Current status and occurrence characteristics of water-soluble helium resources in Qinghai Province
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摘要:
水溶氦气作为氦气藏的一种特殊赋存类型，近年来逐步得到广泛关注。青海省地域广阔，温泉等地下水资源丰富，通过对温泉、冷泉、卤水的系统调查，系统探究了水溶氦资源分布、含量、成因特征及其与温度、矿化度的关系。研究表明：青海省水溶氦气资源的分布与侵入岩关系密切，主要分布于柴达木盆地、共和盆地、玛多地区、南祁连盆地，其中柴达木盆地水溶氦含量最大，最高达1.1%；估算柴达木盆地、共和盆地、玛多地区、南祁连盆地生氦量，分别为39.49×108 m3、2.16×108 m3、1.46×108 m3、1.90×108 m3；水溶氦R值为0.42×10−8～11.07×10−8，R/Ra为0.003～0.068，属典型壳源成因气；氦含量与温度呈弱正相关关系、与矿化度呈正相关关系，且水温大于25 ℃的温泉及矿化度大于1 g/l的咸水是青海省水溶氦资源赋存的有利环境。
Abstract:As a special type of helium reservoir, water-soluble helium has gradually received widespread attention in recent years. Qinghai Province has a vast territory and abundant groundwater resources such as hot springs. Through a systematic investigation of hot springs, cold springs, and brine, the distribution, content, genetic characteristics, and relationship with temperature and mineralization of water-soluble helium resources were systematically explored. Research has shown that the distribution of water-soluble helium resources in Qinghai Province is closely related to intrusive rocks, mainly distributed in the Qaidam Basin, Gonghe Basin, Maduo Region, and South Qilian Basin. Among them, the Qaidam Basin has the highest water-soluble helium content, up to 1.1%; Estimate the helium production in the Qaidam Basin, Gonghe Basin, Maduo Region, and South Qilian Basin, which are 39.49 × 108 m3, 2.16 × 108 m3, 1.46 × 108 m3, and the R/Ra is 0.003~0.068, indicating a typical crustal origin gas; The helium content is weakly positively correlated with temperature and positively correlated with mineralization, and hot springs with water temperature greater than 25 ℃ and saline water with mineralization greater than 1 g/l are favorable environments for the occurrence of water-soluble helium resources in Qinghai Province.
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Keywords:
- water-soluble helium /
- resource status /
- Existence characteristics /
- Salinity /
- Qinghai Province
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氦气是一种在航天、核工业、医学等高科技领域广泛应用的分子半径小、沸点低的稀有战略资源（张文等，2018；秦胜飞等，2021；张哲等，2022）。前人研究显示，氦气的赋存形式分为三种：①地热田中赋存的水溶氦气；②与油气藏中伴生的游离氦气；③与非烃气藏伴生的游离氦气（卢雪梅，2022）。现阶段，由于气水分离的成本以及产气量的限制，工业利用的氦气资源以天然气伴生气为主，但随着近几年在渭河盆地、柴达木盆地、民和盆地以及辽宁、山东、浙江、广东等地的氦气成藏研究的深入（张云鹏等，2016；李玉宏等，2018；陶小晚等，2019；柳永刚等，2020），水溶氦气以其持久、连续的载体作用、运移作用在富氦气藏成藏过程中具有重要意义（秦胜飞等，2022；秦胜飞等，2023），其赋存条件、特征的研究也逐年引起重视。
青海省地处青藏高原东北部，全省已知温泉95处，分布于全省八个州、地、市。其中青南分布32处，其余63处主要分布于西宁-民和盆地、木里盆地、共和盆地、柴达木盆地、化隆盆地以及八宝山盆地周边。温泉温度一般30 ℃～60 ℃，最高为共和南温泉，达98 ℃。大量分布的温泉大大丰富了青海省旅游资源，但对温泉中有益元素的含量、意义鲜有研究，尤其是温泉中水溶氦气的研究极为薄弱，笔者通过野外调查、水样采集、稀有气体组分及氦同位素测试等手段，系统探讨了青海省水溶氦气资源现状、赋存特征及规律，为青海省水溶氦气资源研究、勘探提供了科学依据。
青海省氦气资源评价工作起始于2015年前后，柴北缘是主要研究区域，共和盆地、全吉地区近两年逐步开展调查工作。2015年西安地质调查中心通过采集煤田钻孔井口样品、岩心解析样品，在柴达木盆地北缘团鱼山、全吉山首次发现了壳源氦气。经与渭河盆地对比分析（李玉宏等，2011；韩伟等，2014），进一步明确了柴达木盆地马海气田、东坪气田富氦天然气成藏事实（曾旭等，2017；付锁堂等，2015；吴颜雄等，2014；伍劲等，2017）。2016年青海煤炭地质105勘探队在全吉山一带实施煤炭预查，利用排水集气法对具有涌水、涌气现象的ZK9-8孔采集气样，结果显示氦气含量高达1.10%（张云鹏等，2016；杨振宁等，2018），证实了青海省水溶氦气资源赋存事实。2022年笔者在柴达木盆地除全吉山以外的一里坪地区、大柴旦地区陆续发现水溶氦气资源，其中碱石 1 井含氦量最高，达0.92%（晁海德等，2022）。2023年陈建洲等在共和盆地阿乙亥等温泉发现水溶氦气资源，含量最高达0.87%。一系列的研究结果指示出青海省水溶氦气资源前景良好。
