青海省氦氣資源調(diào)查研究及建議

鞏志遠　謝菁　王琪瑋　陳建洲　徐永鋒　李青

摘? ?要：氦氣為重要的稀有戰(zhàn)略資源，近年來其重要性逐步得到相關(guān)業(yè)界和政府部門的高度重視。為了解青海省氦氣資源前景，通過對省內(nèi)主要盆地含氦情況調(diào)查研究，結(jié)合已有研究進展及成果，較系統(tǒng)的開展了全省氦氣資源潛力評價。研究認為，青海省氦氣資源成藏類型初步可劃分為3大類、6小類，主要包含游離氣藏（天然氣伴生氣藏、頁巖氣伴生氣藏、煤層氣伴生氣藏、氮氣伴生氣藏）、水溶氣藏、自生自儲氣藏；省內(nèi)氦氣藏點主要集中在柴達木盆地、共和盆地、南祁連盆地、八寶山盆地及巴顏喀拉殘留洋盆等；青海省盆地主要以典型殼源氣成因為主，次為幔源氦；將青海省氦氣資源成藏模式歸為3種：古老地層水上移釋氦富集模式、天然氣沿古老儲集層運移富氦模式、古老地層水富集模式。

關(guān)鍵詞：氦氣；成藏類型；分布規(guī)律；成藏模式；勘探方向

世界氦氣資源儲量與產(chǎn)量短缺且分布相對集中，主要分布在美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯等國[1-6]。我國可利用氦氣資源極稀缺，對外依存度極高。我國主要在西北地區(qū)渭河盆地、柴達木盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、華北地區(qū)晉中盆地、西南地區(qū)四川盆地等發(fā)現(xiàn)富氦天然氣藏或水溶氣藏 [7-12]。目前，我國僅四川威遠氣田局部地層的天然氣中氦含量為0.218％～0.342％[13]，該氣田已接近枯竭。氦氣被美國、澳大利亞等國列入戰(zhàn)略資源清單，國際資源需求量和重視程度不斷提高，加快發(fā)現(xiàn)中國新的含氦天然氣田勢在必行。

氦氣來源有大氣源、殼源氦（放射性來源）4He、幔源3He[14]，氦氣主要存在3種賦存類型，即“自生自儲型”氦氣[15]、水溶型氦氣及烴類氣體、非烴類氣體為載體氣的含氦氣藏[16-17]。青海省氦氣藏勘探、開發(fā)均處于起步階段，大部分工作集中在柴達木盆地西部，主要為氣載氣型氦氣的發(fā)現(xiàn)及初步研究[18]，其他廣袤沉積盆地研究幾乎處于空白，亟需開展青海省氦氣系統(tǒng)研究。本文在對青海省典型中新生代沉積盆地調(diào)查的基礎(chǔ)上，梳理了不同類型氦氣藏分布特征、氦氣成因類型及氦氣成藏模式等，對青海省氦氣資源調(diào)查方向提出下一步建議。

1? 地質(zhì)背景

青海從新太古代到新生代不同類型地層齊全，以三疊系最發(fā)育，次為石炭系、二疊系。經(jīng)歷了多旋回裂解離散、匯聚碰撞和陸內(nèi)疊復(fù)等造山過程，NWW向、NW向、近EW向褶皺、斷裂是主要構(gòu)造形跡。受新構(gòu)造活動影響，省內(nèi)形成柴達木、祁連、南祁連、共和、西寧-民和、八寶山、北羌塘等不同盆地，沉積了巨厚的碎屑巖類。青海省火山活動頻繁，從元古宙到新近紀均有火山噴發(fā)，各時期火山活動規(guī)模、強度、所處構(gòu)造位置及火山巖特征均有明顯差別。省內(nèi)規(guī)模巨大、形成年代古老、構(gòu)造改造較強的巖體、盆地基底及富U，Th的烴源巖可作為良好的氦氣源巖，各盆地周邊均受深大斷裂控制，斷裂深度大、延伸長，大多深切地殼達地幔，提供良好的運移通道。

