【气体地球化学科普】氦同位素地球化学—探寻地球深处奥秘的钥匙

（文章原载于中国矿物岩石地球化学学会网站）

引言
日常生活中，绝大多数民众可能很少关注地球深处的秘密，然而，地球科学家们却一直在探寻着这些神秘的领域。稀有气体，也被称为惰性气体，虽然不像铁、铜和铅等元素那样广为人知，但它们在地球科学研究中扮演着非常重要的角色，稀有气体被称为地球深处的神秘使者，尤其是氦同位素，由于其化学性质非常稳定，不仅可以用来揭示地球表层岩石与气体的来源，而且还含有有关地球深部形成历史和演化过程的很多信息，甚至还可以帮助人们深入理解浩瀚宇宙演化等许多未知的基础科学问题。因此，氦及其同位素地球化学示踪技术成为地球科学领域中的一项独特手段。在此，通过氦同位素地球化学基础知识的简单介绍。希望能够吸引更多的民众，尤其是不少人密切关注地球科学领域的创新发展和面临的多种挑战。

图1. 不同的稀有气体在放电或激发下会产生不同的光谱颜色，因此可以用光谱颜色来区分不同的气体。（氦（He）：橙黄色；氖（Ne）：橙红色；氩（Ar）：蓝紫色；氪（Kr）：灰蓝色；氙（Xe）：蓝绿色）

宇宙中第二的元素，地球上为什么如此稀有？

继氢原子之后，氦是可观宇宙中第二轻且含量第二高的元素 ，在全宇宙的元素质量中大约占了24%（维基百科），但是，在地球系统氦元素非常稀有，大气中的体积百分比约只占百万分之五左右。这是因为氦很 “轻”，地球的引力不足以将其吸引留在大气层中而会很容易地逸散到太空中。因为其分子太轻，同时受热力的影响。太阳风是由太阳大气层中的高温等离子体流出的带电粒子流。含有丰富的氦等元素，被电离并随着地球磁场线逃逸到太空中。氦的惰性使其无法通过化学反应与其他物质结合并留存在地球表层。相比之下，氢元素虽然更轻，但它可以形成化合物，常见含氢化合物，比如与氧结合形成水，与碳结合形成各种碳氢化合物，尤其是有机物，等等。因此，地球上存有大量的氢元素，但氦元素却很稀少。

图2. 氦是宇宙演化过程的产物，恒星内部的核聚变是宇宙中元素演化的一个重要过程。通过核聚变，氢元素可以聚变成氦元素，而氦元素又可以进一步发生核聚变生成更重的元素（图片来源：科技日报）

氦同位素比值是如何测量的？

同位素是指具有相同数量质子数而不同数量中子数的核素或原子，在元素周期表上占据同一个位置，同位素比值就是某种元素不同同位素原子的数量比例，比如说3He/4He比值就是氦元素的3He和4He两种同位素的原子的数量比例。同位素比值的测量可以用于确定物质或者样品的年龄、地质年代、地球化学过程、生物学过程等。

不过，由于地球系统稀有气体含量极低，导致对其进行测量分析变得非常困难。测量氦的同位素比值要用到稀有气体质谱仪，这是一种很神奇的仪器，可以测量包括氦、氖、氩、氪和氙等稀有气体同位素的比例。为了应对这个测量难题，稀有气体质谱仪采用了静态真空和高分辨率的技术，使分析测试变得更加精确和可靠。

测试流程如下：首先，将含有稀有气体的待测样品加热或通过激光照射，促使相关稀有气体释放出来。然后，这些释放出来的气体会被送入气体处理系统进行净化和分离，以去除杂质。接下来，纯化后的稀有气体会被送入质谱仪主机中。在主机中，气体会被电子轰击产生形成He离子，随后，电磁场会按不同的质量将离子分离，按照一定程序使用不同的检测器测量具有不同质量的离子信号。从而就可以得到稀有气体各种同位素的比值。

图3. 用于稀有气体同位素测量的静态真空质谱计（中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心网站）

如何利用氦同位素比值来区分不同来源的氦？

氦元素有8种同位素，其中只有两种同位素是稳定的，分别是4He和3He。其他的同位素是不稳定的，这意味着它们会放射出能量，并且很快就会消失。在地球系统内，4He和3He有两种主要来源。一种是原始的3He，是在宇宙大爆炸时产生的，也在恒星内部聚变时产生。它主要存在于地球内部，可以通过火山或深海热液释放到地表。另一种是放射性成因的4He，是由地壳中放射性元素（例如钍铀钾）衰变时释放出来的粒子形成。这种4He主要存在于地壳，特别是沉积盆地中，可以通过断裂或地质流体释放到地表。

