孟慶強(qiáng)，金之鈞，，孫冬勝，劉全有，朱東亞，劉佳宜，黃曉偉，王 璐

(1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.北京大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100871；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

作為一種清潔能源，氫氣越來越受到重視。目前，各國均制定了氫燃料電池及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃。但是，氫氣的獲取方式仍然以人工制氫為主，即通過技術(shù)手段，利用煤炭、天然氣等化石能源與水反應(yīng)獲取氫氣。這種方法在獲取氫氣的同時(shí)，仍不可避免地排放CO2。從地質(zhì)環(huán)境中直接獲取氫氣，不但可以在獲取氫氣過程中降低碳排放，而且是一種更持續(xù)的氫氣獲取方式。由于氫氣性質(zhì)活潑，易于被氧化，因此，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為自然界中很難存在自由態(tài)氫，即氫氣。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析不同構(gòu)造背景下氣藏(氣苗)中氫氣的含量特征，總結(jié)高含量氫氣賦存的地質(zhì)條件，并結(jié)合我國含油氣盆地構(gòu)造特點(diǎn)，初步分析了高含量氫氣的勘探有利區(qū)域。

1 氫氣的需求及獲取方式

在減少碳排放的壓力下，全球主要國家或地區(qū)擴(kuò)大了氫氣利用的領(lǐng)域，對氫氣的需求量持續(xù)增加。2017年世界氫氣消費(fèi)量為6 905×104t，其中絕大部分(99%)用作工業(yè)原料或還原劑，而氫氣作為能源(即燃料)的消費(fèi)量僅有1×104t左右，應(yīng)用于交通、建筑等行業(yè)[1]。國際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，當(dāng)全球氣溫升高幅度控制在2 ℃以內(nèi)的情景下，到2050年全球氫能需求潛力可達(dá)5.5×108t，減少60×108t二氧化碳排放，屆時(shí)氫能在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的需求可達(dá)1.6×108t[2]。

盡管地質(zhì)條件中存在一定量的氫氣[3-4]，但目前獲取氫氣的方式主要是工業(yè)制氫，即通過一定的手段，從工業(yè)原料中大規(guī)模制取可燃?xì)鈶B(tài)氫產(chǎn)物。這種通過能量輸入從含氫原料中提取工業(yè)氫氣的過程，被稱為人工制氫，包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術(shù)制氫和太陽能制氫等[5]。

中國對工業(yè)氫氣的需求量和生產(chǎn)量呈逐年上升的態(tài)勢。自2009年產(chǎn)量首次突破1 000×104t以來，中國工業(yè)氫氣的需求量與產(chǎn)量連續(xù)保持世界第一(圖 1)。

當(dāng)前的人工制氫技術(shù)主要是通過蒸汽重整法，利用石油、天然氣、煤炭等化石能源資源與水作用從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制氫。利用化石能源資源制氫技術(shù)具有工藝成熟、原料價(jià)格相對低廉的優(yōu)點(diǎn)，但化石能源中的碳元素會(huì)轉(zhuǎn)化為CO2氣體，從而釋放大量的溫室氣體，環(huán)境壓力持續(xù)緊張。并且，利用化石能源制氫，與所在地區(qū)的資源條件稟賦密切相關(guān)。在我國，煤炭和天然氣是人工制氫的主要原料，占比分別為62%和19%。作為亞太地區(qū)氫能發(fā)展較發(fā)達(dá)的日本，其氫氣主要靠電解水制氫。電解水制氫的產(chǎn)能占該國所有人工制氫總產(chǎn)能的 63%，這與日本缺乏化石能源的天然資源稟賦密切相關(guān)(圖2)。

由圖2可知，無論是從全球還是中國的平均水平看，來自煤炭、石油、天然氣等化石能源的氫氣均超過90%，這部分氫氣并不能減少CO2的排放，因此，全球及我國的節(jié)能減排依然任重道遠(yuǎn)。而且，隨著氫氣需求量的逐漸增加，無論利用化石能源重整制氫還是電解水制氫，均面臨氫氣供應(yīng)不足的困境。以電解水制氫為主的日本，在本國大力發(fā)展氫能應(yīng)用技術(shù)的同時(shí)，也在積極尋求海外氫能供應(yīng)合作商，目前已與澳大利亞、文萊等國簽署了氫能供應(yīng)的合作協(xié)議。而在我國，預(yù)計(jì)2050年氫能需求將接近10 000×104t[6]。面對如此規(guī)模的氫氣需求，我國的能源結(jié)構(gòu)也需在現(xiàn)有“以化石能源重整為主”的格局基礎(chǔ)上進(jìn)行變革。

