综述：关于非生物地质氢生成的批判性综述：机制与控制因素

《Earth-Science Reviews》：A critical review on abiotic geologic hydrogen generation: Mechanisms and controls

地质氢是地球能量与物质循环的关键组分，其非生物成因途径包括铁质矿物热液反应、水辐照及矿物-水界面自由基反应。研究显示，热液反应年产量达0.2×1011–6.3×1012mol，水辐照为1.6×101?–1.35×1013mol，界面反应为1.1×10?–2.5×101?mol，三者均受地质环境影响。当前研究聚焦形成机制与资源评估，但各途径贡献率及调控因素仍存争议。

　　

青霞·郑|瑞波·吴|平·李|哲·丁|文涛·张|慧阳·梅|伟超·张|建军·梁|巧辉·范

中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程国家重点实验室，中国兰州730000

摘要

地质氢在地球的能量和物质循环中起着关键作用，对地球各圈层的演化和关键矿产资源的形成有着重要影响。由于其广泛的来源和潜在的丰富性，非生物氢已成为地质氢研究的重点。然而，关于非生物地质氢的来源、贡献及主导因素仍存在争议。系统综述表明，非生物地质氢主要通过三种途径生成：含铁(II)矿物的热液反应、水放射分解以及矿物-水界面的自由基反应。它们的估计生成速率分别为0.2×10¹¹–6.3×10¹²摩尔/年、1.6×10¹⁰–1.35×10¹³摩尔/年和1.1×10⁸–2.5×10¹⁰摩尔/年。含铁(II)矿物-水反应的核心机制涉及铁(II)的电子转移和矿物相变，这一过程受温度强烈影响。水放射分解通过放射性辐照诱导的自由基生成氢，其速率受辐射类型和剂量的影响。此外，新暴露的矿物表面可以通过界面水分子在未饱和配位位点形成的自由基生成氢，这一过程受矿物类型控制。这些反应共同受到地质环境条件（如水化学成分和大气组成）的调控。本文概述了非生物地质氢的三种主要生成机制，并讨论了控制这些过程的关键地球化学因素。最后，指出了当前在机制、影响因素和资源评估方面的研究空白。

引言

在全球能源需求不断增长和气候挑战日益严重的背景下，世界能源结构正从化石燃料转向非化石能源，氢因其高效、清洁和零碳特性而成为可持续能源和环境发展的关键推动者（Ali等人，2022a；Ali等人，2022c；Basheer和Ali，2019；Miao等人，2021；Tian等人，2022；Zou等人，2021）。据预测，到2050年全球氢需求将从2023年的9700万吨激增至5.36亿吨（国际能源署，2023）。无排放的氢供应预计将来自基于可再生能源的“绿色氢”和通过碳捕获与储存（CCS）技术获得的“蓝色氢”。如果能够以足够的可回收量找到，通过地质过程自然形成的地质氢（称为“金色氢”或“白色氢”）可以成为另一种氢来源，这一概念日益受到关注（Tian等人，2022；Zgonnik，2020）。美国地质调查局初步估计全球地质氢资源量高达5.6×10¹²吨，远超目前已知的化石能源总量（Ellis和Gelman，2024）。然而，尽管在天然氢勘探方面活动不断增加，但至今尚未宣布任何具有重大意义的发现，因此实际可商业开发的天然氢资源量仍有待确定（Everts等人，2025）。

从地球化学循环的角度来看，氢可以驱动物质的转化。在氧气逸度较高的浅层地壳环境中，氢可作为强还原剂，直接还原硫酸盐或金属离子，在金属矿床的形成中发挥关键作用（Qi等人，2024；Zhao等人，2022）。在高温深部条件下，氢可通过费托合成与二氧化碳反应生成甲烷和乙烷——这些是石油和天然气的主要前体——同时还能促进干酪根烃类的生成（Jin等人，2004）并提高传统化石能源的产量（Meng等人，2014）。在海底热液系统中，氢是多种微生物的主要电子供体，驱动它们的能量代谢（Gregory等人，2019；Schwander等人，2023）。因此，无论是从能源资源还是地球系统循环的角度来看，地质氢都起着至关重要的作用，这凸显了研究其生成过程的必要性。

