【自然.科学报告】纳米比亚发现新大陆氢能源潜力区，对传统上蛇纹石化作用是自然氢主要来源的观点提出了挑战
Waterberg盆地中的H2渗漏点
在能源转型与氢能经济日益重要的背景下，科学家们在探索自然无碳能源的道路上取得了重要突破性进展。5月22日，一个国际科研团队在自然《科学报告》杂志上发表了题为《纳米比亚达马拉带的新大陆氢气资源》的研究论文。这项研究揭示了纳米比亚Waterberg盆地深处隐藏的大陆氢能源新来源，对传统上认为蛇纹石化作用是大陆领域内自然氢（H2）主要来源的观点提出了挑战。
研究指出，近期在澳大利亚和巴西的发现显示，太古宙至古元古代的条带状含铁建造（BIF）也能成为自然氢的另一个重要生成地。尽管氢气生成的基本机制相似（即Fe2+的氧化伴随着水的还原），但BIF中较高的铁含量理论上使其比镁铁质火成岩更高效地生产H2。该团队通过地质结构证据确认，Waterberg盆地检测到的H2释放与下部新元古代的Chuos组条带状含铁建造有关。Chuos组中普遍存在的磁铁矿，以及疑似产氢矿物如黑云母和菱铁矿，进一步强化了这一联系。
磁铁矿不仅在Chuos组中以连续的变质层形式出现，还广泛分布于变质石英岩和碳酸盐岩中，表明变质过程并未显著降低产氢所需的Fe2+含量。盆地中观测到的H2渗漏迹象，结合野外观察到的可能圈闭构造与储层特征，预示着深层存在活跃的氢气生成系统。
这一科学发现不仅深化了我们对自然氢系统运作机制的理解，更为纳米比亚乃至全球的可持续能源探索开辟了新方向。在全球努力减少碳排放、转向绿色能源之际，纳米比亚达马拉带这一大陆氢能源资源的发现，或将成为推动氢能经济发展的关键一步，引领我们向更加清洁、可持续的能源未来迈进。
现场照片展示铁矿石特征。(A)条带状赤铁矿层（位置：南纬-20.30°/东经15.43°）。片理走向为北东北-南西南，并以65°倾斜。（B）属于厚度达50米富含铁质岩石序列（倾向70°/倾角60°）的一块岩体。暗色层中含磁铁矿（位置：南纬-20.67°/东经15.14°）。（C）暗色冰碛岩之间近乎垂直的磁铁矿厘米级层位（位置：南纬-20.49°/东经15.34°）。Nam2对应于样本2。（D）来自奥乔宗杜锰矿的岩心样本（位置：南纬-21.23°/东经18.04°）。岩心样本右侧磁铁矿含量较低。Nam3对应于样本3。（E）裂缝面上的磁铁矿晶体（位置：南纬-20.30°/东经15.43°）
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Roche, V., Geymond, U., Boka-Mene, M. et al. A new continental hydrogen play in Damara Belt (Namibia). Sci Rep 14, 11655 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-62538-6
地幔橄榄岩-火成碳酸岩水岩相互作用与氢气甲烷成因初步探讨
地幔是地球体积最大的一层，位于地壳之下，直至地球的核心。地幔主要由硅酸盐矿物组成，其中橄榄石是最主要的组成矿物。据估计，上地幔的大约60-70%体积由橄榄石组成，尤其是镁橄榄石，这是构成地幔岩石如二辉橄榄岩和纯橄榄岩的主要成分。前人普遍的认识是橄榄岩通过蛇纹石化过程能够产生氢气（H2）和甲烷（CH4）。发生在橄榄岩这样的镁铁质岩石中，当它们与水相互作用并经历低级别变质作用时，橄榄石会转化为蛇纹石。这一过程中，水分子与岩石中的矿物成分发生反应，导致了氢气的释放。同时，生成的氢气可能进一步参与费托类型的反应，与周围的碳源（如碳酸盐或者有机物）反应生成甲烷。这种无机成因气体的生成对于地球化学循环、深部生物圈以及非生物成因的碳氢化合物形成等方面具有重要意义，同时也被视作是潜在的清洁能源资源。而蛇纹石化是地质作用中橄榄石等镁铁质矿物在特定条件下转变为蛇纹石的过程。此过程需低温(约250-350°C)、适中压力(中下地壳至上地幔浅层)，并大量依赖水的存在。橄榄石与水反应，在漫长岁月里（百万年尺度），于地壳深部或海底环境进行，伴随化学成分的调整，影响地球物质循环和生态系统。因此，地幔深处的橄榄岩直接发生蛇纹石化并不普遍存在。
