《Journal of South American Earth Sciences》：Natural H2 potential in mature Volcanic Passive Margins: A Pelotas Basin overview
编辑推荐：
摘要火山被动边缘地带存在大量火山岩序列，这些序列可能成为天然氢气（H2）的来源。然而，氢气的生成规模以及其积累和保存的机制目前仍不甚明了。本文以巴西和乌拉圭近海的佩洛塔斯盆地为自然实验室，首次对火山被动边缘地带的氢气系统进行了源汇综合评估。我们整合了448条二维地震资料、井测数据
摘要
火山被动边缘地带存在大量火山岩序列，这些序列可能成为天然氢气（H2）的来源。然而，氢气的生成规模以及其积累和保存的机制目前仍不甚明了。本文以巴西和乌拉圭近海的佩洛塔斯盆地为自然实验室，首次对火山被动边缘地带的氢气系统进行了源汇综合评估。我们整合了448条二维地震资料、井测数据以及新的地球化学数据和40Ar/39Ar地质年代数据，用以模拟该盆地的岩浆活动以及氢气的来源和汇。从理论上来看，该地区在地质时间尺度上具有较大的氢气生成潜力，主要来自含Fe2+矿物的氧化作用，此外还有岩浆脱气、热成作用、辐射分解以及断层作用等贡献。新的40Ar/39Ar年龄数据表明，氢气生成的主要事件发生在盆地形成的早期，大多在储层与封盖层形成之前。这一时间点指向白垩纪时期，当时低硫且孔隙度较高的储层为氢气的保存提供了最佳条件。岩石物理测井数据未检测到游离态氢气，不过这类方法对溶解态氢气并不敏感。通过对比各种氢气来源与汇——尤其是海洋沉积物中的硫元素以及面积达45,000平方公里的生物气水合物带——可以发现，在成熟的火山被动边缘地带，决定氢气资源潜力的关键并非其生成能力，而是保存能力。因此，我们建议在氢气勘探中应重点关注封盖层的完整性，以及硫、二氧化碳、烃类和微生物含量较低的储层。
引言
氢气（H2）被视为能源转型中的重要载体（Kova?等人，2021；Jin和Zhang，2025）。低二氧化碳氢气主要有两种来源：一种是绿色氢气，即利用低碳能源通过水解反应产生的氢气（Kourougianni等人，2024）。用于生产绿色氢气的能源可以是风能、太阳能或水力发电；无论来源如何，绿色氢气始终是一种能量储存方式。另一种则是天然氢气，它与石油和天然气类似，也是一种能源。天然氢气可以直接从地下岩石中开采出来，例如在马里就有此类案例（Prinzhofer等人，2018；Maiga等人，2023；Maiga等人，2024）。由此可见，绿色氢气和天然氢气属于不同的概念：前者是能量储存手段，后者则是能量生产手段。当然，这两种氢气在能源领域之外还有其他应用，比如用于制造肥料和化工产品。
几乎在所有地质环境中都能发现天然氢气，从克拉通地区和造山带（如Zgonnik，2020及相关文献）到大洋中脊（Worman等人，2020）。通常情况下，地壳中的氢气浓度较低，但有时也会达到很高水平（超过90%，参见Zgonnik，2020及相关文献）。不过，这些氢气出现的情况大多与五种能够直接或间接产生氢气的自然现象有关，分别是：I）岩石与水发生反应导致的矿物蚀变（Berndt等人，1996；Smith等人，2005；Worman等人，2016；Murray等人，2020；Truche等人，2020；Worman等人，2020；Zgonnik，2020；Boreham等人，2021）；II）有机物质的过度成熟作用（Smith等人，2005；Zgonnik，2020；Boreham等人，2021；Mahlstedt等人，2022；Horsfield等人，2022；Serratt等人，2024）；III）地幔中的氢气释放（Zgonnik，2020）；IV）辐射分解作用（Lin等人，2005；Lollar等人，2014；Bouquet等人，2017；Boreham等人，2021；Zgonnik，2020）；V）微生物产生的氢气（Dowaidar，2025）。考虑到所有这些产生氢气的可能性，几乎很难找到一种地质环境无法生成氢气。然而，像马里那样的具有经济开发价值的氢气储层其实相当罕见（Prinzhofer等人，2018）。这一事实表明，从经济角度考虑，氢气的地质保存或许比其地质生成更为重要。氢气是一种体积小且易扩散的分子，要想让储层保持密封状态，封盖岩必须具备极高的完整性，储层区域内不能有断层或裂缝。在马里地区，封盖岩为辉绿岩岩床（Maiga等人，2023；Maiga等人，2024），这类火山岩应是寻找封盖岩的首选目标。虽然细粒碎屑岩（Iyare等人，2025）和蒸发岩层（Ahmadpour和Gholami，2025；Gelman等人，2025）也可能起到封盖作用，但即便氢气被封存起来，也可能会被微生物消耗（Zgonnik，2020），或者因储层内的无机反应而发生转变（如Mahlstedt等人，2022）。
