综述：地质氢：从天然存在到人为生成——基础原理、潜力、挑战与前景的综述

《Earth-Science Reviews》：Geologic hydrogen: From natural occurrences to anthropogenic generation – A review of fundamentals, potential, challenges and prospects

本文系统探讨地质氢的生成、迁移与储集机制，提出区别于石油系统的地质氢系统框架，并评估美国三大潜力区（蛇纹岩带、中大陆裂谷和超铁层），强调数值模拟与机器学习在勘探中的应用，同时指出反应动力学与全生命周期评估等关键知识缺口。

　　随着全球对氢气需求的不断增长，传统基于重整和碳管理的供应体系正面临环境和经济上的挑战，同时电解制氢能力的扩大也受到资本限制。在此背景下，地质氢气作为一种由地球内部生成并储存的分子氢（H?）资源，展现出其独特的价值和潜在的低成本优势，但目前的勘探仍处于非系统化状态。本文旨在全面探讨地质氢气的形成机制、分布特征及勘探潜力，提出一个与石油系统相似但适用于氢气特性的地质系统概念，并以美国为案例，评估其可能的地质氢气系统。

氢气作为全球能源资产的重要组成部分，正在成为可持续、多功能的能源载体，广泛应用于交通运输、电力生产和重工业领域。当前，商业氢气主要来源于地表上的成熟生产路径，包括蒸汽甲烷重整（通常结合部分碳捕集）以及由可再生能源驱动的电解过程。然而，越来越多的关注开始转向那些源自地下的氢气资源，这些资源可能为整体供应体系提供新的选择，提高其多样性和规模。地质氢气通常被分为两类：自然氢气和人为氢气。自然氢气是通过地质和地球化学反应自主生成的，其中蛇纹岩化超基性岩是典型的例子。人为氢气则是通过在铁质或含烃地层中人为刺激氧化还原反应或就地转化石油而生成的，例如通过向橄榄石主导的岩层注入水或在油井中进行氢气提取。尽管地质氢气的概念已有数十年的历史，但其商业化开发仍处于初级阶段，目前，马里共和国的Bourakébougou油田仍是自然氢气大规模开发的代表性案例。然而，全球蛇纹岩带中记录的富含氢气的渗漏现象，以及美国旧有油气和水井中发现的意外氢气迹象，表明一个大量存在但尚未充分勘探的资源基础可能已经形成。

本文通过重新审视全球已确认的氢气渗漏和地下富集区域，分析这些区域的生成机制、迁移路径和封存条件，提出一个基于过程的地质氢气系统概念，与石油系统形成对比。同时，以美国为案例，评估其潜在的地质氢气系统。文章还探讨了自然系统与人为系统在生成氢气方面的作用机制，包括蛇纹岩化、地幔脱气或辐射分解等自然过程，以及人为刺激的相同反应或就地转化石油的过程。为了实现可持续的氢气积累，生成速率必须超过物理、化学和微生物的综合损失速率，Bourakébougou油田就是一个典型的例子，它通过雨水的蛇纹岩化作用，在高效的盖层下形成自补给、自由气体储层。潜在的地质氢气资源可能出现在铁质岩石、深部断层和低渗透性封闭岩层共存的地区。基于这一原则，文章指出了美国地质地形中三种有前景的氢气勘探类型：蛇绿岩带（阿巴拉契亚和加利福尼亚地区）、中大陆裂谷以及苏必利尔湖的条带状铁质岩层。

为了加快勘探和降低未来生产的不确定性，多物理场数值模型和正负标签机器学习方法被应用于地质氢气研究。然而，反应动力学、刺激策略以及全面的技术经济和生命周期评估仍然是关键的知识缺口。本文还探讨了地质氢气研究的未来展望，包括基础地质科学、实验室和现场实验、先进建模以及技术经济和政策分析。这些领域的进展对于将地质氢气从科学奇观转化为新兴氢经济中的可信组成部分至关重要。

本文旨在系统梳理地质氢气的最新研究成果，提出一个适用于氢气特性的地质系统概念，以指导资源评估、勘探和生产决策。具体而言，文章从以下几个方面展开：

首先，明确术语，通过区分基于颜色的命名方式，采用基于机制的描述，以区分自然和人为的地下氢气类型。传统上，氢气的生产常常使用颜色分类法，其中每种颜色代表特定的生成机制。然而，这种分类在文献中应用不一致，有时将相同的颜色应用于不同的生成路径，容易造成混淆。因此，文章简要描述了最常用的几种颜色术语，并在后续讨论中避免使用颜色分类法，转而采用基于机制的描述方式。

其次，总结全球不同构造背景下氢气的分布情况，并评估已报告的浓度和通量。自然氢气的形成通常与地质和地球化学反应有关，例如蛇纹岩化超基性岩。人为氢气则涉及在铁质或含烃地层中的氧化还原反应刺激，如通过向橄榄石主导的岩层注入水或就地转化石油。虽然地质氢气的概念已有多年历史，但其商业化开发仍相对有限，而Bourakébougou油田的发现则表明自然氢气具有一定的勘探潜力。