盆地獨特的地層分布特征、構(gòu)造及演化特征對青海省內(nèi)部氦氣分布特征造成顯著影響，構(gòu)造-巖漿作用及盆地演化特征與氦氣源儲、運聚的相關(guān)性將直接影響青海省各盆地氦氣資源勘探與研究，有待進一步探索。

2? 樣品及實驗方法

本次主要對柴達木盆地、共和盆地、祁連盆地、全吉地塊及巴顏喀拉殘留洋盆等沉積盆地等開展水樣及巖石樣品采集、室內(nèi)測試分析等，僅在全吉地塊和共和盆地采集花崗巖、古元古變質(zhì)巖等巖石樣，其余盆地均僅采水樣，共采集水樣65件、巖石樣103件，樣品布置合理、代表性較好。開展氦氣含量和氦氣同位素測試分析，在中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院稀有氣體實驗室完成。

水樣樣品采集容器為雙閥門真空玻璃瓶，采樣前在實驗室將鋼化玻璃瓶抽真空，系統(tǒng)內(nèi)壓力小于0.13 Pa，降低、消除系統(tǒng)殘留氣對樣品的干擾。采樣時先將雙閥門真空玻璃瓶沒入水體5 cm以上，打開下閥使水自行吸入至采樣瓶內(nèi)部并吸滿后關(guān)閉下閥，保證空氣污染在10-4級以下；地表樣均采集新鮮面，采集時先對樣品進行詳細觀察描述，將樣品包裝結(jié)實裝入樣袋，寫明樣品號碼及袋數(shù)，袋中放上填寫好的標簽，送往實驗室進行測試。

Noblesse稀有氣體質(zhì)譜儀是此次稀有氣體測試的主要儀器，分辨率大于700，可完全分離3He+和HD+的峰值，3He+信號正常情況下會高于1 s-1，而HD+拖尾的貢獻相對較小，因此不必校正HD+對3He+的影響。因此筆者將大于1 s-1 3He作為數(shù)據(jù)阻斷值。檢測樣品前均經(jīng)同樣流程的本底測定，檢測采用的標準樣品為：蘭州市皋蘭山（海拔2 060 m）山頂空氣（AIR?LZ2007）。工作本底值（單位：cm3/g，STP）為：4He=2.46×10-10，20Ne=4.08×10-10，40Ar=1.39×10-8，各稀有氣體在該底值中的同位素組成與空氣值接近。

3? 氦氣資源分布及成因特征

據(jù)本次測試結(jié)果及前人研究成果，青海省氦氣資源主要分布在柴達木盆地、共和盆地、南祁連盆地、八寶山盆地及巴顏喀拉殘留洋盆等，祁連盆地、北羌塘盆地暫未發(fā)現(xiàn)達到工業(yè)品味的氦氣點。

研究結(jié)果表明，省內(nèi)共發(fā)現(xiàn)達到工業(yè)品位的氦氣點49處（均以泉水點或單井為單位）（表1），He含量0.05%～2.3%，平均0.44%。其中柴達木盆地40處，He含量0.05%～1.14%，平均0.39%；共和盆地6處，He含量0.052 2%～0.867 2%，平均0.334 1%；南祁連盆地1處，He含量0.054 9%；巴顏喀拉地區(qū)1處，He含量0.763 %；八寶山盆地1處，He含量0.11%～1.33%，平均0.45%；全吉地塊地表樣氦含量最大為0.004 2%，不參與本次評述。從圖1可看出，目前青海省氦氣主要以柴達木盆地、共和盆地為代表，其中柴達木盆地以氣載氣型氦氣藏為主，資源分布不規(guī)律，水溶氦集中分布于柴中斷裂以北的一里坪坳陷、柴北緣隆起；共和盆地以水溶型氦氣藏為主，資源空間分布主要受盆地西南緣的哇洪山斷裂與昆中斷裂影響。初步認為秦祁昆造山系內(nèi)大規(guī)模氦源巖及特殊的構(gòu)造條件易形成氦氣生成、運移及存儲機制，青南地區(qū)中酸性侵入巖欠發(fā)育，生氦潛力有限，祁連等盆地小斷裂極發(fā)育，盆地不夠穩(wěn)定，較難形成氦氣富集。

