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氦气是一种无色、无味的惰性气体，具有低密度、难液化、导热性好、化学性能稳定等性质，是我们国家安全和高新技术产业发展的重要稀有战略资源。它在航天、国防和高端能源系统，半导体和光纤制造等工业领域，医学成像与深潜水等民生领域，应用广泛且不可替代（李玉宏等，2018；Zhang Wen et al.，2019a；秦胜飞和李济远，2021；李济远等，2022）。我国氦气资源稀缺，资源量不到世界总资源量的 0.1%~0.2%，长期严重依赖进口，对外依存度高达95%，资源安全形势极其严峻（李玉宏等，2022；唐金荣等，2023）。目前已发现的氦气主要分布在中-西部盆地（渭河、四川、塔里木、柴达木）和东部郯庐断裂带两侧盆地（松辽、渤海湾、苏北、海拉尔）（徐永昌和沈平，1990；李玉宏等，2015；张云鹏等，2016），其他地区如三水盆地、大别山区等也有氦气显示（李玉宏等，2018）。以上发现主要来源于天然气井或者地热井的数据分析，以点上的工作为主。虽然全国多地都发现氦气显示，但氦气资源评价目前还没有比较成熟、系统的工作方法，制约了我国氦气的发展和突破。
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中国地质调查局西安地质调查中心十几年来通过在渭河盆地的勘探实践，初步形成了地质指方向、重力-电法探结构、化探圈定富集区、磁法识别氦源岩、地震测量落实有利圈闭、氦气录井标定富集层段的调查技术方法（李玉宏等，2018，2022；周俊林等，2022）。其中，氦气化探是根据油气化探的原理发展而来，因为氦气分子直径仅为2.18×10-10 m，相比油气，它分子更小，更易发生逸散，地下深部生成的氦气能通过扩散、渗滤、溶解等不同的迁移方式使氦气在地面附近被岩石或黏土颗粒吸附而形成聚集，通过化探方法查明这部分氦气的分布规律，可为氦气资源调查提供很有价值的信息。目前在氦气化探工作中，采样方法有顶空气法、瓶装土法和游离气法，通过以往工作对比研究认为瓶装土采样法效果较好（李广之等，2007；李玉宏等，2018；王国建等，2021）。由于氦气含量受地形地貌、水文条件、人文活动等多因素的影响，以往的氦气化探采样和分析更多的是以经验为主，对最终结果的分析影响较大，制约了氦气化探的推广和应用。
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山西省在晋中盆地地热井的井口气中发现氦气含量高达8.50%~18.86%（体积分数）（李济远等，2022），远远大于氦气含量0.1%的工业标准，显示了较好的资源前景。目前山西还未开展过氦气化探相关工作，本次研究以晋中盆地为例，通过对区内不同地貌景观单元，不同深度样品的氦气测试分析化验，总结适合本地区的氦气化探采样参数，探讨氦气化探的主要影响因素和地表异常模式，以期为该盆地和全国其他地区的氦气资源调查提供参考和借鉴。
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1 区域地质概况
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晋中盆地位于山西省汾渭地堑系中部，属新生代断裂控制的走滑拉分断陷型盆地。盆地总体呈北东向“S”型展布，长约100 km，宽约40 km，总面积约 6000 km2，地貌以“两山夹一盆”为特征，地势北高南低，西高东低，四周为丘陵山区所环绕，西侧为吕梁山系，东侧为太岳山系（秦帮策等，2021）（图1）。
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晋中盆地由清徐凹陷和周缘断阶等次级构造单元组成，主要发育有北东向、北北东向和北北西向3组断裂，它们相互交接控制了断陷的基本轮廓（魏荣珠等，2022）。受断裂活动影响，西部地貌类型从侵蚀性中-低山地急剧下降为盆地内部冲积平原，冲积扇群及黄土型台地分布在山前地区。盆地南部为黄土丘陵地貌，北部主要为冲积扇地貌，河谷地貌在盆地内部的汾河、潇河及乌马河等河流地区分布（王乃樑，1996；胡小猛等，2002；闫小兵等，2014；王利康等，2017；秦帮策等，2021；魏荣珠等，2022）（图1a）。在冲积扇沉积地区，沉积物主要以亚砂土和砂土为主，含砾石层；在冲积扇和河流过渡区，沉积物以冲积和洪积为主，垂向上表现为亚砂土和黏土、亚黏土的不等厚互层；而在河流沉积控制区，沉积物上部主要以黏土、亚黏土为主，向下岩性变粗，过渡到亚砂土，部分地区见砂土，可能为古河道位置。
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2 样品采集与分析
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2.1 样品采集
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采样时，首先为了保证样品的代表性，在每个地貌单元都设计了样品。由于区内以河流冲积平原为主，因此大部分样品落在了该地貌单元内；其次，采样也兼顾不同类型的地表附着物，如人工林以及农作物等；另外，由于晋中盆地人类居住密集，在采样过程中还考虑了人类活动可能带来的影响，在村镇旁的建筑工地设计了样品。最终，共计采集样品31件，这些样品的采集地分别位于冲积扇区（5件）、冲、洪积叠加区（3件）、冲积平原区（24件），采样位置见图1b。采样工具为改造过的洛阳铲，采样深度参考了北方1.0 m以上为生物活动带的实际（阮天健和费琪，1992）和渭河盆地氦气化探采样的经验（李玉宏等，2018），兼顾探讨生物活动是否对氦气产生影响，设计本次采样深度从0.7 m开始，分别在0.7~1.0 m、1.0~1.3 m、1.3~1.6 m、1.6~1.9 m、1.9~2.2 m范围内采样。土壤样品通过洛阳铲采出后，为了防止污染，放置在玻璃纸上，通过竹夹快速装入玻璃瓶内，尽量装满整个玻璃瓶，之后盖上定制的硅胶塞密封后拧紧瓶盖倒置，贴上相应标签记录。采样过程中还要详细记录不同深度的土壤类型及变化情况，具体采样信息见表1。
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图1 晋中盆地位置、地貌单元（a）及采样点分布图（b）（底图据张宏民等，2011修改）
