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チベット高原北部における石炭生成の地質的背景および石炭系資源の特徴(その2)

2017年10月 3日

喬 軍偉:中国煤炭地質総局航測遥感局 エンジニア、修士

李 聡聡、範 琪、謝 濤、呂 俊娥:中国煤炭地質総局航測遥感局

譚 節慶:中国礦業大学(北京) 煤炭資源與安全開采国家重点実験室

楊 成:中国煤炭地質総局航測遥感局

その1よりつづき)

4 石炭系資源およびその分布の特徴

 チベット高原北部の石炭を含む盆地では、堆積の過程において、有機質に富む泥炭およびその他の金属、非金属元素が大量に凝縮された。鉱物形成材料への温度や圧力、構造作用の影響により、複雑な石炭系資源が徐々に形成された。

4.1 石炭系資源の種類

 チベット高原北部では、多くの石炭生成作用を通じて、様々な種類の石炭系資源が形成された。これらは、エネルギー鉱物、金属鉱物、非金属鉱物の3種類に分けられる。

4.1.1 エネルギー鉱物

 研究エリアの石炭系エネルギー鉱物は主にジュラ系中部・下部統、トリアス系上部統、ペルム系上部統および石炭系地層の中で形成された。これには石炭、石炭ガス、ガスハイドレート、放射性鉱物などが含まれる。

(1)石炭

 チベット高原北部の石炭資源は、唐古拉山石炭ベルト・扎曲炭田の石炭紀前期の雑多群、石炭紀後期の加麦弄群が最も含有量が高く、ペルム紀後期の那益雄組がこれに続き、その次がジュラ紀の羊曲組、年宝組で、トリアス紀の石炭含有量が最も少ない。石炭化作用、構造作用および局地的なマグマ活動の影響を受け、石炭の品質は時代ごとに大きく異なる(表3)。

表3 チベット高原北部の主な炭鉱の炭質分析

Table 3 Coal quality analysis of main coal mines in Northern Qinghai-Tibet Plateau

image

 研究エリアのジュラ紀前期・中期の石炭の種類を見ると、長炎炭から無煙炭まで様々な種類が存在する。うち、崑崙山石炭ベルトの羊曲組では中-高灰、低硫黄、発熱量が高—超高レベルの長炎炭-不粘炭が形成された。積石山石炭ベルト南部の年宝組では、中灰、低硫黄、発熱量が超高レベルの不粘炭が形成された。積石山北部の大武炭田の羊曲組は、地域の変質とマグマ活動の影響を受けて、超低—低灰、超低—中硫黄、発熱量が超高レベルの膨張性石炭、1/3コークス、無煙炭が形成された。ペルム紀後期と石炭紀の石炭はリーン石炭-無煙炭がほとんどで、うち唐古拉山石炭ベルトの雑多群では超低—高灰、超低—低硫黄、発熱量が中—超高レベルのリーン石炭-無煙炭が、加麦弄群では超低—低硫黄、低灰、超低磷、発熱量が超高レベルのリーン石炭-無煙炭がそれぞれ形成された。ペルム紀の那益雄組では、低—中灰、超低—高硫黄、発熱量が高—超高レベルのリーン石炭-無煙炭が形成された。

(2)石炭ガス

 チベット高原北部の主な石炭ガスには、石炭シェールガスとコールベッドメタンがある。石炭生成環境の影響および、後の構造破壊作用を受けたことから、石炭ガスは主に、唐古拉山石炭ベルト西部の開心嶺と烏麗含炭盆地に分布している。

 ここ数年の地質探査により、開心嶺—烏麗地区の渓流から絶えずガスを噴き出し、気泡が発生している源泉が発見された。石炭掘削の過程において、ボーリングコアや泥水池から気泡が生じるといった現象が確認された。すでに作業が始まった掘削孔のうち、3孔から噴出現象が確認され、うち2孔から噴出した気体はその場で点火することができた。同エリアにおけるペルム紀後期の那益雄組中の泥岩、シルト岩以およびシルト質泥岩などは厚さが最大で177.4mに達し、厚さは累計で32%を占めた。石炭系の有機質の含有量も高く、有機炭素の含有量は平均6.07%(表4)、炭化水素生成の潜在力S1+S2の平均は17.87mg/g、有機質タイプはIIとIII型が中心で、有機質の成熟度は比較的高く、いずれも成熟—過成熟段階にあり、ガス発生のピークに達している。那益雄組の砂岩集中層の空隙率は平均8.28%、浸透率は平行裂方向でも1.83×10-15 m2に達し、フラクチャリングの実施に適している。

