Natural Gas Geoscience >

2024 , Vol. 35 >Issue 3: 495 - 506

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.07.019

Discovery of geothermal associated helium resources and exploration of their anomalous origins in the southern Jiangxi region

  • Shuanglong ZHANG , 1, 2 ,
  • Fuqiang XIAO , 1, 2 ,
  • Yongjun ZOU 1, 2
Expand
  • 1. Jiangxi Provincial Coal Geological Exploration and Research Institute，Nanchang 330001，China
  • 2. Jiangxi Geological Survey and Exploration Institute，Nanchang 330001，China

Received date: 2023-05-04

  Revised date: 2023-07-25

  Online published: 2024-03-07

Supported by

The Youth Science and Technology Leaders Training Program Project of Jiangxi Provincial Geological Bureau(2022JXDZKJRC05)

the Science and Technology Fund Project of Jiangxi Provincial Geological Bureau(20200107)

Fold

Abstract

Systematic collection of gas samples associated with geothermal hot springs in the southern Jiangxi region， by means of gas composition， helium content， isotopic analysis， combined with regional geological background and relevant literature research data， preliminary analysis was conducted on the distribution characteristics， causes， and sources of helium resources. The results indicate that： The average helium content in southern Jiangxi region is 0.416%， which has good resource quality. The Wuyi Uplift Belt， the southern part of the Yushan Uplift Belt， and the western part of the Luoxiao-Zhuguang Uplift Belt are favorable areas for helium enrichment. The genesis of helium is mainly characterized by shell source and mantle source， with significant correlation between helium isotope and carbon isotope of CO2. Carbon isotope can indicate the proportion of mantle source components in helium， thereby reflecting the genesis of helium. The origin of helium in the southern Jiangxi region is characterized by a gradual transition from crustal derived helium to crustal-mantle mixed helium in a northwest to southeast direction. The helium source conditions mainly include granite bodies rich in U and Th elements and deep and large fault zones. Granite bodies are the main source rocks of crustal helium， and deep and large fault zones deep into the mantle form the ascending channels of mantle helium. The complex fault system further promotes the migration and accumulation of helium.

Key words： Helium; Shell source; Mantle source; Source of origin; Southern Jiangxi region

Cite this article

Shuanglong ZHANG , Fuqiang XIAO , Yongjun ZOU . Discovery of geothermal associated helium resources and exploration of their anomalous origins in the southern Jiangxi region[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(3) : 495 -506 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.07.019

0 引言

氦（He）是自然界中已知熔点和沸点最低的元素，是一种无色、无味、不可燃烧且不助燃的稀有气体，是低温学研究及应用领域的无价之宝［1］。氦气广泛应用于国防、航天等高新技术领域，同时在高端能源系统、半导体、光纤制造、医学成像及深潜水等民生领域具有不可替代的作用，是关系国家安全和高新技术产业发展的重要战略稀缺资源［2-4］。由于氦气的稀缺性、战略性和不可替代的重要作用，曾多次被美国、欧盟等西方势力列入关键矿产名录而限制出口。
现有研究资料表明，全球氦气资源分布极不平衡，主要集中于少数几个国家，包括美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯及加拿大等国家［5］。据美国地质调查局（USGS）数据，全球氦气资源量约为519×108 m3，美国是氦气资源头号大国，约占全球氦气资源量的40%，也是全球工业氦气的主要供应国［6-8］。我国属贫氦国家，氦气资源量少，全球占比仅为2%，目前氦气供应主要依赖进口，资源安全形势十分严峻。
氦气在大气中的含量极其微小，体积含量只有百万分之五，从大气中直接提取并不经济，因而氦的主要来源并不是空气而是天然气［7］。自然界中尚未发现独立成藏的氦气资源，通常伴生于天然气中，氦气最高含量可达7.5%，而一般认为氦含量达到0.05%~0.1%时，就具备工业利用价值。我国富氦天然气分布较为广泛，四川盆地、苏北盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、松辽盆地、三水盆地等含油气盆地中均发现达到工业品位的氦气资源［9-14］。此外，在渭河盆地［1，3］、民和盆地［15］的地热水中，以及国内山东、内蒙古、浙江、云南、辽宁等省份的地热温泉中，均有达到工业品位氦气资源的发现［16］。
调研发现，前人对含油气盆地中天然气伴生氦气成藏条件的研究较多，而针对水溶氦气富集机理的探索报道较少。当前，地热、温泉伴生氦气的研究正逐渐受到重视，成为氦研究领域的新热点。因此，本文通过对赣南地区地热井、温泉伴生气体进行采样分析，深度解剖样品数据，对地热伴生氦气分布、成因及其来源进行研究，以期为后续研究工作提供理论指导。

