The discovery and origin of helium-rich gas on the northern margin of the Qaidam Basin
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摘要:
在柴达木盆地北缘全吉山、团鱼山地区的煤炭钻孔和泥页岩解吸气中发现了体积分数较高的氦气显示。对2个地区的6件样品进行甲烷C同位素和He同位素分析, 其中2个样品的δ13C1值分别为-38.4‰和-39.9‰, 属于有机成因。4个样品的3He/4He同位素测试结果在0.03×10-6~1.3×10-6之间, 表明氦气来源以壳源氦为主, 个别样品有少量幔源氦加入。通过区域背景资料和物探资料分析认为, 柴北缘壳源成因的氦可能主要来源于基底富U、Th花岗岩体的放射性衰变, 而柴北缘的山前深大断裂则可为氦的运移提供良好通道。氦气产生后, 在垂向运移过程中结合其他烃类或非烃类气体, 在侏罗系、古近系-新近系良好的储盖条件下, 有可能形成独特的富氦天然气富集
Abstract:In this paper, high-concentration helium was found for the first time in the coal drill hole and the mud-shale adsorbed gases in Quanjishan and Tuanyushan area on the northern margin of the Qaidam Basin. Six methane samples from these two areas were analyzed for carbon and helium isotopes. The data obtained show that two samples' carbon isotope values of methane are-38.4‰and-39.9‰, suggesting organic origin. In addition, the 3He/4He isotope values of four samples are between 0.03×10-6 and 1.3×10-6, showing that they were mainly crust-derived matter and subordinately mantle-derived matter. Through the analysis of regional geology and geophysical data, the authors have reached the conclusion that crust-derived helium was sourced from the granite with rich uranium and thorium on the basin basement. The deep faults of the northern Qaidam Basin might have provided better conditions for migration of the helium. Helium was produced in combination with other hydrocarbon or non-hydrocarbon gases in vertical migration process, and probably formed the unique helium-rich natural gas enrichment environment under the good reservoir and sealing condition in Jurassic, Neogene and Paleogene.
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氦是惰性（稀有）气体之一，具有不易液化、稳定性好、扩散性强、导热性好等特点，广泛应用于航天、卫星、潜水、低温、超导、焊接、光学、医学、国防等领域，具有重要的工业价值[1]。世界范围内氦资源十分贫乏，在自然界中尚未发现单一的氦聚集，氦多作为组分存在于天然气中，世界上有90%的氦是从天然气中提取的。目前中国将氦质量浓度达到0.1%作为工业利用标准的下限，四川威远气田是目前中国唯一开采利用氦的气田[2-3]。
