆裂谷发生于大约11亿年前，位于苏必利尔湖以及爱荷华州、明尼苏达州和密歇根州的大部分地区。尽管裂谷没有成功分割大陆，但它确实将大量矿物质带到了地壳上层，其中包括可以形成氢的富含铁矿物质。尽管这些地区具有巨大的制氢潜力，但这并不一定等同于地质氢资源的巨大潜力。

美洲大陆裂谷带

澳大利亚地球科学局针对其本国从470口井中采集的约1000个天然气样品进行了氢气分析和同位素分析，对镁铁质-超镁铁质岩石和花岗岩中的水辐射分解以及镁铁质-超镁铁质岩石的蛇纹石化产生的氢气量进行了估算，得出澳大利亚陆上1km深度内的氢气推断资源量约（0.0016-0. 058）×10^9m^3/a，产生的氢气主要与前寒武纪的氢气源有关。

六、全球天然氢能勘探开发研究现状

天然氢能的优势引起了广泛关注，全球许多国家开始了寻找天然氢的活动。除了偶然在非洲马里开采出天然氢外，近年来俄罗斯、法国、美国、澳大利亚和巴西等国家都开展了天然氢能调查工作。除了采用卫星遥感图像识别出地表有天然氢逸出的近似圆形或椭圆形浅洼地（俗称“仙女圈”）外，还在这些区域部署了现场氢气测量、地球物理调查等工作。

地表有天然氢逸出的圆形或椭圆形浅洼地

在非洲，1987年马里Bourakebougou地区钻探寻找地下水资源时发生爆炸事故，意外发现了纯度达98%的氢气。加拿大Petroma公司（现更名为Hydroma）从2012年开始在此开采氢气进行发电，成为世界上首个天然氢气商业化应用项目。研究表明，该地区至少存在5个赋存天然氢的储层，最浅储层深度约为100m，最深储层深度约为1800m。相对纯净的氢气储层与微量甲烷、氮和氦有关。地层中氢气赋存与存在多层辉绿岩岩床和含水层有关，其起到阻止气体向上运移和渗漏的作用。2019年德国联邦教育与研究部投资3000 万欧元在西非调研，指出非洲的天然氢气有可能解决一部分未来的能源供应需求。

在俄罗斯，21世纪初发现了第一个天然氢矿床。2005-2011年间，俄罗斯对562个有氢气逸出的近似圆形地表洼地进行了监测，发现近似圆形的地表洼地直径从100m至数km不等。通常这些洼地周边呈现一个漂白土环，并伴随着植物生长异常。洼地的核部常常为湿地沼泽或湖泊。根据近地表土壤气体的成分估算，一处洼地每天从地表逸出的氢气量介于（2.1-2.7）×10^4m^3之间。

在法国，法国国家科学研究中心组织天然氢研讨会，创建跨学科研究机制。在法国北部洛林的天然气勘探中发现了一个潜在的天然氢矿床，它位于一个老煤矿下面，被认为是世界上最大的白氢储备地。2020年45-8能源公司确定了整个欧洲的天然氢高潜力区域，2021年被授予勘探许可证旨在2023年前进行首次试采。2020年1月CVA集团确定了布雷斯地堑西部边缘的氢气排放，2020年7月45-8能源公司确认这些区域存在明显的氢异常和可能存在的活跃渗漏，从而证明法国存在天然氢。2020年法国研究人员在比利牛斯山麓西部区域进行了天然氢气调查，其目的是在到目前为止尚未有地表气体溢出记录的一个区域对天然氢气的运移机制加以探究，在研究区内开展了1100多次现场土壤气体分析，测试深度为1m，调查网格为10km×10km，调查区域的面积为7500km^2。本次分析工作识别出了Mauléon盆地北部几个较高气体含量的重点区域。调查结果表明，天然氢气可能来源于地幔岩石的蛇纹岩化作用，随后氢气沿着主要逆冲断裂带运移至地表。

