1. 石油技術協会誌 第62巻 第4号 (平成9年7月)
JOURNAL OF THE JAPANESE ASSOCIATION FOR PETROLEUM TECHNOLOGY
VOL. 62, NO. 4 (July, 1997)
論 文
片 貝 地 域 の グ リー ンタ フ火 山岩 貯 留 層 に認 め られ る
熱 水 変 質 と二 次孔 隙 の 性 質*
山田 泰生**・内田 隆**
(Received July 26, 1996; accepted November 27, 1996)
Characteristics of hydrothermal alteration and secondary porosities
in volcanic rock reservoirs, the Katakai gas field
Yasuo Yamada and Takashi Uchida
Abstract: The Katakai gas field produces gas from the Green Tuff volcanic rock reservoirs
deeper than 4000m. The "Green Tuff" volcanic rocks of Miocene age are submarine felsic volcanic
units and have undergone an extensive hydrothermal alteration which has improved the pore
properties of the volcanic rock reservoirs. The timing of hydrothermal alteration in the volcanic
rock reservoirs is a key issue in the argument on the formation of effective reservoirs. Two
scenarios can be considered: the formation of the reservoirs might have occurred after deep burial
or soon after the submarine volcanism. Based on the results of isotopic, mineralogical and fluid
inclusion studies, the latter scenario seems to be more rational, which can explain the
hydrothermal alteration process.
The alteration zoning of clay minerals and carbonates revealed two upflow zones of
hydrothermal fluids. Basaltic highs in the lower half of the Green Tuff unit correspond to the
presumed upflow zones. The microthermometry data of fluid inclusions show the mixing of high
temperature brines with moderate temperature waters of very low salinity. It is presumed that the
latter waters are of catagenesis origin in contrast to the former of modified sea water origin.
Catagenesis waters are likely to have been expelled from overlying mudstones, which is
conformable with the occurrence of oil inclusions in quartz amygdales.
It is concluded that the hydrothermal activity followed the felsic submarine volcanism and
heated overlying mudstones to commence to generate petroleum in a shorter period of time than
the maturation of organic matter during burial.
Key words : hydrothermal alteration, secondary porosity, Green Tuff, volcanic rock reservoir,
fluid inclusion, oil inclusion, isotope
ま た残 りの約4割 を炭 酸 塩 岩 が 占 め る と言 わ れ るが, 日
1. は じ め に
本 で は火 山岩 類 や深 成 岩 類 (基盤 岩 類) も貯 留 岩 と して
石 油 ・ガ ス 貯留 層 と して は, 世 界 の 絶6割 を砂 岩 が, 石 油 探 鉱 上 重 要 な位 置 を 占 め て い る。
*平 成6年 度 石 油技術 協 会春 季講 演 会 に て一部 講演 This グ リー ン タ フ層 準 の 火 山 岩 類 を貯 留 岩 とす る油 ・ガ ス
paper was presented at the 1994 Technical meeting of 田 の 発 見 は, 新 潟 地 域 に お け る見 附 油 田 の 発 見 (1958
the JAPT held in Nagaoka, Niigata, Japan, June 10,
年) を契 機 と して い る。 そ の 後, 新 潟 地域 に お い て, 我
1994.
