地質ニュｰス510号,12‑17頁,1997年2月
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もう1つの海底面一BSR一一倉本真一1)r｡はじめにまず第1図の音波探査記録断面を見ていただきたい.これはShip1eyeta1.(1979)によって示された北米フロリダ半島沖のブレｰクアウクｰリッジ(B1akeOuterRidge)での記録断面である.北東方向に傾斜する海底面とほぼ並行にもう一つの海底面(?)が海底下に見える.それはかっての海底面であるとか,あるいはこの記録が得られたブレｰクアウクｰリッジが謎のバミュｰダトライアングル"の近くだと聞くと,もっとSF小説みたいなことを想像される読者もいるかもしれない.実はこれは海底面疑似反射面と呼ばれるもので,海底下からの沢山の情報を与えてくれる信号である.｢海底面疑似反射面｣という言葉より,現在ではBSRと言った方が良く耳にする言葉であるかもしれない.
BSRとはBottomSimulatingRef1ectorの略で,ビ一･エス･アｰルと読む.このBSRを中心にした研究が最近盛んに行われてきており,毎月のように研究論文が発表されている.その理由は近未来の有望なエネルギｰ資源として脚光を浴びつつあるメタンハイドレｰトと非常に密接な関係があるからである.メタンハイドレｰトとは,水分子とメタンガス分子とから成る氷状の結晶,包接化合物(クラスレｰト)である.｢燃える雪玉｣或いは｢燃える氷｣として一般的には紹介されている.石油よりもクリｰンな天然ガス資源として,また地球規模の環境変動をおこす一因として注目され現在研究が進められている.天然のメタンハイドレｰトは極域の永久凍土地帯と大陸縁辺部の海底下にその存在が知られているが,本小論では莫大な賦存量が期待されている海域におけるメタンハイドレｰトの音響的特徴のうち,特にメタンハイドレｰトに起因したBSRについて解説し,そのBSRが何を物語っているかについて考察する.
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もう1つの海底面
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第1図Ship1eyeta1.(1979)によって示された2重海底面.北東方向に傾斜して見える海底面と,メタンハイドレｰト層の基底を示しているとされる擬似的な海底面(図中に｢もう1つの海底面(BSR)｣と表示)が明確に示されている.Sh1p‑leyeta1.(1979)に加筆.
1)地質調査所海洋地質部
キｰワｰド:メタンハイドレｰト,海底面疑似反射面､BSR,フリｰガス,反射法音波探査
地質ニュｰス510号

もう1つの海底面一BSR一
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2.BSRとは
まずBSRとは反射法音波探査記録断面上に現れる海底面にほぼ並行で,比較的振幅の大きな反射面として特徴付けられる特異学反射面の総称である.その成因としては,1)メタンハイドレｰトの安定領域下限における音響インピｰダンスの急変に因るもの,2)珪質堆積物中でのオパｰルｰA/CT続成境界における音響インピｰダンスの急変に因るもの､
3)比較的厚い火山灰の堆積などによる音響インピｰダンスの急変などが考えられる.この音響インピｰダンスとは音波探査にとって重要な概念で,音波の反射がどのような物理条件で起こっているかを表すのに用いている.つまり反射法音波探査では人工音源とハイドロフォンストリｰマｰケｰブルを用いて地層中を反射してくる波を記録しているが,音波が反射する原理は音響インピｰダンス(P波速度(V)X密度(ρ))の差が大きい境界で反射することにある.
今ある物性境界(いわゆる地層の境.界とは限らない)をはさんで上位層の速度と密度をそれぞれY1,ρ1とし,下位層のそれをV2,ρ2とすると,反射係数Rは垂直入射波に対して,R冨(ρ2V2一ρ1V1)/(ρ2V2+ρ1V1)と表せる.従って音波探査記録上に反射面として現れているということは,その上下で音響インピｰダンスの差が大きい,つまりP波速度か密度の,或いは両方のコントラストが大きいことを意味しており,記録上の反射面はそういった物性の変化を示していると考えられる.上記の各成因のBSRいずれもP波速度(V)或いは密度(ρ)の変化が原因であるが,その原因を生み出している地質学的背景は異なる.
