中国天然氢气研究全景脉络与展望:基于知识图谱的深度剖析

氢气(H2)是一种低密度、高热值的可燃气体，燃烧产物仅为水，是极具潜力的清洁能源[1-3]。氢气在现代工业(如合成氨、冶金)和能源体系(如燃料电池、储能发电)中扮演着推动低碳转型的关键角色[4]。发展氢能不仅能催生万亿的产业规模并带动就业，还能助力实现能源转型和“碳中和”目标，对保障国家能源安全至关重要。尤其在当前中国油气资源对外依存度较高的背景下，开发本土氢气资源意义重大[5-6]。为此，中国已发布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，将氢能正式纳入国家能源战略体系。然而，全球氢气供应面临严峻的挑战。据国际能源署(IEA)预测，至 2050年，全球氢能需求将大幅度增长(约 5.2亿吨)，供需缺口日益扩大[2]。中国是全球最大的氢能消费国，供应结构亟待优化。目前，我国超六成的氢气依赖高碳排放的煤制氢(灰氢)，而清洁氢源(特别是电解水制绿氢和天然氢)的占比极低[7]。清洁氢供应的主要瓶颈在于，一方面，绿氢生产成本高昂，难以实现大规模的经济性应用; 另一方面，虽然天然氢具有潜在的低成本优势，但对其地质成藏机理认识不清，资源分布不明，勘探开发技术滞后，严重地制约其发展[8-11]。尽管挑战重重，但寻找并开发天然氢，将其作为一种潜在的颠覆性清洁能源，已引起全球科学界的高度关注。

依据制氢途径与碳排放差异，可将氢气分为灰氢(化石燃料重整，低成本、高碳排放)、蓝氢(灰氢+碳捕集、利用与封存(CCUS)，碳排放减少但成本增加)、绿氢(电解水，零碳排放但成本高昂)和金氢(亦称白氢，即天然氢气，兼具零碳与潜在低成本优势)[12-13]。其中，天然氢气因其独特的零碳和价格优势(开采成本可低至 0.5美元/kg)，被视为未来能源转型的重要方向[14]。天然氢气的成因多种多样，主要有蛇纹石化作用、水的辐射分解、深源氢释放以及有机质热解等[15-19]。蛇纹石化作用广泛发育于蛇绿岩带和洋中脊等构造环境，可生成高纯度氢气[20-22]。全球天然氢气的勘探已在马里、澳大利亚、法国和美国等地取得进展，中国松辽、柴达木和三水等盆地也显示氢气异常[23-24]，但尚未实现商业化开采[9，25-26]。然而，尽管在勘探方面有所突破(如马里建成首个天然氢发电站[7]，澳大利亚、法国和西班牙等钻遇高纯度氢气[27])，但天然氢气的规模化开发面临严峻的挑战。首先，天然氢气的成藏与保存机理不明[28]。其次，现有地球物理勘探方法对氢气藏的识别精度不足，缺乏专用探测技术。最后，目前对天然氢气的“源-运-储-聚-保”耦合体系缺乏系统性认识，尚未形成完善的成藏理论。要想突破这些瓶颈，必须深化与天然氢气有关的基础理论研究。例如，厘清氢气生成与地质构造的时空耦合关系，以便优化靶区预测; 揭示氢气在复杂介质中的运移规律，以便支撑储层评价; 探明盖层封闭性与微生物消耗等因素对氢气保存的影响，以便指导资源评估。只有巩固天然氢成藏的地质学理论基础，才能有效地指导技术创新，推动天然氢气从科学发现走向规模化开发利用。

对天然氢气的科学认识可追溯至 1888年，门捷列夫首次报道乌克兰顿涅茨克煤矿中存在含氢(H2含量为 5.8%～7.5%)的自然渗出气体。在此后的一百多年间，尽管全球范围内陆续记录了数百起类似的天然氢气显示或泄漏事件，但对其成因机制、分布规律、资源潜力及勘探开发的系统性研究直至近年才显著加强[29-30]。例如，王晓梅等[31]通过分析四川盆地 58个天然气样品的地球化学特征，揭示该区深层天然氢气主要源于基底花岗岩中水的放射性分解及 Fe(II)的水热反应，认为运移过程中的扩散分馏是导致氢同位素极度偏轻的关键，并系统地阐明沉积盆地深层天然氢的动态成藏过程。孟庆强等[6]通过梳理全球天然氢气成因与勘探研究进展，认为蛇纹石化、水的辐射分解和深源脱气是三大主要生氢途径。苏宇通等[32]发现马里 Bourakebougou气田的氢气以游离态和溶解态的形式赋存，证实超基性岩蛇纹石化是其主要生氢机制，并验证了“断层控运、辉绿岩盖层封堵”的有效成藏模式，为商业化天然氢气开发提供了典型范例。魏琪钊等[33]归纳出天然氢五大气藏特征(源广、断控、游离、浅富和动态)，并指出火成岩区和前寒武系基底等 7类重点勘探领域，强调当前全球天然氢气的资源量估算值可能远低于实际潜力，天然氢气有望成为未来清洁氢供应的主力。

目前，天然氢气相关研究面临 3个关键问题。首先，相关研究存在碎片性和地域性，成因与成藏模式多基于特定的地质背景，缺乏跨区域的大范围对比分析。其次，对天然氢气的动态过程与复杂性认识不足，氢气生成-运移-富集-散失的时空耦合机制较为复杂，传统的模型难以有效地预测资源分布。最后，相关研究的跨学科效应较弱，地质学、工程学与政策研究间的融合程度较低，对多维度信息的综合分析不足。