氦气藏发现很少且大多与天然气（包括烃类气、二氧化碳气等）伴生在同一气藏中，形成伴生气或溶解在水中形成水溶气。目前，国内外对氦气的研究主要集中在氦的来源与成因判别方面[4-10]，专门针对氦气生成、运聚、保存的氦气成藏系统研究很少[11-13]，对成藏机理研究不够全面和深入。美国的Hugoton-Panhandle气田是研究较为详细的典型壳源富氦天然气气藏，以富氮天然气与高浓度氦相伴生为特征[6]。对中国的松辽[14-15]、苏北[16]、渭河水溶氦气[1, 3, 17-18]等研究也取得了一定成果，但总体上研究相对薄弱。对氦气进行含量、同位素特征及地质条件分析，对于研究氦的成因、运移、聚集等具有重要的地质意义[2, 11]。柴达木盆地北缘（以下简称柴北缘）在页岩气资源调查过程中，发现了良好的富氦天然气显示，引起人们的关注。柴北缘富氦天然气中氦气成因及影响因素的研究，对评价柴北缘富氦天然气资源前景具有重要的意义。
1. 研究区概况
柴北缘位于柴达木盆地的东北部，属于柴达木盆地一级构造单元，西起阿尔金山前的鄂博梁Ⅰ号构造，东到德令哈断陷大浪-土尔岗构造带的东端，北界为赛什腾-祁连山前深大断裂系，南界为鄂博梁南缘-陵间断裂-黄泥滩断裂-埃姆尼克山南缘深大断裂与盆地一里坪和三湖坳陷带分界。东西长约440km，南北宽约65km，面积约34000km2（图 1）。
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图 1 研究区位置及主要断裂分布简图Figure 1. Location of the study area and distribution of major faults区域地质调查、地震地层学及钻井资料研究和分析结果证明，柴北缘地区基底岩性主要由元古宇中深变质岩基底和海西期花岗岩组成[19]，三叠系普遍缺失，侏罗系—白垩系不整合于基底之上。盆地基底的形成与古特提洋的封闭和松潘-甘孜地体与柴达木地块的碰撞相关。同时，在祁连山、昆仑山和阿尔金山的共同作用和影响下，柴北缘发育了复杂的断裂体系（图 1）。主要包括控制盆地形成与演化发展的一级边界断裂，如赛南断裂、宗务隆山南断裂，这类断裂延伸距离长，深切基底，展布方向与盆缘山体近于平行；控制隆-坳格局或凹-凸格局及构造带展布的二级断裂，主要包括欧北断裂、欧南断裂、埃北断裂、埃南断裂、绿南断裂、冷北1断裂、鄂东断裂、马仙断裂、陵间断裂等；控制局部构造的三级断裂，如葫南断裂、冷七断裂等。这些断裂共同控制了沉积相的展布及油气藏的组合与分布。
通过多年的油气勘探开发，在柴北缘已相继发现了冷湖、鱼卡油田、南八仙、马北等油气田。证实柴北缘发育下侏罗统、中侏罗统2套烃源岩，以及侏罗系、白垩系、古近系—新近系多套成藏组合，存在中、下侏罗统2套含油气系统[20]。下侏罗统油气系统主要发育在柴北缘西段的冷湖-南八仙构造带及鄂博梁-葫芦山构造带。烃源岩以湖相暗色泥岩含薄煤层为主，具有泥岩厚度大、有机质丰度高、成熟度高等特点。中侏罗统油气系统主要发育在柴北缘东段的鱼卡-红山构造带及德令哈坳陷。烃源岩以湖沼相煤系泥岩为主，具有泥岩厚度较大、有机质丰度较高、成熟度较低的特点。
2. 富氦天然气的发现
2.1 团鱼山地区
团鱼山地区位于柴北缘赛什腾山南麓，老高泉（结绿素）煤矿东北部。本项目组依托青海煤炭地质一〇五勘探队在该地区的煤炭详查钻孔进行气相色谱录井和现场解吸的过程中，对中侏罗统大煤沟组七段（J2d7）主要暗色泥页岩发育段（图 2-a）现场解吸的气体送实验室进行组分分析，结果见表 1。从表 1可以看出，在5个样品中，气体成分以甲烷和氮气为主，甲烷体积分数为27.89%~59.95%，氮气体积分数为36.72%~70.22%，其他烃类体积分数较小，但其中氦气的体积分数为0.5%~1.14%，远高于0.1%的氦气工业利用标准，显示了较好的氦气异常。
表 1 柴北缘气体样品成分组成Table 1. Gas sample chemical composition on the northern margin of Qaidam Basin样品编号 采样地区 采样深度/m 采样层位 样品状态 气体主要组成成分体积分数/% CH4 C2H6 C2H8 H2 He N2 CO2 KT-7-1 团鱼山 874 J2d7 解吸气 49.06 0.49 0.24 0.00 1.14 48.58 0.30 KT-7-2 团鱼山 883 J2d7 解吸气 59.95 0.76 0.17 1.08 0.68 36.72 0.51 KT-7-3 团鱼山 885 J2d7 解吸气 35.64 0.56 0.07 0.73 0.47 62.13 0.36 KT-7-4 团鱼山 910 J2d7 解吸气 36.89 1.05 0.06 0.00 0.60 60.79 0.60 KT-7-8 团鱼山 925 J2d7 解吸气 27.89 0.89 0.02 0.00 0.50 70.22 0.47 9-8-1 全吉山 — — 井口气 0.04 0.00 0.00 0.00 1.10 98.84 0.00 注：表中各成分体积分数是扣除空气后的实际体积分数；J2d7代表中侏罗统大煤沟组七段（下表同） 2.2 全吉山地区
