氦氣成藏研究進(jìn)展

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(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069;2.中國(guó)石油長(zhǎng)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(guó)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(guó)、阿爾及利亞、卡塔爾、俄羅斯、波蘭等國(guó)，其中美國(guó)占據(jù)了世界氦氣產(chǎn)量和儲(chǔ)量的大部分，擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。與此同時(shí)，世界各國(guó)對(duì)氦氣的需求量在以每年4%～6%的速率增加［1－3］。目前，我國(guó)的氦氣主要靠進(jìn)口，只有四川自貢威遠(yuǎn)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(guó)將氦氣資源列為戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源而限制粗氦產(chǎn)量，液氦價(jià)格直線飆升［3］;同時(shí)，由于俄羅斯正在推動(dòng)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(jì)未來(lái)中國(guó)氦氣將會(huì)更加受制于人。

1 氦氣的成因及來(lái)源

1.1 地殼中氦氣的來(lái)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(gè)來(lái)源，即大氣源，殼源(放射性來(lái)源)和幔源(見圖1)［5－6］。大氣源的氦氣主要通過(guò)地下水的循環(huán)進(jìn)入盆地流體系統(tǒng)。在盆地地下水的補(bǔ)給區(qū)，大氣中的氦氣會(huì)溶解到補(bǔ)給水中，隨著地下水從補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)運(yùn)移，最終運(yùn)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(lái)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(guò)巖漿活動(dòng)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(lái)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(lái)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(bǔ)給區(qū)溶解到水中，隨著地下水循環(huán)進(jìn)入盆地流體系統(tǒng)的He是非常少的，通常是忽略不計(jì)的，因此地下流體中的He主要是殼源(放射性來(lái)源)和幔源的。

1.1.2 殼源(放射性來(lái)源)4He

自然放射性元素238U、235U和232Th衰變會(huì)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(guò)巖漿活動(dòng)脫氣，進(jìn)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(dòng)的存在，因?yàn)橹挥械蒯Ｈ廴诤蛶r漿活動(dòng)才能源源不斷地把3He和其他揮發(fā)物運(yùn)移輸送到盆地流體系統(tǒng)中［10］。

1.2 氦氣來(lái)源背景的確定

3He、4He成因的差異為不同來(lái)源的氦提供了判識(shí)標(biāo)志?？梢愿鶕?jù)3He/4He的比值來(lái)確定氦的來(lái)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(lái)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(lái)源，從而可以用二元復(fù)合模式計(jì)算天然氣樣品中殼源和幔源所占份額，其計(jì)算公式為:

在用R/Ra表示氣樣氦同位素分布特征時(shí)，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(shí)，幔源氦份額大于1.2%;當(dāng)(R/Ra)＜0.1時(shí)，可以認(rèn)為天然氣中氦基本來(lái)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(chǔ)層的時(shí)代有關(guān)系。氦氣在任何時(shí)代的儲(chǔ)層中都有聚集，但是根據(jù)美國(guó)礦務(wù)局對(duì)美國(guó)天然氣儲(chǔ)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(chǔ)層年齡越老，氦氣含量越高［17］，而這個(gè)年齡更可能是氦氣開始向儲(chǔ)層運(yùn)移時(shí)的年齡而不是儲(chǔ)層形成的年齡，即氦氣向儲(chǔ)層中運(yùn)移時(shí)的年齡越老，氦氣含量越多［18］。

同時(shí)代的儲(chǔ)層中，天然氣中氦氣的含量與儲(chǔ)層的深度有關(guān)系。對(duì)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(duì)美國(guó)天然氣儲(chǔ)層中含氦量研究也發(fā)現(xiàn)，含氦量隨著儲(chǔ)層深度的增加而減小，氦氣主要聚集在 500 ～5 000 m 深度的儲(chǔ)層中［17－18］。

總的來(lái)說(shuō)，氦氣向儲(chǔ)層中運(yùn)移時(shí)的年齡與氦氣含量呈正相關(guān);同時(shí)代的儲(chǔ)層中，儲(chǔ)層埋深與氦氣含量呈負(fù)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(lái)。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(kuò)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(huì)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(shí)，有相當(dāng)量的氦會(huì)從礦物晶粒中釋放出來(lái)。

