裂谷反转造山带：开启天然氢气能源宝藏的新大门？

为解决可持续能源开发难题，研究人员开展裂谷反转造山带与天然 H?生成关系的研究。结果发现造山带中 H?生成能力更强且有储集条件。推荐阅读，助你了解该研究对能源勘探及能源转型的重要意义。

　　

在能源领域，寻找可持续的清洁能源一直是 21 世纪的重大挑战。分子氢气（）作为一种极具潜力的清洁能源，有望成为碳氢化合物燃料的理想替代品。你可别小看这小小的氢气分子，它燃烧后只产生水，几乎不会对环境造成任何污染，简直就是能源界的 “环保小天使”。

然而，目前合成的成本高得离谱，就像给这个 “小天使” 穿上了一层昂贵的铠甲，让它难以在能源市场上大展拳脚。不过，大自然其实早就为我们准备好了 “天然” 这一宝藏，它是由岩石圈中的一系列自然（生物）化学过程产生的。但长期以来，这个宝藏一直被我们忽视，就像一颗遗落在角落里的明珠，等待着人们去发现。

有一种大规模产生天然的重要机制，叫做蛇纹石化作用。简单来说，就是（超）镁铁质地幔岩石中的矿物质与液态水发生反应，从而产生。这个过程在裂谷边缘和大洋中脊等地非常高效，就像一个忙碌的工厂，不停地生产着。但是，这些地方大多位于遥远的深海，想要在这里进行工业开采，成本高不说，还困难重重，就像要在海底捞针一样。

相比之下，陆地勘探似乎更有希望。比如在阿曼、新喀里多尼亚、阿尔巴尼亚和科索沃等地，都发现了与蛇纹石化作用相关的天然。但问题又来了，蛇纹石化作用和天然的生成在温度超过 200°C 时才最有效，而且在地表附近很容易被各种（生物）化学反应消耗掉。这就好比是个 “调皮的孩子”，还没等人们好好利用它，就跑得不见踪影了。所以，浅层地幔岩石中可利用的天然数量可能相对较少。

那么，深层地幔（大于 10 公里）的天然是不是会好一些呢？欧洲阿尔卑斯山和西比利牛斯山的研究发现，这里可能存在从深层地幔岩石中产生的天然。这些山脉可不是一般的山脉，它们是裂谷反转造山带（一种由裂谷盆地在威尔逊旋回的汇聚阶段大规模反转形成的山脉），超镁铁质地幔岩石被抬升（通过构造和侵蚀过程带到地壳 - 地幔边界（Moho）以上）并就位在仰冲板块中。这一发现让科学家们看到了新的希望，但我们对这些造山带中地幔抬升和大规模蛇纹石化过程的动力学和时间尺度了解还非常有限，这就像在黑暗中摸索，看不清前进的方向。

为了深入了解这些过程，从而评估相关的天然潜力，研究人员进行了一系列研究，并在《Science Advances》期刊上发表了题为 “Rift - inversion orogens as natural hydrogen provinces” 的论文。他们通过研究得出结论：裂谷反转造山带为天然的生成和储存提供了非常有利的条件，这里每年从蛇纹石化作用中产生的量可能比裂谷时期高出 20 倍，而且造山带中还存在适合聚集的储层和盖层。这一结论就像一把钥匙，为我们打开了探索天然的新大门，对未来的能源勘探具有重要意义。

在研究过程中，研究人员使用了数值地球动力学模型这一关键技术方法。具体来说，他们运用了 ASPECT（Advanced Solver for Planetary Evolution, Convection, and Tectonics，用于模拟地球动力学过程）和 FastScape（用于模拟地表过程）这两个软件。通过这两个软件的结合，他们能够模拟裂谷反转造山带的演化过程，观察地幔岩石在不同阶段的变化情况，以及的生成和分布规律。

下面我们来详细看看研究结果。研究人员首先使用 ASPECT 和 FastScape 软件进行了裂谷反转造山带的数值模型模拟。在模拟过程中，他们系统地量化了初始裂谷持续时间和裂谷后冷却阶段对造山带演化过程中地幔抬升和相关大规模生成的影响。

影响有限的裂谷：模型 A

模型 A 模拟了初始裂谷持续时间较短的情况。在最初的 500 万年裂谷期，形成了一个对称的断层界定盆地。但裂谷期一结束，马上就进入了缩短阶段，裂谷盆地在 500 万年内就发生了反转，形成了一个由地壳物质和少量地幔物质组成的对称造山带。由于裂谷阶段很短，地幔抬升面积只出现了小幅线性增加，而且几乎所有的地幔物质在随后的反转过程中又被掩埋了。这就好比一场短暂的 “地幔旅行”，还没怎么开始就结束了。结果就是，很少有地幔物质能够到达适宜蛇纹石化的温度窗口（200° - 350°C），而且由于没有大型断层，水的循环也非常有限，导致蛇纹石化能力极低，每年每千米沿走向的蛇纹石化能力都低于kg。

