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(xué)家們卻一直在探尋著這些神秘的領(lǐng)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?cè)诘厍蚩茖W(xué)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(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不僅可以用來(lái)揭示地球表層巖石與氣體的來(lái)源，而且還含有有關(guān)地球深部形成歷史和演化過(guò)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(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。因此，氦及其同位素地球化學(xué)示蹤技術(shù)成為地球科學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)獨(dú)特手段。在此，通過(guò)氦同位素地球化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的簡(jiǎn)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(xué)領(lǐng)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(huì)產(chǎn)生不同的光譜顏色，因此可以用光譜顏色來(lái)區(qū)分不同的氣體。（氦（He）：橙黃色；氖（Ne）：橙紅色；氬（Ar）：藍(lán)紫色；氪（Kr）：灰藍(lán)色；氙（Xe）：藍(lán)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(wàn)分之五左右。這是因?yàn)楹ず?“輕”，地球的引力不足以將其吸引留在大氣層中而會(huì)很容易地逸散到太空中。因?yàn)槠浞肿犹p，同時(shí)受熱力的影響。太陽(yáng)風(fēng)是由太陽(yáng)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(chǎng)線逃逸到太空中。氦的惰性使其無(wú)法通過(guò)化學(xué)反應(yīng)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(jiàn)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?xì)浠衔铮绕涫怯袡C(jī)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(guò)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(gè)重要過(guò)程。通過(guò)核聚變，氫元素可以聚變成氦元素，而氦元素又可以進(jìn)一步發(fā)生核聚變生成更重的元素（圖片來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)）
氦同位素比值是如何測(cè)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(gè)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(shuō)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(cè)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(xué)過(guò)程、生物學(xué)過(guò)程等。
不過(guò)，由于地球系統(tǒng)稀有氣體含量極低，導(dǎo)致對(duì)其進(jìn)行測(cè)量分析變得非常困難。測(cè)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(cè)量包括氦、氖、氬、氪和氙等稀有氣體同位素的比例。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)測(cè)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(cè)試變得更加精確和可靠。
測(cè)試流程如下：首先，將含有稀有氣體的待測(cè)樣品加熱或通過(guò)激光照射，促使相關(guān)稀有氣體釋放出來(lái)。然后，這些釋放出來(lái)的氣體會(huì)被送入氣體處理系統(tǒng)進(jìn)行凈化和分離，以去除雜質(zhì)。接下來(lái)，純化后的稀有氣體會(huì)被送入質(zhì)譜儀主機(jī)中。在主機(jī)中，氣體會(huì)被電子轟擊產(chǎn)生形成He離子，隨后，電磁場(chǎng)會(huì)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(cè)器測(cè)量具有不同質(zhì)量的離子信號(hào)。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(cè)量的靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì)（中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院地球化學(xué)分析測(cè)試中心網(wǎng)站）
如何利用氦同位素比值來(lái)區(qū)分不同來(lái)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(huì)放射出能量，并且很快就會(huì)消失。在地球系統(tǒng)內(nèi)，4He和3He有兩種主要來(lái)源。一種是原始的3He，是在宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的，也在恒星內(nèi)部聚變時(shí)產(chǎn)生。它主要存在于地球內(nèi)部，可以通過(guò)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(shí)釋放出來(lái)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(guò)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(lái)源的氦氣的3He/4He比值存在顯著差異。原始的氦氣，比如來(lái)自太陽(yáng)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?yàn)樵谔?yáng)系形成時(shí)，氦的同位素比例被固定下來(lái)，因此可以用其來(lái)判斷太陽(yáng)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?yàn)榈厍騼?nèi)部產(chǎn)生的氦氣主要是來(lái)自放射性衰變的4He，而放射性同位素的衰變會(huì)導(dǎo)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(guò)程
(a) 地球在形成過(guò)程中通過(guò)吸收星云大氣中的氦-3并通過(guò)巖漿海運(yùn)輸?shù)皆嫉睾酥?；?(b) 地核到地幔的氦-3運(yùn)輸以及地幔到海洋的氦-3運(yùn)輸（圖片來(lái)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(lái)說(shuō)，人們可以對(duì)不同地區(qū)來(lái)自地幔的樣品中進(jìn)行氦同位素比值的測(cè)量，進(jìn)而研究地幔物質(zhì)的來(lái)源和演化歷史。如果一個(gè)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(cè)試樣品來(lái)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(dá)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(lái)自地球深層、原始或獨(dú)特的地幔物質(zhì)，并形成獨(dú)特的火山巖（地質(zhì)學(xué)者稱其為熱點(diǎn)）。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(lái)自一個(gè)相對(duì)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(lái)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(lái)源（如大氣層、地幔、地殼、海水、地外天體等）中的相對(duì)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(lái)反映樣品中氦同位素的組成和來(lái)源。
氦同位素地球化學(xué)應(yīng)用及未來(lái)挑戰(zhàn)
