0 引言
氦气的作用由一战开始时作为飞艇原材料，到目前在低温、工程和医疗等多个领域展现，呈现出增大的趋势。由于其极低的沸点（-268 ℃）、不可燃性、0.20 nm的分子直径和-270 ℃时的超流体性质，从质谱仪、核磁共振仪、大型强子对撞机等粒子加速器等科研、医疗领域设备，到作为火箭液体燃料的送压剂和增压剂，再到核反应堆的冷却和检漏，氦气都有着相当重要的地位［1］。世界上的主要产氦国为美国、卡塔尔、俄罗斯和阿尔及利亚等国，我国氦气产量极低，主要依靠进口来满足国内需求。据国外学者的估算，我国的氦气资源量仅为1.1×109 m3［2］。随着我国科技、民生、军事领域的快速发展，氦气的需求量逐日增加，面对复杂的国际形势，我国的氦气供给条件面临严峻的挑战。氦气在地球上十分稀少，目前尚未发现独自成藏的氦气藏，多数氦气与烷烃气共生，少数赋存在氮气、二氧化碳等无机气藏内，部分氦气溶解在地层水中赋存［3］。我国的氦气资源并不丰富，目前已知的氦气富集主要位于东部郯庐断裂带两侧含油气盆地、西部塔里木盆地和柴达木盆地以及中部鄂尔多斯盆地和四川盆地［4］。我国主要含油气盆地在空间上具有三分带的特点，即东部地区普遍形成了拉张型盆地［5］，中部地区发育了稳定的克拉通盆地，而西部地区是典型的挤压型盆地［6］。我国氦气分布受到了盆地类型的影响，中西部盆地主要氦源是地壳岩石矿物中U、Th的衰变，而东部沿郯庐断裂带的盆地就受到了深部断裂的影响而含有相对较多幔源成分的氦气［7］。
DAI等［8］将氦气储量大于1×108 m3的气藏称为特大型氦气田，在（0.5~1）×108 m3之间称为大型氦气田，在（0.25~0.5）×108 m3之间称为中型氦气田，在（0.05~0.25）×108 m3之间称为小型氦气田，小于0.05×108 m3称为特小型氦气田；根据氦气含量以0.5%、0.15%、0.05%以及0.005%作为分界线将氦气藏划分为特富氦、富氦、一般含氦、贫氦、特贫氦气藏。基于气藏中氦气储量和浓度，鄂尔多斯盆地东胜气田与大牛地气田分别为特大型富氦与特大型贫氦气藏，二者氦气均属于壳源氦［9-10］。但二者是否具有相似的氦气成藏条件值得研究。本文对比分析东胜气田与大牛地气田的壳源氦成藏条件，探讨壳源氦气成藏差异性，为揭示壳源氦富集机理和成藏过程提供理论依据。
1 氦气成藏条件
1.1 研究区构造和沉积背景
鄂尔多斯盆地是中国陆上第二大沉积盆地，面积为37×104 km2，是位于华北板块西部的典型多期旋回克拉通盆地，其中包含有6个二级构造单元，分别是渭北隆起、天环坳陷、伊陕斜坡、伊盟隆起、晋西挠褶带以及西缘逆冲带。
盆地的基底主要形成于太古代到早元古代，经过多方面资料的验证，鄂尔多斯盆地的基底具有较为明显的镶嵌结构，一类由变粒岩岩相组成，包括混合花岗岩、片麻状花岗岩以及麻粒岩等，这类岩石的形成年代是太古代；另一类是绿岩岩性的大理岩、千枚岩以及绿片岩等，其形成年代为早元古代［11］。
研究区整体的沉积环境演化在中生代之前始终处于海相或者海陆过渡阶段［12］。寒武纪到奥陶纪，研究区主要发育浅海台地沉积，其中奥陶系顶面的碳酸盐岩风化壳是下古生界主要的含气层位；后续的构造抬升使得研究区持续接受剥蚀，直到早石炭世继续接受沉积，再次发育海陆交互相的滨海沉积，成为上古生界的主要含气层。
1.1.1 东胜气田
1.1.2 大牛地气田
1.2 氦气的成因
1.2.1 东胜气田
根据前人研究，东胜气田的氦气探明储量为2.44×108 m3，氦气的平均含量为0.133%，92个天然气样品中有65个样品的氦气含量不小于0.1%，占比达到了70.7%［10］，可判别为特大型富氦天然气藏。
1.2.2 大牛地气田
1.3 氦气的源岩
不同岩石之中U、Th放射性元素的含量差距较大，其中烃源岩含量最多，铝土岩与花岗岩次之。U含量50×10-6 g/g及Th含量12×10-6 g/g的单位体积烃源岩在100 Ma内可以生成0.001 9 m3氦气，而U、Th含量分别是3×10-6 g/g、13×10-6 g/g的单位体积花岗岩在100 Ma内仅可以生成0.000 2 m3的氦气［33］，具有明显“弱源性”。