更长裂谷和裂谷后冷却的影响：模型 B 和 C

模型 B 和 C 则展示了更长裂谷持续时间和裂谷后冷却阶段的影响。在模型 B 中，经过 1500 万年的裂谷期，地幔物质被抬升至地表附近，上面只有 1 - 4 千米厚的地壳物质和沉积物覆盖；模型 C 中，2500 万年的裂谷期甚至导致了板块的分裂，只剩下 1 - 4 千米厚的沉积物覆盖。在这两个模型中，地幔抬升面积随着时间的变化呈现出类似的线性增加趋势，而且比模型 A 要明显得多。在裂谷后冷却的 2000 万年里，虽然总的地幔抬升面积由于热沉降和沉积物堆积而有所下降，但由于裂谷肩部侵蚀的均衡调整，大量地幔物质继续上升。在反转阶段，大部分抬升的地幔再次被掩埋，但不对称造山带的形成使得新鲜的地幔物质楔被推覆到下伏板块的顶部，而且正好位于适宜蛇纹石化的温度窗口内。这一系列变化就像一场精彩的地质 “戏剧”，充满了惊喜和转折。

模型 B 和 C 在裂谷结束时，有大量地幔物质位于适宜蛇纹石化的温度窗口内，而且在裂谷后冷却阶段这个数量还进一步增加。因此，这两个模型在裂谷结束时的蛇纹石化和天然生成能力比模型 A 高得多。不过，裂谷期的最大蛇纹石化能力和相关的最大天然生成能力在两个模型中相似，这表明可能存在一个上限，这个上限受到所采用的蛇纹石化温度窗口垂直范围的限制。在反转阶段，模型 B 和 C 的蛇纹石化和天然生成能力从一开始就大幅提高，比裂谷结束时高出约 20 倍。这一趋势表明，反转阶段的条件对蛇纹石化和生成非常有利，但同样可能受到蛇纹石化温度窗口垂直范围的限制。

研究人员通过这些模型研究，清晰地看到了不同因素对蛇纹石化和生成的影响，为后续的研究和分析提供了重要的数据支持。

在讨论部分，研究人员对研究结果进行了更深入的思考。他们发现，裂谷持续时间是裂谷反转造山带中地幔物质抬升和保存的关键因素。足够长的裂谷期不仅能确保地幔物质被抬升，还能促进不对称造山带的形成，有利于地幔岩石的保存或进一步抬升。虽然裂谷期的高热梯度限制了蛇纹石化窗口的大小和蛇纹石化能力，但反转阶段在较冷的造山带环境中，蛇纹石化窗口更大，而且有更大的断层带，能够促进水的循环，使得最大蛇纹石化能力比裂谷期高出约 20 倍。不过，如果没有活跃的变形，比如在裂谷后冷却阶段，水的循环可能会减少或停止，蛇纹石化也会受到限制或完全停止。这就像一个精密的仪器，各个部件需要协同工作，才能正常运转。

研究人员还指出，蛇纹石化能力可以转化为潜在的天然生成能力。他们估计，在裂谷晚期，潜在的天然生成能力最多约为mol (km?年)，而在反转阶段，这个数值可以高出 20 倍。而且，裂谷反转造山带通常含有大量的沉积物，这些沉积物可以作为储层和盖层，当反转阶段大量生成天然时，就有可能形成一个完整的造山带 “氢系统”。这个 “氢系统” 就像一个精心设计的工厂，从地幔源岩产生天然，到迁移到储层并被保存下来，每个环节都至关重要。

此外，研究人员还根据模型结果，对阿尔卑斯 - 喜马拉雅造山带的天然潜力进行了评估。他们发现，相对较冷的裂谷反转造山带，如西阿尔卑斯 - 喜马拉雅造山带，由于其较大的蛇纹石化窗口，为天然勘探提供了更好的环境。例如，比利牛斯山脉就是一个潜在的目标区域，其西部的莫莱翁盆地下面存在被抬升的地幔物质，而且近期研究表明这里可能正在生成天然。据估计，每年在莫莱翁盆地下面可能产生大量的天然，这些的热量甚至可以满足附近城市图卢兹约 50 万居民的年度能源需求。此外，该地区还有厚厚的沉积层，包括理想的盖层，这一切都为功能性氢系统的形成提供了有利条件。在更广泛的西阿尔卑斯 - 喜马拉雅造山带，还有许多裂谷反转造山带，如南阿尔卑斯山、贝蒂克斯和巴尔干地区，都含有与非生物气体生成相关的抬升地幔体，值得进一步勘探。这就像在这些山脉中隐藏着无数的 “氢宝藏”，等待着人们去挖掘。

这项研究的重要意义在于，它为我们揭示了裂谷反转造山带在天然生成和储存方面的巨大潜力，为未来的能源勘探提供了新的方向。就像在黑暗中为我们点亮了一盏明灯，指引着我们去探索新的能源领域。它也让我们认识到，要成功进行天然勘探，需要采用 “天然氢系统分析” 的方法，综合考虑天然系统的时空因素。这一研究成果为我们打开了通往新能源时代的一扇窗户，让我们看到了未来能源发展的新希望，也为解决全球能源问题提供了新的思路和途径。相信在未来，随着研究的不断深入和技术的不断进步，我们一定能够更好地利用这些天然资源，为人类的可持续发展做出更大的贡献。