全吉山地区位于柴北缘大柴旦镇东南，发现氦气异常的地区位于锡铁山以西，埃姆尼克山以东地区。青海煤炭地质一〇五队在该地区部署了一口煤炭预查钻孔，主要钻遇地层为古近系和新近系，岩性主要以紫褐色粗砂岩-紫红色砂岩-粉砂岩-紫红色泥岩形成多个旋回，部分层段见含砾粗砂岩（图 2-b）。钻探过程中出现涌水、涌气现象，在井口利用排水法收集气体，送实验室分析获得的气体组分见表 1。其中氮气是主要成分，体积分数为98.84%，其次为氦气，体积分数达到1.1%，显示为氦气异常，而甲烷等其他烃类气体含量极少。
3. 氦气成因
3.1 氦气成因类型
氦有大气氦、壳源氦和幔源氦3种来源，有2个稳定同位素，即3He和4He，具有不同的成因。3He主要为元素合成时形成的原始核素，4He则主要为地球上自然放射性元素U、Thα衰变的产物。3He、4He成因的差异成为不同来源氦的判识标志。通常以R=ω(3He)/ω(4He)表示氦的来源，R值为1.4×10-6、2×10-8和1.1×10-5时，分别表示大气来源同位素特征值、壳源同位素特征值和幔源同位素特征值。也常用样品氦（R）和大气氦（Ra）的同位素比值来表示气样的He同位素特征，即R/Ra=(ω3He/ω4He)样品/(1.4×10-6)，当R/Ra＜1时，表示为壳源，即氦气组成中以壳源氦为主；R/Ra＞1时，表示为幔源，意味着有相当多的幔源氦加入[1-4, 12-13]。
柴达木盆地北缘气体样品的3He/4He同位素测试结果（表 2）范围值在0.03×10-6~1.3×10-6之间，介于壳源氦同位素比值之间，主要属于壳源成因。用R/Ra表示气样He同位素的分布特征，当R/Ra>1时，表示气样中幔源He份额大于12%；当R/Ra>0.1时，幔源He份额大于1.2%；当R/Ra＜0.1时，认为天然气中He基本来自壳源。幔源氦主要与基岩和深大断裂有关。
表 2 柴达木盆地北缘天然气同位素特征Table 2. Isotopic characteristics of gas in the northern margin of Qaidam Basin样品编号 采样地区 采样深度/m 采样层位 He/% δ13C-PDB/‰ R/Ra 3He/4He/10-6 幔源He/% KT-7-1 团鱼山 874 J2d7 1.14 — 0.05 0.06 0.40 KT-7-2 团鱼山 879 J2d7 — -39.9 — — — KT-7-3 团鱼山 883 J2d7 0.68 — 0.93 1.30 11.69 KT-7-4 团鱼山 885 J2d7 — -38.4 — — — KT-7-8 团鱼山 925 J2d7 0.50 — 0.56 0.78 6.92 9-8-1 全吉山 — — 1.10 — 0.02 0.03 0.12 按壳、幔二元混合模式[4]计算天然气样的中壳源和幔源所占份额，计算公式为：
幔源氦(%)=(3He/4He)S−(3He/4He)C(3He/4He)M−(3He/4He)C×100 (1) 通过壳、幔二元混合模式计算, 得出柴北缘样品的幔源氦所占份额范围为0.12%~11.69%，与中国东部幔源氦为主体的富氦天然气相比，为独特的以壳源为主的富氦天然气（图 3）。
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图 3 柴达木盆地北缘He-3He/4He关系图（中国东部地区数据据参考文献[13]）Figure 3. He -3He/4He diagram for the northern margin of Qaidam Basin3.2 富氦天然气成因类型
天然气的C同位素组成一般与源岩母质类型及成熟度有关，是划分天然气成因类型的重要依据之一。甲烷碳同位素（δ13C1）是区别甲烷有机成因和无机成因的标志之一，一般将-30‰作为划分无机成因和有机成因气的δ13C1界限值[21-22]。有机成因甲烷又分为生物成因和热演化成因，一般认为，生物成因的甲烷C同位素小于-60‰，且气体组分以不含重烃为特点[23]。热演化的不同阶段的甲烷C同位素特征值不同，一般为-28‰~-45‰，随着演化程度的增高，甲烷C同位素增大[17-18]。
柴北缘甲烷C同位素分析结果（表 2）表明，研究区2个样品的δ13C1值分别为-38.4‰和-39.9‰，都小于-30‰，说明其成因为有机成因。由于研究区热演化程度低，所以甲烷C同位素值偏低。而热演化成因天然气又可进一步分为煤型气和油型气，结合样品重烃含量低（表 1）及研究区存在煤型烃源岩的特点，综合分析认为，研究区样品为煤型甲烷气。
4. 氦气富集地质条件及影响因素
4.1 磁性基底分布
柴达木盆地航磁Δt异常图显示，柴北缘-绿梁山-埃姆尼克山为正负异常过渡的密集梯级带，阿尔金山前、赛什腾山前为非常明显的高磁异常区（图 4）。
