可持续能源：“精灵圈”或可为天然氢气的埋藏深度提供线索

维也纳大学新研究解释“精灵圈”为何会塌陷

天然氢气作为未来可持续能源系统的重要组成部分，具有几乎为零的碳排放。然而，目前科学界仍难以准确预测其分布位置及深度。近日，奥地利维也纳大学地质系发布的新研究成果，或将为该难题提供新的线索。研究表明，所谓的“精灵圈”（Fairy Circles）——即地表出现植被损伤的圆形裸露区域——可能是预测地下氢气源的有效指标。

研究发现，“精灵圈”之所以出现下陷现象，是由于深层天然氢气的渗漏所致。根据模拟结果，氢气源越深、压力越高，对应地表上形成的“精灵圈”就越大。该研究已发表于国际权威期刊《Geology》。

从俄罗斯的东欧克拉到美国、巴西、纳米比亚和澳大利亚，全球多个地区的地表均能发现类似的神秘圆形洼地。这些“精灵圈”通常直径达数百米，深度可达数米，几乎无植被覆盖。尽管人类在过去十年才确认这些区域可释放天然氢气，暗示其下方存在氢气来源，但为何地面会下沉、以及精灵圈的大小是否与氢气深度或储量相关，此前一直未有明确解释。

这类信息对于能源产业至关重要。天然氢气作为一种几乎不产生碳排放的清洁能源而备受关注。然而，“在进行昂贵的钻探之前，我们必须理解精灵圈是如何形成的、其潜在储量有多大、以及我们需要钻多深才能接触到氢气源。”——维也纳大学地质系Martin Schöpfer博士说，他也是地球科学公司NiMBUC Geoscience的成员。

这项由奥地利石油天然气集团OMV资助、Schöpfer博士领导的研究团队，借助地质力学计算机模拟，首次揭示了氢气渗漏导致地表下陷的机理。

研究指出，下陷现象源于天然氢气逸出过程中，气体、水体与土壤沉积物之间的双相耦合作用。具体而言，当高压氢气从深处渗透至地表时，会改变土壤中的水分与气体分布，进而削弱沉积层结构，最终导致表层塌陷，形成肉眼可见的“精灵圈”。

像“舒芙蕾”一样的上升与塌陷现象

研究设想，在覆盖于坚硬岩石之上的松散沉积物层（如沙土或黏土）中，其孔隙被地下水填满。当氢气从某一“点”进入该沉积层，便会部分取代原有的水分，使水逐渐渗出地表，同时氢气也开始向上渗透。这一改变后的气体混合物可能对地表植物造成破坏。此外，地表还会出现轻微的隆起现象。对此，地质学家Schöpfer博士打了个比方：“可以说，这种沉积物像‘舒芙蕾’一样鼓起，但背后的过程是地质力学作用，而舒芙蕾的膨胀是化学反应造成的。”在过程的第二阶段，一旦氢气流动停止，沉积物中气-水混合物的压力会迅速下降，导致地层压实

“土壤就会像塌陷的舒芙蕾一样出现下沉。”Schöpfer博士进一步解释。

借助计算机地质力学模拟，该研究探讨了氢气来源的深度与压力与沉积物变形之间的关系。结果令人惊讶：模拟得到的精灵圈直径与下陷深度，几乎与现实中在俄罗斯、巴西与澳大利亚等地发现的自然“精灵圈”结构完美吻合。这进一步验证了研究模型的可靠性，也增强了“精灵圈”作为地表氢气指示物的科学价值。

“精灵圈”越大，氢气来源越深。根据研究结果，精灵圈的直径与下陷深度很可能直接与氢气来源的压力与埋藏深度有关。这意味着，通过观察地表“精灵圈”的形态，或可推测地下氢气的存在条件与赋存深度。维也纳大学地质系副主任Bernhard Grasemann强调：“这一发现具有真正的突破性意义，‘精灵圈’未来或将成为寻找地下氢气源的天然指示物——而地下氢气被认为是一种潜力巨大的、几乎取之不尽且环保的清洁能源。”

来自能源行业的关注：无色氢的“颜色”分类与天然氢的潜力

OMV公司首席地质学家、该研究的共同作者Gabor Tari表示：“天然氢作为一种碳排放几乎可以忽略不计的潜在新型能源，正日益受到能源行业的关注，尤其是在与各种人工制氢方式对比之下。当前，国际研究聚焦于所谓的‘白氢’（或称‘金氢’，即天然氢）与‘橙氢’，这两类氢气被认为可能成为相比‘黑氢’、‘灰氢’、‘蓝氢’、‘粉氢’和‘绿氢’等现有氢类型更具盈利能力、成本显著更低的替代方案——这些现有方式仍不可避免地伴随较高的碳排放。”因此，OMV能源公司支持此类基础研究，以便更好地理解这种绿色能源在未来能源转型中的潜力。

尽管目前研究结果令人鼓舞，但Martin Schöpfer博士强调，在这些成果可广泛应用之前，仍需进行大量后续研究：“我们仍需对天然‘精灵圈’进行更深入研究，例如：模拟不同土壤类型或模拟脉冲式气体释放的情形。此外，还需要开展地下实地调查，以揭示是否存在化学反应溶解地层中固体物质的可能性，这一过程或许也是导致地表下陷的部分原因。”

原创发表：

Martin P.J. Schöpfer, Christine Detournay, Gabor Tari; The mechanical genesis of “fairy circle” depressions. Geology 2025; doi: https://doi.org/10.1130/G53384.1

翻译人：高丰言

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/09/01/green-hydrogen/sustainable-energy-fairy-circles-can-provide-clues-to-the-depth-of-natural-hydrogen-sources