Preliminary discovery of self-generating and self-preserving helium gas in Gonghe Basin
-
摘要:
为查明共和盆地潜在氦气源岩（干热岩）稀有气体、元素地球化学和矿物学特征，笔者在共和盆地采集了与干热岩相关的花岗岩进行了稀有气体和放射性铀钍测试、扫描电镜及能谱分析，发现花岗岩中氦气含量达到49×10-6~851×10-6，每吨岩石中氦气含量达到0.27798~4.76992 m3，局部区段氦气含量更高。计算3He/4He同位素值在7.30×10-10~2.5×10-8之间，确定该区氦气为放射性成因。共和盆地花岗岩体中常见铀钍独立矿物及分散矿物，铀含量在0.74×10-6~38.1×10-6，钍含量在4.7×10-6~42.2×10-6。估算研究区氦生成量约269×108 m3。在此基础上，进一步开展了花岗岩氦气储层储集特征研究，岩体中存在低密度、较高孔隙度和微裂缝发育区段，测井数据也显示花岗岩体中储集特征和脆性良好的区段，是氦气赋存的空间。花岗岩中的富铀矿物对氦气的封闭温度（27~250℃）与干热岩相关的花岗岩温度（80~236℃）基本一致，具备封存条件，估算岩体中封闭氦量为4.03×108~46.8×108 m3。岩体中浅部、深部和压裂返排液中均有氦气，深部高含量氦气存在，压裂后返排液中氦气聚集明显，初步证明了自生自储型氦气藏的存在。
Abstract:In order to find out the noble gas content, element geochemistry and mineralogy of potential helium source rocks(hot dry rocks)in Gonghe Basin, the granites associated with hot and dry rocks in Gonghe Basin were collected for rare gas and radioactive uranium-thorium testing, scanning electron microscopy and energy spectrum analysis.The results show that the helium content in the granite is 49×10-6~851×10-6, and the helium content per ton of rock is 0.27798~4.76992 m3.The helium content in local section is higher.The isotope values of 3He/4He are in the range of 7.30×10-10~2.5×10-8, which indicates that the helium in this area is of radioactive origin.Independent and dispersed minerals of uranium and thorium are commonly found in granite bodies in the Gonghe Basin, with uranium content ranging from 0.74×10-6 to 38.1×10-6, with thorium content ranging from 4.7×10-6 to 42.2×10-6.Estimated helium generation in the study area is approximately 269×108 m3.On this basis, further research was conducted on the reservoir characteristics of granite helium gas reservoirs.There are sections with low density, high porosity, and microcrack development in the rock mass.Logging data also shows that the storage characteristics and brittleness of the granite rock mass are good, which is the space for helium gas occurrence.The sealing temperature of uranium rich minerals in granite for helium gas(27~250℃) is basically the same as that of granite related to dry hot rocks(80~236℃), which meets the sealing conditions.It is estimated that the sealed helium amount in the rock mass is 4.03×108~46.8×108 m3.Helium content is present in the shallow and deep parts of the rock mass, as well as in the fracturing flowback fluid.High helium content is present in the deep part, and helium accumulation is evident in the flowback fluid after fracturing, which preliminarily proves the existence of self-generated and self-preserved helium gas accumulations.