青海省各盆地168件氦氣同位素樣品，R/Ra為0.001%～0.093%，小于0.01%的142件，占比84.5%，屬典型殼源氣成因，幔源氦占比0.005%～0.42%。其中團魚山一帶泥頁巖解析氣內(nèi)顯示有一定幔源氦，占比最高達11.69%，與氣體組分中氮氣含量較高（36.72%～70.22%）的事實相吻合。

4? 氦氣成藏類型及賦存規(guī)律

4.1? 氦氣成藏類型

Ballentine認為氦氣從礦物中釋放后進入附近流體系統(tǒng)中。因地殼中鈾、釷元素放射衰變釋放出的氦氣數(shù)量較少，無法以單一氦氣形式運移，只能和其他流體一起運移。這些流體可以是油、氣、水或巖漿等。迄今為止，世界上還未發(fā)現(xiàn)任何單一的純氦氣藏，氦氣大多與油氣和二氧化碳氣伴生在同一氣藏中形成伴生氣或溶解在水中形成水溶氣[19-23]。

青海已知氦氣點基本分布于中新生代沉積盆地，柴達木盆地主要屬烴類或非烴類伴生氣藏，其中柴西地區(qū)（馬北、牛東、東坪）基本為游離態(tài)，與常規(guī)天然氣伴生，柴北緣（團魚山、全吉地塊）以游離態(tài)為主，少量水溶態(tài)，與頁巖氣及地下水伴生，柴中地區(qū)（鄂博梁、堿石山、紅三旱、鴨湖）以水溶態(tài)為主，與深層鹵水伴生；共和盆地以水溶態(tài)為主，游離態(tài)為輔，水溶態(tài)與地下熱水伴生，游離態(tài)主要為賦存有古老花崗巖微裂隙、晶洞內(nèi)自生自儲型；南祁連盆地、瑪多地區(qū)均以水溶態(tài)為主，與地下水伴生；八寶山盆地為游離態(tài)，與氮氣共存（圖2）。

綜合青海省盆地氦氣儲層形式，將氦氣資源成藏類型劃分為3大類，6小類（表2）。氦氣藏的產(chǎn)生離不開氦源巖、運移通道、運移載體及儲集空間，不同類型氣藏在“生、運、儲”方面有千絲萬縷的聯(lián)系，因此同一個氦氣藏可能存在2種或2種以上成藏類型。

4.2? 氦氣賦存規(guī)律

4.2.1? 游離氣藏

綜上所述，青海省伴生氣藏既有烴類氣體（甲烷），又有非烴類氣體（氮氣、二氧化碳）（表3）。其中甲烷伴生氣藏主要分布于柴西緣、柴北緣一帶，甲烷含量61.75%～95.18%（圖3），牛東一帶（平均88.72%）最高，東坪（80.73%）、尖北一帶（80.04%）次之，馬北地區(qū)（平均76.85%）最低。成因以有機成因氣為主，無機成因氣極少，但與氦氣含量相關(guān)性不明顯。氮氣伴生氣藏主要分布于全吉山一帶，全吉山氮氣含量68.47%～98.84%，平均83.66%。團魚山一帶氦氣藏與甲烷、氮氣共生，甲烷含量27.89%～59.95%，平均41.89%。氮氣含量36.72%～70.22%，平均55.69%（圖4）。八寶山盆地與氮氣、甲烷、二氧化碳共生（圖5），整體以氮氣為主，次為甲烷，氮氣含量23.86%～92.70%，甲烷含量3.42%～68.61%，二氧化碳含量1.12%～29.08%。

