何發(fā)岐 王 杰 趙永強(qiáng) 安 川 王付斌 陶 成 倪春華 賈會(huì)沖

1 中國(guó)石化華北油氣分公司，河南鄭州450006

2 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214126

3 中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫214126

氦氣具有無色、無味、沸點(diǎn)低、化學(xué)惰性強(qiáng)的特點(diǎn)，在國(guó)防軍工、核工業(yè)、航空航天、臨床醫(yī)學(xué)、深海潛水、低溫科學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，是一種關(guān)系到國(guó)家安全和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不可替代的重要戰(zhàn)略資源。近年來中國(guó)氦氣需求快速增長(zhǎng)，目前中國(guó)氦氣年消費(fèi)量約為2240萬(wàn)立方米，自給率不足1%，其余依賴進(jìn)口，中國(guó)氦氣資源嚴(yán)重缺乏，資源安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻。氦氣主要與烴類氣藏或二氧化碳、氮?dú)獾确菬N氣藏伴生，同時(shí)還有一些氦氣以溶解狀態(tài)存在于地下熱水中，從含氦、富氦天然氣藏中提取氦氣仍是工業(yè)提取氦氣的最主要途徑。鄂爾多斯盆地東勝氣田天然氣中氦氣含量較高，已測(cè)天然氣中氦氣含量主要處于0.045%～0.487%之間，基本上氦氣含量都可以達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，屬于含氦—富氦天然氣田（何發(fā)岐等，2022），評(píng)價(jià)氦氣三級(jí)儲(chǔ)量為8.3億立方米，是目前為止發(fā)現(xiàn)最大的特大型含氦—富氦天然氣田，具有較大的開發(fā)利用價(jià)值，但這個(gè)特大型含氦氣田中氦氣的成因、成藏機(jī)制及主控因素還不清楚。為此作者系統(tǒng)采集了東勝氣田不同區(qū)帶天然氣樣品，系統(tǒng)開展伴生氦氣成因、來源及分布特征研究，剖析氦氣藏與常規(guī)天然氣成藏要素的時(shí)空配置關(guān)系，明確氦氣成藏條件、成藏模式及主控因素，為鄂爾多斯盆地氦氣藏乃至常規(guī)天然氣勘探評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是華北板塊西部典型的克拉通疊合盆地，面積為25×104km2，周緣與河套盆地、銀川地塹、巴彥浩特盆地、六盤山盆地、定西盆地、渭河盆地等6大盆地以斷層接觸分界（圖1-a）。現(xiàn)今鄂爾多斯盆地由伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷和西緣逆沖帶6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元組成。東勝氣田位于鄂爾多斯盆地北緣杭錦旗區(qū)塊。杭錦旗區(qū)塊橫跨伊盟隆起、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，勘探礦權(quán)面積8940 km2（圖1-a）。杭錦旗地區(qū)上古生界自下而上發(fā)育太原組（C3t）、山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、上石盒子組（P2sh）和石千峰組（P3s），太原組和山西組的煤巖、碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖等煤系地層是東勝氣田上古生界天然氣的主力烴源巖，受前石炭紀(jì)古地貌影響，烴源巖主要分布在南部斜坡區(qū)，尤其是西南部烴源巖最為發(fā)育，在北部隆起區(qū)僅分布在局部洼地、溝谷中，具有南厚北薄、東厚西薄、凹陷最為發(fā)育的特點(diǎn)（何發(fā)岐等，2020）。下石盒子組和山西組的含礫粗砂巖和粗砂巖層為良好的儲(chǔ)集層；上石盒子組和石千峰組廣泛分布、厚度大的大套泥巖及粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成了良好的區(qū)域性蓋層，對(duì)天然氣藏的形成和保存起到了很好的遮擋和封蓋作用（李功強(qiáng)等，2017）。東勝氣田烴源巖、儲(chǔ)集巖和蓋層發(fā)育較好，時(shí)空配置關(guān)系較好，具有較好的生儲(chǔ)蓋配置組合。該區(qū)油氣勘探始于20世紀(jì)50年代，到目前共完鉆探井174口，開發(fā)井630口，截止到2021年11月底，杭錦旗地區(qū)在下石盒子組和山西組等主力產(chǎn)層提交天然氣三級(jí)儲(chǔ)量已達(dá)到萬(wàn)億立方米，展示出良好的天然氣勘探前景。

圖1 鄂爾多斯盆地與周緣大地構(gòu)造關(guān)系（a）、杭錦旗區(qū)塊區(qū)帶劃分（b）和地層綜合柱狀圖（c）Fig.1 Tectonic relation of Ordos Basin and its surrounding（a），zone division（b）and comprehensive stratigraphic column（c）of Hangjinqi area