**石 油 資 源 開 発 株 式 会 社 技 術 研 究 所 JAPEX Research が 国 で も有 数 の大 きな 埋 蔵 量 と高 い生 産 性 を示 す 吉 井-
Center, Japan Petroleum Exploration Co., Ltd.
東 柏 崎 ガ ス 田, 片 貝-南 長 岡 ガ ス 田, ま た秋 田 地 域 に お
Copyright (C) 1997, JAPT い て も 由 利 原 お よ び鮎 川 油 ・ガ ス田 が相 次 い で 発 見 さ
2. 312 片貝地域の グ リ ンタフ火山岩 貯留層に認 め られる熱水変質 と二次孔隙 の性質
ー
れ, グ リー ン タ フ層 準 の火 山岩 貯 留 岩 を対 象 と した深 部
探 鉱 の 重 要 性 が 認 識 さ れ る に至 った。
片 貝 地 域 で は, グ リー ン タ フ層 準 の火 山岩 類 が主 要 な
炭 化 水 素 貯 留 岩 の1つ と な って い る。 しか し, 一 般 的 に
は火 山 岩 自体 に は初 生 孔 隙 が比 較 的乏 し く, 埋 没 が進 む
につ れ て そ の初 生 孔 隙 も減 少 す る傾 向 が あ る。 一 方, 海
底 火 山 活 動 に よ る噴 出物 で あ るグ リー ンタ フ層 準 の火 山
岩 類 は, 強 い変 質 作 用 に よ って貯 留 岩 性 状 が改 善 さ れ て
い る場 合 が あ る。 した が って, 火 山岩 の貯 留 岩 性 状 を検
討 す る際, 変 質 作 用 の過 程 を理 解 す る こ とは重 要 で あ る。
本 論 文 で は, 片 貝 地 域 の グ リー ン タ フ火 山岩 類 に見 ら
れ る変 質 作 用 お よ び二 次 孔 隙 の特 性 を 明 らか に し, 火 山
岩 貯 留 岩 層 の発 達 過 程 に つ い て考 察 す る。
2. 試 料 お よ び分 析 方 法
片 貝 地 域 の坑 井 か ら得 られ た岩 石 コア試 料 を用 い て薄
片 観 察, カ ソ ー ドル ミネ ッセ ン ス観 察, X線 回 折 分 析,
走 査 型 電 子 顕 微 鏡 (SEM) 観 察 を行 い, 変 質 の 程 度 お
図1 片 貝 ガ ス 田位 置 図
よ び主 要 な変 質 鉱 物 の分 布 を 把握 した。 ま た, 水 銀 ポ ロ
シ メ ー タ を用 い, 試 料 の孔 口 径分 布 お よ び水 銀 孔 隙 率 の ∼14Ma程 度 の フ ィ ッ シ ョ ン トラ ッ ク年 代 を 得 て い る。
測 定 を行 っ た。 さ らに, 脈 お よ び ア ミグデ ー ル か ら採 取 挾 在 す る泥 岩 や グ リー ンタ フ を被 覆 す る泥 岩 の微 化 石 年
した 石 英 お よ び炭 酸 塩 鉱 物 をX線 回折分析 および エネ 代 も ほ ぼ 同 程 度 の 年 代 を 示 唆 す る (例 え ば, 津 田,
ル ギ ー 分 散 型 検 出 器 付 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 (SEM/EDS) 1992)。
に よ り鉱 物 同定 した うえ で, 流 体 包 有 物 マ イ ク ロサ ー モ グ リー ンタ フ火 山岩 類 を被 覆 す る七 谷 層 泥 岩 層 お よ び
メ トリー測 定 に供 し, そ の 一 部 につ い て は炭 素 ・ 素 安
酸 下 部 寺 泊 層 泥 岩 層 は, 深 海 性 ∼ 半 深 海 性 の 泥 岩 で, グ
定 同 位 体 比 測 定 (以下, 安 定 同位 体 は 同位 体 と略 す) を リー ンタ フ層 準 火 山岩 類 に胚 胎 す る炭 化 水 素 の根 源岩 で
行 った。 ま た, コア 試 料 か らイ ラ イ トを分 離 し, K-Ar あ る と考 え ら れ て い る (例 え ば, 片 平, 1974; 関 口ほ
年 代 測 定 を実 施 した。 か, 1984; 加 藤, 1988な ど)。
3. 地 質 概 要 4. 火 山岩 貯 留 岩 の初 生 孔 隙 と二 次 孔 隙
片 貝 ガ ス 田 は, 長 岡 市 の南 西 約10kmに 位 置 す る丘 岩 石 の初 生 孔 隙 は, 埋 没 に よ る温 度 ・ 力 の上 昇, 局
圧
陵 地 に あ り, そ れ に北 接 す る南 長 岡 ガ ス 田 と と もに, い 所 的 な熱 水 活 動 の影 響, 差 応 力 の発 生 な ど に よ って形 態
わ ゆ る新 潟 方 向 と呼 ば れ る ほ ぼNNE-SSW方 向 の背 斜 変 化 や 孔 隙 体 積 の減 少 を起 こす。 一 方 で, 溶 脱 孔 隙 や フ
構 造 に伴 って大 規 模 な油 ガ ス田 を形 成 す る (図1)。 ラ ク チ ャ ー に代 表 さ れ る二 次 孔 隙 が新 た に生 じ る場合 も
七 谷 層 は, 下 位 の グ リー ン タ フ層準 と上 位 の七 谷 層 泥 あ る (内 田, 1992)。 近 年 の深 部 探 鉱 の活 発 化 に よ って,
岩 層 に二 分 さ れ る。 グ リー ン タ フ層準 火 山岩 類 は, 日本 片 貝 地 域 や 由利 原 地 域 に代 表 さ れ る グ リー ン タ フ層準 の
海 の リフ ト 成 に 関連 して 中 新 世 に活 動 した海 底 火 山活
形 火 山 岩 貯 留 岩 (片平, 1974; 島津, 1982な ど) は二次 孔
動 に よ る火 山 噴 出物 で あ り, 流 紋 岩 質 ∼ デ イ サ イ ト質 の 隙 が 卓 越 す る優 良 な油 ガ ス貯 留 層 とな って い る こ とが わ
溶 岩 お よ び火 砕 岩 を主 体 と し, 片 貝地 域 に お い て は下 部 か っ て き た。
に玄 武岩 ∼安 山岩 類 の 発 達 を 伴 う。 片 貝 ガ ス 田 で は, グ グ リー ン タ フ 層 準 の 火 山 岩 貯 留 岩 に お け る フ ラ ク
