本文在对西安凹陷基底岩性组成、主要断裂和盆地构造演化特征等研究基础上,通过对地热水伴生天然气组成及其含量分析,重点分析研究了甲烷碳同位素、二氧化碳碳同位素和天然气氦同位素。通过地热井钻井资料分析,查明了富氦天然气赋存的主要层位、含气层厚度、富氦天然气分布以及与断裂构造和盆地基底岩性之间的关系。探讨了富氦天然气成因特征,明确了甲烷天然气和氦气的来源及其源岩特征,为进一步研究和勘探西安地热水伴生富氦天然气提供了重要的基础资料。根据地热水伴生天然气中的成分、含量的分析结果,结合钻井资料分析认为天然气层位为取水层,深度主要在1200m到1800m以下,主要是蓝田灞河组、高陵组、白鹿塬组和红河组;地热水伴生天然气主要分布在铁炉子-户县断裂、长安-咸阳断裂、长安-临潼断裂及渭河南岸断裂区域内,明显受断裂构造和新生代盆地构造演化控制。地热水伴生天然气δ¹³C₁,δ¹³C₂和δ¹³C₃分析结果表明,户县一带甲烷碳同位素均小于-55‰,属生物成因气,是由户县一带富含未成熟有机质张家坡组泥岩形成的;其它地热水伴生的甲烷的碳同位素分布在-27.2‰～-38.7‰之间,属于有机质热解天然气,与渭河断裂之北盆地基底分布的古生界烃源岩有关。氦同位素分析结果表明,西安地区的天然气中的³He/⁴He分布在（4.7±-0.24）×10^-8～（7.80±0.23）×10^-7之间,介于壳源³He/⁴He值和幔源³He/⁴He值之间,分析认为西安地区的天然气中以壳源成因主,有少量幔源氦气混入,其源岩是西安地区渭河盆地基底分布的富铀花岗岩体和西安市周边分布的含铀蓝田花岗岩体和牧护关花岗岩体。