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Fig.1 Location, geomorphological units (a) and distribution of sampling locations (b) of Jinzhong basin (base map modified from Zhang Hongmin et al., 2011)
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2.2 样品分析测试
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根据氦气容易逸散的特征，采样完成后需要及时送实验室进行分析测试（何峻等，2018）。分析时，用注射器先将一定量的饱和盐水打入采样瓶中，再抽取顶空气，并注入气相色谱的定量环中测定氦气含量。室内温度为20℃，分析仪器为美国Agilent公司生产的7890B型气相色谱仪。测定氦的色谱条件为：使用分子筛填充柱作为分析柱，Porapak-Q填充柱为预分析柱；采用高纯氮气（99.999%）作载气，载气流速 14 mL/min；热导检测器（TCD）温度为 180℃，柱温箱的温度为 40℃，阀箱温度为 100℃；采用定量环进样（5 mL）（李忠煜等，2022）。值得一提的是，实验中运用了色谱反吹技术，目的为了保护色谱柱，延长色谱柱使用寿命（李吉鹏等，2013），经过实验，确定了气动反吹十通转换阀的最佳切换时间为0.65 min。上述实验在自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成，氦含量分析结果见表2。
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注：“-”表示未取样，无数据。
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3 结果与讨论
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从样品测试结果看，0.7~1.0 m采样深度内氦含量为4.98×10-6~5.92×10-6 mol/mol，平均5.41×10-6 mol/mol；1.0~1.3 m采样深度内氦含量为5.01×10-6~5.96×10-6 mol/mol，平均5.41×10-6 mol/mol；1.3~1.6 m采样深度内氦含量为4.98×10-6~5.65×10-6 mol/mol，平均5.29×10-6 mol/mol；1.6~1.9 m采样深度内氦含量为4.82×10-6~5.95×10-6 mol/mol，平均5.38×10-6 mol/mol，1.9~2.2 m采样深度内氦含量为4.93×10-6~5.93×10-6 mol/mol，平均5.37×10-6 mol/mol。所有样品的平均值都高于氦气在空气中的含量4.60×10-6~5.24×10-6 mol/mol（冯光熙，1984；李玉宏等，2022），说明深部有高浓度的氦气供给，才能在土壤中检出高于背景值的含量。
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将每个样品不同深度的数据成图，成图时，剔除了4个因采样时渗水而导致结果较少的样品，最终结果见图2。从图中可以看出存在多种曲线特征，理论上每种地貌单元的样品曲线特征应该趋势相似，据此在试验区共划分出四种曲线类型，分别代表四种地貌单元（图3a），与已有的地貌单元划分相比，该划分方案更为细致和准确。
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冲积扇地貌单元中，氦气含量随着采样深度的增加总体表现为“低—高—低”的特征（图3b）；冲积洪积叠加地貌单元中，氦气含量随着采样深度的增加总体表现为“高—低—高”的特征（图3c）；在冲积平原地貌单元中，根据曲线形态又可以细分为河漫滩和冲积平原两种地貌单元，河漫滩地貌单元中，氦气含量随着采样深度的增加总体表现为“低—高—低”的特征（图3d）；冲积平原地貌单元中，氦气含量随着采样深度的增加总体表现为“高—低—高”的特征（图3e）。因此，根据现有资料可以对原来比较粗略的地貌单元进行进一步的细化。
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图2 晋中盆地不同采样深度氦气含量特征
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Fig.2 Characteristics of helium content at different sampling depths in Jinzhong basin
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图3 晋中盆地地貌单元划分及对应氦气含量特征
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Fig.3 Division of geomorphic landscape units and corresponding helium content characteristics in Jinzhong basin
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3.1 人类活动对氦气赋存的影响
