0 引言
我国氦气资源匮乏，主要依赖进口，属被“卡脖子”资源［1］。全球氦气资源分布不均一，富集机理也极为复杂［2］。目前具有工业开采价值的氦气资源大多为地壳来源，与岩石中Th-U元素的放射性衰变有关［3-4］。虽然几乎所有含Th-U元素的岩石都可以通过放射性衰变生成4He，但生成速度极其缓慢，相对烃类天然气而言属于弱源气［5］。煤系气是煤系岩石（包括煤、炭质页岩和暗色泥页岩）中有机质生成的天然气，是我国天然气资源的重要组成部分［6］。煤系气的开发利用也有助于推动我国早日实现“双碳”目标。在此大背景下，煤系气的需求和开采量将会持续增加［6-7］。由于煤系气成分复杂，氦气提纯难度较大，前期煤系气中的氦气资源并未引起足够重视。可喜的是，中国煤炭科工集团承建的含氦煤层气提取高纯氦气装置已成功应用，这为煤层气中氦气资源的提取利用创造了更多机会，增加了我国氦气资源供给路径。
鉴于此，本文通过综合地质分析，探讨了鄂尔多斯盆地东缘煤系氦气差异富集的关键地质控制因素，并提出了煤系氦气富集机理，以期为下一步研究和勘探工作提供指导。
1 地质背景
图1 鄂尔多斯盆地构造分区（a）（据文献［12］）及潜在氦源岩地层柱状图（b）（据文献［18］） Fig.1 Tectonic framework of the Ordos Basin （after Ref.［12］）（a） and stratigraphic column of potential helium source rocks in the Ordos Basin （after Ref.［18］）（b） |
2 鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤系氦气分布规律
韩城地区18件煤系致密砂岩气样品氦气含量介于0.030 7%~0.086 7%之间（平均为0.046 7%），21件深层煤层气样品中氦气含量介于0.025 1%~0.086 5%之间（平均为0.042 8%），16件中—浅层煤层气样品氦气含量为0.000 1%~0.032 4%（平均为0.013%）［9］。总体来看，韩城地区煤系气氦气平均体积分数为0.035 4%，属于贫氦煤系气。
大宁—吉县地区共获得了32件煤系气样品［9］，包括12件致密砂岩气、10件深层煤层气和11件中浅层煤层气；致密砂岩气氦气含量介于0.023 1%~0.042 1%之间，平均体积分数为0.035 5%；深层煤层气氦气含量介于0.016 8%~0.036 4%之间，平均体积分数为0.030 7%；中浅层煤层气中氦气体积分数介于0.002 5%~0.041 4%之间，平均体积分数为0.012 1%。大宁—吉县煤系气中氦气平均体积分数为0.026%，也属于贫氦煤系气。
刘祥柏等［9］在三交北区块获得了46件煤系气样品的氦气体积分数，氦气体积分数介于0.037 9%~0.201 9%之间，平均体积分数为0.093 0%，超过40%的样品氦气含量大于0.1%，近一半的井可以达到富氦煤系气标准。
刘超等［10］对石西地区SX-018-L2井和SX-T-06H1井中6件煤层气样品开展了氦气体积含量测定，测试结果显示2口井中的氦气体积分数为0.05%~0.23%，平均体积分数为0.113 3%，达到氦气工业开采标准（0.1%）。
保德地区13件中—浅层煤层气中氦气体积分数为0.009%~0.048 0%，平均体积分数为0.021 4%，属于贫氦煤系气［12］。
从已有研究结果来看，盆地东缘北段的保德地区和南段的韩城、大宁—吉县地区大部分为贫氦煤系气井，而三交北和石西地区在地理位置上相近，均属于盆地东缘中段，这两地大部分煤系气井氦气含量达到工业开采标准。保德、三交北和韩城区块埋藏较浅（300~1 200 m），大宁—吉县和石西区块埋藏较深（800~2 600 m）［12］。
