第九节稀有气体同位素

(2) 中部含油气区。 该区介于太行山一武 中部含油气区。 陵山和贺兰山一龙门山两大构造地球物 理梯度带之间， 自北而南包括鄂尔多斯、 理梯度带之间 ， 自北而南包括鄂尔多斯 、 四川和百色3个含油气盆地。 四川和百色3个含油气盆地。本区氦同位 素组成的特征是 3He/4He 值基本都为10-8 ， He值基本都为 10 是典型壳源放射性成因氦。 是典型壳源放射性成因氦 。 该区是中国 构造最稳定的地区。 构造最稳定的地区 。 由于本区稳定而与 地幔的连通性差， 地幔的连通性差 ， 氦气基本为一元地壳 放射性成因而无幔源氦的加入。 放射性成因而无幔源氦的加入。
美国西部的Sacramento 盆地天然气被认 美国西部的 Sacramento盆地天然气被认 为是受俯冲作用影响的无机成因气田， 为是受俯冲作用影响的无机成因气田 ， 其 3He/4He=0.11—2.76Ra, CH4/3He 达 He=0 11— 76Ra, 109—1011 ， 显示壳源有机组分对气田的 贡献；
此外， 此外 ， 环太平洋等俯冲带地区天然气的研 究结果也支持上述壳-幔混合模式:低 3He/4He值的天然气中CH /3He值高达1012， He值的天然气中CH4 He值高达10 而高3He/4He者CH4/3He值却低至108。 He者 He值却低至10
Jean Baptiste等采取大西洋热液流体，发现热 Baptiste等采取大西洋热液流体， 液 中 3He/4He 达 8.4 Ra ， 与 大 洋 中 脊 玄 武 岩 （MORB）所得结果相似；流体中CH4/3He值为 MORB）所得结果相似；流体中CH He值为 也与太平洋相似。 2.6×106，也与太平洋相似。 而变化的CH 含量( 而变化的CH4含量(0.4%一1.4%)表明其应包括 幔源、洋壳等在内的多个来源。 幔源、洋壳等在内的多个来源。 Craig等在对日本Kagoshima湖的研究中， Craig等在对日本Kagoshima湖的研究中，利用 3He/4He 及CH /3He比值的结合讨论，对水下气 He及 4 He比值的结合讨论， 体的来源作出了合理的分析。 体的来源作出了合理的分析。
地幔中氦有3 地幔中氦有3种源区： (1) 地 幔 柱 型 ， 3He/4He 最 高 (32 Ra), Ra), 40Ar/36Ar为350； Ar为350； (2) 洋中脊玄武岩型 (MORB), 3He/4He 稳 洋中脊玄武岩型(MORB), He稳 定(8 Ra), 40Ar/36Ar为12000； Ra), Ar为12000； (3)岛弧型，其3He/4He (6 Ra)和40Ar/36Ar 岛弧型， Ra) 比值低于MORB型 比值低于MORB型。
地壳中的氦则相对以富 4He 为特征， R/ He为特征 ， Ra= 0.01—0.05( Stuart et al. , 1995)。 01— 05( al. 1995) 氦在大气中的含量极低， 氦在大气中的含量极低 ， 因而不足以对 地壳流体中的氦丰度和同位素组成产生 明显的影响( 明显的影响( Stuart et al. , 1994)。 al. 1994)
如 窑 街 煤 田 突 出 气 CO2/3He 值 可 高 达 6×1012 。 由于洋壳的混染， 俯冲板块相关 由于洋壳的混染 ， 区域幔源流体的CO He比值通常较大洋中 区域幔源流体的CO2/3He比值通常较大洋中 脊玄武岩高，可达1 脊玄武岩高，可达1.3 ×1011。
用CH4/3He值示踪 He值示踪
同时发现， 同时发现，第2成矿阶段阶段 (石英-黄铁 成矿阶段阶段(石英矿阶段) 矿阶段)的黄铁矿流体的氦同位素组成更 接近地幔，而第3 阶段(石英接近地幔，而第3 阶段(石英-多金属硫化 物)的黄铁矿和黄铜矿中成矿流体的氦同 位素值相对偏低， 呈现出由早到晚逐渐 位素值相对偏低 ， 呈现出由早到晚 逐渐 降低的趋势。 降低的趋势 。 这一特征表明早期的成矿 流体中相对富集幔源氦， 流体中相对富集幔源氦 ， 随着成矿作用 的演化逐渐加入了地壳来源的氦。 的演化逐渐加入了地壳来源的氦。
