している この結果と網走沖での調査結果と対比すると, 十勝沖においても特徴的な地形が認められる地点において表層型のガスハイドレートが存在していることが示唆される そこで,214 年 11 月に十勝沖において, 北海道大学水産学部所有の練習船 おしょろ丸 を用いて, マルチビーム測深機と計量魚群探知機

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1 地盤工学会北海道支部技術報告集第 5 5 号平成 27 年 1 月於室蘭市 北海道道東地域周辺海域のガスハイドレート調査と海底堆積土の土質特性 北見工業大学大学院学生会員 小川恵介 北見工業大学工学部学生会員 三輪昌輝 同上 国際会員 山下 聡 同上 国際会員 山崎新太郎 神戸大学大学院 国際会員 片岡沙都紀 北見工業大学工学部南 尚嗣, 八久保晶弘 同上 坂上寛敏, 庄子 仁 1. はじめにガスハイドレートは, 将来のエネルギー資源として注目されており, 資源化をターゲットとして各国で様々なプロジェクトが進行している 我が国においても, 南海トラフにおいて資源化プロジェクト MH21 が生産試験の段階に入っている 北海道道東地域周辺海域では, 我が国が世界に先駆けてガスハイドレートの資源化プロジェクトを立ち上げた当時, オホーツク海網走沖 ( 以下網走沖 ) の北見大和堆 ( 図 -1 参照 ) には明瞭な BSR(Bottom Simulating Reflector: 海底擬似反射面 ) が確認され, ガスハイドレートの存在の可能性が指摘されていた 1) またそれとは別に, 産業技術総合研究所が 21 年に網走沖で実施した GH1 航海で採取した音波探査記録にも顕著な BSR が確認されている 2) さらに,211 年から 213 年にかけて図 -1 に示す範囲で 5 回の調査 ( TK11 3 ),UT12 4), OS249 4), NT13-2 5), OS263 5) ) を実施し,212 年に実施した UT12 調査と 213 年に実施した NT13-2 調査では, 実際に海底表層からガスハイドレートの採取に成功している また, 網走周辺の陸域では古くから石油天然ガスの微候地として知られており,195 年代にそれらについての調査が行われている 6) さらに, オホーツク海沿岸では調査地点西方の北見大和堆で掘られた坑井では厚い新第三系があり, その中に油徴が認められているので, この堆周辺あるいは延長部についての検討が必 要との報告もある 7) 三谷 松下 8) によると, この地図 -1 網走沖での調査海域と天然ガス微候地域は石油 天然ガス鉱床が成立するための諸条件のう ち, 初成条件の上では本州油田 ガス田に匹敵する程の諸要素を持っているが, 次成集積条件およびその後の保存条件が, 極端に悪かったため, 鉱床として期待する程のものが残存できなかったとされている 仮に, 網走沖海底地盤での天然ガスの初成条件が陸域と同様に卓越しているとすれば, 天然ガスがハイドレート化することによって陸域と異なり卓越して集積 保存している可能性が示唆される 一方, 他の北海道周辺海域では, 奥尻島沖, 日高沖, 十勝沖などにおいて BSR の存在が確認されている この中で十勝沖太平洋 ( 以下十勝沖 ) では産業技術総合研究所が図 -2 に示す点線の範囲で,22 年に音波探査 (GH2) を実施している 9) 図-3 は GH2 航海での調査測線と音波断面図の例を示したものである 公開されている音波断面図を調べたところ, 調査側線上の で示した 3 地点において図中で示すような海底面下が白く抜けている箇所 ( ガスチムニー ) や白く抜けた上方の海底面が隆起しているように見える場所 ( マウンド ) が確認された 図中の青丸はガスチムニー, 赤丸はガスチムニーとマウンドが確認されたことを示 Surveys of gas-hydrate and seabottom soil properties, in sea around eastern Hokkaido K.Ogawa, M.Miwa, S.Yamashita, S.Yamasaki, H.Minami, A.Hachikubo, S.Sakagami, H.Shoji (Kitami Institute of Technology), S.Kataoka (Kobe University) 8) 121

