综述：天然氢系统的地质形成、全球潜力及技术经济评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Geological generation, global potential, and techno-economic assessment of natural hydrogen systems

　　艾曼·拉拉姆|帕里萨·巴扎齐
美国科罗拉多州戈尔登市科罗拉多矿业学院石油工程系，邮编80401

摘要
天然氢是一种新兴的地质资源，具有为全球能源供应做出重要贡献的巨大潜力。本研究整合了150多项研究的结果，探讨了天然氢系统的生成机制、全球分布情况、实验研究结果、经济可行性以及环境影响。地下氢气是通过超镁铁质岩的蛇纹石化作用、放射性衰变引发的水分解、有机物的热化学分解以及机械化学水-岩反应等过程产生的。来自六大洲的案例研究表明，天然氢分布广泛，通常与超镁铁质岩出露区、圆形洼地以及断层带等地质特征相关。在适宜的地质条件下，天然氢的生产成本可能远低于目前的绿色氢气价格，这表明其作为一种具有竞争力的清洁能源具有巨大潜力。实验研究显示，氢气生成的最佳温度范围约为200–315摄氏度，而通过注入二氧化碳等技术可显著提升氢气生成效率。尽管存在快速的温度依赖性重新平衡问题，但同位素分析（δ2H、δ13C）结合地质背景和气体成分，仍能帮助了解氢气系统的特性。虽然资源评估、提取技术以及监管框架等方面仍存在挑战，但天然氢有望成为可持续能源体系中的重要组成部分，堪称发现新的无碳天然气储备的地质类比。本文全面总结了当前关于天然氢的知识，并指出了这一新兴领域未来研究和发展的关键方向。

引言
随着各国致力于实现净零碳排放目标，全球对氢气作为清洁能源载体的兴趣呈指数级增长。目前全球氢气需求约为每年1亿吨，预计到2050年这一数字还将增加五倍[1]。然而，目前超过96%的氢气仍是通过化石燃料生产的（主要是通过天然气的蒸汽甲烷重整法），从而导致大量的二氧化碳排放[1]。因此，开发低碳氢气生产途径至关重要。目前，以可再生能源驱动的水电解法是主要的绿色氢气生产方式，但其能耗高且成本昂贵。不同地区的生产成本差异很大：在美国市场，绿色氢气的价格通常为每千克4–7美元，而在欧洲则介于4–16欧元之间（很多时候超过10欧元/千克），这反映了电力价格、可再生能源可用性以及基础设施等方面的差异[2]。在这种背景下，天然氢——即由地球地壳中的地质过程生成的氢气——逐渐被视为一种具有变革意义的无碳氢气来源[3]。与人工制造的氢气不同，天然氢的生成无需外部能量输入，而是由地下反应持续产生的。如果能够找到并提取这些氢气储集层，它们就能提供低成本的高品质清洁燃料。天然氢因其珍贵性而被称作“黄金氢”或“白色氢”，一些人甚至认为它可能如同石油的发现一样，开启能源领域的新的发展前景[4]。

国际能源署等机构早前的评估已经认识到地下氢气有可能成为未来氢气供应的重要来源，不过其作用仍存在很大不确定性[5]。最近的综述既强调了天然氢的潜力，也指出了其中的不确定性，指出尽管有关其存在的证据越来越多，但关于其生成、迁移以及可持续性等问题仍有许多基本疑问未解[3][4]。自2025年以来，多项重要的综述和政策评估进一步推动了这一领域的发展。Ballentine等人（2025年）提出了大陆地壳中氢气积累的“源-迁移-圈闭-封存”框架，并指出不应将天然氢视为可在数十年时间尺度上重复利用的资源[6]。Etiope等人（2026年）指出了在氢气生成速率估算、地表流量解读以及资源量化方面的关键科学缺口[7]。Mao等人（2025年）对地下动态、勘探以及运输方面的挑战进行了全面分析[8]。Liu等人（2026年）编制了全球已确认的氢气渗出点清单，并提出了统一的地质氢气系统概念[9]。英国皇家学会的政策简报认为，在地质条件、工业发展以及监管措施相互配合的情况下，天然氢可以成为一种可行的低碳资源，但也强调其大规模应用的成本竞争力尚未得到证明[10]。Johnson等人（2025年）将氢气置于更广泛的能源转型背景下进行分析，指出目前氢气生产成本仍存在五倍的差异，2030年的部署目标也面临诸多挑战[11]。

