氢气储存对天然碱矿床力学特性的影响机制研究

本研究针对地下氢气储存(UHS)技术中宿主岩体稳定性问题，首次系统探究了氢气(H2)对怀俄明州天然碱岩(trona)的力学特性影响。通过50%H2和100%H2处理实验结合SEM/XRD/BET分析，发现氢气暴露导致三轴抗压强度降低14-33%，但弹性模量显著提升88-166%，揭示了H2-矿物反应对储氢岩体力学性能的双重调控机制。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注，但大规模储氢技术成为制约其发展的关键瓶颈。地下氢气储存(UHS)虽具潜力，却面临宿主岩体与氢气长期作用的稳定性难题——现有研究多集中于盐岩洞穴，而对富含碳酸盐矿物的天然碱矿床(trona)这一潜在储氢介质知之甚少。更棘手的是，氢气可能通过复杂的矿物化学反应改变岩体微观结构，进而影响其宏观力学性能，这种"氢脆效应"直接关系到储氢设施的安全运行。

怀俄明大学氢能研究中心(University of Wyoming Hydrogen Energy Research Center)的Ehsan Dabbaghi团队在《Journal of Energy Storage》发表突破性研究，首次揭示了氢气对天然碱岩力学特性的双重影响规律。研究人员采集美国怀俄明州Sweetwater County的天然碱样本，通过创新性的"高压氢岩反应-多尺度表征"实验体系，发现50%H₂和100%H₂处理会使三轴抗压强度分别降低14%和33%，但反常地使弹性模量提升88%和166%。这种强度-刚度解耦现象颠覆了传统认知，为评估天然碱矿床储氢可行性提供了关键科学依据。

关键技术方法包括：对25mm/38mm直径的圆柱试样进行4MPa压力、室温条件下的两周氢气处理；采用X射线衍射(XRD)分析矿物相变；通过扫描电镜(SEM)和BET比表面积测试表征微观结构；开展单轴/三轴压缩试验测定力学参数。

【Geologic context】
研究样本取自全球最大的天然碱矿床——美国怀俄明州Green River盆地Wilkins段，该地层含有70%碳酸钠的典型蒸发岩矿物组合，其Na₃(HCO₃)(CO₃)·2H₂O化学组成与盐岩具有可比性，是研究储氢介质矿物反应的理想模型。

【X-ray diffraction (XRD)】
XRD图谱显示氢气处理导致trona、natrite等主矿物含量下降，wegscheiderite等次生矿物增加，证实H₂与碳酸盐矿物发生化学反应。50%H₂组出现thermonatrite新相，100%H₂组则检测到更多nahcolite，表明氢浓度差异引发分异反应路径。

【Discussion】
机理分析指出，H₂可能通过两种途径影响岩体：(1)与Fe₃O₄等杂质矿物反应生成水分子，引发溶蚀效应；(2)破坏CO₃^2-晶格结构导致微裂纹扩展。弹性模量升高源于矿物相变产生的致密化结构，而强度降低则归因于氢致裂纹的应力集中效应。

【Conclusions and recommendations】
该研究首次建立氢气浓度-矿物反应-力学性能的定量关系，揭示天然碱矿床储氢需平衡"强度衰减"与"刚度增强"的双重效应。建议后续研究应关注：(1)长期循环载荷下的性能演变；(2)实际地层温度压力耦合作用；(3)杂质矿物催化反应的抑制策略。这些发现为全球最大天然碱矿区的储氢潜力评估提供了理论基石。