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我们分别选取河流阶地中的绿化带、河流冲积平原区的人工林、冲积扇区的旱地作物以及靠近人类村镇等密集活动区的样品进行比较（图4）。从图4可以看出，所有样品在1.0~1.3 m深度范围以后数据的变化趋势比较一致，数据都呈现出先下降再升高再下降的趋势，说明生物活动对氦气的含量有比较大的影响。再分别比较不同地表植被下数据的变化特征，发现在0.7~1.0 m深度范围旱地作物的氦气含量最低，与其他样品具有明显的区别。原因可能是由于耕种地人类活动较频繁，地表土壤经常会因为农作物的种植和采收而被人为扰动，影响可能会达到0.5 m或者更深（乔磊等，2020），从而使得土壤中的氦气逸散较多，造成数值偏低。河流绿化带和平原人工林的前期数据变化相似，主要原因是在0.7~1.0 m深度范围，土壤氦气和空气中的氦气可以流通，随着深度增加，植物根系等可以对氦气起到吸附作用，使得1.0~1.3 m深度范围氦气含量降低。而人类村镇旁氦气含量数据则出现了随深度增加氦气含量增加的特点，这主要与采样点土壤的来源具有多样性有关，由于靠近人类生活区，这里的土壤除了原地的来源外，还有可能来自人类的建筑、生活垃圾等各方面，我们在采样过程中也观察到了部分土壤中夹杂着水泥、碎石、塑料等人类活动的痕迹，造成数据的代表性较差或出现异常，因此今后采样中需要尽量避开该类区域。
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3.2 断裂和水文条件对氦气赋存的影响
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比较不同地貌景观下每个深度样品的数值，发现河流阶地绿化带的样品在相同深度的数值基本上都高于其他三个地貌景观的样品，说明河流阶地绿化带样品总体的氦气含量明显大于其他三类样品。从目前的主流认识来看，富钍、铀的花岗岩体被认为是壳源氦气的主要气源岩（刘建朝等，2009；Zhang Wen et al.，2020；李玉宏等，2022），而地质体中U、Th等氦源元素丰度低，半衰期极长，生氦速率极低，不存在集中生气高峰，具有典型的“弱源性”（李玉宏等，2017）。
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氦气生成后，将通过游离态、水溶态、吸附态等方式进行运移和保存。一方面，氦气生成后首先溶于孔（裂）隙水中，最终进入盆地地下水流体中进行运移，这与我们前期在温泉水气中发现氦气丰度一般偏高的现象相吻合。王国建等（2010）通过模拟实验，认为烃类微渗漏异常不可能通过盆地深部压实水和补给天然水穿过油气藏垂向流动而产生，但沿盆地中的断裂和裂隙发生明显的上升流动是没有问题的，地下水可能是烃类（以气相为主）垂向微渗漏异常的捕集器。另一方面，富氦地下水向上运移过程中，含氦流体一旦遇到天然气藏，低体积分数和高亨利系数的溶解氦将因溶解度降低而脱溶，氦将从水溶态转变为游离态而进入气藏（李玉宏等，2017；Zhang Wen et al.，2019b）。张福礼等（2012）研究了渭河盆地平面上水溶氦气富集程度的差别，发现富集程度高的有利远景区均处于活动性深大断裂带附近的构造大斜坡、河流相和湖泊相砂体发育的沉积相带中，说明深大断裂是氦气运移的重要通道。王国建等（2018）也通过模拟实验证实了断层对化探异常影响的作用，即断层不是烃类微渗漏的唯一优势通道，油藏上覆盖层及地层中广泛发育的裂隙或微裂隙系统都是决定地表化探异常分布的重要因素。而断层是否能作为优势通道，取决于断层的封闭性，封闭性好，烃类无法沿断层优先渗漏，封闭性差，烃类将沿断层优先渗漏，与断层的产状无关（图5）。
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图4 晋中盆地不同地表植被氦气含量曲线特征
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Fig.4 Characteristics of helium content curves of different surface vegetation in Jinzhong basin
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3.3 采样深度及土壤类型对氦气赋存的影响
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比较不同地貌单元的氦气平均含量（图6），发现除冲洪积叠加地貌单元外，其他三种地貌单元在1.3~1.6 m深度范围内氦气含量值较上一个深度范围的值减小，之后在下一个深度范围又表现为增大的特征。结合北方生物活动带在1.0 m左右的实际（阮天健和费琪，1992），认为此深度可能是和空气沟通的最大深度，该深度以下，氦气含量受空气的影响较小，主要来自地下氦气的逸散，而冲洪积叠加区此深度氦气含量较高被认为是可能靠近断裂带，来自地下的氦通量较高所致。最终，结合所有地貌单元在1.6~1.9 m比1.3~1.6 m氦气平均含量增加的实际，综合认为在晋中盆地大于1.6 m的深度是比较理想的采样深度。而对于1.9~2.2 m比1.6~1.9 m部分样品的氦气含量降低的原因，我们认为主要是受土壤类型和含水饱和度的影响。汤建成等（2014）采用巨正则蒙特卡洛方法对氦气在氩霜狭缝孔结构中的吸附过程进行了模拟研究，认为当孔径大于1.5 nm时，吸附等温线基本重合，而孔径小于1.5 nm时，在一定压力下吸附量变大。前人在页岩的研究中也发现其中的黏土矿物的孔隙以微纳米孔为主（张云鹏等，2021）。因此，亚砂土与黏土相比，孔隙更大，通气性更好，但对于氦气的吸附则是黏土比亚砂土或亚黏土更好，正是黏土吸附了更多的氦而导致氦平均含量变大。另外，在采样过程中，深度越大，样品的含水饱和度就越高，本次在1.9~2.2 m深度范围内，部分样品就已经开始渗水而未成功采样。样品含水量高，水分子则会进入土壤中的孔隙中，进一步的压缩氦气的存储和吸附空间，造成氦含量降低。
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图5 氦气在模拟地层中的垂向浓度分布（据王国建等，2018修改）
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Fig.5 Vertical concentration distribution of helium in the simulated stratum (modified from Wang Guojian et al., 2018)
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图6 晋中盆地不同地貌单元氦气平均含量特征
