海底淡水資源の存在条件と舟山海域海底淡水資源の分布
2011年 8月 5日
張 志忠（Zhang Zhizhong）：青島海洋地質研究所 研究員
1965年4月生まれ。1999年7月、中国砿業大学地質工学専攻卒業、工学修士号取得。2002年6月、中国砿業大学（北京）地質工学専攻の工学博士号を取得。1987年7月-1996年8月、石炭工業部147地質隊隊員。2002年7月から青島海洋地質研究所国土資源部海洋オイルガス資源と環境地質重点実験室研究員。主に海洋地質、水文地質の調査研究に従事。『地質評論』、『中国砿業大学学報』、『海洋地質及第四紀地質』などの研究誌に30数本の論文を発表。2部の専門著書の編者。
中国は海洋大国の一つであり、18000 キロメートルを超える海岸線を持っている。海岸地区は人口密度の高い地区であり、経済レベルの高い地区でもある。中国の領海には多くの島が分布しており、面積が500 km2を超えている島の数は6500を超えており、面積が500 km2以内の島と島礁の数は10000を超えている。これらの島の資源が豊かであると同時に、戦略位置も重要であり、中国の海洋経済と社会発展の重要な要素となっている。しかしこれらの島はほとんど大陸から遠く離れており、交通不便と淡水資源不足などは深刻な問題となっている。その上、海底パイプの給水が困難であり、海水淡水化の造水コストも高い。淡水資源不足などの問題は、中国の海岸都市・島の経済と社会発展に大きな影響を与えている。そのため、中国の近海海域の第四紀海底淡水資源の調査と研究が必要になっている。
大陸棚海域の海底淡水資源は、比較的に閉鎖的な陸相地層の環境に存在していると考えられる。本論文では、中国の黄海、東シナ海の大陸棚海域の第四紀気候と陸海環境とその変化を総括し、中国近海の海底淡水資源の存在条件を分析し、舟山北部海域の海底にある長江古河道の分布と淡水資源分布に関する調査結果を考察する。
１．第四紀の気候変動と黄海・東シナ海の変遷
第四紀において、中国近海の気候は氷河期と間氷期の繰り返しであり、このような気候変化は海面の昇降と陸・海の変遷につながっている。氷期においては、気候が寒いため、海水は大量に蒸発し大陸において氷河が形成され、海面が低下し、陸相地層が現れる。暖期・間暖期において、氷河の融解により海面が上昇し、海相地層が現れる。
第四紀の初期において、第3紀末期の安定したあたたかい環境から、寒暖繰り返しの環境に変わる。前期更新世から後期更新世まで、中国海域において、「寒い」―「あたたかくて湿っぽい」―「寒い」―「あたたかくて湿っぽい」―「冷たくてやや乾燥」―「あたたかくて湿っぽい」―「寒くて乾燥」―「あたたかくて湿っぽい」―「寒くて干ばつ」との過程で気候変動が発生している。気候変化により、海面の変化と海岸線の変化が発生した。南北により気候が違うため、各海域の気候もそれぞれ違っていた。
黄海・東シナ海において、気候の変化は基本的に同じだった。前期更新世において、中国近海の大陸棚はほぼ陸地との形であり、後期更新世の初期の気候は寒期であり、前期更新世の中期において、河川とデルタ堆積の浜海平原であった。前期更新世の末期において、あたたかくて湿度の高い気候であり、海水の侵入が発生した。中期更新世において突然の海水侵入があった。後期更新世において、初期と中期は暖期であり、末期は寒期であった。後期更新世から、中国東部沿海において3回もの大規模な海進が発生し、3回の海進の間には、2回の大規模な海退が発生した。末次氷河期の最盛期において、海面は130~160 メートル程度低下した。黄海全域は陸地となり、東シナ海において、大陸になっていないのは、沖縄海だけだった。これらの地区において、長時間の風化、浸食により、河川、湖、河道が形成され、風化・浸食地形面が形成された。後期完新世に入ると、気候が明らかに暖かくなり、海水は現在の海岸線近くまで上昇した。この時期において、黄海・東シナ海の大陸棚が基本的に海相地層との形であった。
２．海底における第四紀淡水資源の存在条件
大陸棚は沿岸に近い浅海地帯であり、陸地から観測できる岩石層と構造は浅海の奥まで続く。中国近海海域海底の第四紀淡水資源は、比較的に閉鎖的な厚層陸相地層の近海環境に存在する可能性が高い。陸相地層の砂層、特に古河道にある厚い砂層には、飲用可能の淡水資源が存在する可能性が高い。