東勝氣田主要產(chǎn)氣層自上而下為下二疊統(tǒng)下石盒子組的盒3段、盒2段、盒1段，以及山西組的山2段、山1段（圖1-c），不同區(qū)帶產(chǎn)氣層位也有差別，什股壕區(qū)帶以下石盒子組盒2段、盒3段為主，獨(dú)貴加汗區(qū)帶主要為盒1段、盒3段，十里加汗區(qū)帶以盒1段、盒3段、山1段為主，新召區(qū)帶以盒1段、山2段為主，呈現(xiàn)出多層立體含氣格局。按照東勝氣田上古生界天然氣的成藏區(qū)帶、賦存層位（圖1-b），共系統(tǒng)采集天然氣樣品166件，其中什股壕區(qū)帶34件，獨(dú)貴加汗區(qū)帶93件，新召東區(qū)帶28件，十里加汗11件，基本上做到了區(qū)塊、區(qū)帶、層位上的全覆蓋（表1）。天然氣中氦氣含量和同位素分析由中國(guó)石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的天然氣中稀有氣體濃度與同位素比值聯(lián)測(cè)儀器完成。

2 東勝氣田氦氣成因及分布特征

2.1 氦氣來源于基底太古界—元古界變質(zhì)巖—花崗巖系

應(yīng)用氦同位素組成特征可以有效地判識(shí)氦氣成因和來源。不同成因來源的氦，其同位素3He／4He值具有明顯的差異，大氣來源氦的3He／4He值為1.4×10-6，殼源氦的3He／4He值為（2～3）×10-8，典型幔源氦的3He／4He值為1.1×10-5或更高。通常利用天然氣樣品中氦的3He／4He值（R）與大氣氦的3He／4He值（Ra）的比值R／Ra＝（3He／4He）樣品／（3He／4He）大氣來定量表征天然氣樣品中幔源氦的貢獻(xiàn)大小，當(dāng)R／Ra＞1，表示具有明顯的幔源氦加入，至少有12.5%以上的幔源氦貢獻(xiàn)；當(dāng)R／Ra＜0.1時(shí)，可以認(rèn)為天然氣中氦基本上都來自殼源（王杰等，2006a）。東勝氣田上古生界天然氣中3He／4He值分布在1.83×10-8～6.25×10-8范圍內(nèi)，R／Ra分布范圍為0.013～0.045，遠(yuǎn)小于0.1，幔源氦幾乎可以忽略不計(jì)，表明東勝氣田伴生氦氣為典型的殼源成因。經(jīng)過潛在氦源巖脫附氣中氦、氬同位素與天然氣中氦、氬同位素比值對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)東勝氣田上古生界天然氣3He／4He值和40Ar／36Ar值的變化范圍及規(guī)律，與基底太古界—元古界變質(zhì)巖—花崗巖系巖石脫附氣的3He／4He值和40Ar／36Ar值具有相似的特征，而與石炭系—二疊系煤系烴源巖以及延長(zhǎng)組油頁(yè)巖脫附氣處于不同范圍內(nèi)，直接說明了東勝氣田氦氣來源于盆地北部基底的太古界—元古界變質(zhì)巖—花崗巖系（何發(fā)岐等，2022）。

2.2 氦氣平面局部富集，縱向在下石盒子組氣層中含量高于下部山西組

前人把天然氣中氦含量為0.05%作為具有商業(yè)開采價(jià)值的氦氣含量下限值（王杰等，2006b；Daiet al.，2017；陳踐發(fā)等，2021），將氦含量大于0.1%的天然氣稱為富氦天然氣藏（Ballentime and Sherwood，2002；陳踐發(fā)等，2021；秦勝飛等，2022）。目前，氦氣的提取主要是從具有商業(yè)開采價(jià)值，即氦含量大于0.05%的天然氣藏中提取。東勝氣田上古生界天然氣中氦氣含量總體上分布在0.045%～0.487%范圍內(nèi)，平均值為0.118%，除個(gè)別氣樣外，基本上都具有氦氣商業(yè)開采價(jià)值。就平面分布而言，獨(dú)貴加汗區(qū)帶氦氣含量處于0.061%～0.487%內(nèi)，平均值為0.138%，整體含量較高，氦氣含量大于0.1%的氣樣占59.1%；什股壕區(qū)帶氦氣含量分布范圍為0.072%～0.158%，平均值為0.113%，氦氣含量大于0.1%的氣樣占比為67.7%，占比最高，氦氣含量分布相對(duì)較平均；新召區(qū)帶和十里加汗區(qū)帶天然氣氦氣含量較低，其分布范圍分別為0.066%～0.094%（均值為0.081%）和0.045%～0.076%（均值為0.063%）（表1）。綜合來講，氦氣含量大于0.1%的氣樣占比為47.0%，與烏蘭吉林廟斷裂和泊爾江海子斷裂相近的獨(dú)貴加汗區(qū)帶和什股壕區(qū)帶具有較大的氦氣勘探開發(fā)潛力。