表 4 烏麗地区の黒みがかった泥岩の分析

Table 4 Analysis of dark mudstone assay in Wuli region

image

 成因を見ると、唐古拉山地区のペルム紀後期の石炭を含む地層は、濱海デルタが潟湖へと変化する際の順方向の層序に属し、陸海過渡環境の堆積環境下の堆積物であり、砕屑物の含有量が高く、陸源性有機質の含有量が十分である[19]。また、泥岩層中に石炭層、炭質泥岩、黒みがかった泥岩などの岩層が混じっており、ガス供給減はより保証されている。このほか、泥岩中には泥質シルト岩、シルト質泥岩などの岩層も形成されており、空隙率が高いためシェールガスの保存に有利である[20]

 全体的に見て、同エリアにおける石炭系堆積環境、岩質、有機物質の成熟度、空隙率などの条件はいずれも石炭ガス採掘の良好な見通しを示している。

(3)ガスハイドレート

 ガスハイドレートの形成は、温度、圧力と水合物の構成によって厳しく制御される。現在、青海省祁連山木里地区ではすでにガスハイドレートのサンプルが採取されており、研究エリア内の開心嶺—烏麗地区にも似たような自然条件と根源岩が存在する。

 まず、烏麗地区はチベット高原・唐古拉山の奥地に存在し、典型的な高原・高山地形の特徴を持つ。沱沱河、通天河が南部を流れ、周囲には沼沢、泥沼が分布し、源泉の分布密度は高く、地下水が十分にある。海抜は平均4800m、冬が長く、夏が短く、一日の温度差が大きく、年平均気温は-4.4℃と、永久凍土エリアに属する。これはガスハイドレートの形成にきわめて有利な環境である。

 次に、烏麗地区内に幅広く分布する那益雄組の石炭を含む地層は無煙炭が中心で、ガス発生能力がとても高く、ガスハイドレートの最も中心的な供給源である。また、同エリアにある黒みがかった泥岩も炭化水素生成の潜在力を持ち、ガスハイドレートの形成に良好なガス供給源を提供している[21]

 さらに、烏麗地区の掘削孔のボーリングコアの特徴から見ると、上部の石灰岩は空隙が形成されず、緻密で硬度が比較的高いため、空隙率が低く、浸透率が低いことから、良いキャップ層になっている[22]。下部のシルト岩、シルト質泥岩のボーリングコアの物理的テストの結果、その空隙率は平均7.5%であり、裂け目および空隙が比較的発達しているため、良好な貯蔵空間を持つ。

(4)放射性鉱物

 研究エリアの石炭系放射性元素は主に積石山石炭ベルトの大武炭田地区に分布している。これまでの地質探査資料によると、同エリアですでに作業が始まったZK3掘削孔では、油井の探測作業中に掘削孔の552.45~557.95m地点にある粗砂岩の区間から、厚さ5.50mに達する放射性異常層が発見された。ピーク値の強度は11.57PA/kgに達している。

4.1.2 金属鉱物

 チベット高原北部の石炭系金属鉱物には、石炭系ゲルマニウム鉱、石炭系ガリウム鉱、石炭系鉄鉱、石炭系銅鉱などが含まれるが、中でも最も重要なのは石炭系ゲルマニウム鉱と石炭系ガリウム鉱である。これらは主に崑崙山石炭ベルトの尕瑪羊曲地区に分布する。

 尕瑪羊曲の石炭系ゲルマニウム鉱は主に石炭層中に埋蔵しており、含有量は(472~575)×10-6(表5)に達する。石炭中のゲルマニウムの採掘可能品位(>20×10-6)を大きく上回る。石炭層の岩盤中の含有量は(34.0 ~38.4)×10-6まで低下する。天盤および周囲の岩中のゲルマニウムの含有量は急激に低下し、わずか(1~7)×10-6となっている。尕瑪羊曲東部地区の石炭系上部の石炭を含む炭泥岩中におけるガリウムの含有量は通常(24.5~32.3)×10-6であり、局地的にはガリウム含有量が採掘可能品位を上回っている(>30×10-6)。