リー ン タ フ層 準 の 火 山岩 類 は深 度 約4,000m以 深 に発 チ ャー の大 きさ と発 生 密 度 を調 べ るた め に, 片 貝 地 域 の
達 し, 物 理 検 層 カ ー ブの 特 徴 を も と に溶岩 と凝 灰 岩 に分 流 紋 岩 類 と玄 武 岩 類 に つ い て コア の 肉 眼 お よび 薄 片 観 察
け られ, さ らに溶 岩 の 多 寡 に よ りG0∼Gvの6層 に 区分 を行 い, フ ラ クチ ャー 頻 度 につ い て 検 討 した。 そ の結
さ れ る (猪 間 ・ 堀, 1982; 星 ほか, 1992)。
赤 果, 流 紋 岩 類 に お いて は, 肉 眼 オ ー ダー の マ ク ロ フ ラ ク
片 貝地 域 の よ うな 酸 性 火 山 岩 類 を 除 く グ リー ン タ フ火 チ ャー が発 達 す るだ け で は な く, 顕微 鏡 オ ー ダ ー の マイ
山 岩 類 で の 年 代 測 定 デ ー タ と して, 加 藤 (1994) は23 ク ロ フ ラ クチ ャー が さ らに卓 越 す る こ とが わ か っ た。 玄
石 油 技術 協 会 誌 62巻4号 (1997)
3. 山田 泰 生 ・内 田 隆 313
武 岩 類 で は フ ラ クチ ャ ー の発 生 は わず か で あ った。 す る。 こ の よ う な薄 片 観 察 結 果 は, これ らの相 関 図 を用
片 貝 地 域 の流 紋 岩 類/玄 武 岩 の 初 生 孔 隙 と二 次 孔 隙 の い た 判 別 結 果 と よ く一 致 す る。
性 質 を把 握 す るため に, 由利 原 地 域 の玄 武 岩 と と もに孔 片 貝 地 域 の 流 紋 岩 類/玄 武 岩 類 は, 貯 留 岩 性 状 (孔径
径 分 布 測 定 デ ー タを 種 々 の相 関 図 に プ ロ ッ トした。 そ の 分 布 デ ー タ お よ び 薄 片 観 察 に よ る) や 検 層 レ ス ポ ン ス
結 果, 片 貝 地 域 の 流 紋 岩 と玄 武 岩 は も とよ り片 貝 の玄 武 (特 に, γ線, 中 性 子, 密 度, ⊿T) に よ って, 4種 類 の
岩 と由 利 原 の 玄 武 岩 で はそ れ らの 分 布 域 が全 く異 な り, 岩相 (流紋 岩I, 流 紋 岩II, 破 砕 流 紋 岩, 玄 武 岩) に大
孔 隙 タイ プ や岩 相 に応 じて 明 瞭 な差 が認 め られ た。 ま た き く分 類 され る (図4)。 流 紋 岩Iは, 流 紋 岩IIよ り も
これ ら の 相 関 図 か ら, (1)初生 孔 隙 卓 越 型, (2)フ ラ ク や や 低 温 な 熱 水 変 質 を 受 け, 貯 留 岩 性 状 が 最 も良 い。 流
チ ャー卓 越 型, (3)溶脱 孔 隙 な ど の イ ンク瓶 孔 隙 卓 越 型 貯 紋 岩IIは, 流 紋 岩Iよ り も高 温 な 熱 水 変 質 を 受 け, 貯 留
留 岩 の3タ イ プ の 識 別 が 可 能 で あ る (図2, 図3)。 さ 岩 性 状 は玄 武 岩 類 よ り はか な り良 い も の の, 流 紋 岩Iよ
らに, フ ラ ク チ ャ ー 卓 越 型 貯 留 岩 で は, マ ク ロ フ ラ ク りは若 干 悪 い。 一 方, 自破 砕 溶 岩 や 凝 灰 角 礫 岩 な どを 含
チ ャー卓 越 型 とマ イ ク ロ フ ラ ク チ ャー卓 越 型 を判 定 す る む破 砕 流 紋 岩 類 お よび 玄 武 岩 類 の 貯 留 岩 性 状 はか な り悪
際 に, 空 気 浸 透 率-計 算 浸 透 率 値 の相 関 図 (図3) が有 く, 片 貝 構 造 にお いて は貯留 層 の シ ール と して 働 いて い
効 で あ る こ とが わ か っ た。 片 貝 地 域 で ガ ス貯 留 岩 を形 成 る もの と考 え られ る。 片 貝 ガ ス田 にお け る解 釈 され た岩
す る流 紋 岩 類 の二 次 孔 隙 は, フ ラ ク チ ャー を主 体 と して 相 お よ び 検 層 レス ポ ン ス を 柱 状 対 比 した 結 果 (図5),
溶 脱 孔 隙 を伴 う。 ま た, 初 生 孔 隙 と して若 干 の気 孔 を有 GIVの 玄 武 岩 を は じあ, GIIIか らG0ま で の流 紋 岩 類 の 分
図2 孔 隙 分 布 測 定 デ ー タ の各 種 プ ロ ッ ト: 計 算 浸 透 率 は内 田 (1987) に よ る。 片 貝 地 域 の玄 武 岩
類 と由 利 原 地 域 の 玄 武 岩 類 の 分布 地 域 が全 く異 な る。
J. JAPANESE ASSOC. PETROL. TECHNOL. Vol. 62, No. 4 (1997)
4. 314 片貝地域の グ リ ンタフ火山岩貯留層 に認 め られる熱水変質 と二次孔隙の性質
ー
布 が 把 握 で き る。
5. グ リー ン タ フ 層 準 火 山 岩 類 に お け る 変 質 作 用
片 貝 ガ ス田 に発 達 す る グ リー ン タ フ層 準 の 火 山 岩 貯 留
岩 の形 成 時 期 につ いて は, そ の 変 質 作 用 の 時 期 と関 連 し
て 大 き く2つ の 意 見 が あ る。 加 藤 (1988) は, 現 在 の 火
山 岩 貯 留 層 の 深 度 と流 体 包 有 物 の 均 質 化 温 度 の 関 係 か
ら, 主 要 孔 隙 で あ る溶 脱 孔 隙 は西 山 期 に形 成 され た もの
と考 え た。一 方, 島津 (1982, 1990) は, 方 鉛鉱 を伴 う
二 次 孔 隙 の 存 在 も考 え あ わ せ, グ リー ン タ フ海 底 火 山活
図3 孔 隙 分 布 測 定 デ ー タ の各 種 プ ロ ッ トの ま と