本小論ではメタンハイドレｰトBSRだけに絞り,他のBSRについては別の機会に紹介する.
3｡メタンハイドレｰト8SRの成因
メタンハイドレｰトに起因するBSRはMarkletal.
(1970)によって北米フロリダ半島沖のブレｰクアウ
クｰリッジで｢反射面Y｣として初めて記載され,その成因として過去の浸食面を示すか,或いは続成過程での何らかの影響に因るとし,はっきりした成因については不明であった.しかしその後,国際深海掘削計画(DSDP)Leg11によるブレｰクアウクｰリッジにおける掘削(Ewing&Hollister,1972)と,室内実験(Sto11eta1.,1971)の結果から｢反射面Y｣の成因としてガスハイドレｰトの存在がクロｰズアップされた.この時点で注意しなければならないこと
は,音響インピｰダンスの変化の原因はハイドレｰト化することによって堆積物のP波速度が著しく大きくなることが原因であるとされてきた点である.
その後ハイドレｰト層自身の物性変化というよりも,ハイドレｰト層が形成されることによってそれが不透水層の役割をして,それより下方から夢動してくるフリｰガスをトラップしているために大きな速度コントラストを生じ,音響インピｰダンスの急変をもたらしていると考えられるようになった(White,1979).
これは堆積物の間隙中にフリｰガスが数%含まれると,その堆積物のP波速度は急激に低下することが室内実験で確かめられたことによる(Domenico,1976).つまりメタンハイドレｰト安定領域下部の地層の間隙に,気体としてのガスが数%含まれることにより大きな負のP波速度コントラストを生じ,振幅の大きな且つ波の位相が反転した反射波を生み出すのである.このことはメタンハイドレｰトに起因したBSRが以前はハイドレｰト層上面を示しているか或いは下面を示しているかとの議論に対して,水深が深くなるに従って海底からのBSRの深度も深くなる(Tucho1keetal.,1977)ことと併せて,BSRはハイドレｰト層下面を示しているとする根拠になっている.従ってメタンハイドレｰトBSRは海底面にほぼ並行で,比較的振幅が大きく,位相が反転している反射面として特徴付けられる.第2図に南海トラフ付加体におけるBSRの一例を示す.
4.BSRが意味するもの(､)メタンハイドレｰトの胚胎状況
ではメタンハイドレｰトに起因するBSRはどの様な情報を含んでおり,それはどんな科学的意味があるのであろうか.海底直下の堆積物中にメタンハイドレｰトが形成されると一般的にP波速摩は上がり,密度は下がる.その変化の程度(相対的に)にもよるが,掘削コアの物性値を使って計算した合成地震
波記録によると,ハイドレｰト層の形成だけでは明瞭なBSRを認識できないとされた(Mmereta1.,
1991).しかしHyndmanandSpence(1992)はバン1997年2月号

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第2図南海トラフ付加体に形成しているメタンハイドレｰトBSRの一例.海底面にほぼ並行で且つ振幅の大きな反射面として認識できる(図一中にBSRと表示してあるところ).図の左下にBSRの一部を拡大した.位相の反転は区別しにくいが,振幅の大きな反射面であることが分かる.
クｰパｰ島沖のカスカディア(Cascad1a)付加体でAV0(Amp1itudeVersusOffset)解析,および詳しいマルチチャンネル音波探査デｰタの解析を行い,BSR直下にフリｰガスを伴わなくても間隙率の約30%がハイドレｰト化した堆積層が10‑15mの層厚で存在すればBSRを形成できるとした.しかしながらこのアイデアは後の掘削結果(ODPLe9146,例
えばMacK子yetal.,1994)によってフリｰガスの存在が明らかにされ否定された.従ってハイドレｰト層下の地層中にフリｰガスが数%含まれるとP波速度は急激に減少することが室内実験から明らかになっていることから(Domenico,1976),ハイドレｰト層の下にフリｰガスが存在することが音響インピｰダンスのコントラストを生じさせる主な原因として必要不可欠と考えられる.ハイドレｰト層の下にフリｰガスが存在することがBSRをBSRとして認知させる必要条件と考えられる(第3図).