1. 地质背景
青海省地域辽阔，前第四纪地层在青海省皆有不同面积的出露，地层发育齐全，但以元古代地层、古生代地层、中生代三叠纪地层、新生代古近纪地层、新近纪地层最为发育。青海省大地构造单元位于塔里木、华北、扬子等三大陆块交汇处，北西西向、北西向、近东西向的褶皱、断裂是主要构造形迹，北东向和近南北向的褶皱、断裂次之，除柴达木盆地外，多密集成束分布。受新构造活动影响，青海省祁连山、昆仑山、唐古拉山等强烈隆升，分布其间的平原区相对下降，形成了柴达木、祁连、南祁连、共和、西宁-民和、八宝山、北羌塘等大小不同盆地，沉积了巨厚的碎屑岩类，是地下热水生成与赋存的有效热源及热储空间。
盆地周边均受深大断裂控制，断裂深度大、延伸长，大都深切地壳达到地幔，成为深部热能上涌的通道。断陷盆地边缘多沿断裂带构成带状热储，地热多出现在断层破碎带或不同方向断裂的交汇部位，岩层本身的渗透机能相对较差，裂隙水及破碎带导水是形成地下热水环流系统的关键，在地形高差及相应的水力压差作用下形成隆起山地型地热资源。
2. 样品采集及实验分析
共采集水样73件，其中温泉（水温≥25 ℃）水样48件，冷泉（水温＜25 ℃）水样25件。样品采集容器为双阀门真空玻璃瓶，采样前在实验室将钢化玻璃瓶抽真空至系统内压力小于0.13 Pa，以便降低、消除系统残留气对样品的干扰。采样时先将双阀门真空玻璃瓶没入水体中5 cm以上，打开下阀使水自行吸入至采样瓶内部并吸满后关闭下阀，保证空气污染在10−4级以下。样品采集完成后，立即送往中国科学院西北生态环境资源所（西北生态环境资源所）稀有气体实验室完成稀有气体和同位素的检测，检测时间不超过30天。
气体获取在实验室完成：利用150 ℃左右的温度持续烘烤双阀密封的玻璃瓶24h 以上，分析水样的气体抽提线和净化管道。在线取气针头在样品容器的橡胶垫中插入（但不插透），在分析样品时抽真空，以杜绝大气在检测环境中受到污染。当真空系统压力减小到1×10−5 Pa 以下时再进行抽样检测。在液态氮和冰水混合物恒温条件下，用活性炭分别吸附和分离3种稀有气体（He、Ne、Ar），并取适量的气体样品，经 800 摄氏度钛炉和室温 ZrAl 泵净化。各稀有气体组分分项进入质谱仪开始含量及同位素检测，所测得的组分含量数据为气体体积分数。
Noblesse稀有气体质谱仪是此次稀有气体测试的主要仪器，其大于700 的分辨率可以完全分离3He+和HD+的峰值，3He+信号正常情况下会高于1 s−1，而HD+拖尾的贡献相对较小，因此不必校正HD+对3He+的影响。所以笔者把大于1 s−1 3He作为其数据的阻断值。检测样品前均经过同样流程的本底测定，本文检测采用的标准样品为：兰州市皋兰山（海拔2 060 m）山顶空气（AIR⁃LZ2007）。本项工作的本底值（单位：cm3/g, STP）为：4He=2.46×10−10，20Ne=4.08×10−10，40Ar=1.39×10−8，各种稀有气体在这个底值中的同位素组成与空气值接近。
3. 水溶氦气资源分布现状
现阶段缺乏水溶氦气藏标准的划分，参照我国富氦天然气藏标准划分（陈悦等，2023；张弛等，2023），并考虑氦气在水中的难溶性，笔者选择氦气含量≥0.05%为本次水溶氦气评价下限。
调查青海省冷水泉19个，温泉34个，油田采油井4个，地热井3个，卤水井10个以及玛多县地震断层泉3个，样本遍及除海东市以外的所有省域。结果表明，青海省水溶氦气资源主要分布于柴达木盆地，共和盆地次之，南祁连盆地、玛多地区少量（图1）。
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图 1 青海省水溶氦气资源分布图Figure 1. Distribution Map of Water Soluble Helium Resources in Qinghai Province3.1 柴达木盆地及周边
柴达木盆地是青海省首个发现水溶氦气资源的沉积盆地，氦含量
0.00030 %～1.10000 %，20件样品中8件测试结果满足评价标准，氦含量0.06870 %～1.10000 %，平均0.57210 %（表1）。空间上集中分布于柴中断裂以北的一里坪坳陷、柴北缘隆起两片区域，其特征是水溶氦气资源多处于活动型断裂与氦源岩—侏罗纪泥页岩（晁海德等，2022）叠合区的有利构造环境内，其中祁连山南缘断裂控制大柴旦温泉，鄂东断裂—北1断裂—陵间断裂—埃南断裂控制旱ZK01、鄂2井、鸭ZK0401井、坪东断裂—柴中断裂控制9-8孔。表 1 柴达木盆地水溶氦气资源含量特征Table 1. Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in the Chaidamu Basin样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否达到
评价标准Y5 温泉 大柴旦温泉山庄 73 0.842 10 0.078 20 0.945 60 是 Y6 温泉 大柴旦温泉山庄 55 0.091 70 0.002 29 0.825 30 是 Y29 温泉 都兰县果木村 65.6 0.002 10 0.000 12 0.001 30 否 Y30 温泉 都兰县热水乡东部 84.4 0.068 70 0.001 15 0.034 35 是 Y52 冷泉 茫崖市艾肯泉 19 0.000 40 0.000 00 0.480 00 否 Y63 冷泉 博鲁克斯坦河 20 0.000 30 0.00000 0.000 20 否 Y34 采油井 茫崖市七个泉油田 30 0.004 30 0.002 15 0.430 00 否 Y35 采油井 茫崖市七个泉油田 25 0.004 30 0.002 45 0.560 00 否 Y67 采油井 茫崖市花土沟油田 20 0.001 50 0.000 40 0.170 00 否 Y68 采油井 茫崖市花土沟油田 20 0.002 40 0.000 10 0.266 40 否 Y3 卤水井 落雁山 49 0.007 70 0.001 93 0.770 00 否 Y4 卤水井 花土沟一里坪 82 0.921 00 0.001 84 0.987 50 是 Y7 卤水井 西台巴嘎雅乌 66 0.000 30 0.000 01 0.360 00 否 Y8 卤水井 西台巴嘎雅乌 53 0.785 80 0.075 00 0.834 50 是 Y53 卤水井 冷湖镇俄博梁 22 0.116 80 0.000 13 0.215 60 是 Y53 卤水井 落雁山 13 0.000 30 0.000 00 0.360 00 否 Y55 卤水井 西台巴嘎雅乌 23 0.000 30 0.000 00 0.300 00 否 Y旱 卤水井 旱ZK01 / 0.014 45 0.0013 62/ 否 Y碱 卤水井 碱石山-11井 / 0.650 70 / / 是 Y9-8 卤水井 全吉山9-8孔 / 1.100 00 / / 是 3.2 共和盆地及周边
共和盆地水溶氦含量
