Sự Tạo Hydrogen Tự Nhiên từ Siderit Trầm Tích Phanerozoi

Sự Tạo Hydrogen Tự Nhiên từ Siderit Trầm Tích Phanerozoi

Ngày 1 tháng 1 năm 2026

Tác giả: Isabelle Moretti, Alain Prinzhofer, Jérémie Ammouial, Nicolas Bouton
Tạp chí: Minerals, 2025
DOI: https://doi.org/10.3390/min15111218

1. Giới thiệu và Bối cảnh Nghiên cứu

Hydrogen tự nhiên (H₂) không còn là một hiện tượng địa chất hiếm gặp, mà đang trở thành một nguồn năng lượng tiềm năng trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Trước đây, nguồn gốc chính của H₂ được cho là từ quá trình serpentine hóa của các đá siêu mafic. Tuy nhiên, nhiều khu vực có H₂ tự nhiên lại không có sự hiện diện của đá siêu mafic, dẫn đến việc tìm kiếm các cơ chế tạo H₂ khác.

Nghiên cứu này tập trung vào siderit (FeCO₃), một khoáng vật cacbonat sắt thường xuất hiện trong các thành hệ sắt dải (BIF) cổ cũng như trong các bể trầm tích trẻ hơn. Do chứa hàm lượng sắt cao và có tính chất nhiệt động không ổn định, siderit có thể tham gia vào các phản ứng oxy hóa-khử với nước để tạo ra H₂. Mục tiêu của nghiên cứu là định lượng tiềm năng tạo H₂ và động học phản ứng của siderit trong điều kiện tự nhiên, thông qua việc phân tích các mẫu từ Llanos Basin (Colombia) và Solimões Basin (Brazil).

2. Vật liệu và Phương pháp Nghiên cứu

2.1. Thiết bị Phân tích: Hydrogen-Eval
Nghiên cứu sử dụng thiết bị Hydrogen-Eval, một hệ thống nhiệt phân mới được phát triển bởi Vinci Technologies, chuyên dùng cho thăm dò và kích thích tạo H₂ tự nhiên. Thiết bị này có thể hoạt động ở hai chế độ:

• Chế độ khí khô (DG): Sử dụng khí mang là N₂ khô, chủ yếu để đánh giá H₂ từ chất hữu cơ.

• Chế độ khí ẩm (WG): Sử dụng hỗn hợp N₂ + hơi nước, để kích thích phản ứng oxy hóa-khử giữa nước và khoáng vật giàu sắt.

Quy trình phân tích:

1. Mẫu đá được nghiền thành bột (~10 mg) và đặt trong nồi nung bằng gốm.

2. Nhiệt độ được tăng từ 300°C lên 1200°C với tốc độ 25°C/phút.

3. Khí thoát ra được dẫn đến hệ thống phát hiện sử dụng kỹ thuật quang phổ hấp thụ laser diode điều chỉnh (TDLAS), có khả năng đo nồng độ H₂ ở mức ppm với độ chọn lọc cao.

2.2. Mẫu Nghiên cứu

• 8 mẫu từ Llanos Basin (Colombia), thuộc thành hệ Mirador (Eocene), độ sâu ~1000–1100 m, nhiệt độ ~67°C.

• Các mẫu từ Solimões Basin (Brazil) được sử dụng để nghiên cứu động học phân hủy siderit.

3. Kết Quả và Phân Tích

3.1. Quan hệ giữa Hàm lượng Siderit và Sản lượng H₂

• Kết quả cho thấy một mối quan hệ tuyến tính rõ rệt giữa phần trăm siderit trong đá và lượng H₂ tạo ra.

• Công thức ước tính:

  text

  H₂ (mmol/kg đá) = 75 × % Siderit

• Ví dụ: Mẫu chứa 50% siderit có thể tạo ra khoảng 3.5 mol H₂/kg đá.

• Trong chế độ WG, sản lượng H₂ cao hơn đáng kể so với chế độ DG, do nước được cung cấp liên tục từ bên ngoài.

3.2. Động học Phân hủy Nhiệt của Siderit

• Siderit là một trong những khoáng vật cacbonat kém bền nhiệt nhất. Nó bắt đầu phân hủy ở khoảng 100–200°C.

