Natural Gas Geoscience >

2023 , Vol. 34 >Issue 4: 656 - 671

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.10.016

Zoning characteristics of helium resources and helium accumulation model in China

  • Chi ZHANG ,
  • Pin GUAN ,
  • Jihua ZHANG ,
  • Dandan SONG ,
  • Jiahao REN
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  • Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution，Ministry of Education，School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China

Received date: 2022-09-22

  Revised date: 2022-10-23

  Online published: 2023-04-18

Supported by

The National Key Research and Development Program(2021YFA0719000)

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Highlights

Helium is the inert gas with the lowest known melting and boiling points. It has extremely special physical properties and is widely used in many high-precision fields. However， with the increasing demand for helium in China， the rising price of imported helium， and the tightening of export policies of major foreign helium-producing countries， China is facing a serious situation of helium resource security. The helium-rich basins in China are widely distributed horizontally and have obvious zoning characteristics， with significant differences between the eastern and central-western helium-bearing basins. The eastern helium-bearing basins have crustal helium and mixed crust-mantle helium with the latter predominating， and is mainly controlled by tectonic factors and mantle-derived fluids， while the central and western helium-bearing basins are dominated by crustal helium. The helium is distributed in all stratigraphic ages vertically， and the helium content has the characteristics of “high at both ends and low in the middle”. The role of helium source rocks， tectonic factors， transport carriers， and capping conditions in helium reservoir formation is clearly identified， and the helium reservoir formation patterns in the eastern and central-western helium-bearing basins in China have been summarized accordingly. According to two groups of mutual constraints in helium accumulation： the mutual constraints of gas reservoir generation and tectonic activity， it is pointed out that “flux difference” is the key parameter for helium accumulation. The following suggestions are made for the exploration and development of helium resources in China： Resource assessment work should be carried out around the eastern basins with the mixing of crustal and mantle resources， the construction of helium separation and extraction equipment should be accelerated for the central and western helium-bearing fields to promote the industrial development of helium resources， and the importance of helium resource assessment work in unconventional gas reservoirs should be increased.

Cite this article

Chi ZHANG , Pin GUAN , Jihua ZHANG , Dandan SONG , Jiahao REN . Zoning characteristics of helium resources and helium accumulation model in China[J]. Natural Gas Geoscience, 2023 , 34(4) : 656 -671 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.10.016

0 引言

氦气是一种无色、无味的稀有惰性气体，具有独特的物理性质，是目前已知元素当中熔点和沸点最低的元素。在正常的压力条件下，随着温度的降低，氦是唯一不能固化的元素，氦的扩散系数一般小于（3~5）×10-5 cm2/s，是一种在大多数物质中都具有很强扩散性的气体［1-3］。正是由于这些特性，氦气在航空航天、人造空气、电子工业、焊接冶金以及超低温冷却等领域具有不可替代的作用［4-5］。氦气在宇宙中含量约为23%，仅次于氢，但地球上氦气含量十分稀少，根据目前开发利用经验，工业氦气的来源主要是天然气藏。自20世纪以来，世界各国对于氦气的需求量急剧增加。美国是世界上氦气资源量最为丰富的国家，经过多年开采，氦气储量仍占世界氦气总储量的40%以上。除美国之外，卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯以及波兰也是世界上主要的氦气生产国［6］。我国对氦气资源的需求量极大，早期对于氦气的研究主要是围绕氦同位素的应用展开［7-14］，并未将氦气作为战略资源开展研究，目前氦气资源主要依赖于进口，国内众多的含油气盆地中均有氦气显示，虽然早期曾在四川盆地威远气田进行过氦气开采但是产量甚微［15］。近年来结合氦气短缺现状，国内相继投入了一批提氦项目［16-17］，其中鄂尔多斯盆地杭锦旗建成了目前国内规模最大的BOG提氦项目，自运行以来产能已突破100×104 m3，氦气纯度高达99.999%，但仍无法填补国内对于氦气资源需求的巨大空缺［18］。随着氦气出口国家对其出口管控的进一步加强，我国氦气资源的安全形势十分严峻，氦气的生产供应水平远远难以满足国内的生产发展需求，寻找氦气资源已成为我国资源调查领域最急迫、最关键的任务之一。
近年来，结合我国贫氦的现状，国内相关科研单位对氦气资源的勘探力度持续加大，取得了一些阶段性成果［1，19-25］，对我国的氦气成藏模式及其控制因素有了初步认识，也在一些含油气盆地中发现了较为可观的氦气资源量，但少见对国内含氦盆地的分区特征开展研究。徐永昌等［26］提出我国含油气区天然气的氦同位素分布具有分区性，但主要是用以指示构造区域性和构造环境，并未从氦气资源勘探的角度对分区特征进行研究。本文通过调研我国10个含油气盆地的氦气含量和氦同位素特征，得出其在横向上的平面分布和纵向上的地层时代均具有分区特征，并总结不同分区氦气成藏的控制因素，以期为我国氦气资源的开发利用提供思路，为保障国家氦气战略需求奠定基础。

