高效氦源岩特征与氦释放机制：揭示氦富集天然气形成的关键控制因素

针对氦源岩“弱源”特性及氦释放机制不清的科学问题，研究人员系统研究了沉积岩、火成岩和变质岩中铀(U)、钍(Th)赋存状态与氦释放规律，首次提出有效氦源岩判别标准，阐明基底花岗岩大规模氦释放是形成富氦天然气藏的关键。该成果为氦资源勘探提供了理论支撑，发表于《Journal of Natural Gas Ge Science》。

　　

氦作为战略稀缺资源，在现代高科技领域具有不可替代性，但其在地壳中的丰度极低且赋存状态复杂。目前工业可采的氦资源主要赋存于天然气藏中，然而关于何种岩石能成为有效氦源岩、氦如何从“弱源”岩石中释放等关键科学问题尚未解决。传统观点认为铀(U)和钍(Th)含量决定氦源岩潜力，但实际勘探发现氦富集程度与简单元素丰度并不完全相关，暗示存在更复杂的控制机制。

为破解这一难题，中国石油勘探开发研究院的科研团队开展了跨学科研究，系统分析了三大岩类中U/Th的赋存特征及其对氦释放的影响。研究发现，沉积岩中U/Th主要通过与有机质和黏土矿物的吸附/络合态存在，而火成岩中则以硅酸盐/磷酸盐矿物同构替代为主。通过创新性提出“氦溶解饱和时间”概念，团队首次量化了不同岩石的氦释放效率，揭示了基底花岗岩在构造抬升和高温条件下的大规模氦释放机制。该成果发表于《Journal of Natural Gas Geoscience》，为氦资源勘探提供了全新理论框架。

研究采用的主要技术方法包括：岩石地球化学分析测定U/Th含量及赋存状态；氦同位素质谱技术区分³
He/⁴
He来源；数值模拟计算不同温压条件下的氦溶解饱和度；典型氦气田（如威远、鄂尔多斯）的实例验证。

研究结果

1. 母体元素丰度与赋存状态
   沉积岩中U/Th富集于有机质和黏土矿物，黑页岩和铝土矿含量最高；花岗岩U/Th以同构替代形式富集于锆石、独居石等副矿物，酸性岩含量显著高于基性岩。变质岩的U/Th分布受原岩控制，高级变质作用可促使其活化迁移。

2. 氦释放机制
   提出两阶段释放模型：①初级迁移（氦脱离矿物晶格）受核反冲效应和矿物裂解温度控制，铀矿物的氦封闭温度最低（27–76°C）；②二次迁移（孔隙氦运移）中，花岗岩因低孔隙度和短饱和时间（<1Ga）最易发生氦脱溶，而高孔隙沉积岩饱和时间可达3.54Ga。

3. 有效氦源岩特征
   烃源岩和储集岩是沉积体系最高效氦源，但烃类稀释使氦浓度难超800×10^?6
   ；花岗岩基底通过构造抬升触发氦释放，与N₂
   协同形成工业级富氦气藏（如威远气田氦含量达3000×10^?6
   ）。

4. 复合成藏过程
   揭示三类富氦天然气成因模式：壳源同生型（烃源岩供氦）、壳源异生型（基底供氦）和壳幔复合型。证实基底花岗岩体积效应（如四川盆地震旦系花岗岩体）和幔源流体叠加是形成高氦浓度的关键。

结论与意义
该研究建立了有效氦源岩的四大判别标准：①U/Th赋存状态决定初级迁移效率；②岩石孔隙度控制氦溶解饱和时间；③构造-热事件触发二次迁移；④基底体积补偿“弱源”缺陷。创新性指出花岗岩基底通过“低孔隙度-短饱和时间-构造抬升”三元耦合机制，成为 crust-derived 氦的主要供给者。这一发现突破了传统以U/Th含量单一指标的评价思路，为全球氦资源勘探提供了新的理论武器——在古老克拉通盆地基底花岗岩发育区，应优先勘查具有晚期构造活动的圈闭。同时，研究揭示的N₂
-He协同运移规律，为深部非烃气藏预测提供了重要标志。