ISSN 1009-6248CN 61-1149/P 双月刊

主管单位:中国地质调查局

主办单位:中国地质调查局西安地质调查中心
中国地质学会

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    黔北新仁地区上二叠统龙潭组煤质地球化学特征及聚煤规律

    张文斌, 何碧, 陶刚, 赵飞, 王宁祖, 杨珍, 张志玺, 孙平原

    张文斌, 何碧, 陶刚, 等. 黔北新仁地区上二叠统龙潭组煤质地球化学特征及聚煤规律[J]. 西北地质, 2020, 53(4): 51-65. DOI: 10.19751/j.cnki.61-1149/p.2020.04.005
    引用本文: 张文斌, 何碧, 陶刚, 等. 黔北新仁地区上二叠统龙潭组煤质地球化学特征及聚煤规律[J]. 西北地质, 2020, 53(4): 51-65. DOI: 10.19751/j.cnki.61-1149/p.2020.04.005
    ZHANG Wenbin, HE Bi, TAO Gang, et al. Geochemical Characteristics and Accumulation Rules of Coal in the Upper Permian Longtan Formation of Xinren Area, North Guizhou[J]. Northwestern Geology, 2020, 53(4): 51-65. DOI: 10.19751/j.cnki.61-1149/p.2020.04.005
    Citation: ZHANG Wenbin, HE Bi, TAO Gang, et al. Geochemical Characteristics and Accumulation Rules of Coal in the Upper Permian Longtan Formation of Xinren Area, North Guizhou[J]. Northwestern Geology, 2020, 53(4): 51-65. DOI: 10.19751/j.cnki.61-1149/p.2020.04.005

    黔北新仁地区上二叠统龙潭组煤质地球化学特征及聚煤规律

    基金项目: 

    中国地质调查局地质调查项目“乌蒙山区地质矿产综合调查”(DD20160019),中国地质调查局成都地质调查中心项目“贵州乌蒙山区1:5万店子场(G48E006018)、大关(G48E007017)、六厂(G48E007018)3幅区域地质调查”(DD20160019-04)

    详细信息
      作者简介:

      张文斌(1983-),男,工程师,主要从事区域地质矿产勘查工作。E-mail:zhangwenbin2019@sina.com

    • 中图分类号: P618.11

    Geochemical Characteristics and Accumulation Rules of Coal in the Upper Permian Longtan Formation of Xinren Area, North Guizhou

    • 摘要: 根据黔北新仁地区上二叠统龙潭组煤样的主量元素、微量元素、工业分析、硫分及灰分分析数据,评价了该地区晚二叠世煤的总体煤质特征;在此基础上重点探讨了煤中硫分和灰分与成煤环境的联系。结果表明,黔北新仁地区上二叠统龙潭组煤中SiO2、TiO2、K2O含量较高,其中SiO2是全国煤的6倍,TiO2是全国煤的7倍,K2O是全国煤的10倍;其余氧化物含量均是全国煤的1~4倍。新仁地区上二叠统龙潭组中煤的球粒陨石标准化稀土元素配分曲线除样品PM403-MY3、MY8以外,其他各煤样稀土元素分布模式相似,整体上呈左高右低的宽缓的“V”型曲线,(La/Yb)N为5.27~18.34,均值为8.91,表明轻重稀土元素分馏程度高的特征;δEu为0.38~1.52,均值为0.74,具有显著的负Eu异常。新仁地区煤炭资源具有高全水分、中-高灰分、低-中高挥发分、特低和低硫分、低固定碳、低磷分、特低氯等特征。此外,煤中灰分产率、煤灰成分指数以及灰成分三端元分析均揭示聚煤环境为从陆源区水浅、水动力较强而还原性较弱的环境,向远离陆源区水深、水动力较弱而还原性较强的环境变化,与全硫分分析的结论相一致。综合分析认为,新仁地区晚二叠世聚煤规律的主控地质因素为构造运动,与峨眉山玄武岩、古气候、沉积环境等因素有关。
      Abstract: This paper evaluates the coal quality in Late Permian on the basis of the Upper Permian coal samples’ main elements, trace elements, industrial analysis, sulfur and ash analysis data in Xinren area of North Guizhou. The focus is on the relationship between sulfur and ash in coal and coal-forming environment. The results show that the content of SiO2, TiO2 and K2O is much higher, among which SiO2 is 6 times higher than that of national average; TiO2 is 7 times higher and K2O is 10 times; the remaining oxide is 1 to 4 times of the average. In the normalized REE partition curve of coal chondrite of the upper Permian Longtan Formation of Xinren area, except the samples of PM403-MY3 and MY8, the REE distribution pattern in coal chondrite is similar, appearing a wide “V” curve with left high and right low. (La/Yb)N is 5.27-18.34, with the average of 8.91 indicating the high fractionation of light and heavy rare earth elements. δEu is 0.38-1.52,the average being 0.74,with a significantly negative Eu anomaly. The coal resources in Xinren area are characterized by high total moisture, medium-high ash, low-medium-high volatility, ultra-low and low sulfur, low fixed-carbon, low phosphorus and ultra-low chlorine. In addition, ash yield in coal, composition index of coal ash and three-terminal analysis of ash composition all revealed that the coal-rich environment is from shallow water with strong hydrodynamics and weaker reduction in the land source area to deep water with weak hydrodynamics and strong reductive away from the land source area. This is consistent with the conclusion from the total sulfur analysis. The comprehensive analysis shows that the main geological factor of coal accumulation in Late Permian Xinren area is the tectonic movement, with Emeishan basalt, paleoclimate and sedimentary environment being some other factors.
    • 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。