1 富氦气藏概况

1.1　氦的类型及成因分类

氦的来源有3种，分别是大气来源、壳源和幔源［27］，其中大气氦含量很低，约为5.24×10-6［28］，主要由大洋中脊火山喷发、岩浆脱气以及岩石风化作用产生［29］，气藏中的氦气含量几乎不受大气氦输入的影响，因此不对大气氦进行详细讨论；壳源氦主要由岩石矿物中的U（235U和238U）、Th（232Th）放射性衰变产生；幔源氦主要来自地球深部地幔或者由岩浆活动脱气而产生。
氦有2种稳定同位素：3He和4He，3He的主要来源是地幔，由脱气作用产生，4He的主要来源是U、Th的放射性衰变，由于两者来源不同，可以根据氦同位素比值（3He/4He）对氦气的来源进行识别。通常情况下，大气源氦的3He/4He值为1.4×10-6；壳源氦的3He/4He值为2×10-8；幔源氦的3He/4He值为1.1×10-5。除氦同位素值之外，也常用R/Ra来表示样品的氦同位素特征，R表示样品的3He/4He，Ra表示大气的3He/4He，即R/Ra=（3He/4He）样品/（3He/4He）大气。R/Ra值与氦的幔源比例成正比，当R/Ra>3.94时，幔源氦的比例大于50%；当R/Ra>1时，幔源氦的比例大于12%；当R/Ra>0.1时，幔源氦的比例大于1.2%；当R/Ra<0.1时，基本可以认为天然气中的氦全部来自壳源［30-31］。

1.2　氦气藏划分标准

目前对于富氦气藏的工业定义尚没有统一标准，美国业内富氦天然气通常以氦气含量大于0.3%作为界限［3］，BALLENTINN等［32］认为氦气含量大于0.1%即可称之为富氦天然气，徐永昌等［33］对幔源稀有气体进行研究，指出当天然气中的氦气含量达到0.05%~0.1%时，可以称之为工业气藏。前人多选择将氦气含量0.1%作为工业氦气藏的标准［1，4，19］。
本文调研我国10个含油气盆地共计314个样品，其中近半数的样品氦气含量大于0.05%；近三成样品的氦气含量大于0.1%；仅约1/10的样品氦气含量大于0.3%。因此，结合我国天然气藏中氦气的实际含量，将0.1%作为富氦气藏的界限。

1.3　氦气藏与伴生气的相关性联系

国内外的富氦气藏中并未见独立成藏的氦气田，而多是伴生在天然气藏中，天然气中的主要气体组分包括烃类的CH4、非烃类的CO2和N2，可见氦气与这3种气体之间的关系密切，在此对这几种气体之间的相关性（图1）进行分析。
图1 氦气含量与天然气主要气体成分含量相关性

Fig.1 Correlation between the helium content and the main gas components of natural gas

本文调研的样品中，CO2和CH4的含量与氦气含量之间并没有明显的相关性。不过值得注意的是，CH4几乎都作为含氦天然气的主要成分，绝大多数样品中CH4的含量超过60%，有近半数的样品中CH4的含量超过80%，CH4与氦气之间是否存在成因上的共生关系？根据美国富氦气田的实际开发经验来看，富油气盆地中心很少出现高含氦量，仅在部分含油气盆地的边缘存在高含氦量，很多高产的氦气田来自油气产量较少的盆地［34］。因此CH4和氦气之间并不存在共生关系，且大量CH4会起到稀释作用，使得氦气含量低于工业开采水平，CH4只作为氦气的载体，两者可以同时出现在天然气藏中，但两者之间并没有互相关联。氦气与N2含量之间呈现出较好的正相关性，N2含量较高的样品中也可见较高含量的氦气，N2—He的正相关性在多位学者的论文中均见描述［34-37］，但是也有部分盆地的氦气含量与N2含量之间不存在相关性，例如在鄂尔多斯盆地［38］。李玉宏等［37］认为N2与氦气的亨利系数变化规律相似且均为无机气，因此两者含量之间相关性好；BROWN等［34］认为孔隙水中的大部分N2和氦气会发生分馏形成迁移气体，这一过程集中了N2和氦气，是导致大多数富氦天然气中的N2—He具有正相关性的原因。
综上所述，可见氦气与天然气中其他主要组分（CH4、CO2和N2）之间并非是成因上的依赖关系，而是这些气体组分可以作为氦气由深部向浅部运移的载体，并且氦气的聚集需要与天然气聚集相类似的地层结构，例如断裂等运移通道和致密盖层，因此氦气与天然气展现出了良好的伴生关系。

