摘要：具有較大可開采儲量的地質成因氫氣是初級能源的潛在來源，但這一重要儲庫尚未引起工業領域的足夠重視。近期發表在Science的一項研究報道了艾爾巴尼亞布爾奇察（Bulqizë）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」現象不能單純歸因於巖石中古流體的釋放或當今活躍且普遍的超鎂鐵質巖石的蛇紋石化作用，而更可能來源於蛇綠巖內部受斷裂系統控制的氫氣儲庫。這一發現表明，某些蛇綠巖可能蘊藏著具有經濟價值的氫氣。
氫氣如同電力一樣，是一種無碳清潔能源。然而，地質成因的H 2 一直以來被長期忽視，對其有效利用將有助於減少碳排放，實作經濟社會的能源結構轉型。此前認為H 2 分子具有強前移性並易於再活化，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環境下的地表滲濾、地下礦井和鉆孔中均發現了富H 2 流體，從而對早期觀點提出了質疑。尤為重要的是，以橄欖巖為主的超鎂鐵巖在蛇紋石化過程中會釋放富H 2 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) 2 SiO 4 ]是組成地幔巖石的主要礦物，其中的Fe 2+ 可與水反應並被氧化為Fe 3+ ，同時水中的氫還原為H 2 （3Fe 2 SiO 4 +2H 2 O→Fe 3 O4+3SiO 2 +2H 2 ）。盡管開發地質成因的H 2 作為清潔燃料或生活能源可能非常重要，但目前對於巖石圈中H 2 形成機制、地質背景和積累過程的理解仍然有限，同時對於H 2 可采資源量和經濟資源量的量化不足，難以判斷其作為可開采初級能源的潛力。認識受限的主要原因，在於深部地質流體直接采樣難度大，以及潛在的H 2 富集地區缺乏觀測設施。這就引出了一個關鍵問題：是否存在與石油相媲美的H 2 地質系統？
位於艾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地之一（圖1），礦區1992年於距地表620公尺深處首次發現可燃瓦斯，此後2011年、2017年和2023年分別發生過重大霹靂，至今仍顯示出強烈的脫氣現象，是研究蛇綠巖深部H 2 釋放的理想實驗場。基於以上想法，來自法國格勒諾布爾艾爾卑斯大學的Laurent Truche教授及其合作者在布爾奇察鉻鐵礦礦井中利用瓦斯流量計和傳感器觀測了排放瓦斯的流量和H 2 濃度，並進行了進一步研究。觀察發現，地表以下500-1000公尺脫氣作用較為強烈（圖2），在斷裂發育處的排水池中出現強烈的氣泡活動。實測的某礦井幾個劇烈冒泡區的瓦斯流速為5±1L/s（25℃和1.031×10 5 Pa條件下），含H 2 （84.0vol%）、CH 4 （13.2vol%）與少量N 2 （2.7vol%）組成，計算得到H 2 流量總計為158噸/年。同樣測得在38個相互連通的鉆孔內提供了42噸/年的額外H 2 流量。因此，每年至少有200噸H 2 從礦井中釋放出來（1.0×10 8 mol/yr）。這是迄今為止記錄到的最大的H 2 流量，大大超過了之前報道的蛇綠巖中滲濾和高堿性熱泉的脫氣速率，那麽如此強烈的脫氣是什麽原因造成的？
圖1 （左）布爾奇察蛇綠巖和鉻鐵礦地質簡圖，標註鉻鐵礦礦體位置及深部富H 2 斷裂帶；（右）沿A-B和C-D橫斷面的地質剖面圖
圖2 布爾奇察鉻鐵礦礦山地下三維示意圖。（A）標註含H 2 斷裂帶位置的深部示意圖；（B）觀測H 2 脫氣速率的位置
研究者隨後探討了三種可能的解釋（圖3）。第一種情況關註巖石中的古流體釋放。以當今H 2 流量計算，布爾奇察蛇綠巖將在250到1300年的時間耗盡全部賦存的H 2 ，顯然這種情況是不可能的。第二種情況假定礦井中觀察到的H 2 流來源於現今活躍的低溫蛇紋石化。首先，蛇紋石化的擴充套件速率0.15m/yr顯著大於布爾奇察蛇綠巖的隆升速率（0.6mm/yr）。另外，實測的布爾奇察H 2 流量與全球深部地質來源H 2 產率進行對比，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際的。
第三種情形中，研究者認為在礦井中觀測到的H 2 流量是產生後儲集在斷裂帶中的H 2 釋放的結果。礦井施工打穿了斷裂帶的頂部，釋放了儲存在這個封閉區域（孔隙儲集層）內的瓦斯。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 km 3 ，足以維持H 2 以觀測到的流量釋放6年。考慮到斷層體積的估算範圍和假設的相同孔隙度，觀測到的流量可以持續25到238年，也即是說，該斷裂帶中的H 2 總儲量可達5000至50000噸。蛇綠巖深層溫度為40℃至160℃，且比較幹燥，這些條件可能阻礙了微生物活動（太熱）和非生物氧化還原反應（太冷）對H 2 的消耗。在地殼中隔離了數十億年的富H 2 流體已經在地下礦井和前寒武地盾的鉆孔中被發現報道過，證明H 2 可以在地質時間尺度上積累。
圖3 三種不同情形下，p流量恒定時（1.0×10 8 mol/yr）排放時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範圍
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，而且還具有儲存高品質、富H 2 氣藏的潛力。在蛇綠巖環境下，H 2 可以集中儲集在裂縫帶和圈閉中，具有大規模聚集的潛力，可能會對當今及未來的新能源勘探產生重大影響，因此有望成為今後H 2 勘探的目標。
編者按：該研究為H 2 這一清潔能源的深部地質成因提供了一個重要例項。研究更多的是以「報道」為主，對於蛇綠巖中H 2 的生成機制並未深入探討，尚存在以下開放性問題：1）需要全面認識影響H 2 運移路徑和聚集的構造和巖石物理因素，以指導勘探；2）目前關於蛇綠巖環境下構造和圈閉的性質仍不確定；3）鉻鐵礦和H 2 排放之間的可能聯系；4）H 2 資源的性質和對於依附H 2 生存的深層微生物生態系的影響。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關鍵角色，對於當今和深時全球氣候環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資源。蛇綠巖，這一古老的巖石學概念，正在煥發新的活力；對於國內的研究人員而言，既是機遇也是挑戰。
主要參考文獻
Ellison E T, Templeton A S, Zeigler S D, et al. Low‐temperature hydrogen formation during aqueous alteration of serpentinized peridotite in the Samail ophiolite[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth , 2021, 126(6): e2021JB021981.
Kelley D S, Karson J A, Früh-Green G L, et al. A Serpentinite-Hosted Ecosystem: The Lost City Hydrothermal Field[J]. Science , 2005, 307(5714): 1428-1434.
Leong J A, Nielsen M, McQueen N, et al. p and Cp outgassing rates in the Samail ophiolite, Oman: Implications for low-temperature, continental serpentinization rates[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta , 2023, 347: 1-15.
Neal C, Stanger G. Hydrogen generation from mantle source rocks in Oman[J]. Earth and Planetary Science Letters , 1983, 66: 315-320.
Truche L, Donzé F-V, Goskolli E, et al. A deep reservoir for hydrogen drives intense degassing in the Bulqizë ophiolite[J]. Science , 2024, 383, 618-621.
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/巖石圈與環境室）
美編：傅士旭(華東師大）
校對：萬鵬