寒い氷河期において、海水は大量に蒸発し海面が低下し、陸地が広がり、もとの大陸棚は陸地に変わった。河口は海の奥まで広がり、もと大陸棚の下に主流と支流河谷が現れた。漸新世の末期から青蔵高原の上昇に伴い、中国の地形はおよそ「西高東低」の形となった。氷河期において、海岸は東へと進み、河川も東へ延びた。河床は次第に深まり、河水の砂などは河床に堆積し、大きい砂粒からなる河道が形成される。間氷期において、海面の上昇に伴い、砂河道と陸相地層は急速に埋められ、埋蔵型古河道が形成される。河道の砂層には密封淡水が存在している可能性が高い。前期更新世の早期・中期、中期更新世、後期更新世の末期などにおいて形成された陸相地層には、海底淡水が存在する可能性もある。暖期・間暖期において、氷河の融解により海面が上昇し、海水は沿岸陸地に上がった。大陸棚区において、氷河期に大陸棚に流れ込んだ河川は地下河となり、陸相地層の上にさらに陸相・海相過渡地層と海相地層が現れる。
中国近海海域において、第四紀の淡水資源が存在するには、いくつかの基本条件が必要である。一つ目は、厚層の陸相地層の環境である。厚層の陸相地層の環境があるからこそ、砂層には大量の淡水孔隙水の存在可能性があるのである。二つ目は、密封または閉鎖的な環境である。中国海底大陸棚にある第四紀の沈殿物は、海相・陸相地層の繰り返しによってできたものであり、陸相地層にある淡水資源の周りに、透水性の低い粘着地層の存在が必要となる。密封または比較的に閉鎖的な環境がなければ、淡水と海水の間に拡散と混合が発生してしまい、淡水の存在は不可能となる。三つ目は、大型の古河道または厚い砂層の存在である。第四紀において、海面の上昇と低下の繰り返しにより、海面の拡大と陸地の拡大は何度も繰り返され、巨大規模の古河道埋蔵が発生している。埋蔵された古河道の砂層の隙間が大きく、透水性が高く、陸地の地下淡水とつながっている可能性がある。周りの粘着地層の密閉性がよければ、大量の淡水資源が存在する可能性が高い。そのため、厚い砂層は海底第四紀淡水資源調査の主要対象となっている。
３．舟山北部海域の海底淡水資源に関する研究
舟山市は、長江口三角州の東南、杭州湾にも近い近海地域にあり、旅行、港、漁業の名所である。舟山群島にある1390の島の中、居住者のいる島の数は98である。舟山市の東北部に位置し、舟山島から遠く離れている嵊泗県は、深刻な水不足に直面している島の一つである。外部からの送水は極めて困難であり、海水淡水化コストも非常に高く、貯水設備を作るには空間制限があるため、現地住民は深刻な水不足に苦しんでいる。20世紀90年代から、浙江省地質鉱物局と上海海洋地質調査局などの機関が、舟山北部の海域で水文地質調査ボーリングを行い、海底淡水資源に関してある程度資料を集めた。しかし、第四紀の地層分布、沈積環境、古河道の分布、含水層の水文地質的特徴などの関連資料は限られている。青島海洋地質研究所は2009年に実施した国土資源調査プロジェクト「舟山海域における海底淡水資源の調査と評価」は、これらの問題を解決しようとしている。
「舟山海域における海底淡水資源の調査と評価」プロジェクトは、2009年にDelph Seismicデジタル地震情報収集システムを導入し、エアガン震源で、2000 PSIの圧力と6sの動作間隔で、次のようなデータを作った（図1）。
図1. 舟山北部海域において地震情報収集システムで収集したデータ
3.1 当地区の地質・水文地質の概況
舟山北部と上海長江三角州に近い海域において、第四紀の地層は四つの「統」に分けることができる。それぞれ前期更新統Q1、中期更新統Q2、晩期更新統Q3、全新統Q4である。そして、十つのグループ（Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q31、Q32、Q41、Q42、Q43）に分けることができる。Q1地層は主に洪積地相と湖相地層であり、南匯濱岸地帯Q13の上段において、陸相・海相過渡地層が見られる。Q2のQ21は河口相の地層であり、Q22の下段は河湖の地層であり、中段・上段においては陸相・海相過渡地層がみられる。Q3のQ31は陸相・海相過渡地層であり、Q32の下段・中段は浜海の深い湖と海岸の浅い海の地層がみられ、上段は湖の地層である。Q4地層においては、潮汐河道、浜海、浅海などの地層がみられる。