0.00047 %～0.86717 %，19件样品中6件测试结果满足评价标准，氦含量0.05222 %～0.86717 %，平均0.32916 %（表2），表明共和盆地水溶氦富集较好。水溶氦资源空间上集中分布于盆地东缘的青海湖南缘断裂与多禾茂断裂叠合区域、盆地西南缘的哇洪山断裂与昆中断裂叠合区域，地下热水是溶解氦气的良好溶剂和载体，活动性构造及断裂、热源是主要的控制因素（陈建洲等，2023）。表 2 共和盆地水溶氦气资源含量特征Table 2. Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in the Gonghe Basin样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否满足
评价标准Y1 温泉 乌兰县巴硬格莉沟 40 0.000 70 0.000 04 0.420 00 否 Y36 地热井 共和县塘格木镇 38 0.027 43 / / 否 Y37 地热井 共和县塘格木镇 38 0.028 67 / / 否 Y38 温泉 贵德扎仓寺 93.00 0.000 53 0.001 76 0.568 96 否 Y39 温泉 兴海桑持沟 60.00 0.022 34 0.002 45 0.186 98 否 Y40 温泉 兴海桑持沟 61.00 0.024 33 0.001 26 0.003 10 否 Y41 温泉 贵德新街 62.00 0.000 88 0.002 17 0.461 95 否 Y42 温泉 共和谢玛龙哇 33.00 0.071 54 0.001 94 0.967 95 是 Y43 温泉 共和曲乃亥 67.00 0.837 91 0.002 06 1.036 06 是 Y44 温泉 兴海温泉乡 58.00 0.034 47 0.002 40 0.804 84 否 Y45 温泉 兴海温泉乡 62.00 0.055 44 0.002 07 0.519 61 是 Y46 温泉 共和阿乙亥 38.00 0.090 68 0.002 15 0.820 73 是 Y47 温泉 共和阿乙亥 40.00 0.867 17 0.002 08 0.744 65 是 Y48 地热井 共和南 98.00 0.052 22 0.003 00 0.963 33 是 Y69 地热井 贵德罗汉堂 22 0.022 22 0.003 00 0.869 43 否 Y70 冷泉 兴海温泉乡 10 0.008 28 0.002 44 0.775 07 否 Y71 冷泉 共和恰不恰 10 0.005 24 0.002 53 0.577 18 否 Y72 冷泉 共和下塔买村 23 0.000 56 0.001 94 0.514 34 否 Y73 冷泉 共和下塔买村 23 0.000 47 0.001 70 0.593 78 否 3.3 南祁连盆地及周边
南祁连盆地水溶氦含量
0.00030 %～0.05490 %，6件样品中1件测试结果满足评价标准，氦含量0.05490 %（表3）。含氦的甘子河温泉（Y31）属断裂构造性温泉，受中祁连南缘断裂带、拉脊山北缘断裂带及其次级断裂控制。断裂构造作为地下热水上涌的良好通道，区内以北西向、北西西的压扭性断裂为主，伴生的北东向、北北东向、北北西向张扭性断裂次之，两组断裂交汇部位是控制区内热水局部富集分布的关键地段。表 3 南祁连盆地水溶氦气资源含量特征Table 3. Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in the South Qilian Basin样品号 泉水类型 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否满足
评价标准Y31 温泉 刚察县达玉村 49.33 0.054 90 0.006 86 1.098 00 是 Y32 温泉 天峻县木里镇 31 0.000 30 0.000 10 0.165 00 否 Y33 温泉 热水镇北西10公里处 40 0.014 90 0.000 75 0.447 00 否 Y64 冷泉 刚察县达玉村 6 0.000 40 0.000 02 0.000 01 否 Y65 冷泉 刚察县默勒镇 21 0.004 20 0.000 20 0.002 50 否 Y66 冷泉 江仓煤业有限公司南8公里处 18 0.001 30 0.000 07 0.000 57 否 3.4 玛多地区
2021年5月22日，玛多县发生震源深度17km 的7.4级地震，震后共调查出活动断裂5条，地裂缝653条，喷砂冒水点1 237个（周保等，2023），冒水现象集中分布于野马滩至黄河乡附近的黑河河谷、多石峡河谷两侧。笔者于震后第一时间采集水样3件，均有氦气显示，其中Y51样品氦含量高达
0.76320 %，远超评价标准（表4）。对比青南大片区域泉水贫氦特征，黄河乡沿线冒水点富氦明显是受地震断裂控制。表 4 玛多地区水溶氦气资源含量特征Table 4. Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in Maduo Region样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否满足评价标准 Y49 地震断层泉 玛多县黄河乡 4 0.023 70 0.001 58 0.185 00 是 Y50 地震断层泉 玛多县黄河乡 8 0.001 10 0.000 31 0.120 00 否 Y51 地震断层泉 玛多县黄河乡 8 0.763 20 0.001 91 0.875 00 是 3.5 其它区域
除上述区域外，在八宝山盆地、北羌塘盆地及其周边16个温泉、8个冷泉采集水样29件，氦含量
0.03404 %～0.00540 %，平均0.00117 %（表5），远低于评价标准。表 5 其它地区水溶氦气资源含量特征Table 5. Characteristics of water-soluble helium resource content in other regions样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） Y2 温泉 同仁市兰采乡 61 0.003 60 0.001 03 0.360 00 Y9 温泉 班玛县红军温泉 87.8 0.000 20 0.000 01 0.000 10 Y10 温泉 班玛县红军温泉 78 0.001 00 0.000 05 0.090 00 Y11 温泉 玛沁县大武镇东倾沟 25 0.002 30 0.000 11 0.230 00 Y12 温泉 杂多县然者尕哇切吉沟 29.3 0.003 70 0.000 18 0.370 00 Y13 温泉 治多县贡萨寺 29 0.002 40 0.000 11 0.240 00 Y14 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 50 0.000 02 0.000 01 Y15 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 20 0.000 01 0.000 00 Y16 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 10 0.000 00 0.000 40 Y17 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 