氢气：埋没在地球深部的天然宝藏

中国石油勘探开发研究院 王晓梅

在地球形成初期,原始大气主要由氢气与氦气组成,同时包含少量的甲烷及二氧化碳等气体。

早期地球吸积过程中,原始大气中的氢被捕捉,并以溶液和化合物形式赋存在地球内部,在高温高压条件下达到稳定状态。

这些氢后期从地核中逐步析出,进入地幔并与碳、氧、硫等元素相结合形成深部流体,后者会通过火山喷发、地震等活动释放进入大气圈,并在温室-冰期循环、大灭绝事件和化石能源形成中发挥重要作用,成为链接地球系统圈层运动的纽带。

传统观点认为,氢元素具有极强的还原性,且质量很轻,倾向于与其他元素结合以化合物形式存在,只有少数情况才能以单质氢气的形式存在。

然而,越来越多天然氢气的发现,预示其可以游离态、吸附态、溶解态以及包裹体形式赋存于地球不同圈层中。地球内部(内核、外核及地幔)可能是地球上最大的天然氢库,据估计,地球外核中含有的氢气量约为1.11×1019吨。

重新审视地下氢气系统

实际上,天然氢气普遍存在于全球范围的地表-地壳环境,包括超基性岩体或花岗岩体(前寒武地盾)、深大断裂发育区、海底洋中脊、火山体系、地下水/地表水热系统和沉积盆地等。

其中,蛇绿岩带、洋中脊、热泉等水热系统、深大断裂发育区是已发现高丰度天然氢气赋存的主要地质体。比如,马里发现的深度1000米以内的天然氢气含量最高达98%,主要赋存于蛇绿岩和花岗岩邻近的沉积地层。

近年来,天然氢气的成因来源和资源前景受到学术界和业界的广泛关注。

总体上来说,地质体中的氢气可为有机和无机两类成因。有机成因包括微生物作用和有机质热解作用,无机成因包括深部幔源脱气、含铁矿物的水热反应(比如蛇纹石化作用)、水的放射性分解作用、岩石机械破碎引起的自由基产氢等。其中,超基性岩体和花岗岩体中二价铁矿物的水热反应、放射性作用是地壳中最重要的产氢途径。据估算,1立方米岩石10亿年产氢量约为0.19立方米。

尽管研究显示地质体具有规模产氢潜力,但考虑到氢气较强的扩散效应和高的生物-化学反应活性,自然界中是否存在工业价值的天然氢气藏仍不确定。近年来,在能源需求和“减碳”目标的驱动下,尤其是非洲马里天然氢气的成功开发利用,促使全球业界开始重新审视地下的氢气系统。

2019年以来,美国、澳大利亚等国家积极推进天然氢勘探,围绕地下超基性岩体和花岗岩体,相继钻探多口天然氢专探井。国内学者也在松辽盆地、柴达木盆地、渤海湾盆地等发现天然氢气显示。

但总体来说,全球天然氢的勘探和开发利用仍处于起步阶段,已有研究大多聚焦地表/浅层的超基性岩等火山岩体和水热系统,对沉积盆地深层天然氢气关注相对较少。

四川盆地富含多种油气

实际上,我国克拉通盆地广泛发育的深部断裂,可为火山岩基底生成的氢气运移至沉积地层有利圈闭发生聚集提供通道,是地下氢气藏形成的潜在地质体。我们的研究团队以四川盆地川中地区震旦系-三叠系常规气藏为解剖对象,结合58个天然气样品的氢气含量和同位素、区域地质条件、同位素分馏数值计算等分析,探讨了氢气潜在的成因来源,预期为认识沉积盆地深层天然氢气形成机制和分布规律提供关键地质实例。

四川盆地位于中国的西南部,北邻米仓山和大巴山,南邻大凉山和大娄山,西邻龙门山和邛崃山,东邻七跃山,总占地面积约19万平方公里。

作为大型叠合含油气沉积盆地,四川盆地属于上扬子克拉通板块,经历过多期构造运动。自新元古代以来,盆地经历了扬子旋回、加里东旋回、海西旋回、印支旋回、燕山旋回、喜马拉雅旋回等多次构造旋回。根据区域断裂和构造变形差异,四川盆地可细分为5个构造单元:川东高陡断褶带、川南低陡褶带、川中平缓褶带、川西坳陷带、米仓山-大巴山前缘褶皱带。

盆地自基底以上发育新元古界震旦系、古生界、中生界和新生界的沉积层系。其中震旦系-中三叠统以海相碳酸盐岩沉积为主,上三叠统-第四系多为陆相碎屑岩沉积。受构造活动影响,盆地深部发育多组沟通基底和下古生界沉积地层的断裂(如龙门山和华蓥山断裂),川中地区存在多条走滑断裂带,控制了震旦系-侏罗系油气的成藏聚集。

