ポピュラーサイエンスイラストレーション |地球物理学的探査の100年を振り返る

近代的な石油探査は19世紀半ばに始まりました。初期の石油探索は、主に油の浸出、地上の地質調査、掘削に依存していました。地球物理学的探査法は 20 世紀まで石油探査に導入されませんでした。重力、磁気、電気（電磁気）、地震などの探査方法の出現により、覆われた地域の地下の地質構造を特定し、これに基づいてトラップや石油・ガス貯留層を発見することが可能になりました。これにより、石油・ガスの探査範囲は地中から地下、表層・浅層から深層まで大幅に拡大しました。

重力、磁電探査が石油産業に参入

石油探査に導入された最も初期の地球物理学的方法は重力探査でした。重力の研究はガリレオ（1564-1642）の時代に始まりました。彼を記念して、後世の人々は意図的に重力加速度の元の単位を「ガル」と名付けました。 17 世紀、ニュートンは有名な万有引力の法則によって重力の概念を定量化しました。今日、地球の重力に関するほぼすべての現代的な分析方法は、万有引力の法則に基づいて、ニュートンやフランスの数学者ラプラス、ポアソン、ルジャンドル、クレロー、ブガードなどの 17 世紀から 18 世紀の他の有名な科学者によって作成された古典的な場の理論に由来しています。地球の重力の異常を測定するために、科学者たちは力の均衡の原理に基づいた精密機器、つまり地上の重力加速度のわずかな変化を「計量」できるねじり天秤を開発した。

ねじり天秤の歴史は、1791 年にイギリスの化学者で物理学者のヘンリー・キャベンディッシュが発明した重力測定器にまで遡ります。この発明により、キャベンディッシュは歴史上初めて地球の重さを量った人物として知られています。 19 世紀末から 20 世紀初頭にかけて、ハンガリーの物理学者 R. フォン エトヴェシュはキャベンディッシュのねじり天秤を改良し、野外作業に適したねじり天秤を開発しました。彼はハンガリーで10年間重力観測を行った。結果は、ねじり天秤が地殻のさまざまな部分における岩石密度の変化を測定できることを示しました。 1901年、エルフーは自ら発明した機器を使って湖底の深さを測定した。 1922 年、メキシコ湾沿岸の岩塩ドーム構造に関連する石油貯留層を検出するためにねじり天秤が使用され、ねじり天秤は石油探査で使用された最も初期の地球物理学的検出機器となりました。

この装置は各測定点で測定するのに約5時間かかるため、重力探査の効率は非常に低いです。ねじり天秤の効率の低さを考慮して、1934 年にアメリカの地球物理学者 JB ラコステが金属バネ重力計を発明し、アメリカの地球物理学者 Sam.P.ウォーデンは石英スプリング重力計を発明した。このタイプの重力計は、ねじり天秤に比べて重力測定の精度が大幅に向上し、測定点の平均観測時間も10～30分に短縮できたため、1930年代末にはねじり天秤に完全に取って代わり、広く使用され、重力探査の実用化の先駆けとなりました。石油探査作業員は、重力計を使用して現場で設計された測定ポイントを一つずつ観察し、重力の値を記録し、それを屋内で処理して分析します。地質学者はこれを使用して地下の地質構造を研究し、捕捉された重力異常の位置に基づいて地層の岩相と深さを推測することができます。

地球物理学的探査法としての磁気探査は、1870年にスウェーデンのタレンとティベルグが作った万能磁力計によって始まり、磁気探査は実用化されました。 1915年、ドイツの地質物理学者シュミットは石英刃先磁力計を製作しました。これにより磁気測定の精度が大幅に向上し、磁気探査は鉄鉱石の発見だけでなく、地質構造の研究や岩塩ドーム、油田、ガス田の発見にも利用されるようになりました。 1936 年、ソ連の地球物理学者 A.A.ロガチェフは誘導型航空磁気計を開発し、磁気探査の応用範囲を大幅に拡大し、効率を向上させました。

電気探査と電磁探査は 19 世紀初頭から実験的に研究されてきました。鉱体によって生成される自然電位は、1815 年に英国のカウアル銅鉱山で初めて観測されました。1919 年から 1922 年にかけて、スウェーデンの科学者 RW フォックスはさらなる研究を通じて自然電界探査法を確立し、1835 年に自然電界法を使用して最初の硫化鉱石を発見しました。 19世紀中期から20世紀初頭にかけて、1883年の比抵抗法、1900年の交流法、1917年の電磁誘導法、1933年の過渡電磁気法、1934年の地磁気流法、1950年の磁気地磁気法など、さまざまな電気・電磁気探査法が提案されました。その中でも、電磁誘導法は1925年に最初の探査効果を達成しました。1929年、フランスのシュルンベルジェ社は、井戸内の自然電位法と比抵抗法の測定を実現し、電気検層技術を形成しました。 1924年、ソビエト連邦は世界初の電気調査チームを結成し、初めて石油探査に使用しました。多くの科学者の努力のおかげで、電気探査は急速に発展しました。 1940 年代までに人気が高まり、金属や石油の探査に広く使用されるようになりました。