表1 鄂爾多斯盆地東勝氣田不同區(qū)帶氦氣含量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of helium contents in different zones of Dongsheng gas field，Ordos Basin

從縱向產(chǎn)層分布看，下石盒子組盒1段天然氣中氦氣含量分布在0.06%～0.343%內(nèi)，平均值為0.129%，盒2段氦氣含量分布范圍為0.07%～0.222%，平均值為0.123%，盒3段氦氣含量處于0.082%～0.150%，平均值為0.098%，總體上氦氣含量從上部到下部逐漸增加，顯示出氦氣具有由下向上運(yùn)移的特征。下石盒子組不同小層的混層天然氣中氦氣含量在0.043%～0.137%內(nèi)，平均值為0.087%；下石盒子組和山西組合采天然氣中氦氣含量為0.071%～0.127%，平均值為0.084%；山西組不同小層合采天然氣中氦氣含量為0.076%～0.086%，平均值為0.082%。由此可見，盒1段和盒2段天然氣中氦氣含量較高，是東勝氣田目前主要的氦氣勘探開發(fā)層系。

東勝氣田氦氣含量為0.045%～0.487%，平均含量為0.118%，按照前述劃分氦氣經(jīng)濟(jì)價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)，東勝氣田屬于含氦—富氦天然氣田。利用天然氣儲(chǔ)量和天然氣中氦氣含量等數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)東勝氣田氦氣探明儲(chǔ)量為2.44×108m3，三級(jí)儲(chǔ)量為8.3×108m3，氦氣資源潛力巨大，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的第一大特大型含氦—富氦天然氣田（何發(fā)岐等，2022），具備建設(shè)氦氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地的資源基礎(chǔ)。

3 氦氣成藏條件與主控因素

3.1 氦氣成藏條件

氦氣因擴(kuò)散性強(qiáng)，在地層中無法獨(dú)立成藏，大多以微量組分與烴類氣藏或二氧化碳、氮?dú)獾确菬N氣藏伴生，同時(shí)還有一些氦氣以溶解狀態(tài)存在于地下熱水中。氦氣成藏與烴類氣體成藏既有相同點(diǎn)，又有差異，氦氣成藏必須具有以下幾個(gè)方面的必要條件。

3.1.1 潛力巨大的氦源巖

太古代—早元古代由多個(gè)古陸核拼合形成華北克拉通（翟明國(guó)等，2003，2021）。鄂爾多斯盆地共經(jīng)歷了遷西、阜平、五臺(tái)、呂梁等4次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在基底形成過程中，阜平運(yùn)動(dòng)促使古陸核形成，五臺(tái)運(yùn)動(dòng)使古陸核由塑性向剛性轉(zhuǎn)變，并最終在18億年前的呂梁運(yùn)動(dòng)后形成了穩(wěn)定的結(jié)晶基底（王濤等，2007；趙振宇等，2012）。在此過程中盆地基底巖系發(fā)生變質(zhì)、混合巖化及褶皺作用，并由此形成了烏審旗和清水河等地區(qū)EW向的正、負(fù)相間磁異常區(qū)，其中部南凸呈弧形，北部正異常以集寧群、烏拉山群和二道凹群為代表，為麻粒巖相—角閃巖相，局部為綠片巖相區(qū)，主要由太古界古陸核組成；內(nèi)部為平緩的寬條帶狀，北東走向，它主要代表下元古界五臺(tái)群及滹沱群組成的基底，為變質(zhì)片麻巖、片巖及大理巖；東南部以呂梁群、嵐河群及野雞山群為代表，為綠片巖、千枚巖、大理巖和變質(zhì)的火山巖，主要由下元古界褶皺變質(zhì)巖系組成（楊華等，2006）。

華北克拉通受天山—興蒙造山系和祁連—秦嶺—大別—蘇魯造山系所圍限，西部是鄂爾多斯地塊，其基底為一個(gè)拼合基底，存在南北分區(qū)性：陰山、集寧、阿拉善古陸核拼合形成北部古陸核；南部古陸核與北部古陸核在呂梁期沿北東向斷裂帶發(fā)生匯聚、拼合，固結(jié)克拉通化形成盆地基底，在中元古代進(jìn)入穩(wěn)定地臺(tái)發(fā)展階段。杭錦旗地區(qū)東勝氣田位于鄂爾多斯地塊的北緣，杭錦旗地區(qū)發(fā)育約8～10 km主要由變質(zhì)巖、花崗巖、混合巖等構(gòu)成的巨厚結(jié)晶基底（張成立等，2021）。該區(qū)大量的鉆井鉆遇到了較厚的富含鈾、釷等放射性元素的花崗巖、變質(zhì)巖系，其鈾、釷元素含量大都在1.49×10-6～19.4×10-6范圍內(nèi)，這些巖石中的U、Th等放射性元素經(jīng)過α衰變產(chǎn)生大量的4He，成為潛力巨大的氦源巖，是東勝含氦—富氦氣田的主要來源。鄂爾多斯地塊北部的古元古界大樺背巖體、烏海桌子山花崗巖等鈾含量分布在5.16×10-6～25.7×10-6，局部鈾含量達(dá)到216.7×10-6，釷含量分布介于24×10-6～47.5×10-6之間，也從側(cè)面印證了該區(qū)太古界—元古界變質(zhì)巖—花崗巖系富含鈾、釷等放射性元素（王梁等，2015；何澤宇等，2021）。Brown（2010）研究認(rèn)為，花崗巖與普通頁(yè)巖釋放氦氣的速率和潛力幾乎一樣。不像烴源巖生烴受熱成熟作用的控制，氦源巖中U、Th等放射性元素在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中以穩(wěn)定的衰變速率發(fā)生衰變，并源源不斷地釋放出充足的殼源氦。

