氦氣成藏機(jī)制研究進(jìn)展

氦氣是一種稀有的惰性氣體，即使在極端環(huán)境下也可保持穩(wěn)定，是高科技領(lǐng)域不可或缺的重要元素之一。地球上的氦氣賦存形態(tài)主要有3種：①作為油氣伴生氣聚集于油氣藏中；②作為非烴伴生氣聚集于非烴氣藏中；③作為水溶氣存在于地?zé)崽镏?。通常認(rèn)為，氦氣含量大于0.1%的天然氣井，就具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值，足可見其稀有程度。甚至有說法認(rèn)為美國(guó)頁巖氣開發(fā)成本居高不下卻仍能持續(xù)推動(dòng)的原因之一，就在于與頁巖氣伴生的氦氣價(jià)值很高。

全球主要的氦氣資源分布區(qū)與美國(guó)中部、加拿大、阿爾及利亞、卡塔爾、伊朗、中歐、俄羅斯和澳大利亞的油氣產(chǎn)區(qū)基本重合。但天然氣含氦量普遍不高，有不少石油公司或因不了解氦氣的價(jià)值或根本不知道其所開采的天然氣中含有高價(jià)值的氦氣而將之隨意排放。在2011年以前，全球還沒有一個(gè)專以氦氣勘探為目的的項(xiàng)目立項(xiàng)。

近10年來，氦氣的勘探研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，尤其是對(duì)其生、運(yùn)、儲(chǔ)、蓋等要素的認(rèn)識(shí)更加深入。作為天然氣的伴生氣，氦氣勘探在很多方面與油氣勘探相似，但又存在不同。

1）源巖。氦最常見的穩(wěn)定同位素是4He，主要由地殼和地幔中的鈾和釷同位素（238U，235U 和232Th）衰變產(chǎn)生。因此氦氣源巖通常需有足夠濃度的鈾和釷同位素，同時(shí)地質(zhì)年代也需足夠長(zhǎng)，238U，235U和232Th的半衰期分別為44.68，7.00和140.50億年。從這一點(diǎn)上看，全球克拉通基巖在年代上符合，其花崗質(zhì)成分中含有（20~30）×10-6的釷，但鈾的濃度不高，僅4×10-6。

2）成熟。研究表明，陸相沉積體系中的淺層（深度<2 km）水和氣體里的氦濃度都較低，這主要與淺層沉積體系及其相關(guān)流體的年代相對(duì)較晚有關(guān)，更與磷灰石、鋯石、瀝青鈾礦、獨(dú)居石等含氦礦物在低于其閉合溫度的情況下保存氦氣的能力較強(qiáng)有關(guān)。以閉合溫度大約是70 ℃的磷輝石為例，以地表溫度10 ℃、平均地溫梯度30 ℃/km計(jì)，只有在埋深達(dá)到2 km或更深時(shí)才會(huì)釋放氦氣。而富含氦氣的天然氣藏通常埋藏較淺，這意味著氦氣的成藏必須具備深層氦氣的釋放和向淺層運(yùn)移及富集的相關(guān)機(jī)制。

3）運(yùn)移。擴(kuò)散作用和浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)都是氦氣從地殼向沉積蓋層初次運(yùn)移的機(jī)制。前者主要發(fā)生于較穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境，后者則在發(fā)生于晚近期構(gòu)造活躍區(qū)。氦氣通過流動(dòng)從深處陸殼向淺層運(yùn)移需具備兩個(gè)前提條件：一是熱事件使地溫高于各種礦物的閉合溫度；二是需要載體將氦氣帶出源巖。地下水、氮?dú)狻⒍趸蓟蚣淄槎际呛芎玫妮d體。二次運(yùn)移的方式包括游離氣、溶于地下水以及靜態(tài)流體擴(kuò)散，但后者非常緩慢。美國(guó)多地有確鑿的證據(jù)表明地下水參與了氦氣的運(yùn)移。除了隨地下水運(yùn)移，區(qū)域構(gòu)造抬升或其他一些機(jī)制引發(fā)的壓降也可能觸發(fā)氣體從溶液中脫溶，以游離氣的形態(tài)進(jìn)行二次運(yùn)移。

4）聚集。溶有4He和N2的地下水與二氧化碳或甲烷形成平衡時(shí)，不溶解的4He和N2將率先從地下水中出溶并進(jìn)入游離氣相，也即脫氣過程。在這種機(jī)理作用下，烴（或二氧化碳）受浮力驅(qū)動(dòng)以氣相形式通過溶有氦氣和氮?dú)獾牡叵滤\(yùn)移至圈閉并最終形成富氦的烴（二氧化碳）氣藏，其氦氣富集程度取決于地下水中原有的氦氣含量和烴氣/水之比。類似地，地質(zhì)圈閉中先存的烴或二氧化碳也會(huì)促進(jìn)含有4He和N2的地下水脫氣。

5）封蓋。氦氣穿過蓋層所需的毛管壓力與二氧化碳接近，因此，能夠阻止二氧化碳和烴氣逸散的蓋層，對(duì)氦氣也有封蓋作用。低滲蓋層，如蒸發(fā)巖或性質(zhì)類似的巖層可長(zhǎng)時(shí)間封閉氦氣（>100 Ma），也有研究顯示，滲透率更高些的蓋層也具備一定的氦氣封閉能力。英國(guó)學(xué)者依據(jù)這些理論，以東非大裂谷坦桑尼亞Rukwa盆地為對(duì)象展開了勘探實(shí)踐，2021年8月所鉆的兩口探井均有氦氣顯示。

中國(guó)氦氣資源并不豐富，但在東部郯廬斷裂帶兩側(cè)的含油氣盆地，中部的四川盆地、鄂爾多斯盆地，西部的塔里木盆地都發(fā)現(xiàn)了多個(gè)含氦氣的油氣藏和非烴氣藏。在進(jìn)行油氣勘探開發(fā)的同時(shí)，氦氣相關(guān)研究也應(yīng)引起足夠的重視。