“山西式”氦氣成藏模式及其意義

李濟(jì)遠(yuǎn)， 李玉宏，，胡少華，周俊林，陳高潮，張尚清

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710061；3.山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620)

0 引 言

氦氣是國家安全和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要稀有戰(zhàn)略資源，在航天、國防和高端能源系統(tǒng)(四代氦冷卻核反應(yīng)堆)、半導(dǎo)體和光纖制造等工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)成像與深潛水等民生領(lǐng)域運(yùn)用廣泛且不可替代[1-2]。中國氦氣供應(yīng)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，資源安全形勢嚴(yán)峻，渭河盆地地?zé)峋樯鷼ぴ春怙@示十分普遍，含量之高世界罕見，同時(shí)也是中國氦氣資源少有的研究程度較高地區(qū)[3-7]，因此有望在渭河盆地及周緣取得突破。柴達(dá)木盆地北緣、塔里木盆地麥蓋提斜坡等也發(fā)現(xiàn)富氦天然氣藏[8-13]，為中國氦氣資源保障帶來了希望。渭河、柴達(dá)木和塔里木盆地氦氣資源與世界普遍發(fā)現(xiàn)的氦氣資源一樣，源巖主要與花崗巖類及其變質(zhì)巖相關(guān)。

受渭河盆地氦氣調(diào)查研究成果的啟發(fā)，山西省第三地質(zhì)工程勘察院在西安地質(zhì)調(diào)查中心指導(dǎo)下，開展山西省氦氣資源調(diào)查取得良好成果，晉中盆地的“晉熱1號井”20件井口氣體樣品氦氣含量高達(dá)8.50%～18.86%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，平均為13.40%，氦氣含量之高為世界少有。氦同位素是鑒別氦氣來源的重要手段，晉中盆地R/Ra值在0.02左右，為典型的殼源氦。

1 晉中盆地構(gòu)造特征

晉中盆地屬汾渭地塹，發(fā)育于晉中-靈石向斜之上，周緣次級高角度正斷層發(fā)育，盆地西側(cè)大范圍出露晚古生代-三疊紀(jì)地層，東側(cè)大范圍出露三疊紀(jì)地層，并有小范圍侏羅紀(jì)地層分布，在太谷縣東可見新近紀(jì)不整合于三疊紀(jì)地層之上[14]。晉中盆地周緣分別以何莊斷裂、山畛斷裂、柴村斷裂、清徐-交城斷裂、三泉斷裂、榆次斷裂、洪山-范村斷裂為界，內(nèi)部以司馬斷裂、太谷-平遙-介休斷裂劃分為太原斷階、清徐坳陷、孝義斷階和陽邑-北賈斷階，盆地北西側(cè)深、東南側(cè)淺(圖1)[15-16]。富氦天然氣發(fā)現(xiàn)地位于陽邑-北賈斷階北部，榆次斷裂和北田斷裂交匯處。

圖1 晉中盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D(據(jù)文獻(xiàn)[16]修改)Fig.1 Structural unit division map of Jinzhong Basin(modified from[16])

2 晉中盆地石炭系-二疊系烴源巖

晉中盆地屬古生代華北克拉通、三疊紀(jì)大鄂爾多斯盆地的一部分，從區(qū)域構(gòu)造演化特征來看[15，17-18]，晉中盆地前新生代基底普遍發(fā)育晚古生代煤系地層，主要證據(jù)為：①盆地東西兩側(cè)大面積分布晚古生代-三疊紀(jì)地層[19]，發(fā)育晚石炭世至中三疊世海相-海陸交互相-陸相沉積，并且地層沉積連續(xù)，上新統(tǒng)不整合于中生界之上；②盆地內(nèi)部鉆孔新生界之下鉆遇三疊系，未穿；③晚古生代-三疊紀(jì)華北地區(qū)是一個(gè)統(tǒng)一的盆地，晉中盆地是新生代才開始形成的斷陷盆地，疊合于前期盆地之上；④盆地周緣地層與盆地內(nèi)鉆井剖面對比(圖2)，前新生代盆地基底最高層位為三疊系延長組。