め: 続 成/熱 水 変 質 作 用 を 受 け た 際 に貯 留
岩 性 状 が 改 善 され る場 合 と阻 害 さ れ る場 合 図4 片 貝 地 域 の グ リー ン タ フ層 準 にお い て認 識 さ
の変 化 傾 向 を 矢 印 で 示 した 。 れ た岩 相 タイ プ の検 層 レス ポ ンス
図5 片 貝 ガ ス 田 に お け る岩 相/検 層 柱 状 対 比 図
石油技術協会誌 62巻4号 (1997)
5. 山田 泰 生 ・内 田 隆 315
動 直 後 の後 火 山 活 動 に よ る変 質 作 用 で 二 次 孔 隙 が形 成 さ and O'Neil (1982) は, マ ン トル起 源 の端 成 分-25‰
れ, 貯 留 岩 性 状 が 改 善 さ れ た可 能 性 を指 摘 して い る。 本 (PDB) と海 水 起 源 の端 成 分+10‰(PDB) の間 に広 が る
論 文 で は, 島 津 (1982, 1990) が 示 唆 し た よ う に, グ 酸 素 同位 体 比 を報 告 して い る。 一方, 続 成 過 程 で 形 成 さ
リー ン タ フ火 山 活 動 直 後 に火 山岩 類 が高 温 の熱 水 変 質 作 れ た炭 酸 塩 鉱 物 は, -5∼+5‰(PDB)程 度 の 酸 素 同位
用 を受 け貯 留 岩 性 状 が改 善 さ れ た こと を諸 デ ー タ か ら示 体 比 を示 す こと が多 い。
し, そ の発 達 過 程 に つ い て考 察 す る。 片 貝 地 域 グ リー ン タ フ層 準 の 炭 酸 塩 鉱 物 は, -3∼-9
片 貝 地 域 に 発 達 す る グ リー ン タ フ層 準 の火 山 岩 類 は, ‰(PDB)の 炭 素 同 位 体 比 と-15‰(PDB) よ り軽 い酸
一 般 に緑 色 変 質 を強 く受 け て い る。 そ の主 要 な変 質 鉱 物 素 同位 体 比 で 特 徴 づ け られ る (図6)。 この 同位 体 組 成
は, 石 英, ア ル バ イ ト, イ ライ ト, 緑 泥 石, 炭 酸 塩 鉱 物 範 囲 は, 熱 水 変 質 に よ り これ ら炭 酸 塩 鉱 物 が形 成 され た
で, 沸 石 を ほ と ん ど産 しな い こ とが大 き な特 徴 に な って こ と を示 唆 して い る。 この よ うな 炭 素 ・ 素 同 位 体 組 成
酸
い る。 沸 石 を ほ とん ど産 せ ず炭 酸 塩 鉱 物 が卓 越 す る こ と 範 囲 は, 海 洋 底 の 熱 水 作 用 で 形 成 さ れ た 炭 酸 塩 鉱 物
は, この 変 質 作 用 が 高 いCO2分 圧 下 で 作 用 した こ とを (Stakes and O'Neil, 1982) と比 較 す る と, マ ン トル起
示 唆 して い る。 源 の炭 素 ・ 素 同位 体 比 に近 く, 高 温 で 低 い水/岩 石 比
酸
5.1 変 質 作 用 の温 度 を示 唆 す る。
片貝 地 域 の グ リー ン タ フ火 山岩 類 に産 す る緑 泥 石 の う 炭 酸 塩鉱 物 の酸 素 同位 体 比 は, 鉱 物 種, 水 の酸 素 同 位
ち, 脈 お よ び ア ミグ デ ー ル の緑 泥 石 につ い て, Catheli 体 比, 生 成 温 度 の3つ の要 素 に よ って 決 定 され る (松
neauand Nieva (1985) の緑 泥 石 地 質 温 度 計 を 適 用 し 本 ・松 久, 1983)。 そ こで, 水 と炭 酸 塩 鉱 物 が酸 素 同 位
た 。 そ の 結 果, グ リー ン タ フ層 準 の比 較 的 浅 部 で約220 体 平 衡 に あ っ た と して, 炭 酸 塩 鉱 物 の形 成 に関 与 した 水
∼290℃ , 比 較 的深 部 で約300∼330℃ とい う高 温 が 得 ら の酸 素 同 位 体 比 (δ18OH2O) を 見 積 っ た と こ ろ, 約0∼
れ た。 これ は, 現 在 の約160∼180℃ と い う同 層 準 の 地 +5‰(SMOW)の 値 を持つ こ とが わ か っ た。 ま た, ア
層 温度 よ り も高 温 を示 して お り, 約300℃ に も及 ぶ 高 温 ンケ ライ トで は約0‰(SMOW)の 値 が得 られ た。 炭 酸
の 熱 水 変 質 作 用 を受 け た こ とが示 唆 さ れ る。 塩 鉱 物 の鉱 物 種 (化学 組 成) はSEM/EDSに よ って 分
片 貝 地 域 の グ リー ン タ フ層 準 火 山岩 類 に産 す る石英 に 析 し, 生 成 温 度 に は流 体 包 有 物 の 均 質 化 温 度 の平 均 値 を
つい て, 水 相 の流 体 包 有 物 で 約100∼330℃, 炭化水 素 用 い た。 な お, 水 と炭 酸 塩 鉱 物 の 酸 素 同 位 体 分 配 につ い
包 有 物 で 約140∼170℃ の均 質 化 温 度 が 測 定 され た。 ま て は, 方 解 石 で は Epstein et al. (1953) の 式 を 用 い,
た, 炭 酸 塩 鉱 物 (方解 石 とア ンケ ライ ト) で は, 約100 ア ンケ ライ トで は ドロマ イ トに 関 す る Fritz and Smith
∼250℃ の均 質 化 温 度 が得 られ た。 炭 酸 塩 鉱 物 は ほ とん (1970) の式 を採 用 した。
どが 脈 状 に 産 す る も の で あ り (一部 ア ミグ デ ー ル), 脈 グ リー ンタ フ火 山岩 類 の地 質 を 考 え る と, この よ うな
の 切 断 関 係 か ら熱 水 変 質 作 用 の比 較 的後 期 に形 成 さ れ た
と考 え られ る。 バ ラ イ トの均 質 化 温度 で は, 1か 所 で は
あ るが160∼200℃ の 温度 が 得 られ た。
5.2 炭 酸 塩 鉱 物 の炭 素 ・ 素 同位 体 組 成
