非生物成因地质氢气的形成机制与控制因素研究获新进展

在全球能源转型背景下，地质氢气作为一种重要的清洁能源，已日益成为全球关注的重点。同时，地质氢气作为地球能量和物质循环的关键载体，深刻影响着地球圈层演化和关键矿产资源形成。因此，探究地质氢气的形成过程及主要控制因素对于氢气资源勘探开发以及地球化学过程认识具有重要科学和现实意义。

中国科学院西北生态环境资源研究院环境地球化学研究团队经过系统梳理与总结，综述了非生物地质氢的生成机制与关键控制因素，并基于此提出了地质氢气勘探开发的远景区域。

研究指出，含Fe(II)矿物水热反应、水辐射分解以及矿物-水界面自由基反应是无机来源地质氢的三种主要形成途径，其全球年产氢率分别为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Fe(Ⅱ)矿物水热反应的核心机制是Fe(II)的电子转移与矿物相变，主要受温度控制；水辐射分解则通过天然放射性元素辐照水分解生成氢，主要受辐射类型和剂量影响；而矿物-水界面自由基反应主要来源于界面水分子在不饱和配位位点反应形成自由基并进一步生成氢气，其主要受矿物类型控制。上述反应还受到共存离子、水溶气体等地质环境条件的共同调控。根据非生物成因地质氢的形成机制和主控因素，提出“富含Fe(II)的超基性岩区（如前寒武纪克拉通、蛇绿岩带）、高放射性背景盆地以及活动断裂带”将是未来寻找天然氢气的“黄金靶区”，为未来地质氢资源的勘探开发提供了理论指导。最后，该研究还指出了当前地质氢成因、主控因素，以及资源评价等方面面临的挑战，为后续相关研究提供了重要的方向。

该综述以A critical review on abiotic geologic hydrogen generation: Mechanisms and controls为题发表于地球科学领域知名期刊《Earth-Science Reviews》，2023级硕士研究生郑青侠为论文第一作者，李平研究员和范桥辉研究员为通讯作者。该研究得到了“塔里木盆地边缘氦气富集机理与资源潜力评价”（2025ZD1010604）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-017）、“地球多圈层相互作用的油气富集理论”（THEMSIE）项目的资助。

文章信息：

Qingxia Zheng, Ruibo Wu, Ping Li*, Zhe Ding, Wentao Zhang, Huiyang Mei, Weichao Zhang, Jianjun Liang, and Qiaohui Fan*. A critical review on abiotic geologic hydrogen generation: Mechanisms and controls[J]. Earth-Science Reviews, 2026, 276: 105453.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2026.105453

图1 非生物成因地质氢气的三种主要生成机制示意图，含Fe(Ⅱ)矿物水热反应、水辐射分解和矿物-水界面自由基反应

图2 含Fe(II)矿物的水热反应生成氢气。（a）橄榄石水热反应生成氢气的示意图；（b）在 50 兆帕压力和水岩比为 1 的条件下，随着温度变化预测的橄榄石水热反应中的平衡矿物组合；（c）在 50 兆帕压力和水岩比为 1 的条件下，基于热力学模型计算的橄榄石水热反应中氢气生成量随温度的变化情况；（d）不同矿物在纯水和氯化钠溶液系统中氢气生成量的比较；（e）在低水岩比（0.01）条件下，氢气生成量显著增加；（f）在不同 pH 条件下，辉长岩热液反应产生的氢气；（g）橄榄石热液反应过程中的氢气生成及二氧化碳矿化