鄂尔多斯盆地铝土岩层系氦气富集控制因素与分布

Key factors for enrichment and distribution of helium gas in bauxite strata in the Ordos Basin

摘要

鄂尔多斯盆地上古生界是重要的天然气富集和高产层系,其中石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩层系中天然气普遍富含氦气,但不同地区有着较大的差异;铝土岩层系氦气富集成藏主控因素和分布规律亟待深入探索。石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩层系中氦气含量多数位于0.02%~0.15%,³He/⁴He比值多数小于0.05 R_a,最高不超过0.1 R_a,表明主要是壳源氦气;明确了除基底火山岩/变质岩之外,泥页岩、煤、铝土岩等沉积岩也可以作为铝土岩层系的有效氦源岩。不同气田氦气含量差异较大,总体上具有南北高、中部低、东西两侧略高的特点,其中盆地北部和南部的东胜和庆阳气田氦气含量可达0.3%;东侧石西和临兴区块氦气含量多超过0.1%;中部的苏里格、榆林、神木等气田中氦气含量普遍较低,多数低于0.1%。基于鄂尔多斯盆地不同地区氦气含量与基底、断裂、隆起、沉积地层之间的关系,揭示了铝土岩层系中氦气富集规律,即基底和铝土岩层系沉积层双源供氦,断裂、隆起和含膏盐岩层控富。受隆起、基底断裂、基底和沉积层双源供氦的影响,庆阳、东胜等气田具有较高的氦气含量;由于寒武系至奥陶系碳酸盐岩和膏盐岩阻隔深部基底氦源,盆地中部的苏里格、榆林、靖边等气田中氦气含量普遍较低。基于鄂尔多斯盆地元古宙和太古宙基底花岗岩、石炭系至二叠系沉积层的铝土岩、富有机质泥岩和煤岩分布特征,优选出北部杭锦旗、南部庆阳—陇东、西部鄂托克前旗—定边—吴起、东南部富县—宜川、东部临县—石楼等主要的铝土岩层系富氦气藏有利区带。

Abstract

The Paleozoic strata in the Ordos Basin are important natural gas-rich and high-yielding intervals. Natural gas from the Carboniferous Benxi Formation to the Permian Taiyuan Formation, which includes bauxite-bearing strata, is generally enriched in helium; however, helium contents vary significantly across different areas. The key controlling factors and distribution patterns of helium enrichment in these bauxite strata require further investigation.Both the Proterozoic-Archean basement rocks and the Carboniferous-Permian sedimentary rocks—including organic-rich mudstone, coal, and bauxite—contain high concentrations of uranium and thorium, making them effective helium source rocks. Helium contents in the Carboniferous-Permian bauxite strata mostly range from 0.02% to 0.15%, with ³He/⁴He ratios generally below 0.05 R_a and a maximum not exceeding 0.1 R_a, indicating a predominantly crustal origin for the helium. In addition to basement volcanic and metamorphic rocks, sedimentary rocks such as mudstone, shale, coal, and bauxite also serve as effective helium source rocks for the bauxite formations. Helium content varies considerably among gas fields. Overall, it exhibits a pattern of high values in the northern and southern parts, low values in the central region, and moderate values on the eastern and western sides. Specifically, the Dongsheng and Qingyang gas fields in the north and south have helium contents reaching 0.3%; the Shixi and Linxing gas reservoirs in the east generally exceed 0.1%; whereas the Sulige, Yulin, and Shenmu gas fields in the central region typically have helium contents below 0.1%. Based on the relationship between helium content and the distribution of basement rocks, faults, uplifts, and sedimentary strata in different areas of the Ordos Basin, the enrichment pattern of helium in bauxite strata is revealed: a dual helium supply from both the basement and bauxite sedimentary layers, with faults, uplifts, and gypsum-salt strata controlling the accumulation. Influenced by uplifts, basement faults, and the dual helium sources, the Qingyang and Dongsheng gas fields have relatively high helium content. In contrast, due to the blockage of basement-derived helium by Cambrian-Ordovician carbonates and evaporites in the central basin, gas fields such as Sulige, Yulin, and Jingbian generally exhibit lower helium content. Favorable helium-rich zones in the bauxite strata include Hangjinqi in the north, Qingyang-Longdong in the south, Etuokeqianqi-Dingbian-Wuqi in the west, Fuxian-Yichuan in the southeast, and Linxian-Shilou in the east.

Graphical abstract

关键词

铝土岩层系 / 双源供氦 / 膏盐岩 / 有利区带 / 鄂尔多斯盆地

Key words

bauxite strata / dual source helium supply / gypsum-salt rock / favorable zone / Ordos Basin

0 引言

氦气是一种惰性的单原子气体,具有低溶解度、低密度、高导热率、强化学惰性等性质,因此在临床医学、国防军工、航天、医疗、低温科学等高科技领域都有广泛应用,是一种不可替代的稀缺性资源^[1]。氦在地球上的丰度相对较低,尤其是在空气中的含量极微,体积含量为5×10^-6左右^[2]。地下地质体中有着丰富的氦,受壳幔岩浆活动、深大断裂沟通等深部地质作用影响,氦气源源不断地从深部地壳或地幔向浅表地层运移与富集,形成富氦气藏,是目前工业提取利用氦气的主要方式。世界上多个国家的大中型油气藏中有着一定量的氦气含量,主要的富氦气藏包括美国Hugoton-Panhandle气田^[3]、俄罗斯西西伯利亚气田^[4]、卡塔尔北部气田^[5]、阿尔及利亚Hassi R’Mel气田^[6]等。我国的中西部古老克拉通盆地(塔里木、四川、鄂尔多斯盆地等)、东部裂谷盆地(松辽、渤海湾、苏北、三水盆地等)油气藏、地热水、温泉热液中都有丰富的氦气伴生,形成壳源同源型、壳源异源型、壳幔复合型富氦气藏^[7-9]。