由此来看，鄂尔多斯盆地东缘煤系氦气含量存在明显的区域差异性，不同地区煤系氦气含量与煤层埋深之间没有直接的对应关系。但对于同一地区而言，深部（>2 km）煤系气中的氦气浓度明显高于中浅部，致密气中的氦气浓度也高于煤层气，如韩城和大宁—吉县地区［12］。
3 氦源岩对上古生界煤系氦气差异富集的影响
3.1 氦气成因与来源
实际上，不论是已报道的煤型气还是油型气，鄂尔多斯盆地大部分天然气样品中的3He/4He同位素比值与壳源氦气一致。如戴金星等［19］对全盆地天然气样品开展了氦同位素分析，结果显示3He/4He值为3.1×10-8~1.2×10-7（n=46），平均值为4.36×10-8，R/Ra值为0.022~0.085。LIU等［20］在大牛地气田中获得了20件天然气样品的氦同位素测试结果，3He/4He值为（1.00~10.12）×10-8。此外，何发岐等［21］也报道了东胜气田天然气3He/4He值测试结果，介于（1.83~6.25）×10-8之间。从已报道的天然气样品3He/4He同位素比值来看，鄂尔多斯盆地东缘煤系气中氦同位素比值明显低于大气3He/4He值（1.4×10-6）和地幔3He/4He值（1.2×10-5），主要来源于地壳物质的放射性衰变，即主要来源于盆地基底和上覆地层等的放射性元素衰变［12］。
3.2 潜在氦源岩生氦潜量计算
4He=（1.21×10-13［U］+0.287×10-13［Th］）×T
式中：［U］和［Th］分别为铀和钍元素含量，×10-6；T为衰变时间，a。
表1 鄂尔多斯盆地太原组煤层与基底原位生氦潜量计算Table 1 In-situ helium flux produced by the coal seams and basement from the Ordos Basin |
| 潜在氦源岩 | 岩性 | Th/10-6 | U/10-6 | 生氦潜量/（104 m3/t） | 数据来源 |
|---|---|---|---|---|---|
| 6号煤层 | 煤 | 5.7~45.8 （18.83） | 1.82~8.30 （4.12） | 115~696 （309） | DAI等［24］ |
| 夹矸 | 5.0~41.1 （14.08） | 1.35~7.62 （3.95） | 92~630 （265） | ||
| 8号煤层 | 煤 | 1.61~25.94 （9.30） | 1.77~7.62 （3.74） | 102~454 （216） | ZHANG等［23］ |
| 夹矸 | 0.63~8.28 （2.89） | 1.25~8.16 （4.10） | 54~310 （174） | ||
| 全盆地上古生界 | 煤 | 2.00~88.12 （35.19） | 2.87~40.49 （14.99） | 115~2117 （805） | 刘成林等［18］ |
| 泥岩 | 1.57~54.28（22.68） | 3.22~16.12（9.68） | 130~1053（547） | ||
| 基底 | 片麻岩 | 3.48~7.81（5.60） | 1.01~2.21 （1.41） | 585~1172 （829） | TIAN等［25］ |
| 角闪岩 | 0.81~1.03（0.90） | 0.20~0.24 （0.22） | 120~138 （130） |
|
鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤层气赋存具有南北低、中间高的特征，中部地区（如柳林）高达19 m3/t，南部地区平均为3.18~7.92 m3/t，北部地区为0.53~2.18 m3/t［26］。郭广山等［27］和魏若飞等［28］研究显示鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤层气含气量平均值约为10 m3/t。假设U-Th放射性衰变产生的4He全部为游离态。当煤层含气量为10 m3/t时，依据表1中生氦潜量数据可以算得8号煤层和6号煤层氦气平均浓度分别为21×10-6和30×10-6。若选用刘成林等［18］报道的石炭系—二叠系煤系岩石平均生氦潜量（805×10-4 m3/t）计算（表1），当煤层含气量小于0.8 m3/t时，氦气浓度可达到工业开采标准（>0.1%）。当选用Th（88.12×10-6）和U（40.49×10-6）含量极高的煤系岩石作为氦源岩计算时［18］（生氦潜量为2 117×10-4 m3/t），产生具工业开采价值的氦气藏需要煤层含气量约为2 m3/t。
总体来看，煤层和夹矸的生氦潜量相差不大，煤系岩石原位放射性衰变产生的4He难以形成具有工业价值（>0.1%）的含氦煤层气藏，特别是像离石地区这种富氦煤层气藏［14］更难形成。当煤系气含量太低时（如<2 m3/t），其经济开采价值并不高。也就是说，一般情况下煤系岩石原位衰变产生的4He难以达到工业开采标准。
3.3 盆地片麻岩基底与富氦煤系气矿区之间的空间耦合性
盆地基底经历了漫长的衰变时间被认为是富氦气田的主力氦源岩［29-33］，同一时代不同类型的岩石生氦潜量不同，查明各类基底生氦潜力和分布特征对于研究氦气资源分布规律尤为重要。从何衍鑫等［3］研究可以看出，花岗岩和泥质岩是最重要的生氦岩石类型，明显高于基性岩、砂岩和碳酸盐岩等。在高级变质作用下，花岗岩和泥质岩石均会转变为片麻岩。也就是说，对前寒武纪各类基底而言，片麻岩的生氦潜力高于其他类型的变质岩。本文依据前人发表的片麻岩和角闪岩Th-U元素含量计算了其原位生氦潜量，计算结果显示片麻岩生氦潜量平均值为829×10-4 m3/t，角闪岩平均生氦潜量为130×10-4 m3/t。不难看出，片麻岩的生氦潜量明显高于角闪岩（表1）。因此，片麻岩是鄂尔多斯盆地基底中的主力4He生产源。
高精度的航磁异常数据是揭示盆地基底组成的有力手段［34-35］。从前人［36］的研究结果来看，鄂尔多斯盆地沉积盖层磁性很弱，磁性异常主要来自太古界基底［图4（a）和4（b）］，其中片麻岩具有极高的磁化率，达5 600×10-5 SI［36］。虽然侵入体也会显示较高的磁化率［（700~5 500）×10-5 SI］，但鄂尔多斯盆地处于华北克拉通西部，基本处于稳定状态，岩浆活动极其微弱，仅在东缘紫金山地区存在少许早白垩世岩体［36］。前人［35］对鄂尔多斯盆地高航磁异常区钻遇的基底岩石进行了总结，发现高航磁异常区主要为片麻岩等长英质岩石。因此，鄂尔多斯盆地内部的航磁异常区指示片麻岩基底分布范围。从航磁异常图来看，鄂尔多斯盆地有两处高航磁异常区［图4（a）］，分别是北部杭锦旗高航磁异常区和中部离石—华亭高航磁异常区。
在煤系岩石放射性衰变产生的4He难以独立形成具工业价值的富氦煤系气藏时，决定煤系气中氦气浓度能否达到工业标准的关键因素就是是否有“充足的”外源氦补给并被有效保存。保德、三交北—石西和大宁—吉县等地区属于晋西挠褶带，具有相似的构造变形特征［13］，后期构造对煤系地层的改造程度相近。不同的是，三交北—石西等发现富氦煤系气井的矿区均位于高航磁异常区，为片麻岩基底发育区，而保德和大宁—吉县等贫氦天然气井矿区位于低航磁异常区。虽然紫金山岩体形成时间较短，难以积累大量的4He，但其侵入时产生的热效应对盆地基底氦气初次运移具有重要的促进作用。因此，片麻岩基底衰变产生的4He运移至煤系气中是氦气富集的重要基础。