酸
片 貝 地 域 の グ リー ン タ フ層 準 火 山岩 類 に お い て卓 越 す
る炭 酸 塩 鉱 物 の炭 素 ・酸素 同 位体 組 成 は, そ の起 源 に 関
して 重 要 な 情 報 を与 え る。
熱 水 性 鉱 床 に お け る炭 酸 塩 鉱 物 の 炭 素 同 位 体 比 は 約
0∼-10‰(PDB) と い う範 囲 を 示 す (Ohmoto and
Rye, 1979)。 この値 は, カ ー ボ ナ タイ トや キ ンバ ー ラ イ
トの分 析 か ら得 られ た 深 部 起 源 の 炭 素 同 位 体 比-5∼
-
8‰(PDB) の値 に 近 い。 一 方, 続 成 過 程 で形 成 さ れ る
炭 酸 塩 鉱 物 の炭 素 同 位 体 比 は, +20∼+10‰ か ら-20
∼-30‰ 以 下 と一 般 に か な り広 い範 囲 の 値 を 示 す (例
え ば, Longstaffe, 1989)。
熱 水 性 鉱 床 に お け る炭 酸塩 鉱 物 の酸 素 同位 体 比 は, 熱
水 流 体 の 起 源 な どに左 右 され, 広 い組 成 範 囲 を示 す 。 海 図6 炭 酸塩 鉱 物 の 炭 素 ・ 素 同 位 体 比 プ ロ ッ ト: 由
酸
底 熱 水 活 動 で 形 成 さ れ た 炭 酸 塩 鉱 物 に つ い て, Stakes 利 原 地 域 の デ ー タ は八 木 ・ 田 (1993) に よ る
内
J. JAPANESE ASSOC. PETROL. TECHNOL. Vol. 62, No. 4 (1997)
6. 316 片貝地域 のグ リー ンタフ火 山岩貯留 層 に認め られ る熱水変質 と二次孔隙 の性質
図7 グ リー ン タ フ層 準 に お け る粘 土 鉱 物 分 帯 (上 図) とア ンケ ラ イ ト中 の 最 大Mg量 コンター
(下 図): Mgの 零 の コ ン ター は, そ れ以 深 に ア ンケ ライ トの産 出が ほ とん ど な い こ とを 示 す 。
酸 素 同 位 体 比 を 持つ 熱 水 は, 海 底 熱 水 活 動 に よ る海 水/ に対 して重 要 な 手掛 か りを 与 え る。
岩 石 相 互 作 用 を通 じて変 質 した高 温 変 質 海 水 を示 唆 す る 片 貝 地 域, グ リー ンタ フ層 準 の コア試 料 か ら, 1か 所
もの と考 え られ る。 で は あ るが, 石 英 中 に炭 化 水 素 を含 む流 体 包 有 物 を確 認
5.3 変 質 鉱 物 の分 布 した。 炭 化 水 素 包有 物 の 存 在 は, そ の鉱 物 形 成 の際 に ま
変 質 鉱 物 の 分 布 と して, 粘 土 鉱 物 の変 質 分 帯 と と もに ぎ れ もな く石 油 が存 在 して い た こ と を意 味 し, 石 油 の生
ア ンケ ラ イ ト中 のMg量 に関 して 検 討 した 。 成 ・ 動 ・ 積 を考 え る うえ で そ の意 義 は大 きい。 炭 化
移 集
主 要 な粘 土 鉱 物 の分 布 につ い て は, (a)イライ ト, (b)イ 水 素 包 有 物 が 産 出 した の は, G0層 の 流 紋 岩 溶 岩 中 の バ
ラ イ ト+緑 泥 石, (c)緑泥 石 (± イ ラ イ ト/ス メ ク タ イ ト グ を埋 め る石 英 か らで あ る。 こ の炭 化 水 素 包 有 物 は結 晶
混 合 層 鉱 物) の3帯 (い ず れ も石 英 お よ び ア ル バ イ トと 中 の分 布 か ら初 成 ∼擬 二 次 流 体 包 有 物 と判 断 さ れ, 炭 化
共 存) に分 帯 で き た (図7)。 イライ ト が上部 にあ る
帯 水 素 液 相 と気 泡 の二 相 よ り構 成 さ れ る。 紫 外 線 に よ る蛍
高 ま りが2か 所 に見 られ, 周 辺 に 向 か って イ ライ ト+緑 光 反 応 で は, 炭 化水 素 包 有 物 は明 青 色 を示 した。 包 有 物
泥 石 帯, 緑 泥 石 帯 が分 布 して い る。 の 蛍 光 反 応 色 と石 油 の 熟 成 度 の相 関 関 係 (McLimans,
また, 片 貝 地 域 の グ リー ン タ フ層 準 に は, 炭 酸 塩 鉱 物 1987) か ら, この 明 青 色 の 蛍 光 反 応 色 は比 較 的熟 成 度 の
(方解 石, マ グ ネ シ ウ ム質 シデ ラ イ ト, ア ン ケ ラ イ ト) 高 い石 油 組 成 を 示 して い る も の と考 え られ る。
が 特 徴 的 に認 め られ る。 この うち, ア ンケ ライ トで はそ 一 方 , 石 英 に含 まれ る水 相 流 体 包 有 物 は, 均 質 化 温 度
のMgの 最 大 含 有 量 に 系統 的 変 化 が 認 め ら れ た 。 ア ン 一 氷 の最 終 融 解 温度 プ ロ ッ トに お い て1つ の トレ ン ドを
ケ ラ イ ト中 のMg最 大 量 は, 深 部 ほ ど低 くな る傾 向 が 示 す こ とが 多 い (図8)。 流 体 包 有 物 の 内 部 流 体 が高 ガ
あ り, そ の コ ンタ ー の形 態 に は大 き く2つ の高 ま りが 認 ス濃 度 で あ る と は考 え られ な い こ と, また 上記 トレ ン ド
あ られ た (図7)。 の温 度 範 囲 が 広 い こ とか ら, この トレ ン ドは気相 分離 に
5.4 流体包有物 よ り形 成 さ れ た の で は な く, 2種 類 の 水 の混 合 に よ り形
流 体 包 有 物 は, 熱 水 変 質 に実 際 に 関与 した流 体 の解 明 成 さ れ た も の と考 え られ る。 この混 合 トレ ン ドの1つ の
石油技術協会誌 62巻4号 (1997)
7. 山田 泰 生 ・内 田 隆 317