针对氦气富集控制因素,前期已有大量的研究认识,认为我国中西部塔里木、四川、鄂尔多斯等盆地富氦天然气分布与古老的花岗岩或古老基底密切相关,古老地层水溶解携带和脱氦控制了氦气的富集成藏^[1,10-11];富氦气藏具有临近氦源、有效断裂疏导及在隆起高部位分布的模式和规律^[12-13],并且主要在古生代等古老层系中富集^[14]。

鄂尔多斯盆地富含煤炭、油气、铀矿等多种资源,并且油气勘探也表明东胜、庆阳、苏里格、榆林、大牛地、乌审旗、子洲、延安等多个大中型气田中有一定氦气含量,形成富含/含氦气田^[15-16],石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩层系是这些大中型含/富氦气田的重要储层和产层。前期研究表明,古老基底花岗岩、变质岩等氦源岩的分布以及沟通基底氦源的深大断裂发育是控制氦气富集的主要因素^[17-20]。除了古老基底氦源和深大断裂沟通氦源之外,近期勘探研究表明,石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩沉积层中的富含铀钍的铝土岩、煤岩、泥页岩等也构成多沉积型的有效的氦源供给^[7-8];寒武系至奥陶系沉积地层的发育,特别是奥陶系马家沟组膏盐岩的发育显著影响了石炭系至二叠系含铝土岩层气藏的氦气含量和分布。目前已经在庆阳、石西、大牛地、榆林等地区的含铝土岩层系中发现高产富氦气藏^[18,21-23]。基底花岗岩/变质岩和含铝土岩沉积层多个氦源供氦、深大断裂沟通氦源、含膏盐岩沉积层对基底氦气的阻隔等多种因素的存在增加了含铝土岩层系氦气富集成藏的复杂性,目前研究关注较为薄弱;不同地区氦气富集的主要控制因素、差异性富集机理和分布规律等有待进一步厘定。

本文基于鄂尔多斯盆地主要气田氦气含量分布统计,结合构造演化、基底花岗岩和断裂展布、古隆起发育、寒武系和奥陶系等沉积地层厚度、膏盐岩分布、不同类型氦源岩成氦潜力等,明确鄂尔多斯盆地主要氦源岩类型和成氦潜力,厘定氦气含量分布和主要控制因素,揭示氦气富集机理和分布规律。

1 基本地质背景

鄂尔多斯盆地处于华北克拉通西部,位于东侧太行山和西侧贺兰山之间,南、北介于秦岭与阴山山脉之间,是中国典型的克拉通内坳陷盆地,面积约为37×10⁴ km²,具有稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回叠合发育的特征。基底为吕梁运动期(约1 800 Ma)南、北微陆块拼合固结而成的克拉通地块,基底构造线在中部—南部呈NW-SW方向,在伊盟隆起呈EW向。鄂尔多斯盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷和西缘逆冲带6个二级构造单元^[19](图1)。

鄂尔多斯盆地是自中元古代以来发展起来的大型沉积盆地^[24],其沉积基底为太古宇至古元古界的火山岩或变质岩;盆地的演化主要经历了中元古代—新元古代拗拉谷盆地发育期、古生代稳定克拉通盆地发育期、中生代前陆盆地发育期和新生代周边断陷盆地发育期。受周缘强烈的构造作用影响,盆地经历新元古代、中—晚奥陶世、中—晚三叠世、晚侏罗世—早白垩世、新生代等时期的构造变革演化,发生全域性的强烈挤压变形,导致了盆地沉积地层遭受大规模的隆升与剥蚀,形成明显的角度不整合或沉积间断。区域性的不整合包括长城系底部、蓟县系底部、震旦系底部、寒武系底部、奥陶系底部、石炭系底部、三叠系与下伏地层、侏罗系底部、白垩系底部、第四系底部的不整合^[25]。

鄂尔多斯盆地沉积地层自下而上包括中元古界长城系、蓟县系,下古生界寒武系—中、下奥陶统,上石炭统—下白垩统,古近系(见于盆地西南部),新近系(红黏土多见于盆地中东部)。盆地内部多缺失上白垩统及以上地层。中元古界长城系和蓟县系分别以碎屑岩和碳酸盐岩为主,为在盆地结晶基底之上的一套沉积盖层。蓟县运动使得古华北板块整体抬升,盆地缺失青白口系^[26]。早古生代的寒武系和中-下奥陶统为陆表海环境中发育的以碳酸盐岩为主的沉积地层,其中奥陶系马家沟组一段、三段、五段发育有3套蒸发岩沉积^[27]。自中奥陶世末期,加里东运动引发的全面抬升导致了盆地长达140 Ma的沉积间断与风化剥蚀,缺失志留系、泥盆系和下石炭统^[28]。自晚石炭世盆地持续沉降,沉积了海相和海陆交互相的上石炭统和下二叠统太原组、山西组煤系地层,其中晚石炭世沉积时期在奥陶系不整合面上形成广泛分布的厚度不等的铝土岩残积层^[29]。中—晚二叠世,随着海水完全退出,鄂尔多斯盆地发育了内陆湖盆-三角洲沉积体系,形成广覆式生烃的煤系烃源岩与大面积分布的致密砂岩储层的相互叠置形成了上古生界致密砂岩气藏^[30]。晚中生代的印支运动使盆地进入内陆坳陷盆地,发育一套厚度约1 000 m河流-湖泊相碎屑岩沉积,其中延长组是盆地陆相页岩油勘探开发的主要层段^[31]。

在中—新元古代裂陷槽基础上,鄂尔多斯盆地经历早古生代浅海台地、晚古生代近海平原、中生代内陆湖盆和新生代周边断陷等构造沉积阶段;自下而上在元古宇、下古生界、上古生界、中生界地层中都发育有不同类型的油气藏。从目前勘探来看,主要包括奥陶系盐下和盐间碳酸盐岩气藏,石炭系本溪组和二叠系太原组含铝土岩层气藏,二叠系灰岩、碎屑岩和煤层气藏,三叠系致密砂岩气藏和页岩油气藏等^[32]。石炭系本溪组和二叠系太原组含铝土岩层与上覆的山西组和下伏的奥陶系马家沟组在天然气和氦气来源和富集成藏上具有相关性,本文称为含铝土岩层系。