知识图谱与文献计量学相结合的方法提供了一种整合多源信息、洞察研究领域全貌的有效范式。该方法通过语义关联和定量分析，可以系统地揭示研究热点、演进路径及合作网络，近年来已成功地应用于部分氢能相关研究领域。例如，龚林等[34]利用 CiteSpace软件，对 1995至 2021年间国内外氢燃料电池领域的文献进行分析，揭示了该领域的研究热点、演进趋势以及中外研究中侧重点的差异。伍其兵等[35]聚焦于掺氢天然气管道输送环节，利用VOSviewer软件分析 2006至 2022年的相关文献，通过对比国内外研究现状，指出中国在该领域起步较晚但发展迅速。刘胜利等[36]通过系统地梳理了2005至 2023年氢气管道输送的相关文献，分析发文趋势、主要研究国家与机构以及载文核心期刊，指出国内外研究在管材相容性、风险评价及系统运行分析等方面存在差距。然而，目前尚无针对中国天然氢气这一特定研究领域进行系统性全景剖析的研究。因此，本文基于中国知网收录的 2015年至2025年 3月期间(近 10年)中国天然氢气研究相关文献数据，通过分析年度发文趋势、我国天然氢气研究机构分布和影响力、作者合作网络和时序演化特征以及研究热点和演变趋势，为促进我国天然氢气研究的高质量发展提出一些建议。

1 数据来源与分析方法

基于中国知网数据库，对“天然氢气”主题相关期刊文献进行采集。我们发现，若以“天然氢气”为主题词，只能检索到 37篇论文，并且存在部分非相关论文，这些论文的发表时间高度集中于 2021年及以后。为避免遗漏文献，我们将“氢气”作为主题词，检索时间跨度设置为 2015年 1月 1日至 2025年 3月31日(近 10年)，数据采集时间为 2025年 3月 31日。剔除与主题不符的论文和广告等无关信息后，经严格筛选，形成包含 119篇期刊论文的样本集，完整地覆盖国内天然氢气研究的主要学术成果。

本研究采用文献计量学和知识图谱方法。文献计量学是针对文献的外部特征(如作者信息、机构分布和关键词等)展开系统性分析的一种量化的研究手段[37-38]。知识图谱是文献计量学方法的可视化升级范式，将引文网络和共现关系等抽象知识转化为交互式图谱，构建非线性知识网络模型，实现知识单元间隐性关联的可视化呈现，兼具数据客观性、分析即时性和呈现直观性等特点[39-40]。

2 研究结果

2.1 年度发文趋势

特定研究领域的年度研究成果产出量与其发展脉络间存在密切关联。通过对特定时间段的年度发文趋势进行量化追踪和解析，能够有效地揭示该方向研究热度的周期性波动规律。根据年度发文量，可将 2015年 1月 1日至 2025年 3月 31日国内天然氢气研究划分为两个阶段(图1)。

1) 研究起步期(2015至 2022年)。该阶段发文量少(年度发文量不超过 10篇)且增长缓慢，反映研究基础薄弱、学术关注度有限的特点。研究主题以断层带土壤氢气及通过地震监测发现氢气异常(痕量氢)为主[41-49]，关于氢气藏的研究不多[25，50-53]，关于海底氢气的报道仅为个例[54]。

2) 研究爆发期(2023年至今)。该阶段的发文量呈现爆发式增长，反映学术界对该领域的空前关注，年度发文量从 2022年的 9篇到 2023年的 19篇，再激增至 2024年的 44篇，核心论文占比从 57.9%增至68.2%，多以天然氢气的成因、成藏和资源潜力等为研究主题[6-8，12，15，20，21，26，31-33，55-61]。

我国 2023至 2025年天然氢气相关研究发文量暴增的原因主要来自以下两个方面。

1) 随着全球能源转型与“双碳”目标推进，作为零碳能源载体的氢能热度不减，从中央到地方政府，多层级扶持政策持续落地。国家发展改革委和国家能源局 2016年 6月发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》[62]中提到“氢能与燃料电池技术创新路线图”，国家发展改革委和国家能源局2022年 3月联合印发的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》[63]中明确提出氢能产业发展各阶段目标。2023年 7月，国家标准化管理委员会等六部门联合发布《氢能产业标准体系建设指南(2023版)》[64]。2024年 5月，内蒙古自治区政府发布《进一步加快推动氢能产业高质量发展的通知》[65]。2024年 11月，《中华人民共和国能源法》[66]发布，并于 2025年 1月 1日起正式实施，氢能被纳入我国能源管理体系。

2) 作为氢能的重要潜在来源，天然氢气逐渐受到重视，在未来能源结构中的潜力被越来越多的学者关注。煤制氢的优点在于具备显著的经济性优势与产业化基础，但制造过程伴生大量 CO2，并产生大量工业废渣。依赖电力驱动电解设备的绿氢，虽然实现全生命周期零排放，但面临能耗与投资的双重经济压力。天然氢气的开发过程既不增加新的碳排放，也规避了高额生产成本。例如，非洲马里的天然氢气开采成本为 0.5美元/kg[67]。2024年 5月，中国地质调查局油气资源调查中心在北京组织召开全国天然氢资源调查评价专题研讨会，与会专家达成 4点共识: ① 开展天然氢成因机制与成藏规律基础研究; ② 启动全国资源调查，摸清“家底”并评估开发潜力; ③ 建立工业标准与勘查技术体系; ④突破取样、监测等关键技术。2025年 1月，我国第一个天然氢气资源调查项目《重点地区天然氢资源地质调查评价》启动。鄂尔多斯市政府2025年 2月发布的公告《鄂尔多斯: 锚定氢能点位推动科技“突围”》[68]中提到，北京大学鄂尔多斯能源研究院实施“内蒙古天然氢气富集机制、分布规律与选区评价”项目，并成立全国首家地下氢气资源勘探开发企业。国家能源局 2025年 4月发布的《中国氢能发展报告(2025)》[69]中明确提出在氢能制取方面，在尚义-张北一带氢能源勘查开发项目圈定天然氢靶区，持续探索天然氢勘查等先进技术。这表明国家层面的“双碳”战略和氢能产业政策正在积极推动天然氢的研究与布局，天然氢已被纳入清洁能源规划重点。

总的来看，我国对天然氢气的研究经历了从起步到快速发展的转型，为清洁能源战略提供了重要支撑。未来，随着政策的持续发力、研究基础的夯实、资源勘查的拓展及国际合作的深化，天然氢气相关研究有望保持增长势头。

