從宇宙到地球：稀有珍品氦元素在地球科學中的奇妙應用（作者：李中平）

引言

日常生活中，絕大多數(shù)民眾可能很少關(guān)注地球深處的秘密，然而，地球科學家們卻一直在探尋著這些神秘的領域。稀有氣體，也被稱為惰性氣體，雖然不像鐵、銅和鉛等元素那樣廣為人知，但它們在地球科學研究中扮演著非常重要的角色，稀有氣體被稱為地球深處的神秘使者，尤其是氦同位素，由于其化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，不僅可以用來揭示地球表層巖石與氣體的來源，而且還含有有關(guān)地球深部形成歷史和演化過程的很多信息，甚至還可以幫助人們深入理解浩瀚宇宙演化等許多未知的基礎科學問題。因此，氦及其同位素地球化學示蹤技術(shù)成為地球科學領域中的一項獨特手段。在此，通過氦同位素地球化學基礎知識的簡單介紹。希望能夠吸引更多的民眾，尤其是不少人密切關(guān)注地球科學領域的創(chuàng)新發(fā)展和面臨的多種挑戰(zhàn)。

圖1. 不同的稀有氣體在放電或激發(fā)下會產(chǎn)生不同的光譜顏色，因此可以用光譜顏色來區(qū)分不同的氣體。（氦（He）：橙黃色；氖（Ne）：橙紅色；氬（Ar）：藍紫色；氪（Kr）：灰藍色；氙（Xe）：藍綠色）

宇宙中第二的元素，地球上為什么如此稀有？

繼氫原子之后，氦是可觀宇宙中第二輕且含量第二高的元素 ，在全宇宙的元素質(zhì)量中大約占了24%（維基百科），但是，在地球系統(tǒng)氦元素非常稀有，大氣中的體積百分比約只占百萬分之五左右。這是因為氦很 “輕”，地球的引力不足以將其吸引留在大氣層中而會很容易地逸散到太空中。因為其分子太輕，同時受熱力的影響。太陽風是由太陽大氣層中的高溫等離子體流出的帶電粒子流。含有豐富的氦等元素，被電離并隨著地球磁場線逃逸到太空中。氦的惰性使其無法通過化學反應與其他物質(zhì)結(jié)合并留存在地球表層。相比之下，氫元素雖然更輕，但它可以形成化合物，常見含氫化合物，比如與氧結(jié)合形成水，與碳結(jié)合形成各種碳氫化合物，尤其是有機物，等等。因此，地球上存有大量的氫元素，但氦元素卻很稀少。

圖2. 氦是宇宙演化過程的產(chǎn)物，恒星內(nèi)部的核聚變是宇宙中元素演化的一個重要過程。通過核聚變，氫元素可以聚變成氦元素，而氦元素又可以進一步發(fā)生核聚變生成更重的元素（圖片來源：科技日報）

氦同位素比值是如何測量的？

同位素是指具有相同數(shù)量質(zhì)子數(shù)而不同數(shù)量中子數(shù)的核素或原子，在元素周期表上占據(jù)同一個位置，同位素比值就是某種元素不同同位素原子的數(shù)量比例，比如說3He/4He比值就是氦元素的3He和4He兩種同位素的原子的數(shù)量比例。同位素比值的測量可以用于確定物質(zhì)或者樣品的年齡、地質(zhì)年代、地球化學過程、生物學過程等。

不過，由于地球系統(tǒng)稀有氣體含量極低，導致對其進行測量分析變得非常困難。測量氦的同位素比值要用到稀有氣體質(zhì)譜儀，這是一種很神奇的儀器，可以測量包括氦、氖、氬、氪和氙等稀有氣體同位素的比例。為了應對這個測量難題，稀有氣體質(zhì)譜儀采用了靜態(tài)真空和高分辨率的技術(shù)，使分析測試變得更加精確和可靠。

測試流程如下：首先，將含有稀有氣體的待測樣品加熱或通過激光照射，促使相關(guān)稀有氣體釋放出來。然后，這些釋放出來的氣體會被送入氣體處理系統(tǒng)進行凈化和分離，以去除雜質(zhì)。接下來，純化后的稀有氣體會被送入質(zhì)譜儀主機中。在主機中，氣體會被電子轟擊產(chǎn)生形成He離子，隨后，電磁場會按不同的質(zhì)量將離子分離，按照一定程序使用不同的檢測器測量具有不同質(zhì)量的離子信號。從而就可以得到稀有氣體各種同位素的比值。

圖3. 用于稀有氣體同位素測量的靜態(tài)真空質(zhì)譜計（中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院地球化學分析測試中心網(wǎng)站）