在美国，CFA公司于1982年在北美裂谷系中钻井时发现高含量氢气。2013年美国成立天然氢能源公司（NH2E）并在许多国家寻找天然氢排放点，于2015年在美国多处位置发现了估算每天排出量高达几吨的氢气流，并于2019年底在堪萨斯州钻了第一口天然氢气井。2008-2011年在该区曾对其中一口钻井进行过取样，该井井深424m，钻穿古生代沉积地层并钻至下伏前寒武纪基底约90m，此处最高氢气含量达到91%。此外，在美国卡罗来纳州进行的土壤气体检测研究发现，地表洼地发现有大量氢气逸出。研究分析推断，氢气从深部向地表运移，在流体流动通道发生岩石蚀变，导致局部陷落形成了地表圆形或椭圆形洼地。2020年一家美国能源过渡基金宣布与西班牙氢氦勘探公司Helios Aragon签署了协议以开发“金氢”，勘探区为西班牙阿拉贡省，石油钻井曾在地表下3680m处发现异常高浓度氢气。俄亥俄州立大学能源研究与培训中心认为天然氢气存在研究和勘探价值，掀起了天然氢气研究的热潮。

在澳大利亚，2021年南澳大利亚能源和矿产部在南澳大利亚开始部署寻找天然氢项目。澳大利亚金氢（Gold Hydrogen）公司在南澳大利亚第一口探井（Ramsay 1）中发现浓度高达73.3%的天然氢，为商业化开发打下基础。2021年金氢公司获得勘探许可证在袋鼠岛和约克半岛南部进行天然氢气的勘探。金氢公司在Ramsay 1探井的发现表明该地区有活跃的氢系统，可持续产生新的氢气。Ramsay 1探井钻探深度为1005米，发现了目标地区广泛相连的断裂系统，这对于氢气从更深的源头运移至浅层区域至关重要。在地下240米深处，氢气浓度达73.3%，与1931年在同一地点进行的未成功的石油钻探结果一致。不仅如此，金氢公司还发现了浓度相对较高的氦，从Ramsay 1的深度892米处采集的气样中含有3.6%的氦和96.4%的氮。金氢公司认为这表明地下岩石层有大量氦气，而上面的风化区可作为储存氦气的商业浓度的库。金氢公司计划于2023年11月中旬在离Ramsay 1约500米处钻探第二口井（Ramsay 2）以进一步了解氢气的储量。

在巴西，于2018年在圣弗朗西斯盆地放置了7台连续气体监测分析仪对氢气逸出量进行了监测评估，发现天然氢气脉冲式逸出与“仙人圈”有关。经过土壤释放到大气中的氢气量每天都得到了源源不断的补充，即使没有水分或者土壤中细菌活动的缓冲作用，补充的较高氢气流量也足以运移至地表。研究者认为本研究区域的深部可能赋存着一个天然氢的生成源区，而这个源区与大气氢气生成系统（其中氢气被细菌所消耗）存在明显的不同。同时进行的地球物理解释认为存在深部断层和含放射性元素以及含镁铁质和超镁铁质岩石的基底，并且在地表以下400m处可能存在一个喀斯特储层，由此深部大量的水辐射分解释放出大量氢气，断层系统穿切了碳酸盐储层，因此碳酸盐储层成为氢气临时聚集的候选储层。

在西班牙，美国纽约提升基金与西班牙氢氦勘探公司Helios Aragon签署了“金氢（地下天然氢）”开发协议。Helios Aragon公司在西班牙北部拥有890km^2的天然气勘探许可证，准备通过最初为油气勘探而钻探的油井来勘探天然氢，其中一口钻井在地下3680m处发现了大量氢气。

七、天然氢能的勘探与开发方法

天然地质氢资源的勘探与开发可以采用许多与目前石油勘探相同的策略和技术，并增加一些来自矿产资源勘探和地热资源勘探的元素。天然地质氢资源的勘探与开发也可以与石油天然气的勘探开发联合起来。天然氢的来源非常多，因此必须采取多样化的勘探策略，考虑不同的运移通道和圈闭机制。有学者认为需要制定可靠的勘探指南来确定每个潜在勘探靶区的氢气在生成、运移和富集方面的特定特征。