3.1.2 深大斷裂是控制氦氣運(yùn)移和富集的通道

東勝氣田上古生界天然氣中氦氣是殼源成因氦。氦氣具有極強(qiáng)的擴(kuò)散性和滲透性，在一定條件下可以脫離宿主礦物成為自由態(tài)，4He脫離宿主礦物進(jìn)入孔隙空間的機(jī)制主要為：（1）核反沖效應(yīng)；（2）礦物裂隙處的快速擴(kuò)散；（3）緩慢擴(kuò)散脫離宿主礦物；（4）構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力釋放礦物破碎；（5）水巖交互作用、熱作用、蝕變作用等（Torgersen and Clarke，1985；Torgersen and Ivey，1985）?；讕r石衰變產(chǎn)生的氦氣在脫離宿主礦物后以溶于地層流體或以獨(dú)立相態(tài)在壓力差、濃度差、地?zé)釄?chǎng)等驅(qū)動(dòng)下，沿貫穿基底的深大斷裂向上運(yùn)移，然后沿上古生界的層間斷裂運(yùn)移輸導(dǎo)至有效的富集環(huán)境再成藏。

本區(qū)泊爾江海子、烏蘭吉林廟等深大斷裂溝通了基底氦源巖和儲(chǔ)集層，控制著氦氣在平面上和層位上的分布，然后氦氣再沿著層間和層內(nèi)斷裂伴隨著烴類氣體運(yùn)移到適宜的部位聚集成藏。從氦氣分布特征可以看出，氦氣主要在二級(jí)斷裂的通氦源斷裂與四級(jí)斷裂的輸導(dǎo)體系交匯處富集（圖2，圖3），含量高值區(qū)南北分別臨近泊爾江海子和烏蘭吉林廟二級(jí)大斷裂，獨(dú)貴加汗區(qū)帶和什股壕區(qū)帶四級(jí)斷裂發(fā)育，且四級(jí)斷裂多由基底斷裂后期活動(dòng)形成，促進(jìn)了氦氣輸導(dǎo)和成藏。

圖2 鄂爾多斯盆地北部南北向典型地震剖面圖（A-A′位置見圖1-b）Fig.2 Typical north-south seismic profile in northern Ordos Basin profile（Location of profile A-A′is shown in Fig.1-b）

圖3 鄂爾多斯盆地杭錦旗東勝氣田氦氣含量與斷裂以及基底發(fā)育的關(guān)系（據(jù)何發(fā)岐等，2022）Fig.3 Distribution of fractures，helium contents and basement in Dongsheng gas field（after He et al.，2022）

3.1.3 異常高壓帶補(bǔ)充了高效的封蓋條件

相對(duì)于烴類氣體而言，氦氣分子直徑很小，僅為0.26 nm，具有極強(qiáng)的擴(kuò)散性和穿透性，容易發(fā)生散失，氦氣聚集成藏對(duì)保存條件的要求更加苛刻，需要優(yōu)質(zhì)的封閉條件。杭錦旗東勝氣田上石盒子組和石千峰組厚度為130～160m，主要發(fā)育大套內(nèi)陸干旱湖相泥質(zhì)巖，主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，泥質(zhì)巖中的黏土礦物以高嶺石和伊利石為主，并含有較多的膨脹性礦物蒙脫石和伊利石-蒙脫石混層礦物，膨脹性礦物越多，其封阻能力較強(qiáng)。石千峰組和上石盒子組分布廣泛而穩(wěn)定，普遍發(fā)育泥巖欠壓實(shí)帶，形成一個(gè)面積巨大的異常高壓帶，彌補(bǔ)了常規(guī)泥巖突破壓力低的不足（郝蜀民等，2016；王歡等，2020），構(gòu)成了下伏下石盒子組、山西組天然氣藏的區(qū)域性蓋層（郝蜀民等，2016），而下石盒子組與山西組之間缺少這個(gè)異常高壓帶，造成了下石盒子組較山西組氦氣更富集的特征。