2 国内氦气藏概况及其分区特征

2.1　氦气藏概况

我国沉积盆地众多，且以中小型盆地为主［21］。在我国绝大多数的含油气盆地中均已检测出氦气，包括：松辽盆地、海拉尔盆地、三水盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、渭河盆地、柴达木盆地、塔里木盆地和准噶尔盆地，其中不乏高氦气含量的富氦天然气盆地，因此氦气在我国含油气盆地中分布广泛，具有分布广、含量低的特征（图2）。
图2 我国含氦盆地分布特征及R/Ra值范围

Fig.2 Distribution characteristics of helium-bearing basins in China and R/Ra value range

我国的含氦盆地中，氦同位素比值以及幔源氦比例的差异较大，本文调研的数据中，3He/4He值分布在1.01×10-8~7.2×10-6之间，R/Ra值分布在0.01~5.14之间。目前世界上进行工业开采的含氦气田几乎都是壳源氦，但是我国东部含氦盆地呈现出独特的高幔源比例特征。东部含氦盆地类型多为裂陷盆地，深切至地幔的大型断裂带可以直接作为地幔流体的运移通道，伴随着上地幔的隆升和火山作用，成为3He的主要来源，是我国东部含氦盆地幔源氦比例高的直接原因。中西部盆地多为大型叠合盆地，整体构造格局比较稳定，氦气以壳源为主，目前我国发现的氦气田均位于中西部盆地。
松辽盆地是中—新生代陆相含油气盆地，属于伸展断陷型盆地，盆地内侵入有大面积分布的3期花岗岩［39］。松辽盆地北部、双城—太平川地区、南部万金塔地区均有氦气发现，3He/4He值分布在1.01×10-6~7.2×10-6之间，R/Ra值分布在0.72~5.14之间［40-43］。松辽盆地北部氦气的分布层位主要是萨尔图、扶余、杨大城子等油层，各含油气组合由上至下，氦气的含量呈现出增加的趋势［40］；双城—太平川地区的幔源氦比例为0.92%~5.99%，壳源氦在该地区氦气中占主导地位；万金塔气田的R/Ra值高达5.14，幔源氦比例达到64%［43］。
海拉尔盆地是中新生代拉张伸展型盆地，中生代发生地幔的上涌，早—中侏罗世断裂活动加剧［36，44］。该盆地的氦异常主要出现在乌尔逊断陷的苏仁诺尔和巴彦塔拉构造带。其中苏仁诺尔构造带的3He/4He值为2.08×10-6，R/Ra值为1.49，表现出明显的幔源特征［36］，盆地内高氦气含量的样品主要出现在盆地边缘隆起与坳陷的转接部位，或是坳陷内部凸起与凹陷的交接部位。
三水盆地是小型陆源近海拉张型断陷盆地［45］，含氦天然气主要位于三水盆地的北部，3He/4He值分布在（1.6~6.39）×10-6之间，R/Ra值分布在1.14~4.56之间，表现出明显的幔源特征，且CO2含量与氦气含量之间具有较好的伴生关系。盆地内构造活动区的大地热流值和氦同位素值均比构造稳定区高［46］，表明三水盆地的大地热流和氦气有很大一部分来自于地幔。
渤海湾盆地是典型的内陆裂谷盆地，盆内发育6个坳陷［47］，其中济阳坳陷的断裂极为发育，并伴随有多次岩浆活动［48］，盆地内的氦气主要见于济阳坳陷和黄骅坳陷等构造单元，3He/4He值分布在8.97×10-7~5.22×10-6之间，R/Ra值分布在0.64~0.73之间［48-51］，其中济阳坳陷花501井区氦气最高含量为3.08%［50］。研究表明，济阳坳陷软流圈涌起，地壳厚度减薄，且深大断裂较为发育，是造成样品幔源氦比例高的直接原因［51］。
苏北盆地位于扬子板块东缘，主体构造格局由“一隆二陷”组成［52］。盆地内的黄桥气田、溪桥气田和海安地区的金湖凹陷、溱潼凹陷均有氦气发现［23，53］，3He/4He值分布在（3.71~5.54）×10-6之间，R/Ra值分布在2.63~3.96之间，是典型的壳幔混合型氦［33，54-55］。盆内自西向东随莫霍面的抬升以及地壳减薄，基底断裂向深部延伸，同时氦同位素比值增大［55］。
四川盆地的基底由岩浆岩和变质岩组成，威远气田的震旦系气藏是我国首个商业氦气开采的地区［15，23］。盆地内3He/4He值分布在（1.4~5.74）×10-8之间，R/Ra值分布在0.01~0.04之间，主要是壳源氦［30，56-59］。戴金星［58］根据威远气田震旦系的天然气储量折算出氦气储量约为0.8×108 m3；陈新军等［60］对涪陵页岩气田的氦气资源量进行估算，得出氦气资源量为2.5×108 m3，属于特大型贫氦气田。
鄂尔多斯盆地是我国含油气盆地中构造最为稳定的盆地之一［61］，基底为太古宇—元古宇变质岩和花岗岩［62］。盆地内3He/4He值分布在2.07×10-8~1.36×10-7之间，R/Ra值分布在0.01~0.1之间，主要是壳源氦［30，38，62-64］。DAI等［38］指出鄂尔多斯盆地天然气含氦量的平均值为0.032 9%，氦同位素比值变化幅度不大，反映盆地稳定的构造环境。彭威龙等［63］根据盆地内东胜气田的天然气储量折算得出探明氦气地质储量为1.96×108 m3，是我国首个特大型致密砂岩富氦天然气藏；LIU等［65］得出大牛地气田的氦气储量为100×106 m3，属于超大型氦气田。
柴达木盆地是我国西部大型中生代坳陷型含油气盆地，柴北缘基底为元古宇变质岩和海西期花岗岩，断裂体系复杂［66-68］。在盆内柴北缘全吉山、团鱼山和东坪地区均有氦气显示，3He/4He值分布在1.01×10-8~1.3×10-6之间，R/Ra值分布在0.007~0.93之间，显示壳源氦特征［30，49，66-68］，氦源除基岩之外，柴北缘中新生代的放射异常段可能也是氦源之一［67］。
塔里木盆地是我国最大的内陆含油气盆地，是在前震旦系基底上发育的大型克拉通盆地，在塔西南、塔北和塔中地区展现出一定的氦气富集前景［23，35，69-71］，3He/4He值分布在1.92×10-8~2.6×10-7之间，R/Ra值分布在0.014~0.186之间，以壳源氦为主［30，35］，仅在阿克莫木气田的幔源氦比例较高，显示少量幔源氦的混入［23］。
准噶尔盆地是我国西北部经历多期构造改动的大型叠加含油气盆地［72］。盆内氦气主要见于中央坳陷区和南部坳陷区，3He/4He值分布在1.96×10-8~5.4×10-7之间，R/Ra值分布在0.014~0.386之间，以壳源氦为主［26，30，73］，仅在南部坳陷区有少量的幔源氦混入［73］。
除上述含氦盆地之外，我国部分地区的热水/热泉中也可见氦气，其中研究最深入的是渭河盆地，2012年为勘探渭河盆地的富氦层位，在周至县开钻了我国第一口氦气预测井——渭新1井，证明了渭河盆地具有较高的氦气含量和相对可观的氦气资源储量［21］，盆内水溶氦3He/4He值分布在2.1×10-8~7.61×10-7之间，地热井氦气体积分数最高可达3.43%［74］，且以壳源氦为主，个别有少量的幔源氦加入［37］。