用CO2/3He值示踪 He值示踪
据Marty等以及其他研究者，大洋中脊玄武岩、洋 Marty等以及其他研究者，大洋中脊玄武岩、 岛 、 大陆玄武岩及幔源热液中的流体具有极为一 致的CO He摩尔比值，基本上都在10 数量级。 致的CO2/3He摩尔比值，基本上都在109数量级。 地壳中由于大量有机质的存在和贫 3He, CO2/3He 比值可高达10 比值可高达1012—1013。 同时表层沉积层中有机质的存在，可提供大量C 同时表层沉积层中有机质的存在，可提供大量C元 素，致使壳源气CO2/3He值远较地幔值高。因而低 致使壳源气CO He值远较地幔值高。 3He/4He 值 、 高 CO /3He 值 可看作地壳或沉积层特 He值 2 He值 征，
二、在外生矿床方面的应用
（一）用天然气中的3He/4He值来研究油气 He值来研究油气 盆地的的构造特征
Hale Waihona Puke 天然气中的3He/4He值—可反映壳幔挥 He值 发份交换的信息， 发份交换的信息 ， 根据氦同位素值将中 国含油气区划分为4个不同活性的区块， 国含油气区划分为4个不同活性的区块， 结果与我国大地构造分区有很好的吻合。 结果与我国大地构造分区有很好的吻合 。 由于气藏中的气体是动态平衡的， 由于气藏中的气体是动态平衡的 ， 其中 氦气更是如此， 氦气更是如此 ， 更能反映此类信息；但 相对而言， 氦保有的是近代的信息， 相对而言 ， 氦保有的是近代的信息 ， 而 不是古地质时代的信息。 不是古地质时代的信息。
用二元混合模式，取地幔3He/4He为6 Ra He为 求得流体包裹体中地幔氦的比例: 求得流体包裹体中地幔氦的比例:阔尔真 阔腊金矿床为11%一71%，平均约44%； 阔腊金矿床为11%一71%，平均约44%； 布尔克斯岱金矿床有两个样品为地幔氦， 其余样品中地幔氦比例为19%一85%,平 其余样品中地幔氦比例为19%一85%,平 均约55%，总体上约85%.说明两个矿床 均约55%，总体上约85%.说明两个矿床 成矿流体中氦主要为地幔氦。 而两矿床40Ar/36Ar和3He/4He值略低于典 Ar和 He值略低于典 型地幔的值，可能反映海西期岛弧环境 洋壳物质的掺和和及大气水的稀释。
而数个CH He值 而数个 CH4/3He 值 达 1011—1012 数量级的样 品 ， 3He/4He 值仅为0.07—1.0Ra， 反映低 He值仅为 0 07— Ra ， 3He/4He 和富有机组分的洋壳与地幔物质的 He和富有机组分的洋壳与地幔物质的 混合特征。 混合特征。 日本秋田等地天然气也具有壳日本秋田等地天然气也具有壳 - 幔混合的 3He/4He, CH /3He值特征； 4 He值特征；
例如， 日本Kagoshima Bay水下火山口气 例如 ， 日本 Kagoshima Bay 水下火山口气 CH4/3He 值普遍达108 以上 ， 被解释为海水 He值普遍达 10 以上， 注入火山裂隙从而产生大气混染的结果； 新西兰有壳- 幔混合热液的典型例子， 新西兰有壳 - 幔混合热液的典型例子 ， 其 CH4/3He 值为106-108 的样品 ， 3He/4He 值常 He值为 10 的样品， He值常 在 6.0—7.5 Ra之间 ，具有明显的幔源特征， Ra 之间，具有明显的幔源特征， 基本无壳源混染；
（一）在内生矿床方面的应用
王义天等研究了小秦岭金矿 的黄铁矿、 王义天等研究了 小秦岭金矿的黄铁矿 、 黄铜矿和 方铅矿等矿物的氦同位素组成， 方铅矿等矿物的氦同位素组成 ， 结果多数黄铁矿 样品的R/Ra 变化范围在0 36— 86之间 ， 样品的 R/Ra变化范围在 0.36—1.86 之间， 高出地 壳氦同位素特征值1 壳氦同位素特征值 1—2个数量级 ， 指示了成矿流 个数量级， 体中存在幔源氦。 体中存在幔源氦。 同时所测值又比地幔特征值相对偏低， 同时所测值又比地幔特征值相对偏低 ， 指示了流 体中壳源氦的普遍存在， 体中壳源氦的普遍存在 ， 因此本区成矿流体中的 氦是地幔和地壳氦的混合产物。 氦是地幔和地壳氦的混合产物。