3.1.4 良好的宿主氣藏環(huán)境

受控于氣源、儲(chǔ)集層、輸導(dǎo)、構(gòu)造演化的差異配置，東勝氣田發(fā)育構(gòu)造、巖性-構(gòu)造、地層-巖性復(fù)合等多類型氣藏?？v向上，從下到上巖性的控制作用逐漸增加，圈閉類型從以構(gòu)造圈閉為主過渡為以復(fù)合或巖性圈閉為主。太原組、山西組氣藏以巖性-構(gòu)造復(fù)合氣藏為主，下石盒子組盒2+3、盒1氣藏以巖性氣藏為主（李功強(qiáng)等，2017）。平面上，同一含氣層系從西向東，構(gòu)造的控制作用逐漸增強(qiáng)，由巖性圈閉為主過渡為以構(gòu)造圈閉、構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉為主。盒1段總體表現(xiàn)為砂體大面積疊置發(fā)育，大面積含氣，天然氣富集程度差異明顯，其中主要發(fā)育源內(nèi)致密巖性氣藏、致密低滲地層-巖性氣藏和低滲巖性-構(gòu)造氣藏，以及源側(cè)低滲構(gòu)造、巖性-構(gòu)造氣藏；盒2、盒3段河道規(guī)模小，相變快，以巖性氣藏為主，其中主要發(fā)育源內(nèi)致密巖性氣藏、源內(nèi)低滲地層-巖性氣藏以及源側(cè)構(gòu)造和巖性-構(gòu)造復(fù)合氣藏（齊榮，2016）。就不同區(qū)帶而言，杭錦旗地區(qū)以泊爾江海子斷裂和烏蘭吉林廟斷裂為界南北兩側(cè)天然氣藏圈閉類型差異明顯，斷裂以北什股壕區(qū)帶主要發(fā)育構(gòu)造圈閉氣藏，局部還發(fā)育地層圈閉氣藏；斷裂以南主要發(fā)育巖性圈閉和巖性-構(gòu)造復(fù)合圈閉氣藏，局部發(fā)育低幅度構(gòu)造圈閉氣藏，其中新召東區(qū)帶主要為巖性圈閉氣藏，獨(dú)貴加汗區(qū)帶主要發(fā)育致密巖性圈閉和地層圈閉氣藏，十里加汗區(qū)帶主要發(fā)育構(gòu)造圈閉和巖性圈閉氣藏。上古生界巖性圈閉與沉積過程密切關(guān)聯(lián)，形成于二疊紀(jì)，構(gòu)造圈閉形成于侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)，這些圈閉形成時(shí)間均早于或同步于早白堊世晚期生氣高峰期，時(shí)間匹配關(guān)系良好，氦氣聚集成藏乃至富集應(yīng)與石炭系—二疊系煤系烴源巖成藏聚集同步。

3.2 氦氣成藏模式及主控因素

目前全球已發(fā)現(xiàn)的工業(yè)氦氣資源均以伴生組分賦存于各類天然氣藏中，包括烴類、以氮?dú)饣蚨趸紴橹鞯姆菬N類天然氣藏，未見以氦氣為主的天然氣藏或氦氣獨(dú)立成藏。杭錦旗東勝氣田伴生氦氣與烴類氣具有異源同儲(chǔ)成藏特征，太古界—元古界基底富含U、Th的花崗巖、片麻巖等源源不斷衰變產(chǎn)生氦氣，并通過斷裂、裂縫等通道或微滲漏等向上運(yùn)移，在固態(tài)巖石和地層水中不易聚集，根據(jù)相似相溶原理，遇到天然氣藏更容易聚集，與常規(guī)天然氣伴生，當(dāng)氣藏聚集的通量大于散失量時(shí)，氦氣濃度逐漸增大，形成工業(yè)氦氣藏。綜合剖析杭錦旗地區(qū)構(gòu)造—斷裂演化、基底巖相發(fā)育特征、天然氣成藏地質(zhì)要素動(dòng)態(tài)演化，根據(jù)氦氣成藏需要的苛刻地質(zhì)條件、時(shí)空和物質(zhì)上的復(fù)雜配置關(guān)系（圖4），東勝氣田氦氣成藏主控因素為：基底富U、Th巖石發(fā)育是基礎(chǔ)，斷裂活動(dòng)是核心，儲(chǔ)蓋圈保條件是必備，燕山期以來的時(shí)空配置是關(guān)鍵。

圖4 鄂爾多斯盆地杭錦旗東勝氣田氦氣成藏模式（據(jù)何發(fā)岐等，2022；有修改）Fig.4 Helium accumulation model of Dongsheng gas field，Ordos Basin（modified from He et al.，2022）