図8 流 体 包 有 物 の 均 質 化 温 度 と氷 の 最 終 融 解 温 度 の プ ロ ッ ト (代 表例): Thは 均 質 化 温 度, Tm
は氷 の 最 終 融 解 温 度 。 石 英 で は 混 合 ト レ ン ドが 見 られ る (網か け の部 分)。Tmの 塩分 濃度
へ の換 算 に は Bodnar (1993) の 式 を用 い た 。
端 成 分 で あ る高 温 高 塩 濃 度 の水 (約160∼240℃, 塩濃 得 られ た約23∼14Ma (加 藤, 1994) よ り若 干 若 く, グ
度 は数wt.%) は熱 水 流 体 で あ り, 高 塩 濃 度 で あ る こ リー ンタ フ火 山 活 動 の後 に 熱 水 変 質 作 用 が起 こ っ た こ と
と, 炭 酸 塩 鉱 物 の 同 位 体 組 成 や 変 質 鉱 物 の 分 布 を 説 明 で を 示 唆 して い る もの と考 え られ る。 火 山活 動 か ら少 し時
き る こ と か ら, 高 温 変 質 海 水 起 源 で あ る と考 え られ る。 間 間 隙 をお い て熱 水 活動 が 開 始 す る こと は, 多 くの 熱 水
も う一 方 の 端 成 分 で あ る 中温 低 塩 濃 度 の水 は, 約70∼ 鉱 床 で 報 告 さ れて い る。 ま た, 加 藤 (1994) は見 附 周 辺
150℃ で 塩 濃 度 は零 に近 い。 海 底 熱 水 活 動 の場 で は, こ の 坑 井 試 料 で 約12Maの 変 質 年 代 を 推 定 して お り, 今
の低 塩 濃 度 水 の 候 補 と して は カ タ ジ ェ ネ シ ス起 源 の水 が 回 の測 定 値 と一 致 す る。
考 え られ る。 約5∼8Maの 比 較 的 若 い年 代 は, 寺 泊 期 後 期 か ら椎
石英 中 の 流 体 包 有 物 の多 くは, 上 記 した 混 合 ト レ ン ド 谷 期 を示 して お り, 後 の 変 質 作 用 に よ って リセ ッ トされ
の全 体 な い し一 部 を 示 す が, 300℃ 以 上 の均 質 化 温 度 を た も の と推 定 され る。
示 す石 英 の 試 料 で は, この混 合 ト レン ドか ら はず れ る。高
6. 考 察
い均 質 化 温 度 は活 発 な熱 水 活 動 を示 唆 して お り, 低 温 成
分 の影 響 が 現 わ れ に く くな って い る もの と推 定 さ れ る。 6.1 片 貝 地 域 にお け る グ リー ンタ フ層 準 火 山岩 類 の
炭 酸 塩 鉱 物 で は, 均 質 化 温 度 が200℃ 弱 程 度 で 氷 の融 変質史
解 温 度 が-2.0℃ 前 後 に ほ ぼ集 中 して い る よ う に見 え る 片 貝 地 域 の グ リー ン タ フ層 準 火 山岩 類 に見 られ る変 質
(図8)。 測 定 に供 した炭 酸 塩 鉱 物 脈 は熱 水 変 質 作 用 の比 鉱 物 の分 布 の特 徴 は, グ リー ン タ フ海 底 火 山 活 動 に引 き
較 的後 期 に活 動 した もの と考 え られ るの で, 熱 水 活 動 に 続 いて 海 底 熱 水 活 動 が起 こ っ た と考 え るモ デル に よ って
伴 う混 合 現 象 が 顕 著 で は な くな っ たか, 熱 水 活 動 の衰 退 調 和 的 に説 明 で き る。海 底 熱 水 活 動 に お け る高 温 変 質 海
に伴 い カ タ ジ ェ ネ シ ス水 の影 響 も な くな った 可 能 性 が あ 水 の関 与 は, 上 述 した よ う に炭 酸 塩 鉱 物 の同 位 体 組 成 や
る。 流 体 包 有 物 デ ー タか ら も支 持 さ れ る。
バ ラ イ トで は, 氷 の 融 解 温 度 は-3.1∼-2.1℃ と低 海 底 熱 水 活 動 にお け る高 温 変 質 海 水 は, 一 般 に弱 酸 性
く, 高 塩 濃 度 熱 水 の影 響 が よ り強 い こ とを 示 して い る。 を示 す 。 こ の よ うな 弱酸 性 熱 水 は, 熱 水 上 昇 域 の 中 心 部
5.5 変 質 作 用 の 時期 か ら周 辺 部 に向 か って 対 流 す るにつ れ, 岩 石 との 反 応 に
熱 水 変 質 作 用 の タ イ ミ ング を検 討 す る た め, 流 紋 岩4 よ るpHの 上 昇 と温 度 低 下 を 伴 う。 熱 水 の この よ う な条
試 料 につ い て 変 質 鉱 物 で あ る イ ライ トのK-Ar年 代測 件 変 化 は, 相 図 (図9) 上 で は, 右上 へ 向か う矢 印 で 示
定 を 行 った (電磁 お よ び水 簸 分 離 した もの)。 そ の結 果, され る。 ま た, 相 図 中 の 相 境界 は温 度 低 下 と と も に若 干
約12Ma (11.72±0.29∼11.93±0.27Ma) お よ び約5∼ 右 上 ヘ シ フ トして い く。 こ の よ うな変 化 に伴 い, 熱 水 の
8Ma(5.10±0.12∼7.67±0.22Ma) の年 代 が 得 られ た 。 組 成 はK雲 母-ア ルバ イ トの 相 境 界 か ら, K雲 母-緑
約12Maの 年 代 は, 新 潟 地 域 の グ リー ン タ フ層 準 で 泥 石-ア ル バ イ トの相 境 界 へ, さ らに緑 泥 石-ア ル バ イ
J. JAPANESE ASSOC. PETROL. TECHNOL. Vol. 62, No. 4 (1997)
8. 318 片貝地域 のグ リー ンタフ火山岩貯留層 に認 め られる熱水変質 と二次孔 隙の性 質
トの相 境 界 へ移 動 す る と考 え られ る (図9; A→B→C)。 帯, その 周 辺 部 に イ ラ イ ト-緑 泥 石 帯, さ ら に縁 辺 部 に
こ の よ うに 考 え る と, 熱 水 上 昇 域 の 中心 部 に イ ラ イ ト 緑 泥 石 帯 が 分 布 す る こ と に な り, 実 際 の 粘 土 鉱物 の分 帯