地震探査が石油探査の主力となる

地震探査技術は19世紀半ばに始まりました。 1845 年、アイルランドの地球物理学者ロバート・マレットは人工的に励起した地震波を使用して地殻内の弾性波の伝播速度を測定し、地震探査法の始まりを示しました。第一次世界大戦中の1913年、ドイツの地球物理学者L. ミントロップと彼の協力者B. マコーラム、JC ケルヒャーらは、砲撃の反動によって発生する地震波を使用して砲兵グループの位置を決定する方法と機器を開発しました。この方法は、大砲の反動によって発生した地震波を受信し、地震波の到着時間に基づいて大砲の位置を判定するものでした。地震波が人間の生産と生活に結び付けられたのは、人類史上初めてのことでした。

第一次世界大戦の終結後、地震波を利用して砲兵隊の位置を特定する方法と機器を発明したミントロップは、その技術を地下の地質構造の探知に応用しました。記録された情報をもとに、地層中の地震波の伝播速度や浸透深度を計算し、地層の厚さや空間形状を正確に算出した。 1919年、ミントロップはドイツで地震探査の屈折波法の特許を申請した。同年、彼とレーマンは彼が発明した地震計を改良し、炭層の深さを測定する実験を成功させた。 1920 年 10 月、ミントロップはドイツのハンブルク近郊の井戸で地震屈折法による測定を実施しました。 1921年4月に地震探査会社を設立し、それ以降、地震探査が正式に産業応用され始めた。 1924 年 6 月、ミントロップの地震探査会社は、ガルフ石油会社のためにテキサス湾地域のオーチャードで岩塩ドームを発見しました。 1926年、掘削中に石油が発見されました。この油井は深さ1,150メートルで、1日あたり400トンの石油を産出していた。これは地震探査によって発見された世界初の油田であり、石油発見に地震探査技術を使用する先駆的なものでした。 1930 年までに、ミントロップの地震探査会社はメキシコ湾岸沿いの 9 つの石油会社にサービスを提供し、22 の岩塩ドーム構造を発見しました。 1930 年、ソ連の地球物理学者ガンブルツェフらは反射波地震探査の利点を吸収し、屈折波地震探査に相応の改良を加えました。初期の屈折波法では、最初に到達した直接波しか記録できませんでしたが、改良された屈折地震法では、その後の屈折波も記録できるため、地震波形の伝播特性をより詳細に研究でき、屈折波地震探査技術の成熟に貢献します。

反射波法の地震探査技術は屈折波法よりも後に登場した。屈折波地震探査技術が徐々に発展し成熟するにつれ、1921年にジョン・クラレンス・カーチャーらが反射波地震探査の現地試験を実施し、オクラホマ州で人工地震によって発生した反射波を初めて鮮明に記録し、反射地震波を利用して地球の地下の地質構造の画像を取得できることを証明しました。 1929年に彼らは反射波地震画像化の特許を申請しました。

1926 年、カッチャーらは地質工学会社を設立し、試作した反射波地震計を使用して、既知のテネシー州の岩塩ドームの実験的検出を行い、良好な結果を得ました。 1928年に反射波地震探査設備一式の開発に成功し、世界初の反射波地震探査チームを設立し、米国で反射波地震探査の商業的応用を開始しました。 1930年、カッチャーらは有名なGSI（Geophysical Service Inc.）地質物理サービス会社を設立し、反射波地震探査技術を用いてオクラホマ州セミノールで3つの石油・ガス層を発見し、最も効果的で実用的な石油探査技術としての地位を確立しました。旧来の屈折波地震探査法は岩塩ドームの発見に今でも有効に活用できるが、反射波地震探査技術は複雑な地質構造の検出においてより正確であり、地震探査技術の普及がさらに進み、地震探査が急速に推進・応用される段階に入った。その後、CGG や Western Geophysical など、いくつかの有名な国際地質物理サービス会社が当時設立されました。 1937 年までに、米国には 250 の地震調査チームが存在し、地震探査は大規模な産業応用の段階に突入しました。