2.2 发文机构

2.2.1 中国天然氢气研究机构的分布

为直观地呈现我国天然氢气研究机构的类型特征、地域分布情况及科研实力对比，我们绘制了中国天然氢气研究机构空间分布图(图2)，其中代表发文机构图标的尺寸与发文量成正比。截至 2025年 3月 31日，发表天然氢气相关研究论文的机构有72个，隶属高校、企业、中国地震局(简称地震局)、中国地质调查局(简称地调局)和中国科学院(简称中科院)，分布在 24个省(自治区)。其中，北京有 19个发文机构，远超其他省份，且部分机构的发文量较大，表明具有较强的研究实力和较高的科研活跃度，拥有大量专业研究人员、先进的科研设施和充足的科研经费支持，体现北京作为国家科研中心和政策制定中心，集中了高校、科研院所及企业分支机构，成为我国天然氢气的研究中心。山东(6个)、广东(5个)和四川(5个)三省紧随其后，发文机构和发文量较多，反映这些地区依托区域经济、能源产业或高校资源，在天然氢气研究领域积极布局，具备一定的科研竞争力。这反映了上述地区在经济、科技和教育资源方面的显著优势，同时反映我国天然氢气研究地域发展的不均衡性，多数省份尤其是西部地区研究机构数量较少，研究参与度较低，可能与当地科研投入较少、经济相对落后、能源战略需求较少以及人才流失和产业基础相关。西部地区天然氢资源潜力较大，未来可加强引导与投入，确保科研资源惠及更多地区，推动我国天然氢气研究的均衡发展。

从机构类型分布及实力来看，高校是重要的研究力量，在基础理论研究、技术创新和人才培养方面发挥着不可替代的作用，其中既有中国石油大学和中国地质大学等能源相关类高校，也有北京大学和清华大学等综合性顶尖高校。能源相关类高校凭借其学科的专业优势，在天然氢气勘探和开采等领域具有较深的积累，综合性高校则能够整合多学科资源，推动跨学科的融合创新。中国石油天然气集团有限公司(简称中石油)、中国石油化工集团有限公司(简称中石化)以及中国海洋石油集团有限公司(简称中海油)等大型国有企业及其下属单位同样积极参与相关研究，这些企业不仅在天然氢气勘探和开发过程中具有实践经验和技术实力，而且通过大量的研发投入和“产-学-研”合作，推动相关技术的产业化应用，加速天然氢气从实验室迈向工程化。同时，地震局和地调局等机构从资源调查和地质灾害防控等角度对天然氢气进行研究和监管。这种跨学科、跨行业的多领域协同合作模式有助于整合资源，全面推进天然氢气成因的研究及开发利用。

综上所述，中国天然氢气研究机构的空间分布和科研实力呈现明显的地域和机构类型差异，具有“核心区域集中、全国多点布局”的特点，既体现能源资源的空间差异，也反映政策引导、经济实力与产业需求的动态平衡。未来，天然氢气和绿氢将逐步替代化石能源制氢，中西部地区的资源禀赋与东部的技术优势将形成互补，推动氢能产业向“区域协同、技术引领”的方向发展。此外，我国天然氢气相关研究正处于快速发展与多方参与的阶段，已形成以国企研究院为产业支撑、高校科研机构为创新源头、政府部门为协调引导的“政-产-学-研-用”协同合作模式，各类机构各司其职，相互配合。未来，应加强不同地区和不同机构之间的交流合作，发挥企业实践优势与高校及科研院所的理论优势，促进资源的优化配置，提升整体研究水平，为我国能源转型和可持续发展提供有力的支持。

2.2.2 发文机构的影响力

为进一步分析我国天然氢气研究机构的学术活跃程度及影响力，选取发文量排名前十的研究机构，对其发文量及被引次数进行分析，结果见表1。中国石油勘探开发研究院(简称石勘院)以 14篇论文(占 12.0%)位居榜首。北京大学(13篇，占 11.1%)和新疆地震局(12篇，占 10.3%)位居第二、三名。发文量排名前十的机构中超过半数位于北京。值得一提的是，发文量与单篇影响力并非正相关。石勘院和北京大学作为发文量排名前二的两个机构，平均单篇被引次数(5.3和 3.2次)并非最高，部分发文量中等或较少的机构却展现出更强的单篇影响力。例如，中国地震局地震预测研究所(6篇)平均单篇被引 13.7次(最高)，中国地震局地壳应力研究所(10篇)平均单篇被引 13.2次，表明这两个机构研究成果的关注度高，影响力突出。但是，上述结论具有局限性。一方面，被引次数与论文的发表时间有很大的关系，这两个机构的发文时间均早于石勘院，被引次数更多符合常理，应考虑“时效性偏差”。另一方面，这两个机构的研究重点为痕量氢和土壤氢气，是我国天然氢气早期的研究方向之一，与石勘院和北京大学等机构侧重于近 3年兴起的能源属性的天然氢气研究方向截然不同。因此，尽管平均单篇被引次数是衡量研究质量的重要指标，但还应考虑成果推广和宣传等多种因素的影响，故需要进一步分析各机构研究成果的内容和特点，才能更全面地了解其在天然氢气研究领域的地位和作用。

2.3 发文作者

2.3.1 全部作者合作网络

图3 显示，我国天然氢气研究呈现“多中心、多层次”的合作模式。“多中心”体现在已形成多个相对独立的研究团队，如北京大学金之钧-刘全有-黄晓伟团队(绿色组群)、应急管理部国家自然灾害防治研究院张磊-高小其-向阳团队(红色组群)、黑龙江省地震局李继业-石伟-姜云爽团队(橙色组群)和中国地震局地震预测研究所周晓成-陈超-侯建民团队(紫色组群)等。各团队内部节点聚集且连线密集，说明组群内部合作紧密，围绕特定科学问题开展专项研究。“多层次”一方面体现在组群内合作网络呈现“核心-边缘”结构，如以金之钧等节点明显较大的作者为中心，与周围次一级节点的作者(如刘全有和黄晓伟等)形成密集连线，表明彼此间存在高频合作，构成网络的“核心层”，而与边缘区域的部分节点(如宋玉财和朱地等)连线较少，处于合作网络的“边缘层”。“多层次”另一方面体现在我国天然氢气研究领域既有以核心作者为枢纽的集中合作模式，也存在一定数量具备区域性影响力但发文量和合作范围有限的中等规模节点(或称次级合作团体，如张志遥-朱光有等团队，这些团体在内部有较强的合作密度，但与其余组群几乎无关联)以及大量小规模、分散化的研究团队或边缘作者(较小的节点，连线稀疏，可能是新兴团队或研究方向较小众的群体，合作网络尚未成熟)，说明我国天然氢气研究存在相当程度的学术分散与“局部合作优先”现象。此外，组群间的少量连线表明不同团队间的研究并非完全割裂，存在跨团队的学术交流与协作，体现“分化-整合”的动态发展特征。金之钧、张磊和李继业等作者节点显著大于其他作者节点且节点间连线密集，表明其在承担了合作枢纽的角色，在资源整合、项目领导及学术影响力方面占据主导地位，是我国天然氢气研究的核心力量。