30 0.000 01 0.001 20 Y18 温泉 青藏公路90道班 26.4 0.001 70 0.000 08 0.000 85 Y19 温泉 称多县赛柴沟 35 0.000 20 0.000 01 0.000 00 Y20 温泉 称多县赛柴沟 36 0.000 20 0.000 01 0.000 13 Y21 温泉 称多县细曲沟 42 0.000 20 0.000 01 0.000 11 Y22 温泉 称多县扎朵乡 44 0.001 80 0.000 09 1.800 00 Y23 温泉 玉树市东南你那龙沟 57.5 0.000 30 0.000 01 0.000 01 Y24 温泉 玉树州囊谦县觉拉乡 34 0.000 80 0.000 04 0.000 02 Y25 温泉 玉树杂多县扎沟 31 0.000 80 0.000 04 0.000 02 Y26 温泉 治多县西南 29 0.004 60 0.000 23 0.002 50 Y27 温泉 格尔木市萨底赛保（沱沱河以南） 25 0.000 20 0.000 01 0.000 00 Y28 温泉 青藏公路103道班 61 0.000 60 0.000 03 0.000 01 Y56 冷泉 班玛县俄昂俄加沟 13 0.000 84 0.000 03 0.840 00 Y57 冷泉 称多县直门达北 24 0.005 40 0.000 26 0.540 00 Y58 冷泉 玉树市得窝陇巴南山 9 0.000 30 0.000 01 0.000 01 Y59 冷泉 玉树市东南查盖得勒 24 0.000 50 0.000 02 0.000 01 Y60 冷泉 玉树市西南G214国道边 7 0.000 00 0.000 00 0.000 00 Y61 冷泉 青藏公路104道班 14 0.000 30 0.000 01 0.000 01 Y62 冷泉 格尔木市温泉水库秀沟 10 0.000 70 0.000 03 0.840 00 Y63 冷泉 博鲁克斯坦河 20 0.000 30 0.000 01 0.000 16 4. 赋存特征
4.1 分布特征
张文等人（2018）将氦源岩定义为富含铀钍、大量生成和排出氦气的岩石，结合氦气生成原理，氦气生成的关键在于氦源岩中铀钍值的大小以及其α衰变周期。前人研究显示，青海省各盆地与氦气生成相关的岩石包括盆地周缘花岗岩体、盆地内部隐伏磁性体及铀钍含量较高的中生代、新生代地层等（Tissot B P，1984；张文等，2018）。Bmwn A A（2010）、张雪（2015）等也指出，花岗岩、页岩生氦强度较强，砂岩、碳酸盐岩相对较弱，花岗岩是氦气藏形成、富集不可或缺的主力氦源岩。对比青海省水溶氦气资源分布图（图1）和青海省侵入岩分布示意图（图2），水溶氦气资源均分布于柴达木盆地、共和盆地、南祁连盆地附近，青南大片区域未见，这一特征印证了花岗岩是氦气资源形成不可或缺的源岩。
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图 2 青海省侵入岩及样品分布图1 侵入岩时代；2 中酸性侵入岩；3 湖泊；4 省界；5侵入岩界线；6 断裂构造；7 地理点；8 达到评价标准的采样点；9 未达评价标准的采样点Figure 2. Distribution map of intrusive rocks and samples in Qinghai province4.2 成因特征
因成因相异，氦气有3He和4He等两种同位素，其中3He基本是元素合成时所形成的原始核素，而4He则主要是由U、Th等放射性元素经过α衰变所形成的产物，因此3He、4He因其成因的不同成为判别氦气来源的重要参数（张建等，2023；司庆红等, 2023）。不同成因的氦气所赋存的地质体也是不同的, 由此按来源又可分为幔源氦、大气源氦和壳源氦, 该分类目前应用最广，也是本次工作采用的分类模式。一般以R=ω（3He）/ω（4 He）代表氦的来源，R值为1.4×10−6、2×10−8和1.1×10−5时，分别代表大气来源、地壳来源、地幔来源的同位素特征值。也常用样品（R）和大气（Ra）的氦同位素比值来表示样品中氦气来源特征，即R/Ra=（ω3 He/ω4 He）样品/（1.4×10−6），当R/Ra>1时，表示样品中幔源氦份额大于12%；当R/ Ra>0.1时，幔源氦份额大于1.2%；当R/Ra<0.1时，认为样品中氦基本来自壳源（余琪祥等，2013年；张云鹏等，2016；李玉宏等，2018；韩元红等，2022）。按公式①（张雪，2015；Stuart F M等, 1995；徐永昌，1997；张明升等，2014；李玉宏等，2017）可以知道样品中壳源和幔源所占份额。
$$ \mathrm{幔}\mathrm{源}\mathrm{氦}（\text{%}）=\frac{{\left(\frac{{}^{3}\mathrm{H}\mathrm{e}}{{}^{4}\mathrm{H}\mathrm{e}}\right)}_{\mathrm{样}}-{\left(\frac{{}^{3}\mathrm{H}\mathrm{e}}{{}^{4}\mathrm{H}\mathrm{e}}\right)}_{\mathrm{壳}}}{{\left(\frac{{}^{3}\mathrm{H}\mathrm{e}}{{}^{4}\mathrm{H}\mathrm{e}}\right)}_{\mathrm{幔}}-{\left(\frac{{}^{3}\mathrm{H}\mathrm{e}}{{}^{4}\mathrm{H}\mathrm{e}}\right)}_{\mathrm{壳}}}\times 100\mathrm{\%} $$ (1) 统计青海省内23件水溶氦氦同位素样品，R值为0.42×10−8～11.07×10−8，R/Ra在0.003～0.068，属典型壳源型成因（表6）。如不同区域水溶氦气成因分析图所示（图3），柴达木盆地、共和盆地、南祁连盆地水溶氦气R值基本在1×10−8～0.1×10−8，R/Ra多小于0.1，表明青海省各盆地水溶氦气基本为壳源型氦气，幔源氦混入少，占比仅0.02%～0.83%。
表 6 氦气同位素特征及幔源氦占比表Table 6. Characteristics of helium isotopes and the proportion of helium from mantle sources地区 样品号 氦含量/% R/Ra 3He/4He（10−8） 幔源氦占比（%） 来源 比值 平均值 比值 平均值 柴达木盆地 Y30 0.068 70 0.041 0.030 5.68 4.29 0.34 壳源 Y4 0.921 00 0.030 4.21 0.20 壳源 Y53 0.116 80 0.010 1.95 0.00 壳源 Y旱 0.014 45 0.050 6.59 0.42 壳源，少量幔源 Y9-8 1.100 00 0.020 3.00 0.09 壳源 共和盆地 Y36 0.027 43 0.030 0.056 4.23 7.93 0.20 壳源 Y37 0.028 67 0.028 3.92 0.17 壳源 Y39 0.022 34 0.008 1.19 0.07 壳源 Y40 0.024 33 