随着全球对清洁能源的需求日益增长，天然氢作为一种高效清洁能源，有望成为未来能源界的“新宠”。“寻找天然氢源的热潮”入选Science杂志2023年度十大科学突破引起了全球“淘氢热”(Hand, 2023)。最近一些发现证明地质环境中赋存一定含量的天然氢气，如以大洋中脊、大陆裂谷为代表的构造活动带和以前寒武大陆岩石圈为代表的稳定地台区（Zgonnik, 2020）。美国地质调查局（USGS）建立的全球地质氢资源预测模型评估显示，地下天然氢资源潜力在万亿吨量级(Ellis and Gelman, 2024)。尽管天然氢气资源规模巨大，且研究人员在沉积盆地天然气勘探过程中发现了诸多天然氢气显示（Milkov, 2022; Wei et al., 2025），但对于沉积盆地天然气系统中氢气的来源、转化方式、生产潜力及捕获氢气的能力尚不清楚。
针对这一科学问题，北京大学金之钧院士团队刘全有教授及其博士生魏永波，联合中国科学院地质与地球物理研究所、中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院学者，以中国松辽盆地徐家围子凹陷庆深气田深层火山岩天然气藏为研究对象，对23个天然气样品进行了气体组分、稳定碳氢同位素及稀有气体同位素分析（Liu et al., 2025）。研究发现，庆深气田天然气主要以CH4（74.61~97.09%）和CO2（0.0018%~22.68%）为主，含有一定含量的N2（0.53%~8.61%）和H2（0~5%）。不同气体含量与氢气含量之间无显著相关性，暗示氢气与其他气体在成因上并不具有一致性，或许经历了复杂的生成和消耗过程。进一步通过甲烷氢同位素与氢气氢同位素之间的相关关系及氢同位素厘定的天然氢气生成温度，结合深部富氢流体跨圈层相互作用过程，他们提出了低温条件下水岩反应、水辐射分解、有机质演化和高温条件下幔源氢气、水岩反应、水的辐射分解两类天然氢气成因类型，建立了含火山岩沉积盆地中天然氢气的壳-幔混合成因富集系统（图1）。
图1 含火山岩沉积盆地中天然氢气的壳-幔混合成因富集模式
研究团队发现庆深气田天然气具有CH4含量偏高、烷烃碳同位素“倒转”、碳同位素偏重、R/Ra普遍大于1.0、CO2含量差异大、幔源挥发分输入的特征；通过碳同位素、气体含量、稀有气体同位素、CO2/3He、CH4/3He等参数分析，文章明确了庆深气田深层火山岩气藏中CH4为有机质、幔源、费托合成（Fischer-Tropsch synthesis）三种来源的混合产物。他们基于碳同位素建立了壳-幔二端元气体混合模型，定量评估了不同成因CH4储量。结果显示，庆深气田非生物成因CH4占25.0%~49.3%，储量贡献为952亿方，首次证实非生物成因CH4可以形成工业性气藏；进一步利用产出典型非生物气(δ13C1=-17.4‰)的芳深2井，计算出地幔来源CH4和费托合成来源CH4所占比例分别为84%和16%，最后估算费托合成CH4储量为152亿方。基于费托合成公式中CH4与H2之间的转化关系，研究团队采用混源模拟方法恢复了气体之间的转化过程，计算结果揭示费托合成消耗转化了约97.8%的原始天然氢气，原始天然气藏中天然氢气含量介于13.79%~24.08%（平均19.80%）（图2），并评估出最大原始氢气储量约619亿方。
图2 庆深气田深层火山岩气藏样品恢复后的最大气体含量
研究团队还采用成因法计算了庆深气田通过水辐射分解、水岩反应和幔源输入方式分别产生了5720亿方、2480亿方和1270亿方的天然氢气，共计9470亿方，其中约6.6%的天然氢气被深层火山岩气藏捕获。该研究证明了含火山岩沉积盆地中的天然气系统具备捕获规模天然氢气的能力，但容易被转化为非生物成因CH4资源，最后建立了深部流体背景下沉积盆地中天然氢气成因和富集体系（图3），深化了人们对地下“氢气工厂”的认识，丰富了天然氢气形成和富集机理。
图3 松辽盆地庆深气田天然氢气形成与富集模式。（A）在板块俯冲作用下，携带挥发分的深部富氢流体进入地壳浅层并释放非生物成因气体。NW，西北；MTZ，地幔过渡带；DMM，亏损上地幔；（B）沉积盆地和基底岩石通过水岩反应、水辐射分解、有机质分解及费托地质合成反应生成和消耗氢气
总的来说，该研究强调了以下三方面内容：（1）深部流体作为圈层相互作用的纽带可能为浅部沉积盆地贡献了多种非生物成因气体，如CH4、H2、CO2、He等；（2）沉积盆地接受了多种氢源所释放的氢气，并且含有多种碳源，反应生成的非生物成因甲烷值得被工业重视和勘探开发；（3）从地球圈层相互作用的视角评价沉积盆地及其中所蕴含的油气藏的形成和演化，评估天然气多组分相互转化过程、机制以及深部流体在其中发挥的作用尤为重要。
主要参考文献
Hand E. Hidden hydrogen: Earth may hold vast stores of a renewable, carbon-free fuel? Science, 2023, 379: 630-636.
Zgonnik V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review. Earth-Sci Rev, 2020, 203: 103140.
Ellis G S, Gelman S E. Model predictions of global geologic hydrogen resources. Sci Adv, 2024, 10: eado0955.
Milkov A V. Molecular hydrogen in surface and subsurface natural gases: Abundance, origins and ideas for deliberate exploration. Earth-Sci Rev, 2022, 230: 104063.
Wei Y, Liu Q, Zhu D, et al. Helium and natural hydrogen in the Bohai Bay Basin, China: Occurrence, resources, and exploration prospects. Appl Energy, 2025, 383: 125398.
Liu Q, Wei Y, Li P, et al. Natural hydrogen in the volcanic-bearing sedimentary basin: Origin, conversion, and production rates. Sci Adv, 2025, 11: eadr6771.（原文链接）
（撰稿：魏永波/油气理论与方法学科中心）
魏永波（博士生）