第三，定义自然和工程化地质氢气系统的组成要素和过程，并明确其与传统石油系统的相似性和差异性。在石油勘探的背景下，石油系统提供了理解油气聚集的成熟框架，并为组织当前对地质氢气系统的研究提供了结构参考。然而，氢气的物理化学行为与石油有所不同，例如其高扩散性、对氧化剂的强反应性以及易被微生物消耗的特性，这些都需要在地质系统概念设计过程中加以考虑。

第四，详细分析氢气的生成、迁移、消耗和封存机制，整合近年来在岩石学、地球化学、微生物学和多相流方面的研究进展。氢气的形成和迁移过程受到多种因素的影响，包括地质构造、水文条件、温度和压力等。不同地质环境下的氢气迁移和封存机制可能有所差异，因此需要系统研究这些过程，以提高对地质氢气资源的识别能力。

第五，以美国为案例，识别潜在的地质氢气系统。图11综合了美国潜在地质氢气系统组件的分布情况，该图整合了文献资料，包括已知的氢气生成井、根据地质环境分类记录的不同类型的氢气渗漏现象、潜在的氢气源岩分布以及与基底断层相关的深部迁移路径。目前，美国的地质氢气资源仍然较为有限，且大多数是意外发现，尚未形成系统化的勘探和开发模式。

第六，回顾在地质氢气研究中使用的数值和机器学习方法，探讨如何通过多物理场模拟与新兴地理空间数据的结合，加快勘探进程。数值模拟在研究地质氢气能源方面具有重要作用，不仅能够补充实验方法，以理解复杂的多物理场地下过程，还能支持工业应用的场规模模型开发。机器学习方法的应用也在不断增长，包括利用大语言模型进行文献综述、识别适合氢气储存的盐洞、预测地下储存中的氢气润湿性、估算氢气在水溶液中的溶解度、模拟氢气流动行为和储存体积等。这些方法为地质氢气的勘探和开发提供了新的工具，有助于提高资源识别的效率和准确性。

第七，识别关键的知识缺口和研究优先级，涵盖实验室动力学、现场试验、技术经济分析和生命周期评估。尽管地质氢气的研究取得了进展，但许多关键问题仍未解决，例如反应动力学、刺激策略以及全面的技术经济和生命周期评估。这些问题的解决对于推动地质氢气的商业化发展至关重要，同时也需要进一步的现场试验和实验室研究，以验证理论模型的适用性。

在地质氢气研究中，识别资源潜力是至关重要的一步。传统的资源潜力分析方法，如在石油和天然气以及矿产勘探行业中使用的系统化方法，通过整合地质、地球化学和地球物理数据，识别最可能包含目标资源的区域。然而，在地质氢气研究中，除了这些基础数据外，还需要考虑关键的生成过程和组成要素，以更准确地评估资源潜力。此外，随着多物理场数值模型和机器学习方法的不断发展，这些工具在资源潜力分析中的应用也日益广泛，有助于提高勘探效率和降低风险。

展望未来，地质氢气研究的发展方向包括基础地质科学、实验室和现场实验、先进建模以及技术经济和政策分析。这些领域的进展对于将地质氢气从科学奇观转化为新兴氢经济中的可信组成部分至关重要。同时，研究还指出，目前在实验室动力学、现场试验、技术经济分析和生命周期评估等方面仍存在诸多知识缺口，需要进一步研究和探索。此外，文章还强调了实验室研究和现场试验的重要性，以验证理论模型的适用性，并为实际应用提供科学依据。

通过本文的系统梳理，可以发现地质氢气在未来的能源体系中具有重要地位。其形成和分布机制与石油系统有相似之处，但也存在显著差异。因此，建立一个适用于氢气特性的地质系统概念，对于指导资源评估、勘探和生产决策具有重要意义。同时，随着技术的发展，数值模拟和机器学习方法的应用将进一步提高勘探效率，为地质氢气的商业化开发提供支持。然而，要实现这一目标，仍需解决诸多关键问题，包括反应动力学、刺激策略以及全面的技术经济和生命周期评估。这些问题的解决将有助于推动地质氢气的广泛应用，为全球能源转型提供新的选择。

综上所述，地质氢气作为一种新兴的能源资源，具有重要的研究价值和应用前景。通过系统研究其形成机制、分布特征及勘探潜力，可以为未来的资源开发提供科学依据。同时，随着技术的进步，数值模拟和机器学习方法的应用将进一步提高勘探效率，降低开发风险。然而，要实现地质氢气的商业化应用，仍需解决诸多关键问题，包括反应动力学、刺激策略以及全面的技术经济和生命周期评估。这些问题的解决将有助于推动地质氢气的广泛应用，为全球能源转型提供新的选择。