1 地质背景

赣南地区地理上主要位于江西省赣州市，地处我国东南部南邻地区，大地构造区划上属于华夏板块，位于华南加里东造山带东段。
赣南地区东起武夷山西麓，西至罗霄—诸广山，南达九连山，北抵武功山隆起南部，历经元古代—青白口纪早期、青白口纪晚期—早古生代、晚古生代—中三叠世、晚三叠世—早侏罗世及晚白垩世—古近纪等5个主要伸展期和加里东、印支、燕山3个重要的岩浆活动及造山期，地质构造较为复杂［17］。根据地层出露情况及岩浆改造程度，可划分为罗霄—诸广隆起、雩山隆起、武夷隆起等次级构造单元（图1）。
图1 赣南地区构造单元划分及主要断裂分布

Fig.1 Structural unit division and main fault distribution of southern Jiangxi region

基底组成以元古界变质岩、寒武系—奥陶系海相沉积岩为主。上古生界—下三叠统为坳陷区主要沉积地层，以碳酸盐岩建造及碎屑岩建造为主。中新生界岩系主要分布于断陷盆地，以陆相红色碎屑岩建造为主。
赣南地区岩浆活动强烈，岩浆岩广布全区，以花岗岩为主，分属于加里东期、印支期和燕山期，各期次均有多次岩浆侵入活动，早期往往形成大规模花岗岩基或岩株，晚期花岗岩体规模较小，常呈岩瘤或岩滴产出。
受多期次造山运动影响，区内断裂构造十分发育，主要深大断裂有4组：北北东向断裂、北东向断裂、北西向断裂和东西向断裂。其中，北北东向断裂和北东向断裂多数属于区域性断裂，控制了中新生代沉积盆地的发展与演化及部分燕山期岩浆岩侵入位置。
江西属于我国东南沿海中低温地热区，地热温泉资源较为丰富，尤其以赣南地区导热构造发育、成热条件最好，发育有地热异常区多达60余处。赣南地热温泉的形成与地壳的隆坳格局密切相关，主要形成于地壳隆起区，且多位于深大断裂带沿线。

2 氦气资源的发现

2.1　样品分析测试

本文研究气体样品均采自于赣南地区的温泉和地热井，采样方式为排水集气法，共采集30件气体样品。从样品所属构造区位看，罗霄—诸广隆起带采集气样5件，雩山隆起带采集气样8件，武夷隆起带采集气样17件。分别开展了气体组分、氦含量、氦同位素和碳同位素分析，均在中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心完成。气体全组分采用Prisma Plus型四极质谱仪完成，氦含量采用GC9560型气相色谱仪完成，氦气同位素采用Noblesse型稀有气体同位素比值质谱仪完成，碳同位素采用Delta Plus XP型质谱仪完成。分析测试结果见表1。
表1 赣南地区地热温泉伴生气体组分及同位素特征

Table 1 Composition and isotopic characteristics of gas associated with geothermal springs in southern Jiangxi region