如何利用氦同位素比值來區(qū)分不同來源的氦？

氦元素有8種同位素，其中只有兩種同位素是穩(wěn)定的，分別是4He和3He。其他的同位素是不穩(wěn)定的，這意味著它們會放射出能量，并且很快就會消失。在地球系統(tǒng)內(nèi)，4He和3He有兩種主要來源。一種是原始的3He，是在宇宙大爆炸時產(chǎn)生的，也在恒星內(nèi)部聚變時產(chǎn)生。它主要存在于地球內(nèi)部，可以通過火山或深海熱液釋放到地表。另一種是放射性成因的4He，是由地殼中放射性元素（例如釷鈾鉀）衰變時釋放出來的粒子形成。這種4He主要存在于地殼，特別是沉積盆地中，可以通過斷裂或地質(zhì)流體釋放到地表。

地球上的氦氣一般都由4He和3He組成。不同來源的氦氣的3He/4He比值存在顯著差異。原始的氦氣，比如來自太陽系物質(zhì)的氦氣，其3He/4He比值通常較高，約為10^-4左右。這是因為在太陽系形成時，氦的同位素比例被固定下來，因此可以用其來判斷太陽系物質(zhì)的起源和演化。放射性成因的氦氣，如地球內(nèi)部產(chǎn)生的氦氣，其3He/4He比值通常較低，約為10^-8到10^-7之間。這是因為地球內(nèi)部產(chǎn)生的氦氣主要是來自放射性衰變的4He，而放射性同位素的衰變會導致氦同位素比例發(fā)生變化。

圖4. 地球內(nèi)部核幔氦交換過程

(a) 地球在形成過程中通過吸收星云大氣中的氦-3并通過巖漿海運輸?shù)皆嫉睾酥?；?(b) 地核到地幔的氦-3運輸以及地幔到海洋的氦-3運輸（圖片來源:Olson＆Sharp，2022）

如何利用氦同位素研究地球內(nèi)部的物質(zhì)演化和循環(huán)？

如何利用氦同位素研究地球內(nèi)部的物質(zhì)組成、演化和循環(huán)？舉例來說，人們可以對不同地區(qū)來自地幔的樣品中進行氦同位素比值的測量，進而研究地幔物質(zhì)的來源和演化歷史。如果一個地區(qū)的氦同位素比值比平均水平高，那么可能表示該地區(qū)測試樣品來自較原始的地幔物質(zhì)；反之，如果比值較低，那么可能表示該樣品所代表的具體地區(qū)經(jīng)歷了較多的物質(zhì)混合和再循環(huán)作用。例如，在夏威夷島上，火山巖石中的氦氣同位素比值竟然高達大氣水平的40 倍甚至更高，表明夏威夷島的火山巖漿可能是來自地球深層、原始或獨特的地幔物質(zhì)，并形成獨特的火山巖（地質(zhì)學者稱其為熱點）。在大西洋的洋中脊上，海底玄武巖中的氦氣同位素比值只有大氣水平的8 倍，可能表示大西洋洋中脊來自一個相對較淺的層位、并伴有混合、或者普通的地幔源頭。

圖5. 自然界中不同來源氦同位素值分布范圍（Yuji Sano, 2018）

圖5 顯示了不同類型的氦同位素（3He和4He）在不同來源（如大氣層、地幔、地殼、海水、地外天體等）中的相對豐度，以及它們之間的混合關(guān)系。圖表中的Ra表示樣品中3He/4He比值與大氣層中3He/4He比值的比值，用來反映樣品中氦同位素的組成和來源。

氦同位素地球化學應用及未來挑戰(zhàn)

雖然氦同位素在地球化學研究中的應用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但仍有很多未知的領域需要我們?nèi)ヌ剿?。例如，我們?nèi)匀徊恢赖厍騼?nèi)部的某些區(qū)域的氦同位素組成和分布情況，以及地球演化對它們的影響。此外，氦同位素也可以用于研究地球外的天體，例如太陽系中的行星和隕石，從而更好地理解宇宙的形成和演化過程。

氦同位素技術(shù)目前廣泛應用于地球科學、宇宙科學和核科學等領域的研究。比如，我們可以測定巖石、地下水或隕石中的稀有氣體同位素比例，推斷它們的形成年代、來源和演化過程。不同來源的氦氣有不同的同位素比值，因為它們在地球內(nèi)部經(jīng)歷了不同的演化過程。通過測量稀有氣體同位素比例，我們可以探究地球內(nèi)部的運動和演化，判斷礦床的成因和分布，甚至預測地震和火山噴發(fā)的可能性。

氦同位素地球化學面臨的未來挑戰(zhàn)可能包括以下幾個方面：①提高氦同位素分析的精度和靈敏度，以滿足對極低豐度樣品的測定需求；②拓展氦同位素在不同介質(zhì)（如巖石、流體、氣體、生物等）中的應用范圍和深度，以揭示更多的地球科學問題；③探索氦同位素與其他稀有氣體同位素（如氖、氬、氪、氙等）之間的耦合關(guān)系，以增強對地球系統(tǒng)復雜過程的理解。