4 氦氣成藏特征啟示及大地構(gòu)造意義

華北克拉通自太古代陸核形成到中生代構(gòu)造轉(zhuǎn)折與去克拉通化經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程（翟明國(guó)，2021）。鄂爾多斯盆是華北克拉通西部一個(gè)穩(wěn)定沉降、扭動(dòng)明顯、拗陷遷移的多重疊合盆地，在太古宙—古元古代形成的基底之上，經(jīng)歷了中新元古代拗拉谷、早古生代淺海臺(tái)地、晚古生代近海平原、中生代內(nèi)陸湖盆和新生代周邊斷陷5大沉積演化階段，盆地形成過程中發(fā)生多次沉降與隆升相互交替，構(gòu)造活動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的多旋回性，發(fā)育中新元古界、寒武系—下奧陶統(tǒng)、中石炭統(tǒng)—二疊系、三疊系、侏羅系—下白堊統(tǒng)等5套構(gòu)造—地層層序，盆地內(nèi)部缺失了中奧陶統(tǒng)—下石炭統(tǒng)、上白堊統(tǒng)—新近系（何登發(fā)等，2021）。前人研究認(rèn)為鄂爾多斯盆地是個(gè)穩(wěn)定的克拉通內(nèi)坳陷盆地，以構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定、變形微弱為主要特征（劉池洋等，2005；何登發(fā)等，2017，2021）。隨著勘探程度提高和三維地震應(yīng)用，認(rèn)識(shí)到在鄂爾多斯盆地內(nèi)部發(fā)育有大量不同級(jí)別斷裂，斷層多具有產(chǎn)狀直立、斷距小的特征，斷層的成因與基底斷裂后期多期活動(dòng)密切相關(guān)。盡管前人對(duì)鄂北杭錦旗的構(gòu)造活動(dòng)有所研究，但對(duì)杭錦旗地區(qū)中生代以來的構(gòu)造活動(dòng)、地溫場(chǎng)及關(guān)鍵熱事件與油氣關(guān)系研究還很薄弱。

4.1 鄂北斷裂發(fā)育特征表明不同構(gòu)造期鄂爾多斯地塊演化與周緣過程同步

鄂爾多斯盆地演化至今，主要經(jīng)歷了呂梁、晉寧、加里東、海西、印支、燕山和喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回（圖5）。呂梁構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期（約為2500～1800Ma）屬古元古代，華北陸塊在1.8Ga前由陰山—冀北、晉冀、魯西、渤海東和陜?cè)ネ?個(gè)陸塊及其之間的洋殼消減匯聚而成統(tǒng)一的古大陸，經(jīng)歷了古—中太古代陸核孕育、新太古代巖漿弧、古元古代基底形成階段。此時(shí)陰山、集寧、阿拉善古陸核拼合形成的北部古陸核與鄂爾多斯南部古陸核沿北東向斷裂帶發(fā)生拼貼而成鄂爾多斯地塊，鄂爾多斯克拉通北部為東西走向的向南突出的深變質(zhì)穩(wěn)定陸核，總體形態(tài)呈北高南低，是華北古陸核向南增生而形成的。

圖5 鄂爾多斯盆地北部南北向構(gòu)造演化剖面（A-A′位置見圖1-b）Fig.5 South-north tectonic evolution section in northern Ordos Basin（Location of profile A-A′is shown in Fig.1-b）

中生代，古特提斯洋的擴(kuò)張使得揚(yáng)子陸塊與華北克拉通對(duì)接，在對(duì)接帶兩側(cè)產(chǎn)生近東西向的差異沉降盆地，盆地進(jìn)入陸內(nèi)坳陷階段，此時(shí)鄂爾多斯地塊受古亞洲洋、古特提斯洋和環(huán)太平洋3大區(qū)域動(dòng)力體系控制，華北地區(qū)發(fā)生重大構(gòu)造轉(zhuǎn)折，華北克拉通的巖石圈減薄而發(fā)生自下而上的破壞作用，自晚侏羅世以來，進(jìn)入破壞高峰期（翟明國(guó)等，2003，2021），鄂爾多斯地塊周緣板塊相繼匯聚、碰撞造山，邊緣發(fā)生隆起并整體掀斜，鄂爾多斯盆地開始作為獨(dú)立的盆地接受沉積。燕山期伴隨著盆地西部的阿拉善地塊向東逆沖作用的持續(xù)發(fā)展，與之伴生的前淵坳陷也依次向東遷移（圖6），形成典型的前陸盆地構(gòu)造序列。燕山期尤其在侏羅紀(jì)末期發(fā)生強(qiáng)烈的擠壓逆沖，二級(jí)基底斷裂發(fā)生活化，形成一系列逆斷層。在泊爾江海子斷裂與烏蘭吉林廟斷裂之間，或在主斷層兩側(cè)發(fā)育伴生的眾多的NWW向次級(jí)逆斷層、NE向次級(jí)正斷層（四級(jí)和五級(jí)斷裂）（劉池洋等，2005；鄒和平等，2008；羅開平等，2021），這些伴生的小構(gòu)造指示泊爾江海子斷裂與烏蘭吉林廟斷裂都具有左行扭張性質(zhì)。