圖1 中國工業(yè)氫氣需求量與產(chǎn)量變化 修改自文獻(xiàn)[5]。Fig.1 China’s industrial hydrogen demand and production trends

圖2 人工制氫原料來源分布與對比 數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[6]。Fig.2 Distribution and comparison of sources of raw materials for artificial hydrogen production

獲取天然氫，是真正有效降低碳排放的重要途徑。盡管氫在自然界中分布廣泛，但在自然狀態(tài)下僅存在著極少量的游離態(tài)氫[3-4]，這部分氫氣的含量及分布目前研究基礎(chǔ)薄弱，因此，尚未討論過這部分氫氣利用的可能性及其利用方法。

2 天然氫的賦存現(xiàn)狀

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，氫氣是一種強(qiáng)還原性氣體，由于地球表面含有大量氧化劑，氫氣難以賦存。但是，前人[7-12]的研究和勘探實(shí)踐均表明，氫氣在地表的分布比之前預(yù)想的要多，與其所處的地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)。

2.1 不同環(huán)境下的氫氣賦存狀態(tài)

全球范圍內(nèi)，均在沉積盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)了高含量氫氣。在澳大利亞New Guinea 地區(qū)發(fā)育有含量超過10%的氫氣[8]；在俄羅斯南部的斯塔夫羅波爾，氫氣的含量最高可達(dá)27.3%[9]；在德國也發(fā)現(xiàn)了源自盆地深部的高含量氫氣[10]；在北美的密歇根盆地中有高含量氫氣[11]，F(xiàn)orest City盆地也發(fā)現(xiàn)有含量高達(dá)17%的氫氣[12]。這些發(fā)現(xiàn)和研究都表明，沉積盆地中具備發(fā)育高含量氫氣的地質(zhì)條件。

除沉積盆地外，深部流體可以向地球淺部輸送大量的氫氣，并且不同類型的流體輸送能力具有明顯的差異性。一般而言，地下15 km的1 kg巖石，在地表可以釋放出75 cm3的H2。具體而言，堿性巖中氫氣的平均含量為3 cm3/kg，而基性超基性巖中則為26.8 cm3/kg[13]，二者表現(xiàn)出極大的輸氫能力差異性；而1 kg的水從地下15 km運(yùn)移至地表，可以釋放出12 000 cm3的H2[14]，這表明水是極佳的輸氫物質(zhì)。因此，深部流體活動(dòng)區(qū)，特別是基性、超基性火山巖發(fā)育地區(qū)是高含量氫氣的主要富集區(qū)，而它們的形成往往與構(gòu)造背景密切相關(guān)。比如位于構(gòu)造活動(dòng)帶的菲律賓Zambales地區(qū)[15-16]、阿曼北部火山巖地區(qū)[17-18]、新西蘭溫泉[19]、瑞典Gravberg-1井[20]等地區(qū)的氫氣含量一般均超過10%。

我國地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，火山活動(dòng)區(qū)的地表氫氣雖然含量較低，但是火山巖釋氣研究表明，火山巖中含有含量較高的氫氣。我國構(gòu)造活躍地區(qū)，如云南騰沖[21-26]、長白山五大連池[27-28]等以CO2為主的溫泉?dú)庵袣錃獾暮科毡樵?%左右，均低于國外同類地區(qū)氫氣的含量。但是我國東部幔源巖石分步加熱釋放出的氣體中，氫氣含量最高可達(dá)35%[29-33]。這些幔源巖石在我國東部沉積盆地內(nèi)發(fā)育較多，為沉積盆地輸入了數(shù)量巨大的氫氣。以渤海灣盆地惠民凹陷臨南洼陷夏38井區(qū)為例，該地區(qū)發(fā)育的輝綠巖侵入體分布面積約20 km2，平均厚度約50 m[34]，經(jīng)前人預(yù)測該巖體可攜帶89×106m3氫氣[13]。