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Fig.6 Characteristics of average helium content in different geomorphological units in Jinzhong basin
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综上，我们认为在采样深度上应该尽量的大于1.6 m，并且优先选择含水饱和度较小、并且以黏土为主的土壤类型进行采样。
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4 晋中盆地氦气化探异常模式
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近年来，在岩体不发育的晋中地区发现了高丰度的氦气显示。已有研究表明石炭系本溪组铝土岩系的铀、钍含量高（张文旭，2019），生氦能力强，是优质氦源岩。李济远等（2022）也建立了“山西式”氦气成藏模式，他认为由盆缘向盆内逐级下降的断阶构造为天然气以及氦气的运移提供了良好的通道。无论是铝土岩系氦源岩生成的氦气还是基底等其他地层中生成的氦气都可以通过断裂与地下流体一起向上运移，在气水界面持续脱溶，不断积累最终形成富氦天然气藏。笔者也认同这样的成藏模式，并结合本次的氦气化探试验结果，认为在氦气的运移过程中，可能有相当大一部分氦气进入了气藏，但肯定还有一部分是逸散到了地表被检出，这也才构成了氦气化探工作的基础。通过研究，结合晋中地区构造特征及圈闭评价（王付斌等，2017），我们也建立了晋中盆地的氦气赋存模式（图7）。
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图7 晋中盆地氦气赋存模式
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Fig.7 Helium transport and storage patterns in the Jinzhong basin
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模式中，铝土岩是晋中盆地主要的氦源岩，氦气生成后，断裂和流体是氦气向上逸散的主要通道，在运移的过程中，封闭性好的断裂附近可以形成好的构造圈闭或气藏，氦气优先脱溶进入气藏形成富氦天然气藏，只有少量运移至地表而难以形成氦气异常。而在封闭性差的断裂附近，大量氦气可以逸散至地表，沿断层走向形成点状或带状异常，当多组不同方向的断裂相互交切时，则有可能在地表形成面状异常。断裂封闭性的影响因素很多，它与断层性质、埋深、断层面倾角以及断层产状与岩层产状配置关系等都密切相关（付晓飞等，2021）。一般情况下，张性断层封闭性最差，并且一般倾角越小时，断层岩承受的压力越大，封闭性越好。而当断层两盘产状与断层产状相同时封闭性差，与断层产状相反时封闭性好，与断层产状形成屋脊式时，断层封闭性最好（孟令东等，2013）。另外，在与地下流体沟通方面，地表水系则具有得天独厚的条件，天然河流发育的地区也往往有断裂发育，因此，沿着河流两侧也最有可能形成带状氦气异常。
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根据以上研究成果，结合区域地质背景，我们尝试对试验区的氦气富集带进行预测，结果见图8。在汾河、潇河交汇地带，地下同时也存在大区域背景下的张性断层，因此，这一区域最有可能在地表形成面状异常，是较好的氦气富集带。在象峪河一带，由于断裂较少，可能会沿着河流，在其两侧形成带状异常。而在其他地区，可能主要以局部的点状异常为主。另外，需要说明的是，这仅是目前工作程度下预测的结果，今后随着工作程度的提高，比如像大地电磁、二维地震等多种勘探手段的应用，将会对地下结构揭示得更加清楚，因此在氦气富集带的预测上也会更加精准。
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图8 晋中盆地试验区氦气富集带预测
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Fig.8 Prediction of Helium enrichment zone in the experimental area of Jinzhong basin
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5 结论
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（1）地表氦气的赋存受到地貌景观、水文条件、土壤性质、人类活动等因素的影响，通过综合分析研究认为在采样时一是应尽量远离村镇等受人类活动影响较大的区域，二是在晋中盆地进行氦气化探较为理想的采样深度应大于地表以下1.6 m，并且优先选择含水饱和度较小、以黏土为主的土壤类型进行采样。
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（2）初步建立了晋中盆地的氦气赋存模式，并预测了试验区氦气有利富集区带。即：晋中地区的氦源岩主要为铝土岩系，氦气在生成后通过断裂和地下流体一起向上运移和逸散，在封闭性好的断裂附近会优先通过脱溶等方式在构造圈闭中形成富氦天然气藏，在封闭性差的断裂和与地表水系沟通流畅的地方，氦气则更容易逸散至地表最终形成带状或面状异常，可以通过氦气化探等方法检测和圈定出来。
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致谢：本文在采样过程中得到了许海红、朱明伟、吴军峰、陈小平的大力帮助，在分析测试过程中，李忠煜和赵江华提供了专业的指导，在此一并致谢。
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参考文献
-
Feng Guangxi. 1984. Inorganic chemistry series (Volume I). Rare Gases, Hydrogen, and Alkali Metals. Beijing: Science Press (in Chinese with English abstract).