样品

编号

 构造区 气体组分/% 3He/4He R/Ra δ13 C C O 2/‰
H2 He CH4 N2 O2 Ar CO2
Q05 罗霄—诸广隆起 0 0.31 0.16 97.6 0.12 1.55 0.26
Q06 0.21 7.64×10-8 0.05
Q07 0.63 1.89×10-7 0.13 -12.6
Q08 0 1.44 1.47 95.84 0.048 1.19 0.02 -17.5
Q35 0.23
Q09 雩山隆起 0.001
Q10 0 0.26 0.1 60.74 2.59 1.05 35.26 1.78×10-6 1.27 -8.6
Q16 0.32 6.74×10-8 0.05
Q30 0 0.38 0.61 58.28 0.14 0.75 39.84 1.04×10-6 0.74 -8.4
Q31 0.32
Q32 0 0.11 0.00 58.22 1.44 0.93 39.3 3.51×10-6 2.51
Q33 0.47
Q34 0.02
Q11 武夷隆起 0.34
Q12 0 0.64 0.03 96.75 0.83 1.31 0.44 9.71×10-7 0.69
Q13 0 0.01 0 6.65 1.62 0.08 91.64
Q14 0.04 2.95×10-6 2.1 -6.1
Q18 0.04 0.55 0.85 96.39 0.52 1.51 0.14 4.63×10-7 0.33
Q19 0.41
Q20 0 0.54 0.00 75.17 4.06 1.08 19.15 8.06×10-7 0.58 -11.8
Q21 0 0.14 0.001 86.85 7.47 1.21 4.33
Q22 0 1.12 0.37 88.1 0.28 0.97 9.16 1.10×10-6 0.79
Q23 0 0.02 0.084 12.11 2.23 0.26 85.29 -6.9
Q24 0 1.83 0.15 95.48 0.48 1.19 0.87 3.30×10-7 0.24
Q25 0 0.84 0.16 93.05 0.31 1.2 4.44 1.22×10-6 0.87
Q26 0.02
Q27 0 0.01 0.01 5.59 1.03 0.06 93.3 4.22×10-6 3.01 -5.8
Q28 0.88 1.42×10-6 1.02
Q29 0 0.21 0.23 96.02 1.4 1.38 0.76
Q36 0.18

2.2　气体组分特征

根据赣南地区16件地热温泉气体组分分析结果，所有样品主要由N2、CO2、Ar、O2、He以及少量CH4、H2等组分构成，值得注意的是，氦气在各气样组分中普遍存在。从表1中看出，N2和CO2为赣南地热温泉气体中最主要的组成部分，N2含量为5.59%~97.6%，CO2含量为0.02%~93.3%。根据图2，按主量气体组分N2和CO2的组合关系，可划分为3种气体类型，分别为N2富集型、CO2富集型以及混合型气体。N2富集型气体占多数，N2含量普遍在80%以上，主要分布于罗霄—诸广隆起带和雩山隆起带、武夷隆起带北部区域；CO2富集型气体有3件，CO2平均含量达到90%以上，主要分布于武夷隆起带南部寻乌—瑞金一代；混合型气体有3件，N2和CO2含量之和超过90%，该类型气体主要集中于雩山隆起带南部龙南、全南地区。
图2 赣南地区气体组分三角图

Fig.2 Gas composition triangle in southern Jiangxi region

2.3　氦气含量及分布

2.3.1　氦气含量

对赣南地区地热伴生气体全组分及氦含量数据统计，氦气含量介于0.001%~1.83%之间，平均含量为0.416%。学术界目前普遍认为天然气藏中伴生氦气资源的工业品位为0.1%，边界品位为0.05%。由此可见，以天然气伴生氦气工业品位为基准，赣南地热温泉伴生氦气平均含量达到工业品位的4倍之多，最高达到工业品位的18倍，近77%的样品（22件）氦含量达到工业品位以上（图3）。就氦气含量而言，赣南地区地热资源伴生氦气具有较好的氦气资源品质。
图3 赣南地区氦含量数据统计

Fig.3 Statistics of helium content data in southern Jiangxi region

2.3.2　氦气分布

赣南地区经历了多期次多旋回的构造运动，形成独特的隆坳格局和复杂的断裂构造系统。从测试分析获得的氦含量数据分析，氦气分布同地壳构造关系紧密，尤其与岩浆岩、深大断裂密切相关。各隆起构造带地热温泉气体中均发现有氦气组分，但高氦含量地热温泉点多分布于大规模岩体及深断裂带附近（图4）。
图4 赣南地区氦含量分布