U、Th等放射性元素存在于盆地中所有层位中，其发生放射性衰变都可以产生一定浓度的氦气，并且放射性成因氦气暂未发现同成因或明确的同期产物，目前尚不能做到像普通天然气那样根据地球化学信息来确定具体的产氦层位，如部分气田内He与N2有一定的关联，但N2的来源也并不唯一，不能很好地作为氦气指标。结合氦气的“弱源性”，使得判别氦源岩需要注意多套地层的可能性。
同位素比值综合表明，东胜气田和大牛地气田天然气中的氦气均来自地壳，体积大、时代久的基底岩浆岩、变质岩是理想的氦源岩，沉积层中铝土岩、煤等其他高放射性元素含量的岩石也可能是较重要的氦源岩。U、Th主要天然同位素半衰期极长，因此可用现今地层中U、Th浓度来近似替代沉积初始U、Th浓度。
4Heatoms·g-1·y-1=(3.115×106+1.272×105)
[U]+(7.710×105)[Th]
式中：4Heatoms为生成的氦原子个数；g-1·y-1为每克岩石每年生成的氦原子个数；［U］、［Th］分别为初始U、Th浓度，10-6 g/g
通过计算各岩层的生氦量级，就可以对氦气的可能贡献层做出相应判断。
1.3.1 东胜气田
铝土岩是优质的铀钍吸附岩。鄂尔多斯盆地北部的本溪组中含有发育良好的铝土岩，但在东胜气田范围内铝土岩的厚度较薄（约2 m［38］），对于氦气生成的贡献可能不足。
由于沉积层的生氦量有限（原位煤层生氦0.86×108 m3小于探明储量2.44×108 m3），东胜气田中氦气可能氦源岩是富铀钍矿物的基底及紧邻气藏下伏煤层。
1.3.2 大牛地气田
大牛地地区基底与东胜地区类似（二者原岩均为沉积于新太古代的边缘海沉积［40］），也具有良好生氦潜力。ZT1井位于大牛地气田附近，井内显示基底岩性为灰色二云母片麻岩，具有片麻状构造，发育有中粒鳞片粒状变晶结构，斜长石占比超过35%，云母类矿物含量超过35%。
煤层和铝土岩对大牛地气田氦气的生成影响与东胜气田条件相近，但有一定的差距。在太原期、山西期，东胜、大牛地和准格尔旗地区属于潮控三角洲泥炭坪聚煤区和泥炭沼泽聚煤区［41］，准格尔煤田太原组、山西组煤层的U、Th含量分别为（3.6~4.5）×10-6 g/g及（16~22）×10-6 g/g［42］，因同样的沉积、聚煤环境，3个地区U、Th含量应具有相近含量。煤层累计厚度平均为30 m［39］，铝土岩的厚度为2.0~21.6 m，平均为12.6 m［43］，岩心分析结果表示该地区铝土岩的U、Th元素含量较高，不同深度不同井口的分析结果处于（8.42~39.97）×10-6 g/g及（25.57~95.25）×10-6 g/g之间，平均为20.35×10-6 g/g及57.11×10-6 g/g（N=29）［44］。
同理，计算大牛地地区煤层和铝土岩（生氦影响因素如表1所示）的产氦总量约为0.29×108 m3和0.58×108 m3。
同理，大牛地地区可能氦源岩有富铀钍矿物的基底岩石、铝土岩及煤层。
1.4 氦气的运移方式和途径
氦气的“二次运移”与油气有所不同，远距离的运移需要借助其他流体来进行［50］，已有研究证明孔隙水参与到氦气的富集中并有明显相关性［51］。东胜气田泊尔江海子断裂以南与以北的下石盒子组地层水矿化度主体分别介于20~60 g/L与40~80 g/L之间，平均值分别为42 g/L与52 g/L［52］。但大牛地气田下石盒子组盒3段、盒2段与盒1段地层水矿化度主体分别介于7~28 g/L、9~50 g/L、11~81 g/L之间，平均值分别为14 g/L、15 g/L、22 g/L［53］，矿化度的增加导致气体的溶解度下降［54］，在与烷烃气接触前，东胜气田范围内由地层水携带的氦气将更多的被释放在贫烷烃地层而未聚集。
1.4.1 东胜气田