第九节 稀有气体同位素在矿床学中的应 用
一、氦同位素
氦有两个稳定同位素 3He 和 4He ， 大气丰度 He和 He， 分别为0 00013% 99.9999% 兰卡玛 ） 分别为 0.00013% 和 99.9999% （ 兰卡玛） 。
地幔中的氦为地球原始氦的残余部分， 地幔中的氦为地球原始氦的残余部分 ， 其 组 成 相 对 于 地 壳 以 富 3He 为 特 征 ， 3He/4He= 6—9 Ra(Ra为大气的3He/ 4He Ra(Ra为大气的 比值， 比值，为1.4×10-6；或表示为R/ Ra= 6；或表示为R/ 9， R为3He/ 4He测试值)。 He测试值) 申萍（ 2004） 援引 P Scarsi(2000) 申萍 （ 2004 ） 援引P. Scarsi(2000) 和 S. F. Sawkins(1987)资料： Sawkins(1987)
据申萍等（2004）对新疆萨乌尔金矿带 据申萍等（2004）对新疆萨乌尔金矿带 的研究，阔尔真阔腊金矿床黄铁矿流体 的研究，阔尔真阔腊金矿床黄铁矿流体 包裹体3He/4He为0.64一4.25 Ra，远高 He为0.64一 Ra，远高 于地壳特征值(0.01~0.05Ra)，并与地幔 于地壳特征值(0.01~0.05Ra)，并与地幔 特征值(6~9 Ra)趋近；布尔克斯岱金矿 特征值(6~9 Ra)趋近；布尔克斯岱金矿 床黄铁矿流体包裹体3He/4He有两个较高 He有两个较高 值(8.18和9.48 Ra)，与MORB型地幔 (8.18和 Ra)，与MORB型地幔 3He/4He一致，其余的3He/4He值(1.16 He一致，其余的 He值 ~5.08 Ra)与地幔特征值趋近。 Ra)
CH4 作为幔源流体的常见组分 ， CH4/3He 值 作为幔源流体的常见组分， He值 也常被用于幔源物质， 也常被用于幔源物质 ， 特别是对热液来源 的研究。 的研究。 研究表明， 幔源流体( 热液、 天然气等) 研究表明 ， 幔源流体 ( 热液 、 天然气等 ) 中 CH4/3He 值均为106—107 数量级 ， 受壳源混 He值均为 10 数量级， 染 者 则可 达 1011—1012 数 量 级 ， 其 机理 同 级， CO2/3He值。 He值 某些幔源流体由于地壳物质加入， 某些幔源流体由于地壳物质加入，3He/4He 值降低、 值降低、CH4/3He值明显增高。 He值明显增高。
徐永昌等按氦同位素组成及其构造背景， 徐永昌等按氦同位素组成及其构造背景 ， 将中国含油气区分为4个单元， 将中国含油气区分为4个单元，各单元具有 如下特征。 如下特征。
东部区。 东部区 。 该区包括大兴安岭一太行山一武 陵山构造地球物理梯度带以东的诸含油气 盆地。 盆地。此带天然气中的3He/4He值普遍偏高， He值普遍偏高， 其主频值或盆地平均值为10 其主频值或盆地平均值为10-6—10-7。
该区又可分为两个次一级分区：① 该区又可分为两个次一级分区： ① 近郯 一庐大断裂带盆地— 一庐大断裂带盆地 — 沿郯一庐大断裂带 两侧分布的诸含油气盆地，以具高 3He/4He 值 为 特征 ， 各盆 地 平均 值 均为 He值 10-6 ； ② 华北一中原油气区 ( 偏离郯一庐 华北一中原油气区( 断裂带而位于东部区的西部) 断裂带而位于东部区的西部 ) ， 该两区 3He/4He 的 平 均 值 分 别 为 7.07×10-7 和 07× 6.47 ×10-7 ， 其 中 含 幔 源 氦 约 1% 一 30% 平均约7 30%(平均约7 % )。天然气中幔源氦份 额高的原因与郯一庐大断裂密切有关。 额高的原因与郯一庐大断裂密切有关。