鄂尔多斯盆地氦源岩特征及生氦潜力

刘成林，丁振刚，陈践发，范立勇，康 锐，王海东，洪思婕，田安琦，陈学勇

［1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；3.中国石油 长庆油气田公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018］

作为现代高科技产业无可替代的关键元素，氦气是重要的战略资源，全球氦资源主要集中在美国、阿尔及利亚和俄罗斯等少数国家。中国氦资源对外依存度极高，进口氦气的渠道和来源地又极为集中和有限，严重制约中国高科技产业和国家安全［1-3］。学者们对富氦常规气、致密气、水溶气藏形成条件开展了研究，取得的进展和认识为本文研究奠定了基础［4-16］。中国已在中部四川、鄂尔多斯等盆地，西部塔里木、柴达木等盆地，东部松辽、海拉尔、苏北、渤海湾等盆地，南方三水等盆地中发现富氦、高氦天然气藏［5-6，16-25］。部分地区地热井和温泉中也有氦气发现［26-27］。

天然气中的氦主要有大气源、壳源（岩石中放射性U 和Th 元素衰变形成）和幔源（地球形成时赋存于地球深部的原始氦），多数具有商业价值的氦气资源主要为壳源氦。壳源氦源岩又分为壳源远源型与壳源近源型两种类型［28］。壳源远源型源岩主要包括高级变质片麻岩和变粒岩、大理岩、混合岩和花岗片麻岩等。例如渭河盆地富氦天然气藏的主要氦源岩为北秦岭广泛发育的富U 花岗岩；东胜气田氦气主要来源于基底太古宇-元古宇的变质岩-花岗岩中U 和Th元素的衰变［25，29］。壳源近源型源岩主要是富U 和Th的沉积岩，特别是富有机质页岩。在地壳岩石中，由于吸附大量铀和钍元素且富有机质页岩的U 和Th 含量最高且氦气生成量最大，单位时间内富有机质页岩生成的氦气量是花岗岩的9～10 倍。例如，四川盆地五峰组-龙马溪组富有机质页岩的U 和Th 含量高、厚度大、分布广，氦气资源潜力大［30-38］。

氦源是氦气资源形成的首要条件，氦源岩空间分布与氦源潜力评价是氦气资源勘查的关键问题。在野外地质调查、重磁资料解释、岩心描述及主、微量元素实验室分析测试等的基础上，系统分析不同U 和Th 元素含量岩石和矿物的成氦潜力，结合数值模拟定量评价鄂尔多斯盆地氦源潜力，厘定主力氦源；研究沉积盆地及其基底不同岩系的产氦丰度和强度。

1 氦气地质背景

鄂尔多斯盆地是发育在华北克拉通西部变质结晶基底之上的多旋回叠合盆地，依据盆地演化历史、构造特征及基底特性的不同，可将盆地划分成6 个一级构造单元：伊盟隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、渭北隆起、天环坳陷和西缘逆冲带［39］。

盆地天然气资源丰富，目前已发现苏里格、榆林等多个气田。其中，东胜气田氦气平均含量为0.133 %，苏里格气田东区、中区、西区和南区均为0.042 %～0.108 %，榆林气田为0.032 %，神木气田为0.029 %，子洲米脂气田为0.041 %，黄龙气田为0.233 %，庆阳气田为0.068 %，表明鄂尔多斯盆地天然气具有较高的氦气含量（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地已发现含氦天然气田氦气丰度与样品采集点分布［39］Fig.1 Map showing the abundance of helium and relevant sampling points in helium-bearing gas fields discovered in the Ordos Basin［39］

鄂尔多斯盆地潜在氦源岩的岩石类型主要是太古宇-古元古界富含U 和Th 元素的花岗岩和花岗片麻岩等变质岩、中元古界长城系黑色板岩、下古生界下奥陶统马家沟组泥质含量较高的碳酸盐岩和上古生界上石炭统本溪组、下二叠统太原组与山西组的泥岩、煤及铝土岩（图2）。

图2 鄂尔多斯盆地潜在氦源岩地层柱状图（据文献［39］修改）Fig.2 Stratigraphic column of potential helium source rocks in the Ordos Basin（modified from reference ［39］）

