天然氢气：山区的可持续能源

图：瑞士阿尔卑斯山全景 - 瑞士东部的格劳宾登州，潜在的天然氢气勘探区

开发可持续地质资源以推动能源转型，是21世纪人类面临的核心挑战。氢气（H₂）具备替代化石燃料并同步消除CO₂等污染物排放的巨大潜力。然而，氢能源应用的主要障碍在于其需通过人工制备获得。现有合成氢技术虽可基于可再生能源，但若使用化石能源仍会造成污染。

自然界可能提供解决方案——地质作用可天然生成氢气。但大规模天然氢储层的勘探靶区迄今尚未明确。

德国地球科学研究中心（GFZ）地球动力学模拟部Frank Zwaan博士团队通过板块构造建模提出：地幔岩抬升至近地表造山带是天然氢富集热点区。此类造山带不仅是天然氢大规模生成的地质环境，更可能形成可供开采的规模性氢储层。该研究成果已发表于《科学进展》期刊。研究团队包括GFZ地球动力学模拟部Sascha Brune教授与Anne Glerum博士。其他成员来自美国塔夫茨大学（Dylan Vasey博士）、新墨西哥理工大学（John Naliboff博士），以及法国斯特拉斯堡大学（Gianreto Manatschal教授）和Lavoisier H2地质咨询公司（Eric C. Gaucher博士）。

构造环境中的天然氢潜力

天然氢可通过多种途径生成，例如通过有机质的细菌转化，或由大陆地壳放射性元素衰变驱动的水分子分解。目前全球多地已报道天然氢的存在。马里地区已证实天然氢作为能源的可行性——通过地下钻孔开采富铁沉积层中产生的有限量氢气。

然而，大规模天然氢生成最富前景的机制是地幔岩与水反应的地质过程。地幔岩矿物通过与水反应改变成分，形成蛇纹石族矿物并释放氢气。该过程称为蛇纹石化。地幔岩通常位于地壳下方的深部。若要使地幔岩接触水体并发生蛇纹石化，需通过构造折返作用使其抬升至近地表。地幔岩折返与蛇纹石化的两大板块构造环境包括：（1）裂谷作用下大陆裂解形成的洋盆（如大西洋），上覆地壳减薄至破裂使地幔上涌；（2）大陆碰撞引发的盆地闭合与造山作用（如比利牛斯山与阿尔卑斯山），将地幔岩推挤至地表。

山脉中的天然氢勘探

该研究成果的发表为加强造山带天然氢勘探提供了重要推动力。目前比利牛斯山、阿尔卑斯山和巴尔干等地区已开展多项勘探工作，这些区域此前发现存在持续天然氢生成的迹象。"成功开展这些勘探的关键在于开发创新概念与勘探策略。勘探区构造历史如何控制经济性天然氢储层的形成具有特殊重要性。尤其需要确定关键地质过程的时序——若造山过程中形成氢储层，前期必然存在裂谷伸展作用。因此本研究开展的板块构造模拟所提供的认知将具有重要价值。"该研究第一作者Frank Zwaan表示。

GFZ地球动力学模拟部门负责人Sascha Brune补充道："这项研究深化了我们对天然氢生成适宜环境的认知。鉴于天然氢的经济前景，当前亟需深入研究氢气运移路径及深层耗氢微生物生态系统，以更准确预测潜在储层的分布。"

Zwaan补充道："总体而言，我们可能正处于天然氢勘探的转折点。这意味着我们或将见证新型天然氢工业的诞生。"

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/02/20/clean-energy/natural-hydrogen-a-sustainable-energy-source-in-mountain-ranges