Fig.4 Helium content distribution in southern Jiangxi region

（1）罗霄—诸广隆起带。罗霄—诸广隆起带主要包括大余—赣州—兴国一线以西区域，富氦地热温泉主要分布于西部断裂构造和岩浆岩发育区。氦气含量为0.21%~1.44%，平均氦含量为0.564%，具备较高的氦气丰度。
（2）雩山隆起带。雩山隆起带富氦地热温泉主要分布于南部龙南、定南、全南地区，这一区域岩浆岩和断裂系统极为发育，氦气含量为0.001%~0.47%，平均氦含量为0.223%，其氦气丰度低于罗霄—诸广隆起带。
（3）武夷隆起带。武夷隆起带为赣南地区，乃至整个江西省地热温泉最为发育的构造区，包括寻乌、会昌、瑞金、石城等地，区内岩浆岩和断裂构造发育期次多、范围广。本次共获取17组氦含量数据，氦含量为0.01%~1.83%，平均氦含量达到0.457%，氦气丰度略低于罗霄—诸广隆起带。
综合以上氦气分布规律发现，赣南地区地热温泉气体中虽普遍发现有氦气，但平面上氦气总体富集于武夷隆起带、雩山隆起带南部和罗霄—诸广隆起带西部等岩浆岩和断裂系统较为发育的区域。

3 氦气成因判识

天然气成因鉴别方式有多种，同位素判别是最有效、最实用的指标，其中包括稀有气体同位素和碳同位素。为进一步判识赣南地区地热温泉伴生氦气成因，对气体样品进行了氦同位素分析，并辅以碳同位素分析进行综合判别。

3.1　氦同位素证据

3.1.1　氦同位素特征

自然界中，氦有2种稳定同位素，分别为3He和4He，代表不同成因来源的氦气［18］。4He通常是由地壳中富U、Th等元素的花岗岩体、古老变质岩地层放射性衰变而产生，因而称之为壳源氦； 3He则是源于地幔深处的原始气体，一般通过深大断裂带导通地幔而产生，为幔源氦［19］。根据氦的2种稳定同位素的组成特征，可以定量分析氦气的成因特征，一般采用3He/4He值进行判定。通常情况下，典型壳源氦气同位素3He/4He值为2.2×10-8，幔源氦气同位素3He/4He值为1.1×10-5［20］。由于大气中的氦含量少而稳定，是壳源氦和幔源氦2种成因氦混合的结果，其氦同位素3He/4He=1.4×10-6的值保持恒定。为了方便识别，学术界也通常采用氦的同位素样品（R）和空气氦同位素（Ra）的比值（R/Ra）来表示氦同位素组成特征［21］。
据化验测试结果可知，研究区氦同位素3He/4He值为6.74×10-8~4.22×10-6，相应的R/Ra值为0.05~3.01，平均为0.99。在各构造带中，罗霄—诸广隆起带氦同位素3He/4He值为7.68×10-8~1.89×10-7，R/Ra值为0.05~0.13，平均为0.09；雩山隆起带3He/4He值为6.74×10-8~3.51×10-6，R/Ra值为0.05~2.51，平均为1.14；武夷隆起带3He/4He值为3.30×10-7~4.22×10-6，R/Ra值为0.24~3.01，平均为1.13。

3.1.2　氦气成因

对于氦气成因，目前使用最广泛，也是最直观的方式是通过氦同位素R/Ra值进行判别。当R/Ra>1时，代表样品中幔源氦份额占比大于12%；当R/Ra>0.1时，代表幔源氦份额占比大于1.2%；当R/Ra<0.1时，一般就认为氦基本来自壳源［1，22-23］。
根据典型壳源氦和幔源氦的R值，对样品中壳源和幔源氦气份额占比，可采用简单二元复合模式来计算［1，19，23］，幔源氦份额占比计算公式为：
幔源氦份额（%）= R - R 壳 R 幔 - R 壳×100%
基于研究区氦气同位素特征，采用二元复合公式计算出壳源氦和幔源氦的份额占比如图5所示。研究区地热温泉伴生氦气中，幔源氦占比为0.43%~38.25%，平均为12.05%；壳源氦占比为61.75%~99.57%，平均为87.95%。
图5 赣南地区氦气组分占比统计

Fig.5 Statistical chart of helium component proportion in southern Jiangxi region