美国地质调查局指出，与东海岸磁异常区相关的火山岩可能是氢气系统的潜在来源岩。在地震资料中，这些岩石表现为向海倾斜的反射层，也是火山被动边缘地带的典型特征。这就引发了这样一个问题：一旦火山岩提供了潜在的氢气来源，所有成熟的火山被动边缘地带是否都可能拥有氢气储层？为了解答这个问题，我们研究了巴西南部和乌拉圭的佩洛塔斯盆地，比较了各类可能的氢气来源（如Fe2+氧化、岩浆脱气、热成作用、辐射分解以及断层作用）的强度，以及主要的氢气汇（如硫化物矿物和微生物消耗），同时还分析了储层和封盖层的分布情况。此前关于巴西南部（Serratt等人，2024）和乌拉圭（Sequeira等人，2025；Moretti等人，2026）的天然氢气研究仅限于陆地区域。为了解析佩洛塔斯盆地海域作为氢气系统宿主的潜力，我们分析了地震资料，绘制了首套巴西南部和乌拉圭的等厚图，并计算了沉积岩的体积及其温度。我们利用已有数据估算了向海倾斜反射层及相关火山岩的体积（Chauvet等人，2021）。我们还提供了关于火山岩和沉积岩的新地球化学数据，并将其与已有数据一起进行分析。此外，我们还为这些火山岩给出了新的40Ar/39Ar年龄数据。我们还查阅了三口带有中子测井数据的井，以评估该地区是否存在氢气。尽管我们估计该地区有可能产生大量氢气，但也发现了大量的氢气汇，这说明氢气在这类环境中不太可能积累下来。火山被动边缘地带盆地面临的主要问题包括：氢气生成的时间通常在沉积盆地形成之前，或者处于非常早期的沉积阶段；沉积层中存在与硫相关的氢气汇；可能存在烃类；封盖岩可能存在裂缝；沉积层中还有微生物存在，这些因素都会对氢气在该环境的积累造成很大阻碍。
章节节选
地质环境
佩洛塔斯盆地是一个沿火山被动边缘地带发育的沉积盆地，位于桑托斯盆地和蓬塔德尔埃斯特盆地之间（见图1）。其沉积作用发生在由显生宙的巴拉那盆地和新元古代的多姆费利西亚诺带构成的复杂基底之上（Dias等人，1994；Bueno等人，2007；Holz等人，2010；Conti等人，2017；Teixeira等人，2025a；Teixeira，2025b；Serratt等人，2025）。该地区冈瓦纳大陆分裂的具体时间至今仍有争议；
材料与方法
我们对佩洛塔斯盆地中的氢气系统进行了研究，所用的数据包括井芯样本、井测数据以及地震资料。这种方法结合了地球化学数据和地震数据，旨在识别火山被动边缘地带氢气系统中的潜在氢气来源和汇。
地震分析
我们的地震分析结果显示，佩洛塔斯盆地的沉积历史比以往报道的更为复杂（见图7）。通过地震分析，我们发现该盆地存在两次沉积中心迁移现象，这一现象比Cassel等人（2022）之前的研究发现的更多。我们估算出的总沉积厚度为11.37公里（见图7a）。在模型底部到土伦期（89.8百万年前）之间的沉积主要集中在该盆地的南部地区。在这一早期阶段，沉积物厚度可达4.64公里，为后续沉积奠定了基础
方法论局限
尽管存在诸多不确定性，但我们的分析框架仍能让我们从氢气地质学的角度整合大量数据。这项研究采用了区域性的分析方法，针对大致相当于德国大小的区域，对温度、成分、孔隙度以及各种地质过程（如氧化作用、热成作用等）进行了概括性分析。其目的是估算这些过程的规模大小。即便对于那些结构较为稳定的地质系统，比如石油系统，以及那些规模更大的盆地而言，
结论
通过整合448条地震资料以及新的40Ar/39Ar地质年代数据，我们发现了该盆地此前未被记录的白垩纪时期的沉积中心迁移现象，同时还确定了该地区长达约128至76百万年的岩浆/热液活动历史，其中还包括在佩洛塔斯盆地发生的、此前未被发现的坎帕尼亚期（76-79百万年前）热液事件。这一岩浆和热液活动时段决定了该地区大部分氢气生成的时期，通过对这一时期的确定，我们可以从时间和数量两个方面对该盆地的氢气系统进行评估。
在
CRediT作者贡献说明
Farid Chemale Jr.： 文本撰写——审阅与编辑，文本撰写——初稿撰写，结果验证，研究指导，资源协调，项目管理，方法设计，数据采集，正式分析，数据整理，概念构思。Marcos Antonio Klunk： 文本撰写——审阅与编辑，方法设计，数据采集，正式分析，数据整理。Bruno Conti： 文本撰写——审阅与编辑，结果验证，资源协调，方法设计，数据采集，数据整理。Wenbei Shi： 文本撰写——审阅与编辑，
未引用参考文献
Anjos-Zerfass，2009；Castillo López，2009；Chemale Junior等人，2021；da Cunha Menezes等人，2021；do Monte Guerra等人，2012；Zhang等人，2024；Martins，1984；Milesi等人，2015；Pasquet等人，2023；Teixeira等人，2025b；Zhang等人，2023；Zuo等人，2023。
关于手稿准备过程中使用生成式人工智能及AI辅助技术的声明
在撰写本文的过程中，作者们使用了Google Gemini和Claude工具来提升文本的表达流畅度。在使用这些工具或服务之后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的文章内容负全责。
利益冲突声明
我们声明在本次研究中没有经济利益关联。
致谢
本文 merupakan HS博士论文的一部分。作者们感谢中国石油集团巴西公司提供的资金支持。同时，我们也感谢巴西国家石油、天然气和生物燃料管理局以及乌拉圭国家燃料、酒精和波特兰管理局为 kami提供的数据访问权限。此外，我们还要感谢中国科学院地质与地球物理研究所以及中巴联合研究中心所提供的技术支持。
Henrique Serratt|Adalene Moreira Silva|Laurent Geoffroy|Tiago Girelli|Matheus Fernandes da Cruz|Peng Peng|Wenbei Shi|Bruno Conti|Marcos Antonio Klunk|Farid Chemale
巴西南里奥格兰德州圣莱奥波尔多市里奥杜西诺斯河谷大学NGA地质与地球物理研究小组