2 している この結果と網走沖での調査結果と対比すると, 十勝沖においても特徴的な地形が認められる地点において表層型のガスハイドレートが存在していることが示唆される そこで,214 年 11 月に十勝沖において, 北海道大学水産学部所有の練習船 おしょろ丸 を用いて, マルチビーム測深機と計量魚群探知機による海底地形およびガスフレア観測, コアリングによる海底堆積土の採取を行う調査 (C8) を図 -2 に示す範囲で行った 以下では, 今回行った十勝沖での調査結果を網走沖での調査結果と比較しながら, 北海道道東地域周辺海域のガスハイドレートや海底堆積土の土質特性について報告する 図 -2 十勝沖での調査海域 図 -3 産総研による 22 年調査測線と海底音波断面図 ( 文献 :9 に加筆 ) 2. 現地調査調査には, 北海道大学水産学部所有の練習船 おしょろ丸 を使用した 調査範囲は, 産業技術総合研究所の音波探査断面においてマウンド地形やガスチムニー状地形が比較的集積していた図 -3 に赤枠 (42 21 N,144 E,42 N,144 1 E) で囲まれる範囲 ( 水深 5m~2m) とした この範囲において, マルチビーム測深機と計量魚群探知機による海底地形の調査とガスフレアの観測を図 -4 に示す 33 測線 (1 測線約 13.7km, 測線間隔約 1.2km) で行った ここで, 観測されたガスフレア画像の一例を図 -5,6 に示す コアリングは, マルチビーム測深器と計量魚群探知機よって明瞭なガスフレアが観測された地点 ( 後述図 -7,8 参照 ) で計 4 本行った 使用したコアラーは, 天秤式重力コアラー (GC, 長さ 4,6m) である コアラーは 2 重管式になっており, 内管は塩化ビニル製 ( 内径 mm) である この調査で採取したコアの緯度経度, 122

3 水深, コア長を表 -1 に示す 表 -1 C8 調査で採取した試料コアの一覧 コア名 採取緯度 採取経度 水深コア長 (m) (cm) GC ' ' GC ' ' GC ' ' GC ' ' 1158 GC145 では海底地盤が硬質のため採取長が cm であったが, 写真 -1 に示すように破損したコアキャッチャーに炭酸塩鉱物が採取された 炭酸塩鉱物は, 堆積物中のメタンが微生物の働きで分解される際に生じる炭酸と堆積物間隙水中のカルシウムなどから生成する鉱物であり, この鉱物の存在は海底地盤でのメタン湧出活動が活発なことを示している 図 -4 調査測線 炭酸塩鉱物 図 -5 計量魚探で観測されたガスフレア 写真 -1 破損したコアラー先端部と 採取された炭酸塩鉱物 3. 船上試験と室内試験船上に引き上げたコアは, 内管を 1mごとに切断した後, 縦に半割にして, 堆積土の観察を行った 観察後, 半割にしたコアは 1 または 2cm 間隔で含水比測定のための試料採取,5 または 1cm 間隔で小型コーン貫入試験と小型ベー図 -6 マルチビームで観測されたガスフレアンせん断試験を行った また, すべての船上試験の終了後に 2cm 間隔で試料採取を行い, 持ち帰った試料に対して物理 化学試験を行った 3.1 含水比測定用の試料採取含水比測定用の試料は, 先端をカットしたシリンジ (5ml) を用いて採取した 採取した試料は, バイアル瓶 (2ml) に入れ持ち帰り含水比を測定した 3.2 小型コーン貫入試験コーン貫入試験には, 写真 -2 に示すようなデジタルフォースゲージを改良試作した小型のデジタルコーン貫入試験器を用いた 1) コーンの先端角は 3, コーン直径は 9mm, 貫入深は 16.8mm である コーン貫入抵抗 q c (kn/m 2 写真 -2 コーン貫入試験 ) は次式より求めた 123