圖6 鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)燕山期區(qū)域構(gòu)造背景綱要圖（據(jù)楊明慧，2011①楊明慧.2011.杭錦旗地區(qū)斷裂構(gòu)造演化與天然氣運(yùn)聚關(guān)系研究.中國(guó)石油化工股份有限公司華北分公司研究院.內(nèi)部報(bào)告.；有修改）Fig.6 Yanshanian regional tectonic background of Ordos Basin and its ad jacent areas（modified from Yang，2011①）

4.2 氦氣成藏的時(shí)空配置關(guān)系說明中生代以來盆地北部基底斷裂發(fā)生活化并有巖漿侵入

中生代，華北克拉通與相鄰塊體的下地殼發(fā)生大比例的熔融和殼幔物質(zhì)交換，華北克拉通發(fā)生大規(guī)模的地殼變動(dòng)和破壞，這種破壞主要集中在東部，而西部主要表現(xiàn)為克拉通的改造（翟明國(guó)，2019）。位于華北克拉通西北部的杭錦旗地區(qū)在改造過程中發(fā)生了多期伸展—擠壓構(gòu)造旋回，發(fā)育了系列形態(tài)各異的斷裂，斷裂構(gòu)造類型豐富、空間展布復(fù)雜多樣，表現(xiàn)出明顯的分期、分區(qū)、分帶、分段及分層差異活動(dòng)特征。從西向東宗別立、三眼井、烏蘭吉林廟、泊爾江海子等二級(jí)基底大斷裂在加里東期初具雛形，構(gòu)成伊盟隆起與伊陜斜坡的邊界，這4條基底斷裂平面上延伸較長(zhǎng)，走向基本一致，都具有雁列式展布、左行走滑的特點(diǎn)（徐立濤等，2020）。

綜合泊爾江海子斷裂以南石炭系—二疊系煤系烴源巖生烴史和研究區(qū)儲(chǔ)集層包裹體均一溫度測(cè)溫及激光拉曼光譜分析，東勝氣田上古生界天然氣的成藏開始于中—晚侏羅世，關(guān)鍵期始于早白堊世延續(xù)至今（薛會(huì)等，2009；王明健等，2011）。氦氣與常規(guī)天然氣伴生分布的范圍相對(duì)集中，說明泊爾江海子、烏蘭吉林廟、三眼井和李家渠—掌崗圖西斯斷裂等二級(jí)大斷裂再度活動(dòng)具有差異性（徐立濤等，2020），斷裂活動(dòng)和圈閉形成與上古生界天然氣的主成藏期具有良好時(shí)空配置關(guān)系（圖7）。持續(xù)活動(dòng)的斷層自下而上貫通基底、源巖和儲(chǔ)集層，為油氣垂向運(yùn)移提供了通道，此時(shí)氦氣也沿二級(jí)基底大斷裂向上運(yùn)移，古生界層間斷裂控制了天然氣縱向調(diào)整和氦氣輸導(dǎo)，砂體和層內(nèi)斷裂控制了天然氣和氦氣橫向運(yùn)移，斷裂帶控制了油氣及其伴生氦氣藏的空間分布差異說明氦源巖的分布具有局部性，在基底變質(zhì)巖—花崗巖系普遍發(fā)育的基礎(chǔ)上與局部的燕山期巖漿侵入有關(guān)。在杭錦旗地區(qū)下地殼和上地幔頂部存在大規(guī)模高導(dǎo)層，石榴片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、麻粒巖組成的變質(zhì)巖系和火成巖系是高導(dǎo)層存在的證據(jù)，這也從側(cè)面證明了在此期間地幔隆起、深部流體上涌，造成巖石圈的減薄，殼幔局部區(qū)域發(fā)生熔融。在杭錦旗黑石頭溝的下白堊統(tǒng)砂巖之上發(fā)現(xiàn)堿性橄欖玄武巖，在盆地周緣普遍發(fā)育中生代火成巖體，在伊盟隆起保爾斯太溝、伊12井下白堊統(tǒng)涇川組見玄武巖侵入，以及喇嘛溝有輝綠巖侵入等充分證明了這次構(gòu)造—巖漿熱事件（鄒和平等，2008），此時(shí)期及以后地幔發(fā)生多次隆起，巖石圈發(fā)生上拱，引發(fā)了東西向泊爾江海子、烏蘭吉林廟等基底斷裂持續(xù)活動(dòng)。