2.2　氦气藏分布的地区特征

我国的含氦盆地具有以下特点：具有高幔源比例的含氦盆地均分布在我国东部，其中三水盆地的氦气含量与幔源氦比例之间呈现出较好的相关性，幔源氦的输入是三水盆地乃至我国东部盆地氦含量较高的主要原因；除准噶尔盆地以及塔里木盆地的个别样品之外，我国中西部盆地样品的R/Ra值均小于0.1，表明幔源氦比例小于1.1%，几乎全部由壳源氦组成。我国东部、中部以及西部盆地均有达到工业含量要求的含氦盆地，呈现出广泛分布的特点（图3）。
图3 我国含油气盆地氦同位素比值分区特征

Fig.3 Characteristics of helium isotope ratio zoning in petroliferous basins in China

通过分析R/Ra与CH4、CO2和N2含量之间的相关性（图4），得出如下结论：R/Ra—CH4含量之间呈现出明显的分区特征，东部含氦盆地的CH4含量分布相对中西部含氦盆地更加分散，但是2个区域的R/Ra—CH4含量之间均未呈现出明显的相关性特征。与东部盆地不同的是，中西部盆地的样品CH4含量均较高，天然气组分以烃类为主；R/Ra—N2含量受幔源氦比例的影响，同样呈现出明显的分区特征，东部盆地、中西部盆地的R/Ra—N2含量之间没有呈现明显的相关性，除东部苏北盆地和渤海湾盆地的样品呈现出高N2含量特征，其他盆地样品的N2含量集中分布在10%以下；R/Ra—CO2含量之间同样没有明显的相关性特征，东部盆地中苏北盆地、渤海湾盆地、松辽盆地和三水盆地存在CO2含量极高的样品，与R/Ra之间呈现出良好的正相关关系，高CO2含量的样品也具有高R/Ra值，表明东部盆地的氦气含量与天然气中的非烃类组分关系密切。
图4 R/Ra值与氦气含量之间的相关性