中国における物理探査技術の発展の歴史

我が国は、西洋諸国に比べると、地球物理探査技術に関する正式な研究を半世紀近く遅れて開始しました。関連する歴史的記録によると、中国の石油探査に近代的な地球物理学的手法が導入されたのは1939年まで遡る。同年、ロンドン大学で博士号を取得して中国に帰国した著名な地球物理学者、翁文波は、国立中央大学（現在の南京大学および東南大学）の物理学部で教鞭を執った。彼は中国で初めて地球物理学的探査コースを提供し、地球物理学と地質学に興味のある教師と学生のグループを訓練して採用し、重力、磁気、その他の探査方法に関する実験を行うために玉門油田への旅行を数回企画しました。この出来事は、私の国における地球物理学的探査の始まりを示しました。

我が国初の物理探査チームは、1945 年 9 月に玉門油田に正式に設立されました。当時は重力探査チームと呼ばれていました。重力と磁気の探知を同時に行い、甘粛省玉門市と張掖市の間で縮尺10万分の1の重力・磁気調査を実施した。 1946年6月、上海に2つの新しい重力探査チームが設立されました。彼らはまず江蘇省南部の太湖地域で探検を行い、その後1950年5月に陝西省の延昌地域に行き地質調査を行った。

新中国の最初の地震探査チームは1949年に準備が始まり、1951年3月に正式に設立されました。1951年9月、チームは上海から陝西省北部の思浪廟地域に行き、黄土高原で地震探査実験を実施しました。 1952年の春、甘粛省酒泉盆地の青草湾地区に探検に出かけました。 1952年春、西北石油局探査部は第2次地震探査チームを組織し、陝西省延昌市胡家村地区で建設を開始しました。夏が過ぎると、建設のため酒泉盆地の大紅泉と文殊山に移動した。 1952年末に第3、第4地震班が結成され、それぞれ潮水盆地の焦水地区と酒泉盆地の老君寺付近で工事が行われた。また、中国とソ連が合弁で設立した中ソ石油公司も1952年に新疆に地質調査事務所を設立し、その傘下に重力探査チーム2つ、磁気探査チーム2つ、電気探査チーム1つ、地震探査チーム1つが設立され、新疆北部の胡吐壁地域とウス・ドゥシャンジ地域、新疆南部のバチュ・カシュガル地域とインジシャ地域で活動を展開した。

1950年代以前は、さまざまな要因により、中国の石油産業は非常に遅れていました。 1950年、中国には玉門の老君廟、陝西省北部の延昌、新疆ウイグル自治区の独山子という3つの小規模な油田と、四川省の自六井、勝登山、石油溝といういくつかの小規模なガス田しかなく、年間最大産出量はわずか30万トンだった。前述の重力、磁気、電気、地震などの探査チームの設立により、1950年代の中国西北地域での大規模な石油探査の基礎が築かれました。 1952年、ソ連とハンガリーから輸入された新型重力計、51型地震計、新掘削技術を用いて、玉門油田で石油溝、白洋河、耶爾霞油田が発見された。 1955年、新疆のジュンガル盆地の北西端で重力、磁気、電気、地震の調査が行われた。まず、得られた地質物理データに基づいて、黒玉山の隠れた構造が発見され、黒玉山1号井が特定され、工業用石油の流れが確認されました。その後、この地域では重力と電気の探査がさらに強化され、ケウ断層帯と断層帯付近に発達した5つの鼻状の構造が発見されました。 1958年、重力、磁気、電気探査データに基づき、ツァイダム盆地で冷湖構造帯が発見され、四川盆地では南充、桂花を含む7つの油田が発見された。 1959年までに、同国の原油生産量は373万トンに達し、天然ガス生産量は2億5000万立方メートルに達した。

西部地域での探査に重点を置きながら、1955年から石油探査戦略を東方に転換し、松遼盆地と渤海湾盆地で包括的な地質調査が行われた。現在、渤海湾盆地と松遼盆地の主要部分は華北平原と華北東平原であり、広大な肥沃な土地と平坦な地形を有し、地上に地質学的露頭はほとんど見られず、石油やガスの浸出もほとんど見られないため、石油とガスの地質調査では地球物理学的方法が絶対的な支配的地位を占めています。 1956年から1957年にかけて、松遼盆地で大規模な地上重力調査と空中磁気調査が実施されました。盆地全体にわたる 3 つの大規模な電気深度探査プロファイルが完了し、少量の 2 次元地震探査と掘削が実施されました。松遼盆地は中生代から新生代の大規模な堆積盆地であることが予備的に確認されており、盆地の中心部には有名な大慶長源と呼ばれる大きな背斜構造帯が発見された。 1958年9月、電気異常に基づいて発見された高台子背斜構造隆起上に松吉第3井の位置が予備的に計画されました。次に、2次元地震データによって決定された高台子構造図に基づいて、提案された井戸の位置を微調整しました。最終的に、高台子鎮永月村の隣に松集3号井を設置することが決定され、1959年4月11日に正式に掘削が開始されました。1959年9月26日、松集3号井から石油が噴出し、大慶油田が正式に発見されました。大慶油田は、中国の石油探査史上、物理探査法を用いて発見された初の超大型油田である。