圖7 鄂爾多斯盆地主要層系油氣成藏配置與熱事件對(duì)應(yīng)關(guān)系（據(jù)任戰(zhàn)利等，2021；有修改）Fig.7 Relationship between petroleum accumulation configuration and thermal events in main strata of Ordos Basin（modified from Ren et al.，2021）

4.3 中生代以來構(gòu)造—巖漿熱事件對(duì)成烴演化和鈾礦成礦的促進(jìn)作用

早白堊世華北克拉通的深源巖漿活動(dòng)所代表的深部物質(zhì)和熱能的大規(guī)模上涌是中生代流體成藏（礦）的有利地球動(dòng)力學(xué)背景（翟明國(guó)等，2003），所帶來的熱流體及熱場(chǎng)對(duì)其周緣的石炭系—二疊系煤系烴源巖、三疊系延長(zhǎng)組頁(yè)巖生烴演化，乃至侏羅系煤的煤化、金屬鈾礦的形成、演化、成藏（礦）都有重要的控制作用（圖7）。在中侏羅世—早白堊世，該區(qū)石炭系—二疊系煤系烴源巖進(jìn)入生氣高峰，三疊系油頁(yè)巖進(jìn)入成熟階段，侏羅系進(jìn)入煤化作用階段，早白堊世是上古生界煤系烴源巖的主要生氣期和煤成氣的主要運(yùn)移成藏期，是鄂爾多斯地塊中的一次重要成礦期（任戰(zhàn)利等，2006，2007；劉漢彬等，2007）。中生代以后，鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)基底斷裂有較強(qiáng)的活動(dòng)性，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為頻繁，基底斷裂現(xiàn)代仍在活動(dòng)，5級(jí)以上的地震時(shí)有發(fā)生（馬潤(rùn)勇等，2009；李明和高建榮，2010），基底斷裂及其引起的蓋層斷裂有利于深部熱源向上傳遞，使得基底斷裂上覆巖層具有比其他地區(qū)較高的熱流值和高地溫梯度特征，受此影響該區(qū)石炭系—二疊系煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)的成烴演化加速，導(dǎo)致煤系烴源巖現(xiàn)今的成熟度比較高，尤其是泊爾江海子—烏蘭吉林廟斷裂以南的烴源巖現(xiàn)今RO約為1.4%～1.8%，長(zhǎng)期處于大規(guī)模生氣階段，對(duì)上古生界天然氣成藏具有重要意義。

多次構(gòu)造—熱事件發(fā)生時(shí)期，深部熱液流體沿基底大斷裂向上運(yùn)移，由于這些大斷裂錯(cuò)切上古生界底與白堊系底之間的所有地層，熱液流體所攜帶的豐富的成礦元素運(yùn)移到白堊系中，鈾源物質(zhì)在杭錦旗白堊系砂巖地層中發(fā)生遷移、沉淀，此時(shí)泊爾江海子—烏蘭吉林廟斷裂以南的石炭系—二疊系煤系烴源巖生成的天然氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移到直羅組砂巖地層中，具有還原作用的天然氣對(duì)鈾的沉淀、富集成礦創(chuàng)造了條件，進(jìn)而形成了中國(guó)超大型砂巖型鈾礦聚集（趙宏剛，2005；劉漢彬等，2007；馮曉曦等，2019）。

5 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地東勝氣田上古生界天然氣中氦氣含量分布在0.045%～0.487%范圍內(nèi)，三級(jí)儲(chǔ)量為8.3億立方米，為迄今發(fā)現(xiàn)的第一大特大型含氦—富氦天然氣田；氦氣為典型的殼源成因，來源于基底的太古界—元古界變質(zhì)巖—花崗巖系，富集與燕山期以來的巖漿侵入、斷裂活動(dòng)有關(guān)。

2）東勝氣田伴生氦氣與烴類氣為異源同儲(chǔ)成藏，綜合剖析杭錦旗地區(qū)構(gòu)造—斷裂演化、基底巖相發(fā)育特征、天然氣成藏地質(zhì)要素動(dòng)態(tài)演化，明確指出氦氣成藏主控因素為：基底富U、Th巖石發(fā)育是基礎(chǔ)，斷裂活動(dòng)是核心，儲(chǔ)蓋圈保條件是必備，時(shí)空配置是關(guān)鍵。

3）中生代太平洋板塊俯沖控制了華北克拉通的破壞與改造，鄂爾多斯盆地北部在早白堊世至中新世發(fā)生多次巖漿活動(dòng)，東西向泊爾江海子、烏蘭吉林廟等基底斷裂持續(xù)活動(dòng)和燕山期侵入體決定了氦氣富集，深部熱流體活動(dòng)對(duì)盆地石炭系—二疊系煤系烴源巖成烴成藏具有重要的控制作用，其中早白堊世是最重要的一期構(gòu)造—巖漿熱事件，也是鄂爾多斯地塊中多種能源的一次重要成藏（礦）期。