• Phân tích động học bằng Rock-Eval cho thấy:

  • Năng lượng hoạt hóa (Ea): 39.9 kcal/mol

  • Hệ số Arrhenius (A): 7 × 10⁷ s⁻¹

  • Bậc phản ứng (n): 0.8 (cho thấy cơ chế phân hủy phức tạp, nhiều bước)

• So sánh với calcite (Ea = 47.5 kcal/mol), siderit dễ phân hủy hơn nhiều. Ở 151°C, 50% siderit có thể phân hủy trong vòng dưới 100,000 năm trong điều kiện địa chất.

3.3. Cơ chế Phản ứng Tạo H₂
Quá trình tạo H₂ từ siderit diễn ra qua hai giai đoạn chính:

1. Phân hủy siderit giải phóng Fe²⁺ và CO₂:

   FeCO3→Fe2++CO32−FeCO3​→Fe2++CO32−​

2. Phản ứng oxy hóa-khử giữa Fe²⁺ và nước, tạo ra H₂ và oxit sắt (thường là magnetite hoặc hematite):

   3Fe2++4H2O→Fe3O4+8H++H23Fe2++4H2​O→Fe3​O4​+8H++H2​

   hoặc

   2Fe2++3H2O→Fe2O3+6H++H22Fe2++3H2​O→Fe2​O3​+6H++H2​

Trong chế độ DG, H₂ chỉ được tạo ra sau khi nước được giải phóng từ các khoáng vật kèm theo (như sét). Trong chế độ WG, nước có sẵn ngay từ đầu, nên phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn.

4. Thảo luận và Ý Nghĩa Địa Chất

4.1. Tiềm năng của Siderit trong Hệ thống H₂ Tự nhiên

• Tiềm năng tạo H₂ của siderit (7 mol H₂/kg siderit) cao hơn hẳn so với serpentine hóa (0.2–0.4 mol H₂/kg đá).

• Sự phân hủy nhanh chóng của siderit ở nhiệt độ thấp tạo ra một "cửa sổ tạo H₂" hẹp ở độ sâu 3–6 km trong các bể trầm tích. Đây là điều kiện lý tưởng để H₂ tích tụ trong các bẫy và vỉa chứa.

• Siderit không chỉ là nguồn tạo H₂ trực tiếp, mà còn tạo ra môi trường khử xúc tác cho các phản ứng tạo H₂ khác (như phân hủy ammonium) và giúp bảo tồn H₂ đã sinh ra.

4.2. Ứng dụng trong Thăm dò H₂ Tự nhiên

• Nghiên cứu mở ra hướng thăm dò H₂ mới tại các bể trầm tích không có đá siêu mafic, như Llanos Basin, Paris Basin, hay Songliao Basin.

• Sự hiện diện của các lớp siderit, dù không dày, cùng với sự di chuyển của nước ngầm giàu Fe²⁺, có thể mở rộng đáng kể "vùng bếp" tạo H₂ trong lòng bể.

4.3. Hạn chế và Hướng nghiên cứu Tương lai

• Thí nghiệm trong hệ mở (như Hydrogen-Eval) có thể đánh giá cao tiềm năng H₂ so với hệ kín trong tự nhiên, nơi cân bằng hóa học có thể hạn chế phản ứng.

• Cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của thành phần nước, áp suất, và sự có mặt của khoáng vật khác đến động học phản ứng.

• Việc tích hợp dữ liệu về sự phân bố siderit, thủy động lực học, và địa hóa học vào mô hình bể 3D sẽ giúp đánh giá chính xác hơn tài nguyên H₂.

5. Kết luận

Nghiên cứu này cung cấp bằng chứng thực nghiệm và định lượng đầu tiên về vai trò của siderit trầm tích như một nguồn tạo hydrogen tự nhiên hiệu quả ở nhiệt độ thấp. Các kết quả cho thấy:

1. Sản lượng H₂ tỷ lệ thuận với hàm lượng siderit.

2. Siderit phân hủy nhanh ở 100–200°C, phù hợp với điều kiện nhiệt độ của nhiều bể trầm tích.

3. Tiềm năng tạo H₂ của siderit vượt trội so với serpentine hóa.

Phát hiện này không chỉ giải thích cho các dị thường H₂ cao ở Llanos Basin, mà còn mở rộng đáng kể phạm vi địa chất có tiềm năng thăm dò H₂ tự nhiên, góp phần vào sự phát triển của ngành năng lượng hydrogen bền vững.