柴北缘主体表现为以广阔平缓的负磁异常为区域背景，异常值一般为-180~-40nT。柴北缘东段磁异常主体呈北西走向，西段磁异常以宽缓的近南北向为主，异常最大值为95nT，最小值为-310nT。北部山前带在区域负背景场上叠加有北西—近东西向的高频局部磁异常，为火成岩侵入体的反映[17]。综合研究表明，柴达木盆地沉积岩主要表现为无磁性或弱磁性特征，因而磁异常主要与基底内部磁性层分布及火成岩体的发育有关。区域负背景场是本区弱磁性基底的反应，低幅度的高频磁异常可能是表层磁性体引起的，大幅度的高频磁异常可能为基底侵入岩体的反映。
4.2 区域大断裂展布
柴北缘发育一系列的断裂系统，共同控制了盆地的形成与演化过程。其中，山前地带发育一系列的深大断裂（图 1）。
（1）赛什腾逆冲断裂
该断裂主要由赛什腾山前断裂带组成。赛什腾山前断裂带呈向南西凸出的弧形，由多条逆冲断裂和构造岩组成，兼具逆冲和走滑性质。前人[25]对地层的接触关系、断裂的切割关系及与断裂有关的褶皱卷入地层的时代进行了研究，笔者认为，赛什腾-锡铁山左行逆冲断裂带定型于上新世末。
（2）埃姆尼克山南断裂
该断裂分布于锡铁山、埃姆尼克山南缘，呈北西走向，是一条深入到基底的大型右旋走滑断裂，奥陶系—石炭系直接覆盖在新生代盆地盖层之上。前人通过盆地北缘沉积地层和断裂的分析，认为该断裂主要形成于上新世之后[26]。
4.3 盖层特征及其封盖性
柴北缘盖层以低孔渗致密泥质岩为主，发育多套储盖组合。由于柴北缘经历多期构造活动，地层连续沉积较差，因此盖层的分布也存在较大差异。总的来看，油气层主要分布于古近系路乐河组（E1+2）下部、下干柴沟组下段（E31）和上油砂山组（N21），古近系路乐河组（E1+2）、下干柴沟组上段（E32）是2套区域盖层，侏罗系（J）、新近系上干柴沟组（N1）、上油砂山组（N22）盖层为局部性盖层[27]（图 5）。其中侏罗系盖层主要为原生油气藏的有效盖层，古近系—新近系盖层主要为次生油气藏的有效盖层。总体上，侏罗系和下干柴沟组盖层封闭性较好，路乐河组盖层封盖性次之，上油砂山组盖层封闭性一般。
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图 5 柴达木盆地北缘储盖关系（据参考文献[27]修改）J—侏罗系；E1+2—古近系路乐河组；E31—古近系下干柴沟组；E32—古近系上干柴沟组；N1—新近系上干柴沟组；N21—新近系上油砂山组；N22—新近系下油砂山组Figure 5. The relationship between reservoir and caprock on the northern margin of Qaidam Basin实际上，上述盖层评价仅是对于常规油气藏而言，但氦气的分子小，一般盖层难以封闭，相对于氦气的小分子，盖层的低孔渗特征也显得不是那么有效。与此相似的是，在柴达木盆地三湖地区，第四系具有高孔渗的特点，但正是在这种岩石盖层的封闭下形成了柴达木盆地的大型高效生物气藏，前人研究发现，柴达木盆地生物气盖层的封闭性与岩石的含水饱和度有密切关系，饱含盐水的盖层能够有效地阻止天然气渗流散失和扩散散失，再加上多套储盖层组合的累加，上一气层或直接盖层的高含气饱和度有效地阻止了气体的向上扩散，形成烃浓度封闭[28]。
4.4 富氦天然气可能成因模式
花岗岩围岩或基底中的含U、Th矿物经过α衰变形成4He分子。由于氦气具有强烈的扩散性，由衰变产生的氦气分子垂直向上扩散、运移，其扩散系数一般小于3×10-5~5×10-5cm2/s，很难在孔渗特征较好的砂质岩石中聚集，只有在遇到泥质岩等封堵性较好的致密盖层时，才有可能形成一定的聚集。柴北缘侏罗系暗色泥岩既是有机质的生烃层位，又可作为侏罗系的盖层。当氦气分子运移到该层位时，可与其中的烃类气体结合形成富氦天然气，进而在一定的部位形成较好的富集或圈闭。柴北缘广泛发育的断裂为氦气分子提供了绝好的运移通道，深切至基底甚至地幔的深大断裂是幔源成因氦气向上运移的主要通道，其他断裂则是氦气运移的优势通道，氦气分子沿断层向更远或更接近地表的地方运移、赋存（图 6）。在此过程中，氦气有可能与地层内其他的烃类、非烃类气体结合形成一定的富集或圈闭。目前，氦气如何与烃类、非烃类气体结合及结合后的运移过程等还有待进一步的研究，但柴北缘多套盖层的累加效应和岩石的含水饱和度、含气饱和度等特殊封闭条件，有可能阻止气体的向上扩散，形成烃浓度封闭，从而形成一定的资源前景。
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图 6 柴北缘富氦天然气成因模式示意图Figure 6. The genetic model of helium-rich gas on the northern margin of Qaidam Basin5. 结论