2 基底型潜在氦源岩

基底经历了太古宙—古元古代构造运动，形成了一套整体磁性较强、以片岩、高级变质片麻岩和变粒岩为主的太古宇变质岩系与另一套整体磁性偏弱、以大理岩、混合岩和花岗片麻岩为主的古元古界变质岩系的稳定结晶基底（图3a—d）。太古宇陆块上叠加了古元古界，从北到南依次为乌拉山群、上集宁群-贺兰山群、恒山-吕梁群、界河口群和涑水-中条群。

图3 鄂尔多斯盆地潜在氦源岩特征照片Fig.3 Micrographs and pictures showing potential helium source rocks in the Ordos Basin

基底西部石榴夕线黑云斜长片麻岩与东部片麻状二云母花岗岩的钻孔样品进行SHRIMP 锆石U-Pb 定年，分别获得了2 031 Ma±10 Ma 和2 035 Ma±10 Ma 的年龄［40］。北部乌拉山-大青山岩性主要为闪长质变质岩和碱性变质岩，狼山主要为闪长质变质岩，南部秦岭主要为花岗片麻岩。根据重力和磁力资料解释，太古宇和古元古界大致呈北东-南西向相间分布。根据放射性原理和铀、钍衰变方程［公式（1）］［35］，可计算出氦源岩的生氦强度。

式中：4He为氦源岩的生氦强度，10-6cm3/（a·g）；U为铀丰度，10-6；Th为钍丰度，10-6。

盆地基底岩石U 和Th 平均丰度分别为1.29×10-6和8.19×10-6，生氦强度为0.391×10-6cm3/（a·g）（表1）。鄂尔多斯地区基底厚度远大于上覆沉积层，具有较高的生氦潜力。

表1 鄂尔多斯盆地潜在氦源岩参数统计Table 1 Parameter statistics of potential helium source rocks in the Ordos Basin

3 沉积型潜在氦源岩

基底形成之后，盆地经历了晋宁、加里东、海西、印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动，形成了以陆相碎屑岩和碳酸盐岩为主沉积盖层，厚约3 000～8 000 m［41-48］。

3.1 长城系

中元古界长城系具明显裂陷槽式（拗拉谷）沉积特征，盆地西缘及南缘为主裂陷槽，可能代表了秦、祁、贺三叉裂谷系最早活动的沉积记录，厚度多在千余米及以上，向盆地西缘深坳陷区有明显加厚趋势，沉积厚度局部可达2 000～3 000 m。除了盆地东部，长城系在盆地均有分布，最大厚度可达1 000 m，岩性主要为石英砂岩（图3e）、长石（岩屑）石英砂岩、炭质板岩及结晶灰岩（大理岩）。长城系黑色板岩是潜在氦源岩，主要分布在盆地北部和西南部。中元古代初始年龄取1 717 Ma，U和Th元素平均丰度为1.29×10-6和2.49×10-6，生氦强度为0.227×10-6cm3/（a·g）。由于中元古界长城系潜在氦源岩岩石年代较老，U、Th元素丰度较高，在平面和深度的发育规模也较大，可见其具有较高的生氦潜力。

3.2 下奥陶统马家沟组

下奥陶统马家沟组在鄂尔多斯盆地西南部中央古隆起和北部伊盟隆起缺失严重，主要发育在鄂尔多斯盆地中东部，根据沉积演化特征，马家沟组可以分为6 个段：马一段、马三段和马五段主要为蒸发台地沉积，岩性主要为膏盐岩和白云岩；马二段、马四段和马六段主要为碳酸盐台地沉积，岩性主要为白云岩和石灰岩［44］。以桃61井为例，马五段的白云岩夹有薄层泥质白云岩，厚度约为45 m，Th 和U 元素含量相对较高，具有一定的生氦潜力。

下古生界下奥陶统马五段泥质白云岩为潜在氦源岩（图3f）［41］，平均年龄为487 Ma，U和Th元素平均丰度分 别为4.30×10-6和10.60×10-6，生氦强度为0.820×10-6cm3/（a·g）。

3.3 石炭系-二叠系

上古生界石炭系-二叠系泥岩、炭质泥岩和煤是烃源岩，砂岩和铝土岩是天然气储层（图3g—i）。泥岩和煤在全盆地广泛分布，平均年龄为292 Ma，其中二叠系太原组泥岩U 和Th 元素平均丰度分别为9.68×10-6和22.68×10-6，泥岩厚度为30 m左右，生氦强度为1.820×10-6cm3/（a·g）；二叠系太原组煤U 和Th 元素平均丰度分别为14.99×10-6和35.19×10-6，最大厚度为14 m，生氦强度为2.820×10-6cm3/（a·g）。由于相较于基底氦源岩，上古生界石炭系-二叠系泥岩和煤的厚度不大，制约了该层系的生氦潜力。