0.023 3.21 0.11 壳源 Y41 0.000 88 0.068 9.58 0.69 壳源，少量幔源 Y42 0.071 54 0.020 2.74 0.07 壳源 Y43 0.837 91 0.003 0.42 0.14 壳源 Y44 0.034 47 0.023 3.26 0.11 壳源 Y45 0.055 44 0.033 5.26 0.30 壳源 Y46 0.090 68 0.012 1.74 0.02 壳源 Y47 0.867 17 0.018 2.52 0.05 壳源 Y48 0.052 22 0.013 1.84 0.01 壳源 Y69 0.022 22 0.013 1.84 0.01 壳源 Y70 0.008 28 0.009 1.25 0.07 壳源 Y71 0.005 24 0.079 11.07 0.83 壳源，少量幔源 Y72 0.000 56 0.041 5.80 0.35 壳源 Y73 0.000 47 0.007 0.99 0.09 壳源 南祁连盆地 Y31 0.054 90 0.05 0.050 7.09 7.09 0.46 壳源，少量幔源 ![]()
图 3 不同区域水溶氦气成因分析图Figure 3. Genetic analysis of water-soluble helium in different regions4.3 含量特征
如前所述，青海省水溶氦气资源分布于柴达木盆地、共和盆地、南祁连盆地和玛多地区。单从平均含量分析，玛多地区水溶氦含量最大（平均含量
0.76320 %）（图4），柴达木盆地次之（平均含量0.57210 %），共和盆地较低（平均含量0.32916 %），南祁连盆地最低（平均含量0.05490 %），而青南大片区域基本不存在水溶氦资源。但考虑样本均一性、代表性，认为：柴达木盆地水溶氦含量最高，达1.10000 %，共和盆地、玛多地区次之，南祁连盆地最低。![]()
图 4 不同区域水溶氦氦含量对比图Figure 4. Comparison Chart of Water Soluble Helium and Helium Content in Different Regions青海省水溶氦气主要为壳源氦，氦主要为235U、232Th经α衰变产生，因此利用铀钍衰变形成氦提出的公式②、公式③对不同区域壳源氦生成量进行估算。
$$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{u}}=\frac{156.88}{235}({\mathrm{e}}^{\mathrm{\lambda }t}-1)\cdot v\cdot \rho \cdot x $$ (2) $$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{T}\mathrm{h}}=\frac{134.47}{232}({\mathrm{e}}^{\mathrm{\lambda }t}-1)\cdot v\cdot \rho \cdot y $$ (3) 公式中，λ分别为
9.8485 ×10−10（a−1）、4.9475 ×10−10（a−1）；t为氦源岩的形成的绝对年龄（a）；v 为氦源岩的体积（km3）；$ \mathrm{\rho } $为氦源岩的密度（g/cm3）；x 为氦源岩中的含量（10−6）。y 为氦源岩中钍的含量（10−6）。由公式②、公式③计算得出（表7）：柴达木盆地生氦量最大，为39.49×108 m3；共和盆地、南祁连盆地次之，为2.16×108 m3、1.90×108 m3；玛多地区最小，为1.46×108 m3。不难看出，不同区域生氦量与水溶氦气含量非完全正相关关系，这与水溶氦气藏特殊的气水置换机理相关，除初始生氦量外，温度、矿化度等也是影响载体含氦量的重要因素之一。柴达木盆地生氦量、氦含量均为最高，是花岗岩、烃源岩多源供氦（晁海德，2022）及相对高的矿化度共同作用的结果；共和盆地氦源岩（干热岩）较高的温度（陈建洲，2023）是其生氦量中等而氦含量较高的关键；玛多地区生氦量较低而氦含量较高是地震引起幔源氦混入的直观指示。
表 7 水溶氦气生氦量计算表Table 7. Calculation table for helium production from water-soluble helium gas地区 地层/岩性 年龄
（Ma）U（10−6） Th（10−6） 面积
（km2）高度加深度
或厚度（km）体积
（km3）密度
（g/cm3）生氦量
（108 m3）柴达木盆地 / / / / / / / / 39.49① 南祁连盆地 泥盆纪
花岗岩400 19.60 14.50 1165.00 0.80 932.00 2.50 1.90 玛多地区 三叠纪巴颜喀拉群 220 12.90 10.93 2821.00 0.80 2256.80 2.30 1.46 共和盆地 印支期中酸性侵入岩 236 17.08② 30.65② 875.26 1.90 1662.99 2.50 2.16 ①引自晁海德等（2022）；②引自陈建洲等（2023） 4.4 与温度的关系
达到评价标准的16件样品中，12件样品温度大于25 ℃，2件样品小于25 ℃，2件样品未采集温度数据（表8）。考虑Y51样品受地震影响的相对瞬时性，不代表样品采集区的水溶氦含量背景值，研究区实际只有1件冷泉样品氦含量达到评价标准（Y53）。表明青海省水溶氦气资源基本赋存于水温大于25 ℃的温泉（卤水）中，冷泉中极少赋存。
表 8 满足评价标准的样品氦含量、温度统计表Table 8. Statistical Table for Helium Content and Temperature of Samples that Meet Evaluation Criteria样品号 水温（℃） 氦含量（%） 样品号 水温（℃） 氦含量（%） Y4 82 0.921 00 Y45 62.00 0.055 44 Y5 73 0.842 10 Y46 38.00 0.090 68 Y6 55 0.091 70 Y47 40.00 0.867 17 Y8 53 0.785 80 Y48 98.00 0.052 22 Y30 84.4 0.068 70 Y51 8 0.763 20 Y31 49.33 0.054 90 Y53 22 0.116 80 Y42 33.00 0.071 54 Y碱 / 0.650 70 Y43 67.00 0.837 91 Y9-8 / 1.100 00 分别对比所有样品、达到评价标准样品以及不同区域氦气含量与水温相关图（图5）：青海省水溶氦气藏氦含量与温度呈弱正相关关系，但这一特征明显与二氧化碳、甲烷等气体在水中溶解度随温度升高而降低的特征相异。
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图 5 氦气含量与水温相关图Figure 5. Correlation chart between helium content and water temperature4.5 与矿化度的关系