图4 显示，我国天然氢气研究领域早期作者的节点(蓝色和绿色)高度集中于张磊-高小其-向阳、李继业-石伟-姜云爽和周晓成-陈超-侯建民等团队，其余大部分节点则始于 2022年，新老作者交替推动我国天然氢气研究领域的发展。出现此现象的原因在于，虽然我国天然氢气研究在近两年才走向高峰，但在 20世纪 80—90年代就观测到天然氢气的存在[59，70]，研究历史较为久远，只不过早期未将天然氢作为一种独立的能源进行研究，而是将其作为其他研究(如地震监测和温泉气体)的辅助手段，称之为痕量氢或土壤氢，用途有限且小众化，未受到广泛的关注，上述 3个团队的研究主题即与此相关。2022年以后，随着能源转型的迫切需求，氢能迅速升温，天然氢气因此受到全世界的关注。过去认为氢气的分子量过小且极易扩散和逸失，不具备成藏的可能性，但 2012年西非马里的布拉克布古地区 Bougou-1井开采出浓度为 98%的天然氢气[12，71]，我国在云南腾冲、山西沁水煤矿、渤海湾盆地、松辽盆地、柴达木盆地和湖北利川等地均发现含量不等的天然氢气，尤其是柴达木盆地三湖地区和利川枫 1井分别发现含量为 99%和 84.6%～96.7%的天然氢气[2]，给相关学者们带来极大的信心。

目前在欧、亚、非、澳和北美等大洲均发现天然氢气的广泛存在，中国、法国、美国、马里和澳大利亚等国家的天然氢气勘探开发正在如火如荼地展开[29]。以上种种原因导致 2022年后我国天然氢气研究论文数量快速增长，研究热点从痕量氢过渡到寻找天然氢气藏，并探究天然氢气的生成、运移和富集机理，体现在图4中就是近年出现大量较小节点的新兴研究者，作者群体布局整体上较为分散，合作关系尚未成熟，但也出现诸如金之钧、刘全有和黄晓伟等组成的核心组群，高产作者主导合作网络，创新资源向核心团队倾斜。这种人员结构的动态变化和研究热点的转移，反映中国天然氢气研究领域从基础性探索向纵深发展的趋势，合作网络的扩张与复杂化也预示着该领域研究者在多学科交叉和技术创新等方向潜在的突破能力。可以预见，随着天然氢气研究价值的逐步提升，会不断有新的科研团队和学者加入，合作结构也会随之更新、扩张甚至重组。

2.3.2 核心作者合作网络

核心作者发文量阈值的经验性规律——普莱斯定律(Price Law)[72]的表达式如下:

式中，Smin表示成为核心作者的最低发文量阈值，Zmax表示统计时段内某作者的发文量。

本研究统计时段内发文量最多的学者是金之钧(10篇)，通过式(1)计算得到 Smin=2.369，本文取值为3，并按照 Smin=3筛选出 33名核心作者，在全部 452名作者中占 7.301%。相较于全部作者合作网络庞大且分散的结构(图3)，核心作者合作网络显得简洁且紧凑(图5)，凸显核心作者的关键地位。在合作紧密度方面，虽然图3中存在一些相对集中的组群，但整体上节点间连线相对稀疏，存在大量孤立或连线极少的节点，表明大部分作者之间的合作关系较弱，存在较多独立研究者或小规模合作的情况，而图5中合作网络完整性更高，孤立子网络较少，节点规模较大，核心作者(如金之钧等)与其他小节点作者间的连线更为密集，对凝聚团队具有重要价值，有利于提高团队的稳定性和研究效率，促进人才培养和技术传承，并在项目牵头或资源整合方面起到关键作用。

图5 中，除个别无连接的节点外，只存在 3个核心作者组群，第一大组群(红色和黄色组群)为金之钧、孟庆强和刘全有等，发文时间集中于 2022年后(图6)，组群内联系密切，是目前国内天然氢气研究的主力团队。另外两个组群的团队规模较小，但发文时间较早，集中于 2015—2020年(图6)，并且绿色组群(高小其、张磊和刘耀炜等)与蓝色组群(李继业、康健和马龙辰等)之间通过康健和高小其两人形成合作关联。同时，图5左侧蓝色和绿色组群与右侧红色和黄色组群之间不存在任何关联。结合不同组群的研究主题，说明我国天然氢气研究的重点方向和主导力量已经发生根本性的转变，这种发文时间的分布特征也印证天然氢气研究从初步探索(边缘化研究)到逐步深入的演进过程。

综上所述，中国天然氢气研究领域已形成以金之钧和刘全有等若干核心作者为引领、多团队协作、跨组群交流的学术生态，核心作者的枢纽作用与各研究团队的相互合作为我国天然氢气研究的发展提供了组织基础与协作保障。未来可进一步强化核心作者的跨组群合作，促进多元研究视角的融合，同时关注新晋作者的培育，维持研究力量的代际延续，从而提升整体创新能力，推动我国天然氢气研究向更高水平发展。

2.4 研究热点分析

关键词是论文核心内容、研究对象与方法的精准概括。通过对关键词聚类结果的网络结构、主要聚类以及关键词出现频次与共现关系的深入剖析，可以系统地揭示目标领域的研究热点、主题关联、演变趋势和关键问题，不仅有助于宏观地把握该领域的研究现状与进展，还能预测未来的发展趋势，为后续研究提供参考。

