Genesis of Natural Gas in the Bozhong Sag, Bohai Sea: Constraints from Pyrolysis Experiments

技術要約：渤海、博中凹陷における天然ガスの起源

問題提起
渤海湾盆地は、BZ19-6変成埋没丘陵コンデンセートガス田などの重要な深部天然ガス発見を伴う、多産な石油産地である。しかし、これら深部ガスの起源については依然として議論がある。世界のガス田は通常、海洋性または移行帯の石炭型地層に由来するが、渤海は石油が支配的な大陸性湖沼盆地である。既存の文献では、解釈が分かれている。ある研究はこれらを腐植質（石炭由来）ケロジェンに帰属させ、別の研究は石油分解（オイルクラッキング）に、また別の研究は石油生成能の高いソースロックの高度な熱的進化に帰属させている。異なる起源を持つガスの区別、有効なソースロックの分布、およびこの環境における深部天然ガスの具体的な生成メカニズムに関する不確確性は依然として残っている。特に、博中凹密集中に見られる重いエタン炭素同位体比（$\delta^{13}$C-C$_2$H$_6$）が、石炭由来の起源を示すのか、それとも高度に成熟した湖沼性サプロペリック・ケロジェンの分解によるものなのかが不明である。

方法論
これらの不確実性を解決するため、著者らはオンライン微量ガス分析を組み合わせた、閉鎖系金管熱分解実験を実施した。本研究では、異なる前駆体タイプを代表する包括的な地質学的試料を用いた。

• サプロペリック・ソースロック： 博中凹密集から採取された、低成熟度の古第三紀湖沼性泥岩3種および成熟した湖沼性ソースロック2種。
• 腐植質ソースロック： 低成熟度の古第三紀石炭および成熟〜高度成熟の中生代石炭。
• 原油および抽出物： 異なる構造から得られた代表的な軽質原油、極重質油、および様々なビチューメン画分（飽和炭化水素、芳香族、樹脂、アスファルテン）。

実験では、等価なビトリナイト反射率（EasyRo）値である1.5%、2.0%、2.5%（それぞれ420°C、450°C、480°Cに相当）における熱的ガス生成をシミュレートした。ソースロックに対しては、石油生成をシミュレートするための一次熱分解と、残留ケロジェンの二次熱分解（ケロジェン分解ガスの単離のため）という二段階の熱分解アプローチを採用した。ガス組成、乾燥係数、および安定炭素同位体組成（$\delta^{13}$C-CH$_4$, $\delta^{13}$C-C$_2$H$_6$, $\delta^{13}$C-C$_3$H$_8$）を測定し、遺伝的識別図と比較検討した。

主な結果

1. ガスの種類の差別化：

   • 乾燥度： ケロジェン分解ガス（サプロペリックおよび石炭源の両方）および石炭型ガスは、同等の成熟度において、石油分解ガス（<70%）と比較して有意に高い乾燥係数（>70–90%）を示す。
   • 同位体組成： ケロジェン分解ガスは、石油分解ガスよりも著しく重い炭素同位体組成を持つ。具体的には、$\delta^{13}$C-CH$_4$ および $\delta^{13}$C-C$_2$H$_6$ は、熱的成熟度の増加とともに$^{13}$Cに富むようになる。
   • 石油分解の特性： 石油分解ガスは比較的ウェットで、同位体的に軽い。分解ガスの同位体組成は前駆体石油によって強く制御され、重い石油は重いガスを生成する。注目すべき点として、石油の分解が進むにつれて $\delta^{13}$C-C$_2$H$_6$ は大幅に重くなるが、$\delta^{13}$C-CH$_4$ は比較的安定している。

2. 生成ウィンドウと収量：

   • ケロジェン分解： 湖沼性サプロペリック・ケロジェンの主要なガス生成区間は、中程度から高度な成熟度（EasyRo 0.8%–1.5%）で発生する。
   • 石油分解： 源岩内に保持された石油および貯留層石油の広範な分解は、高成熟から過成熟段階（EasyRo >1.5%）で発生する。軽質油画分は、重質画分と比較して、分解閾値は高いが最大ガス収量は大きい。
   • 石炭 vs サプロペリック・ケロジェン： 石炭型ガスとサプロペリック・ケロジェン分解ガスは、乾燥度および ln(C$_1$/C$_2$) 対 ln(C$_2$/C$_3$) の傾向を共有するが、石炭型ガスは、腐植質ケロジェンのより重い初期同位体シグネチャーにより、より重い $\delta^{13}$C-CH$_4$ 値によって区別される。

3. 博中凹密集への適用：

   • 実験データと博中地域の天然ガスとの比較により、発見されたガスは実験的な石油分解ガスよりも大幅に高い乾燥係数を持つことが明らかになった。
   • 博中のガスの地球化学的シグネチャーは、高度から過成熟の湖沼性サプロペリック有機物に由来するケロジェン分解ガスの特徴と密接に一致している。
   • フィールドで観察された重い $\delta^{13}$C-C$_2$H$_6$ 値は、必ずしも石炭由来の起源を示すものではない。それは、サプロペリック・ケロジェンの高い熱的成熟度、および社河階系第3部層（E2s3）の同位体的に重い成分の寄与に起因する場合がある。

意義および主張
本論文は、大陸性湖沼盆地における天然ガスの起源に関する決定的な実験的制約を提供すると主張している。サプロペリック・ケロジェン分解、石油分解、および石炭型ガスの地球化学的特性を体系的に比較することにより、本研究は、博中凹密集の深部ガスが主に石油分解に由来するという仮説を否定している。代わりに、ケロジェン分解が主要なガス生成プロセスであることを特定した。

著者らは、自らの知見が、重いエタン同位体比が腐植質ガスに特有のものではないことを明確にすることで、沖合地域の深部ガス探査のための地質学的基礎を提供するものであると断言している。この区別は、正確な遺伝的解釈と資源評価のために不可欠であり、サプロペリック由来のガスを石炭型ガスと誤分類することを防ぐものである。本研究は、渤海地域における前駆体タイプ、熱的成熟度、および分解メカニズムの複雑な相互作用を説明するために、ソースロックからの後期段階のガス生成に関する洗練されたモデルが必要であると結論付けている。