地球內部可能利用的天然氫氣 | 科技導報
在21世紀，氫能源的應用和氫能產業的發展受到社會的廣泛關注。從地球形成歷史和地球物理數據來看，地球內部的地核就是一個氫能庫。大陸科學鑽探的數據表明，大地震產生環繞全球的地震波，使地殼和地幔中的裂隙帶活動，地球內部的氣體得以釋放。地震後地球在放氫氣、氦氣和甲烷等氣體，它們會通過地幔裂隙帶上涌到上地殼。如果上地殼有滲透率很低的岩層把上涌氣體覆蓋起來，就可能成爲深層結晶岩中的氫類能源儲存庫。在中國，青藏高原東部可能有這種深層氫類能源儲存庫，值得進一步研究。
19世紀，石油的發現和利用促進了第二次工業革命，改變了世界。21世紀，氫能源的應用和氫能產業的發展，受到社會的廣泛關注。目前，作爲二次能源的氫，主要應用煤、天然氣和電解水來製造，不僅成本很高，製造過程也產生碳排放。其實，地球內部就有一個氫能庫，人類有可能直接利用地球內部的氫資源來生產氫，天然氫氣也有可能成爲今後重要的新能源。
1 地球在放氣
對於地球內部是否存在大量天然氣，地質學家的意見幾乎完全一致，答案是肯定的。地質學研究表明，46億年以前，地球是由太陽中逸出的含氫氣雲團逐漸演變來的，因此，地球內部（尤其是地球外核）富含多種與生俱來的天然氣，並通過岩石中的裂隙向外放氣。臺灣南部有個叫“出火”的小村莊，村邊的微地裂縫中冒甲烷氣，點火之後長年燃燒不熄。在國際大陸科學鑽探（ICDP）的深井中，深部大都檢測到甲烷、氦氣與二氧化碳等天然氣異常，而且鑽井越深異常越明顯，證實了地球放氣的學說。
1998年，筆者隨同國際大陸科學鑽探專家組參觀了德國大陸科學深鑽（KTB）的現場，第一次看到從地下8000~9000m取出的岩心（圖1（a）和（b））。原認爲這麼深的結晶岩會非常緻密，其實不然，它們可以有許多孔隙，出乎意料。在KTB的7500m深度以上隨鑽測量了氣體濃度，其中氫氣和甲烷的濃度數據見圖1（c）。由圖1可見，在7000m深度，氫氣的濃度達到80mg/L，甲烷的濃度達到800mg/L。氫氣和甲烷的濃度有隨地殼深度增加而增加的趨勢。
圖1 德國KTB深鑽岩心照片及鑽孔中游離H2和CO2濃度分析結果
1997—2005年，筆者參加了在江蘇省東海縣南部開展的中國大陸科學深鑽工程（CCSD-1）的運作。在許志琴院士和羅立強研究員領導下，利用這口深鑽對地球放氣進行了研究，再次證明了地球深部放氣的認知（圖2）。圖2（a）爲CCSD-1深鑽100~5100m深度岩石中游離氫氣相對於地面基準站的含量分析結果。由於氫氣的揮發極快，其觀測數據從2100m深度纔開始出現異常，此後隨深度增加而增加。甲烷是氫氣衍生的可燃氣體，圖2（b）爲井中游離甲烷氣相對於地面基準站的含量分析結果。由圖可見，在地下2250~3600m區段，氫氣和甲烷含量都在局部出現高含量異常。
圖2 中國CCSD-1深鑽資料
在實施科學鑽探期間，筆者設計和實施了以三維反射地震爲主導的地球物理調查和地球物理測井。圖2（c）爲深鑽氣體異常區段的井壁照片；雖然岩石是結晶完好的片麻岩，孔裂隙度僅爲1%左右，但空隙和裂縫隨處可見。圖2（d）爲過井三維反射地震剖面，強反射帶反映了地層中的裂隙發育帶（在圖中用II、III、IV標明）。由此可見，CCSD-1鑽孔穿過的裂隙發育帶II和III，對應地下2250~3600m的氫氣、氦氣和甲烷高含量異常段，井底接近裂隙發育帶IV。這些數據證明，在地下結晶岩地層中，有因地球內部放氣而遺留在孔隙、空隙中的含氫、甲烷等氣體。
2 地球放氣的規律
通過對中國大陸科學鑽探資料的綜合研究，發現在甲烷等氣體異常存在的井段，結晶岩石中的微裂隙含氣會引起地震波速明顯降低，導致充氣結晶岩石產生明顯的地震反射。更重要的是，長期觀測表明，地層中甲烷、氫氣與氦氣的濃度在地震發生期間有明顯變化。