前人研究（王沐众等，2016；张书林等，2021）显示气体在水中的溶解度除了与气体性质、压强、温度有关外，也与水的矿化度相关。分别统计有矿化度数据的全部样品（19组）、达到评价标准样品（3组）以及不同区域（柴达木盆地3组，共和盆地8组）数据（表9），发现氦气在水中的溶解度均随着矿化度的增大而升高，满足评价的水溶氦资源基本赋存在矿化度大于1 g/l的水中（图6）。表明氦气在淡水中极难溶解，在微咸水、咸水、卤水中的溶解度较高，这一特征与水中甲烷溶解度随矿化度先升高后降低的特征相异（王沐众等，2016）。
表 9 氦含量、矿化度统计表Table 9. Statistical Table of Helium Content and Mineralization样品号 氦含量（%） 矿化度（g/l） 样品号 氦含量（%） 矿化度（g/l） Y1 0.000 70 0.55 Y38 0.000 53 1.43 Y2 0.003 60 0.39 Y39 0.022 34 1.00 Y9 0.000 20 0.91 Y44 0.034 47 1.00 Y18 0.001 70 1.02 Y48 0.052 22 1.41 Y23 0.000 30 1.30 Y57 0.005 40 0.47 Y26 0.004 60 1.25 Y62 0.000 70 0.82 Y28 0.000 60 1.46 Y64 0.000 40 0.27 Y30 0.06870 2.91 Y66 0.001 30 1.55 Y31 0.054 90 0.93 Y72 0.000 56 0.51 Y33 0.014 90 0.88 （矿化度数据源于马兴华等（2012）） ![]()
图 6 氦气含量与矿化度相关图Figure 6. Correlation chart between helium content and mineralization degree5. 结论
（1）青海省水溶氦气资源主要分布于柴达木盆地，共和盆地次之，南祁连盆地、玛多地区少量。其中柴达木盆地水溶氦含量最大，共和盆地、玛多地区次之，南祁连盆地最低，而青南大片区域基本不存在水溶氦资源，这与青南地区侵入岩不甚发育的地质特征相吻合。
（2）柴达木盆地、共和盆地、南祁连盆地水溶氦气R值为0.42×10−8～11.07×10−8，R/Ra在0.003～0.068，属典型壳源型氦气。
（3）估算柴达木盆地、共和盆地、南祁连盆地、玛多地区生氦量，分别为39.49×108 m3、2.16×108 m3、1.90×108 m3、1.46×108 m3，且不同区域生氦量与氦含量不具正相关关系。
（4）温度、矿化度是影响水溶氦含量的因素之一，其中氦含量与温度呈弱正相关关系，与矿化度呈正相关关系，且水温大于25 ℃的温泉及矿化度大于1 g/l的咸水是青海省水溶氦资源赋存的有利环境。
致谢：中国科学院西北生态环境资源研究院王国仓专家、青海省第五地质勘查院王瑾高级工程师在氦气组分分析、赋存规律研究方面给予指导、帮助，在此表示衷心的感谢。
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图 1 青海省水溶氦气资源分布图
Figure 1. Distribution Map of Water Soluble Helium Resources in Qinghai Province
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图 2 青海省侵入岩及样品分布图
1 侵入岩时代；2 中酸性侵入岩；3 湖泊；4 省界；5侵入岩界线；6 断裂构造；7 地理点；8 达到评价标准的采样点；9 未达评价标准的采样点
Figure 2. Distribution map of intrusive rocks and samples in Qinghai province
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图 3 不同区域水溶氦气成因分析图
Figure 3. Genetic analysis of water-soluble helium in different regions
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图 4 不同区域水溶氦氦含量对比图
Figure 4. Comparison Chart of Water Soluble Helium and Helium Content in Different Regions
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图 5 氦气含量与水温相关图
Figure 5. Correlation chart between helium content and water temperature
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图 6 氦气含量与矿化度相关图
Figure 6. Correlation chart between helium content and mineralization degree
表 1 柴达木盆地水溶氦气资源含量特征
Table 1 Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in the Chaidamu Basin
样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否达到
评价标准Y5 温泉 大柴旦温泉山庄 73 0.842 10 0.078 20 0.945 60 是 Y6 温泉 大柴旦温泉山庄 55 0.091 70 0.002 29 0.825 30 是 Y29 温泉 都兰县果木村 65.6 0.002 10 0.000 12 0.001 30 否 Y30 温泉 都兰县热水乡东部 84.4 0.068 70 0.001 15 0.034 35 是 Y52 冷泉 茫崖市艾肯泉 19 0.000 40 0.000 00 0.480 00 否 Y63 冷泉 博鲁克斯坦河 20 0.000 30 0.00000 0.000 20 否 Y34 采油井 茫崖市七个泉油田 30 0.004 30 0.002 15 0.430 00 否 Y35 采油井 茫崖市七个泉油田 25 0.004 30 0.002 45 0.560 00 否 Y67 采油井 茫崖市花土沟油田 20 0.001 50 0.000 40 0.170 00 否 Y68 采油井 茫崖市花土沟油田 20 0.002 40 0.000 10 0.266 40 否 Y3 卤水井 落雁山 49 0.007 70 0.001 93 0.770 00 否 Y4 卤水井 花土沟一里坪 82 0.921 00 0.001 84 0.987 50 是 Y7 卤水井 西台巴嘎雅乌 66 0.000 30 0.000 01 0.360 00 否 Y8 卤水井 西台巴嘎雅乌 53 0.785 80 0.075 00 0.834 50 是 Y53 卤水井 冷湖镇俄博梁 22 0.116 80 0.000 13 0.215 60 是 Y53 卤水井 落雁山 13 0.000 30 0.000 00 0.360 00 否 Y55 卤水井 西台巴嘎雅乌 23 0.000 30 0.000 00 0.300 00 否 Y旱 卤水井 旱ZK01 / 0.014 45 0.0013 62/ 否 Y碱 卤水井 碱石山-11井 / 0.650 70 / / 是 Y9-8 卤水井 全吉山9-8孔 / 1.100 00 / / 是 
