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。
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。
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）
图4.地球内部核幔氦交换过程
如何利用氦同位素研究地球内部的物质演化和循环？
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
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！
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