Fig.4 Correlation between R/Ra value and helium content

综合上述特征，根据氦气来源差异以及大地构造格局的不同，可以将我国含氦盆地划分为东部含氦盆地和中西部含氦盆地，东部含氦盆地的氦气主要伴生在以烃类为主的天然气藏中，中西部含氦盆地的氦气除伴生在以烃类为主的天然气藏中，还有相当一部分与非烃类为主的天然气藏关系密切。

2.3　氦气藏分布的地层时代分区特征

平面上，氦气在我国众多的含油气盆地中普遍分布，纵向上，氦气在地层时代特征上也具有分布广泛的特点，最古老的含氦地层是震旦系，主要见于四川盆地的威远气田，最年轻的含氦地层为古近系—新近系，包括三水盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、柴达木盆地和准噶尔盆地（表1）。氦气藏分布的地层时代同样具有分区特征，我国东部的含氦盆地中，氦气主要赋存的层位是中新生界，而中西部含氦盆地的氦气则广泛赋存于元古界—新近系，其中塔里木盆地的含氦层位最为多样。造成东部与中西部氦气赋存层位差异的主要原因是我国东部晚中新生代伸展构造显著，OXBURGH等［75］指出伸展构造与幔源氦之间关系密切，伸展构造使得地壳深部的岩石沿拆离断层折返至地表，使得地壳结构发生了强烈改造［76］，同时对古老地层中赋存的氦气也产生了强烈的破坏作用，伸展构造在浅部的构造地质响应发育了大型断陷盆地，幔源流体可以直接为这类断陷盆地提供来自幔源的氦。中西部盆地多为稳定/次稳定的小型克拉通盆地，有利于氦气在更广泛、更古老的层位中赋存。
表1 我国十大含氦盆地的地层时代分布特征

Table 1 Stratigraphic age distribution characteristics of the top ten helium-bearing basins in China

赋存地层 Zd Є O S D C P T J K E N
东部盆地 松辽盆地 √
海拉尔盆地 √
三水盆地 √
渤海湾盆地 √ √ √
苏北盆地 √ √ √
中部盆地 四川盆地 √ √ √ √ √ √
鄂尔多斯盆地 √ √ √ √
西部盆地 柴达木盆地 √ √
塔里木盆地 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
准噶尔盆地 √ √ √ √
氦气虽然广泛分布于各个地层时代中，但无论地层的地质年龄如何，氦气含量都很低。BROWN等［34］研究认为随着储层年龄的增加，氦气含量的中位数以及平均含量均增加。我国含氦盆地中样品的氦气含量与地层时代的分布关系如图5所示，与前人结论不同的是，国内的氦气含量并未随着地层时代的变老而增加，而是呈现出“两头高、中间低”的特征，这与我国氦气藏的分区特征关系密切，富氦的古老地层主要分布在我国的中西部盆地，区域构造相对稳定，并且含有古老的地下水，在漫长的地质时间内，更多地积攒了来自基岩衰变产生的氦；富氦的年轻地层则主要分布在我国的东部盆地，其氦含量高的直接原因是受到来自幔源氦的补充。
图5 我国各地层时代平均氦气含量分布

Fig.5 Average helium content distribution in different layers in China

2.4　热水/热泉氦气藏特征

地球上75%的地热以及几乎所有的4He都是由U、Th衰变产生的［74］，热水和热泉作为深部热背景在地表的直接反映，在某种程度上也是地壳U、Th衰变强度的表征。虽然目前进行工业利用的氦气主要赋存在天然气藏中，但是在一些热水/热泉中也有达到工业指标的氦气存在，例如我国的渭河盆地、辽宁、广东、云南、内蒙古、浙江、湖南、广东、云南、吉林等地区［23，77-80］。上述有氦气显示的热水/热泉中，围绕渭河盆地开展的氦气资源研究最为深入。早在2004年，西安地质矿产研究所就进行了渭河盆地富氦天然气勘探前景初步评价，近年来随着对渭河盆地氦气资源研究的深入，一批关于渭河盆地成藏模式、控制因素、氦气成因和资源评价的成果相继发表［37，81-83］。渭河盆地不仅有水溶氦气，还有游离态的富氦天然气。盆内秦岭造山带大面积分布的花岗岩作为良好氦源，源源不断地通过放射性衰变产生4He，经过长时间的积累，衰变产生的氦溶解到水中，富氦地下水随着断裂构造带不断运移形成水溶氦资源，或是在亨利定律的作用下，脱溶进入气层成为富氦气藏。