2 氦气成因来源

自然界中的氦气主要有3种成因类型,即大气氦、壳源放射性氦和幔源氦^[33-34]。稳定克拉通盆地的富氦气藏中的氦主要是地壳放射性成因的氦,深部构造和火山活动强烈的裂谷盆地油气藏中的氦气多是地幔来源的氦。

在深部构造和岩浆火山活动的地区,幔源氦伴随岩浆喷发,以挥发分的方式沿深大断裂体系进入沉积地层流体系统,对新生代裂谷盆地区域天然气藏中的氦气贡献较大^[35-36]。地壳放射性氦主要是地壳岩石矿物中铀和钍等放射性元素衰变产生的⁴He。地壳中可通过放射性成氦的氦源岩通常是富含铀和钍的岩石,主要类型包括盆地古老基底的变质岩、花岗岩、火山岩、铝土岩、富有机质泥页岩、煤岩等^[37]。放射性成因氦的量是时间和放射性元素浓度的函数,与温度和压力无关。铀和钍的半衰期分别长达4 468 Ma和14 050 Ma,因此,地壳中时代越古老的氦源岩生成的氦的量会越多。

2.1 主要氦源岩类型

对鄂尔多斯盆地石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩层系来说,形成氦气有效供给的壳源氦源岩主要包括太古宙基底的花岗岩和变质岩基底、石炭系本溪组至二叠系太原组铝土岩、煤岩、泥页岩等富含铀和钍的岩石(表1^[38-41])。

本次研究测得鄂尔多斯盆地太古宇花岗片麻岩的铀含量范围为(1.25~9.54)×10^-6,平均为6.89×10^-6;钍含量范围为(3.25~14.31)×10^-6,平均为10.65×10^-6。全球2 381个花岗岩样品的铀含量范围为(1~23)×10^-6,平均为4.32×10^-6;钍含量范围为(1~87)×10^-6,平均为18.85×10^-6。从这些数据可以看出,基底的花岗岩和变质岩铀和钍含量差别较大,这些铀和钍元素放射性形成的氦气通过断裂等通道体系,随地层水或CH₄、N₂、CO₂等气体向浅部气藏运移并富集成为富氦气藏^[7-8,12]。

富有机质的泥页岩、煤岩等通常也含有较高的铀和钍,因此单位质量中具有相对较高的成氦潜力。前期研究测得鄂尔多斯盆地东北缘二叠系石盒子组、石炭系太原组和本溪组泥岩铀范围为(1.93~6.54)×10^-6,平均为4.04×10^-6;钍含量范围为(11.5~24.2)×10^-6,平均为17.53×10^-6。二叠系山西组和石炭系太原组煤的铀含量范围为(1.35~21.24)×10^-6,平均为14.08×10^-6;钍含量范围为(8.66~56.87)×10^-6,平均为35.22×10^-6。泥页岩和煤与花岗岩和变质岩中的铀和钍含量相差很小,具有类似的成氦潜力。

鄂尔多斯盆地加里东期风化壳之上的本溪组发育有广泛的铝土岩层。铝土岩中的铀含量范围为(2.76~31.89)×10^-6,平均为19.56×10^-6;钍含量范围(25.66~56.79)×10^-6,平均为41.28×10^-6。铀和钍含量与页岩类似,都比变质岩和花岗岩的高,表明具有较大的生氦潜力。

铀、钍等元素放射性成氦的过程很少受外界条件的影响,其形成氦气的量的多少与铀和钍含量、富铀和钍的氦源岩的分布规模和时代有关。因此,氦源岩分布规模越大、铀和钍含量越高、时代越古老的岩石,其产氦的量就会越大。所以,世界上很多大型富氦气田的形成都与古老基底富铀和钍氦源岩密切相关,如美国Hugoton-Panhandle气田,中国四川盆地威远、塔里木盆地和田河、鄂尔多斯盆地东胜气田等。除了大规模的氦源岩之外,源储之间的配置关系、从源至储氦气的有效运移输送等也是关键的控制因素。

2.2 氦气成因识别

氦有两种稳定同位素,即³He和⁴He,其中³He主要是在宇宙大爆炸时期形成的原始氦;⁴He属于放射性成因,其同位素相对丰度为99.999 863%。大气、壳源及幔源氦同位素组成有显著的差异,可以根据³He/⁴He比值差异来判别氦气的来源。大气氦的³He/⁴He 值为1.4×10^-6,壳源的³He/⁴He值一般为10^-8量级,公认其端员值为2×10^-8,幔源的³He/⁴He值为1.1×10^{-5 [3,33]}。通常采用地质体中氦气的³He/⁴He比值(R)与大气的³He/⁴He比值(R_a)之间的相对比值(R/R_a)作为判识氦气来源的指标。代表上地幔来源的大洋中脊玄武岩的³He/⁴He比值(R/R_a)多在7~9 R_a左右^[42],而洋岛热点区玄武岩的³He/⁴He比值变化较大,如Galapagos地区位于6.9~27 R_a之间,冰岛(Iceland)地区最高,可达36.8 R_a^[43]。地壳放射性来源氦的³He/⁴He比值为0.01~0.1 R_a。通常认为³He/⁴He比值大于1 R_a即指示地幔来源氦有重要贡献^[44]。

对鄂尔多斯盆地东胜、苏里格、榆林、大牛地、石西等气田的氦气含量和³He和⁴He比值进行了统计,并与国内外典型富氦气藏进行比较,如中国中西部具有古老的稳定克拉通基底的塔里木和四川盆地,中国东部松辽、渤海湾、苏北、三水等中新生代裂谷盆地,美国的Hugoton-Panhandle、二叠盆地等。对比研究明确了鄂尔多斯盆地氦气的主要成因来源类型(图2^{[3,17,21-23,44-54]})。