图1总结了氢气发展的关键指标。全球氢气需求从2021年的约9400万吨增长到2024年的近1亿吨，预计到2050年还将再增加五倍（见图1a）。目前仍有超过96%的氢气是通过化石燃料生产的，其中包括蒸汽甲烷重整法（48%）、废气处理（30%）以及煤的气化（18%），而仅约4%的氢气来自电解法（包括副产品电解和专用电解），这凸显出迫切需要开发低碳替代方案（见图1b）。预计到2040年，氢气市场的价值将从2024年的2045亿美元增长到约7000亿美元（见图1c）。在氢气消费结构中，炼油业和氨气生产分别占57%和36%（见图1d）。这些趋势都表明，为了可持续地满足不断增长的氢气需求，有必要探索天然氢等非常规氢气来源。

本综述从三个关键方面弥补了近期研究中的若干不足。首先，它基于资本回收率建立了一套统一的技术经济分析框架，并通过敏感性分析确定了主要成本驱动因素，以及天然氢能够在何种条件下与灰色氢、蓝色氢和绿色氢竞争。其次，它汇总了2020–2025年间关于温度依赖性蛇纹石化动力学、二氧化碳强化反应以及低温氢气生成方面的最新实验结果，形成了一个统一的数据集（见表3、图5），便于在不同研究之间进行直接比较。第三，它整理了近年来用于氢气勘探的机器学习及统计方法，包括前景预测绘图、基于AVO的流动分类以及遥感技术，这些方法此前尚未被整合在同一个分析框架中。此外，该综述还通过比较原位生成速率与商业开采需求来评估资源的可持续性，并探讨了诸如人工诱导蛇纹石化以及“橙色氢”生产之类的刺激策略。

地质生成机制
地球地壳和上地幔中的多种自然过程能够生成氢气[3][4]。这些过程发生在不同的地质环境和时间尺度上，从快速的热液反应到历经数百万年的缓慢放射分解反应都有[13]。其中最主要的生成途径之一是蛇纹石化作用，即含有二价铁矿物的超镁铁质岩与水发生反应，生成蛇纹石、磁铁矿以及氢气[14][15]。另一种生成途径是放射分解作用，其动力源自放射性元素的衰变。

全球分布与探测
过去二十年间，全球范围内报告的天然氢气发现案例大幅增加。曾经只有零星个案，比如马里的“燃烧井”或俄罗斯的一些无法解释的氢气渗出现象，现在则被视为某种更广泛的地质模式的一部分[40][72]。在从太古宙克拉通到显生宙盆地以及年轻的火山区域等各种地质环境中，都已有天然氢气存在的记录[3]。了解这些案例以及相关的探测方法，对于指导未来的勘探工作以及识别潜在资源具有重要意义。

实验与建模研究
实地观测可以确定天然氢气的来源和位置；而实验和建模则有助于了解氢气的生成量及其持续存在的原因。通过在实验室中重现地质过程并进行计算机模拟，科学家们能够量化反应速率、产率以及影响氢气生成和滞留的各种因素[14]。这些研究成果对于评估资源潜力以及开发提高生成效率的方法至关重要。下一节将进一步探讨……

经济与环境评估
要想让天然氢从科学上的新发现转变为实际的能源资源，它必须具备明显的经济优势和环境优势。本节将对比天然氢生产与传统氢气生产的经济效益，同时分析其开采和使用过程中带来的环境影响。

现实状况、挑战与未来展望
尽管人们对天然氢的兴趣日益浓厚，但在其得以大规模应用之前，仍需克服诸多地质、技术和经济方面的障碍。堪萨斯州以及澳大利亚阿卡林加盆地的初步钻探结果显示，那里的氢气浓度可高达16.5%，氦气浓度则可达4.4%[171][172]。然而，仅凭泥浆气体检测结果是不够的，还需要井下压力数据以及持续的流量测试才能判断其商业开发可行性[128]。先进的地震勘探技术，如振幅分析等方法，也有助于更准确地评估氢气储藏情况。

结论
本综述综合了目前关于天然氢系统的各项知识，涵盖了其生成机制、全球分布情况、技术经济可行性以及环境影响等方面，同时指出了在这一资源能够为减碳事业做出实质性贡献之前亟需解决的关键问题。研究表明，超镁铁质岩的蛇纹石化作用和水体放射分解作用是天然氢的主要生成途径，实验数据也表明，在200–315摄氏度的温度范围内，氢气生成效率最高。

致谢
艾曼·拉拉姆：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化分析、研究工作。帕里萨·巴扎齐：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、资料收集。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。