表 5 尕瑪羊曲地区の石炭系ゲルマニウム・ガリウムのテスト成果

Table 5 Coal gallium and germanium test results in GamaYangqu region 10-6

image

 尕瑪羊曲地区の石炭中のゲルマニウム含有量が比較的高い理由は次の通りである。石炭生成期に石炭生成盆地の周辺で火山活動が頻繁に発生し、ゲルマニウムが豊富に含まれるマグマが大量に地表に流れ出た。その後の構造運動は相対的に安定しており、盆地はゆっくりと沈む構造環境と安定的な堆積環境にあった。古代の地形は平坦で、水文のネットワークもゆっくりと発展し、母岩が十分な化学風化を受け、ゲルマニウムを含む溶液が石炭生成盆地に入り込んだ。気候、温度が適した条件下で、石炭生成盆地内の植物が成長し、石炭生成植物がゲル化し、さらにゲルマニウムを含む溶液と化学結合・吸着を起こし、ゲルマニウムが徐々に泥炭中に集まり、石炭層中の含有量が最大に達した。石炭生成環境の消失に伴い、炭層の上の炭質泥岩中におけるゲルマニウムの含有量は急速に減少した。

4.1.3 非金属鉱物

 チベット高原北部の石炭系非金属鉱物には主に、石炭石膏鉱、ボーキサイト岩、高品質の石灰石など(表6)がある。チベット高原の低開発地域にとって、高品質石灰岩などの建材は様々なプロジェクトのインフラ整備などに欠かせない高品質建材である。唐古拉山石炭ベルトの石炭を含む地層にはいずれも石膏鉱層が分布している。雑多県沙爾加熱、囊謙県柏樹嘎、雑多県結扎郷沙切涌地区における露出が比較的良好である。

表 6 チベット高原北部の主な石炭系非金属鉱物の分布統計
Table 6 Distribution statistics of coal non-metallic mineral in northern Qinghai-Tibet plateau
石炭ベルト 調査区 石炭を含む地層 その他鉱物
崑崙山 苦海 J1-2yq ゲルマニウム・ガリウム含有量はいずれも低い。石灰岩(ペルム系, 酸化カルシウム含有量は53.55%、埋蔵量は約12万m3
尕瑪羊曲 J1-2yq ゲルマニウム(採掘可能品位に到達)、鉄(トリアス系上部の古代風化地殻から厚さ1mの褐鉄鉱が発見。品位評価は20%~30%)、石灰岩
積石山 大武尕強 J1-2yq 銅銀鉱、石灰岩
江卡溝 J1-2yq 石灰岩,ガリウム、ゲルマニウム(工業品位には未到達)
野馬灘 J1-2yq 石灰岩,ガリウム、ゲルマニウム(工業品位には未到達)
同仁—河南 J1-2yq オイルシェール
大武 J1-2yq 石灰岩、放射性同位体
唐古拉山 囊謙—雑多 C1zd,C2j 乳日宮銅鉱ポイント、沙爾加熱石膏ポイント、柏樹嘎石膏ポイント、巴借弄銅鉱ポイント、日啊紹石膏ポイント、着暁塩泉鉱ポイント
冷切達 C1zd ボーキサイト質泥岩、厚層高炭泥岩、石灰岩
吉耐—其涌 C1zd 大量の高品質の石灰岩層
沙切涌 C1zd,C2j 石膏
巴浪弄 C1zd 微量元素を含むガリウム、含有量は0.8×10-6
囊謙草竜涌 C1zd,C2j 石灰岩、ガリウム含有量は0.8×10-6

4. 2 石炭系資源の分布の特徴

 チベット高原北部の石炭地質作業はあまり進んでおらず、系統的な炭田の地質特別調査はまだ行われていない。今回の研究では、石炭系資源の埋蔵状態、堆積環境、埋蔵層位、石炭生成作用などの面から石炭系資源の分布特徴を分析するにとどまる(図2)。