我国东部裂谷盆地中的气藏,如松辽盆地庆深、松南、渤海湾盆地济阳坳陷、苏北盆地黄桥气藏等中的氦气含量多位于0.01%~0.1%;济阳坳陷花沟气藏氦气含量达2.05%,苏北盆地黄桥气藏氦气含量可达1.34%。东部裂谷盆地气藏的³He/⁴He比值普遍大于0.1 R_a,多数大于1 R_a,最高可达5.84 R_a(庆深气田),表明幔源来源氦气具有重要的贡献。

我国中西部的塔里木和四川盆地大中型气田中的氦气含量多位于0.01%~0.3%,³He/⁴He比值普遍小于0.1 R_a,表明氦气主要是壳源放射性成因。受二叠纪大火山岩省影响,塔里木盆地部分构造活跃区域的气藏中有一定的幔源来源氦气的贡献,如盆地北部雅克拉和西南部的阿克莫木气田的³He/⁴He比值分别达到0.17和0.56 R_a,表明了部分幔源氦气的贡献。美国Hugoton-Panhandle气田和Kansas盆地中氦气含量普遍较高,多数大于0.1%,最高可达3.1%,其³He/⁴He比值分别达到0.24和0.12 R_a,表明氦气主要来自壳源,具有一定的幔源来源的贡献。Sacramento盆地和二叠盆地中气藏的氦气含量较低,普遍低于0.02%,但³He/⁴He比值分别达到0.99和0.53 R_a,表明较多的幔源来源氦气。

鄂尔多斯盆地东胜、苏里格、神木、榆林、庆阳、大牛地等气田中的氦气含量多数为0.02%~0.15%,³He/⁴He比值多数小于0.05 R_a,最高不超过0.1 R_a(图2),表明主要是壳源氦气,几乎没有幔源氦气贡献。

3 氦气分布控制因素

统计分析鄂尔多斯盆地石炭系本溪组、太原组等含有铝土岩的层系中产出的氦气含量特征,结合盆地基底花岗岩和变质岩分布,对不同气田构造隆起、断裂发育和古生界及之前沉积地层分布等进行了比较,明确了含铝土岩层系氦气的分布控制因素。

3.1 不同地区氦气含量

鄂尔多斯盆地中不同气田氦气含量差异较大,总体上具有南北高、中部低、东西两侧略高的特点(图3)。位于盆地北部的东胜气田和南部的庆阳气田中氦气含量较高。东胜气田氦气含量多位于0.05%~0.3%,平均为0.11%,其中70.7%的样品氦气含量超过0.1%,两个样品超过0.3%^[17]。位于盆地南部的庆阳气田的氦气含量为0.07%~0.31%,平均为0.16%,其中58.5%的样品氦气含量超过0.1%。其中城探3井区18个天然气样品氦气含量普遍超过0.2%,最大为0.31%。

位于盆地中部的苏里格、榆林、神木等气田中氦气含量普遍较低,多数低于0.1%。苏里格气田87个样品氦气含量位于0.01%~0.08%,平均为0.04%。神木气田28个样品含量为0.02%~0.09%,平均为0.04%,仅有一个含量为0.12%。榆林气田5个样品含量为0.02%~0.04%,平均为0.03%。

盆地东部和东南部气田的氦气含量总体略高。石西区块25个样品氦气含量为0.05%~0.23%,平均为0.10%。临县-兴县区块氦气含量0.148%。宜川气田氦气含量分别为0.014%、0.083%和0.131%。

3.2 基底与断裂控制作用

基底断裂发育情况是鄂尔多斯盆地古生界气田氦气富集主控因素之一。盆地基底断裂具有盆地内部发育较少,南北两侧和东西两边发育较多的特点(图3)。渭北隆起及伊盟隆起奥陶系、寒武系及下伏的蓟县系和长城系沉积层相对较薄,局部缺失,断裂一般可贯通结晶基底至上覆石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩地层,而盆地中部基底断裂发育较少且贯通程度较差(图4中BB')。盆地南北两侧气田氦气浓度相对较高,并且高含氦井均分布在基底断裂周围,如东胜气田区域杭锦旗南侧的北西向基底断裂两侧氦气含量可达0.25%之上;庆阳气田区域庆阳北侧北西西向基底断裂,庆阳西侧和东侧两条北东向基底断裂,共同控制了庆阳气田具有较高的氦气含量。盆地东侧的神木、临兴、石西、宜川等区块部分钻井氦气含量超过0.1%,与沟通基底断裂发育密切相关。

从横跨鄂尔多斯盆地东西向地震剖面来看(图4中AA'),盆地东西两侧的西缘逆冲带和晋西褶皱带贯穿基底至石炭系本溪组和二叠系太原组含铝土岩地层的断裂较为发育,因此两侧部分钻井揭示氦气含量相对较高,盆地东侧的临兴区块氦气含量可达0.1%以上。无论是南北向地震剖面和还是东西向地震剖面都揭示盆地中部伊陕斜坡区域沟通基底断裂不发育(图4),因此盆地中部的大气田如苏里格气田、靖边气田、榆林气田的氦气含量普遍较低,且多数未能达到0.05%。

古老花岗岩和变质岩基底的发育也是鄂尔多斯盆地古生界气田氦气富集的主控因素之一。鄂尔多斯盆地是华北克拉通的一部分,于约1.95 Ga与北部阴山地块沿近北东向孔兹岩带俯冲碰撞形成了西部陆块,于约1.85 Ga西部陆块与东部陆块沿近南北走向的中部造山带碰撞拼合形成稳定的华北克拉通基底,具有极为悠久的历史^[55]。盆地基底来源复杂,各气田下方基底的时代属性不同,整体划分为集宁群、乌拉山群、恒山—吕梁群等AR-Pt₁时代基底与上乌拉山群、上集宁群、界河口群等Pt₁时代基底。

经极化减磁(RTP)处理的航磁异常可以反映基底构造和岩性特征。高磁异常值主要对应由强磁性岩石如火成岩和变质岩主导的基底,包括太古宙花岗岩、闪长岩等火成岩以及麻粒岩、片麻岩等变质岩^[56]。航磁异常特征表明盆地北部、东南部及庆阳—延安—临县一带是基底火山岩和变质岩发育的区域,这些区域上的东胜气田、庆阳、宜川、临兴气田等都有相对较高的氦气含量。

