為能源轉(zhuǎn)型成功開發(fā)可持續(xù)的地質(zhì)資源是21世紀(jì)人類面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。氫氣（H2）具有取代現(xiàn)有化石燃料的巨大潛力，同時(shí)消除了相關(guān)的二氧化碳和其他污染物的排放。然而，一個(gè)主要的障礙是氫氣必須首先產(chǎn)生。目前的合成氫生產(chǎn)最多是基于可再生能源，但如果使用化石能源，它也可能造成污染。

　　解決辦法可能在自然界中找到，因?yàn)楦鞣N地質(zhì)過程都能產(chǎn)生氫氣。然而，到目前為止，我們還不清楚應(yīng)該在哪里尋找潛在的大規(guī)模天然氫儲(chǔ)層。

　　由GFZ亥姆霍茲地球科學(xué)中心（GFZ Helmholtz Centre for Geosciences）地球動(dòng)力學(xué)建模部門的科學(xué)家Frank Zwaan博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員給出了這個(gè)問題的答案：利用板塊構(gòu)造模型。

　　他們發(fā)現(xiàn)，在靠近地表的山脈中發(fā)現(xiàn)了原深地幔巖石，這些巖石代表了潛在的天然氫熱點(diǎn)。這些山脈不僅可能是大規(guī)模自然產(chǎn)氫的理想地質(zhì)環(huán)境，而且可能形成大規(guī)模的氫氣聚集，可以鉆取氫氣。

　　這項(xiàng)研究的結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。研究小組的成員還有GFZ地球動(dòng)力學(xué)建模部門的Sascha Brune教授和Anne Glerum博士。其他團(tuán)隊(duì)成員來自美國塔夫茨大學(xué)（Dylan Vasey博士）和新墨西哥理工大學(xué)（John Naliboff博士），以及斯特拉斯堡大學(xué)（Gianreto Manatschal教授）和法國Lavoisier H2Geoconsult（Eric.C.Gaucher教授）。

　　地質(zhì)環(huán)境中的天然氫潛力

　　天然氫可以通過幾種方式產(chǎn)生，例如，通過細(xì)菌轉(zhuǎn)化有機(jī)物質(zhì)或由大陸地殼中放射性元素衰變驅(qū)動(dòng)的水分子分裂。因此，世界上許多地方都報(bào)道了天然氫氣的發(fā)生。在馬里，天然氫作為一種能源的總體可行性已經(jīng)得到證實(shí)，在那里，通過地下鉆孔開采出少量來自富鐵沉積層的氫氣。

　　然而，大規(guī)模自然產(chǎn)氫最有希望的機(jī)制是地幔巖石與水反應(yīng)的地質(zhì)過程。地幔巖石中的礦物改變了它們的組成，形成了所謂的蛇紋石群的新礦物，以及H2氣體。這個(gè)過程被稱為蛇紋石化。

　　地幔巖石通常位于地殼以下的很深的地方。為了使這些巖石接觸到水并形成蛇紋石，它們必須被地殼挖掘出來，即被帶到地球表面附近。

　　在數(shù)百萬年的時(shí)間里，地幔巖石被挖掘出來并形成了兩種主要的板塊構(gòu)造環(huán)境：

　　(1)隨著大陸在裂谷過程中分裂而打開的海洋盆地，使地幔在上覆的大陸地殼變薄并最終分裂時(shí)上升（例如在大西洋中）；

　　(2)隨后的盆地關(guān)閉和造山，使大陸重新合在一起并碰撞，使地幔巖石被推向表面（例如比利牛斯山和阿爾卑斯山）。

　　數(shù)值模擬有助于劃定擁有天然氫資源的地區(qū)

　　深入了解此類構(gòu)造環(huán)境的演變是正確評(píng)估其天然氫潛力的關(guān)鍵。GFZ領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用最先進(jìn)的數(shù)值板塊構(gòu)造建模方法，并根據(jù)自然例子的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，模擬了從最初的裂谷到大陸分裂，然后是盆地閉合和造山的整個(gè)板塊構(gòu)造演化過程。

　　在這些模擬中，研究人員首次能夠確定在何地，何時(shí)，以及有多少地幔巖石在山脈中被挖掘出來，以及這些巖石何時(shí)可能在適宜的溫度下與水接觸，以允許有效的蛇紋石化和自然氫氣生成。

　　結(jié)果表明，山脈的蛇紋巖化條件明顯好于裂谷盆地。由于山區(qū)環(huán)境相對(duì)較冷，在200 ~ 350℃的有利蛇紋石化溫度下發(fā)現(xiàn)了大量出土的地幔巖，同時(shí)山區(qū)內(nèi)沿大斷裂的大量水循環(huán)使其蛇紋石化潛力得以實(shí)現(xiàn)。因此，山區(qū)的年產(chǎn)氫能力可能是裂谷環(huán)境的20倍。此外，對(duì)于經(jīng)濟(jì)上可行的天然氫體積的積累來說，合適的儲(chǔ)層巖石（例如砂巖）在山脈中很容易獲得，但在裂谷盆地的深層蛇紋巖化和產(chǎn)氫過程中可能缺乏這類結(jié)構(gòu)。

　　山脈中的天然氫勘探

　　這一已發(fā)表的研究結(jié)果為加強(qiáng)山區(qū)天然氫氣勘探提供了強(qiáng)烈的推動(dòng)力。事實(shí)上，各種勘探工作已經(jīng)在比利牛斯山脈、歐洲阿爾卑斯山脈和巴爾干半島等地展開，研究人員此前已經(jīng)在這些地方發(fā)現(xiàn)了正在進(jìn)行的天然制氫的跡象。

　　該研究的主要作者Frank Zwaan說：

　　“這些努力取得成功的關(guān)鍵是發(fā)展新的概念和探索策略。”

　　“特別重要的是，經(jīng)濟(jì)自然儲(chǔ)層的形成如何受到給定勘探地點(diǎn)的構(gòu)造歷史的控制。特別是，我們需要確定所涉及的關(guān)鍵地質(zhì)過程的時(shí)間，因?yàn)槿绻麣錃鈨?chǔ)層是在造山期間形成的，那么在此之前一定有裂谷作用，即拉伸作用。因此，從本研究中進(jìn)行的板塊構(gòu)造模擬中獲得的見解將具有很大的價(jià)值。”

　　GFZ地球動(dòng)力學(xué)建模部門負(fù)責(zé)人Sascha Brune繼續(xù)說道：

　　“這項(xiàng)新研究促進(jìn)了我們對(duì)自然產(chǎn)氫的合適環(huán)境的理解。”

　　“考慮到與天然氫氣相關(guān)的經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)，現(xiàn)在是時(shí)候進(jìn)一步研究氫氣的遷移途徑和深層的氫消耗微生物生態(tài)系統(tǒng)，以更好地了解潛在的氫氣儲(chǔ)層可以在哪里形成。”

　　Zwaan說道：“總的來說，我們可能正處于天然氫氣勘探的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此，我們可能正在見證一個(gè)新的天然氫工業(yè)的誕生。”

　?。ㄋ夭膩碜裕篏FZ Helmholtz Centre for Geosciences 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）