      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。

      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=2.46×10−1020Ne=4.08×10−1040Ar=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。

      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)。

      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

      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730.842 100.078 200.945 60
      Y6温泉大柴旦温泉山庄550.091 700.002 290.825 30
      Y29温泉都兰县果木村65.60.002 100.000 120.001 30
      Y30温泉都兰县热水乡东部84.40.068 700.001 150.034 35
      Y52冷泉茫崖市艾肯泉190.000 400.000 000.480 00
      Y63冷泉博鲁克斯坦河200.000 300.000000.000 20
      Y34采油井茫崖市七个泉油田300.004 300.002 150.430 00
      Y35采油井茫崖市七个泉油田250.004 300.002 450.560 00
      Y67采油井茫崖市花土沟油田200.001 500.000 400.170 00
      Y68采油井茫崖市花土沟油田200.002 400.000 100.266 40
      Y3卤水井落雁山490.007 700.001 930.770 00
      Y4卤水井花土沟一里坪820.921 000.001 840.987 50
      Y7卤水井西台巴嘎雅乌660.000 300.000 010.360 00
      Y8卤水井西台巴嘎雅乌530.785 800.075 000.834 50
      Y53卤水井冷湖镇俄博梁220.116 800.000 130.215 60
      Y53卤水井落雁山130.000 300.000 000.360 00
      Y55卤水井西台巴嘎雅乌230.000 300.000 000.300 00
      Y旱卤水井旱ZK01/0.014 450.0013 62/
      Y碱卤水井碱石山-11井/0.650 70//
      Y9-8卤水井全吉山9-8孔/1.100 00//
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      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
      Y36 地热井 共和县塘格木镇 38 0.027 43 / /
      Y37 地热井 共和县塘格木镇 38 0.028 67 / /
      Y38 温泉 贵德扎仓寺 93.00 0.000 53 0.001 76 0.568 96
      Y39 温泉 兴海桑持沟 60.00 0.022 34 0.002 45 0.186 98
      Y40 温泉 兴海桑持沟 61.00 0.024 33 0.001 26 0.003 10
      Y41 温泉 贵德新街 62.00 0.000 88 0.002 17 0.461 95
      Y42 温泉 共和谢玛龙哇 33.00 0.071 54 0.001 94 0.967 95
      Y43 温泉 共和曲乃亥 67.00 0.837 91 0.002 06 1.036 06
      Y44 温泉 兴海温泉乡 58.00 0.034 47 0.002 40 0.804 84
      Y45 温泉 兴海温泉乡 62.00 0.055 44 0.002 07 0.519 61
      Y46 温泉 共和阿乙亥 38.00 0.090 68 0.002 15 0.820 73
      Y47 温泉 共和阿乙亥 40.00 0.867 17 0.002 08 0.744 65
      Y48 地热井 共和南 98.00 0.052 22 0.003 00 0.963 33
      Y69 地热井 贵德罗汉堂 22 0.022 22 0.003 00 0.869 43
      Y70 冷泉 兴海温泉乡 10 0.008 28 0.002 44 0.775 07
      Y71 冷泉 共和恰不恰 10 0.005 24 0.002 53 0.577 18
      Y72 冷泉 共和下塔买村 23 0.000 56 0.001 94 0.514 34
      Y73 冷泉 共和下塔买村 23 0.000 47 0.001 70 0.593 78
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      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
      Y32 温泉 天峻县木里镇 31 0.000 30 0.000 10 0.165 00
      Y33 温泉 热水镇北西10公里处 40 0.014 90 0.000 75 0.447 00
      Y64 冷泉 刚察县达玉村 6 0.000 40 0.000 02 0.000 01
      Y65 冷泉 刚察县默勒镇 21 0.004 20 0.000 20 0.002 50
      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
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      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40.023 700.001 580.185 00
      Y50地震断层泉玛多县黄河乡80.001 100.000 310.120 00
      Y51地震断层泉玛多县黄河乡80.763 200.001 910.875 00
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      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610.003 600.001 030.360 00
      Y9温泉班玛县红军温泉87.80.000 200.000 010.000 10