4 q c p A ここで,p は貫入抵抗 (kn), A はコーン断面積 (m 2 ) である 3.3 小型ベーンせん断試験 ベーンせん断試験は, 直径 1mm, 高さ 2mm のベーンブレード を小型のトルクドライバーに取り付けて試験を行った 1) 写真 -3 に 示すように, 半割にしたコアの切断面にブレード先端を 3mm 貫入 してトルクドライバーを回転させ, このとき得られた最大トルク値 から次式よりベーンせん断強さ τ v (kn/m 2 ) を求めた 写真 -3 ベーンせん断試験 M v 2 D H D ここで,M は最大トルク (kn m), D はベーン直径 (m), H はベーン高さ (m) である 3.4 採取試料での室内試験採取した試料については, 含水比測定の他に, 土粒子の密度試験, 強熱減量試験, 粒度試験を行った 粒度試験では, レーザー回折式粒子径分布測定装置 ( 島津製作所 SALD23) を用いて, 粘土分, シルト分, 砂分のそれぞれの含有量の割合を算出した さらに, 写真 -4 に示すステンレス製の容器 ( 高さ 32mm, 内径 23mm) を用い, 乾燥密度, 湿潤密度, 間隙比を求めた 写真 -4 密度測定に用いた容器 4. 海底地形調査結果 図 -7,8 は, マルチビーム測深機による測深データをもとに作 成した調査範囲の海底地形図である 図 -8 は図 -7 の海底地形図 を 3D 表示したものである また, 計量魚群探知機とマルチビ ームで観測されたガスフレアの地点と, コアリングを行った地 点も図中にプロットしている 図中ではコアリング地点を, ガスフレアが観測された地点を で示している 図中の緑太線 は断層を示している 11) 調査海域において, 南側の広尾海脚部分 ( 水深約 m) な ど約 2 地点でガスフレアが観測された 観測された他の地点も 海脚部分と同様に, 海底面が盛り上がったようなマウンド地形 や, 断層付近など, 地形に特徴が見られる地点であった ここ で, 網走沖調査の結果と比較すると, 網走沖では約 2 地点の ガスフレアが確認されているため 5), 十勝沖は海底下部からガ スが湧出しにくい環境にあるのではないかと考えられる 図 -9 に網走沖調査 (NT13-2) で得られた音波探査断面図の一例を 示す ここで, 音波速度を 1,5m/s とすると, 網走沖では,BSR 深度が海底面下約 ~15m という比較的浅い地点で出現し た 図 -1 は, 産業技術研究所の調査で得られた音波探査断面 図で, 図 -3 の青太線の測線のものである 十勝沖では, 過去に 実施された坑井速度検層により海底面下深度 71m での往復走 時が.9sec との報告 11) があるので, 音波速度を 1,578m/s として, 図 -7 調査海域の海底地形図 124