本溪組烴源巖主要為暗色泥巖、煤層和灰?guī)r，厚度0.6～30.2 m。泥巖TOC含量0.33%～ 5.40%，煤層TOC含量44.4%，灰?guī)rTOC含量0.44%；Ro為1.11%～1.84%；干酪根類型Ⅲ型，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高。太原組烴源巖主要為暗色泥巖、煤層和灰?guī)r，厚度16.54～83.8 m。碳質(zhì)泥巖TOC含量8.96%～44.8%，泥巖TOC含量0.52%～7.80%，煤層TOC含量41.8%～57.3%，灰?guī)rTOC含量0.51%～0.56%；Ro為1.02%～2.58%；干酪根類型以III型為主，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高。山西組烴源巖類型主要為暗色泥巖、(含)碳質(zhì)泥巖，厚度4.6～85.2 m。泥巖TOC含量0.59%～8.44%，煤層TOC含量54.3%～62.2%，(含)碳質(zhì)泥巖TOC含量10.60%～25.70%；干酪根類型為III型，熱演化程度高[20]。

晉中盆地石炭系-二疊系發(fā)育良好的煤系烴源巖，有機(jī)碳豐度高，干酪根類型為III型，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，具有良好生氣能力。

3 氦源巖

目前工業(yè)利用的氦氣資源主要為鈾釷元素的放射性衰變形成的殼源氦。放射性衰變生成過程不同于烴類氣，烴源巖在溫度壓力的演化作用下達(dá)到生油氣門限后進(jìn)入生油氣高峰大量生成油氣，從而能集中產(chǎn)氣。烴源巖在熱成熟的條件下能生成足夠的烴類氣體，不僅使巖石的孔隙和表面飽和，甚至其產(chǎn)生的壓力能超過產(chǎn)氣層的靜水壓力，使地層水中烴類氣體飽和從而以游離態(tài)聚集成藏。在各類巖石中，烴源巖U，Th含量最高，是生氦效率最高的巖類(圖3)，但其生烴能力太強(qiáng)，根據(jù)計(jì)算，生烴潛量為2 mg HC/g巖石的有機(jī)質(zhì)頁巖成熟后產(chǎn)生的甲烷氣體是其10億年產(chǎn)生氦氣的3 000倍，烴源巖生成的氦氣被大大稀釋，無法富集[21]，而形成富氦天然氣需要有富U，Th巖而貧有機(jī)質(zhì)的巖類作為氦源巖，以避免氦氣被過度稀釋。目前花崗巖等酸性巖是較為公認(rèn)的氦源巖，與花崗巖類相關(guān)的變質(zhì)基底也是氦的貢獻(xiàn)者之一[1，22]。

圖2 晉中盆地及周緣地層對比Fig.2 Stratigraphic correlation diagram of Jinzhong Basin and its surroundings

圖3 不同巖石生氦速率(據(jù)文獻(xiàn)[21]修改)Fig.3 Helium generation rate of different rocks(modified from Ref[21])

晉中盆地磁場總體呈負(fù)異常(圖4)，反映盆地火成巖不發(fā)育，變質(zhì)基底埋藏深，花崗巖類等傳統(tǒng)氦源巖不足。然而，研究區(qū)賦存著如此高豐度富氦天然氣，必然存在其他類型優(yōu)質(zhì)氦源巖。

前人研究表明華北地區(qū)本溪組(C2b)底部廣泛發(fā)育黃褐色鐵質(zhì)結(jié)核透鏡體及灰白色鋁土質(zhì)黏土巖，即鐵鋁巖段，其上為深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖夾煤線，與下伏奧陶紀(jì)碳酸鹽巖地層呈平行不整合接觸。本溪組鋁土巖系沉積厚度主要受古地貌控制，低洼處沉積較厚[23-24]，區(qū)內(nèi)本溪組“山西式”鐵礦、鋁土礦和硬質(zhì)黏土巖發(fā)育，構(gòu)成了分布廣泛的鋁土巖系。

圖4 晉中盆地及鄰區(qū)航磁異常(向上延拓10 km)Fig.4 Jinzhong Basin and the aeromagnetic anomaly map of the adjacent areas(extended upwards by 10 km)