-
Key words:
- granite /
- helium gas /
- generation /
- accumulation /
- self-generated and self-preserved type /
- Gonghe Basin
-
-
表 1 基岩样品测试结果
Table 1. Test results of bedrock samples
样品编号 岩(矿)石名称 采样深度/m 稀有气体组分 3He/4He R/Ra He/10-6 Ne/10-6 Ar/10-6 2021SKY-HQ-LX2-Y5 二长花岗岩 地表 54 0.29 31 1.1×10-8 0.008 2021SKY-GR1-Y003 花岗闪长岩 2750 49 0.37 / 2.5×10-8 0.018 2021SKY-GR2-Y006 花岗闪长岩 2735 155 2.50 79.1 1.10×10-8 0.008 2021SKY-DR3-Y007 花岗岩 2901 851 2.45 213 1.60×10-9 0.001 2021SKY-DR4-Y006 花岗岩 3000 150 0.04 9.8 7.30×10-10 0.001 注：本次样品测试只开展了He、Ne、Ar、Kr、Xe和氦同位素的测定，未开展其他气体含量测定；He、Ne、Ar含量单位为10-6，百万分之一，表达固体中成分含量时，一般用质量浓度，即1×10-6为1 g/t 
下载: 导出CSV
表 2 4He主要衰变反应产率
Table 2. Reaction yields of 4He of main decay
母体 半衰期/109a 子体 产额
(原子/原子)母体原子量 丰度
(原子%)稀有气体产量/(cm3STP·g-1) 产率(每年) 积累量(一个半衰期) 232Th 14.01 4He 6 232.038 100 2.868×10-8 5.796×102 238U 4.468 4He 8 238.029 99.28 11.602×10-8 7.479×102 235U 0.7038 4He 7 235.044 0.72 0.467×10-8 4.746
下载: 导出CSV
表 3 不同成因的He、Ne、Ar同位素特征
Table 3. Isotopic characteristics of He, Ne and Ar from different origins
类型 3He/4He 20Ne/22Ne 21Ne/22Ne 40Ar/36Ar 38Ar/36Ar 初始型 3×10-4 12~13 0.03 10-4 0.17~0.18 散裂成因型 2×10-1 0.9 0.95 10-2 0.65 放射型成因 2×10-8 0 0.3~1.0 107 1
下载: 导出CSV
表 4 恰卜恰地区花岗岩锆石U-Pb年龄统计
Table 4. Zircon U-Pb age statistics of granites in the Chapcha area
钻孔编号 取样深度/m 测龄/Ma 岩性定名 钻孔编号 取样深度/m 测龄/Ma 岩性定名 DR3-1 1602 245±2 石英黑云母闪长岩 DR4-1 1500 226±2 石英黑云母闪长岩 DR3-2 1800 245±1~247±1 黑云母花岗闪长岩 DR4-2 1800 226±2 二长花岗岩 DR3-3 2002 245±1~247±1 黑云母闪长岩 DR4-3 2000 226±2 花岗岩 DR3-4 2200 246±2~248±2 花岗岩 DR4-4 2300 247±3 黑云母二长岩 DR3-5 2384.6 243±1 黑云母花岗岩 DR4-5 2500 227±1 黑云母二长花岗岩 DR3-6 2601 225±1 二长花岗岩 DR4-6 2800 227±2 黑云母花岗闪长岩 DR3-7 2798 224±2 花岗岩 DR4-7 3100 248±2 黑云母二长花岗岩 DR3-8 2901 227±2 花岗岩
下载: 导出CSV
表 5 花岗岩中含铀钍矿物的种类及分布特征
Table 5. Types and distribution characteristics of uranium-thorium bearing minerals in granite
样品 U/10-6 Th/10-6 铀钍独立矿物 铀钍分散矿物 LX1-Y1 2.63 21.53 / 磁铁矿(4) LX1-Y2 / / / 黄铁矿(3)锆石(1)磁铁矿(1)铬铁矿(1) LX1-Y7 2.49 10.64 / 鈧镱铱矿、氟碳铈镧矿、褐帘石、独居石、钛铁矿、锆石(5)铬铁矿(2) LX2-Y1 0.94 5.10 / 磁铁矿(5)锆石(1)铬铁矿(1) LX2-Y4 1.28 6.27 / 黄铁矿(1)钛铁矿(2)锆石(4) LX2-Y5 1.78 18.90 / 褐帘石(1)锆石(1)磷灰石(2)黄铁矿(2)磁铁矿(1) LX3-Y1 0.74 4.70 / 褐帘石(1)氟碳铈镧矿(1)磁铁矿(2)锆石(7) LX3-Y3 1.04 12.95 / 磁铁矿(6)磷灰石(1)黄铁矿(1) GR1-Y001 / / / 锆石(6)磁铁矿(2)黄铁矿(1)铬铁矿(3) GR1-Y002 / / 铀石(1) 褐帘石(1)锆石(5)铬铁矿(4) GR1-Y003 2.89 21 铀钍石(1)、钛铀矿(2)、
硅钙铀矿(2)、钍石(1)锆石(6) GR2-Y002 3.55 20.6 / 铬铁矿(13)锆石(4) GR2-Y004 3.58 13.7 含钍锆石(1) 独居石(2)锆石(1)铬铁矿(7) GR2-Y006 5.32 24.5 / 硅镝钇矿(1)锆石(7) DR3-Y003 21.7 37.9 / 硅钛铈铁矿(1)氟碳铈镧矿(1)磁铁矿(1)硅铝酸盐(2) DR3-Y007 22 34.9 含铀锆石(1) 锆石(2)磁铁矿(3)钛钡矿(1)萤石(1) DR4-Y001 8.33 25.2 钙铀云母(1) 锆石(4)磁铁矿(1) DR4-Y004 13.7 23.1 / 锆石(4)磁铁矿(1)钛铁矿(1) DR4-Y006 38.1 42.2 / 磁铁矿(3)锆石(3)硅铝酸盐(1) 注：矿物后括弧内为EPMA所见次数
下载: 导出CSV
表 6 共和盆地潜在氦源岩生氦量及可封闭氦量
Table 6. The amount of helium generated and sealable from potential helium source rocks in Gonghe Basin