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表 2 共和盆地水溶氦气资源含量特征
Table 2 Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in the Gonghe Basin
样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否满足
评价标准Y1 温泉 乌兰县巴硬格莉沟 40 0.000 70 0.000 04 0.420 00 否 Y36 地热井 共和县塘格木镇 38 0.027 43 / / 否 Y37 地热井 共和县塘格木镇 38 0.028 67 / / 否 Y38 温泉 贵德扎仓寺 93.00 0.000 53 0.001 76 0.568 96 否 Y39 温泉 兴海桑持沟 60.00 0.022 34 0.002 45 0.186 98 否 Y40 温泉 兴海桑持沟 61.00 0.024 33 0.001 26 0.003 10 否 Y41 温泉 贵德新街 62.00 0.000 88 0.002 17 0.461 95 否 Y42 温泉 共和谢玛龙哇 33.00 0.071 54 0.001 94 0.967 95 是 Y43 温泉 共和曲乃亥 67.00 0.837 91 0.002 06 1.036 06 是 Y44 温泉 兴海温泉乡 58.00 0.034 47 0.002 40 0.804 84 否 Y45 温泉 兴海温泉乡 62.00 0.055 44 0.002 07 0.519 61 是 Y46 温泉 共和阿乙亥 38.00 0.090 68 0.002 15 0.820 73 是 Y47 温泉 共和阿乙亥 40.00 0.867 17 0.002 08 0.744 65 是 Y48 地热井 共和南 98.00 0.052 22 0.003 00 0.963 33 是 Y69 地热井 贵德罗汉堂 22 0.022 22 0.003 00 0.869 43 否 Y70 冷泉 兴海温泉乡 10 0.008 28 0.002 44 0.775 07 否 Y71 冷泉 共和恰不恰 10 0.005 24 0.002 53 0.577 18 否 Y72 冷泉 共和下塔买村 23 0.000 56 0.001 94 0.514 34 否 Y73 冷泉 共和下塔买村 23 0.000 47 0.001 70 0.593 78 否
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表 3 南祁连盆地水溶氦气资源含量特征
Table 3 Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in the South Qilian Basin
样品号 泉水类型 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否满足
评价标准Y31 温泉 刚察县达玉村 49.33 0.054 90 0.006 86 1.098 00 是 Y32 温泉 天峻县木里镇 31 0.000 30 0.000 10 0.165 00 否 Y33 温泉 热水镇北西10公里处 40 0.014 90 0.000 75 0.447 00 否 Y64 冷泉 刚察县达玉村 6 0.000 40 0.000 02 0.000 01 否 Y65 冷泉 刚察县默勒镇 21 0.004 20 0.000 20 0.002 50 否 Y66 冷泉 江仓煤业有限公司南8公里处 18 0.001 30 0.000 07 0.000 57 否
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表 4 玛多地区水溶氦气资源含量特征
Table 4 Characteristics of Water Soluble Helium Resource Content in Maduo Region
样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） 是否满足评价标准 Y49 地震断层泉 玛多县黄河乡 4 0.023 70 0.001 58 0.185 00 是 Y50 地震断层泉 玛多县黄河乡 8 0.001 10 0.000 31 0.120 00 否 Y51 地震断层泉 玛多县黄河乡 8 0.763 20 0.001 91 0.875 00 是
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表 5 其它地区水溶氦气资源含量特征
Table 5 Characteristics of water-soluble helium resource content in other regions
样品号 泉水性质 位置 水温（℃） 氦含量（%） 氖含量（%） 氩含量（%） Y2 温泉 同仁市兰采乡 61 0.003 60 0.001 03 0.360 00 Y9 温泉 班玛县红军温泉 87.8 0.000 20 0.000 01 0.000 10 Y10 温泉 班玛县红军温泉 78 0.001 00 0.000 05 0.090 00 Y11 温泉 玛沁县大武镇东倾沟 25 0.002 30 0.000 11 0.230 00 Y12 温泉 杂多县然者尕哇切吉沟 29.3 0.003 70 0.000 18 0.370 00 Y13 温泉 治多县贡萨寺 29 0.002 40 0.000 11 0.240 00 Y14 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 50 0.000 02 0.000 01 Y15 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 20 0.000 01 0.000 00 Y16 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 10 0.000 00 0.000 40 Y17 温泉 格尔木市当曲中游 38 0.000 30 0.000 01 0.001 20 Y18 温泉 青藏公路90道班 26.4 0.001 70 0.000 08 0.000 85 Y19 温泉 称多县赛柴沟 35 0.000 20 0.000 01 0.000 00 Y20 温泉 称多县赛柴沟 36 0.000 20 0.000 01 0.000 13 Y21 温泉 称多县细曲沟 42 0.000 20 0.000 01 0.000 11 Y22 温泉 称多县扎朵乡 44 0.001 80 0.000 09 1.800 00 Y23 温泉 玉树市东南你那龙沟 57.5 0.000 30 0.000 01 0.000 01 Y24 温泉 玉树州囊谦县觉拉乡 34 0.000 80 0.000 04 