四川盆地富含多种油气资源,包括常规气、页岩/致密气、页岩油等,是我国重要的含油气盆地。盆地海相-陆相地层存在6套优质烃源层、11套油气成藏组合,已发现29套工业油气产层、180余个油气田及含油气构造。深层-超深层天然气勘探开发主要集中在震旦系-下古生界,其中,川中地区安岳气区震旦-寒武系已探明天然气储量超万亿方,蓬莱气区震旦系天然气勘探也取得重要突破。

天然氢气科研亟需加强

我们结合天然气地球化学分析、地下产氢机理和氢同位素分馏数值计算,系统探讨了川中地区震旦系-三叠系天然气中氢气的含量、同位素特征与成因机制。

研究发现,川中地区震旦系-三叠系常规天然气中氢气的平均含量为0.25%,最高含量达到1.6%,氢气的氢同位素为−850‰~−586‰。同时,地质条件和同位素分馏效应分析,揭示微生物和有机质原位裂解产氢作用并非深层氢气形成的有效途径。气藏中伴生氦的含量和同位素特征显示为壳源特征,指示川中深层天然气中氢气存在外源成因,即花岗岩基底中水的放射性分解和二价铁矿物的水热反应是氢气的主要来源。深部基底来源氢气向储层运聚过程中的扩散同位素分馏效应,是深层常规气中氢同位素异常偏轻的重要机制。

同时,我们发现深层天然氢气的聚集处于动态过程,即外源氢气向储层的运聚与储层中氢气的逸散同时发生。值得注意的是,地下氢气的氢同位素常受到形成和聚集过程中各种次生作用的影响,准确识别其成因来源和形成温度,可能需要更多的地球化学数据证据,比如氢气簇同位素和伴生流体组分同位素等。

有利的构造演化条件和已有氢气发现实例,预示我国具有天然氢形成的物质基础。但其形成富集机制和分布规律仍缺乏足够认识,难以有效指导高效勘探和开发利用,亟需加强基础理论、关键技术和资源勘查等攻关研究。

基础研究需要从氢气系统的角度,明确天然氢形成机理、富集成藏机制和主控因素;关键技术需要聚焦天然氢的成因来源判识、地表-地下地球物理等预测、测录井技术;资源勘查方面亟需加大陆上主要盆地和重点地区的天然氢普查,这将为我国天然氢气资源评价和有利勘探区优选提供基础数据支撑。

我们认为寻找天然氢气藏、支撑勘探发现和钻探目标实施,是当前基础研究和技术研发的首要目的。从全球已发现天然氢的分布来看,蛇绿岩带、深大断裂发育带、克拉通陆-陆碰撞带和前寒武铁条带等地质体可能是高丰度天然氢勘探的潜在目标。由于天然氢气藏的典型实例受限,目前仍需要坚持边研究、边勘探、边开发的思路,不断积累经验,逐渐完善天然氢形成富集理论、勘探预测和开发技术,进而推动勘探持续发现。

作者简介

王晓梅,中国石油勘探开发研究院正高级工程师,博士生导师。现任中国石油天然气集团公司油气地球化学重点实验室主任、亚非石油地球化学与勘探协会(AAAPG)理事、全国有机地球化学学组学术委员、《Marine and Petroleum Geology》副主编、《石油勘探与开发》编委等。先后主持国家重点研发项目、国家自然科学基金杰出青年科学基金、中石油科技项目等20余项。长期从事地球系统与资源能源基础研究,在中元古代地球环境演变与富有机质页岩发育、古老超深层油气资源形成、天然氢形成富集机制等方向取得了系列原创性认识。创新提出下马岭组沉积存在最小氧化带(OMZ),发现14亿年前的海洋同样存在缺氧到硫化再到氧化的全周期演化,突破国际上“Canfield硫化海洋”的固有认识;创新揭示深部无机富氢流体-有机质加氢生烃作用机制,发现其对深层油气形成具有重要贡献,预测深层-超深层具有新油气资源类型;超前探索天然氢形成演化机制,研发形成天然氢同位素分析和资源勘查等系列技术,阐明沉积盆地深层天然氢成因来源和运聚机制。相关成果在PNAS、Geology、ESPL、GCA、《中国科学.地球科学》等学术期刊发表论文100余篇。先后获得省部级科技进步特等奖/一等奖7项、中国地质学会“十大地质科技进展”、“黄汲清青年地质科技奖”、中华国际科学交流基金会杰出工程师青年奖和中国石油“杰出青年科技创新人才”等奖励和荣誉。