圖3爲中國大陸科學鑽探期間地殼放氣與地震關係資料。
圖3 中國大陸科學鑽探期間地殼放氣與地震關係資料
圖3（a）是2001年11月1日到2002年1月25日期間，觀測氣體濃度日平均值隨時間的變化數據，其中（a1）爲氫氣，（a2）爲甲烷，（a3）爲氦氣，（a4）爲二氧化碳。在觀測期間附近發生了3次中小地震，日期與震級在圖中由箭頭標明。由此可見，在地震發生前後的20多天，氫氣和甲烷的濃度日平均值明顯升高，而氦氣與二氧化碳在地震後則有先升高後下降的趨勢。由此可知，在地震後的幾天內，由於地震波傳播的影響，使地層中被軟沙土堵塞的裂隙鬆動，爲地球放氣疏通了氣體通道，增加了地層中氣體的濃度。當多次地震發生後，裂隙的擴大也會使氦氣與二氧化碳等氣體迅速逸散，造成氣體濃度下降。不過，下一次地震的發生又會造成氣體濃度上升。圖3（b）爲氦氣濃度隨時間的變化與地震（圖中箭頭）的對比。由圖3可見，在2001年10月—2002年4月初，地震發生期間，氦氣的濃度有明顯增高趨勢，表明地球表面地震波的傳播在促進地球放氣。
中國大陸科學鑽探在2005年完工後，在原場地建立了地殼運動長期觀測站，筆者有幸負責觀測站的規劃和設計，在主孔旁邊增加了700m深度的淺孔地應力、地磁場、地下水位和氡氣觀測。圖4爲菲律賓一次5級地震期間淺孔的觀測數據。由圖4可見，在主應力方向，菲律賓地震前大陸科學鑽探地下壓力變化頻率加快，地震後地下壓力有所釋放，地磁場的水平分量也明顯降低。地震波抵達後，地下水位逐漸升高達2個月，氡氣也有升高的突變。這些觀測數據表明，強地震產生的地震面波在地殼的環繞震盪，對地殼中的流體運動有不可忽視的影響。地球的放氣是有規律的：大地震產生環繞全球的地震波，使地殼和地幔中的裂隙帶活動，地球內部的氣體釋放。幾個月後，地殼中的裂隙又逐漸堵塞，地球的放氣又慢慢停止。
圖4 中國大陸科學鑽探場地建立的地殼運動長期觀測站的觀測數據
3 地球內部的氫和流體通道
現今的天文物理學認爲，宇宙是空間一個能量奇點大爆炸形成的。大爆炸使奇點中濃縮的物質飛向四面八方，並隨之降溫，而隨着降溫首先形成了最簡單的原子：氫。接着2個氫原子又形成了氦原子：
H+H→He+能量
於是，宇宙中首先有了氫和氦組成的雲團，這些雲團溫度高達上千萬度。降溫和雲團收縮又促使氦原子核碰撞產生了核聚變，這次氦聚變產生了大量鈹和碳原子：
He+He=Be+能量
He+Be=C+能量
接下來的核聚變包括：
C+H→O
O+He→Ne（氖）
Ne+He→Si
Si+He→S
S+He→Ni
鎳的衰變又形成鈷和鐵，這些元素又進一步反應形成各種化合物，如甲烷等。
在47億年前，宇宙中飄出的一朵含氫和氦的雲團在不停地收縮和旋轉，太陽系開始形成。在太陽能量的作用下，原始行星中的輕元素物質蒸發並釋放出來，又形成了金星、水星、地球和火星等原始行星。到46億年前，太陽系物質運動開始進入平衡態，9個行星整齊排列在太陽系周圍，圍繞太陽系旋轉。現今太陽系行星軌道爲同平面上的同心圓，行星軌道距離分佈服從波得（Bode）定律：它們的旋轉軌道與太陽的距離是其與向內相鄰行星距離的2倍。因此，可以推測在46億年前太陽系形成後，原始地球含有大量氫、氦等氣體和親石元素硅、鎂、磷、鐵、鋁、鈷等。
在萬有引力作用下，原始地球以吸積作用主導，以越來越快的速率吸收鄰近的物質顆粒而加大自己的質量。在高溫下早期地球表層爲熱熔的熔岩覆蓋，高溫使水分汽化，氣體外逸，硅、鈉、鋁、鉀之類的輕元素上浮，鐵、鎳等重元素下沉，物質逐漸徑向分異。在40億年前地球形成了大氣圈、水圈、固體的地殼和地幔、地核之後，地殼以下保存氣體的揮發就減少了。此時地球大氣成分主要爲氫氣和二氧化碳，由於氫氣很快揮發到太空，又不斷與碳結合成爲甲烷，大氣中氫氣的濃度很快減少。不過，由於固體地殼和地幔的包裹，相當部分的氫仍然保留在地球內部。