4.2.2? 水溶氣藏

以氦含量0.01%為本次水溶氦評價下限，其在深層鹵水井（6處）、溫泉或地熱井（12處）、冷泉均有發(fā)現(xiàn)（3處）（表4）。對比全部樣品氦含量與溫度關(guān)系圖（圖6），認為青海省水溶氦氣藏氦含量與溫度有一定正相關(guān)，但相關(guān)性一般。

5? 成藏模式探討

結(jié)合各盆地氦氣成因來源、運移機制、賦存狀態(tài)的認識，將青海省氦氣資源成藏模式歸類為3種：古老地層水上移釋氦富集模式、天然氣沿古老儲集層運移富氦模式、古老地層水富集模式（表5）。

5.1? 古老地層水上移釋氦富集模式

這是最普遍的成藏模式，氣源巖主要為深部古老基底、花崗巖或烴源巖，釋放出氦溶解于水中，在構(gòu)造運動驅(qū)使下溶解氦氣的深部地層水沿斷裂向上運移，隨溫度和壓力降低，沿途可能會釋放出部分游離態(tài)氦氣，氦氣繼續(xù)向上運移到氣藏中，在亨利定律作用下，水中的氦氣幾乎完全脫溶釋放至氣藏，而氣藏中的其他氣體因分壓較高，部分游離氣會溶解至水中，貌似氣藏中的天然氣把氦氣“萃取”出來。隨地層水不斷上涌，氦氣不斷釋放至氣藏，使氣藏富氦（圖7）。

5.2? 天然氣沿古老儲集層運移富氦模式

該模式下氣源主要為古老儲集層，當天然氣在沿儲集層橫向運移時，可捕獲沿途地層水中溶解的氦氣（圖8），地層水中溶解氦氣的多少取決于儲集層年齡和U，Th含量，年齡越老、U和Th含量越高，生成氦氣越多，因此，這種富集模式一般發(fā)生在古老儲集層中，天然氣沿古老儲集層進行運移，儲集層越老，富氦效果越明顯。

5.3? 地層水富集模式

該模式主要特點是氣源巖以巖漿侵入體為主，侵入巖體一般刺穿儲層或以巖體做為儲層，儲層上方一般覆蓋有良好的蓋層，可直接向儲集層運移，并在圈閉中聚集成藏，形成原生氣藏。后期斷裂活動，已形成氦氣藏中的氣體通過斷裂發(fā)生運移至淺部儲集層中成藏，形成次生含氦水溶氦氣藏。該類型氦氣藏的形成主要和與巖漿侵入體相互接觸的儲集層類型和圈閉發(fā)育特征相關(guān)（圖9）。

6? 結(jié)論

（1） 青海省氦氣資源主要分布于柴達木盆地、共和盆地、八寶山盆地、南祁連盆地及巴顏喀拉殘留洋盆等。八寶山盆地氦氣含量最高，次為柴達木盆地，盆地資源分布受基底及構(gòu)造影響明顯。

（2） 青海省盆地氦氣成因類型主要屬典型殼源氣成因，幔源氦次之。

（3） 青海省劃分了3大類、6小類氦氣藏，主要包含游離氣藏（天然氣伴生氣藏、頁巖氣伴生氣藏、煤層氣伴生氣藏、氮氣伴生氣藏）、水溶氣藏、自生自儲氣藏。其中柴達木盆地包含了常規(guī)及非常規(guī)天然氣伴生氣藏、水溶氣藏及自生自儲型氣藏；共和盆地、南祁連盆地、巴顏喀拉盆地以水溶氣藏為主；八寶山盆地為氮氣伴生氣藏。