图7 展示 2015年 1月 1日至 2025年 3月 31日中国天然氢气研究论文中 343个关键词的聚类结果。出现频次最多的前 10位关键词依次为“氢气”(24次)、“天然氢气”(8次)、“痕量氢”(8次)、“异常特征”(7次)、“土壤气”(6次)、“枯竭油气藏”(5次)、“蛇纹石化”(5次)、“地下储氢”(5次)、“含水层”(5次)和“影响因素”(5次)。图7中一个显著的特点是，以红色核心节点“氢气”为分界线，左右两侧的研究侧重点明显不同。左侧是以“痕量氢”“土壤氢”“异常特征”为代表的应用于地质活动(如地震和断层)研究的，作为指示标志的，具有监测属性的天然氢气，探索其在地质灾害预警中的应用; 右侧是以“天然氢气”“蛇纹石化”“清洁能源”为代表的能源和资源属性的天然氢气。

关键词聚类网络中包括若干小聚类，其中较大的几个聚类有“氢气-断层活动-地震活动(红色聚类)”“土壤气-汞-破裂带(黄色聚类)”“异常特征-地震前兆-对应关系(绿色聚类)”“天然氢气-资源潜力-碳中和-清洁能源-新能源(蓝色聚类)”“蛇纹石化-微板块-水岩反应-氢能(粉红色和浅绿色聚类)”“枯竭油气藏-吸附储氢-数值模拟(紫色聚类)”。红色、粉红色和浅绿色聚类揭示天然氢气生成的机制以及构造活动对氢气运移与富集的控制作用，二者共同指向天然氢气的地质动力学成因，这也是目前最核心的最前沿研究。黄色和绿色聚类代表识别氢气浓度的异常特征及其与地质灾害前兆现象的潜在对应关系。紫色聚类集中于氢能产业链中的储运环节，特别是大规模地下储氢技术，即利用枯竭油气藏和深部咸水层等地质体进行氢气封存。蓝色聚类关联天然氢的能源属性及其作为清洁能源载体的潜在作用，综合评估天然氢气的资源规模及其替代传统化石能源的可行性，并探讨其在实现“碳中和”目标中的战略地位与环境效益。各聚类之间并非彼此孤立，部分关键词的跨聚类连线密集，意味着它们在多个子领域中起到重要作用，这类关键词往往具有较高的跨学科价值。

图8 清晰地呈现 2015—2025年我国天然氢气研究热点的“涌现-扩散-成熟-转移”演变历程。随着时间的推移，研究主题呈现明显的阶段性特征，且研究深度和广度逐年提升。从总体上看，早期节点(蓝色和绿色，2022年前)集中于图8左侧，近期节点(黄色、橙色和红色，2022年后)偏向图8右侧，暗示研究重心的动态迁移。

早期发表的论文中，关键词集中在基础地质理论和观测技术领域，包括“包裹体”“地震”“破裂带”“异常特征”“土壤氢气”“地球化学”“分布规律”等。这一阶段的研究多为探索性工作，应用性工作侧重于地震前兆研究、地震短临预测和地震断裂带氢气观测，主要围绕“土壤氢”“痕量氢”展开。2021—2022年是一个分界线，开始有学者将天然氢气视为一种能源[50，53]。我国对氢能的研究和利用始于 20世纪 50—60年代，那时关注点在于航天液氢燃料，而对天然氢气的认识相对较晚(20世纪 80—90年代)，并且没有开展系统性的研究，只观测到天然氢气的存在，或将其作为一种监测地震的手段。本文认为是否将天然氢气赋予能源属性是划分早期和近期研究的分水岭，并且这两大阶段的研究是比较独立甚至割裂的。

近期研究的关键词(如“天然氢气”“清洁能源”“地下储氢”“蛇纹石化”“水岩反应”“产氢机理”等)呈现更加多元化的趋势。可以将该时期视为“多学科交叉”加速发展的阶段，研究者不仅深入地探讨天然氢气的生成和成藏机理，更注重与能源应用的结合，包括储氢技术、资源开发以及与其他可再生能源的协同利用等。与环境和气候相关的关键词(如“碳中和”)在此阶段开始凸显并逐渐演变为聚类网络中较显著的节点，暗示研究者开始将天然氢气放在更广阔的低碳转型背景下来讨论，反映学术研究与国家政策及能源战略的互动过程，学术界和产业界对天然氢气的潜在价值有了更全面的认识。

3 讨论与展望

3.1 中国天然氢气跨学科跨领域研究的潜力与必要性

天然氢气是地球系统中极具特殊性的流体组分，相关研究始终贯穿多学科交叉融合的特征。2018年是天然氢气研究的关键性分水岭。2018年之前，主要从地球化学指标、构造活动监测和生命起源能量供给 3个维度开展基础性的研究。2018年，随着马里 Bourakebougou商业化天然氢气藏的发现[73]，天然氢气的能源属性逐渐受到重视。随着全球能源转型和“碳中和”目标的推进，天然氢气成为清洁能源，对其资源形成、富集与分布机理的研究和以勘探开发技术探索为导向的跨领域研究迅速兴起。这一演变不仅反映天然氢气研究的时代性转变，还凸显跨学科整合研究资源的潜力与必要性。

3.1.1 油气研究领域的氢气地球化学

2018年之前的研究尚未聚焦于天然氢气的能源属性，而是将其作为地球系统中关键的“信息载体”与“能量媒介”，在油气勘探、构造监测和海洋生态 3个领域形成跨学科的分支研究，为后续资源开发奠定了坚实的理论基础。在油气勘探领域，天然氢气最早被视为指示油气成熟度、运移路径及成藏环境的重要地球化学指标，相关研究融合了有机地球化学、油气地质学与流体动力学[74]。早期的研究结果表明，天然气中伴生氢气的含量及同位素组成与油气藏的热演化程度、烃源岩类型及保存条件显著相关，可作为油气系统动态演化的“分子探针”[53]。从机理上看，油气领域的氢气地球化学研究主要围绕“无机-有机相互作用”展开。一方面，烃源岩热演化过程中，干酪根晚期裂解会伴随氢气释放，且黏土矿物(如伊利石和绿泥石)可通过催化作用促进有机质断键产氢。另一方面，油气藏中的氢气可与烃类发生加氢反应，影响油气的组成。这些研究不仅丰富了油气成藏理论，更建立了氢气与油气系统的耦合关系，为后续天然氢气资源勘探中的油气藏协同调查提供了思路，体现地球化学与油气地质学交叉的早期价值。