5 図 -1 に示す BSR 深度を求めると約 55m となり, 網走沖の 4 倍程度の深度である これは, 十勝沖では地殻熱流量が低いためにガスハイドレートの安定領域の厚さが厚く,BSR 下部からのフリーガスの供給がされにくいため, 海底からガスが湧出しにくい状態になっており, 例えば海脚頂部や断層付近などガスが湧出する要因を持った地形でないと湧出しにくいと考えられる 5. 船上試験 室内試験結果十勝沖調査で得られた試験結果と網走沖調査で得られた試験結果を比較しながら考察をする ここで, 図 -11 に網走沖調査で得られたデータをもとに作成した海底地形図を示す 図中ではコアリング地点を, コア試料中にガスハイドレートが含まれていた地点を, ガスフレアが観測された地点を で示している なおコアリングは図中の No.1 地点で 3 本 ( PC1,2,3),No.2 の地点で 2 本 (PC4,5), No.3 の地点で 3 本 (PC6,7,GC8) 行っている No.1 と No.2 の地点は共にマウンド地形となっているが,No.2 の地点は No.1 の地点と比べて比高は低くなっている No.3 の地点は谷地形となっている 5.1 船上試験結果図 -12,13 に十勝沖調査と網走沖調査での船上試験の結果を示す それぞれ, 採取した試料から求めた含水比と船上試験から求めたコーン貫入抵抗, ベーンせん断強さを海底面からの深度に対してプロットしたものである また, 図 -14,15 は含水比とコーン貫入抵抗の関係を示したものである 含水比は, 網走沖調査では採取地点によってばらつきがあるが, 十勝沖調査ではどの地点においてもばらつきが少なく概ね 5% と低い値で推移している コーン貫入抵抗とベーンせん断強さは, 十 図 -8 図 -7 を 3D 表示したもの 図 -9 網走沖の BSR 5) 図 -1 十勝沖の BSR( 文献 :11 に加筆 ) 125

6 勝沖調査では, 網走沖と比較すると含水比が低いために, 強度が網走沖よりも比較的大きい値を示している 図 -14 に示す十勝沖調査での結果では採取地点が異なっていても同じような傾向の結果が得られた 一方, 図 -15 に示す網走沖調査の試験結果では, マウンド地形 (No.1) で採取された試料と谷地形 (No.3) で採取された試料では, 強度は同程度であるが含水比に差があるなど, 採取地点の違いによって海底堆積土の特性に違いが見られた 図 -11 網走沖の海底地形図 5) w (%) q c (kn/m 2 ) v (kn/m 2 ) w (%) q c (kn/m 2 ) v (kn/m 2 ) C8 :GC141 :GC143 :GC NT13 2 :PC1(GH) :PC2(GH) :PC3 :PC4 :PC5 :PC6(GH) :PC7 :GC 図 -12 十勝沖調査での船上試験結果 図 -13 網走沖調査での船上試験結果 5) 3 3 q c (kn/m 2 ) 2 C8 :GC141 :GC143 :GC144 q c (kn/m 2 ) 2 NT13 2 :PC2(GH) :PC3 :PC4 :PC5 :PC7 :GC8 :No.1 :No.2 :No w (%) 2 3 w (%) 図 -14 十勝沖調査での q c と w の関係 図 -15 網走沖調査での q c と w の関係 5) 5.2 室内試験結果図 -16,18 は, 海底面下深度 cm 付近での粒径加積曲線である 十勝沖では GC141 で最大粒径が約.5mm であるなど表層付近では比較的粒径が粗いことが分かる 網走沖と比較すると,GC144 ではガスハイドレートが採取された地点の PC1,PC2 と似たような傾向を示しているが,GC141 ではそれらよりも粒径が粗い 図 -17,19 は粘土分, シルト分, 砂分の含有量を深度方向に対してプロットしたものである それぞれの 126