氢气从地下逸出可以从地表直接或间接地观察到。天然氢的地表逸出迹象大部分表现为有近似圆形或椭圆形洼地（俗称“仙女圈”），可以将存在地表氢气渗漏的地质环境作为氢气勘探的靶区进行研究。国外在进行天然氢资源勘探时，一般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。如在美国卡罗来纳州针对天然氢渗漏进行监测时，先使用卫星遥感图像识别洼地，在划定的区域进行土壤气体含量现场测量，同时使用氢气分析仪进行氢气现场测量。还有学者不赞成进行实地采样，而是强烈建议在多个密集监测点进行至少24消失的连续监测。

法国Pyrenean山麓Mauléon和Arzacq盆地土壤氢气浓度分布

穿越Mauléon和Arzacq盆地的重磁异常与全波形反应横波速度剖面

为了发现地下深处的天然氢资源，除了利用地表特征寻找天然氢，还需要应用地球化学、地球物理和岩石物理学技术识别基底以上的沉积岩及岩浆岩侵入体等地质构造。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蚀变地壳的流体通道，判定生氢最有利的区域。

与天然气田不同的是，由于水产生氢气的速度很快，天然氢气田中的一些气体可能是可再生的。还有一些研究人员提出，储层、圈闭和密封甚至可能不是生产天然地质氢气所必需的。他们认为，我们也许能够利用正在生产氢气的岩石，或者让氢气穿过它们，并在产生氢气的同时开采氢气，甚至可以将热水注入目前不产生氢气的富铁岩石中以类似增强地热能生产的方式刺激发电。

虽然天然地质氢资源给了我们美好的期望，但实现其实际资源潜力仍需大量研究，以降低氢系统组成部分的不确定性并制定勘探开发策略。全球地质氢资源潜力和氢系统模型、地质氢资源潜力分布地图的发布还有许多工作要做。

天然氢数据的缺乏可能是由于技术和分析程序不适当所致，因为氢气是所有气体中最轻的一种，且极易挥发，在空气中扩散很快，在地质圈闭构造中无法高浓度富集，所以很难被检测到; 氢很容易发生反应，当它与氧气结合时，它会产生水。由于这个原因，氢气样品需要特别处理，所以需要开发出可对氢进行有效测量、取样、保存、分析的仪器。

氢气勘探的源岩-运移-聚集系统

澳大利亚South Nicholson盆地案例研究

八、中国

目前在中国针对氢气的研究大多是将氢气作为监测自然环境和油气资源方面的研究，且较为零星和分散。真正把天然氢作为能源而进行的调查研究工作较少，尚停留在实验室和文献分析阶段。到目前为止，中国的油气勘探和其它矿物勘探还没有使用氢气探测器，而且有氢气检测数据的钻井也较少，氢气分布状况不明。但中国的油气和矿产资源勘探开发活动已覆盖大部分地区，有学者在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含量最高可达99%的氢气。中国东部深部流体活动地区，如云南腾冲、黑龙江五大连池、长白山等也有氢气的发现。由此可见，在中国已有的油气沉积盆地内寻找天然氢具有较好的潜力。这些氢气显示能否成藏以及氢气的成藏机制，是未来探索的关键。目前，推测中国未来可能的天然氢气主要分布在渤海湾、松辽盆地、苏北盆地和南海等地区。

对照世界各地的天然氢探测标志和特征，中国也具备评估和寻找天然氢的地质条件。除了上述沉积盆地外，在中国也有许多地区有天然氢研究与发现的先例：蛇纹石化作用区域（江苏盘石山橄榄岩）；断层区域（依兰-伊通断裂、扶余-肇东、滨州、呼兰河等断裂）；煤盆地（沁水盆地）；温泉区域（云南腾冲、长白山天池）。有学者认为，在中国的沉积盆地、构造活跃区域及大陆裂谷地区具备发育高含量氢气的地质条件，首先可以把渤海湾盆地、渭河断陷作为天然氢勘探的突破区开展以氢气为目标的理论研究和地质调查工作。