大陸裂谷地區(qū)是高含量氫氣的主要分布區(qū)。美國CFA石油公司于1982年在北美裂谷系中施工了Scott井，獲得含量約為50%的氫氣[35]。該井穩(wěn)產(chǎn)2年之后，氫氣的含量下降至24%～43%[36-37]，但直到1987年，該地區(qū)鉆井中的氫氣含量仍能達(dá)到30%以上[38]。為了獲得高含量氫氣，2009年美國地質(zhì)調(diào)查局Kansas分局在該地區(qū)進(jìn)行了以氫氣為目標(biāo)的勘探活動(dòng)，并施工了2個(gè)氫氣鉆孔。這2個(gè)鉆孔在前寒武系基底中發(fā)現(xiàn)的氫氣，含量最高可達(dá)90%，日產(chǎn)能達(dá)到310～470 m3(含水在內(nèi))，顯示了良好的氫氣開發(fā)前景[39]。同樣位于大陸裂谷上的冰島Hengill地區(qū)，前人針對氫氣實(shí)施的鉆孔中，也獲得了含量高達(dá)37%的氫氣[40]。該類型氫氣被廣泛認(rèn)可的成因是深源基性、超基性巖石中的橄欖石發(fā)生蛇紋石化作用形成的[38]：

6[(Mg1.5Fe0.5)SiO4]+ 7H2O=3[Mg3Si2O5(OH)4]+Fe3O4+H2

并且這種成因的氫氣具有含量高、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。

因此，未來可以商業(yè)化開發(fā)的天然氫氣資源，將首先從大陸裂谷系地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中獲得突破。我國位于華夏裂谷系和汾渭裂谷系上的渤海灣盆地、渭河斷陷等[41]，與北美Kansas大陸裂谷系具有相似的地質(zhì)背景，都具有強(qiáng)烈的基性、超基性火山噴發(fā)活動(dòng)。上覆的比較厚的沉積層，在適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)條件下，可以作為氫氣的儲(chǔ)層。因此，以上區(qū)域極具鉆遇高含量氫氣的機(jī)會(huì)，是未來以氫氣為勘探目標(biāo)的重點(diǎn)區(qū)域。但受到過去研究工作的制約，在這些地方尚未開展過系統(tǒng)的以氫氣為目標(biāo)的理論研究與勘探實(shí)踐工作。

活動(dòng)斷層上方的土壤氣中，氫氣的濃度變化成為判斷斷層活動(dòng)性的指標(biāo)之一[42-43]，但氫氣含量總體較低，在此不做詳述。

2.2 氫氣高含量典型地區(qū)及典型井分析

如上所述，在地表不同的地質(zhì)環(huán)境中均可以發(fā)現(xiàn)氫氣，而氫氣的含量變化較大，這一方面造成對氫氣的認(rèn)識(shí)不足，另一方面也對能否利用地質(zhì)環(huán)境中的氫氣產(chǎn)生了質(zhì)疑。雖然特定的地質(zhì)條件下氫氣的含量可以高達(dá)90%[39]，但過去由于相關(guān)報(bào)道較少，這類地質(zhì)現(xiàn)象作為孤例，很難作為氫氣可以廣泛存在的地質(zhì)證據(jù)。不過隨著研究的不斷深入，具有高含量氫氣(本文暫定為體積分?jǐn)?shù)大于等于10%)的地質(zhì)實(shí)例被不斷發(fā)現(xiàn)[15-20,35,38-40]，為深入研究氫氣的形成及賦存提供了典型案例。高含量氫氣一般賦存在裂谷系統(tǒng)中，包括大陸裂谷盆地以及大洋中脊。此外，在板塊碰撞帶和俯沖帶附近，殘留洋殼形成的蛇綠巖可以通過蛇紋石化作用形成高含量氫氣。下文擬對國外典型沉積盆地中的典型地區(qū)進(jìn)行分析，探索高含量氫氣的形成和賦存條件。