ハイドレｰト層の直下におけるフリｰガス層の存在については,他の地域でも報告されている.Mi11er
etal.(1991)はペルｰ沖での合成地震波記録と実際の音波探査記録との比較によって5.5‑17m程度の厚さのフリｰガス層が存在すると見積もった.またブレｰクァウクｰリッジでもBSR直下にフリｰガス層が存在するとされ,その層のP波速度が変化することによってBSRの振幅が変化していると類推されている(Dilloneta1.,1993).この他にマクラン(Makran)付加体(Minshu11andWhite,19ε9)やべ一リング海海盆(Scho11andHart,1993),チリ三重会合点(Brownetal.,1996)でもBSRの直下にフリｰガス層の存在が指摘されている.
BSRを形成するにはフリｰガス層の存在が必要であるが,BSRの振幅の変化はどのように説明され地質ニュｰス510号

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メタンハイドレｰト層の下にフリｰガスがある場合と無い場
合ではBSRの見定方に違いが出る.この原因はフリｰガス層では極端にP波速度が減少することと,メタンハイドレｰト層内でのハイドレｰトの胚胎の仕方によって変化すると考麦られる(倉本,1996).
るのであろうか.この振幅の大小によって音波探査記録上での見え方が違ってくるわけで,Di11oneta1.(1993)はBSRの下の地層(フリｰガス層)のP波速度の変化とした.しかしDomenico(1976)の室内実験によると,フリｰガスが数%含まれただけで急激にP波速度は小さくなるが,それ以上フリｰガスの合有量が増えても急激には変化しない.ガス量とP波速度の間には直線的関係はないのである.従ってメタンハイドレｰト層の下にフリｰガスが間隙率の数%存在することがBSRとして認識するためには必要な現象であるが,それ以上に積極的にフリｰガスを集積するメカニズムは必要ない.むしろフリｰガスを拡散させないために,メタンハイドレｰト層の低浸透率がガス供給量に対して充分シｰルとして機能するメカニズムが必要であると考えられる.一般的
音波探査の垂直分解能は10m前後であるので,音波探査記録上にBSRとして認識されるためにはそれ以上の厚さを持つメタンハイドレｰト胚胎層およびフリｰガス層が存在し,メタンハ､イドレｰト胚胎層がフリｰガスをシｰルする構造であることが最低限必要な条件であろう.
Mi11eretal.(1991)はBSRの振幅が側方に変化することを明らかにした.このようなことはBSR直下の物性(密度と速度)が大きく変化しないとしたら,説明することは可能であろうか.BSRの振幅の大きさの違いは,メタンハイドレｰト層自体の物性の変化によると仮定し,下位のフリｰガス層のP波速度と密度を固定して考察すると,上位のハイドレｰト層のP波速度が大きいほど,密度が大きいほど観測されるBSRの振幅は負に大きくなることが簡単に想像される(倉本,1996).さらにハイドレｰトが堆積物の間隙に形成し始めてから塊状のハイドレｰトができるまでを定性的に考察すると堆積物の間隙がすべてハイドレｰト化してしまった時が最も反射係数が負に大きくなり,BSRの振幅が大きく観測される(倉本1996).また塊状にハイドレｰトが成長したとすると,ハイドレｰトが堆積物の間隙を埋めるように形成した場合に比べて反射係数は小さくなり,BSRの振幅も小さくなる(倉本,1996).堆積物の間隙を埋めるハイドレｰトの割合とP波速度と密度の関係は実験的デｰタが乏しく,現在定量的な議論ができない.
Leeetal.(1993)はブレｰクアウクｰリッジでのマル
チチャンネル音波探査記録の速度解析と振幅解析から堆積物の間隙の約8%がハイドレｰト化していると類推しているが,速度解析と振幅解析の誤差については議論していないので,約8%という値がどれだけ意味あるものかは不明である.しかしながら詳細な速度構造の決定と振幅解析,おそらく周波数情報も併せて解析していくことによって,堆積物中のハイドレｰトの胚胎の仕方について新しい情報が得られるであろう.また室内実験等によって堆積物中のハイドレｰトの物性が明らかにされていくことが今後のメタンハイドレｰト研究に必要であろう.