3.3 古隆起与沉积地层控制作用

鄂尔多斯盆地古隆起的发育、石炭系之前沉积地层的发育特征,特别是寒武系至奥陶系碳酸盐岩以及奥陶系马家沟组膏盐岩发育特征,对鄂尔多斯盆地古生界气田氦气富集起着重要的作用。

鄂尔多斯盆地下古生界之前的沉积层厚度在南北方向上呈现两侧薄、中部厚的特征。寒武系至奥陶系厚度与古隆起发育分布有着明显的关系(图5、图6)。伊盟隆起导致北部杭锦旗地区东胜气田缺失石炭系之前的沉积地层;中央古陆、乌审旗古陆显著影响了寒武系和奥陶系的分布,寒武系和奥陶系厚度一般不超过200 m。盆地南部渭北隆起北部至伊陕斜坡南部的庆阳古隆起区域寒武系至奥陶系以及长城系普遍减薄甚至缺失,导致石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩地层直接覆盖在基底地层之上。古隆起区域较薄的沉积地层为基底氦气沿着断裂向石炭系本溪组铝土岩层系运移和富集成藏提供了较好的条件。位于南北两个古隆起区域的东胜气田和庆阳气田因而有了较高的氦气含量。

盆地中部的乌审旗古陆虽然导致寒武系沉积缺失或被剥蚀,但后期奥陶系碳酸盐岩沉积地层厚度普遍较大,厚度介于600~1 200 m;同时,奥陶系马三、马五段膏盐岩在盆地中东部显著发育(图6)。膏盐岩层具有高注入压力、低渗透性与可塑性变形的特征,具有抑制氦气扩散通过的能力。厚度较大的寒武系至奥陶系碳酸盐岩沉积地层,特别是马家沟组膏盐岩地层的存在,使得基底生成的氦气难以运移到上古生界石炭系本溪组至二叠系太原组的含铝土岩层系,因而盆地中部的苏里格、榆林、神木等气田氦气含量普遍较低,多数小于0.1%,甚至小于0.05%(图4、图6)。

寒武系和奥陶系等沉积地层较厚的地区,虽然深部基底来源的氦气受到阻隔,但石炭系和二叠系沉积地层中的铝土岩和烃源岩(泥岩、煤等)等富含铀钍的沉积岩能为铝土岩层系提供了一种新的氦气供给源,为苏里格、榆林、神木等气田提供充足的氦气供给。

鄂尔多斯盆地加里东期风化壳之上广泛发育一套铝土岩层系,赋存于这套铝土岩层系中的铝土矿是古风化壳沉积型铝土矿床的典型代表^[57]。铝土岩的形成与分布与盆地构造隆升和海侵密切相关。在古生代时期,受早期区域拉张与晚期构造挤压的控制,在盆地西南缘发育中央古隆起,且呈“L”形,古地理格局呈现“一隆三坳”,中央古隆起的核部位于镇原—庆阳地区。奥陶纪末期的加里东运动使华北陆表海抬升为陆,造成中奥陶世—早石炭世约130 Ma的沉积间断,古陆(岛)的铝硅酸盐岩和基底碳酸盐岩遭受强烈物理-化学风化作用,逐步形成铝土岩层沉积覆盖在不整合面之上。

石炭系—二叠系含铝岩系的形成和发育程度主要受沉积古地貌和古环境控制,在奥陶系上部斜坡、潜坑等低洼处沉积明显较厚。本溪组铝土岩主要分布于盆地中东部,平面上铝土岩呈现南部厚、北部薄,南北向中部递减的特征,所形成的铝土矿产地主要集中于保德—河曲、兴县、临县—中阳、铜川—韩城一带;盆地伊陕斜坡东北部的神木-米脂地区本溪组铝土岩厚度可达10 m,铀和钍含量达43.41×10^-6和85.32×10^{-6 [58]}。晋西挠褶带北部的临兴地区本溪组铝土岩厚度约10.25 m^[59],铀和钍含量分别达49.5×10^-6和96.5×10^{-6 [60]}。二叠系太原组铝土岩与本溪组共同构成异时同相的含铝土岩的沉积。根据钻井和测井资料,盆地西南部的陇东地区太原组铝土岩厚度超过30 m,南部富县地区厚度超过20 m。

4 氦气富集机理和分布

通过鄂尔多斯盆地不同地区含铝土岩层系氦气含量的变化,氦气含量与基底、断裂、隆起、沉积地层之间的关系分析,揭示了铝土岩层系中氦气成藏具有“基底和铝土岩系沉积层双源供氦,断裂、隆起和膏盐岩控富”的富集规律(图7)。

鄂尔多斯盆地基底花岗岩和变质岩以及上古生界沉积地层中的本溪组至太原组铝土岩、太原组至山西组的煤岩、泥页岩等富有机质烃源岩等有着较高的铀和钍含量(表1)。这些富铀钍的基底岩石和沉积岩型氦源岩在鄂尔多斯盆地广泛分布,共同构成了铝土岩层系氦气的双源有效供给,为富氦气田的形成奠定了基础。

钻井天然气中氦气含量大于0.25%的气田包括东胜和庆阳,达到0.1%~0.25%的为盆地西部的石西、宜川、苏里格气田西部的部分钻井。这些氦气含量相对较高的区块普遍位于基底花岗岩和基底断裂发育的区域。同时,氦气含量最高的东胜气田和庆阳气田分别位于北部伊盟隆起和南部渭北隆起两个古隆起区域,奥陶系、寒武系及之前的地层普遍缺失或大幅剥蚀减薄,本溪组或太原组的铝土岩层系覆盖在太古宙花岗岩之上或只有较薄的元古宇地层残留。这些区域基底花岗岩形成的氦气沿着古隆起和断裂运移至浅部富集,同时铝土岩层系的铝土岩和煤岩自身也生成氦气供给,从而在铝土岩层系中形成基底和沉积层双源供氦的混合型富氦气藏(图7)^[37]。如盆地西南缘渭北隆起上的陇东地区太原组铝土岩系天然气勘探获重大突破,陇47井太原组铝土岩试气获无阻流量67.38×10⁴ m³/d高产气流,宁古3井试气获无阻流量13.4×10⁴ m³/d高产气流;临近的陇38、陇39、陇13等井也获得工业气流,天然气中氦气含量为0.14%~0.15%,成为富氦天然气勘探新领域。石西气田太原组铝土岩层系氦气含量为0.05%~0.07%。东胜气田独贵加汗太原组铝土岩层系氦气含量高达0.138%。