2.2.1 陸內(nèi)裂谷系(Mid-Continent Rift System)

北美Kansas盆地的高含量氫氣，自20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)以來得到了廣泛研究。對該地區(qū)高含量氫氣研究進(jìn)行梳理，有助于進(jìn)一步厘清類似地質(zhì)條件下氫氣的成因及分布現(xiàn)狀。

北美Kansas盆地高含量氫氣主要以Morria郡的Scott井和Grary郡的Heins井為代表，相似的探井共有10余口，它們位于Humboidt斷裂帶西側(cè)的Nemaha背斜上。由于Humboidt斷裂帶位于Kansas內(nèi)陸裂谷地球物理異常帶的東部，且其切穿了Kansas古生代地層至前寒武系基底。因此，該斷層被認(rèn)為是北美陸內(nèi)裂谷系統(tǒng)的一部分(圖3)。

在早期研究中，Scott 井和Heins井的氫氣含量分布在29%～37%之間，其余的主要為氮?dú)?，很少見烷烴氣體及CO2。但近期的研究表明，Scott井的氫氣含量有下降的趨勢，至2008年該井氫氣含量降為18.3%；Heins井的氫氣含量則一直穩(wěn)定在25%±5%之間(表1)，而且，高含量氫氣均圍繞這兩口井分布。在距離這兩口井以北約85 km、靠近金伯利巖區(qū)的Duroche-2井(圖4)，氫氣的含量自該井2012年施工以來逐漸降低，至2014年，氫氣含量已經(jīng)難以測到，目前的主要?dú)怏w組分是氮?dú)?。在該地區(qū)最北端Brown郡，由WTW石油公司施工的Wilson-1井，在鉆井到1 641.3 m、鉆進(jìn)前寒武系基巖427 m時(shí)，泥漿中錄得大量氣泡。對基巖進(jìn)行洗井、射孔后取得了產(chǎn)自基巖的氣樣。由于懷疑氣體受到污染，并且CO2可能來源于洗井過程中注入的HCl，因此，對組分分析結(jié)果去除CO2和空氣組分后做了歸一化處理。組分分析表明，這些氣體中含有17%的氫氣、34.6%的氮?dú)夂?5.1%的甲烷氣體，以及少量的He和Ar等。

長期以來，前人對于該地區(qū)氫氣的成因進(jìn)行了持續(xù)的研究。Scott井氫氣主要產(chǎn)層是前寒武系基底至石炭系密西西比亞系(相當(dāng)于下石炭統(tǒng))以及賓夕法尼亞亞系(相當(dāng)于上石炭統(tǒng))的砂巖及泥質(zhì)砂巖。該井西部是由中生代—新生代地層形成的低山丘陵地形，在距離該井約100 km以西發(fā)育白堊紀(jì)金伯利巖侵入體。研究表明，Scott井中的氫氣主要是密西西比亞系與賓夕法尼亞亞系含F(xiàn)e2+的礦物與水反應(yīng)形成，并由地下水?dāng)y帶至有利區(qū)富集(圖4)。盡管有學(xué)者認(rèn)為氫氣的形成與該地區(qū)深大斷裂發(fā)育及其帶來的地幔脫氣效應(yīng)(mantle outgasing)密切相關(guān)，但根據(jù)地層水與氫氣的氫同位素組成特征計(jì)算得到的氫氣形成溫度約在25 ℃左右，與地幔脫氣作用下的高溫效應(yīng)明顯不符。利用幔源及大氣中的He作為混源He的端元，對Kansas盆地Scott井區(qū)天然氣中He的同位素組成特征進(jìn)行研究，R/Ra結(jié)果表明，來自幔源的He約為15%。因此，該井附近的深大斷裂對于氣體的聚集具有一定影響，但是否促進(jìn)氫氣的形成，尚需要進(jìn)一步研究。

圖3 北美Kansas盆地富氫氣井構(gòu)造地質(zhì)及剖面 修改自文獻(xiàn)[38]。Fig.3 Geological map and profile of hydrogen-rich wells in Kansas Basin, North America