図2 チベット高原北部の石炭を含む地層の柱状図および石炭系資源の埋蔵層位
Fig. 2 Coal bearing strata histogram and the storage location of coal mine in the north Qinghai Tibet plateau
時代 地層 柱状図 岩質および石炭系鉱物の状況
ジュラ系上部・中部統 羊曲組
J2-3yq
底部は灰白色あるいは灰緑色の礫を含んだ粗い砂岩。石炭含有3組。上方は赤紫色、灰色の細、中、粗粒の砂岩と、赤紫色の泥岩互層で、最上部は赤紫色の泥岩。石炭系鉱物はゲルマニウムで、主に採掘可能石炭層に埋蔵されている
ジュラ系下部統 那底崗日組
J1nd
厚い層状の複合成分、礫を含むシルト岩、薄い灰緑色の玄武岩、安山岩
トリアス系上部統 巴貢組
T3bg
シルト岩、石英砂岩、炭質泥岩の混じった石質砂岩とブラックシェール。石炭含有4層。石炭系鉱物は石炭ガス、ガスハイドレート。主に石炭層、シェール層、岩層の亀裂に埋蔵されている
波里拉組
T3
貝殻凝灰岩、ドロマイトが混じった礫状砕屑石灰岩、カルシウムシェール
甲不拉組
T3jp
石英砂岩、石質砂岩シルト、礫を含む砂岩が混じった礫岩、玄武岩および安山岩を含む
トリアス系中部統 結隆組
T2j
礫岩、礫を含む砂岩、粘板岩、石灰岩、生物石灰岩が混じった粘土岩
ペルム系上部統 拉卜査日組
P3l
灰色のローズクォーツ、マイクロライト、シルト質粘土岩の混じった生物砕屑岩
那益雄組
P3n
石質砂岩、石炭および石灰岩の混じった粘土岩。底部には赤緑色の礫岩。石炭5組。石炭系資源は石炭ガス、ガスハイドレート。主に石炭層、シェール層、岩層の割れ目に埋蔵されている
石炭系上部統 加麦弄群
C2j
ダークグレーの泥岩。角礫凝灰岩を含む生物石灰岩、薄緑色の粘土岩が混じった石灰岩

ダークグレーの泥岩、シルト質粘板岩、炭質粘板岩。石炭11層。石炭系鉱物はコールベッドメタン。主に石炭層および岩層の割れ目に埋蔵されている
石炭系下部統 雑多群
C1zd
石英シルト、シルト質粘板岩、炭質粘板岩。安山岩、玄武質火山礫岩および縞状石炭。生物石灰岩、泥岩、結晶質石灰岩、長石、石英砂岩、シルト岩
石英砂岩、砂質粘板岩、カルシウム質砂岩。海緑石を含む珪質岩、石炭5層。石炭系鉱物はコールベッドメタン。主に石炭層および岩層の割れ目に埋蔵されている

 縦方向にみると、石炭紀前期—トリアス紀後期のチベット高原北部は海陸交互環境-浅海・臨海環境-湖環境にあり、石炭を含む砕屑岩と炭酸塩岩が交互に出現し、堆積範囲が広く、石炭系の面積が広かった。さらに、長期的な石炭生成の過程により有機質のガス生成量が大きく、良好な貯蔵・トラップおよび気候条件下で石炭-コールベッドメタン-石炭シェールガスあるいは石炭-石炭ガス-ガスハイドレート共生鉱床が形成されやすい。巴貢組、那益雄組、雑多群、加売弄群などはいずれも石炭-石炭ガス-石炭シェールガス共生鉱床を形成することができる。また、特殊な水文、空隙率の条件、凍土層の作用により、石炭ガスと水が石炭系中でガスハイドレートを形成し、石炭系の孔隙と空隙の中に貯蔵された。例えば開心嶺—烏麗地区では石炭-石炭ガス-ガスハイドレート共生鉱床が形成された。

 ジュラ紀に入ると、チベット高原北部は内陸堆積モデルに入り、石炭を含む堆積はいずれも山間部の断層盆地に分布している。強烈な構造運動により地形が浸食され、豊富な鉱物が石炭生成盆地に入り込み、石炭生成植物の化学結合と吸着により、微量元素が徐々に泥炭中に集まり、石炭-石炭中金属鉱の共生鉱床が形成された(尕瑪羊曲地区の石炭-石炭中ゲルマニウム共生鉱床など)。

 石炭系において層状に分布する固体鉱物は主に石炭、カオリン、石膏、石炭系鉄鉱、銅鉱および石灰岩などである。これらの鉱物の形成は、堆積環境の影響を受ける。その分布範囲は通常比較的広く、例えば唐古拉山石炭ベルトでは、高品質の石灰岩が幅広く分布し、雑多一帯では石炭系中の石膏鉱層が幅広く分布している。これらの固体鉱物は、石炭系の堆積において、時間的には前後関係、空間的には上下に接触する層序関係にある。