3.1.2 地震领域的氢气监测

因化学活性强且迁移速率快，天然氢气对构造活动极为敏感，可将其在断层带和地震活动区的分布规律作为监测深部构造活动的动态指示剂，相关研究融合了构造地质学、地球化学与地震学。核心逻辑在于，断层活动会破坏岩石的完整性，增加流体通道，促使深部氢气沿断裂向上渗漏; 同时，断层摩擦生热，新鲜岩石表面与地下水反应(如 Si—O键断裂，产生自由基与水反应产氢)，会加剧氢气的生成[75-76]，因此氢气的浓度异常、通量变化可反演构造活动强度与深部流体动态。

氢气渗漏与地震活动具有时空耦合性，浓度异常可作为短期地震预测的辅助指标。1980年日本伊豆半岛地震前，断层带土壤中氢气浓度从背景值<0.1 mg/L升至 1.2 mg/L，震后一个月内恢复正常，证实氢气对断层活动的快速响应[77]。中国学者在汶川地震断裂带和郯庐断裂带等重点构造区开展了系统性的氢气观测[78-79]。汶川地震后，中国地质调查局在龙门山断裂带部署的科探井中实时监测到，震后 3个月内氢气浓度呈阶段性变化: 震后一周内达到峰值(9.36 mg/L)，随后逐月下降，6个月后稳定在 1.2 mg/L，这一变化与断层应力释放过程高度吻合，表明氢气可作为断层活动“应力-应变”的间接指标[80]。郯庐断裂带山东段土壤氢气浓度测量结果显示，主断裂带核心区(44.03～142.44 mg/L)显著高于旁侧次级断裂(11.00～74.68 mg/L)，且浓度高值区与 GPS监测的地壳形变速率高值区重叠[81]，证实氢气的分布可反映断裂活动性的差异。该领域的研究不仅为地震监测提供了新的地球化学手段，更揭示了氢气在深部构造-流体系统中的运移规律，为天然氢气资源勘探中“断裂控藏”理论的建立提供了基础，体现了地球化学与地震学交叉的实践价值。

3.1.3 海洋氢气地球化学

海洋是天然氢气的重要赋存场所，尤其是洋中脊热液带和蛇绿岩分布区，对这些地区的研究融合了海洋地质学、深海生态学与地球化学，为理解生命起源及极端环境生态系统提供了关键线索，核心科学问题在于海洋热液环境中氢气的生成机制(尤其是蛇纹石化作用)及其对深海化能合成生态系统的能量支撑。

蛇纹石化是海洋热液带氢气的主要生成途径。超基性岩(如橄榄岩)与海水在相对低温条件下发生反应[82]，Fe2+被氧化为 Fe3+ (形成磁铁矿)，同时水分子被还原为氢气。这一过程在大西洋中脊的“黑烟囱”、Lost City和 Rainbow热液区得到验证。热液区喷口流体中氢气体积分数高达 20%～80%[83-85]，低温蛇纹石化过程产生的 H2具有极轻的氢同位素组成(δD=-700‰～-600‰)，明显区别于高温热液系统中的 H2 (δD=-420‰～-330‰)[86]，证实蛇纹石化是海洋氢气的重要来源[87]。此外，热液区深海管状蠕虫(Riftia pachyptila)体内的共生菌具有代谢多样性，能够以氢气为替代能源，将其转化为有机化合物[88-89]，证实氢气是深海化能合成生态系统的重要能量载体之一，支撑了热液喷口生态系统的初级生产力，也为地球早期生命起源提供了可能的还原性环境与能量驱动。

3.1.4 天然氢气研究的新维度——清洁能源导向

2018年，加拿大 Hydroma公司在马里 Bourakebougou地区实现天然氢气商业化开采(氢气含量为98%)[73]，澳大利亚的 Ramsay Oil Bore 1井和 2井(氢气含量分别为 73.3%和 95.8%)[90]以及法国洛林(氢气含量为 20%)[5]等地的成功勘探，证实天然氢气具备商业开发潜力，标志着天然氢气逐渐从科学现象转变为能源资源，研究范式从分散的学科观察转向系统化的资源评价与勘探开发。如今，天然氢气已从“伴生气体”升格为“独立矿种”。

近年来，学界逐渐认识到天然氢气的形成并非单一机制所致，而是多种地质过程复合作用的结果。当前主流观点认为，天然氢气的成因主要包括三大类。1) 无机成因: 水岩反应(尤其是蛇纹石化)、水辐解和地幔脱气等; 2) 有机成因: 有机质热裂解和微生物产氢[91]等; 3) 混合成因: 上述两类机制在空间与时间上的叠加，但不同地质背景下氢气生成的主导机制有所差异[10]。例如，在前寒武纪富铁地层和裂谷系统中，水岩反应速率高，生氢量大，形成规模性聚集[1]。松辽盆地徐家围子断陷的氢气成因则体现地幔脱气与水岩反应的耦合，地幔柱上涌带来的深部流体沿徐中断裂向上运移，与营城组火山岩中橄榄石发生蛇纹石化反应，进一步补充氢气，使该区域氢气含量最高达到 85.54%[24，26]。四川盆地深层氢气则可能来源于花岗岩基底的水辐解以及 Fe(II)矿物的水热反应[92]。高含量氢气藏多集中于三大地质背景: 板块俯冲带(如三江构造带)、前寒武纪富铁区(如华北克拉通)和裂谷系统(如松辽到三水盆地)[93]。中国潜力区包括松辽盆地、渤海湾盆地和西藏蛇绿岩带，氢源岩类型多样(如蛇绿岩、条带状铁建造和玄武岩)[5]。

