表層型メタンハイドレート胚胎域での地球熱学観測
産業技術総合研究所
地圏資源環境研究部⾨後藤 秀作

本研究は経済産業省の「国内⽯油天然ガスに係る地質調査・メタンハイドレートの研究開発等事業（メタンハイドレートの研究開発）」の⼀部として実施しました。関係者の皆様に感謝いたします。

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海底下のメタンハイドレートが存在可能な領域
温度
ガス・⽔領域

海⽔温度

メタンハイドレート相平衡曲線

圧⼒海底
メタンハイドレート
安定領域

地温

BGHS

ガス・⽔領域（フリーガス）
メタンハイドレート安定領域

ガス（メタン）ハイドレート安定領域下限（BGHS）は地温（海底下温度）に強く依存
海底下温度を推定するには「地殻熱流量」データが必要
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地殻熱流量（熱流量）温度

熱流量

岩⽯・堆積物の熱伝導率

単位︓mW m–2

単位︓W m–1 K–1

単位︓mK m–1ミリワット

•
•

深さ

地温勾配

ミリケルビン

地下深部から地表に向かって単位時間に単位⾯積を通過する熱エネルギー
地下温度を推定するために必要な情報

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⽇本周辺海域の熱流量

⽇本周辺海域• 海底⽔温が安定している⼤深度で熱流量計測が多い• 沿岸域では熱流量データが少ない→ 海底⽔温変動のため信頼性のある熱流量計測が困難
酒⽥沖

丹後半島北⽅上越沖

表層型メタンハイドレート研究開発の調査対象域（３海域）• 堆積物は海底⽔温変動の影響を受けてる• 信頼性のある熱流量データが少ない• 熱流量データが存在する場合、海底⽔温変動の影響を受けているか評価が必要
沿岸域で信頼性のある熱流量を計測するには・・・• 海底⽔温変動の影響が⼗分に減衰した海底下深度で堆積物温度を計測

熱流量（mW m–2）

• 堆積物温度から海底⽔温変動の影響を除去

⽥中ほか（2019、⽇本列島及びその周辺域の熱データベース）
を修正・加筆https://www.gsj.jp/data/G01M/GSJ_MAP_TDCJ_2019.zip

4⽬的（1）上越沖海域※• ⻑尺温度プローブを使⽤して海底⽔温変動の影響がない熱流量を計測• 上越沖海域のバックグラウンド熱流量を推定• メタンハイドレート安定領域下限を推定（2）酒⽥沖海域（暫定結果）• ⻑期温度モニタリングにより海底⽔温変動の影響がない熱流量を計測※公表論⽂●堆積物の熱物性計測
Goto, S., M. Yamano, S. Morita, T. Kanamatsu, A. Hachikubo, S. Kataoka, M. Tanahashi, R. Matsumoto
Physical and thermal properties of mud-dominant sediment from the Joetsu Basin in the eastern margin of theJapan Sea, Marine Geophysical Research, 38, 393–407, 2017. https://doi.org/10.1007/s11001-017-9302-y●熱流量計測Goto, S., M. Yamano, M. Tanahashi, O. Matsubayashi, M. Kinoshita, H. Machiyama, S. Morita, T. Kanamatsu, A.
Hachikubo, S. Kataoka, R. MatsumotoSurface heat flow measurements in the eastern margin of the Japan Sea using a 15-m-long geothermal probe
to overcome large bottom-water temperature fluctuations, accepted for publication in Marine GeophysicalResearch.
5上越沖海域
⻑尺温度プローブを使⽤した熱流量計測（既存データ解析）

6熱流量調査（上越沖海域）
傾斜ロガー◆ 堆積物温度計測▲ 熱伝導率計測● 海底⽔温モニタリング

⽔温R/V Marion Dufresne

2m
温度ロガー
（7個）

HF7
HF6
HF5

数値モデリング

15 m
HF4
HF3
HF2
HF1

町⼭ほか（2009、地学雑誌）
海底⽔温変動の影響がない熱流量データ
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海底⽔温変動に対する堆積物の熱応答評価

海底⽔温データを使⽤して計算【堆積物温度計算の仮定】• 地温勾配︓100 mK m–1• 熱拡散率︓2.39 × 10–7 m2 s–1＜堆積物温度の熱応答＞
海底⾯からの深さが増加すると
 振幅は指数関数的に減衰 位相は遅れる