（1）在柴北缘全吉山、团鱼山地区发现了富氦天然气，其中氦的体积分数远大于中国的工业利用标准值。甲烷C同位素和He同位素结果显示，该富氦天然气为有机成因，其中的氦主要为壳源成因。
（2）柴北缘壳源氦主要来源于基底富U、Th花岗岩体的放射性衰变。氦形成后，柴北缘分布复杂的多期断裂（特别是深切至基底的大断裂）为氦的运移提供了良好通道。在向上运移过程中，受上覆多套盖层累加效应、盐水饱和度等特殊封闭条件的影响，氦有可能在一定部位赋存或聚集，而形成一定的资源潜力。
致谢: 长安大学王晓鹏硕士和青海煤炭地质一〇五勘探队党洪量助理工程师在样品采集和处理过程中给予了很大帮助，审稿专家提出了建设性的意见，在此一并表示感谢。 -
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图 1 研究区位置及主要断裂分布简图
Figure 1. Location of the study area and distribution of major faults
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图 3 柴达木盆地北缘He-3He/4He关系图
（中国东部地区数据据参考文献[13]）
Figure 3. He -3He/4He diagram for the northern margin of Qaidam Basin
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图 5 柴达木盆地北缘储盖关系（据参考文献[27]修改）
J—侏罗系；E1+2—古近系路乐河组；E31—古近系下干柴沟组；E32—古近系上干柴沟组；N1—新近系上干柴沟组；N21—新近系上油砂山组；N22—新近系下油砂山组
Figure 5. The relationship between reservoir and caprock on the northern margin of Qaidam Basin
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图 6 柴北缘富氦天然气成因模式示意图
Figure 6. The genetic model of helium-rich gas on the northern margin of Qaidam Basin
表 1 柴北缘气体样品成分组成
Table 1 Gas sample chemical composition on the northern margin of Qaidam Basin
样品编号 采样地区 采样深度/m 采样层位 样品状态 气体主要组成成分体积分数/% CH4 C2H6 C2H8 H2 He N2 CO2 KT-7-1 团鱼山 874 J2d7 解吸气 49.06 0.49 0.24 0.00 1.14 48.58 0.30 KT-7-2 团鱼山 883 J2d7 解吸气 59.95 0.76 0.17 1.08 0.68 36.72 0.51 KT-7-3 团鱼山 885 J2d7 解吸气 35.64 0.56 0.07 0.73 0.47 62.13 0.36 KT-7-4 团鱼山 910 J2d7 解吸气 36.89 1.05 0.06 0.00 0.60 60.79 0.60 KT-7-8 团鱼山 925 J2d7 解吸气 27.89 0.89 0.02 0.00 0.50 70.22 0.47 9-8-1 全吉山 — — 井口气 0.04 0.00 0.00 0.00 1.10 98.84 0.00 注：表中各成分体积分数是扣除空气后的实际体积分数；J2d7代表中侏罗统大煤沟组七段（下表同） 
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表 2 柴达木盆地北缘天然气同位素特征
Table 2 Isotopic characteristics of gas in the northern margin of Qaidam Basin
样品编号 采样地区 采样深度/m 采样层位 He/% δ13C-PDB/‰ R/Ra 3He/4He/10-6 幔源He/% KT-7-1 团鱼山 874 J2d7 1.14 — 0.05 0.06 0.40 KT-7-2 团鱼山 879 J2d7 — -39.9 — — — KT-7-3 团鱼山 883 J2d7 0.68 — 0.93 1.30 11.69 KT-7-4 团鱼山 885 J2d7 — -38.4 — — — KT-7-8 团鱼山 925 J2d7 0.50 — 0.56 0.78 6.92 9-8-1 全吉山 — — 1.10 — 0.02 0.03 0.12
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