表1 北美Kansas盆地Scott和Heins富氫天然氣井中氣體組分分析Table 1 Gas components of hydrogen-rich natural gas wells of Scott and Heins in Kansas Basin, North America

圖4 北美Kansas盆地富氫氣藏形成過程示意 修改自文獻(xiàn)[39]。Fig.4 Accumulation process of hydrogen gas pools in Kansas Basin, North America

2.2.2 板塊俯沖帶

在自然界中，蛇紋石化反應(yīng)是形成氫氣最主要的方式，這個(gè)反應(yīng)的本質(zhì)是基性—超基性巖石中的橄欖石和輝石在氣液交代作用下形成各種蛇紋石的過程。這種反應(yīng)一般發(fā)生在大洋中脊，因?yàn)榇笱笾屑故悄壳皻めＯ嗷プ饔米钪苯拥牡攸c(diǎn)，為以基性—超基性巖石為載體的幔源流體上涌提供了通道及蛇紋石化作用發(fā)生所需的溫度條件(300～400 ℃)，因此易于發(fā)生蛇紋石化作用[45]，形成高含量氫氣，氫氣的含量最高可達(dá)90%以上。近年來，橄欖石的低溫蛇紋石化反應(yīng)[46-48]的不斷發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步拓展了氫氣賦存的范圍。

在板塊俯沖帶上，由于洋殼殘留的蛇綠巖富含橄欖石和輝石，因此，在板塊俯沖帶上也分布有高含量氫氣。特別是尚未經(jīng)歷高壓—低溫環(huán)境的蛇綠巖，其中的橄欖石尚未經(jīng)過蛇紋石化作用，或者蛇紋石化程度很低。這些蛇綠巖在板塊俯沖過程中被擠壓在沉積巖層系中，從而位于陸殼或者洋殼等不同板塊的碎屑巖或碳酸鹽巖層系中。切穿沉積巖層系中蛇綠巖的大斷裂，為橄欖石提供了不同鹽度和酸堿度的地下水，從而有利于蛇紋石化的發(fā)生，產(chǎn)生富含氫氣的天然氣氣藏。

在板塊俯沖帶的不同位置，氣藏的組分差異較大，這些氣藏組分的差異，與板塊俯沖帶不同位置上水的供應(yīng)狀態(tài)密切相關(guān)：若水的供應(yīng)狀態(tài)低于蛇紋石化作用進(jìn)行的速度或二者大致相當(dāng)，則產(chǎn)生的氣體以氫氣為主，此時(shí)，氫氣的含量可以高達(dá)80%以上；若地下水的供應(yīng)狀態(tài)充沛，則水中溶解的CO2可以繼續(xù)參與反應(yīng)，前期形成的氫氣可以進(jìn)一步還原CO2，形成CH4，此時(shí)，蛇紋石化作用的產(chǎn)物為氫氣與甲烷的混合氣體；若水的供應(yīng)較為充分，且發(fā)生蛇紋石化作用的程度較淺，水中溶解的氮?dú)馀c深源氮?dú)饣旌?，從而形成富氮?dú)鈿獠?，此時(shí)，氮?dú)獾暮靠梢猿^90%(圖5)。

氫氣氣藏在阿曼分布較廣，其氫氣的含量一般分布在60%～80%，氣藏主要分布在溫泉中，溫泉水的pH值一般可達(dá)10～11。氫氣被認(rèn)為是蛇綠巖發(fā)生低溫(20～50 ℃)蛇紋石化作用的產(chǎn)物[17]。這些蛇紋石是晚白堊世時(shí)期阿拉伯陸殼俯沖至阿拉伯海洋殼之下，鑲嵌在阿拉伯陸殼上的洋殼殘留(圖6a)。

圖5 板塊俯沖帶分布的氣藏類型及其劃分標(biāo)準(zhǔn) 圖中為摩爾分?jǐn)?shù)，修改自文獻(xiàn)[44]。Fig.5 Types of gas reservoirs distributed in plate subduction zones and relative classification criteria

圖6 板塊俯沖帶不同位置氣藏成因機(jī)理示意 修改自文獻(xiàn)[44]。Fig.6 Genetic mechanism of gas reservoirs at different locations in plate subduction zones