地緣沖突引發(fā)氦氣價格暴漲，“氣體黃金“亟待國產(chǎn)替代

氦氣是一種重要的戰(zhàn)略資源，全球供應非常集中。它廣泛應用于航空航天、半導體產(chǎn)業(yè)、尖端科研等領域，是國防軍工和高科技發(fā)展所必需的戰(zhàn)略性物資。由于國外對氦氣資源的保護與戰(zhàn)略儲備的重視已經(jīng)有很長時間，1960年美國修改了1925年首次頒布的《氦保護條例》，將全美國氦氣的提取、儲存及運輸納入美國內(nèi)政部的統(tǒng)籌管理。2018年，美國總統(tǒng)簽署了一項命令，將氦氣列入至關(guān)重要的35種關(guān)鍵礦產(chǎn)之一。

圖6. 核磁共振技術(shù)需要使用液體氦冷卻磁體，以保持超導狀態(tài)，從而使磁體能夠產(chǎn)生強大的磁場。而這些液體氦必須定期加注，以維持恒定的溫度和壓力，以確保核磁共振儀的正常運行。

中國的氦氣資源比較匱乏，其氦資源僅占全球總量的2%。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）2020年的調(diào)查報告，全球氦氣資源約為520億方，但分布不均。美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯、加拿大和中國是全球前六大氦氣資源國家。中國需要積極探索和開發(fā)氦氣存量優(yōu)質(zhì)氣田，以確保國內(nèi)的氦氣供應。自2022年3月國際沖突爆發(fā)以來，氦氣價格急劇上漲。在2022年6月，俄羅斯發(fā)布了限制惰性氣體出口的政策，引發(fā)了全球?qū)夤氖窡o前例的擔憂。這種擔憂導致中國氦氣價格上漲至420-460元/方，漲幅超過300%，2020 年中國氦氣進口依賴度 97.5%，外資企業(yè)壟斷氦氣進口。

美國的含氦天然氣中氦含量范圍為0.66%至8.2%，而俄羅斯的含氦天然氣中氦含量為0.15%至0.6%。相比之下，中國的氦資源總體含量較低。目前，中國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了8個含氦天然氣盆地，分別位于渭河、四川、塔里木、柴達木、松遼、渤海灣、蘇北和海拉爾等地。其中，塔里木盆地的和田河氣田是中國第一個富含氦氣的特大型氣田，氦含量在0.30%—0.37%之間，但是這個優(yōu)質(zhì)的氣體資源尚未得到充分開發(fā)。

結(jié)束語

我們應該認識到氦氣在現(xiàn)代科技中的廣泛應用價值，以及其稀缺性和戰(zhàn)略價值，應該采取合理措施來保護和節(jié)約氦氣資源的使用。目前我國氦氣資源研究、評價、勘探程度均很低，資源量和儲量情況基本不明，中國的科學家們正在不斷尋找新的氦氣資源，并努力開發(fā)更高效的氦氣富集和利用技術(shù)，以滿足我國對氦氣的不斷增長的需求。

我國是一個貧氦國家，目前大部分氦氣都依賴進口，因此需要加強氦氣資源的立法保護，確立以人為本、可持續(xù)發(fā)展、政府管理與市場化結(jié)合、利用與保護相結(jié)合的原則。推廣和應用節(jié)約和回收利用氦氣的技術(shù)和設備；加強對氦氣資源消費行為的監(jiān)督和管理；提高公眾對氦氣資源保護的意識和參與度。

作為普通大眾，我們也可以在日常生活中做一些小事來保護氦氣資源。比如少買或不買充滿氦氣的氣球，因為這些氣球一旦飄到空中就會將寶貴的氦氣釋放到大氣層中，無法回收利用。下次和孩子一起出去，我們可以嘗試一些更有趣和創(chuàng)意的活動，避免浪費寶貴的氦氣資源。畢竟，氦氣可不是只能用來吹氣球的哦，它還可以讓飛行器升空、讓核磁共振圖掃描更精準、讓射電望遠鏡觀測更清晰。讓我們一起來保護氦氣資源，讓它為科技發(fā)展、醫(yī)學診斷和空間探索發(fā)揮更大的作用吧！

（作者感言：科普文章旨在將專業(yè)的知識用簡明易懂的語言傳達給盡量多的讀者，因此寫作過程中需要在專業(yè)性和易懂性之間取得平衡，這對作者來說是一項很有挑戰(zhàn)性的任務。在文章的撰寫過程中，作者盡可能地核查和使用可靠的資料以確保文章的準確性和可信度。然而，由于知識的廣度和深度，以及人專業(yè)知識的限制，仍然有可能存在遺漏和不足之處。我們歡迎讀者提出任何關(guān)于本文的補充、修改。如果您有任何有關(guān)于本文的資料、觀點或其他方面的問題，請不吝指出，我們將不勝感激。作者簡介：李中平，博士，研究員，博士生導師，中國礦物巖石地球化學學會氣體地球化學專業(yè)委員會秘書長；感興趣的領域為氣體地球化學、同位素地球化學、分析地球化學等；聯(lián)系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn。致謝: 北京師范大學陶明信教授、中國礦物巖石地球化學學會氣體地球化學專業(yè)委員會主任委員鄭國東研究員、中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心李立武研究員通讀了全文，對文章提出了具體的修改建議，在此表示誠摯的感謝。）

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