科研進(jìn)展
非生物成因地質(zhì)氫氣形成機(jī)制與控制因素研究獲新進(jìn)展
在全球能源轉(zhuǎn)型背景下，地質(zhì)氫氣作為一種重要清潔能源，日益成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。地質(zhì)氫氣作為地球能量和物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵載體，深刻影響著地球圈層演化和關(guān)鍵礦產(chǎn)資源形成。因此，探究地質(zhì)氫氣的形成過(guò)程及主要控制因素對(duì)于氫氣資源勘探開(kāi)發(fā)及地球化學(xué)過(guò)程認(rèn)識(shí)具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院環(huán)境地球化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)梳理與總結(jié)，綜述了非生物地質(zhì)氫的生成機(jī)制與關(guān)鍵控制因素，并基于此提出了地質(zhì)氫氣勘探開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)景區(qū)域。
研究指出，含F(xiàn)e(II)礦物水熱反應(yīng)、水輻射分解以及礦物-水界面自由基反應(yīng)是無(wú)機(jī)來(lái)源地質(zhì)氫的三種主要形成途徑，其全球年產(chǎn)氫率分別為0.2×1011–6.3×1012 mol/year，1.6×1010–1.35×1013 mol/year，和1.1×108–2.5×1010 mol/year。含F(xiàn)e(Ⅱ)礦物水熱反應(yīng)的核心機(jī)制是Fe(II)的電子轉(zhuǎn)移與礦物相變，主要受溫度控制；水輻射分解則通過(guò)天然放射性元素輻照水分解生成氫，主要受輻射類(lèi)型和劑量影響；而礦物-水界面自由基反應(yīng)主要來(lái)源于界面水分子在不飽和配位位點(diǎn)反應(yīng)形成自由基并進(jìn)一步生成氫氣，其主要受礦物類(lèi)型控制。上述反應(yīng)還受到共存離子、水溶氣體等地質(zhì)環(huán)境條件的共同調(diào)控。
根據(jù)非生物成因地質(zhì)氫的形成機(jī)制和主控因素，研究團(tuán)隊(duì)提出“富含F(xiàn)e(II)的超基性巖區(qū)（如前寒武紀(jì)克拉通、蛇綠巖帶）、高放射性背景盆地以及活動(dòng)斷裂帶”將是未來(lái)尋找天然氫氣的“黃金靶區(qū)”，為未來(lái)地質(zhì)氫資源的勘探開(kāi)發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
研究還指出了當(dāng)前地質(zhì)氫成因、主控因素，以及資源評(píng)價(jià)等面臨的挑戰(zhàn)，為后續(xù)相關(guān)研究提供了重要的方向。
該綜述以A critical review on abiotic geologic hydrogen generation: Mechanisms and controls為題發(fā)表于地球科學(xué)領(lǐng)域知名期刊Earth-Science Reviews，西北研究院碩士研究生鄭青俠為論文第一作者，李平研究員和范橋輝研究員為通訊作者。該研究得到“塔里木盆地邊緣氦氣富集機(jī)理與資源潛力評(píng)價(jià)”、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、“地球多圈層相互作用的油氣富集理論”項(xiàng)目資助。
論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2026.105453
非生物成因地質(zhì)氫氣的三種主要生成機(jī)制示意圖，含F(xiàn)e(Ⅱ)礦物水熱反應(yīng)、水輻射分解和礦物-水界面自由基反應(yīng)
含F(xiàn)e(II)礦物的水熱反應(yīng)生成氫氣。（a）橄欖石水熱反應(yīng)生成氫氣的示意圖；（b）在 50 兆帕壓力和水巖比為 1 的條件下，隨著溫度變化預(yù)測(cè)的橄欖石水熱反應(yīng)中的平衡礦物組合；（c）在 50 兆帕壓力和水巖比為 1 的條件下，基于熱力學(xué)模型計(jì)算的橄欖石水熱反應(yīng)中氫氣生成量隨溫度的變化情況；（d）不同礦物在純水和氯化鈉溶液系統(tǒng)中氫氣生成量的比較；（e）在低水巖比（0.01）條件下，氫氣生成量顯著增加；（f）在不同 pH 條件下，輝長(zhǎng)巖熱液反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣；（g）橄欖石熱液反應(yīng)過(guò)程中的氫氣生成及二氧化碳礦化