罗霄—诸广隆起带，氦同位素R/Ra值极低，平均仅为0.09，通过计算所得的幔源氦份额为0.51%~1.54%，平均份额为1.03%。表明该构造带内氦气均为壳源成因，由地壳岩石中放射性元素衰变产生。
雩山隆起带氦气成因组成具有较为明显的差别，北部Q16样点测得氦同位素R/Ra值为0.05，经计算的幔源氦份额为0.43%，壳源氦份额为99.57%，属于典型的壳源成因氦气。南部的龙南、定南、全南地区，3件气样测得R/Ra值为0.74~2.51，相应计算的幔源氦份额为9.29%~31.79%，平均为19.04%，表明该区域氦气组成中有较多的幔源氦组分加入，属壳幔复合成因氦气。
武夷隆起带具有较高的氦同位素R/Ra值，测试所得R/Ra值为0.24~3.01，最大达到3.01，平均值为1.13。采用二元复合公式计算的幔源氦份额为2.82%~38.25%，平均份额为13.46%，总体可以认为氦气是壳幔复合成因。该构造带内，氦气成因组成形式也存在明显的南北分异特点，氦同位素R/Ra值表现为南高北低的大致分布规律，南部寻乌地区氦气中幔源组分的参与度高于北部其他地区。

3.2　碳同位素证据

3.2.1　二氧化碳成因

在天然气组分的同位素研究中，碳同位素的研究进展最快，应用也最广。CO2是赣南地区地热温泉气体中的主量成分之一，部分温泉气体中具有高含量的CO2气体，其成因判别指标有CO2含量及碳同位素值（δ13 C C O 2）。国内许多学者对不同成因的CO2碳同位素进行了研究，大致将CO2成因划分为有机和无机成因，有机成因CO2大多发现在构造稳定的地区，无机成因CO2多发现在构造活动强烈、断裂发育、岩浆活动和火山喷发频繁的地区［24-26］。综合各学者CO2成因理论研究成果，无机成因CO2的δ13 C C O 2值一般大于-8‰，主要为-8‰~3‰，无机成因CO2又可分为碳酸盐岩变质成因和幔源—岩浆成因，前者碳同位素组成较重，约为0‰~3‰，后者多为-8‰~2‰。有机成因CO2的δ13 C C O 2值小于-10‰，而-8‰~-10‰为有机和无机CO2的δ13 C C O 2值重叠区域。若以CO2含量作为判别标准，一般认为气体组分含量大于60%均为无机成因气。
本文研究中，对赣南地区8件地热温泉气样进行了碳同位素分析，结果显示，研究区内碳同位素值（δ13 C C O 2）介于-17.5‰~-5.8‰之间。综合本文研究测试所得和收集赣南地区部分地热温泉碳同位素数据［27］，并基于前述CO2成因鉴别理论，参考戴金星［24］提出的CO2鉴别模式图，绘制了研究区CO2成因鉴别图（图6）。
图6 二氧化碳成因鉴别（据文献［24］改编）

Fig 6 Identification of carbon dioxide genesis （adapted from Ref.［24］）

罗霄—诸广隆起带至武夷隆起带北部，δ13 C C O 2值最小，为-17.5‰~-12.6‰，属于有机成因CO2，应为地壳中有机质热演化或微生物作用而形成。
武夷隆起带南部寻乌—瑞金地区，δ13 C C O 2值最大，为-6.9‰~-5.8‰，并且具有极高的CO2含量，为无机成因，且属于幔源—岩浆成因型，同该地区构造、岩浆活动较为强烈的地质背景相吻合。
雩山隆起带南部δ13 C C O 2值居中，为-8.6‰~-8.4‰，属于无机—有机混合成因型。

3.2.2　二氧化碳与氦气的成因联系

地下流体异常释放的CO2、氦气，既可能来自地球深部，也可能来自地壳浅部，通过稳定碳同位素组成和氦同位素R/Ra值的测定可以比较准确地将其区别。对研究区6件样品氦同位素（R/Ra）和CO2碳同位素测试数据的分析发现（图7），R/Ra值与δ13 C C O 2值之间具备明显的正相关关系，随着R/Ra值的增大，δ13 C C O 2值总体也呈现增大的趋势。利用SPSS软件对2组同位素数据进行相关性分析，结果显示二者之间的相关性系数达到0.9，相关性十分明显。
图7 氦同位素与CO2碳同位素相关性