地質時代、水動力の条件と成因により、上海地区の第四紀含水層は、7つに分けることができる。それぞれ完新統含水層、晩期更新統含水層、中期更新統含水層（第1、2、3含水層）、中期更新統含水層（第4、5含水層）である。浅い第1、第2、第3の含水層の水質それほど良くなく、深い所にある第4（160.0~180.0 m）と第5（250.0~280.0m）の含水層の淡水水質は最も良い（鉱化度は1 g/L以内）。第4と第5の含水層は、上海地区の飲用水源となっており、採掘量が非常に大きい。第4の含水層は、主に早期更新統地層と晩期古河道の地層であり、断水は安定している。20~40 mの粘土隔水層の存在により、この含水層と上部含水層の間の水分交換は遮断されている。
第四紀において、上海市の気候は6つの寒期、5つの暖期、最終氷期に分けられている。前期更新世の初期において、1番目の寒期が現れた後、前期更新世中期と末期においてそれぞれ第2・第3の寒期と第1・第2の暖期が現れたが、この２つの暖期において海の拡大規模は小さく、上海東部沿海に薄層海相層がみられる。その他の地区は主に陸地、湖、河川の環境だった。中期更新世の第3の暖期において、海の拡大規模が大きく（範囲は上海ほとんどの地区に及ぼす）、陸相含水層の淡水のほとんどはその影響を受け、海水または塩水の状態となった。第四紀の地質・水文地質に関する研究を通じて、前期更新世において上海地区には2本の古河道の存在が確認された。北部にある古河道は、「瀏川―南匯」古河道であり、江蘇省の瀏河から、川沙、南匯を通り、南匯の泥城角と東海農場一帯で海に入る。南部にある古河道は、「楓泾―奉城」古河道であり、西の楓泾一帯から上海地区に入り、金山、松江を通り、南匯の新場に南へと転向し、奉賢五四農場、燎農場一帯で杭州湾に入る。
調査が実施された海域の島礁は、主に火山岩、花崗岩、丘陵地などの地形であり、比較的大きな島の間の谷・浜海一帯には、淡水の存在可能の物質が存在している。大きな島の間の大きな谷地区には、第四紀の淡水が存在しており、単一坑井の水量は1000 m3/dまで達している。ただ、分布範囲は限られているため、給水量も高くないと考えられる。10 km2以内の島には、淡水の分布は確認されていない。
3.2 舟山北部海域における第四紀地層と古河道の分布
2009年に舟山北部海域において地震情報収集システムによりデータが収集され、沈積地質学、地震地質学、地層学の理論に基づき、当地域の調査井（嵊泗1号井、嵊泗2号井、CH1、CJ3、CJ4、CJ5）の資料を参考し、当地域の第四紀地層を14の地震反射面（上からそれぞれT0~T13）と14のユニット（U1~U14）に分けることができる（図2参照、位置は図1のaの所である）。ユニットU1、U3、U5、…、U13は海相の地層であり、ユニットU2、U4、U6、…、U14は陸相の地層である。U1~U5はそれぞれ酸素の同位元素の1号から5号のまでの地層に当たるものであり、U6以下の部分については、資料が少ないため、正確な時代確認はできていない。
図2 第四紀のユニット分布（地震調査の切断面と解説切断面）
舟山北部海域においては島礁の数が多く、海底は激しく起伏している。海底の第四紀地層の厚さは0~320mであり、地層の厚さの分布も激しく変化している。多くの地区において、地層の構成要素は完備されていない。
2009年の地震情報データの切断面からみると、異なる規模、異なる時代の古河谷または谷型地形がみられる。一部の地域において、複雑な河谷地形がみられており、河谷にはさらに河谷がみられ、または複数の河谷が合成されている形もみられる（図2）。嵊泗1号井、嵊泗2号井の地質調査の結果から分析すると、当海域における前期更新世の中期・末期（上海地区の第4含水層に当たる）、前期更新世初期（上海地区第5含水層に当たる）の古河道の位置が確定できた。
前期更新世の中期・末期において、北部の古河道は南匯東部から東シナ海大陸棚まで伸び、大戢洋北部に入り、嵊泗列島と嵊泗2号の北部を通り、牛皮礁、鶏骨礁南部の海域まで伸びている。南部の古河道は奉城で灘滸山、大白山北部の王盤洋に入る。これは、今までの研究とかなり違った結果となっている。
前期更新世の初期において、北部の古河道は長興島、横沙島から東シナ海大陸棚まで延び、牛皮礁、鶏骨礁西北部の東まで伸びている。南部の古河道は前期更新世の中期・末期の古河道の位置と一致しており、同じく灘滸山、大白山北部の王盤洋にあるが、分布範囲は中期・末期より小さい（図3）。