东胜气田是致密的含水气藏，其内部及下伏地层内发育大量断裂，这些断裂多起源于加里东期，并且在燕山期和喜马拉雅期发生了二次开启，大量的规模较小的断裂延伸至上古生界［58］。其中，泊尔江海子断裂的影响较为明显（图7），燕山期强烈的逆冲作用形成了超大型断裂带，其他断裂也均是多条断裂相互沟通而成，深层的中新元古界断裂以正断层为主，并有部分断裂受到了后期的改造；中深层的古生界断裂的主要代表是泊尔江海子断裂、苏布尔嘎断裂、李家渠断裂带，这些断裂有些是高角度的正断层，有些是逆断层以及走滑断层，各自发育于海西期和燕山期；浅层的中生界断裂相对规模较小，但这些断裂有效地沟通了气藏与基底［30］。作为主断层的泊尔江海子断裂封闭性在纵向上有差异，石千峰组和上石盒子组垂向封闭性强，而在下石盒子组和山西组断裂垂向疏导性好［59］，盖层的封闭性未受到较大破坏。该气田上古生界的天然气充注有2期，分别是中晚侏罗世到早白垩世和早白垩世至今，泊尔江海子断裂在中晚侏罗世到早白垩世的走滑断裂发育时间与之对应［59］。东胜气田烷烃气主成藏期与沟通深部基底断裂发育时间具有一致性，因此，源自基底的氦气通过断裂运移至上古生界储层中并与烷烃气耦合成藏。
1.4.2 大牛地气田
2 氦气成藏模式对比
壳源氦气的常见源岩是古老且广泛分布的基底岩系及高U、Th含量的沉积层。结合氦气“弱源性”及气田模式分析，氦气生成不需要像天然气一样快速生成并成藏，是一个持续时间更长的供给模式。
目前发现的氦气富集均在天然气藏内，能够储存氦气的天然气圈闭一类是具有致密的膏盐层、泥页岩层或者灰岩层作为盖层，如美国的氦气藏具有相对较高的氦气浓度，有些可以达到10%，这些气藏均配套有盐岩、膏盐盖层［64］；另一类是圈闭的上覆地层具有异常高压等条件来封闭氦气。
表2 东胜、大牛地气田氦气成藏条件对比Table 2 Comparison of helium accumulation conditions in Dongsheng and Daniudi gas fields |
| 成藏条件 | 东胜气田 | 大牛地气田 |
|---|---|---|
| 氦气成因 | 壳源 | 壳源 |
| 可能氦源岩 | 基底岩石、煤层 | 基底岩石、煤层、铝土岩层 |
| 疏导体系 | 基底断层、沉积层内次级断裂 | 基底断裂、微裂缝 |
| 盖层条件 | 巨厚高压泥岩 | 巨厚高压泥岩 |
| 充注时间 | 中晚侏罗世—早白垩世，早白垩世至今 | 中晚侏罗世—早白垩世，晚白垩世至今 |
| 成藏条件 | 构造—岩性圈闭成藏 | 岩性圈闭成藏 |
东胜气田下伏地层在寒武纪到志留纪构造活动活跃，形成部分断裂，继而在中—晚侏罗世继续演化并连通。太古界—元古界基底不断产生的氦气与沉积层生成的氦气通过这些断裂，在中晚侏罗世—早白垩世混合注入储层中，并与烷烃气耦合成藏。早白垩世至今，未发生大的构造变动，气藏得到了有效保存。由于气藏持续充注至今，来自基底的水溶氦保持被“抽提”进入沉积层生成的烷烃气与氦气流中，从而保证了氦气总量。
大牛地气田上古生界断裂不发育，并形成了流体压力封存箱［39］，烷烃气为源内、近源成藏，油气充注分为中晚侏罗世—早白垩世与晚白垩世至今这2期。源自基底的氦气沿着基底断裂运移到沉积层中，在本溪组开始与沉积层生成的氦气、烷烃气混合成藏。与东胜气田同样因成藏期较长而保证氦气总量。
3 结论与展望
鄂尔多斯盆地东胜气田和大牛地气田天然气中的氦气均属于壳源成因，具有相似的基底氦气条件，大牛地气田中高U、Th含量的煤层、铝土岩层为氦气成藏增加可能性。鄂尔多斯盆地内广泛存在的高压巨厚泥岩作为良好盖层，使氦气可以有效保存。东胜气田氦气可沿断裂运移，大牛地气田氦气通过烷烃气带来的生烃高压提供动力及产生运移通道。东胜气田氦气探明储量2.44×108 m3，大牛地气田氦气探明储量1.93×108 m3，在大牛地气田对氦气的保存条件更好、2个气田沉积层生氦量相似的情况下，可认为连通基底与储层的深大断裂对于氦气成藏具有明显作用。
我国氦气的勘探理论研究尚处于起步阶段，目前对氦气的常见研究手段主要作为天然气勘探的副产物进行地球化学分析，以获取氦气的成因、来源等信息，尚缺乏对氦气的系统理论认知。氦气的成藏机理与常规天然气并不完全一致，仍然有待进一步探索。
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