Fig.7 Correlation between helium isotope and carbon isotope of CO2

δ13 C C O 2高值样品（Q14、Q27），代表CO2气体基本为无机幔源成因，相应的伴生氦气同位素R/Ra值分别为2.1和3.01，幔源氦份额占比分别高达26.68%和38.25%；δ13 C C O 2中值样品（Q10、Q30），CO2气体则为无机—有机混合成因，伴生氦气中幔源氦份额占比分别为9.29%和16.03%；δ13 C C O 2低值样品（Q07、Q20），R/Ra值同样也为低值，表明CO2和氦气均主要为地壳浅源成因，分别为有机和放射性成因。较高同位素值的样品主要位于武夷隆起带和雩山隆起带南部，是江西省构造活动最强烈区域，发育有永平—寻乌、九连山—安远、全南—寻乌等多条活动性深大断裂带，沟通深部地幔并使幔源流体能够源源不断地向地壳浅部运移，是区域内地热伴生气体高δ13 C C O 2值和R/Ra值的主要原因。
根据气体同位素成因理论，并综合上述相关性分析结果，可以得出这样的认识：同位素特征是反映物质来源的重要证据，据同位素证据表征的研究区内地热伴生气体中氦气与CO2的成因都有深源（幔源）和浅源（壳源）之分，并且氦同位素和CO2碳同位素之间具有显著的相关性，表明研究区地热伴生气体中幔源成因氦气和CO2在成因来源及其空间分布上具有密切联系。
因此，通过碳同位素指示出的CO2成因，能够一定程度反映地热伴生氦气中幔源组分占比的高低，亦可进一步映射氦气的成因。

3.3　氦气成因分布规律

壳源氦由地壳岩石放射性衰变产生，而幔源氦是源自于深部地幔的原始气体。研究区内氦气成因既有以放射性成因为主的壳源型氦气，也有混入幔源氦的壳幔混合型氦气。氦气成因的差异性主要体现在幔源组分氦气的占比，因此，根据研究区氦气成因分布情况，按氦同位素R/Ra<0.1（幔源氦份额<1%）、R/Ra>0.5（幔源氦份额>6%）、0.1<R/Ra<0.5的划分标准，将氦气成因划分为壳源区、壳幔混合区、少量幔源区（图8）。
图8 赣南地区氦气成因分布

Fig.8 Distribution of helium genesis in southern Jiangxi region

壳源区大致位于大余—南城断裂带西北部，主要包括罗霄—诸广隆起带和雩山隆起带北部。该区域深大断裂无活动性，处于稳定状态，未能沟通深部幔源组分，但岩浆岩分布广泛，因而形成壳源放射性成因氦气。
少量壳源区位于大余—南城断裂带和信丰—瑞金断裂带夹持区域，包括雩山隆起带中北部和武夷隆起带北部区域。区内断裂带能够一定程度沟通深部地幔，从而导出部分幔源流体，使得氦气组分中有少量的幔源氦加入。
壳幔混合区位于信丰—瑞金断裂带以南区域，包括雩山隆起带南部和武夷隆起带南部。该区域是研究区内岩浆和构造活动最强烈的地区，岩浆活动期次多、范围广，深大断裂活动频繁且有效沟通深部地幔，从而形成壳源、幔源混合型氦气。
因此，研究区地热温泉伴生氦气成因，从北西向南东方向，由壳源成因逐渐过渡到壳幔混合成因，幔源氦组分的逐渐增加与区域构造环境稳定程度和断裂活动性强度相对应。

4 氦气来源分析

氦气的成因主要有壳源、幔源2类。幔源氦的来源有比较清楚的认识，是来源于地幔的原始气体，主要通过深大断裂带导通或地幔脱气的方式运移至地表［4］；壳源氦主要是放射性U、Th等元素衰变产生，来源于地壳岩石，包括花岗岩、混合岩和古老变质岩等，通常认为富U、Th元素的花岗岩是壳源氦的主要源岩［28-30］。
赣南地区地热温泉伴生氦气呈现以壳源成因为主、幔源成因为辅的总体特征，综合区域地质背景和氦气成因来源理论，研究认为区内氦气富集的氦源条件为：富U、Th元素的花岗岩体是壳源氦气的主要源岩，沟通地幔的深大断裂带构成幔源氦向地表运移的通道。