0.000 02 Y25 温泉 玉树杂多县扎沟 31 0.000 80 0.000 04 0.000 02 Y26 温泉 治多县西南 29 0.004 60 0.000 23 0.002 50 Y27 温泉 格尔木市萨底赛保（沱沱河以南） 25 0.000 20 0.000 01 0.000 00 Y28 温泉 青藏公路103道班 61 0.000 60 0.000 03 0.000 01 Y56 冷泉 班玛县俄昂俄加沟 13 0.000 84 0.000 03 0.840 00 Y57 冷泉 称多县直门达北 24 0.005 40 0.000 26 0.540 00 Y58 冷泉 玉树市得窝陇巴南山 9 0.000 30 0.000 01 0.000 01 Y59 冷泉 玉树市东南查盖得勒 24 0.000 50 0.000 02 0.000 01 Y60 冷泉 玉树市西南G214国道边 7 0.000 00 0.000 00 0.000 00 Y61 冷泉 青藏公路104道班 14 0.000 30 0.000 01 0.000 01 Y62 冷泉 格尔木市温泉水库秀沟 10 0.000 70 0.000 03 0.840 00 Y63 冷泉 博鲁克斯坦河 20 0.000 30 0.000 01 0.000 16
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表 6 氦气同位素特征及幔源氦占比表
Table 6 Characteristics of helium isotopes and the proportion of helium from mantle sources
地区 样品号 氦含量/% R/Ra 3He/4He（10−8） 幔源氦占比（%） 来源 比值 平均值 比值 平均值 柴达木盆地 Y30 0.068 70 0.041 0.030 5.68 4.29 0.34 壳源 Y4 0.921 00 0.030 4.21 0.20 壳源 Y53 0.116 80 0.010 1.95 0.00 壳源 Y旱 0.014 45 0.050 6.59 0.42 壳源，少量幔源 Y9-8 1.100 00 0.020 3.00 0.09 壳源 共和盆地 Y36 0.027 43 0.030 0.056 4.23 7.93 0.20 壳源 Y37 0.028 67 0.028 3.92 0.17 壳源 Y39 0.022 34 0.008 1.19 0.07 壳源 Y40 0.024 33 0.023 3.21 0.11 壳源 Y41 0.000 88 0.068 9.58 0.69 壳源，少量幔源 Y42 0.071 54 0.020 2.74 0.07 壳源 Y43 0.837 91 0.003 0.42 0.14 壳源 Y44 0.034 47 0.023 3.26 0.11 壳源 Y45 0.055 44 0.033 5.26 0.30 壳源 Y46 0.090 68 0.012 1.74 0.02 壳源 Y47 0.867 17 0.018 2.52 0.05 壳源 Y48 0.052 22 0.013 1.84 0.01 壳源 Y69 0.022 22 0.013 1.84 0.01 壳源 Y70 0.008 28 0.009 1.25 0.07 壳源 Y71 0.005 24 0.079 11.07 0.83 壳源，少量幔源 Y72 0.000 56 0.041 5.80 0.35 壳源 Y73 0.000 47 0.007 0.99 0.09 壳源 南祁连盆地 Y31 0.054 90 0.05 0.050 7.09 7.09 0.46 壳源，少量幔源
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表 7 水溶氦气生氦量计算表
Table 7 Calculation table for helium production from water-soluble helium gas
地区 地层/岩性 年龄
（Ma）U（10−6） Th（10−6） 面积
（km2）高度加深度
或厚度（km）体积
（km3）密度
（g/cm3）生氦量
（108 m3）柴达木盆地 / / / / / / / / 39.49① 南祁连盆地 泥盆纪
花岗岩400 19.60 14.50 1165.00 0.80 932.00 2.50 1.90 玛多地区 三叠纪巴颜喀拉群 220 12.90 10.93 2821.00 0.80 2256.80 2.30 1.46 共和盆地 印支期中酸性侵入岩 236 17.08② 30.65② 875.26 1.90 1662.99 2.50 2.16 ①引自晁海德等（2022）；②引自陈建洲等（2023）
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表 8 满足评价标准的样品氦含量、温度统计表
Table 8 Statistical Table for Helium Content and Temperature of Samples that Meet Evaluation Criteria
样品号 水温（℃） 氦含量（%） 样品号 水温（℃） 氦含量（%） Y4 82 0.921 00 Y45 62.00 0.055 44 Y5 73 0.842 10 Y46 38.00 0.090 68 Y6 55 0.091 70 Y47 40.00 0.867 17 Y8 53 0.785 80 Y48 98.00 0.052 22 Y30 84.4 0.068 70 Y51 8 0.763 20 Y31 49.33 0.054 90 Y53 22 0.116 80 Y42 33.00 0.071 54 Y碱 / 0.650 70 Y43 67.00 0.837 91 Y9-8 / 1.100 00
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表 9 氦含量、矿化度统计表
Table 9 Statistical Table of Helium Content and Mineralization
样品号 氦含量（%） 矿化度（g/l） 样品号 氦含量（%） 矿化度（g/l） Y1 0.000 70 0.55 Y38 0.000 53 1.43 Y2 0.003 60 0.39 Y39 0.022 34 1.00 Y9 0.000 20 0.91 Y44 0.034 47 1.00 Y18 0.001 70 1.02 Y48 0.052 22 1.41 Y23 0.000 30 1.30 Y57 0.005 40 0.47 Y26 0.004 60 1.25 Y62 0.000 70 0.82 Y28 0.000 60 1.46 Y64 0.000 40 0.27 Y30 0.06870 2.91 Y66 0.001 30 1.55 Y31 0.054 90 0.93 Y72 0.000 56 0.51 Y33 0.014 90 0.88 （矿化度数据源于马兴华等（2012））
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