(2)地温勾配
BSRの研究は副産物としてこの他にも様々な地球科学的情報を与えてくれる.これまでの深海掘削の結果からBSRの深度はメタンハイドレｰトの安定領域の下限によく一致することが紬られている.室内合成実験の成果によりメタンハイドレｰトの安定条件が詳しく決定されているので,BSRの地層中での深度を音波探査記録から読み取ることによって,BSR1997年2月号

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倉本真の存在するところの温度を推定することが可能である(Yamanoetal.,1982;Hyndmaneta1.,1992;
AshiandTaira,1993;Zwartetal.,1996).この方法は音波探査記録上でBSR記録のあるところではどこでも応用することが可能であるため,温度構造推定には有効な方法である.誤差としてはBSRの深度読み取り誤差であるが,これは地層中のP波速度をいかに正確に見積もるかによっている.従って大規模なマルチチャンネルデｰタ或いは屈折法により求めた速度や掘削コアなどから求めた速度構造を利用することが必要である.
でなく,胚胎する割合までも音波探査デｰタから導き出す研究が現在進んでいる.また資源的観点だ
けではなく地殻熱流量の推定,グロｰバルな環境問題,地質災害や海水準変動,地殻変動などにも研究が進められている.そのような問題にもBSRのもたらす情報は大きく貢献すると思われ,今後更に定量的な議論がなされると思われる.このような議論を行うにあたって音波探査記録の晶質管理が重要になってくるが,高分解能で高晶質のデｰタを取得し,定量的な議論をいかに進めていくかが今後の課題であり,我々人類にとって達成すべき課題である.
(3)地質災害
またBSRを境に大きく物性が異なっていることは力学的振る舞いも異なることを意味している.大陸斜面域などの重力的に不安定なところに形成されているメタンハイドレｰト層は海底地すべりのすべり面になる可能性があり,その成因としてガスハイドレｰトが注目されている(例えばDi11oneta1.,1993).
最近では海上に巨大な人口建造物を作る計画を耳にすることがあるが,そういった物の海底下に不安定なメタンハイドレｰト層などがある場合,もしそのハイドレｰト層がガスとして海上に放出されるようなことがあると大きな災害になることは容易に想像できる.そういった防災の観点からの研究も今後必要であろう.またメタンが充分供給され,且つ温度一圧力条件を満たすところでは常にメタンハイドレｰトが形成されているはずであることから,逆に温度一圧力条件が変わるような現象,例えば海水準変動(Pau11etal.,1991),地殻変動(断層,榴曲運動,岩塩ドｰムの貫入など),堆積一浸食作用などがメタ
ンハイドレｰト層が胚胎した層或いはBSRが存在した層に地質学的記録として残っている可能性があり,それらを明らかにしていくことも地質学的には重要な課題である.
5｡まとめ
音波探査は海上物理探査手法のなかでは比較的短時間に広域の探査が可能である.メタンハイドレｰト探査という観点からは,BSRがメタンハイドレｰ
トおよびフリｰガス層の存在指標として非常に役に立つことが分かってきた.しかもその存在指標だけ
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メタンガスの発生源
地球温暖化ガスとして近年注目を浴びるようになったメタンガスはどこから発生しているのでしょうか?メタンガスは二酸化炭素ガスに比べて分子あたりで20倍以上の温室効果があり,また年々の増加率が二酸化炭素に比べて有為に大きくなっています.
そのため量的には二酸化炭素に比べて少ないものの,メタンガスは地球温暖化の大変重要な要因として考えられています.これまでに分かっているメタンガスの大まかな発生源として発生量の多い順から挙げると,湿地(永久凍土,沼地,低湿地など;115×106トン),水田(110×106トン),動物の腸内発酵(80×106トン),天然ガスの漏出(45×106トン)などが代表的な項目として挙げられます.驚く
はんすうべきことに反鋸動物の腸内発酵によるメタンガスの発生は天然ガスの漏出の2倍近くにもなります.牛がげっぷする度に地球は暖まる??(図中の数字は年間の発生量(百万トン単位)を表す)(倉本真一)
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