4 构造对上古生界煤系氦气差异性富集的影响
从上述讨论可以看出，要使得煤系气中的氦气浓度达到工业开采标准，则需要外源氦气输送至煤系气藏中，这就需要煤系地层与其他氦源岩之间存在有效的输导体系［2］。裂隙带是氦气运移的主要输导体系［1，36］。如鄂尔多斯盆地宜川地区临近断裂带的煤系气井氦气含量高，而远离断裂带的井氦气含量相对较低，暗示氦气沿着断裂带发生了运移［36］。然而，由于氦气分子直径（0.26 nm）比甲烷分子直径（0.38 nm）小，具有很强的扩散能力，需要断裂适宜发育［2］。如果断裂作用过于强烈，不仅仅会破坏煤层气藏，更会引发氦气分子的逃逸。在适宜的构造改造下，煤系岩石会形成一定程度的开放，氦气逸散量小于进入煤系岩石和煤系岩石衰变产生的氦气量。
三交北和韩城地区同属片麻岩基底发育区，但韩城地区煤系气中氦气体积分数明显低于三交北地区，因此这两地之间氦气浓度差异不是由基底引起的。韩城地区属于渭北隆起，三交北地区属于晋西挠褶带。两地隶属于不同的构造带，构造变形程度不同，可能对氦气的运移和保存产生了重要的影响，从而导致两地煤系气中氦气含量不同。
鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带与吕梁隆起以离石断裂为界，大致可分为保德—兴县背斜带、临县—柳林背斜带、永和—石楼背斜带和蒲县—吉县背斜带［12］［图5（a），图5（b）］。晋西挠褶带整体地形呈现东高西低的形态，地层出露具有东部老、西部新的特征［图5（c）］。三交北及邻区地震剖面揭示在晋西挠折带西侧一套逆冲断层控制剖面地垒构造形态，属于基底卷入断层［15］。该套逆冲断裂主要发育在奥陶系内，盐岩滑脱层之上发育多个Y形分支断层（图6）。该断裂向上破裂至奥陶系顶部但未穿过石炭系—二叠系煤系地层，指示该逆冲断裂形成时期可能为加里东运动时期［15］。此外，该区地层北东高、南西低的空间分布特征指示晋西挠褶带在二叠系沉积之后某个时期开始抬升，导致地层发生掀斜，以冲起带的形式呈现［15］。根据东侧吕梁隆起带地层发育特征和接触关系等，推断晋西挠褶带的掀斜与侏罗纪的燕山运动有关，主要是古太平洋板片平板俯冲挤压的结果［41］。随着新生代吕梁隆起的进一步加速隆升，晋西挠褶带进一步被掀斜，之后遭受差异风化形成现今格局［15］。总体来看，中—新生代的构造运动并没有导致晋西挠褶带西侧逆冲断裂的进一步强烈活化，石炭系—二叠系煤系地层可能经历了一定程度的改造，局部发育小型断层，对煤层产状和连续性影响有限，并没有发生强烈的断裂［15］。魏若飞等［28］的研究也揭示三交北—石西地区构造发育适宜，有利于煤层气向砂岩储层运移，且不至于逸散。此外，吕梁隆起带中—新生代的构造抬升作用导致鄂尔多斯盆地东缘片麻岩基底被抬升，为盆地基底含4He流体向上运移提供了动力。
相比而言，渭北隆起断裂发育［图7（a）］，对煤系地层切割破坏很大［42］，南部断层大多近直立，终止在白垩系底部［42］。在地震剖面上至少可以看到2期挤压—逆冲事件——加里东期和燕山期［图7（b）］。第一期挤压—逆冲为奥陶系沉积之后，近南北向挤压导致形成了一系列逆断层和褶皱构造，构造发育程度呈南强北弱的特征［42］。第二期为燕山期的构造抬升和收缩变形，使得渭北隆起石炭系—二叠系和三叠系全部卷入褶皱断裂构造变形之中［图7（b）］。在韩城地区以北东走向为主，野外地质调查显示在秃山北、西垣沟和毛子沟均可见逆冲断裂切割了石炭系—二叠系煤系地层，断层向南倾，下盘地层发生弯曲变形（图8）。王双明［8，13］的研究显示，韩城及邻区石炭系—二叠系煤层受到明显的构造破坏作用，层滑构造发育，煤层原始结构被破坏。总体来看，中—新生代的构造作用对韩城地区影响明显，石炭系—二叠系煤系地层被断裂作用等构造过程强烈改造。