7 結果を比較すると, 十勝沖はそれぞれの地点で粘土分が少なく, 砂分が多く含まれていることが分かる 一方, 網走沖では採取地点の違いによってそれぞれの含有量に違いが見られる マウンド地形 (No.1) の地点では砂分が多く, 谷地形 (No.3) の地点では粘土分が多いという結果が得られた しかし, 海底面下深度 25cm 以下では, 粒度分布に採取地点の相違による大きな違いは認められなかった 砂分が多く含まれていた地点ではガスフレアの活動が活発であったことや, これらの地点はいずれもマウンド地形であり, 海底下部からのガスの噴出や再堆積による分級などの地形的な影響, 炭酸塩鉱物の生成による影響などが要因となって砂分が多くなるなどの特徴がみられたと考えられる 5 Clay content (%) Silt content (%) Sand content (%) C8 :GC141 :GC143 :GC144 図 -16 十勝沖の海底面下深度 cm 付近での粒径加積曲線 図 -17 十勝沖調査での粒度試験結果 5 Clay content (%) Silt content (%) Sand content (%) NT13 2 :PC1(GH) :PC2(GH) :PC3 :PC4 :PC5 :PC6(GH) :PC7 :GC8 図 -18 網走沖の海底面下深度 cm 付近での粒径加積曲線 図 -19 網走沖調査での粒度試験結果 () 図 -2,21 は, 土粒子密度, 湿潤密度, 乾燥密度, 間隙比, 飽和度をそれぞれ深度方向に対してプロットしたものである 粒度試験の結果から, それぞれ, 砂分が多い地点では密度が大きく, 粘土分が多くなるに従って値は小さくなっている 間隙比も同様に, 砂分が多い地点では小さく, 粘土分が多い地点では大きい値を示している これは粒度試験の結果より, 堆積土の粒度が十勝沖では網走沖より粗くなっており, それぞれの海域で堆積条件が異なっていることが要因であると考えられる 野田ら 12) は, 広尾沖大陸斜面の堆積速度を 18~5cm/kyr としており, 嶋田ら 13) はオホーツク海南西での堆積速度を約 cm/kyr と指摘している このことから, オホーツク海は十勝沖の平均堆積速度よりも堆積速度が速く, 網走沖では堆積土が比較的緩く堆積し, また粘土分が多いため間隙比が大きくなった 十勝沖では堆積速度が網走沖よりも遅いため, 網走沖に比べて密に堆積し, 砂分が多いため間隙比が小さくなったということが推測される そしてこれらに関連して, 堆積環境の違いから十勝沖と網走沖では船上試験での強度に違いが生じているとも言える 図 -22,23 は強熱減量試験の結果を深度方向に対してプロットしたものである 十勝沖や網走沖での砂分が 127

8 多かった地点では約 5% の値で推移しているが, 網走沖の粘土分の多い地点では約 12% という高い値で推移 している これは堆積土中に含まれている珪藻などが影響をしているのではないかと推測される s (g/cm 3 ) t (g/cm 3 ) d (g/cm 3 ) e s r (%) C8 :GC141 :GC143 :GC144 図 -2 十勝沖調査での試験結果 :ρ s,ρ t,ρ d,e,s r s (g/cm 3 ) t (g/cm 3 ) d (g/cm 3 ) e s r (%) NT13 2 :PC1(GH) :PC2(GH) :PC3 :PC4 :PC5 :PC6(GH) :PC7 :GC8 図 -21 網走沖調査での試験結果 :ρ s,ρ t,ρ d,e,s r 5 L i (%) L i (%) C8 :GC141 :GC143 :GC NT13 2 :PC1(GH) :PC2(GH) :PC3 :PC4 :PC5 :PC6(GH) :PC7 :GC8 図 -22 十勝沖調査での試験結果 :L i 図 -23 網走沖調査での試験結果 :L i 128

