基于氡氦团簇理论的油气藏上方氡异常成因分析

马志飞，刘鸿福，张新军

（太原理工大学矿业工程学院山西 太原 030024）

摘要：油气藏上方呈现出的晕圈状氡异常能够明显指示油气藏边界，给油气勘探提供有用信息。在分析和总结对其成因的一般性认识之后，用氡氦团簇理论解释该现象，对利用氡气进行油气勘探的基础理论研究提供一些启示。

关键词：氡氦团簇 油气藏 氡气

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0 引言

    近年来，由于油气资源的日益紧缺，勘察和开发油气资源的活动不断加强。实践工作中，人们研究和发展了很多新的方法，除了常规的地震勘探、电法勘探、磁法和重力勘探等物探方法之外，核勘察技术的应用正显示出其特殊的魅力和效果。然而，由于室内模拟条件的限制等原因，对于基础理论的研究尚不完善。油气勘查中，常常根据氡气异常的分布状态确定油气藏的边界，但对于其成因的分析，目前的观点仍不统一。本文从氡气自身向上运移的内因角度分析油气藏上方氡异常的成因。

1 油气藏上方氡异常的分布

    很多实践表明，油气田上方一般呈现微弱的低值放射性异常，而在油气田边缘常出现放射性高值异常，大体对应于油气田在平面上的轮廓。在剖面上异常表现为中间低、两边高，并向外围逐渐变为正常场。这种环状晕圈异常称为“烟囱效应”^［1］。环状异常是油气藏上置化探异常的主要类型，半环状、港湾状、串珠状等都是它们的变种式组合^［2］。这是由于油气藏上覆介质不一定是横向均匀的，再加上油气藏的类型多样和断层的分割等因素，往往表现为一系列断断续续的高值异常呈晕带状或串珠状分布，也有可能在横向上产生偏移^［3］。理想化的油气藏上方氡异常模型示意图如图1。

为了能在实际工作中更好地运用这一现象，很多学者对各种形态的油气藏进行了研究。董自强等^［4］研究发现，对于断背斜型油藏，油田两侧对应于油水边界处都存在氡的高值异常，断层一侧氡的异常衬度和异常宽度都较另一侧大；对于多油层型油田，当顶层含油区范围较相邻油气层小时，在两油气层交错处亦存在氡异常；已被探井证实的无油空构造圈闭不存在氡异常，非控油断层有时也会造成氡异常；气藏边界同样存在氡异常，且与油藏相比，异常衬度略大。这些研究成果对于“烟囱效应”的认识更加深刻，也对正确认识这种异常的成因提供了一些线索和启示。

图1 油气藏上方氡异常模型示意图

（引自参考文献［5］并稍作修改）

2 对油气藏上方氡异常成因的普遍认识

油气藏上方氡异常的表现有两个典型特点：一是油气藏正上方呈放射性低值，二是油气藏边界呈放射性高值异常，向外逐渐降低。虽然对其成因的分析观点众多，但迄今已经形成以下几点共识：

（1）在生油盆地沉积过程中，铀的富集条件与有机质相同，溶解于水的铀、镭等放射性物质随着地下水从高压区流向低压区，得到富集。由于氡是铀、镭的衰变子体，因此氡异常的形成与其母体关系密切。

（2）油藏中的水具有较强的还原性质，在这种强还原环境中，铀易于沉淀，而铀的衰变物镭在强还原环境中可全部溶于水，造成油藏边水中镭化物浓度最高。

（3）含镭油田水或深部地下水在近垂向运移的过程中，不易通过油气藏，而是从油水边界及外围近垂直向上运移。

（4）铀、镭在潜水面附近沉淀，成为永久性伽马辐射源。

（5）向上运移的方式主要是对流、渗透、扩散和上浮等，溶解与水的镭及部分铀通过水组分的垂直运动向地表迁移，其衰变产物氡主要通过对流、扩散或者沿裂隙、破碎带向上迁移^［6］。