岩体 年龄/Ma U含量/10-6 Th含量/10-6 面积/km2 花岗岩厚度/m 有效体积/km3 密度/(g·cm3) 岩体重量/t 岩体总氦量/m3 共和岩体 236.25 17.08 30.65 875.26 1922.35 1682560.44 2.5 4.21×1015 269×108
下载: 导出CSV
表 7 GR1和GR2钻孔岩心密度测试数据
Table 7. Core density test data of GR1 and GR2 boreholes
钻孔编号 取样深度 样品编号 质量/g 体积/cm3 密度/(g·cm-3) 孔隙度评价 岩心及照片反映状况 GR1 1341 (1-1)R 16.23 2.1862 2.0061 孔隙度高 / 1402 (1-2)R 14.73 7.3433 2.0059 / 1495 (1-3)R 20.15 1.706 2.2388 / 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 1600 (1-4)R 56.5 22.9556 2.4613 / 1700 (1-5)R 20.78 9.8803 2.1032 孔隙度高 1850 (1-6)R 26.8 11.3041 2.3708 / / 1900 (1-7)R 32.2 13.4603 2.3922 / 2110 (1-8)R 21.22 9.8064 2.1639 孔隙度高 2270 (1-9)R 9.41 5.4094 1.7396 孔隙度高 2450 (1-10)R 7.29 4.2733 1.7060 孔隙度高 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 2550 (1-11)R 18.85 8.6852 2.1704 孔隙度高 / 2650 (1-12)R 19.28 9.2843 2.0766 2750 (1-13)R 26.24 11.9252 2.2004 孔隙度高 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 2900 (1-14)R 60.21 24.5265 2.4549 / 3000 (1-15)R 29.21 12.9507 2.2555 / 3150 (1-16)R 37.47 15.2818 2.4519 / 3226 (1-17)R 35.94 14.7377 2.4386 / / 3380 (1-18)R 33.84 14.2948 2.3673 / 3400 (1-19)R 17.54 8.3703 2.0955 孔隙度高 3500 (1-20)R 33.49 14.4769 2.3133 / 3600 (1-21)R 13.62 6.5792 2.0702 孔隙度高 GR2 975 (2-1)R 35.77 15.5011 2.3076 / 1069 (2-2)R 26.19 11.826 2.2146 孔隙度高 1192 (2-3)R 44.82 18.4835 2.4249 / / 1282 (2-4)R 20.64 9.5886 2.1526 孔隙度高 1396 (2-5)R 26.58 12.1582 2.1862 孔隙度高 1485 (2-6)R 36.94 15.4239 2.395 / 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 1577 (2-7)R 27.335 11.7335 2.3296 / 1652 (2-8)R 64.98 26.4383 2.4578 / 1762 (2-9)R 40.56 17.2002 2.3581 / 1887 (2-10)R 39.81 16.1625 2.4631 / 1960 (2-11)R 59.048 23.2684 2.5377 / / 2070 (2-12)R 27.83 12.7425 2.184 孔隙度高 2162 (2-13)R 45.71 18.8099 2.4301 / 2274 (2-14)R 15.03 6.9124 2.1744 孔隙度高 2401 (2-15)R 16.85 7.8507 2.1463 孔隙度高 2567 (2-16)R 33.39 14.905 2.2402 / 2615 (2-17)R 7.14 3.9986 1.7856 孔隙度高 / 2711 (2-18)R 14.65 6.7645 2.1657 孔隙度高 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 2908 (2-19)R 28.5 12.8674 2.2149 孔隙度高 2975 (2-20)R 44.2 18.3369 2.4104 / / 平均 / / / / 2.2356 /
下载: 导出CSV
表 8 DR3和DR4钻孔岩心密度测试数据
Table 8. Core density test data of DR3 and DR4 boreholes
样品编号 取样深度/m 密度/(kg·m3) 孔隙度评价 岩心及照片状况 DR3-14 2000.00 2.69 / / DR3-15 2100.00 2.71 / 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 DR3-16 2200.00 1.66 / DR3-17 2300.00 2.27 孔隙度高 DR3-18 2400.00 2.01 / / DR3-19 2500.00 2.70 / DR3-20 2600.00 2.69 / DR3-21 2700.00 2.71 / DR3-22 2800.00 2.69 / 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 DR4-15 1520.00 2.69 DR4-16 1600.00 2.59 / / DR4-17 1700.00 2.53 DR4-18 1800.00 2.34 孔隙度高 岩石微裂缝、矿物孔隙发育，铀钍分散矿物碎裂状 DR4-19 1900.00 2.51 / DR4-20 2000.00 2.29 孔隙度高 DR4-21 2100.00 2.44 孔隙度高 / DR4-22 2200.00 2.68 / DR4-23 2300.00 2.61 / 平均值 / 2.49 /