4.1　氦源岩

通过调研相关文献发现，全球著名的美国胡果顿—潘汉德气田、阿尔及利亚哈西鲁迈勒气田氦气源岩均主要来源于盆地基底或盆缘发育的花岗岩体［5-6］，我国渭河盆地、柴达木盆地、四川盆地威远气田等富氦天然气藏的氦气源岩均与花岗岩体密切相关［1，12，31］。不同学者对于壳源氦气的来源观点较为一致，富U、Th元素的花岗岩体作为壳源氦的主要源岩，已成为共识。
赣南地区岩浆活动频繁，岩浆侵入岩广泛分布，发育有多期次岩体，主要包括加里东期、印支期、燕山期岩体，岩性以花岗岩类为主（图4）。尤其以侏罗纪—早白垩世（燕山期）花岗岩类分布最广，主要以黑云母花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩为主。其次为加里东期岩体，主要为英云闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩。印支期岩浆活动范围有限，主要分布于赣南东部永平—寻乌断裂带附近，以花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩为主。
根据前人研究［32-34］，赣南地区地表基岩样品分析显示，燕山期花岗岩体放射性U元素含量为2.69~28.00 μg/g（平均为11.64 μg/g），Th元素含量为12.70~66.60 μg/g（平均为31.68 μg/g）；印支期花岗岩体放射性U元素含量为4.03~12.90 μg/g（平均为8.34 μg/g），Th元素含量为14.75~59.7 μg/g（平均为29.13 μg/g）；加里东期花岗岩体放射性U元素含量为3.10~17.25 μg/g（平均为7.29 μg/g），Th元素含量为14.45~34.3 μg/g（平均为23.65 μg/g）。另外，赣南龙南地区施工的干热岩参数井揭露深部燕山期花岗岩体显示［35］，放射性U元素含量为4.65~30.10 μg/g（平均为16.42 μg/g），Th元素含量为6.31~65.50 μg/g（平均为35.04 μg/g）。
由此可见，赣南地区各期次花岗岩体具有显著高于中国陆壳丰度的U、Th元素含量，并且深部岩体U、Th元素含量更高。综合说明赣南地区花岗岩体具备的高U、Th放射性元素含量，能够作为良好氦源岩，并通过放射性衰变构成壳源氦气较好的气源保障。

4.2　深大断裂

赣南地区伴随着加里东期、燕山期造山运动，地壳隆拗作用下形成了罗霄—诸广、雩山、武夷3个隆起带，同时造就了众多区域性深大断裂带，为深源氦气向上运移提供了通道。赣南地区发育北北东向、北东向、北西向和东西向4组深大断裂带，其作为疏导体系是氦气在浅部得以聚集的主控因素。
壳源氦气富集区，氦气伴随着地下水或天然气在地层中通过断裂运移，因此复杂的断裂系统构成氦气的有效运移通道，富U、Th元素的花岗岩体中释放的氦可以通过断裂向地热温泉中释放或伴随天然气在构造圈闭中赋存［8］。而在幔源氦聚集的雩山隆起带和武夷隆起带南部，发育有诸如北北东向永平—寻乌、鹰潭—安远断裂带，北东向九连山—安远、龙南—版石断裂带，东西向全南—寻乌断裂带，上述断裂带多为深切地幔的深大断裂，能够有效沟通地幔流体，地热温泉伴生气体中的幔源组分，如3He、CO2等幔源气体，也主要通过该断裂带向浅部运移、聚集。因此，赣南地区发育的复杂断裂体系，对浅部壳源氦气的运移和深部幔源组分的上升提供了有效的通道，并对氦气的局部富集起到了有利促进作用［9］。

5 结论

（1）赣南地区地热温泉伴生气体具备较高的氦气丰度，氦气含量为0.001%~1.83%，平均含量为0.416%，显示出较好的资源品质。
（2）赣南地区地平面上氦气总体富集于武夷隆起带、雩山隆起带南部和罗霄—诸广隆起带西部等岩浆岩和断裂系统较为发育的区域。
（3）氦同位素分析结果表明，赣南地区氦气呈现以壳源为主、幔源为辅的总体特征；氦同位素与CO2碳同位素具有明显相关性，通过碳同位素能够指示氦气中幔源组分占比的高低，进而映射氦气的成因。
（4）根据氦气中幔源氦组分的占比份额，将赣南地区氦气成因划分为壳源区、少量幔源区、壳幔混合区，并且具有从北西向南东方向，由壳源成因氦气逐渐过渡到壳幔混合成因氦气的特征。
（5）赣南地区氦源条件主要包括富U、Th元素的花岗岩体和深大断裂带，花岗岩体是壳源氦气的主要源岩，深切地幔的深大断裂带构成幔源氦气的上升通道，并且复杂的断裂系统也进一步促进氦气的运移聚集。

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