9 6. 結論 (1) 十勝沖で調査を行った結果, 海底からガスが湧出するガスフレアを約 2 地点確認し, その付近でコアリングを行った結果, 炭酸塩鉱物が採取された これまでのオホーツク海網走沖での調査結果と比較すると, ガスハイドレートが集積していることを示す指標である, 明瞭なガスフレアが観測されたことや炭酸塩鉱物が海底から採取されたことから, この海域においても表層型のガスハイドレートが存在している可能性が示された (2) 十勝沖は BSR 深度が深いので, 網走沖と比較するとガスの湧出箇所が少なく, マウンド地形や断層付近などガスが湧出する要因を持った地形でないとガスが湧出しにくくなっていると考えられる そのため, 表層型のガスハイドレートの存在は網走沖よりも少ないが,BSR 深度が深いために深層型のガスハイドレートも含めた全体的な賦存量は網走沖よりも多いのではないかと推測される (3) 十勝沖では採取地点によって強度や粒度分布などには大きな違いは認められなかったが, 網走沖では採取地点の地形の違いによって強度特性が異なっており, 粒度試験結果からはマウンド地形では砂分が多く, 谷地形では粘土分が多いなどの違いが見られた 船上試験の結果より, 十勝沖では含水比が低いと強度も大きい値を示しているが, 網走沖では採取地点によって含水比が低い場合でも強度は小さい値を示しているなど特性に違いが見られた また室内試験の結果より, 十勝沖は網走沖より粒度が粗く, 粒度分布が示しているように砂分が多いという結果が得られた これらより, それぞれの海域で堆積条件や堆積環境が異なっており, それが要因となって堆積土の粒度分布, 力学特性や物理 化学特性が異なっていたと言える 謝辞 : 各調査において, 乗船乗組員 研究者各位にご協力をいただいた 記して敬意を表します なお, 本 研究は日本学術振興会科学研究費 ( 基盤研究 (B) ) の助成を受けたものである また, 北見工業大 学の支援も受けている 参考文献 1) 佐藤幹夫 前川竜男 奥田義久 : 天然ガスハイドレートのメタン量と資源量の推定, 地質学雑誌,Vol.12, No.11, pp , ) 野田篤 池原研 片山肇 : 北見大和堆表層堆積図説明書, 海洋地質図, No.68(CD), 産業技術総合研究所地質調査総合センター, 29. 3) 山下聡 松本良 南尚嗣 八久保晶弘 弘松峰男 戸丸仁 奥田義久 庄子仁 高橋信夫 : オホーツク海網走沖でのガスハイドレートを対象とした海洋調査, 日本地球惑星科学連合 212 年大会, 千葉, ) 小川恵介 出羽寛信 山下聡 松本良 坂上寛敏 山崎新太郎 南尚嗣 八久保晶弘 片岡沙都紀 庄子仁 高橋信夫 : オホーツク海網走沖での表層ガスハイドレート調査と海底堆積土の土質特性, 第 48 回地盤工学研究発表会講演集, pp , ) 小川恵介 山下聡 庄子仁 坂上寛敏 山崎新太郎 片岡沙都紀 三浦竜司 南尚嗣 八久保晶弘 高橋信夫 : オホーツク海網走沖での海底地形およびガスハイドレート調査, 第 49 回地盤工学研究発表会講演集, pp , ) 島田忠雄 矢崎清貫 : 網走市附近地質調査報告, 石油技術協会誌, Vol.21, No.6, pp.26-32, ) 猪間明俊 : 北海道における石油開発の歴史 現状および将来 ( 特別講演 ), 第 31 回試錐研究会講演資料集, pp.1-26, ) 三谷勝利 松下勝秀 : 美幌 - 女満別地域天然ガス鉱床について-その 1 豊岡地区石油系天然ガス鉱床 -, 地下資源調査所報告, No.34, pp.1-18, ) 産業技術総合研究所 : 高分解能音波探査断面データベース, 1) 山下聡, 出羽寛信, 八久保晶弘, 南尚嗣, 片岡沙都紀, 川口貴之, 坂上寛敏, 高橋信夫, 庄子仁 : 表層型ガスハイドレート賦存海底 湖底地盤から採取した堆積土の土質特性 - 間隙水溶存ガスの気泡化に伴う堆積土の試料乱れ評価 -, 地盤工学ジャーナル, Vol.7, No.4, pp ,

10 11) 辻野匠 : 釧路沖海底地質図説明書, 海洋地質図, No.73(CD), 産業技術総合研究所地質調査総合センター, ) 野田篤 片山肇 : 釧路沖表層堆積図説明書, 海洋地質図, No.71(CD), 産業技術総合研究所地質調査総合センター, ) 嶋田智恵子 村山雅史 青木かおり 中村俊夫 長谷川四郎 大場忠道 : 珪藻分析に基づく南西オホーツク海の完新世古海洋復元, 第四紀研究, No.39, pp , 2. 13

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