下载: 导出CSV
表 9 压裂层段地应力及岩石力学参数数据(数值模拟)
Table 9. Data of ground stress and rock mechanical parameters in fractured zone
压裂层段/m 孔隙度/% 静泊松比 动泊松比 静杨氏模量/MPa 动杨氏模量/MPa 单轴抗压强度/MPa 内聚力/MPa 抗拉强度/MPa 3636~3742 3.71 0.14 0.24 47252.45 78226.02 367.39 68.28 16.70 3794~3883 2.48 0.11 0.22 48308.89 80250.58 372.38 64.77 16.93 3919~3982 3.50 0.13 0.23 46371.30 76551.53 356.09 62.22 16.19
下载: 导出CSV
-
[1] Ballentine C J, Dan N B. The origin of air-like noble gases in MORB and OIB[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2000, 180(1/2): 39-48.
[2] Ballentine C J, Burnard P G. Production, release and transport of noble gases in the continental crust[J]. Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 2002, 47: 481-528.
[3] Brown A A. Formation of high helium gases: A guide for explorationists[C]//American association of petroleum geologists convention, new Orleans, Louisiana, USA, 2010: 11-14.
[4] Hussain N. Flux of 4He from Carnmenellis granite: modlling of an HDR geothermal reservoir[J]. Applied Geochemistry, 1997, 12(1): 1-8. doi: 10.1016/S0883-2927(96)00038-8
[5] Koji U, Koichi A, Tomohiro K. Release of mantle and crustal helium from a fault following an inlandearthquake[J]. Applied Geochemistry, 2013, 37: 134-141. doi: 10.1016/j.apgeochem.2013.07.018
[6] Mamyrin B A, Tolstikhin I N. Helium isotopes in nature[M]. Amsterdam, Elsevier, 1984: 175-179.
[7] Mao X M, Wang Y X, Yuan J F. The indication of geothermal events by helium and carbon isotopes of hydrothermal fluids in south China[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2013, 7: 550-553. doi: 10.1016/j.proeps.2013.03.163
[8] Sarah J M, Chris J B. Using 3He/4He isotope ratios to identify the source of deep reservoir contributions to shallow flfluids and soil gas[J]. Chemical Geology, 2012, 304/305: 142-150. doi: 10.1016/j.chemgeo.2012.02.006
[9] Tolstikhin H N, Waber I, Kamensky H H, et al. Production, redistribution and loss of helium and argon isotopes in a thick sedimentary aquitard-aquifer system(Molasse Basin, Switzerland)[J]. Chemical Geology, 2011, 286: 48-58. doi: 10.1016/j.chemgeo.2011.04.017
[10] 柴先平. 西安地热水伴生富氦天然气成因研究[D]. 长安大学硕士学位论文, 2007.
[11] 顾希, 贺怀宇, 陈立辉. 等, 南京六合塔山地幔橄榄岩捕虏体中的稀有气体同位素组成[J]. 地球化学, 2020, 49(5): 494-508. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQHX202005003.htm
[12] 韩伟, 刘文进, 李玉宏. 柴达木盆地北缘稀有气体同位素特征及氦气富集主控因素[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(3): 385-392. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDKX202003009.htm
[13] 李玉宏, 卢进才, 李金超, 等. 渭河盆地富氦天然气井分布特征与氦气成因[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2011, 41(S1): 47-53. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CCDZ2011S1008.htm
[14] 李玉宏, 张俊林, 张文, 等. 渭河盆地氦气成藏条件及资源前景[M]. 北京: 地质出版社, 2018.