氢可以通过人工和自然系统中的多种途径生成，包括微生物合成、直接电子转移和自由基反应（表1）。地质氢的潜在来源多种多样，根据其生成机制可分为两大类：有机来源和非生物来源（Fang等人，2024a；Han等人，2021；Meng等人，2014；Milkov，2022；Wang等人，2025）。有机地质氢是指通过生物过程和有机物热解产生的氢。生物过程主要涉及微生物通过固氮作用和氢化酶活性生成氢（Piché-Choquette和Constant，2019）。然而，尽管地球上许多微生物可以通过代谢活动生成氢，但这些氢通常会被迅速消耗（Chen等人，2015）。因此，微生物生成的氢不太可能积累在可开采的储层中。有机物热解发生在有机物演化的成熟阶段。在此过程中，有机物经历一系列聚合反应，释放大量氢自由基，这些自由基随后重新结合形成氢（Han等人，2021）。由于有机地质氢已得到广泛研究（Hanson和Hanson，2024），本文不再对其进行讨论。对于非生物地质氢，除了深层岩浆和地幔脱气外，其主要来源被认为是含铁(II)矿物的热液反应、水放射分解以及矿物-水界面的自由基反应（Hand，2023；Klein等人，2020）。(1) 含铁(II)矿物的热液反应主要发生在中洋脊和蛇绿岩带等地质环境中。这种生成方式所需的物质基础分布广泛，据信这类氢生成占非生物地质氢生成的主要部分。(2) 水放射分解主要发生在克拉通和沉积盆地等地质环境中。尽管速率较慢，但这一过程可以持续生成氢。(3) 相反，矿物-水界面自由基反应主要发生在活动断层带、地震活跃区和冰川基岩中。虽然表2显示其产率低于前两种途径，但其局部生成速率较高（1.1×10⁸–2.5×10¹⁰摩尔/年）。尽管近年来对氢生成机制（尤其是蛇纹石化作用）的研究有所扩展，但不同非生物氢来源对地质氢的贡献仍存在很大争议（表2）。理论上，任何还原电位低于-0.414 V（相对于pH 7.0下的标准氢电极）的系统都可以将水还原为氢，但在复杂地质条件下的生成机制和影响仍不甚明了。因此，系统地回顾和分析非生物地质氢的来源和控制因素对于解决其生成机制的争议至关重要。

章节片段

含铁(II)矿物热液反应生成的地质氢

铁(II)具有很强的还原能力，可以通过地球的铁循环驱动各种地球化学反应，包括氢的生成。非生物地质氢的一个主要来源是蛇纹石化作用。

水放射分解生成的地质氢

地球含有丰富的放射性核素，放射性衰变普遍存在。放射性衰变释放的高能量可以直接驱动自由基反应，包括水放射分解，这也是地质氢的另一个潜在来源。

新鲜矿物-水界面产生的氢

在矿物晶体破裂过程中，断裂的化学键会产生悬挂的化学键，从而在水中引发自由基反应，生成氢。在活跃的构造运动区域（如俯冲带和断层带），矿物普遍会发生断裂（Dunham等人，2021；Freund等人，2002；He等人，2021；Kita等人，1982；Wakita等人，1980）。

结论与未来展望

文献中确定了三种主要的非生物氢生成模式：含铁(II)矿物的热液反应、水放射分解以及矿物-水界面的自由基反应。这些机制涉及水或质子的直接电子捕获，或自由基诱导的氢生成。在含铁(II)矿物热液系统中，氢生成主要受温度、矿物成分和水岩比例的控制。而水放射分解则

作者贡献

P. L. 和 Q. H. F. 构思并设计了这篇综述。Q. X. Z. 撰写了初稿。Q. X. Z.、R. B. W.、P. L.、Z. D.、W. T. Z.、H. Y. M.、W. C. Z.、J. J. L. 和 Q. H. F. 审阅、编辑并撰写了手稿。P. L. 和 Q. H. F. 监督了整个综述过程。所有作者都参与了讨论和手稿的准备工作。

未引用的参考文献

Mayhew等人，2018

利益冲突声明

无需要声明的利益冲突。

致谢

本工作得到了“塔里木盆地边缘氦富集机制与资源潜力评估”（2025ZD1010604）、中国科学院“基础研究领域青年团队稳定支持项目”（YSBR-017）以及“地球多圈层相互作用下的碳氢化合物富集理论”（THEMSIE）的财政支持。感谢Ghufran Uddin博士在语言润色方面的帮助。