張明升，張金功，張建坤，戚林河

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西西安710069;2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安710018)

氦氣是一種惰性氣體，很少與其他化學(xué)元素化合，由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，尤其是其在低溫下成為液體的特性和化學(xué)性質(zhì)惰性，使氦氣在國防工業(yè)、航天工業(yè)、核工業(yè)、臨床醫(yī)學(xué)、化學(xué)工業(yè)等高科技領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。目前，世界氦氣的產(chǎn)地主要分布在美國、阿爾及利亞、卡塔爾、俄羅斯、波蘭等國，其中美國占據(jù)了世界氦氣產(chǎn)量和儲量的大部分，擁有絕對的話語權(quán)。與此同時，世界各國對氦氣的需求量在以每年4%～6%的速率增加［1－3］。目前，我國的氦氣主要靠進口，只有四川自貢威遠氣田中的氦氣得到提取利用(氦含量只有0.2%)，并且曾經(jīng)一度停產(chǎn)，目前提取出的氦氣基本用于潛艇。由于美國將氦氣資源列為戰(zhàn)略儲備資源而限制粗氦產(chǎn)量，液氦價格直線飆升［3］;同時，由于俄羅斯正在推動的聯(lián)邦規(guī)劃《俄羅斯的氦》和聯(lián)邦法律《氦法》，氦氣成為中俄天然氣合作的一大障礙［4］，預(yù)計未來中國氦氣將會更加受制于人。

1 氦氣的成因及來源

1.1 地殼中氦氣的來源

氦有3He和4He兩種穩(wěn)定同位素。Ballentine等(2000)提出氦的同位素主要有三個來源，即大氣源，殼源(放射性來源)和幔源(見圖1)［5－6］。大氣源的氦氣主要通過地下水的循環(huán)進入盆地流體系統(tǒng)。在盆地地下水的補給區(qū)，大氣中的氦氣會溶解到補給水中，隨著地下水從補給區(qū)向排泄區(qū)運移，最終運移到油氣藏中，發(fā)生油―氣―水的交換，造成氦氣在油氣藏中的聚集。殼源(放射性來源)的氦氣是由礦物、巖石中含有的鈾、釷元素發(fā)生放射性衰變產(chǎn)生的，主要是4He。幔源氦氣是地幔中的氦氣通過巖漿活動發(fā)生脫氣作用釋放的，主要為3He。

圖1 天然氣氣藏中氦氣的來源(據(jù)Ballentine，2002，修改)

1.1.1 大氣源 He

大氣中的He主要是由大洋中脊的火山噴發(fā)、巖漿脫氣和巖石風(fēng)化作用釋放出來的。大氣中He的含量非常少，含量為5.24 L/km3［7］，所以在地下水補給區(qū)溶解到水中，隨著地下水循環(huán)進入盆地流體系統(tǒng)的He是非常少的，通常是忽略不計的，因此地下流體中的He主要是殼源(放射性來源)和幔源的。

1.1.2 殼源(放射性來源)4He

自然放射性元素238U、235U和232Th衰變會產(chǎn)生4He，主要放射衰變反應(yīng)為(1)238U→84He+6β +206Pb;(2)235U→74He+4β +207Pb;(3)232Th→64He+4β +208Pb(見表 1)［7－9］。

殼源氦氣的的產(chǎn)率主要取決于巖石中的的鈾、釷的含量，含量越多，放射衰變產(chǎn)生的氦氣越多。

表1 產(chǎn)4 He主要衰變反應(yīng)和產(chǎn)率

1.1.3 幔源3He

盆地中和油氣藏中發(fā)現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的幔源的3He。地幔中包含3He、CO2、N2、CH4等揮發(fā)物，通過巖漿活動脫氣，進入盆地流體系統(tǒng)中。幔源3He的存在意味著盆地底部有構(gòu)造活動的存在，因為只有地幔熔融和巖漿活動才能源源不斷地把3He和其他揮發(fā)物運移輸送到盆地流體系統(tǒng)中［10］。

1.2 氦氣來源背景的確定

3He、4He成因的差異為不同來源的氦提供了判識標(biāo)志?？梢愿鶕?jù)3He/4He的比值來確定氦的來源背景，通常大氣源的3He/4He值為1.4×10－6;殼源的3He/4He值為 2 ×10－8;幔源的3He/4He值為 1.1 × 10－5［11］。也常用樣品氦的3He/4He 值(R)比大氣氦的3He/4He值(Ra)來表示氣樣的氦同位素特征，即R/Ra=(3He/4He)樣品/(3He/4He)大氣。在天然氣藏中大氣氦的組分少到可忽略，因而可不考慮大氣氦的來源，從而可以用二元復(fù)合模式計算天然氣樣品中殼源和幔源所占份額，其計算公式為:

在用R/Ra表示氣樣氦同位素分布特征時，當(dāng)(R/Ra)＞1，表示氣樣中幔源氦份額大于12%;當(dāng)(R/Ra)＞0.1時，幔源氦份額大于1.2%;當(dāng)(R/Ra)＜0.1時，可以認為天然氣中氦基本來自殼源［12－16］。

2 氦氣聚集與地層的關(guān)系

天然氣中氦氣的含量與儲層的時代有關(guān)系。氦氣在任何時代的儲層中都有聚集，但是根據(jù)美國礦務(wù)局對美國天然氣儲層的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在所有的含氦天然氣藏的氣樣中，66%都是古生代的，17%是中生代的，以及17%是新生代的，儲層年齡越老，氦氣含量越高［17］，而這個年齡更可能是氦氣開始向儲層運移時的年齡而不是儲層形成的年齡，即氦氣向儲層中運移時的年齡越老，氦氣含量越多［18］。

同時代的儲層中，天然氣中氦氣的含量與儲層的深度有關(guān)系。對蘇聯(lián)貝加爾褶皺區(qū)在古生代沉積的游離氣中氦氣含量與沉積蓋層厚度關(guān)系發(fā)現(xiàn)，含氦量與沉積蓋層厚度呈相反的相關(guān)關(guān)系，蓋層厚度越薄，含氦量越高［19］;對美國天然氣儲層中含氦量研究也發(fā)現(xiàn)，含氦量隨著儲層深度的增加而減小，氦氣主要聚集在 500 ～5 000 m 深度的儲層中［17－18］。

總的來說，氦氣向儲層中運移時的年齡與氦氣含量呈正相關(guān);同時代的儲層中，儲層埋深與氦氣含量呈負相關(guān)。

3 氦氣的成藏

3.1 氦氣從地殼中的釋放

4He是由礦物、巖石中含有的鈾、釷元素發(fā)生放射性衰變產(chǎn)生的，所以，氦氣首先需要從地殼礦物中釋放出來。氦氣從地殼礦物中的釋放主要有四種方式:衰變反沖釋放、擴散釋放、破裂釋放和礦物轉(zhuǎn)變釋放［5］。

(1)衰變反沖釋放。礦物中的鈾元素衰變產(chǎn)生的高能α粒子會噴射反沖一定的距離，稱為“停止距離”，主要由礦物的密度決定。當(dāng)含鈾元素的礦物晶粒尺寸接近“停止距離”時，有相當(dāng)量的氦會從礦物晶粒中釋放出來。

(2)擴散釋放。擴散是氦氣從地殼礦物中釋放最直接的方式，往往伴隨著其他釋放機制同時進行的。礦物中氦氣的擴散受到礦物顆粒大小和時間的控制，礦物顆粒越小，擴散系數(shù)越大，氦氣從礦物中釋放所需要的時間越短。

(3)破裂釋放。脆性巖石在上伏載荷的壓力下破裂形成裂隙。礦物出現(xiàn)裂縫后，聚集在晶粒內(nèi)的氦會沿著裂隙快速的釋放出來，氦氣釋放量與裂隙體積成正比，并且沿裂隙以擴散的方式進行釋放。

(4)礦物轉(zhuǎn)變釋放。礦物在成巖作用、變質(zhì)作用的變化會導(dǎo)致其晶格中的氦釋放出來，最典型的就是礦物的重結(jié)晶作用。雖然這種機制是微觀意義上的，但是可以導(dǎo)致地殼中氦的大規(guī)模釋放。

3.2 氦氣的成藏機理

迄今為止世界上還沒有發(fā)現(xiàn)任何單一的純氦氣藏，氦氣大多與天然氣(包括烴類氣、二氧化碳氣等)伴生在同一氣藏中形成伴生氣或溶解在水中形成水溶氣，其中，在天然氣氣藏中，氦氣量只要占到0.05～1%以上，即可達到工業(yè)開采價值。

氦氣從礦物中釋放出來以后，會進入鄰近的流體系統(tǒng)中。釋放出來的氦氣數(shù)量較少，不能使它以單一氦氣的形式運移，而只能和其他流體一起運移。這些流體可以是油、氣、水或巖漿等［5］。