雖然氦同位素在地球化學(xué)研究中的應(yīng)用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但仍有很多未知的領(lǐng)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(duì)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(yáng)系中的行星和隕石，從而更好地理解宇宙的形成和演化過(guò)程。
氦同位素技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)、宇宙科學(xué)和核科學(xué)等領(lǐng)域的研究。比如，我們可以測(cè)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(lái)源和演化過(guò)程。不同來(lái)源的氦氣有不同的同位素比值，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘厍騼?nèi)部經(jīng)歷了不同的演化過(guò)程。通過(guò)測(cè)量稀有氣體同位素比例，我們可以探究地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和演化，判斷礦床的成因和分布，甚至預(yù)測(cè)地震和火山噴發(fā)的可能性。
氦同位素地球化學(xué)面臨的未來(lái)挑戰(zhàn)可能包括以下幾個(gè)方面：①提高氦同位素分析的精度和靈敏度，以滿足對(duì)極低豐度樣品的測(cè)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(yīng)用范圍和深度，以揭示更多的地球科學(xué)問(wèn)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(qiáng)對(duì)地球系統(tǒng)復(fù)雜過(guò)程的理解。
地緣沖突引發(fā)氦氣價(jià)格暴漲，“氣體黃金“亟待國(guó)產(chǎn)替代
氦氣是一種重要的戰(zhàn)略資源，全球供應(yīng)非常集中。它廣泛應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、尖端科研等領(lǐng)域，是國(guó)防軍工和高科技發(fā)展所必需的戰(zhàn)略性物資。由于國(guó)外對(duì)氦氣資源的保護(hù)與戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重視已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間，1960年美國(guó)修改了1925年首次頒布的《氦保護(hù)條例》，將全美國(guó)氦氣的提取、儲(chǔ)存及運(yùn)輸納入美國(guó)內(nèi)政部的統(tǒng)籌管理。2018年，美國(guó)總統(tǒng)簽署了一項(xiàng)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(dǎo)狀態(tài)，從而使磁體能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)。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(yùn)行。
中國(guó)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(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）2020年的調(diào)查報(bào)告，全球氦氣資源約為520億方，但分布不均。美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯、加拿大和中國(guó)是全球前六大氦氣資源國(guó)家。中國(guó)需要積極探索和開(kāi)發(fā)氦氣存量?jī)?yōu)質(zhì)氣田，以確保國(guó)內(nèi)的氦氣供應(yīng)。自2022年3月國(guó)際沖突爆發(fā)以來(lái)，氦氣價(jià)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?yīng)的史無(wú)前例的擔(dān)憂。這種擔(dān)憂導(dǎo)致中國(guó)氦氣價(jià)格上漲至420-460元/方，漲幅超過(guò)300%，2020 年中國(guó)氦氣進(jìn)口依賴度 97.5%，外資企業(yè)壟斷氦氣進(jìn)口。
美國(guó)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(guó)的氦資源總體含量較低。目前，中國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了8個(gè)含氦天然氣盆地，分別位于渭河、四川、塔里木、柴達(dá)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(guó)第一個(gè)富含氦氣的特大型氣田，氦含量在0.30%—0.37%之間，但是這個(gè)優(yōu)質(zhì)的氣體資源尚未得到充分開(kāi)發(fā)。
結(jié)束語(yǔ)
我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到氦氣在現(xiàn)代科技中的廣泛應(yīng)用價(jià)值，以及其稀缺性和戰(zhàn)略價(jià)值，應(yīng)該采取合理措施來(lái)保護(hù)和節(jié)約氦氣資源的使用。目前我國(guó)氦氣資源研究、評(píng)價(jià)、勘探程度均很低，資源量和儲(chǔ)量情況基本不明，中國(guó)的科學(xué)家們正在不斷尋找新的氦氣資源，并努力開(kāi)發(fā)更高效的氦氣富集和利用技術(shù)，以滿足我國(guó)對(duì)氦氣的不斷增長(zhǎng)的需求。
我國(guó)是一個(gè)貧氦國(guó)家，目前大部分氦氣都依賴進(jìn)口，因此需要加強(qiáng)氦氣資源的立法保護(hù)，確立以人為本、可持續(xù)發(fā)展、政府管理與市場(chǎng)化結(jié)合、利用與保護(hù)相結(jié)合的原則。推廣和應(yīng)用節(jié)約和回收利用氦氣的技術(shù)和設(shè)備；加強(qiáng)對(duì)氦氣資源消費(fèi)行為的監(jiān)督和管理；提高公眾對(duì)氦氣資源保護(hù)的意識(shí)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(lái)保護(hù)氦氣資源。比如少買或不買充滿氦氣的氣球，因?yàn)檫@些氣球一旦飄到空中就會(huì)將寶貴的氦氣釋放到大氣層中，無(wú)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(dòng)，避免浪費(fèi)寶貴的氦氣資源。畢竟，氦氣可不是只能用來(lái)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(zhǔn)、讓射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)更清晰。讓我們一起來(lái)保護(hù)氦氣資源，讓它為科技發(fā)展、醫(yī)學(xué)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(shí)用簡(jiǎn)明易懂的語(yǔ)言傳達(dá)給盡量多的讀者，因此寫(xiě)作過(guò)程中需要在專業(yè)性和易懂性之間取得平衡，這對(duì)作者來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在文章的撰寫(xiě)過(guò)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(zhǔn)確性和可信度。然而，由于知識(shí)的廣度和深度，以及人專業(yè)知識(shí)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(bǔ)充、修改。如果您有任何有關(guān)于本文的資料、觀點(diǎn)或其他方面的問(wèn)題，請(qǐng)不吝指出，我們將不勝感激。作者簡(jiǎn)介：李中平，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)；感興趣的領(lǐng)域?yàn)闅怏w地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、分析地球化學(xué)等；聯(lián)系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn。致謝: 北京師范大學(xué)陶明信教授、中國(guó)礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任委員鄭國(guó)東研究員、中國(guó)科學(xué)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(duì)文章提出了具體的修改建議，在此表示誠(chéng)摯的感謝。）
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