海底⽔温変動の影響が⼗分に減衰した深さで堆積物温度を計測

2 m 以深の温度を使⽤した地温勾配の誤差は ±2% 以内
8堆積物の温度・熱伝導率
熱伝導率 (W m–1 K–1)

温度

深さ (m)

深さ (m)

2m• 堆積物温度︓海底⾯から 2 m 以上の深さで計測• 地温勾配︓線形• 熱伝導率︓深さの増加にともなって増加• 熱流量︓熱伝導率の深さ⽅向の変化を考慮した⽅法（Bullard, 1939,Proc. Royal Soc. London Series A）を適⽤して計算

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熱流量分布
NW

SE
HF7

HF6

HF5

HF4

HF3

上越海丘

HF2

海鷹海脚 北部〜北東部

熱流量︓上越海丘・海鷹海脚北部〜北東部で 81.1 〜 88.0 mW m–2
特徴︓熱流量は地形的⾼まりで低く、斜⾯下部で⾼い←

地形変化による影響

10地形変化が海底⾯での熱流量に与える影響
斜⾯の下で極⼤斜⾯の上で極⼩⼆次元モデル（熱の移動は熱伝導のみ）

⼤きな地形変化がある海域で計測した熱流量 →地形変化の影響を考慮する必要あり
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熱流量計算モデル
⼆次元有限要素法
モデル上⾯（海底⾯）温度︓0℃
海底⾯

断熱

断熱
2 km
熱伝導率︓1.37 W m–1 K–1
熱の移動︓熱伝導のみ

2 km

モデル下⾯︓⼀定熱流量

海底⾯で計測した熱流量分布を説明することができる
モデル下⾯熱流量（バックグラウンド熱流量）を捜索

12上越沖海域のバックグラウンド熱流量

HF7

HF6

HF5

HF4

HF3

モデル下⾯熱流量

HF2の設定値

91 mW m–285 mW m–279 mW m–2

上越海丘

海鷹海脚 北部〜北東部

上越沖海域のバックグラウンド熱流量︓85 ± 6 mW m–2

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メタンハイドレート安定領域下限
上越海丘

海鷹海脚

メタンハイドレート
相平衡曲線※

0.260°C※Sloan (1998)のソフトウェアを使⽤して計算

メタンハイドレート
相平衡曲線※
海底

0.260°C
海底

メタンハイドレート
安定領域下限の範囲

熱流量
85 ± 6 mW m–2

メタンハイドレート安定領域下限の範囲
海⾯下 1091.4 〜 1113.7 m（海底下 131.4 〜 153.7 m）

メタンハイドレート
安定領域下限の範囲

熱流量
85 ± 6 mW m–2

メタンハイドレート安定領域下限の範囲
海⾯下 1025.5 〜 1047.0 m（海底下 125.5 〜 147.0 m）

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酒⽥沖海域
⻑期温度モニタリングによる熱流量計測（暫定結果）

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⻑期温度モニタリング（酒⽥沖海域）

酒⽥海丘（仮称）

地中温度計

海底⽔温計測装置

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海底⽔温・堆積物温度（酒⽥海丘）

深さの増加とともに振幅は減衰し、位相は遅れる

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堆積物温度から海底⽔温変動の影響を除去【仮定】• 熱の移動は「熱伝導」のみ• 堆積物はセンサーの深さを境界とする層構造• 各層の物性は⼀定
上位の温度センサーの温度変化（温度変動源）【逆解析】• 上位と下位の温度の時系列データを⽐較• 海底⽔温変動に起因する温度変動成分を除去した堆積物
温度及び堆積物の熱物性を同時に推定

海底⾯

深さ

z5z4z3「熱伝導」で伝播
・振幅の減衰・位相の遅れz2
z1

下位の温度センサーの温度変化

熱流量（暫定）︓69.4 ± 1.1 mW m–2

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まとめ（1）上越沖海域• ⻑尺温度プローブを⽤いて海底⽔温変動の影響がない熱流量を決定• 上越沖海域のバックグラウンド熱流量︓85 ± 6 mW m–2• メタンハイドレート安定領域下限の範囲︓
 上越海丘︓海底⾯から 131.4 〜 153.7 m
 海鷹海脚︓海底⾯から 125.5 〜 147.0 m（2）酒⽥沖海域• ⻑期温度モニタリングにより海底⽔温変動の影響がない熱流量を推定• 熱流量（暫定結果）︓酒⽥海丘から離れた地点で 69.4 ± 1.1 mW m–2• 今後、バックグラウンド熱流量とメタンハイドレート安定領域下限を推定する予定

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