を こ の モ デ ルで 説 明 で き る。 イ ライ ト帯 が2か 所 あ る こ
とか ら, 熱 水 上 昇 域 は2か 所 に推 定 さ れ る。 この熱 水 上
昇 域 はGIV層 の玄 武 岩 類 の発 達 す る箇 所 と一 致 す る。 こ
の玄 武 岩 類 を噴 出 させ た フ ィー ダー 部 分 が 熱 水 の通 路 と
して の役 目 を果 た して い た可 能 性 が示 唆 され る。
この こ とか ら以 下 の よ う な変 質 史 が編 め る。
七 谷 期 に始 ま った グ リ ー ン タ フ海 底 火 山活 動 は約14
∼13Maま で 続 い た が, 海 底 火 山 活 動 の 衰 退 と と も に,
グ リー ン タ フ火 山 岩 類 は半 深 海 性 の 七 谷 層 泥 岩 層/下 部
寺 泊 層 泥 岩 層 に被 覆 さ れ始 め た (図10; Stage 1)。 そ の
後, 12Maこ ろ に火 山 岩 類 を噴 出 した フ ィー ダー部 分 を
主 要 な上 昇 通 路 と して熱 水 活 動 が 開 始 した (図10;
Stage 2(A))。海 水/岩 石 相 互 作 用 を通 じて 形 成 さ れ た変
質 海 水 を 起 源 とす る弱 酸 性 の高 温 熱 水 の 活 動 は, 粘 土 鉱
物 の変 質 分 帯 を形 成 した (図10; Stage 2(B))。
こ の熱 水 活 動 は周 辺 の地 温 勾 配 を 高 め, グ リー ン タ フ
を被 覆 して い た上 位 お よ び側 方 の泥 岩 層 を 加 熱 した。 こ
の 加 熱 を 受 けて 泥 岩 層 は カ タ ジ ェネ シ ス段 階 に入 り, 含
水 鉱 物 な どの脱 水 に よ る水 相 を 排 出 した (図10; Stage
2(A))。 こ の よ う な 熱 水 活 動 と カ タ ジ ェ ネ シ ス起 源 の水
の 発 達 は, 上 述 した流 体 包 有 物 中 の両 者 の 混 合 トレ ン ド
に よ って 支 持 され る。 こ の混 合 トレ ン ドの 端 成分 で あ る
図9 グ リー ン タ フ層 準 に見 られ る粘 土 鉱 物 分 布 の 70∼150℃ とい う温 度 は, カ タ ジ ェ ネ シ ス の温 度 と して
形 成 モ デ ル: 相 図 (上 図) は浦 辺 (1982) に は妥 当 で あ る。 ま た, 上 述 した 炭 化 水 素 包 有 物 の 産 出
基 づ き作 成 。 は, この カ タ ジ ェ ネ シ ス段 階 に入 った とい う推 定 を支 持
図10 片 貝地 域 グ リー ン タ フ層 準 火 山岩 類 に見 られ る熱 水 変 質 作 用 の概 念 モ デ ル
石油技術協会誌 62巻4号 (1997)
9. 山田 泰 生 ・内 田 隆 319
す る。 影 響 して い る こ とを示 す。 一 方, 熱 水 活 動 の 観点 か らみ
熱 水 活 動 の 弱 い 場 あ る い は衰 退 した場 で は, Mgに 富 る と, この上 部 層 は熱 水 活 動 の 卓 越 部 と海 水 側 の低 温 部
む 海 水 成 分 が 浸 入 し, ア ンケ ラ イ ト中 のMg最 大含有 との境 界 に 当 た る。 こ の よ うな 境 界 部 で は, 高 温熱 水 と
量 コ ンタ ー の分 布 形 態 を形 成 した もの と考 え られ る。 低 温 の 海 水 の間 で流 体 の混 合 や 高 い 温 度 勾 配 が 実 現 し,
ア ン ケ ライ ト中 の 最 大Mg量 に 深 度 変 化 が 見 られ た 変 質 鉱 物 に よ る シ ー リ ン グ (目 詰 ま り) が 起 こ りや す
の は ア ンケ ラ イ トのMgが 海 水 に 由来 す る ため で あ る い。 した が って, この よ うな 箇 所 で は, 熱 水変 質 は貯 留
と考 え られ る。 ア ンケ ライ トの溶 解 度 は温 度 の 増 加 と と 岩 性 状 の 向上 に は寄 与 しな い。
も に減 少 す るの で, 高 温 に な るほ どア ンケ ラ イ トは よ り 片 貝 地 域 の玄 武 岩 類 が 由利 原 地 域 の 玄 武 岩類 と異 な り
沈 殿 しや す くな り, 海 水 中 のMgは 溶 存 した 状 態 で 高 良 好 な貯 留 岩 とな り得 な か った 最 大 の 原 因 は初 生 孔 隙 と
温 部 ま で 到達 しに くい 。 した が って, ア ン ケ ラ イ ト中 の して の気 孔 を有 して い な か った こ とで あ る。一 方 で固 結
Mg量 は よ り高 温 部 へ 向 って 減 少 す る と予 想 され る。 こ して埋 没 した後 の続 成 作 用 や 熱 水 変 質 作 用 を被 った環 境
の モ デ ル に 従 え ば, コ ン ター の形 態 に 見 られ る2つ の高 が異 な っ て い た こと も一 因 と考 え られ る。
ま りは, 高 温 部 域 す な わ ち 熱水 上 昇域 を 示 す 。 こ の モ デ グ リー ンタ フ層 準 下 部 に発 達 す る溶 岩 相 や 角礫 化 した
ル か ら推 定 され る熱 水 上 昇 域 は, 粘 土 鉱 物 の 分 布 か ら推 溶 岩 相 で は, 細 か な フ ラク チ ャ ーが 数 多 く形成 さ れ て お
定 さ れ た 熱 水 上 昇 域 と一 致 す る。 また, ア ンケ ラ イ トの り, 熱 水 変 質 作 用 に よ っ て貯 留 岩 性 状 が 向 上 して い る。
形 成 に 関 与 した水 の酸 素 同位 体 比 は海 水 の値 で あ る約0 坑 井 に お け る炭 化 水 素 産 出箇 所 は, 推 定 した 熱水 上 昇 域