3 我国氦气成藏的影响因素及其成藏模式

3.1　氦气成藏的影响因素

3.1.1　氦源岩

对于氦源岩尚没有统一的定义，本文将其定义为可以生成氦的岩石和矿物。李玉宏等［37］指出，地质体中U、Th的丰度较低，且具有较长的半衰期，不存在生气高峰，是典型的“弱源气”。赋存在岩石和矿物中的U、Th是生氦的主力，目前国外工业开发的氦气田中氦源岩多为花岗岩，我国的含氦盆地也多有花岗岩的显示，例如柴北缘的海西期花岗岩、鄂尔多斯盆地的基底花岗岩、松辽盆地的3期花岗岩侵入等。那么是否有其他岩性的地层可以作为良好的氦源？BROWN等［34］对不同岩性的生氦潜力进行了计算，结果表明热页岩和页岩均具有比岩浆岩更大的生氦潜力。蒙炳坤等［84］在对上扬子地区的研究中指出该地区沉积岩中U、Th含量均大于岩浆岩。可目前发表的论文中，尚未见到以沉积岩作为主力氦源的认识，仅在少数文献中见到了烃源岩可作为外部氦源的说法［85］，或是以铀矿化异常层位作为潜在氦源的说法［67］。比花岗岩具有更高生氦潜力的岩石类型，往往同时兼具了较高的生烃潜力，符合生烃潜力下限的富有机质页岩生成的天然气是其在10亿年内产生氦气的数千倍［34］。并且烃源岩存在集中生油、生气的窗口期，而氦的生成是一个漫长的过程，并没有集中的生氦阶段，因此由烃源岩产生的氦气会被烃源岩产生的油气极大程度地稀释，最终形成的混合气体中，氦气的含量微乎其微，因此目前还未见以沉积岩或烃源岩作为主力氦源的情况。

3.1.2　构造因素

氦气成藏过程中与构造因素的关系密切，主要体现在2个方面：一是构造高点和断裂构造的发育情况，氦气在成藏前，随地下水等载体进行二次运移，并通过气水相互作用进入天然气藏，与天然气之间存在伴生关系，因此天然气成藏所需要的圈闭条件往往也是氦气成藏过程所需要的。世界上迄今为止的大型油气田多为背斜圈闭，对于天然气的富集更是如此，古隆起等构造高点是天然气富集成藏的有利条件［86］。BROWN等［34］在对美国落基山脉的富氦气藏进行对比研究时发现构造高点与高氦含量存在相关性，并指出这可能是天然气运移模式的偶然标志；QIN等［87］对四川盆地威远气田的研究中指出构造高点对于富氦气藏的形成意义重大。正是因为氦气与天然气存在的伴生关系，导致古隆起等构造高点成为氦气成藏的关键控制因素。
二是断裂构造的发育对于氦气成藏具有双重控制作用，一方面可以作为壳源氦向上运移的通道，另一方面可以作为幔源氦输入的通道。氦由发生衰变的矿物颗粒中转移到孔隙水中的过程是氦的初次运移，随后孔隙水中的氦发生分馏而被运移的气体提取，含氦气体或含氦地下水依靠裂缝、断裂在地层中发生二次运移［88］，直至在构造圈闭处形成气藏。在我国东部的壳幔混合型含氦盆地中，氦气与郯庐断裂带之间有很好的相关性，徐永昌等［89］指出我国东部的一些具有工业价值的氦气储聚均分布在郯庐断裂带附近。调研数据中，松辽盆地、渤海湾盆地和苏北盆地的高含氦样品分布在郯庐断裂带两侧（图6），表现出很好的相关性特征，郯庐断裂带作为一条切割厚度达30~40 km的地壳断裂［90］，为幔源氦输入、壳源氦运移提供了通道，是我国东部天然气藏富氦的重要因素。
图6 郯庐断裂带示意图及两侧高氦气区块分布（据文献［91］）

Fig.6 Schematic diagram of Tanlu fault zone and distribution of high helium gas blocks on both sides（according to Ref.［91］）