-
Fu Xiaofei, Li Kun, Dong Rou, Li Jinku. 2021. Review of fault sealing research. Energy Technology and Management, 46(3): 24~26+171 (in Chinese with English abstract).
-
He Jun, Li Zhongyu, Zhao Jianghua, Han Wei, Zhu Jinrui. 2018. Study on collection and storage stability experiment of helium headspace gas. Rock and Mineral Analysis, 37(2): 159~163(in Chinese with English abstract).
-
Hu Xiaomeng, Fu Jianli, Ma Zhizheng, Yang Jingchun. 2002. The significance of the Hongshan quaternary section in Taiyuan basin, Shanxi. Journal of Stratigraphy, 26(3): 226~229(in Chinese with English abstract).
-
Li Guangzhi, Yuan Ziyan, Hu Bin. 2007. Application of headspace gas technology to geochemical exploration. China Petroleum Exploration, 12(6): 47~50(in Chinese with English abstract).
-
Li Jipeng, Wang Guojian, Tang Yuping. 2013. A detection method for trace helium, neon and hydrogen and its effect in oil and gas exploration. Geophysical and Geochemical Exploration, 37(2): 251~254(in Chinese with English abstract).
-
Li Jiyuan, Li Yuhong, Hu Shaohua, Zhou Junlin, Chen Gaochao, Zhang Shangqing. 2022. “Shanxi-type” helium accumulation model and its essentiality. Journal of Xi'an University of Science and Technology, 42(3): 529~536(in Chinese with English abstract).
-
Li Yuhong, Wang Xingyun, Han Wei. 2015. Progress and achievements of helium gas resources survey in Weihe basin. Geological Survey of China, 2(6): 1~6(in Chinese with English abstract).
-
Li Yuhong, Zhang Wen, Wang Li, Zhao Fenghua, Han Wei, Chen Gaochao. 2017. Henry's law and accumulation of crust-derived helium: A case from Weihe basin, China. Natural Gas Geoscience, 28(4): 495~501(in Chinese with English abstract).
-
Li Yuhong, Zhou Junlin, Zhang Wen. 2018. Reservoir Conditions and Resource Prospects of Helium in the Weihe Basin. Beijing: Geological Publishing House (in Chinese with English abstract).
-
Li Yuhong, Li Jiyuan, Zhou Junlin, Zhao Fenghua, Xu Dan. 2022. Research progress and new views on evaluation of helium resources. Journal of Earth Sciences and Environment, 44(3): 363~373(in Chinese with English abstract).
-
Li Zhongyu, Zhou Junlin, Zhao Jianghua. 2022. Determination of He, Ne, H2 in tank top gas by chromatographic method and its application in helium resource survey. Northwestern Geology, 55(3): 267~273(in Chinese with English abstract).
-
Liu Jianchao, Li Rongxi, Wei Gangfeng, Zhao Fasuo. 2009. Origin and source of soluble helium gas in geothermal water, Weihe basin. Geological Science and Technology Information, 28(6): 84~88(in Chinese with English abstract).
-
Meng Lingdong, Fu Xiaofei, Lv Yanfang. 2013. Quantitive analysis of fault seal influencing factors of extensional normal fault in clastic rock formations. Geological Science and Technology Information, 32(2): 15~28(in Chinese with English abstract).
-
Qiao Lei, Huang Mingjing, Zhang Wuping, Wang Guofang, Ren Jian. 2020. Thickness andsoil nutrients of typical cultivated land in Jinzhong basin: Spatial variation. Chinese Agricultural Science Bulletin, 36(1): 89~97(in Chinese with English abstract).
-
Qin Bangce, Fang Weixuan, Zhang Jianguo, Jia Runxing, Xiao Wenjin. 2021. Quaternary sedimentary sequence and sedimentary environment restoration in the Jinzhong basin, Fenhe rift valley. Journal of Geomechanics, 27 (6): 1035~1050(in Chinese with English abstract).