本溪組鋁土巖系在測井曲線上表現(xiàn)為高自然伽馬，顯示放射性元素含量高(圖5)。晉中盆地孝義鋁土礦區(qū)數(shù)據(jù)表明[25]，本溪組鐵鋁巖段高自然伽馬主要與U，Th元素相關(guān)。根據(jù)河南偃龍地區(qū)ZK4704鉆孔[26]、陜西銅川野外露頭及山西晉中盆地鉆孔樣品分析數(shù)據(jù)(表1)，河南偃龍ZK4704鉆孔樣品U，Th含量分別為18.09×10-6和53.24×10-6，陜西銅川野外露頭樣品U，Th含量分別為14.6×10-6和34.2×10-6，晉中盆地鉆孔樣品U，Th含量分別為32.9×10-6和58.4×10-6。露頭樣品因風(fēng)化U，Th有流失，本溪組鋁土巖系U，Th含量取井下樣品平均值25×10-6和56×10-6，明顯好于花崗巖(表2)，生氦速率僅次于烴源巖(圖3)。而地殼中氦氣的生成主要是來自于鈾、釷元素的放射性衰變，衰變產(chǎn)量不僅與元素豐度有關(guān)，還與時(shí)間有關(guān)。由于本溪組時(shí)代較渭河盆地花崗巖中生界和鄂爾多斯盆地三疊系油頁巖更老，生氦量更大。河南偃龍鋁土巖累計(jì)生氦2.43 L/m3，晉中盆地鋁土巖累計(jì)生氦3.69 L/m3，生氦能力均好于U，Th含量分別為5.3×10-6和19×10-6[1]的渭河盆地花崗巖及U，Th含量分別為35.5×10-6和13.6ppm×10-6[27]的鄂爾多斯盆地延長組長7油頁巖(表3)。可見，鋁土巖系是優(yōu)質(zhì)氦源巖，其分布較廣，厚度數(shù)米—數(shù)十米，一般十余米[26，28]，是該區(qū)重要的氦源巖，其地質(zhì)特征及對區(qū)內(nèi)氦氣富集的作用，與鄂爾多斯盆地長7烴源巖對其中生界油氣的作用類似。而鋁土巖中的鋁土礦層更是高度富集U和Th，孝義地區(qū)中鋁土礦樣品的鈾和釷豐度分別為58.28×10-6和66.76×10-6[25]，生氦強(qiáng)度更高。良好的鋁土礦成礦條件也有助于氦氣保存，有利于溶液在酸性條件下對黏土礦物的改造，從而促進(jìn)鋁土礦的富集；鋁土礦中的氦源元素富集將提升生氦強(qiáng)度，良好的封閉條件使生成的氦能夠留存在地層中。

圖5 本溪組鋁土巖系測井曲線Fig.5 Logging curves of the bauxite rock series of Benxi Formation

4 成藏模式

氣體在水中的溶解度受溫度、壓力、氣體體積分?jǐn)?shù)和氣體種類的影響。在這4個(gè)參數(shù)中，壓力和氣體體積分?jǐn)?shù)決定氣體的分壓，對氣體的溶解度具有決定性地影響。孔隙水中He濃度高，與水相互作用的氣體體積小，與水相互作用的孔隙壓力小，有利于氣體中He濃度升高[21]。研究表明，由于殼源氦氣的“弱源氣”性質(zhì)，氦氣難以獨(dú)立成藏，有效氦源巖、高效運(yùn)移通道(斷裂、不整合)、載體氣藏是氦氣成藏的基本條件。弱源氦氣主要以地下水中溶解態(tài)，通過高效運(yùn)移通道，疏導(dǎo)至載體氣藏，在氣藏氣水界面因分壓降低，脫溶充注，一旦氦被吸入氣體中，它就會(huì)同其他氣體一起向圈閉中遷移，積累形成富氦天然氣藏[1，29-30]。

表1 本溪組鋁土巖系鈾、釷元素含量

表2 不同類型巖石鈾釷含量(據(jù)文獻(xiàn)[21]修改)

表3 不同氦源巖生氦能力數(shù)據(jù)

鄂爾多斯盆地天然氣勘探中，鋁土巖系一直被當(dāng)做風(fēng)化殼氣藏的區(qū)域蓋層[31-32]。前人曾認(rèn)為大牛地氣田本溪組鋁土質(zhì)泥巖微裂縫和溶孔發(fā)育，具有較好的孔隙網(wǎng)絡(luò)，可成為潛在儲(chǔ)層[33]。2020年鄂爾多斯盆地南緣寧古3井鋁巖系天然氣勘探的突破，鋁土巖系成為了鄂爾多斯盆地天然氣勘探新領(lǐng)域[34]。