地球上的氦气一般都由4He和3He组成。不同来源的氦气的3He/4He比值存在显著差异。原始的氦气，比如来自太阳系物质的氦气，其3He/4He比值通常较高，约为10^-4左右。这是因为在太阳系形成时，氦的同位素比例被固定下来，因此可以用其来判断太阳系物质的起源和演化。放射性成因的氦气，如地球内部产生的氦气，其3He/4He比值通常较低，约为10^-8到10^-7之间。这是因为地球内部产生的氦气主要是来自放射性衰变的4He，而放射性同位素的衰变会导致氦同位素比例发生变化。

图4. 地球内部核幔氦交换过程

(a) 地球在形成过程中通过吸收星云大气中的氦-3并通过岩浆海运输到原始地核中；和 (b) 地核到地幔的氦-3运输以及地幔到海洋的氦-3运输（图片来源:Olson＆Sharp，2022）

如何利用氦同位素研究地球内部的物质演化和循环？

如何利用氦同位素研究地球内部的物质组成、演化和循环？举例来说，人们可以对不同地区来自地幔的样品中进行氦同位素比值的测量，进而研究地幔物质的来源和演化历史。如果一个地区的氦同位素比值比平均水平高，那么可能表示该地区测试样品来自较原始的地幔物质；反之，如果比值较低，那么可能表示该样品所代表的具体地区经历了较多的物质混合和再循环作用。例如，在夏威夷岛上，火山岩石中的氦气同位素比值竟然高达大气水平的40 倍甚至更高，表明夏威夷岛的火山岩浆可能是来自地球深层、原始或独特的地幔物质，并形成独特的火山岩（地质学者称其为热点）。在大西洋的洋中脊上，海底玄武岩中的氦气同位素比值只有大气水平的8 倍，可能表示大西洋洋中脊来自一个相对较浅的层位、并伴有混合、或者普通的地幔源头。

图5. 自然界中不同来源氦同位素值分布范围（Yuji Sano, 2018）

图5 显示了不同类型的氦同位素（3He和4He）在不同来源（如大气层、地幔、地壳、海水、地外天体等）中的相对丰度，以及它们之间的混合关系。图表中的Ra表示样品中3He/4He比值与大气层中3He/4He比值的比值，用来反映样品中氦同位素的组成和来源。

氦同位素地球化学应用及未来挑战

虽然氦同位素在地球化学研究中的应用已经有了很大的发展，但仍有很多未知的领域需要我们去探索。例如，我们仍然不知道地球内部的某些区域的氦同位素组成和分布情况，以及地球演化对它们的影响。此外，氦同位素也可以用于研究地球外的天体，例如太阳系中的行星和陨石，从而更好地理解宇宙的形成和演化过程。

氦同位素技术目前广泛应用于地球科学、宇宙科学和核科学等领域的研究。比如，我们可以测定岩石、地下水或陨石中的稀有气体同位素比例，推断它们的形成年代、来源和演化过程。不同来源的氦气有不同的同位素比值，因为它们在地球内部经历了不同的演化过程。通过测量稀有气体同位素比例，我们可以探究地球内部的运动和演化，判断矿床的成因和分布，甚至预测地震和火山喷发的可能性。

氦同位素地球化学面临的未来挑战可能包括以下几个方面：①提高氦同位素分析的精度和灵敏度，以满足对极低丰度样品的测定需求；②拓展氦同位素在不同介质（如岩石、流体、气体、生物等）中的应用范围和深度，以揭示更多的地球科学问题；③探索氦同位素与其他稀有气体同位素（如氖、氩、氪、氙等）之间的耦合关系，以增强对地球系统复杂过程的理解。

地缘冲突引发氦气价格暴涨，“气体黄金“亟待国产替代

氦气是一种重要的战略资源，全球供应非常集中。它广泛应用于航空航天、半导体产业、尖端科研等领域，是国防军工和高科技发展所必需的战略性物资。由于国外对氦气资源的保护与战略储备的重视已经有很长时间，1960年美国修改了1925年首次颁布的《氦保护条例》，将全美国氦气的提取、储存及运输纳入美国内政部的统筹管理。2018年，美国总统签署了一项命令，将氦气列入至关重要的35种关键矿产之一。

图6. 核磁共振技术需要使用液体氦冷却磁体，以保持超导状态，从而使磁体能够产生强大的磁场。而这些液体氦必须定期加注，以维持恒定的温度和压力，以确保核磁共振仪的正常运行。

中国的氦气资源比较匮乏，其氦资源仅占全球总量的2%。根据美国地质调查局（USGS）2020年的调查报告，全球氦气资源约为520亿方，但分布不均。美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯、加拿大和中国是全球前六大氦气资源国家。中国需要积极探索和开发氦气存量优质气田，以确保国内的氦气供应。自2022年3月国际冲突爆发以来，氦气价格急剧上涨。在2022年6月，俄罗斯发布了限制惰性气体出口的政策，引发了全球对氦气供应的史无前例的担忧。这种担忧导致中国氦气价格上涨至420-460元/方，涨幅超过300%，2020 年中国氦气进口依赖度 97.5%，外资企业垄断氦气进口。