-
Qin Shengfei, Li Jiyuan. 2021. What is the use of helium? Petroleum Knowledge, 4: 44~45(in Chinese with English abstract).
-
Ruan Tianjian, Fei Qi. 1992. Geochemical Exploration of Petroleum and Natural Gas. Wuhan: China University of Geosciences Press (in Chinese with English abstract).
-
Tang Jiancheng, Xiong Lianyou, Peng Nan, Lu Wenhai, Dong Bin, Liu Liqiang. 2014. Grand canonical Monte Carlo of helium adsorption on argon frost. Cryogenics, 197(1): 27~30(in Chinese with English abstract).
-
Tang Jinrong, Zhang Yuxuan, Zhou Junlin, Li Yuhong, Niu Yazhuo. 2023. Analysis of global helium industry chain and China's strategy. Geological Bulletin of China, 42(1): 1~13(in Chinese with English abstract).
-
Wang Fubin, Wang Bo, Dong Zhigang, Zhao Junxing. 2017. The tectonic characteristics and trap evaluation of Jinzhong area in Qinshui basin. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 39(5): 636~642(in Chinese with English abstract).
-
Wang Guojian, Tang Junhong, Fan Ming, Lu Li, Huang Xin. 2010. The mechanism of oil and gas migration with water during oil and gas micropercolation. Geophysical and Geochemical Exploration, 34(3): 294~297(in Chinese with English abstract).
-
Wang Guojian, Tang Yuping, Tang Junhong, Li Jipeng, Yang Jun, Li Xingqiang. 2018. Experimental simulation of the effect of faults on vertical hydrocarbon microseepage. Geophysical and Geochemical Exploration, 42(1): 21~27(in Chinese with English abstract).
-
Wang Guojian, Lu Li, Yang Jun, Li Jipeng, Ren Chun, Tang Junhong, Li Wu. 2021. The soil gas method and its application to geochemical prospecting for oil and gas. Geophysical and Geochemical Exploration, 45(1): 11~17(in Chinese with English abstract).
-
Wang Likang, Yang Zhenjing, Bi Zhiwei, Yang Qinghua, Fu Xiaofen. 2017. Research progress of Quaternary geology in Taiyuan basin. China's Manganese Industry, 35 (3): 54~57(in Chinese with English abstract).
-
Wang Nailiang, Yang Jingchun, Xia Zhengkai. 1996. Cenozoic Sedimentation and Tectonic Geomorphology of the Shanxi Graben System. Beijing: Science Press (in Chinese with English abstract).
-
Wei Rongzhu, Zhuang Qitian, Yan Jiyuan, Wei Yunfeng, Du Yanwei, Fan Junhui. 2022. Late Cenozoic stratigraphic division and sedimentary environment of Jinzhong basin in Shanxi Province, with the climate and lake evolution since the pre-Qin period (2500 years ago). Geology in China, 49(3): 912~928(in Chinese with English abstract).
-
Xu Yongchang, Shen Ping. 1990. Industrial storage of mantle-derived helium and the Tancheng-Lujiang fracture zone. Science Bulletin, 35(12): 932~935(in Chinese with English abstract).
-
Yan Xiaobing, Li Zihong, Guo Jin, Zhao Jinquan, Chen Wen, Hu Guirang, Su Zongzheng. 2014. Evolution of late Cenozoic geography and environment in Shanxi Province and the neotectonic response. China Earthquake Engineering Journal, 36(2): 338~346(in Chinese with English abstract).
-
Zhang Fuli, Sun Qibang, Wang Xingyun, Zou Yanrong. 2012. Evaluation of water soluble helium resources in Weihe basin. Journal of Geomechanics, 18 (2): 195~202(in Chinese with English abstract).
-
Zhang Hongmin, Zhang Yongfeng, Tian Jinwei. 2011. Evaluation report of urban environmental geological survey in Taiyuan, Shanxi Province. Taiyuan: Shanxi Geological Survey Institute (in Chinese with English abstract).
-
Zhang Wen, Li Yuhong, Zhao Fenghua, Han Wei, Li Yan, Wang Yunpeng, Holland Greg, Zhou Zheng. 2019a. Using noble gases to trace groundwater evolution and assess helium accumulation in Weihe basin, central China. Geochimica et Cosmochimica Acta, 251: 229~246.
-
Zhang Wen, Li Yuhong, Zhao Fenghua, Han Wei, Zhou Junlin, Holland Greg, Zhou Zheng. 2019b. Quantifying the helium and hydrocarbon accumulation processes using noble gases in the north Qaidam basin, China. Chemical Geology, 525: 368~379.
-
Zhang Wen, Li Yuhong, Zhao Fenghua, Zhou Zheng, Han Wei, Zhou Junlin, Zhang Qiao. 2020. Granite is an effective helium source rock: Insights from the helium generation and release characteristics in granites from the north Qinling orogen, China. Acta Geologica Sinica (English Edition), 94(1): 114~125.