      Y10温泉班玛县红军温泉780.001 000.000 050.090 00
      Y11温泉玛沁县大武镇东倾沟250.002 300.000 110.230 00
      Y12温泉杂多县然者尕哇切吉沟29.30.003 700.000 180.370 00
      Y13温泉治多县贡萨寺290.002 400.000 110.240 00
      Y14温泉格尔木市当曲中游380.000 500.000 020.000 01
      Y15温泉格尔木市当曲中游380.000 200.000 010.000 00
      Y16温泉格尔木市当曲中游380.000 100.000 000.000 40
      Y17温泉格尔木市当曲中游380.000 300.000 010.001 20
      Y18温泉青藏公路90道班26.40.001 700.000 080.000 85
      Y19温泉称多县赛柴沟350.000 200.000 010.000 00
      Y20温泉称多县赛柴沟360.000 200.000 010.000 13
      Y21温泉称多县细曲沟420.000 200.000 010.000 11
      Y22温泉称多县扎朵乡440.001 800.000 091.800 00
      Y23温泉玉树市东南你那龙沟57.50.000 300.000 010.000 01
      Y24温泉玉树州囊谦县觉拉乡340.000 800.000 040.000 02
      Y25温泉玉树杂多县扎沟310.000 800.000 040.000 02
      Y26温泉治多县西南290.004 600.000 230.002 50
      Y27温泉格尔木市萨底赛保(沱沱河以南)250.000 200.000 010.000 00
      Y28温泉青藏公路103道班610.000 600.000 030.000 01
      Y56冷泉班玛县俄昂俄加沟130.000 840.000 030.840 00
      Y57冷泉称多县直门达北240.005 400.000 260.540 00
      Y58冷泉玉树市得窝陇巴南山90.000 300.000 010.000 01
      Y59冷泉玉树市东南查盖得勒240.000 500.000 020.000 01
      Y60冷泉玉树市西南G214国道边70.000 000.000 000.000 00
      Y61冷泉青藏公路104道班140.000 300.000 010.000 01
      Y62冷泉格尔木市温泉水库秀沟100.000 700.000 030.840 00
      Y63冷泉博鲁克斯坦河200.000 300.000 010.000 16
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      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。

      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

      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,2015Stuart 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
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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

      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 / / / / / / / / 39.49
      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 17.08 30.65 875.26 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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      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
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      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。

      图  5  氦气含量与水温相关图
      Figure  5.  Correlation chart between helium content and water temperature

      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)
      Y10.000 700.55Y380.000 531.43
      Y20.003 600.39Y390.022 341.00
      Y90.000 200.91Y440.034 471.00
      Y180.001 701.02Y480.052 221.41
      Y230.000 301.30Y570.005 400.47
      Y260.004 601.25Y620.000 700.82
      Y280.000 601.46Y640.000 400.27
      Y300.068702.91Y660.001 301.55
      Y310.054 900.93Y720.000 560.51
      Y330.014 900.88
       (矿化度数据源于马兴华等(2012))
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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

      (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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    出版历程
    • 收稿日期:  2019-12-04
    • 修回日期:  2020-08-12
    • 网络出版日期:  2022-07-28
    • 发布日期:  2020-12-04

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