位于盆地中部的苏里格、榆林、靖边等气田中氦气含量相对较低,普遍低于0.1%,多数低于0.05%。这些气田区域普遍发育较厚的寒武和奥陶系碳酸盐岩沉积地层以及古生界之前的蓟县系和长城系地层,特别是发育有较厚的奥陶系膏盐岩、膏云岩、泥云岩等致密地层。这些沉积地层在一定程度上阻隔了基底花岗岩形成氦气向浅部运移和富集;铝土岩层系中的氦气主要来自铝土岩和煤岩本身的成氦供给,形成自生自储的内源型富氦气藏(图7)^[37]。由于缺少了基底来源氦气的供给,苏里格、榆林、靖边等地区的氦气含量普遍较低。

按照“基底和铝土岩系双源供氦,断裂、隆起和膏盐岩控富”的富集成藏模式,基于鄂尔多斯盆地基底花岗岩和变质岩分布、基底断裂发育、古隆起发育演化、寒武系和奥陶系地层(特别是奥陶系含膏盐岩地层)分布以及石炭系本溪组至二叠系太原组铝土岩和烃源岩分布,优选出铝土岩层系氦气富集有利区(图8)。

氦气富集有利区域分为I、II和III三个级别。I类有利区域包括两个:一个是盆地北部伊盟隆起区域的杭锦旗有利区带,主要包括鄂托克旗、杭锦旗至鄂尔多斯一带区域;另一个是盆地西南部渭北隆起区域庆阳有利区带,主要包括庆阳、陇东气田一带区域。这两个I类区带的共同特点是奥陶系至寒武系及之前的沉积地层大幅缺失或较薄,断裂沟通基地氦源,同时也有铝土岩和烃源岩等沉积氦源岩。基底和沉积层双氦源有效供氦,在石炭系本溪组至二叠系太原组含铝土岩层系中与烃类气体构成异源同储的富集成藏模式。

II类有利区带是位于厚层寒武系和奥陶系等沉积地层边缘的有利区带,包括鄂托克前旗、定边至吴起区带、宜川南侧区带和临县至石楼区带。II类区带的共同特点是有较厚的沉积层覆盖,需要有深大断裂沟通深部基底氦源,同时具有石炭系至二叠系沉积层氦源供给。II类区带受深大断裂控制显著,深大断裂附近有基底氦源供给的区域才能形成较高含量的氦气。

III类区带为位于盆地边缘的,主要是盆地西侧西缘逆冲带的氦气远景区带。这些区域石炭系之前的沉积地层普遍较厚,但深大断裂较为发育,能有效沟通基底氦源;同时具备石炭系和二叠系沉积层氦源的供给;构成有效的生储组合。但这些区域断裂构造普遍发育,天然气及氦气保存条件可能较差。

另外,位于盆地南部渭河地堑区域具有深大断裂沟通基底氦源岩的优越条件。统计发现渭河盆地地热水伴生气体中氦气含量相对较高,大多为0.2%~3.8%,最高含量达9.23%^[61-63]。³He/⁴He比值为0.016~0.068 R_a,属于典型的壳源成因氦气,氦气主要来源于盆地基底的花岗岩,其运移通道为沟通基底氦源的深大断裂。基底花岗岩生成的氦气通过地热水的水溶方式在浅部富集形成地热水型有利富集区^[15]。

5 结论

鄂尔多斯盆地元古宙和太古宙基底花岗岩、石炭系本溪组至二叠系太原组沉积层的铝土岩、富有机质泥岩和煤岩都具有较高的铀和钍含量,其中铝土岩的铀和钍平均含量分别为19.56×10^-6和41.28×10^-6,均能构成有效的氦源岩。石炭系至二叠系天然气中氦气含量多数为0.02%~0.15%,³He/⁴He比值多数小于0.05 R_a,最高不超过0.1 R_a,表明主要是壳源氦气。

鄂尔多斯盆地不同气田氦气含量具有南北高、中部低、东西两侧略高的特点。位于盆地北部和南部古隆起和深大断裂发育区域的东胜和庆阳气田氦气含量可达0.3%;盆地东侧的榆林、石西、临兴等区块部分钻井氦气含量超过0.1%,与局部深大断裂发育密切相关;中部的苏里格、榆林、神木等气田中氦气含量普遍较低,多数低于0.1%,这与较厚的寒武系和奥陶系地层,特别是马家沟组膏盐岩层阻隔深部基底氦气密切相关。

基于鄂尔多斯盆地不同地区氦气含量与基底、断裂、隆起、沉积地层之间的关系分析,揭示了含铝土岩层系中氦气藏具有“基底和铝土岩系沉积层双源供氦,断裂、隆起和膏盐岩控富”的富集规律,由此优选出北部杭锦旗、南部庆阳—陇东、西部鄂托克前旗—定边—吴起、东南部宜川南、东部临县—石楼等主要的铝土岩层系富氦气藏有利区带。

参考文献

[1] 秦胜飞, 李济远, 梁传国, 等. 中国中西部富氦气藏氦气富集机理: 古老地层水脱氦富集[J]. 天然气地球科学, 2022, 33(8): 1203-1217.

[2] MAMYRIN B A, ANUFRIEV G S, KAMENSKII I L, et al. Determination of the isotopic composition of atmospheric helium[J]. Geochemistry International, 1970, 7: 498-505.