我国地质构造背景复杂，火山活动区的地表氢气虽然含量较低，但是火山岩释气研究表明火山岩中含有含量较高的氢气。我国构造活跃地区，如云南腾冲、长白山五大连池等以二氧化碳为主的温泉气中氢气的含量普遍在1%左右，均低于国外同类地区氢气的含量。但是，我国东部幔源岩石分步加热释放出的气体中氢气含量最高可达35%。这些幔源岩石在我国东部沉积盆地内发育较多，为沉积盆地输入了数量巨大的氢气。以渤海湾盆地惠民凹陷临南洼陷夏38井区为例，该地区发育的辉绿岩侵入体分布面积约20km^2，平均厚度约50m，经前人预测该岩体可携带89×106m^3氢气。

大陆裂谷地区是高含量氢气的主要分布区，未来天然氢气资源的商业化开发有可能首先在大陆裂谷系地质构造环境中获得突破。我国位于华夏裂谷系和汾渭裂谷系上的渤海湾盆地、渭河断陷等，与北美Kansas大陆裂谷系具有相似的地质背景，都具有强烈的基性、超基性火山喷发活动，上覆较厚的沉积层在适当地质条件下可以作为氢气的储层。因此，以上区域极具钻遇高含量氢气的机会，是未来以氢气为勘探目标的重点区域。活动断层上方的土壤气中的氢气浓度变化成为判断断层活动性的指标之一。

我国主要由多个板块互相拼接而成，主要包括西伯利亚板块、塔里木板块、柴达木—华北板块、羌塘—扬子—华南板块、冈瓦纳板块、太平洋板块以及菲律宾海板块等。这些板块互相镶嵌和拼接造成板块的碰撞与俯冲。在板块碰撞与俯冲带的不同位置，具备发育高含量氢气的地质条件。在我国东部太平洋板块与柴达木—华北板块俯冲带附近发育一系列沉积盆地，如松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、三水盆地、莺歌海盆地等，因具备较好的天然气盖层条件，有利于高含量氢气的保存。在西部西伯利亚板块与塔里木板块以及羌塘—扬子—华南板块与冈瓦纳板块碰撞带周边的塔里木盆地、羌塘盆地以及腾冲地区等，均可以形成高含量氢气。

九、结语

氢气在能源转型中具有十分重要的地位与作用，氢气的生产将由灰氢向绿氢转变，在地下寻找天然氢（白氢或金氢）也是实现规模化和低成本氢能开发的重要途径。当前，全球对“氢气系统”的认识尚处于早期阶段，今后应针对氢气源以及氢生成、运移、富集和防止氢气逸出的盖层进行深入研究。

我国有很多地区的地质环境与世界上探测到天然氢地区的地质环境具有相似的特征，可以在这些地区部署寻找地下天然氢的勘探开发工作。同时，有必要对已有的与天然氢有关的地质资料、地质研究成果、钻探、样品分析数据等进行仔细分析，制定有效的勘探指南，将天然气中的氢气分析作为整个勘探行业的一项常规分析。

天然氢能源的勘探开发，要针对天然氢气的源、生成、运移和聚集特点发展相应的地质、地球化学和地球物理技术。

本文主要参考文献：

（1）金之钧、王璐，自然界中有氢气藏吗？，《地球科学》第47卷第10期，2022年

（2）田黔宁、张炜、王海华等，能源转型背景下不可忽视的新能源: 天然氢，《中国地质调查》第9卷第1期，2022年

（3）孟庆强、金之钧、孙冬胜等，高含量氢气赋存的地质背景及勘探前景，《石油实验地质》，第43卷第2期，2021年

（4）Lefeuvre, N., Truche, L., Donzé, F.-V., et al. (2021). Native H2 exploration in the western Pyrenean foothills. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22, e2021GC009917

---

版权声明∶转载新能源网站内容，请在正文上方注明来源和作者，且不得对内容作实质性改动；微信公众号、头条号等新媒体平台，转载请联系授权。邮箱∶process@vogel.com.cn，请添加小编微信号（msprocess）详细沟通。