[15] 卢进才, 魏仙样, 李玉宏, 等. 汾渭盆地富氦天然气成因及成藏条件初探[J]. 西北地质, 2005, 38(3): 82-86. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XBDI200503014.htm
[16] 陶明信, 沈平, 徐永昌, 等. 苏北盆地幔源氦气藏的特征与形成条件[J]. 天然气地球科学, 1997, (8)3: 1-8. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDKX199703000.htm
[17] 唐金荣, 张宇轩, 周俊林, 等. 全球氦气产业链分析与中国应对策略[J]. 地质通报, 2023, 42(1): 1-13. http://dzhtb.cgs.cn/gbc/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20230101&flag=1
[18] 王天昊, 等. 松辽盆地天然气中氦气的检测与提纯方法[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2020, 40(1539050): 18-21. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FSSX202005003.htm
[19] 吴慧山, 章晔. 核技术勘查[M]. 北京: 原子能出版社, 1998.
[20] 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(3/4): 185-189. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXQY7Z2.031.htm
[21] 徐永昌, 沈平, 陶明信, 等. 中国含油气盆地天然气中氦同位素分布[J]. 科学通报, 1994, 39(16): 1505-1508. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KXTB199416018.htm
[22] 徐永昌, 沈平, 陶明信, 等. 东部油气区天然气中幔源挥发分的地球化学——Ⅰ. 氦资源的新类型: 沉积壳层幔源氦的工业储集[J]. 中国科学(D辑), 1996, 26(1): 1-8. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JDXK199601000.htm
[23] 杨振宁, 李永红, 刘文进, 等, 柴达木盆地北缘全吉山地区氦气形成地质条件及资源远景分析[J]. 中国煤炭地质, 2018, 30(6): 64-70. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGMT201806013.htm
[24] 岳高凡, 邓晓飞, 邢林啸, 等. 共和盆地增强型地热系统开采过程数值模拟[J]. 科技导报, 2015, 33(19): 1-6. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJDB201519023.htm
[25] 贠晓瑞, 蔡志慧, 何碧竹, 等. 青海共和盆地东北缘中—新生代热演化史: 来自沟后杂岩体及当家寺岩体的低温热年代学证据[J]. 岩石学报, 2021, 37(10): 3241-3260. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXB202110016.htm
[26] 张瑾, 邹彦荣, 陈淑惠, 等. 咸阳市区富氦水溶气组分特征及成因分析[J]. 非常规油气, 2020, 7(1): 38-44. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FCYQ202001008.htm
[27] 张盛生, 蔡敬寿, 张磊, 等. 青海省共和县恰卜恰镇干热岩勘查报告[R]. 青海省水文地质工程地质环境地质调查院, 2019.
[28] 张文. 关中和柴北缘地区战略性氦气资源成藏机理研究[D]. 中国矿业大学(北京)博士学位论文, 2019.
[29] 张晓宝, 周飞, 曹占元, 等. 柴达木盆地东坪氦工业气田发现及氦气来源和勘探前景[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(11): 1585-1592. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDKX202011007.htm
[30] 张雪. 渭河盆地天然气及氦气成藏条件与资源量预测[D]. 长安大学博士学位论文, 2015.
[31] 张云鹏, 李玉宏, 卢进才, 等. 柴达木盆地北缘富氦天然气的发现——兼议成藏地质条件[J]. 地质通报, 2016, 35(2/3): 364-371. http://dzhtb.cgs.cn/gbc/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160319&flag=1
[32] 张志芹, 韩坤帅, 夏伟强. 浅析氦气的成藏模式[J]. 地下水, 2015, (5): 259-262. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXSU201505099.htm
[33] 庄亚芹, 张灿海, 朱明成, 等. 土酸化学刺激剂提高花岗岩渗透率的试验研究[J]. 安全与环境工程, 2017, 24(2): 7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KTAQ201702003.htm
-
图(7)
表(9)
计量
- 文章访问数: 998
- PDF下载数: 79
- 施引文献: 0