摘要：具有較大可開(kāi)采儲量的地質(zhì)成因氫氣是初級能源的潛在來(lái)源，但這一重要儲庫尚未引起工業(yè)領(lǐng)域的足夠重視。近期發(fā)表在Science的一項研究報道了阿爾巴尼亞布爾奇察（Bulqiz?）蛇綠巖伴生的鉻鐵礦深部礦井中存在迄今記錄的最大氫氣產(chǎn)率，計算獲得的年均氫氣排放量高達200噸以上（Truche et al., 2024）。這一氫氣的“井噴”現象不能單純歸因于巖石中古流體的釋放或當今活躍且普遍的超鎂鐵質(zhì)巖石的蛇紋石化作用，而更可能來(lái)源于蛇綠巖內部受斷裂系統控制的氫氣儲庫。這一發(fā)現表明，某些蛇綠巖可能蘊藏著(zhù)具有經(jīng)濟價(jià)值的氫氣。
氫氣如同電力一樣，是一種無(wú)碳清潔能源。然而，地質(zhì)成因的H2一直以來(lái)被長(cháng)期忽視，對其有效利用將有助于減少碳排放，實(shí)現經(jīng)濟社會(huì )的能源結構轉型。此前認為H2分子具有強前移性并易于再活化，一般情況下難以在地下積累成藏（Zgonnik, 2020）。近期在一些特定地質(zhì)環(huán)境下的地表滲濾、地下礦井和鉆孔中均發(fā)現了富H2流體，從而對早期觀(guān)點(diǎn)提出了質(zhì)疑。尤為重要的是，以橄欖巖為主的超鎂鐵巖在蛇紋石化過(guò)程中會(huì )釋放富H2流體，這一現象在當今大洋中脊、造山帶橄欖巖和蛇綠巖中已獲深入研究，如著(zhù)名的大西洋中脊Lost City（Kelly et al., 2005）和阿曼蛇綠巖（Ellison et al., 2021; Leong et al., 2023; Neal and Stanger, 1983）。橄欖石[(Mg,Fe)2SiO4]是組成地幔巖石的主要礦物，其中的Fe2+可與水反應并被氧化為Fe3+，同時(shí)水中的氫還原為H2（3Fe2SiO4 + 2H2O → Fe3O4 + 3SiO2 + 2H2）。盡管開(kāi)發(fā)地質(zhì)成因的H2作為清潔燃料或生活能源可能非常重要，但目前對于巖石圈中H2形成機制、地質(zhì)背景和積累過(guò)程的理解仍然有限，同時(shí)對于H2可采資源量和經(jīng)濟資源量的量化不足，難以判斷其作為可開(kāi)采初級能源的潛力。認識受限的主要原因，在于深部地質(zhì)流體直接采樣難度大，以及潛在的H2富集地區缺乏觀(guān)測設施。這就引出了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：是否存在與石油相媲美的H2地質(zhì)系統？
位于阿爾巴尼亞的布爾奇察地區是世界上最大的蛇綠巖型鉻鐵礦產(chǎn)地之一（圖1），礦區1992年于距地表620米深處首次發(fā)現可燃氣體，此后2011年、2017年和2023年分別發(fā)生過(guò)重大爆炸，至今仍顯示出強烈的脫氣現象，是研究蛇綠巖深部H2釋放的理想實(shí)驗場(chǎng)。基于以上想法，來(lái)自法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)的Laurent Truche教授及其合作者在布爾奇察鉻鐵礦礦井中利用氣體流量計和傳感器觀(guān)測了排放氣體的流量和H2濃度，并進(jìn)行了進(jìn)一步研究。觀(guān)察發(fā)現，地表以下500-1000米脫氣作用較為強烈（圖2），在斷裂發(fā)育處的排水池中出現強烈的氣泡活動(dòng)。實(shí)測的某礦井幾個(gè)劇烈冒泡區的氣體流速為5 ± 1 L/s（25 ℃和1.031×105 Pa條件下），含H2（84.0 vol%）、CH4（13.2 vol%）與少量N2（2.7 vol%）組成，計算得到H2流量總計為158噸/年。同樣測得在38個(gè)相互連通的鉆孔內提供了42噸/年的額外H2流量。因此，每年至少有200噸H2從礦井中釋放出來(lái)（1.0×108 mol/yr）。這是迄今為止記錄到的最大的H2流量，大大超過(guò)了之前報道的蛇綠巖中滲濾和高堿性熱泉的脫氣速率，那么如此強烈的脫氣是什么原因造成的？