氢气富集机理借鉴油气成藏理论，是一个“持续生成-持续逸散”的动态成藏模式，“源-运-储-盖”匹配是氢气富集的关键。只有当氢气补给速率大于逸散速率时，才能形成可采气藏。氢气生成时间短，易扩散，故需维持优质氢源、有效通道和强封盖三者平衡[5]。地下水是促进水岩反应的关键条件，但其中微生物耗氢和加氢生烃作用可消耗氢气[7]。

随着天然氢气资源属性的确立，勘探方法也从传统的偶然发现逐步转向系统性勘查。然而，天然氢气的低密度和高扩散性(扩散系数是甲烷的 3～4倍)特征导致其勘探难度远高于常规油气。目前，国内外已初步形成“遥感圈定-地表调查-物探定位-化探选区-钻井验证”的勘探流程。由于氢气渗漏区植被缺失，与周边植被具有显著差异，可运用遥感技术，通过归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)识别“仙女圈”。土壤氢气测量是圈定渗漏区的有效手段。例如，澳大利亚 Gold Hydrogen公司通过遥感技术识别“仙女圈”的地貌异常，并结合历史资料，通过土壤氢气测量锁定氢气富集区，相继完成 Ramsay 1井和 2井的钻探，获得高纯度氢气流[94]。Jin等[95]通过地表土壤气测量，发现三水盆地氢气浓度异常，最高值可以达到 6948 mg/L，推测其成因为蛇纹石化和岩浆脱气。2025年10月 8日，我国首口天然氢气科学探井“金氢科探 1井”在内蒙古锡林浩特市二连盆地吉尔嘎郎图凹陷边缘正式开钻，设计井深 800 m，填补了中国天然氢气专探井的空白[96]。

3.2 天然氢气与天然气及氦气研究的比对

作为新兴清洁能源，天然氢气与天然气及氦气等流体资源的研究历程存在显著差异，同时面临相似的科学和技术挑战(如成藏机制和勘探技术)。系统地比对三者的研究演化路径，可揭示天然氢气研究的独特性与滞后性，为其学术深化与产业落地提供借鉴。

3.2.1 天然气和氦气研究简史

作为传统化石能源的代表，天然气的研究和开发历史悠久，可为天然氢气研究提供借鉴。我国是最早使用天然气的国家，至今已有上千年的历史，最早是将其作为燃料，用于制盐[97]。19世纪 10年代，英国和美国相继将天然气用于街灯照明，开启天然气的商业化运作。20世纪 20—30年代，美国相继发现门罗(Monroe)和潘汉德-胡果顿(Panhandle-Hugoton)两座大型气田，率先形成世界上第一个完整的天然气产业体系。20世纪中叶，随着管道技术和液化天然气技术的发展，天然气成为全球主要能源之一。中国天然气工业比西方国家起步晚，但增速显著，天然气年产量从 1949年的 0.1×108 m3提升至 2022年的 2200×108 m3，累计探明地质储量19.921×1012 m3，已形成鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地和海洋四大产区，成为世界第三大天然气消费国和第四大天然气生产国[98]。目前，全球天然气工业发展成熟，美国、俄罗斯、加拿大和中东等国家(地区)是重要的天然气出口区，天然气将成为全球低碳转型过程中最主要的能源。

作为稀有非再生气体，氦气的研究历程桥接天然气与天然氢气。因氦气无色无味，不可燃，直到1895年，人类才确认氦气在地球上的存在[99]。早期，氦气仅作为天然气的伴生组分被关注，直至一战期间，因其在气球和飞艇中的军事价值而逐渐受到重视。目前，氦气在航天、电子和医疗等多个领域具有广泛且不可替代的应用，被提升至战略资源高度。获取氦气最经济的手段是从天然气的伴生气中提取。美国长期垄断全球氦气资源(主要源自美国 Hugoton气田)，曾经是世界上唯一的氦气生产国(直到 1960年)。美国分别于 1925年和 1960年通过《氦气保护法案》和《氦气法修正案》，并将氦气纳入国家资源管理体系，严格限制其出口。冷战结束后，美国放宽对氦气的管控，逐步出售其氦气储备，但 2018年将氦气列入 35种关键矿产资源目录，管控力度再次加大[100]。近年来，卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯等国氦气产能迅速增加，但美国仍然是全球最大的氦气生产国、供应国和资源国，2023年产量为 7900万 m3，占当年全球总产量的 46%[101]。我国 2024年氦气进口量为 2260万 m3，占当年消费量 2705万 m3的 84%，且需求量以每年 5%～6%的速率递增[102]。由于西方国家长期对我国氦气产业实施技术封锁，2006年以来已出现 4次“氦气荒”。尽管近些年我国大力发展本土氦气产业，并从卡塔尔和俄罗斯等国进口氦气，减弱了对美国氦气的依赖，但氦气资源安全形势仍然严峻。

3.2.2 天然氢气与天然气及氦气的研究历程比对

天然气、氦气和天然氢气同属地质流体资源，但因资源属性的差异，三者的研究启动时间、核心目标与技术路径呈现显著的区别。3种流体资源的研究历程均可划分为基础认知、理论成型和产业应用 3个阶段，但启动时间与成熟度差距显著，根本原因在于资源可探测性与利用价值的早期识别程度不同。氦气研究经历资源发现、资源评价与战略储备和政策立法与开采管控 3个阶段，逐步形成以美国为主导、部分资源国参与的全球氦气产业链。天然气研究则更为成熟，其发展路径为“地质发现-成因理论建立-勘探技术成熟-全球贸易体系形成-非常规革命-碳中和转型”。相比之下，天然氢气早期作为油气伴生气体、地震前兆指标与蛇纹石化产物被研究，因全球能源转型和其“零碳、可再生、低成本”属性，迅速从“地质现象”跃升为“战略能源”，虽然其研究发展路径与氦气及天然气有相似之处，但零碳属性与可再生特征赋予其独特的科学价值与战略意义。目前，天然氢气研究仍处于第二阶段初期，即“富集机制与资源评价”阶段，其发展路径呈现“跳跃式”特征: 在尚未完成基础理论体系建设的情况下，直接迈入政策驱动与勘探实践阶段。虽然这一路径有助于快速响应能源转型需求，但带来理论滞后、需求前置、技术空白与政策风险等挑战。