図3. 舟山北部海域の海底古河道の位置に関する研究結果
上述した古河道分布は、主に2009年の2230km単道の地震調査データに基づき分析しているものである。今までの海底の古河道位置に対する推測は、海底の地形と一部の調査データに基づいており、信頼性の基盤が弱いと考えられる。
3.3 舟山北部海域の海底淡水資源
地層と沈積環境から分析すると、上海に近い舟山嵊泗付近の海底淡水はほとんど前期更新統の河川相の地層に分布している可能性が高い。中期・晩期更新統の地層は河口、陸海の繰り返し、浅海などの形だったため、海水の影響を受けた淡水は塩水となっている。海底の淡水資源は、第四紀地層下部の前期更新統地層に分布している可能性が高い。
舟山嵊泗付近海域での調査結果により、1993年1月から2月までの間、上海海洋地質調査局は嵊泗の北部15 kmの所で「嵊泗一号井」（北緯30°53′34.88″、東経122°25′25.05″）を作り、第四紀地層の厚さは191.5mだと確定し、前期更新統の第四地層Q13c、第五地層Q13b、第六地層Q13aなどの地層において吸水作業を行い、第四（Q13c）、第六（Q13a）、第七（Q12）地層（上海地区の第四含水層に当たる）には淡水が分布していることが分かった。
2007年5月から6月まで、中国石炭地質総局第三水文地質チームは「嵊泗二号井」（WGS-84：北緯30°54′12.5147″、東経122°18′42.3918″）を作り、第四紀地層の厚さは201.0mだと確定し、地層を早期更新世（Q1）、中期更新世（Q2）、後期更新世（Q3）、後期完新世（Q4）に分けている。また、次の３つの含水層が確定された。第I含水層（上海地区の第1、第2含水層に当たる）は、海底の粘着性地層以下の41.50~57.35 mに位置している。第II含水層（上海地区の第3含水層に当たる）は70.00~125.00mであり、第III含水層（上海地区の第４含水層に当たる）は139.33~182.00mの所に位置している。吸水実験（濾過水道管直径219 mm）を通じて、第I含水層の水量30.7 m3/h、鉱化度1.277 g／L、水質タイプCl、HCO3-Na、Ca型などのデータを入手し、飲用水基準に近く、水質が良く、飲用水源になりうることが分かった。第III含水層の場合、水量119.3 m3/h、鉱化度8.131g/L、水質タイプCl-Na型などのデータが分かり、微量の海水が入っていることが分かった。
2009年の「嵊泗二号井」の調査切断面b（図4、位置は図1を参照）からみると、第四紀地層はU1~U8と8つのユニットに当たることが分かる。上述した14のユニットと比べると、下部の6つのユニットは確認されていない。岩屑と岩石標本に対する分析から、「嵊泗二号井」の下には後期完新世が存在していることが分かったが、地震調査データからみると、早期更新統の構成要素は完備されておらず、「嵊泗二号井」吸水実験の第III含水層は上海地区の第4含水層に当たっておらず、第3含水層と第4含水層の混合層である可能性が高い。「嵊泗二号井」実験において、含水層の間の密閉性が低いため、一定の水交換が存在している。切断面全体から見ると、「嵊泗二号井」付近海域のU8ユニットとU8ユニット以下の前期更新世第四含水層には、淡水資源が存在している可能性が高いと考えられる。
図4 「嵊泗二号井」の切断面（地震調査の切断面と解説切断面）
2009年の調査結果からみると、舟山北部の海域の西部にある銭塘江口の北側、嵊泗列島と「嵊泗二号井」の北部、嵊泗東北部海域の第四紀地層、前期更新世の古河道などには、海底淡水資源が分布している可能性が高く、今後の調査の重点にすべきである。
４．結論
第四紀において、中国近海の気候は氷河期と間氷期の繰り返しであり、黄海・東シナ海の大陸棚は海相、陸相の地層の繰り返しとなっている。海底の第四紀淡水資源は、主に近海にある閉鎖的な古河道地層に存在していると考えられる。
舟山北部の海域における第四紀地層は、主に14のユニットに分けることができる。2009年の調査データにより、前期更新世の中期・末期と初期の古河道の位置を確定できた。付近陸地の水文地質データと舟山北部の海域調査の研究成果により、調査実施地区の西部の銭塘江長口の北側、嵊泗列島と「嵊泗二号井」の北部の前期更新世の古河道などには、海底淡水資源が分布している可能性が高いと考えられる。