晉中地區(qū)在古生代與現(xiàn)鄂爾多斯盆地所在地區(qū)同屬華北克拉通，二者地質(zhì)背景及地層發(fā)育于特征相近。區(qū)內(nèi)石炭系本溪組鋁土巖系之上的煤系地層是良好的烴源巖，有機(jī)碳豐度高，為III型干酪根類型，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，具有良好生氣能力，可為氦氣富集提供載體氣。鋁土巖系及其下伏碳酸鹽巖風(fēng)化帶裂隙發(fā)育，是天然氣良好儲(chǔ)集層，鋁土巖系及其之上的煤系地層是其封蓋層。鋁土巖系的強(qiáng)非均質(zhì)性使其在孔縫發(fā)育時(shí)成為儲(chǔ)集層，而缺乏孔縫時(shí)又可以做蓋層。

新生代以來，晉中盆地周緣斷裂發(fā)育，形成多級斷階構(gòu)造，向盆地內(nèi)斷塊逐級下降，使盆內(nèi)烴源巖生成的天然氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移到斷塊的鋁土巖系及其下伏碳酸鹽巖風(fēng)化帶裂隙中聚集，形成載體氣藏；盆緣鋁土巖系儲(chǔ)層生成的氦氣可直接進(jìn)入氣藏，盆內(nèi)鋁土巖系氦源巖生成的氦氣與地下流體一起沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移，在氣水界面持續(xù)脫溶進(jìn)入載體氣藏，不斷積累形成富氦天然氣藏；同時(shí)基底等其他地層中生成的氦氣亦可通過斷裂與地下流體一起疏導(dǎo)至氣藏附近，脫氣進(jìn)入氣藏成為鋁土巖系氦氣的補(bǔ)充氣源(圖6)，形成更高豐度的富氦天然氣。位于晉中盆地陽邑-北賈斷階北部、榆次斷裂和北田斷裂交匯處的“晉氦1井”等富氦天然氣的發(fā)現(xiàn)，初步驗(yàn)證了上述成藏模式。與“山西式”鐵礦、鋁土礦密切相關(guān)的上述成藏模式可成為“山西式”氦氣成藏模式，以有別于與花崗巖類相關(guān)的氦氣成藏模式。石炭紀(jì)-二疊紀(jì)煤系地層作為烴類載體氣氣源、本溪組鋁土巖系是優(yōu)質(zhì)氦源巖和儲(chǔ)集層系、斷階構(gòu)造形成上下地層“錯(cuò)位”是“山西式”氦氣成藏的3個(gè)要素。

圖6 晉中盆地富氦天然氣成藏模式Fig.6 Helium-rich natural gas accumulation model in Jinzhong Basin

古喀斯特型鋁土礦是中國鋁土礦的主要類型，產(chǎn)于碳酸鹽巖侵蝕面上的一水硬鋁石型鋁土礦約占全國總儲(chǔ)量的75%，廣泛分布于山西、河南等華北大地區(qū)[35]。鋁土巖系上覆煤系地層組合在鄂爾多斯盆地及周緣油氣區(qū)廣泛發(fā)育[36]，良好的煤成氣氣藏[37]與鋁土巖氦氣資源有效組合，為形成富氦天然氣藏創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件?？梢?，以晉中盆地為代表的“山西式”氦氣成藏模式值得深入研究。

5 結(jié) 論

1)晉中盆地石炭-二疊紀(jì)煤系地層廣泛發(fā)育，可為烴類載體氣提供氣源；本溪組鋁土巖系是是“山西式氦氣”的重要優(yōu)質(zhì)氦源巖和儲(chǔ)集層系，斷階構(gòu)造可使石炭-二疊紀(jì)煤系地層構(gòu)造位置低于本溪組鋁土巖系，有利于烴類氣沿?cái)嗔堰M(jìn)入構(gòu)造高部位本溪組鋁土巖中形成載體氣藏。

2)“山西式”鋁土巖系優(yōu)質(zhì)氦源巖的發(fā)現(xiàn)及氦氣成藏模式的建立，創(chuàng)新了氦源巖主要為與酸性巖(花崗巖)相關(guān)的地質(zhì)體為主的認(rèn)識，增加了品質(zhì)更好、分布廣泛的新型氦源巖，拓展了氦氣勘探新領(lǐng)域。

3)古喀斯特風(fēng)化殼沉積型鋁土巖系在中國分布廣泛，其中鋁土巖系及其上覆煤系地層組合，與斷階構(gòu)造配合形成的“山西式”富氦天然氣成藏模式，在華北地區(qū)與世界其他區(qū)域具有重要借鑒意義。