圖1 （左）布爾奇察蛇綠巖和鉻鐵礦地質(zhì)簡(jiǎn)圖，標注鉻鐵礦礦體位置及深部富H2斷裂帶；（右）沿A-B和C-D橫斷面的地質(zhì)剖面圖
圖2 布爾奇察鉻鐵礦礦山地下三維示意圖。（A）標注含H2斷裂帶位置的深部示意圖；（B）觀(guān)測H2脫氣速率的位置
研究者隨后探討了三種可能的解釋?zhuān)▓D3）。第一種情況關(guān)注巖石中的古流體釋放。以當今H2流量計算，布爾奇察蛇綠巖將在250到1300年的時(shí)間耗盡全部賦存的H2，顯然這種情況是不可能的。第二種情況假定礦井中觀(guān)察到的H2流來(lái)源于現今活躍的低溫蛇紋石化。首先，蛇紋石化的擴展速率0.15 m/yr顯著(zhù)大于布爾奇察蛇綠巖的隆升速率（0.6 mm/yr）。另外，實(shí)測的布爾奇察H2流量與全球深部地質(zhì)來(lái)源H2產(chǎn)率進(jìn)行對比，布爾奇察礦山獨自貢獻了0.01%-1%的全球通量，這樣的比例是不切實(shí)際的。
第三種情形中，研究者認為在礦井中觀(guān)測到的H2流量是產(chǎn)生后儲集在斷裂帶中的H2釋放的結果。礦井施工打穿了斷裂帶的頂部，釋放了儲存在這個(gè)封閉區域（孔隙儲集層）內的氣體。假設在蛇綠巖斷裂帶的等效孔隙度具有5%的平均值，斷層體積為1.3×10?3 km3，足以維持H2以觀(guān)測到的流量釋放6年。考慮到斷層體積的估算范圍和假設的相同孔隙度，觀(guān)測到的流量可以持續25到238年，也即是說(shuō)，該斷裂帶中的H2總儲量可達5000至50000噸。蛇綠巖深層溫度為40 ℃至160 ℃，且比較干燥，這些條件可能阻礙了微生物活動(dòng)（太熱）和非生物氧化還原反應（太冷）對H2的消耗。在地殼中隔離了數十億年的富H2流體已經(jīng)在地下礦井和前寒武地盾的鉆孔中被發(fā)現報道過(guò)，證明H2可以在地質(zhì)時(shí)間尺度上積累。
圖3 三種不同情形下，H2流量恒定時(shí)（1.0×108 mol/yr）排放時(shí)間隨巖石排空體積和孔隙度的變化規律。灰色區域表示將斷層帶作為儲層估計的體積范圍
此項研究揭示，大洋巖石圈仰沖到大陸之上形成的蛇綠巖不僅是一種有效的烴源巖，而且還具有儲存高質(zhì)量、富H2氣藏的潛力。在蛇綠巖環(huán)境下，H2可以集中儲集在裂縫帶和圈閉中，具有大規模聚集的潛力，可能會(huì )對當今及未來(lái)的新能源勘探產(chǎn)生重大影響，因此有望成為今后H2勘探的目標。
編者按：該研究為H2這一清潔能源的深部地質(zhì)成因提供了一個(gè)重要實(shí)例。研究更多的是以“報道”為主，對于蛇綠巖中H2的生成機制并未深入探討，尚存在以下開(kāi)放性問(wèn)題：1）需要全面認識影響H2運移路徑和聚集的構造和巖石物理因素，以指導勘探；2）目前關(guān)于蛇綠巖環(huán)境下構造和圈閉的性質(zhì)仍不確定；3）鉻鐵礦和H2排放之間的可能聯(lián)系；4）H2資源的性質(zhì)和對于依附H2生存的深層微生物生態(tài)系統的影響。作為保存在大陸之上的古大洋巖石圈，蛇綠巖不僅在板塊構造中扮演著(zhù)關(guān)鍵角色，對于當今和深時(shí)全球氣候環(huán)境變化也具有重要影響。蛇綠巖中賦存的鉻鐵礦更是重要的戰略礦產(chǎn)資源。蛇綠巖，這一古老的巖石學(xué)概念，正在煥發(fā)新的活力；對于國內的研究人員而言，既是機遇也是挑戰。
主要參考文獻
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Zgonnik V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review[J].?Earth-Science Reviews, 2020, 203: 103140.
（撰稿人：胡永強、劉通/巖石圈與環(huán)境室）