3.1.3　运移载体

氦源岩为氦气的生成提供氦源，构造断裂的发育为氦气向上运移提供了通道，但是氦气在孔隙水中的移动速度十分缓慢［92］，并且无法形成单独的氦气流［27］，也无法依靠浮力驱动进入圈闭中，因此氦气的大规模运移依靠地下水和含气层作为载体。孔隙水是氦经放射性衰变生成并逸出后的首要载体，在构造作用的影响下，含氦的地下水沿着断裂向上运移直至遇到气层，受亨利定律的控制，氦气从地层水中脱出并进入气层。氦进入气层后，若上覆地层的盖层条件发育良好，则具有成为含氦气藏的条件，并在随后的过程中不断接受来自地下水中氦的补给；若气层的上覆地层不具备盖层条件或含气层受构造活动影响，含氦气层则可能会沿地层发生横向运移，此时气层作为氦气的载体，在运移的过程中同样可以吸收来自运移通道上下地层水中的氦，并最终在适合的圈闭条件下形成富氦气藏。

3.1.4　封盖条件

氦气的分子直径为0.26 nm［1］，甚至小于页岩的纳米级孔隙，是自然界已知最小的化学物质，即便致密盖层也难以阻止氦气向上发生扩散或分馏，要想实现有效的封存就需要更加严格的盖层条件。国外的富氦气藏通常以致密膏盐层、盐岩和页岩作为盖层［2］。研究表明氦气在盐水中具有较高的亨利系数［34］（图7），在相同的温压条件下，氦气在盐水中的溶解度较高，若是盖层充满盐水，对其下的含氦气层具有更强的封盖作用。因此，低孔低渗且富含盐水的致密膏盐层是有利的氦气盖层。
图7 低压条件下不同气体亨利系数随温度的变化（据文献［34］）

Fig.7 Variation of Henry’s coefficient of difference gases with temperature under low pressure conditions（according to Ref.［34］）

3.2　氦气藏成藏模式

3.2.1　东部含油气盆地氦气成藏模式

我国东部的含油气盆地发育有壳幔混合型的富氦气藏，主要包括海拉尔盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地和三水盆地，这些盆地类型以中新生代断陷—坳陷型盆地为主［3］。受伸展运动的影响，盆内断裂十分发育，总结东部富氦盆地的基本特征，得出其成藏模式如图8所示：
图8 东部含氦盆地成藏模式

Fig.8 Accumulation model of eastern helium-bearing basin

东部含氦盆地的氦源主要是基底岩浆岩/烃源岩中U、Th地衰变和幔源地输入，由衰变产生的主要是4He，3He则主要来自地幔输入。岩石圈的减薄、地幔地上涌和岩浆活动产生的脱气作用带来了幔源氦气以及非有机成因气（CO2、N2），在岩浆的热作用下，更多的壳源氦突破矿物的封闭作用逸出。含有氦气、N2和CO2的幔源流体沿着由构造作用产生的深大断裂向上运移。与此同时，烃源岩产生的天然气以及少量的氦也沿着断裂进行运移，在运移通道中由其他地层衰变产生的氦也被气层捕获。最终，来自不同源的氦气与天然气在合适的圈闭位置形成富氦天然气藏。气藏的类型受天然气中其他组分的影响，若烃源岩生烃潜力强，则形成以烃类气为主的含氦天然气藏，例如松辽盆地的双城—太平川地区；若来自幔源或岩浆作用的N2、CO2含量较高，则形成以非烃类气为主的含氦天然气藏，例如渤海湾盆地的济阳坳陷和苏北盆地的黄桥气田。
美国黄石公园的热液系统同样具有高幔源氦的特征，前人对黄石公园的研究中指出该地区的4He排放率远超出地壳的4He生产速率，太古代克拉通上亿年里积聚的氦在过去的200万年中“突然”释放出来，这种极端的4He释放现象是壳源氦在构造以及岩浆活动地区的开放行为［93］，早期岩浆脱气作用产生的氦被储存在低渗岩石中，后期岩浆作用/构造作用使得这些氦得以释放，呈现出了“幕式排氦”的特征。坦桑尼亚大型氦气田的发现也印证了这一观点，当克拉通地区被大型火山、裂谷事件破坏时，会在一个极短的时间尺度释放大量的挥发物，进而造成氦气的增强排出［94-95］。对于我国东部含氦盆地而言，受构造活动以及岩浆作用的影响，也可能发生“幕式排烃”，造成3He和4He在较短的时间尺度上大量排放，形成沿着郯庐断裂带两侧分布的壳幔混合型含氦气田。

3.2.2　中西部含油气盆地氦气成藏模式

我国中部含油气盆地中的氦全部是壳源氦，包括鄂尔多斯盆地和四川盆地，西部含油气盆地中有少量幔源氦的混入，包括柴达木盆地、塔里木盆地和准噶尔盆地。与东部盆地相比，中西部盆地在地质条件上具有显著差异，贾承造等［96］指出我国中西部盆地是构造相对稳定的小型克拉通盆地，盆内以壳源氦为主。中西部盆地氦的主要来源是深部基底，还有极少部分的氦来自烃源岩，在成藏模式上和东部盆地具有较大的差异，总结中西部富氦盆地的基本特征，得出其成藏模式如图9所示。
图9 中西部含氦盆地成藏模式