5 結論

 (1)大地の構造、石炭生成時代、石炭を含む堆積の特徴に基づき、同エリアにおける石炭系は崑崙山、積石山、唐古拉山、土門—巴青、昌都—芒康という5つの石炭ベルトに分けることができる。石炭を含む地層は全体的に見ると、南北にベルトが分かれ、東西にブロックが分かれるという分布特徴を持つ。石炭紀からジュラ紀にかけ、研究エリアの堆積環境は徐々に海陸交互環境から山間断層盆地堆積へと変化した。うち石炭紀前期、石炭紀後期は安定的な大陸辺縁部における石炭生成、ペルム紀後期、トリアス紀後期は活動的な大陸辺縁部における石炭生成、ジュラ紀前期・中期はプレート内活動による石炭生成である。

 (2)石炭生成作用と地域のマグマ活動の影響を受けて、崑崙山石炭ベルトの炭は変質の程度が低く、長炎炭-不粘炭となった。積石山石炭ベルトでは石炭マグマ活動の影響で、膨張性石炭、1/3コークス、無煙炭が形成された。唐古拉山石炭ベルトの石炭紀—トリアス紀の石炭は主にリーン石炭-無煙炭である。

 (3)石炭系金属鉱物のガリウム、ゲルマニウム、鉄などは主に崑崙山石炭ベルトの尕瑪羊曲地区石炭層および天盤・岩盤の中に分布している。石炭系非金属鉱物は唐古拉山地区に多く分布し、石炭系放射性鉱物は大武炭田の主な石炭層中に分布している。石炭系の非在来型ガスとガスハイドレートは主に唐古拉山石炭ベルトの烏麗・開心嶺地区のペルム紀後期、トリアス紀後期の石炭を含む地層に分布する。石炭生成環境、石炭化作用、構造変化により、尕瑪羊曲地区では石炭-炭中ゲルマニウム共生鉱床が形成された。開心嶺-烏麗地区では、石炭-石炭ガス-ガスハイドレート共生鉱床が形成された。巴貢組、那益雄組、雑多群、加売弄群は、石炭-コールベッドメタン-石炭系シェールガスの共生鉱床を形成する資源的潜在力を持つ。

(おわり)

参考文献:

[19]. 曹代勇, 王崇敬, 李靖. 煤系頁岩気的基本特点与聚集規律[J]. 煤田地質与勘探,2014,42(4):25-30. Cao Daiyong, Wang Chongjing, Li Jing. Basic characteristics and accumulation rules of shale gas in coal measures[J]. Coal Geology & Exploration, 2014, 42(4):25-30.

[20]. 曹代勇, 姚征, 李靖. 煤系非常規天然気評価研究現状及発展趨勢[J]. 煤炭科学技術,2014,42(1):89-92,105. Cao Daiyong, Yao Zheng, Li Jing. Evaluation status and development trend of unconventional gas in coal measure[J]. Coal Science and Technology, 2014, 42(1):89-92,105.

[21]. 庫新勃, 呉青柏, 蒋観利. 青蔵高原多年凍土区天然気水合物可能分布範囲研究[J]. 天然気地球科学, 2007(4):588-592. Ku Xinbo, Wu Qingbai, Jiang Guanli. Potential distribution of natural gas hydrate in the permafrost Regions of Qinghai Tibet Plateau[J]. Natural Gas Geoscience, 2007(4):588-592.

[22]. 陳多福, 王茂春, 夏斌. 青蔵高原凍土帯天然気水合物的形成条件与分布預測[J]. 地球物理学報, 2005, 48(1):165-172. Chen Duofu, Wang Maochun, Xia Bin. Formation condition and distribution prediction of gas hydrate in Qinghai-Tibet Plateau permafrost[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2005, 48(1):165-172.

※本稿は喬軍偉, 李聡聡, 範琪, 譚節慶, 謝涛, 楊成, 呂俊娥「青蔵高原北部成煤地質背景及煤系鉱産資源特征」(『煤炭学報』2016年第41巻第2期、pp.294-302)を(『煤炭学報』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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