对“仙圈”中氢气渗漏现象的数值模拟

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Numerical simulations of hydrogen seepage in “fairy circles”

自然氢气在饱和水地层中的迁移与地表 fairy circles 形成机制研究。通过稳态流体流模拟和耦合流固力学数值模拟，分析毛细作用、浮力及超压对 fairy circles 半径和地表气通量的控制，揭示气体诱导孔隙压缩导致地表沉降的新机制。研究建立物理模型评估 fairy circles 尺寸与气流量与氢气源深度及压力的关联性，为自然氢气资源勘探提供理论框架。

　　

克里斯汀·德图尔奈（Christine Detournay）| 马丁·P.J. 舍普费尔（Martin P.J. Sch?pfer）

Itasca咨询集团（Itasca Consulting Group），美国明尼阿波利斯（Minneapolis, USA）

摘要

近年来，人们提出“仙圈”（fairy circles）——这些表面缺乏植被的凹陷区域——可能是地下自然氢气聚集的潜在表现形式。本研究通过数值模拟来评估这一假设，这些模拟旨在捕捉与水饱和层中氢气迁移相关的流体-力学耦合过程。在地下引入氢气源，以模拟气体在圆形地表区域内的上升和释放过程。本研究包含两个互补的部分，扩展了作者之前的发现。首先，进行了一系列稳态流体流动模拟，以量化毛细作用、浮力和过压如何共同控制仙圈的半径及其相关地表气体通量。这些分析确定了氢气能够到达地表并形成稳定圆形区域的参数范围。其次，使用完全耦合的流体-力学模拟来研究多孔介质的变形响应。结果揭示了一种由气体引起的体积压缩机制，该机制能够产生与现场观测结果一致的地表沉降速率。本研究提供了一个基于物理的框架，用于评估仙圈的大小和气体通量是否可以作为氢气源深度及其压力的指示器，从而为天然氢资源的勘探策略提供参考。

引言

最近，数百米大小的圆形地表凹陷区域（这些区域缺乏植被）引起了科学家们的关注，他们正在寻找一种绿色能源。^1,2事实上，一些“仙圈”（见图1中的巴西案例）与马里、巴西、纳米比亚、阿曼、俄罗斯、澳大利亚和美国的地下氢气渗出有关。³这种氢气据信是通过地下化学反应自然产生的，被称为“天然氢”（Natural Hydrogen）。⁴尽管目前尚不清楚氢气是如何在地下形成和积累的，但越来越多的人认为它可能是一种重要的清洁能源。

文献中报道了仙圈的一些共同特征。^{1,5, 6, 7}这些仙圈的直径达数百米，在地图上看呈近似圆形，且植被稀疏。通常在仙圈内部测量到较高的氢气浓度，地表气体通量约为1立方米/天/平方米或更低。⁷由于仙圈的圆形特征，可以推测氢气的来源很可能是地下的一个点源。

氢气在地下形成的一种可能机制是蛇纹石化作用，即水与基岩中的镁铁质火成岩发生反应。^5,8据设想，分支路径或裂缝交叉点可能成为氢气进入上覆水饱和沉积岩的通道（见图2中的概念模型）。然而，也有可能是地下密封气体储层的破裂导致了氢气的释放，例如土耳其安塔利亚附近的Chimaera气体田。^4,9

关于仙圈中氢气释放的公开测量数据仍然很少，浓度数据主要覆盖到大约1.1米的深度。^5,11,12

Myagkiy等人^13,14使用基于对流-扩散方程的二维数值模型，研究了位于巴西圣弗朗西斯科盆地（S?o Francisco Basin）的仙圈附近地表区域的氢气浓度。¹²然而，他们的研究中忽略了地下水的存在。气体生成被模拟为一个位于二维域底部的点源，代表一个垂直于模型平面的无限延伸的裂缝。通过使用脉冲源和低渗透性的近地表覆盖层，作者再现了在浅层观察到的氢气浓度特征，如每日波动和仙圈边缘的较高浓度值。

舍普费尔等人¹⁰采用了两相流方法和Biot孔隙-弹性-塑性框架，研究了数百米尺度上的仙圈形成过程。他们利用临界状态土壤力学（Critical State Soil Mechanics）背景下的Cam-clay孔隙-弹性-塑性模型¹⁵，表明沉降现象可以通过气体注入阶段结束后水重新进入被气体占据的孔隙空间而引起的压缩机制来解释。模拟结果成功再现了世界各地许多地点观测到的仙圈的深度/直径比例。

除了这些研究之外，关于仙圈形成的公开数值模拟非常少，而且相关数据也很难找到。

本文基于舍普费尔等人¹⁰和德图尔奈等人^16,17的分析，对具有地下局部气体源的饱和沉积层（数百米尺度）进行了稳态流体流动模拟，研究了流体驱动力（特别是源处的气体过压、毛细作用和浮力）对预测的仙圈半径和地表气体通量的影响。作为舍普费尔等人¹⁰考虑的机械压缩机制的替代方案，本文探索了一种与岩石孔隙中氢气存在相关的新假设压缩机制，通过耦合流体-力学模拟来验证它是否能够解释最近观察到的仙圈地表沉降速率。⁸

本文的目的不是匹配现场数据，而是利用因果推理（如¹⁸所建议的）和基于物理的数值模拟来探索可能的形成机制。为此，本文考虑了一个简单的几何模型、边界条件和通用属性（参见¹⁹，了解这种方法的一个例子）。

多种因素可能影响地表环境中氢气的流动，例如每日温度或湿度的变化、细菌活动以及土壤的异质性。这些因素超出了本研究的范围。

部分内容摘录

概念模型

分析考虑了来自地下局部氢气源（半径为$l_d$）的向上流动，该氢气源位于初始处于水饱和状态的水平沉积岩层中（层厚恒定，$h$），沉积岩层具有较大的横向范围。采用轴对称配置，原点位于层的底部（对称轴上），r轴指向水平（径向），y轴垂直向上（见图3）。

氢气源

理论框架

本文认为氢气通过孔隙空间移动，置换了原本存在于其中的水。这种置换过程是地下氢储存技术（UHS）中常用的假设²⁰。在这种系统中，氢气被注入多孔岩层，置换原有的流体（如水和盐水）。由于氢在水中的溶解度非常低⁴，因此在本文中忽略了这一因素。

稳态流动解

本节概述了稳态流动分析的框架。为方便表示，本节中将水饱和度称为$s$（即$s_{}$表示$s_{}$）。

数值模拟

如引言所述，数值模拟分为两部分进行。首先考虑稳态流动条件，并对一系列参数值进行参数分析，以表征气体侵入区域的形状、模拟的仙圈半径以及地表的气体产量。其次，进行时间依赖的耦合流体-力学模拟，并探讨与气体饱和度相关的假设体积压缩机制。

结论

对大尺度（数百米）自然氢气渗出的研究仍处于早期阶段。系统的行为高度非线性，涉及的参数众多，可用数据也很有限。在这种背景下，任何试图阐明相关机制的尝试都颇具挑战性。因此，本文采用了简化的假设并使用了通用属性，以使研究变得可行。

本文的工作延续了德图尔奈等人的分析

CRediT作者贡献声明

克里斯汀·德图尔奈（Christine Detournay）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论制定、调查、形式分析、概念化。马丁·P.J. 舍普费尔（Martin P.J. Sch?pfer）：撰写——审稿与编辑、方法论制定、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Gabor Tari鼓励对仙圈中自然氢气渗出的数值研究，以及Emmanuel Detournay提出的比例分析方法及其在气体流动研究中的应用。他们的支持对我们来说非常宝贵。