-
Zhang Wenxu. 2019. Research progress and problems in the exploration of ore-bearing rock systems in bauxite in Shanxi. Geological Survey and Research, 42(1): 30~36(in Chinese with English abstract).
-
Zhang Yunpeng, Li Yuhong, Lu Jincai, Li Yonghong, Song Bo, Guo Wang. 2016. The discovery and origin of helium-rich gas on the northern margin of the Qaidam basin. Geological Bulletin of China, 35(Z1): 364~371(in Chinese with English abstract).
-
Zhang Yunpeng, Li Yuhong, Guo Wang, Han Wei, Li Yonghong, Wang Weichao. 2021. Characteristics and main controlling factors of pore structures in low thermal maturity continental shale of Jurassic, northern Qaidam basin. Acta Geologica Sinica, 95(2): 565~577(in Chinese with English abstract).
-
Zhou Junlin, Li Yuhong, Wei Jianshe, Zhang Wen, Zhang Qiao, Han Wei, Ma Shangwei, Li Jiyuan, He Zhengyang. 2022. Geological conditions and enrichment model of helium in north Huazhou area of Gushi depression, Weihe basin, China. Northwestern Geology, 55(4): 33~44(in Chinese with English abstract).
-
冯光熙. 1984. 无机化学丛书(第一卷). 稀有气体、氢、碱金属. 北京: 科学出版社.
-
付晓飞， 李坤， 董柔， 李金库. 2021. 断层封闭性研究综述. 能源技术与管理， 46(3): 24~26+171.
-
何峻, 李忠煜, 赵江华, 韩伟, 朱津蕊. 2018. 氦罐顶气样品采集及保存有效期实验研究. 岩矿测试, 37(2): 159~163.
-
胡小猛, 傅建利, 马志正, 杨景春. 2002. 太原盆地洪山第四纪剖面的发现. 地层学杂志, 26(3): 226~229.
-
李广之, 袁子艳, 胡斌. 2007. 顶空气技术在天然气化探中的应用. 中国石油勘探, 12(6): 47~50.
-
李吉鹏, 王国建, 汤玉平. 2013. 一种痕量氦氖氢的检测方法及其化探效果. 物探与化探, 37(2): 251~254.
-
李济远, 李玉宏, 胡少华, 周俊林, 陈高潮, 张尚清．2022. “山西式”氦气成藏模式及其意义. 西安科技大学学报, 42(3): 529~536.
-
李玉宏, 王行运, 韩伟. 2015. 渭河盆地氦气资源远景调查进展与成果. 中国地质调查, 2(6): 1~6.
-
李玉宏, 张文, 王利, 赵峰华, 韩伟, 陈高潮．2017. 亨利定律与壳源氦气弱源成藏——以渭河盆地为例. 天然气地球科学, 28(4): 495~501.
-
李玉宏, 周俊林, 张文. 2018. 渭河盆地氦气成藏条件及资源前景. 北京: 地质出版社.
-
李玉宏, 李济远, 周俊林, 赵峰华, 徐聃．2022. 氦气资源评价相关问题认识与进展. 地球科学与环境学报, 44(3): 363~373.
-
李忠煜, 周俊林, 赵江华. 2022. 顶空气中氦氖氢气相色谱测试方法及在氦资源调查中的应用. 西北地质, 55(3): 267~273.
-
刘建朝, 李荣西, 魏刚峰, 赵法锁. 2009. 渭河盆地地热水水溶氦气成因与来源研究. 地质科技情报, 28(6): 84~88.
-
孟令东， 付晓飞， 吕延防. 2013. 碎屑岩层系中张性正断层封闭性影响因素的定量分析. 地质科技情报， 32(2): 15~28.
-
乔磊, 黄明镜, 张吴平, 王国芳, 任健. 2020. 晋中盆地典型耕地厚度、土壤养分空间变异. 中国农学通报, 36(1): 89~97.
-
秦帮策, 方维萱, 张建国, 贾润幸, 肖文进. 2021. 汾河裂谷晋中盆地内第四纪沉积序列与沉积环境恢复. 地质力学学报, 27(6): 1035~1050.
-
秦胜飞, 李济远. 2021. 氦气到底有什么用. 石油知识, 4: 44~45.
-
阮天健, 费琪. 1992. 石油天然气地球化学勘探. 武汉: 中国地质大学出版社.
-
唐金荣, 张宇轩, 周俊林, 李玉宏， 牛亚卓. 2023. 全球氦气产业链分析与中国应对策略. 地质通报, 42(1): 1~13.
-
汤建成, 熊联友, 彭楠, 陆文海， 董斌， 刘立强. 2014. 氦气在氩霜表面吸附的巨正则蒙特卡洛模拟. 低温工程, 197(1): 27~30.
-
王付斌, 王博, 董志刚, 赵俊兴. 2017. 沁水盆地晋中地区构造特征及圈闭评价. 物探化探计算技术, 39(5): 636~642.