美国的含氦天然气中氦含量范围为0.66%至8.2%，而俄罗斯的含氦天然气中氦含量为0.15%至0.6%。相比之下，中国的氦资源总体含量较低。目前，中国已经发现了8个含氦天然气盆地，分别位于渭河、四川、塔里木、柴达木、松辽、渤海湾、苏北和海拉尔等地。其中，塔里木盆地的和田河气田是中国第一个富含氦气的特大型气田，氦含量在0.30%—0.37%之间，但是这个优质的气体资源尚未得到充分开发。

结束语

我们应该认识到氦气在现代科技中的广泛应用价值，以及其稀缺性和战略价值，应该采取合理措施来保护和节约氦气资源的使用。目前我国氦气资源研究、评价、勘探程度均很低，资源量和储量情况基本不明，中国的科学家们正在不断寻找新的氦气资源，并努力开发更高效的氦气富集和利用技术，以满足我国对氦气的不断增长的需求。

我国是一个贫氦国家，目前大部分氦气都依赖进口，因此需要加强氦气资源的立法保护，确立以人为本、可持续发展、政府管理与市场化结合、利用与保护相结合的原则。推广和应用节约和回收利用氦气的技术和设备；加强对氦气资源消费行为的监督和管理；提高公众对氦气资源保护的意识和参与度。

作为普通大众，我们也可以在日常生活中做一些小事来保护氦气资源。比如少买或不买充满氦气的气球，因为这些气球一旦飘到空中就会将宝贵的氦气释放到大气层中，无法回收利用。下次和孩子一起出去，我们可以尝试一些更有趣和创意的活动，避免浪费宝贵的氦气资源。毕竟，氦气可不是只能用来吹气球的哦，它还可以让飞行器升空、让核磁共振图扫描更精准、让射电望远镜观测更清晰。让我们一起来保护氦气资源，让它为科技发展、医学诊断和空间探索发挥更大的作用吧！

作者感言

科普文章旨在将专业的知识用简明易懂的语言传达给尽量多的读者，因此写作过程中需要在专业性和易懂性之间取得平衡，这对作者来说是一项很有挑战性的任务。在文章的撰写过程中，作者尽可能地核查和使用可靠的资料以确保文章的准确性和可信度。然而，由于知识的广度和深度，以及时间和个人专业知识的限制，仍然有可能存在遗漏和不足之处。因此，我们欢迎读者提出任何关于本文的补充、修改或纠正。作者简介：李中平，博士，研究员，博士生导师，中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会秘书长；感兴趣的领域为气体地球化学、同位素地球化学、分析地球化学等；联系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn

致谢: 北京师范大学陶明信教授、中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会主任委员郑国东研究员、中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心李立武研究员通读了全文，对文章提出了具体的修改建议，在此对三位老师表示诚挚的感谢。

参考文献

1.徐永昌，刘文汇，沈 平，陶明信，郑建京 等，天然气地球化学的重要分支——稀有气体地球化学

2.胡瑞忠，毕献武 等.哀牢山金矿带金成矿流体He和Ar同位素地球化学. 中国科学，1999,29(4):321-330.

3.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. 天然气地球科学, 1997. 8(3), pp.1-8.

4.王先彬， 稀有气体同位素地球化学和宇宙化学. 1989, 科学出版社.

4.陈践发, 刘凯旋，等，天然气中氦资源研究现状及我国氦资源前景. 天然气地球科学， 2021,32(10), pp.1436-1449.

5.李立武, 高梓涵, 贺坚, 曹春辉,李中平,不同海拔地点的空气氩同位素组成特征及其在油气地球化学分析中的意义. 天然气地球科学, 2022. 33(1), pp.92-10

6.曹春辉,李中平, 杜丽 李立武. 原油溶解气中稀有气体同位素分析，分析仪器 ，2014，12-16

7.陶明信,徐永昌, 沈平,刘文汇.中国东部幔源气藏聚集带的大地构造与地球化学特征及成藏条件，中国科学(D辑)，1996，26(6)：531-536.

8.陶明信，徐永昌 等．中国不同类型断裂带的地幔脱气与深部地质构造特征．中国科学，2005，35(5):441—451.

9.Sano, Yuji, Bernard Marty, and Pete Burnard. Noble gases in the atmosphere. The noble gases as geochemical tracers (2013): 17-31.

10.Kurz, Mark D., and D. Geist. Dynamics of the Galapagos hotspot from helium isotope geochemistry. Geochimica et Cosmochimica Acta 63, no. 23-24 (1999):

11.Mamyrin, Boris Aleksandrovich, and Igor？ Nesterovich Tolstikhin. Helium isotopes in nature. 2013.Elsevier,

12.Graham, David W., William J. Jenkins.Helium isotope geochemistry of mid-ocean ridge basalts from the South Atlantic." EPSL,1992,110,133-147.

13.Olson, Peter L，Zachary D. Sharp. Primordial Helium‐3 Exchange Between Earth's Core and Mantle." Geochemistry, Geophysics, Geosystems， 2022，23, no. 3 .