上古生界石炭系铝土岩主要分布在盆地东部和西南部。平均年龄为317 Ma，U 和Th 元素平均丰度分别为7.14×10-6和38.57×10-6，生氦强度为1.97×10-6cm3/（a·g）。铝土岩最大厚度约为15 m，厚度较小，极大地制约了其生氦潜力。鄂尔多斯盆地陇东地区太原组沉积环境和古地貌控制了铝土岩储层的分布，潜坑和阶地型微古地貌富集铝土岩。铝土岩储层的主要矿物为硬水铝石，Al2O3成分占90 %以上，硬水铝石格架易溶矿物组分遭受溶蚀，形成大量溶蚀孔。铝土岩储集空间主要是颗粒内溶孔、基质溶孔、粒间溶孔、晶间孔隙及微裂隙等，孔径主要介于20～200 μm，整体上以亚微米-微米级孔喉为主，储层孔隙度平均为10.6 %，渗透率平均为4.04×10-3μm2；气藏受岩性圈闭控制，燕山期盆地东部构造抬升，铝土岩储层上倾方向被非渗透性的铝土质泥岩层所限，存在岩性相变有效遮挡条件，有利于形成岩性圈闭，有利于氦气聚集［42］。

4 生氦潜力及潜在区预测

结合上述分析，指出了鄂尔多斯盆地潜在氦源岩的岩石类型主要是太古宇-古元古界富含U-Th 元素的花岗岩和花岗片麻岩等变质岩，中-新元古界的石英岩、石英砂岩、结晶灰岩、大理岩和片岩等沉积变质岩，下古生界泥质含量较高的碳酸盐岩以及上古生界的泥岩。综合分析，生氦强度由强到弱依次为上古生界煤、上古生界铝土岩、上古生界泥岩、太古宇-古元古界花岗岩及变质岩、中-新元古界沉积变质岩和下古生界碳酸盐岩。但考虑到岩石年龄、氦源岩体积规模等氦源岩生氦潜力评价参数，对氦气生成的贡献仍需更深入的讨论。如太古宇-古元古界的花岗岩-变质岩系的厚度大，而沉积层系的厚度较小，例如石炭系-二叠系的煤系烃源岩厚度只有30～50 m，尽管其煤系烃源岩生氦强度更大，但单位时间生成的氦气总量远小于太古宇-古元古界的花岗岩-变质岩系。

受U 和Th 元素在氦源岩中的富集程度影响，鄂尔多斯盆地不同区域的生氦强度存在差异。整体上看，全盆地生氦强度在5.66×10-6～9.28×10-6cm3/（a·g），盆地南部的生氦强度较高，具有较高的生氦潜力（图4）。其中盆地西南部庆阳气田的氦源岩生氦强度最大，为9.28×10-6cm3/（a·g），而盆地北部东胜气田的氦源岩生氦强度最小，为5.66×10-6cm3/（a·g）。相较于鄂尔多斯盆地其他地区，各类潜在氦源岩在鄂尔多斯盆地西南部均有发育，具有“多源供氦”特征，氦源岩的体积规模优势较为明显，因此鄂尔多斯盆地西南部生氦潜力最大。

图4 鄂尔多斯盆地潜在氦源岩和生氦强度平面分布Fig.4 Planar distributions of potential helium source rocks and helium-generating intensities in the Ordos Basin

5 结论

1）鄂尔多斯盆地潜在氦源岩为地壳型，包括基底岩系和沉积岩系，主要是太古宇-古元古界富含U-Th元素的花岗岩和花岗片麻岩等变质岩、中元古界长城系沉积变质岩、下古生界泥质含量较高的碳酸盐岩及上古生界的泥岩、煤和铝土岩。

2）太古宇和古元古界基底岩系生氦强度为0.391×10-6cm3/（a·g），长城系板岩、下奥陶统马家沟组泥质白云岩及石炭系-二叠系泥岩、煤和铝土岩生氦强度分别为0.227×10-6cm3/（a·g），0.820×10-6cm3/（a·g），1.820×10-6cm3/（a·g），2.820×10-6cm3/（a·g）和1.970×10-6cm3/（a·g）。

3）各类潜在氦源岩在鄂尔多斯盆地西南部均有发育，具有“多源供氦”特征，生氦强度大，是潜在的富氦天然气分布区。