橄榄岩主要由橄榄石和辉石组成，特别是上地幔的顶部几百公里处。橄榄岩是上地幔的主要组成岩石类型之一，占据了地幔体积的相当大部分。橄榄石或辉石与水反应产生氢气和甲烷（引自：https://www.planetary.org/space-images/serpentinization）
火成碳酸岩是一种较为罕见的火成岩类型，它是在地球的地下深处，通过岩浆作用形成并结晶化的岩石。与大多数火成岩（如玄武岩、花岗岩）主要由硅酸盐矿物组成不同，火成碳酸岩的主要成分是碳酸盐矿物，如方解石（CaCO₃）和白云石（CaMg(CO₃)₂）。这些岩石的形成通常与特定的地质环境有关，比如在富含碳酸盐物质的岩浆冷却结晶过程中形成，或是通过岩浆与碳酸盐地层的反应生成。火成碳酸岩的形成条件较为特殊，通常要求有较高的二氧化碳分压环境，这在地球表面并不常见，但在某些地质历史时期的特殊地质事件中可能出现。它们可以提供关于地球深部碳循环、岩浆作用过程以及地质历史时期古环境的重要信息。由于其稀少性，火成碳酸岩的研究对地质学家来说具有很高的科学价值。
帕拉博拉碱性火成碳酸岩地块的典型碳酸岩标本。这个标本是唐·欧文斯1982年作为地质学家驻扎在那里时收集的。它基本上是带状方解石(或白云石)与磁铁矿。（https://www.dakotamatrix.com/products/20681/banded-carbonatite#!prettyPhoto）
在一些特殊地质环境下，如地幔碳酸化过程，地幔橄榄岩可以与碳酸盐流体或熔体相互作用。这种情况下，地幔橄榄岩可能通过交代作用吸收碳酸盐物质，导致岩石成分发生变化，形成含有碳酸盐矿物的岩石，如碳酸岩化的橄榄岩。这类过程可能发生在地幔某些区域，特别是在俯冲带，那里的碳酸盐地壳物质可以俯冲到地幔深处，释放CO2并影响周围地幔岩石的成分。当火成碳酸岩与水相互作用时，可以发生一系列复杂的反应，这些反应可能产生氢气和甲烷。这种机制为地幔中气体（包括潜在的生物圈外生命相关气体）的起源提供了一种解释途径，支持了地幔可能是地球深部碳循环和气体排放重要贡献者的理论。
（左图：橄榄岩加热实验甲烷和二氧化碳产物变化趋势，右表：加热产物气体成分分析，氢气占绝大部分）
碳酸岩的还原分解
在地幔的高温高压条件下，碳酸岩内含的碳酸盐矿物理论上能够与还原剂（如铁零价态Fe0）发生反应。此过程首先导致碳酸盐的分解，释放出二氧化碳，随后CO2可能经历进一步的还原反应，在水的参与下转化为甲烷（CH4）和氢气（H2）。这类反应不仅需要特定的还原环境，还需适宜的温度、压力以及催化剂的存在，强调了地幔条件下极端环境对方解石转化路径的调控作用。
费-托合成类似反应
地幔中可能发生的类费-托合成过程，涉及CO2与H2在金属催化剂作用下转化为甲烷等碳氢化合物，这为地幔作为潜在的“化学工厂”提供了新证据。虽然地幔环境与工业费-托合成的条件大相径庭，但这种自然过程提示我们，地球内部可能存在着一套独立于生物作用的碳固定与转化机制，对于理解行星内部能量转换及生命起源前的化学演化具有重要意义。
水岩反应
水与岩石的相互作用，即水岩反应，在地球深部可能同样扮演着关键角色。尤其当碳酸盐岩石与受限的水及特定金属离子共存时，可促进氢气的生成。这一过程不仅丰富了深部地壳及上地幔的流体组成，也为地幔气体（如氢气）的来源提供了非生物解释，增进了我们对地球内部流体循环的理解。在地幔高温和催化条件下也可能会发生如下反应：
实验室模拟与未来研究方向
鉴于地幔深处直接实验的不可能性，实验室模拟成为验证上述理论的关键手段。通过控制温度、压力及反应介质的实验设计，科学家们正逐步逼近真相，但仍需克服模拟条件与真实地幔环境之间的差异。未来的研究应聚焦于更加精确的地球物理模型建立、高级材料科学的应用，以及深钻探取样技术的进步，以期直接捕获或间接推断地幔中的化学活动痕迹。总之，地幔无机成因天然气的探索不仅是地质学的前沿课题，也是能源科学、行星科学乃至生命起源研究的交叉点。随着科学技术的发展，我们有望逐步揭开深藏地心的秘密，为人类的能源利用与地球科学认知开启新的篇章。
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