摘要：具有较大可开采储量的地质成因氢气是初级能源的潜在来源，但这一重要储库尚未引起工业领域的足够重视。近期发表在Science的一项研究报道了阿尔巴尼亚布尔奇察（Bulqizë）蛇绿岩伴生的铬铁矿深部矿井中存在迄今记录的最大氢气产率，计算获得的年均氢气排放量高达200吨以上（Truche et al., 2024）。这一氢气的“井喷”现象不能单纯归因于岩石中古流体的释放或当今活跃且普遍的超镁铁质岩石的蛇纹石化作用，而更可能来源于蛇绿岩内部受断裂系统控制的氢气储库。这一发现表明，某些蛇绿岩可能蕴藏着具有经济价值的氢气。
氢气如同电力一样，是一种无碳清洁能源。然而，地质成因的H2一直以来被长期忽视，对其有效利用将有助于减少碳排放，实现经济社会的能源结构转型。此前认为H2分子具有强前移性并易于再活化，一般情况下难以在地下积累成藏（Zgonnik, 2020）。近期在一些特定地质环境下的地表渗滤、地下矿井和钻孔中均发现了富H2流体，从而对早期观点提出了质疑。尤为重要的是，以橄榄岩为主的超镁铁岩在蛇纹石化过程中会释放富H2流体，这一现象在当今大洋中脊、造山带橄榄岩和蛇绿岩中已获深入研究，如著名的大西洋中脊Lost City（Kelly et al., 2005）和阿曼蛇绿岩（Ellison et al., 2021; Leong et al., 2023; Neal and Stanger, 1983）。橄榄石[(Mg,Fe)2SiO4]是组成地幔岩石的主要矿物，其中的Fe2+可与水反应并被氧化为Fe3+，同时水中的氢还原为H2（3Fe2SiO4 + 2H2O → Fe3O4 + 3SiO2 + 2H2）。尽管开发地质成因的H2作为清洁燃料或生活能源可能非常重要，但目前对于岩石圈中H2形成机制、地质背景和积累过程的理解仍然有限，同时对于H2可采资源量和经济资源量的量化不足，难以判断其作为可开采初级能源的潜力。认识受限的主要原因，在于深部地质流体直接采样难度大，以及潜在的H2富集地区缺乏观测设施。这就引出了一个关键问题：是否存在与石油相媲美的H2地质系统？
位于阿尔巴尼亚的布尔奇察地区是世界上最大的蛇绿岩型铬铁矿产地之一（图1），矿区1992年于距地表620米深处首次发现可燃气体，此后2011年、2017年和2023年分别发生过重大爆炸，至今仍显示出强烈的脱气现象，是研究蛇绿岩深部H2释放的理想实验场。基于以上想法，来自法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Laurent Truche教授及其合作者在布尔奇察铬铁矿矿井中利用气体流量计和传感器观测了排放气体的流量和H2浓度，并进行了进一步研究。观察发现，地表以下500-1000米脱气作用较为强烈（图2），在断裂发育处的排水池中出现强烈的气泡活动。实测的某矿井几个剧烈冒泡区的气体流速为5 ± 1 L/s（25 ℃和1.031×105 Pa条件下），含H2（84.0 vol%）、CH4（13.2 vol%）与少量N2（2.7 vol%）组成，计算得到H2流量总计为158吨/年。同样测得在38个相互连通的钻孔内提供了42吨/年的额外H2流量。因此，每年至少有200吨H2从矿井中释放出来（1.0×108 mol/yr）。这是迄今为止记录到的最大的H2流量，大大超过了之前报道的蛇绿岩中渗滤和高碱性热泉的脱气速率，那么如此强烈的脱气是什么原因造成的？
图1 （左）布尔奇察蛇绿岩和铬铁矿地质简图，标注铬铁矿矿体位置及深部富H2断裂带；（右）沿A-B和C-D横断面的地质剖面图
图2 布尔奇察铬铁矿矿山地下三维示意图。（A）标注含H2断裂带位置的深部示意图；（B）观测H2脱气速率的位置
研究者随后探讨了三种可能的解释（图3）。第一种情况关注岩石中的古流体释放。以当今H2流量计算，布尔奇察蛇绿岩将在250到1300年的时间耗尽全部赋存的H2，显然这种情况是不可能的。第二种情况假定矿井中观察到的H2流来源于现今活跃的低温蛇纹石化。首先，蛇纹石化的扩展速率0.15 m/yr显著大于布尔奇察蛇绿岩的隆升速率（0.6 mm/yr）。另外，实测的布尔奇察H2流量与全球深部地质来源H2产率进行对比，布尔奇察矿山独自贡献了0.01%-1%的全球通量，这样的比例是不切实际的。
第三种情形中，研究者认为在矿井中观测到的H2流量是产生后储集在断裂带中的H2释放的结果。矿井施工打穿了断裂带的顶部，释放了储存在这个封闭区域（孔隙储集层）内的气体。假设在蛇绿岩断裂带的等效孔隙度具有5%的平均值，断层体积为1.3×10−3 km3，足以维持H2以观测到的流量释放6年。考虑到断层体积的估算范围和假设的相同孔隙度，观测到的流量可以持续25到238年，也即是说，该断裂带中的H2总储量可达5000至50000吨。蛇绿岩深层温度为40 ℃至160 ℃，且比较干燥，这些条件可能阻碍了微生物活动（太热）和非生物氧化还原反应（太冷）对H2的消耗。在地壳中隔离了数十亿年的富H2流体已经在地下矿井和前寒武地盾的钻孔中被发现报道过，证明H2可以在地质时间尺度上积累。
图3 三种不同情形下，H2流量恒定时（1.0×108 mol/yr）排放时间随岩石排空体积和孔隙度的变化规律。灰色区域表示将断层带作为储层估计的体积范围
此项研究揭示，大洋岩石圈仰冲到大陆之上形成的蛇绿岩不仅是一种有效的烃源岩，而且还具有储存高质量、富H2气藏的潜力。在蛇绿岩环境下，H2可以集中储集在裂缝带和圈闭中，具有大规模聚集的潜力，可能会对当今及未来的新能源勘探产生重大影响，因此有望成为今后H2勘探的目标。
编者按：该研究为H2这一清洁能源的深部地质成因提供了一个重要实例。研究更多的是以“报道”为主，对于蛇绿岩中H2的生成机制并未深入探讨，尚存在以下开放性问题：1）需要全面认识影响H2运移路径和聚集的构造和岩石物理因素，以指导勘探；2）目前关于蛇绿岩环境下构造和圈闭的性质仍不确定；3）铬铁矿和H2排放之间的可能联系；4）H2资源的性质和对于依附H2生存的深层微生物生态系统的影响。作为保存在大陆之上的古大洋岩石圈，蛇绿岩不仅在板块构造中扮演着关键角色，对于当今和深时全球气候环境变化也具有重要影响。蛇绿岩中赋存的铬铁矿更是重要的战略矿产资源。蛇绿岩，这一古老的岩石学概念，正在焕发新的活力；对于国内的研究人员而言，既是机遇也是挑战。
主要参考文献
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. H2 and CH4 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.（原文链接）
Zgonnik V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review[J]. Earth-Science Reviews, 2020, 203: 103140.
（撰稿人：胡永强、刘通/岩石圈与环境室）