（6）向上运移的动力源主要是压力差、温差、浓度差、水动力和浮力等。

（7）烃类物质的微渗透现象也起到一定的作用，能将所携带的以及中途俘获的放射性核素运移到潜水面附近并沉淀下来。

以上几点虽然已经得到广大学者的认可，并通过实验和实践取得了一些验证资料，但对于系统地解释这一成因尚不完善，而且仅仅考虑了外部因素的影响，即认为油气藏上方晕圈状氡异常是“被动”形成的，却忽略了其内因的作用。

3 应用氡氦团簇理论分析其成因

为研究氡及其子体的运移规律，刘鸿福设计了模拟实验，在较为理想的条件下进行分析研究。采用的仪器为高灵敏度、高精度、静态、累积、低本底测量的CD－1α杯测氡仪，并设置自然状态和干燥状态下两种情况对其进行对比^［7］。所得数据经计算，氡及其子体向上、向下、横向运移的几率及纯向上、纯向下、扩散运移的几率见表1。

表1 氡及其子体向上、向下、横向运移的几率

据此得出结论：氡及其子体的运移是以纵向运移为主，且具有较强的向上运移能力，其具体表现是，自氡源产生氡气开始，氡气就具有很强的向上运移能力，并随运移的距离加大，与横向运移和向下运移相比，这一能力仍在加强。在此基础上，刘鸿福等进行了更深入的实验模拟和理论研究，并提出了“氡氦团簇”模型理论^［8－10］。该理论的主要内容是：氡及其子体和母体多为α辐射体，它们放出的α粒子为高速运动的带有两个正电的⁴He核，减速后能使原子序数较大、外层电子多的氡及其子体和母体中性原子极化，使⁴He核和氡及其子体和母体之间在电场作用下产生强相互作用力，即形成团簇。由于⁴He的比重远较空气小，团簇所受空气的浮力大于其重量时，便能自行上升，从而使氡及其子体自身具有明显的向上运移能力。图2是氦核和氡核形成的团簇示意图。由于氡氦团簇极易渗入不同的原子和分子，便会形成复合团簇，其团簇可大可小，小到由2个⁴He构成，多至由10⁶个⁴He构成，因此而产生的巨大浮力可以带动Po、Bi、Pb、Tl甚至U、Th、Ra等金属原子微粒向上运移。根据氡氦团簇理论，氡的运移距离应根据其子体和母体按团簇运移后的总效应来衡量，即氡及其子体运移时应视为“长寿”放射性元素，故其在地壳中上升距离可达数十米至数百米以上。

图2  氦核与氡核形成的团簇示意图

在油气藏的上方形成氡气的晕圈状异常分布，既与氡的母体分布直接相关，而且与氡及其子体和母体的向上运移环境有密切关系。

首先，在生油盆地沉积过程中，溶解于水的铀、镭等放射性物质得到富集，这是氡的来源。作为自然界中存在三个放射系之一，铀-镭系的起始核铀(²³⁸U)共经过14次连续衰变，包括8次发射α粒子的衰变和6次发射β粒子的衰变，最后衰变为成为不带放射性的稳定核素铅（²⁰⁶Pb）。其中，氡是镭(²²⁶Ra)的第一代衰变子体。在自然界中,它通常具有4种存在状态,即自由氡(气体)、溶解氡、吸附氡和束缚氡，但后三者在一定条件下,均可转化为自由氡(气体)^［11］。

其次，油藏中的水具有较强的还原性，铀在此沉淀，其衰变产物镭全部溶于水，造成油藏边水中镭化物浓度最高，而外围逐渐恢复为正常的物理化学环境，这正解释了晕圈状氡异常外围逐渐变为正常场的原因。