[3] BALLENTINE C J, BURNARD P G. Production, release and transport of noble gases in the continental crust[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2002, 47(1): 481-538.

[4] RAPATSKAYA L A, TONKIKH M E, USTYUZHANIN A O. Natural reservoir as a geological body for storing helium reserves[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2020, 408(1): 012060.

[5] MANNING D A. Where does all the helium that we use come from?[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2008, 22(11): 1640-1642.

[6] PROVORNAYA I V, FILIMONOVA I V, EDER L V, et al. Prospects for the global helium industry development[J]. Energy Reports, 2022, 8: 110-115.

[7] LIU Q Y, LI P P, ZHU D Y, et al. Helium resource in the petroliferous basins in China and its development prospects[J]. Cell Reports Physical Science, 2024, 5(6): 102031.

[8] LI P P, LIU Q Y, ZHU D Y, et al. Distributions and accumulation mechanisms of helium in petroliferous basins[J]. Science China Earth Sciences, 2024, 67(10): 3143-3168.

[9] 陈悦, 陶士振, 杨怡青, 等. 壳-幔混源氦气成因机制与富集因素: 以松辽盆地深层天然气中氦气为例[J]. 地学前缘, 2025, 32(6): 457-472.

[10] 陶小晚, 李建忠, 赵力彬, 等. 我国氦气资源现状及首个特大型富氦储量的发现: 和田河气田[J]. 地球科学, 2019, 44(3): 1024-1041.

[11] 王晓锋, 赵栋, 张东东, 等. 有效氦源岩类型及氦气释放机理[J]. 天然气地球科学, 2025, 36(3): 381-389.

[12] 陶士振, 杨怡青, 陈悦, 等. 氦气资源形成地质条件、成因机理与富集规律[J]. 石油勘探与开发, 2024, 51(2): 436-452.

[13] 陶士振, 吴义平, 陶小晚, 等. 氦气地质理论认识、资源勘查评价与全产业链一体化评价关键技术[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 351-367.

[14] 陈践发, 刘凯旋, 董勍伟, 等. 天然气中氦资源研究现状及我国氦资源前景[J]. 天然气地球科学, 2021, 32(10): 1436-1449.

[15] 高建荣, 陶士振, 刘祥柏, 等. 鄂尔多斯盆地典型区带氦气富集主控因素与有利区预测[J]. 煤田地质与勘探, 2025, 53(9): 1-14.

[16] 韩伟, 任军峰, 李成福, 等. 鄂尔多斯盆地构造热演化对富氦天然气富集的控制作用初探[J]. 西北地质, 2025, 58(5): 1-10.

[17] 彭威龙, 刘全有, 张英, 等. 中国首个特大致密砂岩型(烃类)富氦气田: 鄂尔多斯盆地东胜气田特征[J]. 中国科学: 地球科学, 2022, 52(6): 1078-1085.

[18] 王杰, 安川, 马亮帮, 等. 鄂尔多斯盆地大牛地气田氦气成藏特征及其贫化主控因素[J]. 石油实验地质, 2025, 47(4): 781-790.

[19] 范立勇, 魏建设, 胡爱平, 等. 鄂尔多斯盆地苏里格气田含氦天然气地球化学特征、氦气成因来源及成藏主控因素[J]. 天然气地球科学, 2025, 36(3): 399-412.

[20] 陶士振, 杨怡青, 高建荣, 等. 鄂尔多斯盆地致密砂岩气及伴生氦气形成演化特征[J]. 天然气地球科学, 2023, 34(4): 551-565.

[21] 王海东, 刘成林, 范立勇, 等. 古隆起背景下多源供氦氦气富集模式: 以鄂尔多斯盆地庆阳气田为例[J]. 天然气地球科学, 2025, 36(3): 430-443.

[22] 刘超, 孙蓓蕾, 曾凡桂, 等. 鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探[J]. 煤炭学报, 2021, 46(4): 1280-1287.

[23] DAI J X, NI Y Y, QIN S F, et al. Geochemical characteristics of He and CO₂ from the Ordos (cratonic) and Bohaibay (rift) basins in China[J]. Chemical Geology, 2017, 469: 192-213.

[24] 包洪平, 邵东波, 郝松立, 等. 鄂尔多斯盆地基底结构及早期沉积盖层演化[J]. 地学前缘, 2019, 26(1): 33-43.

[25] 何登发, 包洪平, 开百泽, 等. 鄂尔多斯盆地及其邻区关键构造变革期次及其特征[J]. 石油学报, 2021, 42(10): 1255-1269.

[26] 郭忠铭, 张军, 于忠平. 鄂尔多斯地块油区构造演化特征[J]. 石油勘探与开发, 1994, 21(2): 22-29, 120.

[27] 张涛, 张亚雄, 金晓辉, 等. 鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组碳酸盐岩-蒸发岩层系层序地层模式及其对源-储的控制作用[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(1): 110-124.

[28] 付金华, 范立勇, 刘新社, 等. 鄂尔多斯盆地天然气勘探新进展、前景展望和对策措施[J]. 中国石油勘探, 2019, 24(4): 418-430.

[29] 南珺祥, 柳娜, 王邢颖, 等. 鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩储层特征及形成机理[J]. 天然气地球科学, 2022, 33(2): 288-296.

[30] 杨华, 刘新社. 鄂尔多斯盆地古生界煤成气勘探进展[J]. 石油勘探与开发, 2014, 41(2): 129-137.

[31] 刘显阳, 李士祥, 周新平, 等. 鄂尔多斯盆地石油勘探新领域、新类型及资源潜力[J]. 石油学报, 2023, 44(12): 2070-2090.

[32] 席胜利, 闫伟, 刘新社, 等. 鄂尔多斯盆地天然气勘探新领域、新类型及资源潜力[J]. 石油学报, 2024, 45(1): 33-51, 132.

[33] LUPTON J E. Terrestrial inert gases: isotope tracer studies and clues to primordial components in the mantle[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1983, 11: 371-414.

[34] 戴金星. 加强天然气地学研究勘探更多大气田[J]. 天然气地球科学, 2003, 14(1): 3-14.