(2)擴(kuò)散釋放。擴(kuò)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(jī)制同時(shí)進(jìn)行的。礦物中氦氣的擴(kuò)散受到礦物顆粒大小和時(shí)間的控制，礦物顆粒越小，擴(kuò)散系數(shù)越大，氦氣從礦物中釋放所需要的時(shí)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(huì)沿著裂隙快速的釋放出來(lái)，氦氣釋放量與裂隙體積成正比，并且沿裂隙以擴(kuò)散的方式進(jìn)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(huì)導(dǎo)致其晶格中的氦釋放出來(lái)，最典型的就是礦物的重結(jié)晶作用。雖然這種機(jī)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(jī)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?xì)獾?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(dá)到工業(yè)開采價(jià)值。

氦氣從礦物中釋放出來(lái)以后，會(huì)進(jìn)入鄰近的流體系統(tǒng)中。釋放出來(lái)的氦氣數(shù)量較少，不能使它以單一氦氣的形式運(yùn)移，而只能和其他流體一起運(yùn)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(yùn)移的有效通道。斷裂可將任何深度圍巖中的氦捕集起來(lái)，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(yùn)送到儲(chǔ)層中聚集成藏［20］。幔源或深地殼氦氣通過(guò)深大斷裂和裂隙進(jìn)行垂向運(yùn)移，再通過(guò)斷裂或裂隙向油氣圈閉中運(yùn)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(yùn)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(chǔ)集層中可直接形成氣藏，也可沿其他斷裂繼續(xù)上運(yùn)再聚集成藏［22－24］。巖漿活動(dòng)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(lái)后，首先溶解到孔隙水中，并隨著孔隙水一起運(yùn)移。在此期間，如果有另一種氣體(烴類氣體、二氧化碳?xì)獾?進(jìn)入水中，氦氣會(huì)被抽吸到該氣體中，并隨該氣體運(yùn)移，若該氣體運(yùn)移到圈閉中，則聚集起來(lái)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(yùn)移，氣體會(huì)抽吸溶于孔隙水中的氦氣。氦氣隨氣體運(yùn)移進(jìn)入圈閉，聚集成藏;(2)含氦的孔隙水流過(guò)天然氣氣藏底部或過(guò)渡帶時(shí)，氣體會(huì)抽吸孔隙水中的氦進(jìn)入氣藏中直接成藏;(3)無(wú)論是有機(jī)成因的幔源CO2，還是有機(jī)脫碳形成的CO2，在富集了氦氣、氮?dú)夂图淄榈目紫端羞\(yùn)移，CO2會(huì)抽吸溶于孔隙水中的氦氣，CO2會(huì)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(guó)內(nèi)外地?zé)崽镞M(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)地?zé)崽锿寥罋夂偷責(zé)崴嬖诤ぎ惓?，例如美?guó)的羅斯福溫泉地區(qū)以及我國(guó)的渭河盆地。

地表氦氣分布與地?zé)嵊袑?duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)對(duì)美國(guó)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(dú)特的一致性，因?yàn)榈厍蛏?5%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(yùn)移也具有耦合性［27］。所以，可以用氦氣來(lái)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(lái)，并直接通過(guò)上覆地層進(jìn)行擴(kuò)散，或與熱水、水汽和從冷卻巖漿體中釋放出來(lái)的蒸汽相混合，然后通過(guò)可滲透巖石或沿?cái)嗔褞н\(yùn)移出來(lái)。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(yùn)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(yǔ)

在中國(guó)，九十年對(duì)氦氣成藏方面的研究較多，如徐永昌、陶明信等對(duì)中國(guó)氦同位素分布和幔源氦氣成藏進(jìn)行了較多的研究［12－16］，之后研究較少?，F(xiàn)在，中國(guó)在氦氣成藏理論方面的研究相對(duì)滯后與國(guó)外。同時(shí)，中國(guó)氦氣主要依賴進(jìn)口，而主要產(chǎn)氦國(guó)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(guó)內(nèi)。因此，這就需要借鑒國(guó)外氦氣成藏的研究方法和成果，結(jié)合中國(guó)實(shí)際地質(zhì)條件，加緊對(duì)氦氣成藏理論方面的研究;在理論指導(dǎo)下，加強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)氦氣的勘探.

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