3.2.3 天然氢气与天然气及氦气研究的技术体系比较

在天然气与氦气勘探开发过程中，逐步建立起适用于其理化特性的专属技术体系。天然气(主要成分为 CH4)分子稳定性好，扩散性中等，其成藏研究以“生储盖圈运保”六要素为核心，发展出“烃源岩评价”“储层预测”“流体包裹体分析”“地震反演”等成熟方法。氦气为惰性气体，分子极小(直径为0.26 nm)，扩散性强但性质稳定，其研究模式聚焦深源供给、断裂疏导和高效封闭三要素，强调壳源(幔源)识别、稀有气体同位素分析和盖层封闭性评价等关键技术。天然氢气研究当前处于“技术借用”阶段，主要依赖天然气勘探技术开展氢气资源的识别与评价。然而，氢气分子小、扩散性强以及易参与反应等特性决定其在运移、保存和检测等方面与天然气存在本质上的差异，使其相关研究突破传统流体的“静态成藏”框架，形成独特的“动态生-运-耗”范式，整体上仍然处于理论完善与技术适配的过渡阶段。未来需要发展如下适用于氢气的专用技术体系: 1) 高灵敏度野外氢气检测技术与装备; 2)氢同位素与伴生气体联合示踪技术; 3) 氢气储层岩石物理响应机制的地球物理识别方法; 4) 氢气藏的动态模拟与资源评价模型; 5) 氢气逸散机制与盖层封闭性的定量评价方法。

3.3 对天然氢气研究的展望——迈向“氢系统科学”

天然氢气研究经历了从地球化学指标、构造活动示踪和生命能量来源到清洁能源资源的跨学科演进。2018年之前，3条研究脉络并行发展。2018年之后，天然氢气研究进入资源导向的新阶段。天然氢气研究已从单一学科、单一目标的传统研究范式，演进为多学科交叉、多目标融合的系统科学问题。天然氢气研究的高度交叉性决定其未来的发展必须依赖多学科的深度融合。一方面，天然氢气的生成、运移和富集是一个涉及多圈层(地幔、地壳和大气圈)和多过程(物理过程、化学过程和生物过程)的复杂的系统工程，单一学科无法完整地揭示其规律; 另一方面，天然氢气具有动态生成、持续补给、易逸散等特征，传统的油气资源评价方法难以直接套用。当前，对天然氢气的研究涉及地球科学、生命科学、能源科学、材料科学和数据科学等多个领域，应构建以“氢系统科学”为核心的跨学科研究体系，核心任务如下。1) 理论构建: 借鉴“含油气系统”理论，建立“氢系统”地球科学框架，整合氢源、运移、储集、封盖、保存和补给六大要素，建立适用于不同构造背景(盆地、裂谷、蛇绿岩带和板块缝合带)的氢系统分类体系与评价标准。深化天然氢气成因机制与成藏规律的研究，聚焦水岩反应、水辐射分解及深源氢释放等地质过程，结合构造地质学、地球化学及微生物学等多学科手段，阐明氢气生成、运移与富集的时空耦合关系，建立“生成-运移-富集-保存”多尺度动态模型，破解当前地域化模型的普适性局限。2) 技术突破: 借鉴油气研究领域的成熟经验，发展氢气检测、同位素示踪、地球物理识别以及数值模拟等专用技术，同时突破现有油气勘探技术的适配性瓶颈，推动工业标准的建立与完善。3) 政策制度: 将天然氢气纳入国家资源管理体系，建立法律、政策和产业三位一体的支撑体系。建立天然氢气资源开发的全生命周期碳足迹与经济效益模型，支撑“碳中和”背景下的产业规划与政策制定。4) 学科融合: 推动地球科学、生命科学、能源科学和数据科学等多学科的深度融合，形成“氢交叉科学”新范式。5) 实践层面: 开展全国范围的氢气资源调查与潜力评估，摸清资源分布“家底”，开展松辽、渤海湾和三水等盆地的先导性勘探试验，探索天然氢与绿氢及蓝氢等清洁能源的协同发展路径，服务国家能源转型与深地探测战略，落实资源安全保障，协同新能源产业与区域经济的发展。

4 结论

本研究通过对中国知网数据库中 2015年至2025年期间 119篇天然氢气相关文献的系统性分析，较完整地构建了中国天然氢气研究的全景知识图谱，揭示了相关研究的发展脉络、学术生态与热点演进等，研究结果可为该领域的科研创新、战略规划及政策制定提供数据驱动的科学依据，并为全球天然氢气研究的知识体系提贡中国视角。

中国的天然氢气研究已实现从边缘性研究到能源行业前沿研究热点的转变，尤其 2023年后发文量快速增长，研究主题从早期的地质监测辅助手段(痕量氢和土壤氢气)逐步转向能源属性天然氢气的成因机制、成藏规律及资源潜力，研究焦点从碎片化的地质现象描述转向系统性的成藏理论构建与清洁能源应用。研究机构集中于北京等经济和技术发达地区，区域发展不均衡问题显著，西部地区资源禀赋与研究投入错配。高校、油企、研究院所、地震局和地调局构成研究主力，形成“政-产-学-研-用”协同创新模式。以金之钧为代表的核心作者在合作网络中扮演枢纽角色，早期地震监测领域的研究团队则形成相对独立的子网络。

本研究存在以下不足之处。1) 研究数据仅基于中国知网。未来可以考虑多源数据的融合，纳入Web of Science、专利及产业报告等数据，构建全球视野的天然氢气研究图谱，解析中外技术的差距。2) 尽管本研究采用主题词检索加人工补充的两轮文献数据收集方法，但受文献阅读规模限制，可能遗漏未使用“氢气”作为主题词，仅在文中简略介绍氢气异常现象的“暗文献”。未来需持续跟踪和更新数据，以便及时、准确地反映中国天然氢气研究的最新动态和发展趋势。

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