Fig.9 Accumulation model of central-western helium-bearing basin

古老地下水在中西部氦气成藏中发挥了重要作用，其中氦的源岩主要是基岩和烃源岩，中西部盆地是稳定的克拉通盆地，基岩分布广泛且厚度普遍较大，具有良好的4He生成条件。地下水是壳源氦再次运移的重要载体，越古老的地下水中氦的含量越高，构造运动发生后形成的裂缝为流体向上运移提供了通道，使得富4He的地下水不断向上运移，形成独特的水溶氦资源。烃源岩是氦的另一个重要源岩，且由排烃作用生成的天然气可以作为氦运移的载体，含氦地下水在向上运移的过程中若遇天然气，受亨利定律的影响，地下水中的氦被置换进入天然气中，并随天然气发生运移直至在合适的圈闭位置形成气藏。含氦天然气藏形成之后，也会受后期构造运动影响而发生横向迁移，在迁移的过程中也会沿地层吸收相邻地层孔隙水中的氦，直至在新的构造高点赋存成藏，例如四川盆地的威远气田。

4 结语和建议

受各类影响因素的控制作用，氦气成藏的过程中存在着以下2组相互制约关系：
（1）若没有气藏，则氦气无法从地下水中脱溶，最终逸散成为大气氦；若气藏的生成强度大，氦气容易被稀释造成含量降低，从而使其含量低于工业价值。
（2）若构造活动性强，难以形成有效的盖层条件封闭氦气成藏，并且有可能对已有的氦气藏产生破坏作用；若构造活动性差，则难以形成有效的氦气运移通道。
目前尚未发现氦气单独成藏的例子，国外工业开采的氦气田均为富氦天然气藏，盖层虽在一定程度上可以阻止氦向上逸散，但氦的物理性质特殊，分子直径极小，因此氦气的逸散不可避免。要想形成富氦气藏，储层和盖层之间的通量差是氦气富集成藏最核心的参数。将通量差定义为：“通量差=各类氦源向气藏补充的氦气量—氦气通过盖层的逸散量—因‘竞争性’溶解损失的氦气量”。常规油气资源的富集，讲究“生、储、盖、圈、运、保”的协调控制，对于氦气藏的形成而言，成藏条件更为苛刻，不仅要求氦气资源与载体的配合恰当，更需要构造活动性与构造稳定性的相互协调，只有保证稳定的通量差才能实现富氦气藏的形成。结合国内含氦盆地的调研情况以及国外富氦天然气藏成功开发的经验，为我国氦气资源的勘探开发提出如下建议：
（1）国内的富氦盆地具有分区特征，目前国外的氦气藏以壳源氦为主，对于壳幔混合型氦气藏的开发少有可借鉴的经验，东部富氦盆地多分布在郯庐断裂带两侧，具有明显的“构造控藏”特点，虽然氦的平均含量高于中西部盆地，但是对于壳幔混合型氦气资源的研究不够深入，且尚未开展关于其资源储量的评估工作，应当将此作为我国氦气资源勘探开发的方向之一。
（2）目前围绕中西部盆地已经开展了关于氦气的资源量评估，取得了系列进展［2，20，60］，主要包括中国首个特大型富氦气藏——和田河气田的发现（折算氦气储量约为1.959×108 m3）、中国首个特大型致密砂岩型富氦气田——东胜气田的发现（探明氦气地质储量约为1.96×108 m3）、鄂尔多斯盆地大牛地超大型氦气田的发现（氦气储量为100×106 m3）和渭河盆地氦气田（资源量为21.3×108 m3）。基于目前已经取得的认识，进一步加快相关富氦气田的氦气分离、提取装备的建设，加快天然气提氦工作的开展。
（3）进一步提高对非常规气藏中氦气储量评估的重视程度，其原因主要有以下两点：一是非常规气藏往往具有自生自储的特点，其烃源岩（例如富有机质页岩、煤岩）的U、Th含量较高［60，97］，可以作为氦气的良好源岩；二是非常规气藏总量巨大，虽然氦气在其中的含量较低，例如四川盆地的页岩气藏中氦气含量仅为0.02%~0.04%左右［60，97］，但是总量巨大的非常规气藏结合相对较低的氦气含量同样也可以带来非常可观的氦气储量。
我国氦气资源开发利用起步晚，早期关于天然气中氦的数据可能缺乏准确性，氦气的缺口已经成为阻碍科技、产业发展的“绊脚石”，应尽快厘清不同分区、不同含氦盆地的氦气成藏模式和控制因素，以推进国内氦气资源开发利用工作的进行。

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