[35] MAMYRIN B A, TOLSTIKHIN L N. Helium isotopes in Seawater[M]// Helium isotopes in nature. Amsterdam: Elsevier, 1984: 193-202.

[36] XU Y C, SHEN P, TAO M X, et al. Industrial accumulation of mantle source helium and the Tancheng-Lujiang fracture zone[J]. Chinese Science Bulletin, 1991, 36(6): 494-498.

[37] 朱东亚, 刘全有, 李朋朋, 等. 富氦气藏源储关系及富集机理[J]. 地质学报, 2024, 98(11): 3182-3201.

[38] 师晶, 黄文辉, 汪远征, 等. 鄂尔多斯盆地西部盒8段-山1段砂岩次生孔隙特征与成因[J]. 煤炭学报, 2018, 43(12): 3461-3470.

[39] 屈晓荣, 李俊, 孙彩蓉, 等. 鄂尔多斯盆地东缘柳林地区煤系泥页岩稀土元素地球化学特征[J]. 煤炭学报, 2018, 43(4): 1083-1093.

[40] 徐夕生, 邱检生. 火成岩岩石学[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 1-360.

[41] LI J Y, XIA Y Q, JIANG H Y, et al. Magma hybridization and crust-mantle interaction revealed by mineralogical and geochemical footprints: a case study from the South Qilian Accretionary Belt at the northern Tibetan Plateau[J]. International Geology Review, 2022, 64(16): 2284-2305.

[42] MARTY B, ZIMMERMANN L. Volatiles (He, C, N, Ar) in mid-ocean ridge basalts: assesment of shallow-level fractionation and characterization of source composition[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1999, 63(21): 3619-3633.

[43] FÜRI E, HILTON D R, HALLDÓRSSON S A, et al. Apparent decoupling of the He and Ne isotope systematics of the Icelandic mantle: the role of He depletion, melt mixing, degassing fractionation and air interaction[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2010, 74(11): 3307-3332.

[44] QIN S F, XU D, LI J Y, et al. Genetic types, distribution patterns and enrichment mechanisms of helium in China’s petroliferous basins[J]. Frontiers in Earth Science, 2022, 10: 675109.

[45] POREDA R J, JENDEN P D, KAPLAN I R, et al. Mantle helium in Sacramento Basin natural gas wells[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1986, 50(12): 2847-2853.

[46] BALLENTINE C J, SCHOELL M, COLEMAN D, et al. 300-Myr-old magmatic CO₂ in natural gas reservoirs of the West Texas Permian basin[J]. Nature, 2001, 409(6818): 327-331.

[47] GUÉLARD J, BEAUMONT V, ROUCHON V, et al. Natural H₂ in Kansas: deep or shallow origin?[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(5): 1841-1865.

[48] LIU Q Y, DAI J X, JIN Z J, et al. Abnormal carbon and hydrogen isotopes of alkane gases from the Qingshen gas field, Songliao Basin, China, suggesting abiogenic alkanes?[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2016, 115: 285-297.

[49] 徐永昌. 天然气中氦同位素分布及构造环境[J]. 地学前缘, 1997, 4(4): 185-190.

[50] 戴金星, 陈践发, 钟宁宁, 等. 中国大气田及其气源[M]. 北京: 科学出版社, 2003: 1-199.

[51] NI Y Y, DAI J X, TAO S Z, et al. Helium signatures of gases from the Sichuan Basin, China[J]. Organic Geochemistry, 2014, 74: 33-43.

[52] DAI J X, ZOU C N, QIN S F, et al. Geology of giant gas fields in China[J]. Marine and Petroleum Geology, 2008, 25(4/5): 320-334.

[53] 何发岐, 王付斌, 王杰, 等. 鄂尔多斯盆地东胜气田氦气分布规律及特大型富氦气田的发现[J]. 石油实验地质, 2022, 44(1): 1-10.

[54] 惠洁, 康锐, 赵伟波, 等. 鄂尔多斯盆地氦气特征及生成潜力[J]. 天然气地球科学, 2024, 35(9): 1688-1698.

[55] 田刚, 汶小岗, 薛海军, 等. 鄂尔多斯盆地北部重磁场及其基底断裂特征研究[J]. 地球学报, 2024, 45(3): 279-290.

[56] WANG D H, MA L C, ZHANG T, et al. Distribution patterns and main controlling factors of helium in the Ordos Basin[J]. Applied Sciences, 2025, 15(16): 8806.

[57] 高兰, 王登红, 熊晓云, 等. 中国铝土矿资源特征及潜力分析[J]. 中国地质, 2015, 42(4): 853-863.

[58] 潘博, 赵伟波, 刘蝶, 等. 鄂尔多斯盆地神木—米脂地区本溪组含铝岩系地球化学特征[J]. 天然气地球科学, 2023, 34(6): 1072-1089.

[59] 吴见, 杨昊宇, 徐延勇, 等. 鄂尔多斯盆地临兴地区本溪组铝土岩储层特征及其发育控制因素[J]. 地质科技通报, 2025, 44(5): 123-134.

[60] 张晓阳, 窦云飞, 孔维江, 等. 鄂尔多斯盆地东缘临兴地区本溪组铝土岩系沉积发育地质过程及储集层物性特征[J]. 古地理学报, 2025, 27(2): 286-306.

[61] 韩伟, 李玉宏, 卢进才, 等. 陕西渭河盆地富氦天然气异常的影响因素[J]. 地质通报, 2014, 33(11): 1836-1841.

[62] 李玉宏, 王行运, 韩伟. 陕西渭河盆地氦气资源赋存状态及其意义[J]. 地质通报, 2016, 35(增刊1): 372-378.

[63] 李玉宏, 王行运, 韩伟. 渭河盆地氦气资源远景调查进展与成果[J]. 中国地质调查, 2015, 2(6): 1-6.

基金资助

中国石化石油勘探开发研究院项目(YK-2023-10)

国家自然科学基金项目“地质联合基金项目(U2244209)”

国家自然科学基金项目“氦气专项基金项目(42141021)”