-
王国建, 唐俊红, 范明, 卢丽, 黄欣. 2010. 油气微渗漏中的随水迁移机制. 物探与化探, 34(3): 294~297.
-
王国建, 汤玉平, 唐俊红, 李吉鹏, 杨俊, 李兴强．2018. 断层对烃类微渗漏主控作用及异常分布影响的实验模拟研究. 物探与化探, 42(1): 21~27.
-
王国建, 卢丽, 杨俊, 李吉鹏, 任春, 唐俊红, 李武. 2021. 壤中游离气方法及其在油气化探中的应用. 物探与化探, 45(1): 11~17.
-
王利康, 杨振京, 毕志伟, 杨庆华, 付晓芬. 2017. 太原盆地第四纪地质研究进展. 中国锰业, 35 (3): 54~57.
-
王乃樑, 杨景春, 夏正楷. 1996. 山西地堑系新生代沉积与构造地貌. 北京: 科学出版社.
-
魏荣珠， 庄其天， 闫纪元, 魏云峰, 杜艳伟, 范俊辉. 2022. 山西晋中盆地晚新生代地层划分、沉积环境及其先秦以来气候和湖泊演化. 中国地质, 49(3): 912~928.
-
徐永昌, 沈平. 1990. 幔源氦的工业储聚和郯庐大断裂带. 科学通报, 35(12): 932~935.
-
闫小兵, 李自红, 郭瑾, 赵晋泉, 陈文, 扈桂让, 苏宗正. 2014. 山西晚新生代古地理环境变迁与新构造运动响应. 地震工程学报, 36(2): 338~346.
-
张福礼, 孙启邦, 王行运, 邹彦荣. 2012. 渭河盆地水溶氦气资源评价. 地质力学学报, 18(2): 195~202.
-
张宏民, 张永峰, 田金伟. 2011. 山西省太原市城市环境地质调查评价报告. 太原: 山西省地质调查院.
-
张文旭. 2019. 山西铝土矿含矿岩系勘查研究进展及存在问题. 地质调查与研究, 42(1): 30~36.
-
张云鹏, 李玉宏, 卢进才, 李永红, 宋博, 郭望. 2016. 柴达木盆地北缘富氦天然气的发现——兼议成藏地质条件. 地质通报, 35(Z1): 364~371.
-
张云鹏, 李玉宏, 郭望, 韩伟, 李永红, 王伟超. 2021. 柴达木盆地北缘侏罗系陆相低熟页岩孔隙发育特征及主控因素. 地质学报, 95(2): 565~577.
-
周俊林, 李玉宏, 魏建设, 张文, 张乔, 韩伟, 马尚伟, 李济远, 贺政阳. 2022. 渭河盆地固市凹陷华州北地区氦气地质条件与富集模式. 西北地质, 55(4): 33~44.
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摘要
氦气化探是油气地球化学勘探的一种，其通过测定地表附近土壤中的氦气丰度来探寻地下的氦气分布及资源状况。晋中盆地已经有了较好的氦气显示，但在氦气化探方面还没有开展过相关研究。本次研究通过对区内不同地貌景观单元，不同深度样品的氦气测试分析，认为地表氦气的丰度受到地貌景观、水文条件、土壤性质、人类活动等因素的影响，采样时应尽量远离受人类活动影响较大的区域，同时为了最大限度地避免人为或生物因素的影响，较为理想的采样深度应大于地表以下1.6 m，土壤类型则以含水饱和度较小的黏土优先。最后，建立了晋中盆地氦气化探异常模式，即氦气生成后通过断裂和地下流体一起向上运移和逸散，在封闭性好的断裂附近形成富氦天然气藏，在封闭性差的断裂和与地表水系沟通流畅的地方，氦气则更容易逸散至地表最终形成带状或面状异常。研究成果可以为今后该地区的氦气化探测量以及其他地区的氦气资源调查提供参考和借鉴。
Abstract
Helium geochemical exploration is a kind of oil and gas geochemical exploration that aims to determine the distribution and resource potential of underground helium by analyzing helium abundance in surface soil samples. While helium has been discovered in theJinzhong basin, dedicated research on helium geochemical exploration in this region remains limited. This study, through the analysis of helium content in soil samples from different geomorphological units and depths, suggests that surface helium abundance is affected by landscape, hydrological conditions, soil properties, and human activities. To minimize human and biological influences, sampling should be carried out at a depth greater than 1.6 m below the surface, preferably in clay soils with low water saturation and away from areas affected by human activities. Based on the findings, a model for helium geochemical exploration in the Jinzhong basin has been established. Helium, once generated, migrates upwards and escapes together with underground fluids through faults, accumulating in helium-rich gas reservoirs near faults with good sealing properties. In areas with good communication with surface water systems, helium is more likely to escape to the surface, forming surface anomalies. This research provides a foundation for future helium geochemical exploration in this area and can serve as a reference for helium resource investigations in other areas.