（4） 青海省氦氣資源成藏模式包含古老地層水上移釋氦富集模式、天然氣沿古老儲集層運移富氦模式、古老地層水富集模式。

7? 資源勘探方向及建議

（1） 進一步加強氦氣成藏體系、評價標準的摸索研究，完善評價流程。青海省獨特的地質(zhì)環(huán)境造就了溫泉分布多、古老侵入體發(fā)育的特征，水溶性、自生自儲型氦氣藏是后期研究不可忽略的方向。應(yīng)逐步建立水溶氦氣評價標準，并在游離性氦氣藏研究基礎(chǔ)上，加強省內(nèi)水溶性氦氣、自生自儲型氦氣藏關(guān)注度。

（2） 據(jù)省內(nèi)不同氦氣成藏類型及研究程度，隨著油氣勘探的不斷深入，逐步了解柴達木盆地氦氣資源規(guī)模；對以水溶氦為主的共和、南祁連等盆地加大綜合分析、野外驗證工作，盡快取得突破。

（3） 前人研究多認為殼源氦氣與高放射性巖石關(guān)系密切，但大多只關(guān)注盆地基底或周緣高放射性中酸性花崗巖，對其他富集鈾釷的巖石，如基底變質(zhì)巖、具鈾釷異常的盆地蓋層（侏羅系、第三系、第四系等）、火山巖等關(guān)注較少，后期可加大該方面的研究。

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Investigation and Suggestions on Helium Resources in Qinghai Province

Gong Zhiyuan1，2， Xie Jing1，2， Wang Qiwei1，2， Chen Jianzhou1，2， Xu Yongfeng1，2， Li Qing1，2

（1.Fourth institute of geological and mineral survey of Qinghai province，Xining，Qinghai，810029，China;

2.Qinghai geological survey，Xining，Qinghai，810001，China）

Abstract： Helium， as an important rare strategic resource， has gradually received high attention from relevant industries and government departments in recent years. To understand the prospects of helium resources in Qinghai Province， this article conducts a systematic evaluation of the province's helium resource potential through investigation and research on the helium content in major basins within the province， combined with existing research progress and achievements in the province. Research suggests that the types of helium gas reservoirs in Qinghai Province can be preliminarily divided into three categories and six subcategories， mainly including free gas reservoirs （natural gas associated gas reservoirs， shale gas associated gas reservoirs， coalbed gas associated gas reservoirs， nitrogen associated gas reservoirs）， water-soluble gas reservoirs， and self generated and self stored gas reservoirs; The helium gas reservoirs in the province are mainly concentrated in sedimentary basins such as the Qaidam Basin， the Gonghe Basin， the South Qilian Basin， the Babaoshan Basin， and the Bayan Kara Residual Ocean Basin; The main genesis of various basins in Qinghai Province is typical crustal gas， followed by mantle derived helium; The helium resource accumulation patterns in Qinghai Province can be classified into three types： the ancient formation water migration and release helium enrichment pattern， the natural gas migration and helium enrichment pattern along the ancient reservoir layer， and the ancient formation water enrichment pattern.

Key words： Helium gas; Accumulation type; Distribution pattern; Chengzang mode; Exploration direction

項目資助：青海省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地質(zhì)勘查項目青海省清潔能源靶區(qū)優(yōu)選（青地礦科[2020]61、青地礦科[2021]61、青地礦科[2022]32）、柴達木盆地北緣全吉地塊氦氣形成地質(zhì)條件及資源潛力評價（青地礦科[2022]32）聯(lián)合資助

收稿日期：2023-12-21；修訂日期：2024-01-25

第一作者簡介：鞏志遠（1987-），男，吉林長春人，高級工程師，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京）資源勘查工程（能源）專業(yè)，現(xiàn)從事清潔能源、非常規(guī)氣體勘查研究工作；E-mail： 359419280@qq.com

通訊作者：晁海德（1987-），男，高級工程師，現(xiàn)從事清潔能源、非常規(guī)氣體勘查研究工作；E-mail： 394262585@qq.com