為能源轉型成功開發(fā)可持續(xù)的地質資源是21世紀人類面臨的關鍵挑戰(zhàn)。氫氣（H2）具有取代現(xiàn)有化石燃料的巨大潛力，同時消除了相關的二氧化碳和其他污染物的排放。然而，一個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，因為各種地質過程都能產(chǎn)生氫氣。然而，到目前為止，我們還不清楚應該在哪里尋找潛在的大規(guī)模天然氫儲層。

　　由GFZ亥姆霍茲地球科學中心（GFZ Helmholtz Centre for Geosciences）地球動力學建模部門的科學家Frank Zwaan博士領導的一組研究人員給出了這個問題的答案：利用板塊構造模型。

　　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。這些山脈不僅可能是大規(guī)模自然產(chǎn)氫的理想地質環(huán)境，而且可能形成大規(guī)模的氫氣聚集，可以鉆取氫氣。

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

　　地質環(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，通過細菌轉化有機物質或由大陸地殼中放射性元素衰變驅動的水分子分裂。因此，世界上許多地方都報道了天然氫氣的發(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，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)氫最有希望的機制是地幔巖石與水反應的地質過程。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)百萬年的時間里，地幔巖石被挖掘出來并形成了兩種主要的板塊構造環(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上升（例如在大西洋中）；

　　(2)隨后的盆地關閉和造山，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)

　　深入了解此類構造環(huán)境的演變是正確評估其天然氫潛力的關鍵。GFZ領導的研究小組使用最先進的數(shù)值板塊構造建模方法，并根據(jù)自然例子的數(shù)據(jù)進行校準，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板塊構造演化過程。

　　在這些模擬中，研究人員首次能夠確定在何地，何時，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，同時山區(qū)內沿大斷裂的大量水循環(huán)使其蛇紋石化潛力得以實現(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，對于經(jīng)濟上可行的天然氫體積的積累來說，合適的儲層巖石（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構。

　　山脈中的天然氫勘探

　　這一已發(fā)表的研究結果為加強山區(qū)天然氫氣勘探提供了強烈的推動力。事實上，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鍵是發(fā)展新的概念和探索策略。”

　　“特別重要的是，經(jīng)濟自然儲層的形成如何受到給定勘探地點的構造歷史的控制。特別是，我們需要確定所涉及的關鍵地質過程的時間，因為如果氫氣儲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，從本研究中進行的板塊構造模擬中獲得的見解將具有很大的價值。”

　　GFZ地球動力學建模部門負責人Sascha Brune繼續(xù)說道：

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

　　“考慮到與天然氫氣相關的經(jīng)濟機會，現(xiàn)在是時候進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折點。因此，我們可能正在見證一個新的天然氫工業(yè)的誕生。”

　　（素材來自：GFZ Helmholtz Centre for Geosciences 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）