第三，由于油气藏中烃类物质在缓慢沿断裂、裂隙、孔隙近垂直向上运移过程中，逐步改变了油气藏上方的地球物理、地球化学环境，使自油气藏至近地表间的区域形成一个近似圆柱状的称为“还原柱”的环境，还原柱内Cl^-、SO₄^2-的浓度高于外围^［12］。在这样的强还原环境下，其一，液态物质中存在着许多呈游离态的自由电子；其二，“还原柱”内的还原剂容易失去电子；其三，氡及其子体和母体辐射出的带有两个正电的α粒子具有很强烈的电离作用，当它与其他物质相接触的时候会与物质中原子的核外电子发生静电作用，使核外电子从它那里获得能量，当所获得的能量足以冲破原子核的束缚力时，核外电子就脱离原子而成为自由电子，同时，在此电离过程中所产生的次级粒子（如由电离产生的正离子和自由电子），如果它们的能量还足够高，以至当它们再与物质中的原子相互作用时还能继续使原子电离，产生正离子和电子，即次级电离作用。氡及其子体和母体辐射出的带有两个正电的α粒子会很快被中和成为不带电的原子核，变成了氦气，失去了正电荷的α粒子缺少在电场作用下形成的强相互作用力，不利于氡氦团簇以及复合团簇的形成，即使已经形成的团簇在这样一个自由电子众多的环境中也容易被破坏。此过程可简单表示为图3（自由电子破环团簇结构过程示意图）。之所以在氡气的晕圈状异常内部形成低值，正是由于缺少氡的母体铀、镭作为固定的辐射源。铀、镭在“还原柱”内的丰度相对偏低，而在“还原柱”的柱壁周围，氡氦团簇及复合团簇都能形成，铀、镭的丰度较柱内侧以及柱外围都要高出很多，因此在近地表潜水面附近沉淀下来后便会作为长久的辐射源，形成氡的高值异常。

图3  自由电子破环团簇结构过程示意图

此外，学者李怀渊，刘宪斌^［12］在油田上方应用钋法（²¹⁰Po）、氦法等进行试验，也得出结论：放射性核素铀、²¹⁰Po和⁴He含量在油气田边界处都显示有明显的正相关的高值异常。这从另外一个侧面反映了氡氦团簇的运移效应。

4 结论和讨论

利用氡氦团簇理论从内因角度分析氡的晕圈状异常可以在一定程度上解释其成因。依据团簇理论，氡的向上运移是一种“自身的”主动式运移，在整个异常带形成的过程中，氡氦团簇及复合团簇的运移应起到主要作用。传统的微渗漏理论认为，烃类物质沿断裂、裂隙、孔隙近垂直向上运移过程中起到一定的带动作用，能携带氡气向上运移，据此观点，在油气藏上方烃类物质浓度高的地方也应观测到氡气的高值异常，但在实践中常常会发现一些足以检测到的与背景显著差异的可分辨化探异常,而这些化探异常对应于油气藏正上方，如海区油气藏上方海面上常常见到气泡和油纹、水柱中的气缕等^［13］，这可以看作是烃类垂向微运移的一种表现形式，而对应于油气藏上方的却是氡气的低值区域，这种矛盾的出现使得我们需要对微渗漏理论做进一步的完善。

虽然许多学者都从不同角度分析了其成因并提出多种假说，但最重要的是，需要对“还原柱”内部的物理、化学环境做更为深入的研究，只有深刻理解其内部机理，才能在实践工作中更好地运用氡气勘察技术来服务与油气田的勘探。

参考文献

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[13] 吴传璧.油气化探发展脉络的思考[M].北京:地质出版社,1996.

Analysis of The Cause of Radon Anomaly over Oil and Gas Reservior Based on Theory of Helium-Radon Clusters

MA Zhi-fei, LIU Hong-fu, ZHANG Xin-jun

(College of Mining Technology of TYUT  Shanxi,Taiyuan,030024)

Abstract: The halo-shaped radon anomaly over oil and gas reservior can instruct the border clearly and it may provide some useful information for oil and gas exploration. This paper analysied and summaried the general understanding of its causes firstly,then taked the theory of helium-radon cluster to explain the phenomenon, provided some enlightenments for basic theoretical researching of oil and gas exploration by using radon.

Keywords: Helium-Radon Clusters, Oil and Gas Reservior, Radon