‰(SMOW)を 示 して お り, ア ンケ ラ イ トが海 水 成 分 の の近 傍 に多 い。
影 響 下 で 形 成 され た とす る上記 モ デ ル と調 和 的 で あ る。 石 油 が貯 留 岩 に移 動 す る タイ ミン グ と して は, 貯 留 岩
この よ う な ア ン ケ ライ ト中 のMg量 変 化 は, 低 温 海 性 状 が熱 水 変 質 に よ り改 善 さ れ た 直 後 が 好 ま しい。 片 貝
水 と高 温 熱 水 の 間 の 温 度 勾 配 が 高 い 時 期 に形 成 さ れ や す 地 域 で は, 熱 水 活 動 が 貯 留 岩 性 状 の 向 上 と と もに泥 岩 の
く, グ リー ン タ フ層 準 を 被 覆 して 堆 積 す る泥 岩 層 が ま だ 加 熱 に よ る石 油 生 成 の 開 始 を 促 して い た と考 え られ る。
そ れ ほ ど厚 くな か った 火 山 活 動 の す ぐ後 が 好 適 で あ る。 この よ うな過 程 は, 貯 留 岩 形 成 と石 油 生 成 の タイ ミング
ま た, 熱 水 上 昇 域 の頂 部 で は, 熱 水 中 のBaと 海水 中 に関 して は好 適 で あ る (Yamada and Uchida, 1994;
のSO4の 混 合 に よ って バ ライ トが生 じた もの と考 え ら 山 田 ほか, 1994)。 ま た, 早 期 に 若 干 で も石 油 が グ リー ン
れ る。 ア ンケ ラ イ トとバ ラ イ トが 形 成 され た こ と に よ っ タ フ貯 留 岩 へ 移 動 して い た た め に, 孔 隙 申 の石 油 の存 在
て, 海 水 か らのMgとSO4の 除 去 と弱 酸 性 の 高 温 変 質 が そ の後 の 変質 作 用 の進 行 を抑 制 した もの と考 え られ る。
海 水 の 形 成 が 促 進 さ れ た の だ ろ う (図10; Stage 2(C))。 炭 化 水 素 包 有 物 の組 成 が現 在 産 出 して い る石 油 組 成 と
これ は, 推 定 した熱 水 上 昇 域 の 頂 部 付 近 にバ ラ イ トの産 は異 な る例 も い くつ か 報 告 さ れ て お り (例え ば, Kar
出 が 多 く確 認 され て い る事 実 と整 合 的 で あ る。 lsenet al., 1993), 多 段 階 で の 石 油 集 積 を示 す もの と推
6.2 貯 留 岩 の 形 成 と石 油 の 集 積 定 さ れ る。 片 貝 地 域 で は比 較 的 早 期 の 石 油生 成 開始 が考
片 貝 地 域 で は グ リー ンタ フ層 準 の 火 山岩 類 が 強 い熱 水 え られ る も の の, そ の 後 も石 油 の 移動 集 積 が多 段 階 で 続
変 質 を 受 け, 火 山 岩 類 の 貯 留岩 性 状 が 改 善 され た。 海 底 い た と考 え られ る。
熱 水 活 動 に お け る水/岩 石 相 互 作 用 を通 じて 高 温 変 質 海
7. ま と め
水 が 形 成 さ れ る と き, 高 浸 透 率 部 で は水/岩 石 比 が 高 く
な るた め 変 質 海 水 のpHは 低 くな り, 岩 石 の 溶 脱 を促 進 (1) 片 貝 地 域 の流 紋 岩 類 で は溶 脱 孔 隙 とマ イ ク ロフ ラ
す る。 し たが って, 高 浸 透 率 部 で は, 熱 水 変 質 に よ って ク チ ャーが 卓 越 す る こ とが わ か った 。
さ らに 貯 留 岩 性 状 の 向 上 が 期待 され る。 (2) 孔 径 分 布 測 定 デ ー タ を用 い た初 生 孔 隙 お よ び二 次
片 貝-南 長 岡 ガ ス 田 に お け る グ リー ン タ フ層 準 火 山岩 孔 隙 の簡 便 な判 別 法 を提 唱 した。 この判 別 法 に よ っ
類 の 貯 留 岩 性 状 は, 火 山 岩 類 の岩 相 に も影 響 を 受 け て い て 貯 留 岩 性 状 の 識 別 が 可 能 とな った 。
る (Komatsu et al., 1983; 佐 藤, 1984; 内 田, 1984)。 (3) 片 貝 地 域 の グ リー ンタ フ層 準 火 山岩 類 は, グ リー
片 貝-南 長 岡 ガ ス 田 の グ リー ン タ フ層 準 で は, 上 部 に火 ン タ フ海 底 火 山 活 動 が 衰 退 した 後 の 約12Maに,
砕 岩 相 ∼ 破 砕 され た 溶 岩 相 が 発達 す るが, 貯 留 岩 性 状 が 高 温 の 熱 水 変 質 作 用 を受 け, そ の貯 留 岩 性 状 が改 善
悪 く, 油 ・ガ スの 胚 胎 を 伴 わ な い 。 この 岩 相 につ い て佐 され た。 ま た, 熱 水 活 動 に お け る2か 所 の熱 水 上 昇
藤 (1984) は珪 化 に よ る微 晶 質 石 英 粒 の 集 合 体 で セ リサ 域 が 推 定 され た。
イ ト化 も伴 う と述 べ て い る。 この 観 察 事 実 は, 初 生 的 な (4) この 熱 水 変 質 作 用 に よ って, グ リー ン タフ火 山岩
岩 相 の 違 い よ り も熱 水 変 質 が 火 山 岩 の 貯 留 岩 性 状 に強 く 類 の上 位 や 側 方 に堆 積 して い た七 谷 層泥 岩 層 ・ 部
下
J. JAPANESE ASSOC. PETROL. TECHNOL. Vol. 62, No. 4 (1997)
10. 320 片貝地域 の グリー ンタフ火山岩貯留層 に認 め られる熱水変質 と二次孔隙 の性質
寺 泊 層 泥 岩 層 が カ タ ジ ェ ネ シ ス段 階 に加 熱 さ れ, 比 voirs.Preprint, 11th World Petroleum Congress,
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