大慶油田の探査に成功した後、石油探査チームは南に向かい、同じ探査アイデアに基づいて渤海湾盆地での探査を実施した。 1961年、東営窪地の華八井から1日あたり8.1トンの工業用石油が産出され、華北における大規模な石油探査活動の始まりとなった。華巴井は華北平原全体で初めて発見された井戸です。渤海湾盆地における初期の石油探査において新たな突破口を開き、勝利油田の誕生と、その後の花北、大港、冀東、南陽、中原などの大型油田の建設の基礎を築きました。

地球物理探査技術と中国の主要な石油・ガスの発見

1960年代から1980年代半ばにかけて、物理探査技術に基づく石油探査において一連の大きな進歩と発見があった後、我が国の原油生産量は急速に増加しました。 1963年、全国の原油生産量は648万トンに達し、1978年には1億400万トン（うち大慶油田の年間生産量は5000万トンを超える）、1985年には1億2500万トンに達した。

1980年代以降、中国の石油探査は、地理的条件が良く探査が容易な大規模油田が基本的に発見され枯渇し、中国の新たな石油埋蔵量がゆっくりと増加したため、深刻なボトルネック期を迎えた。さらに、古い油田は徐々に衰退期に入ってきました。このため、中国の石油探査家らは「東部を安定させ、西部を発展させ、石油とガスを同時に開発し、海洋探査を強力に発展させる」という新たな構想を提唱している。同社は、3次元地震探査技術を用いて東部地域での探査を継続するとともに、西部地域、特にタリム、ジュンガル、トゥハ、ツァイダム、オルドス、四川盆地での石油探査の強化に注力し、多数の新たな油田・ガス田を発見した。陸上での石油探査が精力的に行われている一方で、海洋での石油・天然ガスの探査も大きな進歩を遂げています。海上では、渤海湾で蓬莱19-3、綏中36-1、秦皇島32-6、伯中25-1、錦県1-1、錦州25-1、南シナ海で渭州11-4、亜城13-1などの油田が相次いで発見された。オルドス盆地の井辺、蘇日孤​​、タリム盆地の塔中、崑南、科拉2、四川盆地の大川中、普光、広安、大田池、合川などで多数の天然ガス田が発見され、陸と海、石油とガスを横断する新たな探査開発局面が形成され、我が国の年間石油・天然ガス生産量の着実な増加が確保されました。

21世紀に入り、世界の主要油ガス田の大半は成熟・衰退期に入っており、新たな探査対象地域は複雑化・隠蔽化しており、対象地層はますます深くなり、陸上での大規模油ガス田の発見はますます困難になっており、従来の油ガス田の発見は減少傾向を示しています。このような探査状況では、新たな石油・ガス探査ターゲットの発見がますます困難になっており、高層・急峻な構造、複雑な構造、岩相トラップ、密度、深層・超深層などの地質条件により、物理探査技術に対する要求が高まっています。さらに、探査効率の向上も急務となっています。上記の困難に対応するため、中国の物理探査従事者は、従来の物理探査技術の発展を継続するとともに、画期的な時間周波数電磁探査技術、多波多成分地震探査技術、広帯域、広方位、高密度の「2つの幅と1つの高さ」の地震探査技術を革新的に提案し、我が国の陸上および海上石油・ガス探査技術の向上を実現しました。石油・天然ガス探査の成果は大幅に向上し、数多くの新たな油田・ガス田が発見され、我が国の石油・天然ガス生産量は2億トンに達し、その水準を維持しており、石油産業の質の高い発展を効果的に支えています。

結論

1919年にミントロップが地震屈折波法の特許を申請し、1921年にジョン・クラレンス・ケーチャーらが反射波地震探査の現地試験を実施し、1922年に重力探査技術が初めてメキシコ湾岸の岩塩ドーム構造に関連する石油貯留層を検出することに成功して以来、100年が経過しました。物理探査技術は100年にわたって石油探査に導入されてきました。過去100年間、世界の油田とガス田の80％以上、我が国の油田とガス田の90％以上が物理探査によって発見されており、物理探査の絶大な力と歴史的成果を実証しています。

著者: 陳茂山、宋強功、王成祥 (中国石油天然気集団 東方地質探査有限公司)