斷裂和裂縫是氦氣運移的有效通道。斷裂可將任何深度圍巖中的氦捕集起來，并可作為氦流向地表的通道。在深處，斷層可插入巖漿刺穿構(gòu)造中，并將氦和其他脫出的氣體運送到儲層中聚集成藏［20］。幔源或深地殼氦氣通過深大斷裂和裂隙進行垂向運移，再通過斷裂或裂隙向油氣圈閉中運移并聚集［21］。

3.2.1 氦氣―巖漿―富氦天然氣氣藏成藏模式

地幔中He、CO2、N2、CH4等天然氣混入巖漿后，隨著巖漿向地殼淺部運移，隨著溫度和壓力的降低，巖漿脫氣將He等天然氣等脫出，脫出的He等天然氣充注到臨近的儲集層中可直接形成氣藏，也可沿其他斷裂繼續(xù)上運再聚集成藏［22－24］。巖漿活動的存在，是形成這種聚集的首要條件。

3.2.2 氦氣―地下水―富氦天然氣氣藏成藏模式

氦氣從礦物中釋放出來后，首先溶解到孔隙水中，并隨著孔隙水一起運移。在此期間，如果有另一種氣體(烴類氣體、二氧化碳氣等)進入水中，氦氣會被抽吸到該氣體中，并隨該氣體運移，若該氣體運移到圈閉中，則聚集起來形成氣藏，主要有三種聚集模式:(1)烴類氣體在富集了氦氣的孔隙水中運移，氣體會抽吸溶于孔隙水中的氦氣。氦氣隨氣體運移進入圈閉，聚集成藏;(2)含氦的孔隙水流過天然氣氣藏底部或過渡帶時，氣體會抽吸孔隙水中的氦進入氣藏中直接成藏;(3)無論是有機成因的幔源CO2，還是有機脫碳形成的CO2，在富集了氦氣、氮氣和甲烷的孔隙水中運移，CO2會抽吸溶于孔隙水中的氦氣，CO2會溶于水中，使氦氣在剩余的氣體中富集［18］。

3.2.3 地?zé)崽镏泻獬刹?/p>

國內(nèi)外地?zé)崽镞M行研究時，發(fā)現(xiàn)地?zé)崽锿寥罋夂偷責(zé)崴嬖诤ぎ惓＃缑绹牧_斯福溫泉地區(qū)以及我國的渭河盆地。

地表氦氣分布與地?zé)嵊袑?yīng)關(guān)系。根據(jù)對美國猶他州羅斯福溫泉地區(qū)地?zé)崽锏乇硗寥篮獾难芯堪l(fā)現(xiàn):土壤氣中氦氣的濃度在生產(chǎn)熱水的地?zé)崽飬^(qū)較高;高地表氦異常和地?zé)峋纳疃炔灰欢ㄏ嚓P(guān)［25］。

地?zé)嵯到y(tǒng)中的熱與氦存在獨特的一致性，因為地球上75%的地?zé)岷蛶缀跛?He都是由鈾、釷等的放射產(chǎn)生的［26］，熱和氦氣地下水中的運移也具有耦合性［27］。所以，可以用氦氣來指導(dǎo)地?zé)岬目碧剑?8］。

氦可以從地?zé)崽锵旅娴恼诶鋮s的巖漿體中釋放出來，并直接通過上覆地層進行擴散，或與熱水、水汽和從冷卻巖漿體中釋放出來的蒸汽相混合，然后通過可滲透巖石或沿斷裂帶運移出來。這種氣體緩慢滲入地表的地下水中，并使土壤氣體中富含氦氣。這種上升的氣體和熱水系統(tǒng)也可將原先存于圍巖中的氦運送到地表，可形成含氦的溫泉、蒸汽噴口或間歇噴泉［24］。

4 結(jié)語

在中國，九十年對氦氣成藏方面的研究較多，如徐永昌、陶明信等對中國氦同位素分布和幔源氦氣成藏進行了較多的研究［12－16］，之后研究較少?，F(xiàn)在，中國在氦氣成藏理論方面的研究相對滯后與國外。同時，中國氦氣主要依賴進口，而主要產(chǎn)氦國都開始限制粗氦的生產(chǎn)和出口，需要把氦氣需求轉(zhuǎn)向國內(nèi)。因此，這就需要借鑒國外氦氣成藏的研究方法和成果，結(jié)合中國實際地質(zhì)條件，加緊對氦氣成藏理論方面的研究;在理論指導(dǎo)下，加強對國內(nèi)氦氣的勘探.

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