菲律賓Luzon島位于菲律賓海板塊與太平洋板塊的俯沖消減帶上，Zambales蛇綠巖體位于該島的西北部。在Luzon島上有多處溫泉及氣藏點(diǎn)，這些溫泉?dú)饧皻獠攸c(diǎn)的氣體組分，可以分為H2、H2+CH4以及CO2為主。根據(jù)氣體的同位素組成及組分之間的關(guān)系，如同土耳其Chimaera地區(qū)一樣，這些H2的成因是蛇綠巖與水在深部發(fā)生蛇紋石化作用的產(chǎn)物，具備深源成因特征。而CH4是蛇紋石化第二階段H2還原CO2的產(chǎn)物，而CO2是未反應(yīng)完全的剩余氣體。由于菲律賓所在地區(qū)發(fā)育多套斷裂系統(tǒng)，為水提供了循環(huán)通道，通過地下水的循環(huán)，溶解于水中的氣體被帶至板塊深處，從而為地殼或者上地幔附近的蛇紋石化作用提供了條件。前人研究表明，該地區(qū)蛇紋石化作用發(fā)生的溫度約為110～150 ℃(圖6b)。

新喀里多尼亞(New-Caledonia)處于澳大利亞—印度板塊與太平洋板塊碰撞帶附近的澳—印板塊的構(gòu)造活動(dòng)帶上，其上分布的蛇綠巖是目前已知的陸上最大超基性巖體，是始新世時(shí)期板塊碰撞形成的橄欖巖推覆體。在這些推覆體的西側(cè)發(fā)育富氫溫泉，而在推覆體的北側(cè)分布有N2氣藏。氣體的組分及稀有氣體同位素和N同位素研究表明，N2主要來自于深層，即地幔脫氣和橄欖巖變質(zhì)過程中釋放的N以及淺層N2，即大氣降水中的水溶氣，并以深源N2為主(圖6c)。

與俯沖帶相關(guān)的CH4氣藏分布較多，但無機(jī)成因的CH4，目前研究較為充分的是分布在土耳其南部的Antalya地區(qū)和Chimaera地區(qū)。土耳其位于非洲板塊與歐亞板塊碰撞帶上，Chimaera一線是明顯的巖性分界線：以北是白堊系蛇綠巖，以南是三疊系碎屑巖。該地區(qū)具有較高CH4含量的氣藏，并有零星的富含H2(5%～10%)氣藏[49]。CH4的成因，既有三疊系碎屑巖中有機(jī)質(zhì)熱解形成的有機(jī)成因CH4，也有蛇綠巖經(jīng)蛇紋石化作用形成的CH4。由于蛇紋石化作用的階段性，在初期階段，富含F(xiàn)e2+離子的礦物與水作用，形成H2；在第二階段，H2與水中溶解的CO2相互作用形成CH4。由于第二階段并不能徹底消耗H2，因此，會(huì)形成高氫氣含量的氣藏。根據(jù)氫氣與水的同位素計(jì)算，得到的蛇綠巖蛇紋石化作用的溫度約在50 ℃左右(圖6d)。

綜上所述，無論是在陸上裂谷系統(tǒng)還是在板塊的俯沖消減帶或者板塊碰撞地帶，均可以發(fā)育高含量氫氣氣藏。前人基于天然氣組分及同位素地球化學(xué)的研究表明，氫氣的形成主要以含有Fe2+的礦物，如鐵橄欖石、鎂橄欖石、蛇紋石等與水經(jīng)蛇紋石化作用形成的。這個(gè)作用發(fā)生的溫度范圍較寬，最低可以低至50 ℃，而最高可達(dá)375 ℃，而深大斷裂的發(fā)育，為水循環(huán)至深部提供了通道。這表明在地殼或者上地幔深度范圍內(nèi)，均可以發(fā)生上述反應(yīng)從而形成氫氣。由于水可以溶解部分N2和CO2，受水循環(huán)提供的水溶氣的影響，蛇紋石化作用的進(jìn)行程度也不一樣。當(dāng)水中溶解較少的CO2和N2時(shí)，該反應(yīng)最終的產(chǎn)物以H2為主；當(dāng)水溶CO2與H2的形成速率大致相當(dāng)時(shí)，CO2可全部還原為CH4，此時(shí)，氣體中以CH4為主，僅在部分地區(qū)有少量H2伴生；當(dāng)水溶CO2供應(yīng)充分時(shí)，蛇紋石化作用進(jìn)行得更為徹底，此時(shí)，CO2進(jìn)一步被還原為CH4，僅有少量未反應(yīng)完的CO2與CH4共存，這在菲律賓Luzon島上最為明顯。氣藏的類型及規(guī)模與這些板塊俯沖帶的位置密切相關(guān)。前人在細(xì)致研究的基礎(chǔ)上，提出了板塊俯沖帶不同位置氣藏分布示意圖(圖7)，這對于尋找氫氣富集氣藏具有宏觀的指導(dǎo)意義。