地球內外核的橫波速度爲0，證明它是流體層；地磁場的成因就歸因於外核中磁流體的劇烈運動。地球內核的橫波速度很小，表明它不是典型的固體層，應該含有“超流體”。根據物理屬性推測，外核可能爲富鐵熔液懸浮體，含有一定數量的氫，硫、鈣的金屬氧化物，硅酸鹽和放射性物質。可見，地核是一個含氫物質的寶庫，最輕的氫原子在地球內部具有浮力，可以通過地幔的流體通道滲入上地殼。
地殼地幔的岩石存在破裂帶，它們是融流體的通道。地球海洋的水可從表面通過俯衝帶一直滲透到整個上地幔，它們與地核熱流體上涌的羽毛狀裂隙帶連通，可構成貫通全部地球的融流體通道網絡，使地球物質運動充滿活力。地球內部的融流體通道網存在，可以從地震層析成像的圖像上看出來。融流體的存在降低了地震波速度，所以融流通道以低波速異常出現。在軟流圈物質黏度比較低，物質蠕動速度比較快。地幔羽毛狀流體通道（plume）的存在也表明，在地核的氫原子可以進入上地殼爲人類利用。但是，流體運動通道與地表水圈和大氣圈是連通的，氫氣、氦氣和甲烷能不能儲存在上地殼是一個關鍵問題。
4 上地殼的蓋層
從圖1~圖4已經看到，地球內部的氫氣、氦氣和甲烷等氣體可以進入上地殼；它們同樣可能散發到大氣圈與太空，不一定儲存在上地殼。如果上地殼有滲透率很低的岩層把氣體覆蓋起來，它們就有可能成爲氫類能源的儲存區。什麼地方的上地殼有滲透率很低的岩層把氣體覆蓋起來，會成爲氫類能源可能的儲存區？
根據筆者團隊的地震層析成像研究，青藏高原東部可能是一個發現此類深層氣能源儲存的遠景區。根據岩石物理測定的資料可知，地震波速的大幅度降低經常反映地層中流體的提高。圖5爲青藏高原地殼地震P波波速擾動平面圖，深度分別爲8、18、28和38km。比較深度8和18km的地震波速可見，在青藏高原東部，上地殼淺部與深部的地震波速發生了根本性的反轉。上地殼（深度8km）爲大面積的高波速屏蔽蓋層，下面的中地殼（深度18km）是大面積低波速的含流體層，波速異常從+6%變爲-5%。在圖5（b）中用黑框圈出地震波速最低的研究區範圍，它位於青藏高原的東南部。由此可以猜測，如果研究區低速異常反映了含氫流體的存在，它主要來源於下方。含流體層的埋藏深度在10km以下。與現今四川開發的天然氣藏不同的是，這類能源儲存在深度10km以下的結晶岩裂隙帶中，烴類高分子物質成分少，而氫氣、氦氣和甲烷等氣體成分可能比較多。如果可以開發，地球內部還會通過大地震後地震波的作用不斷地補充裂隙帶中的氣體成分，使它們的開發得以長期持續。
圖5 青藏高原地震P波波速擾動三維成像結果
上述地球放氣並在結晶岩裂隙帶中儲藏的觀念，目前還只是一個初步的科學推測。現在我們還不能認知這些中地殼的流體是什麼氣體，氫氣和甲烷能夠佔多大比例。鑽探到10km以下的高溫高壓地層對鑽井技術也是一項重大考驗。發現和利用深層氫能源的研究如果開始，一定會面臨諸多挑戰和考驗。
5 結論
從地球形成歷史和地球物理數據來看，地球內部的地核就是一個氫能庫，含氫氣體會通過地殼地幔裂隙帶上涌到地殼。大陸科學鑽探的數據表明，地震後地球在放氫氣、氦氣和甲烷等氣體。大地震產生環繞全球的地震波，使地殼和地幔中的裂隙帶活動，地球內部的氣體得以釋放。如果上地殼有滲透率很低的岩層把上涌氣體覆蓋起來，就可能成爲深層結晶岩中的氫類能源（包括氦和甲烷）儲存庫。在中國，青藏高原東部有可能屬於這種有希望的深層能源儲存庫。當前，開始開展利用深層氫能源的研究有一定意義。
作者簡介：楊文采，浙江大學地球科學學院，教授，中國科學院院士，研究方向爲地球物理正反演、地球成像和大陸動力學。
原文發表於《科技導報》2024年第15期，歡迎訂閱查看。
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