总体而言，韩城地区和三交北—石西地区煤系氦气差异富集主要受控于中—新生代构造作用对两地的煤系地层的差异改造。在三交北—石西地区，中—新生代构造作用导致石炭系—二叠系煤层形成一定程度的开放，但并没有被强烈破坏，有利于基底片麻岩产生的氦气进入煤系地层，并能得以有效保存。与之相比，韩城地区前侏罗系全部卷入褶皱和断裂之中，如此强烈的构造变形势必会导致煤层过于开放，从而引起氦气的逸散。
5 对煤系氦气富集机理的启示
氦气资源大多是在烃类天然气开发过程中发现的，导致对氦气富集机理并未引起足够的重视，尤其是煤系氦气。目前具有工业价值的氦气资源主要来源于天然气藏中的氦气。氦气与烃类等其他天然气为异源同储气。对于煤系地层而言，氦气一般“溶解”并储存于页岩气、致密砂岩气和煤层气中。从上述讨论中可以看出，相比于其他类型的岩石，煤系地层具有较高的生氦潜量，但由于工业开采的煤系地层烃类气体含量较高，会明显稀释煤系内源4He，这就需要外源氦气的供给或在低含气量煤系地层中进行氦气资源勘探开发，否则煤系岩石原位放射性衰变生成的内源4He很难形成具有工业价值的氦气。然而，当煤系地层烃类气体含量低时，其经济开采价值并不高，可能不会被开采。
只有当外源氦气补给到煤系地层中并得以有效保存时，煤系气中的氦气含量才能达到工业标准。因此，本文认为煤系氦气富集主要受外源氦源岩、运移和保存3方面控制。
（1）煤系氦气富集需要有除煤系地层以外的氦源岩。根据放射性衰变原理，Th-U含量高且时代久远的岩石均可作为潜在的氦源岩。鄂尔多斯盆地基底片麻岩、铝土岩和花岗岩等都具有较高的生氦潜量，均可作为煤系氦气重要的外源氦补给者。如，三交北—石西部地区位于前寒武纪片麻岩基底之上，片麻岩基底是石炭系—二叠系煤系气重要的外源氦补给者。
（2）构造作用能够促进基底4He的初次运移和二次运移。三交北—石西地区早白垩世紫金山岩体侵入作用带来的热效应促进了基底岩石中4He的初次运移；三交北地区厚皮构造发育，发育加里东期深切基底片麻岩的逆冲断裂，煤系地层中见割理、裂隙和小断裂，厚皮构造为含氦流体运移至煤层气藏底部提供了有效通道；吕梁山中—新生代的隆升作用为含氦流体的运移提供了动力。
（3）进入煤系气中的氦气要能被有效地保存。氦气分子直径比甲烷小得多，故而对盖层的封闭能力要求更高。虽然，韩城和三交北地区均位于基底片麻岩之上，但韩城地区富氦煤系气井并不发育，这主要是由于中—新生代构造作用强烈改造了石炭系—二叠系煤层，导致韩城地区煤系气中的氦气发生逃逸。
6 结论
（1） 鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤系岩石具有高的Th-U含量和生氦潜量，但由于烷烃类气体的稀释作用导致煤系气中氦气浓度较低，从而难以达到工业开采标准。在无外源氦补给的情况下，煤系岩石原位衰变产生的4He难以形成具工业价值的煤系氦气资源。
（2） 晋西挠褶带中三交北—石西、保德和大宁—吉县三地煤系气中氦气浓度差异主要受控于基底，片麻岩基底衰变产生的氦气是三交北—石西地区煤系氦气重要的补给。
（3） 三交北和韩城地区氦气差异富集主要受控于后期变形改造。韩城地区断裂十分发育，对煤层的改造过于强烈，导致氦气逸散。三交北—石西地区断裂发育适宜，煤层适度开放，基底片麻岩产生的4He能够运移到煤系气中并得以有效保存。
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