圖7 板塊俯沖帶不同位置氣藏類型分布示意 修改自文獻(xiàn)[44]。Fig.7 Distribution mode of various types of gas reservoirs at different locations in a plate subduction zone

3 高含量氫氣勘探有利區(qū)預(yù)測

如前文所述，盡管氫氣易于被氧化，但在特殊的構(gòu)造背景下，仍可以存在高含量氫氣。特別是在板塊碰撞帶周邊，由于板塊碰撞導(dǎo)致的板塊俯沖引發(fā)的地球圈層之間物質(zhì)的交換作用，形成高含量氫氣。

我國主要由多個(gè)板塊互相拼接而成，主要包括西伯利亞板塊、塔里木板塊、柴達(dá)木—華北板塊、羌塘—揚(yáng)子—華南板塊、岡瓦納板塊、太平洋板塊以及菲律賓海板塊等[50]。這些板塊互相鑲嵌和拼接造成板塊的碰撞與俯沖。在板塊碰撞與俯沖帶的不同位置，具備發(fā)育高含量氫氣的地質(zhì)條件。

在我國東部太平洋板塊與柴達(dá)木—華北板塊俯沖帶附近發(fā)育一系列沉積盆地，如松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地、三水盆地、鶯歌海盆地等，因具備較好的天然氣蓋層條件，有利于高含量氫氣的保存。在西部西伯利亞板塊與塔里木板塊以及羌塘—揚(yáng)子—華南板塊與岡瓦納板塊碰撞帶周邊的塔里木盆地、羌塘盆地以及騰沖地區(qū)等，均可以形成高含量氫氣。

由于在過去的研究中，對氫氣的形成與賦存條件認(rèn)識(shí)有限，對氫氣的重視程度不足，因此，對于我國是否存在高含量氫氣及其形成條件研究較少，但該領(lǐng)域應(yīng)該是今后重點(diǎn)研究的方向。

4 結(jié)論

(1)沉積盆地中存在天然氫氣，氫氣的含量范圍跨度極大，這與氫氣的成因密切相關(guān)。

(2)氫氣的成因類型多樣，但在沉積盆地中，高含量氫氣的成因主要是含強(qiáng)還原性二價(jià)鐵離子的礦物與水作用形成的，這種作用一般以基性—超基性巖中的礦物發(fā)生蛇紋石化作用為主。蛇紋石化作用發(fā)生的溫度范圍約為50～375 ℃，可以廣泛發(fā)生在含油氣沉積盆地中。

(3)沉積盆地中以蛇紋石化作用形成的氫氣及與之伴生的氣體種類及含量，與發(fā)生蛇紋石化作用時(shí)水及其溶解氣的供應(yīng)狀況密切相關(guān)，可形成H2氣藏(H2含量可達(dá)60%～80%)、N2氣藏(N2含量可以超過90%)和CH4氣藏(含量超過80%)。

(4)在板塊碰撞帶與俯沖帶不同的位置，具備發(fā)育高含量氫氣的地質(zhì)條件。

(5)我國具備多個(gè)板塊碰撞帶與俯沖帶，在這些板塊邊緣不同的位置上，極有可能發(fā)育高含量氫氣。但受制于過去對氫氣研究的重視程度不夠，目前對于這些地區(qū)是否存在高含量氫氣的研究薄弱，是今后重點(diǎn)研究領(lǐng)域。