中国の天然ガスのヘリウム同位体比(³He/⁴He)は、大気(1.4×10^-6)の0.004倍から5.2倍の値である。ヘリウムの起源はマントル,地殻および大気起源ヘリウムの三つ成分の混合で説明できると考えられる。図1にヘリウム同位体比の地域分布を示す。マントル起源のヘリウムを示唆する高い³He/⁴He比(大気の0.1倍より高い)は東部と南西部の新生代火山活動地域さらに東部地域の伸張作用で形成された盆地に分布している。それに対して³He/⁴Heの低い比は中央部と北西部の安定地域に分布し、これは地殻内部のウランやトリウムなどの放射壊変による⁴Heの付加の結果と考えられる。

　中国東部地域の天然ガスの³He/⁴4He比は大気の0.7倍から5倍の値であり、その最高値はMORB(大気の8倍程度)の値より低いことが分かった。この原因として地殻中の放射壊変起源の⁴Heの付加も考えられるが、大陸下のマントルに固有の値である可能性が考えられる。また,大陸下のマントルのHe/U比はMORB源のマントルより低いことが示唆される。

　ネオン同位体比の測定結果は,いくつかの試料の²⁰Ne/²²Neと²¹Ne/²²Ne比が大気の値(9.8と0.0290)より高い値を示した。図2に東部の断裂地帯の試料のネオン同位体比の分布を示す。本研究で分析した試料の²⁰Ne/²²Neと²¹Ne/²²Ne比は大気の値を通る直線上に分布しており、二つの端成分(大気とマントル成分)の混合である可能性を示している。また,アメリカ合衆国ニューメキシコ州Harding Countyおよび他の大陸地域の天然ガスの報告値もこの直線上に分布する。²⁰Neは地球上の核反応では生成しないため、大気より高い²⁰Ne/²²Ne比は地球形成時に取り込まれたSolarネオンの存在を示唆する。²¹Ne/²²Ne比の異常は¹⁸O(,n)²¹Ne反応による²¹Neの付加が原因であり,ウラン、トリウム濃度に依存する。マントルのネオン同位体比がSolarネオンの存在と核反応起源²¹Neの付加により大気の値と異ることは,MORBやOIBの結果など海洋下のマントルに関してのみ報告されている。本研究から²¹Ne/²²Ne比についてはMORB源のマントルより,大陸下のマントルのが高いことが明らかにされた。また,図2の天然ガスの直線の傾きがL-K線とMORB線の傾きより小さいことから、大陸下のマントルのNe/U比はMORB源のマントルより低いことが示唆される。

　大部分の天然ガス試料の³⁸Ar/³⁶Ar比は大気の値(0.1880)と等しいが,東北部の松遼(Songliao)盆地の試料に³⁸Arの過剰が見られた。³⁸Ar過剰(5%)は地殼中の³⁵Cl(,p)³⁸Ar反応による³⁸Arの付加を受けた結果と考えられる。測定した試料の⁴⁰Ar/³⁶Ar比はすべて大気の値(295.5)より高く,7700に達した。⁴⁰Kの放射壊変による⁴⁰Arの付加により,マントルも地殼物質も高い⁴⁰Ar/³⁶Ar比をもつが、東部の天然ガス試料の⁴⁰Ar/³⁶Arと³He/⁴He比(図3)および²⁰Ne/²²Ne比の間の正の相関から、マントル起源の⁴⁰Arが含まれていることが考えられる。

図表Fig.2 Three-isotope plots for neon of natural gases in China.Previous data are also plotted for comparison. / Fig.3 Relation between ³He/⁴He and ⁴⁰Ar/³⁶Ar ratios of natural gases in China.

　クリプトンの各同位体比は、すべての試料について測定誤差範囲内で大気の値と有意な差は見られなかった。このことは今回測定した試料が大きな質量分別効果を受けていないことを示唆している。

　キセノンの各同位体比のうち、^124-128Xe/¹³⁰Xeの同位体比はすべての試料が誤差範囲内で大気の値と等しいのに対し、東北部松遼、東南部三水(Sanshui)および蘇北(Subei)盆地の試料の¹²⁹Xe/¹³⁰Xe、^132-136Xe/¹³⁰Xe比は大気の値より有意に高いことが分かった。天然ガス試料の¹²⁹Xeの過剰(3%)は,原始太陽系において生成され,その後消滅した¹²⁹Iの壊変(半減期1.7×10⁷年)によって生じたものと考えるとができる。^132-136Xeの過剰の原因については²³⁸Uの自発核分裂(半減期4.5×10⁹年)によるのか,消滅核種²⁴⁴Pu(半減期8.2×10⁷年)によるかについては同位体比異常が小さいため,判断することは困難である。¹²⁹Xe/¹³⁰Xeと¹³⁶Xe/¹³⁰Xe比の関係(図4)は大気の値を通る直線上に分布しており、二つの端成分(大気とマントル成分)の混合の可能性を示している。ネオンに見られる相関と同様、天然ガスのキセノン直線の傾きがMORB線の傾きより小さいことから、大陸地殼下のマントルのI/U比はMORB源のマントルより低いことを示唆している。

Fig.4 Relation between ¹²⁹Xe/¹³⁰Xe and ¹³⁶Xe/¹³⁰Xe of natural gases in China.Previous data are also plotted for comparison.

　これまで報告されている中国東部地方の火山岩と捕獲岩の深度,希土類元素組成およびSr,Nd,Pb同位体比の研究から、中国大陸東部のマントルは層構造をなしていると考えられている。すなわち,岩石圏のマントルには希土類元素などイオン半径の大きな元素が濃集し,その下の岩流圏のマントルはMORB源のマントルに似た組成が考えられている。本研究で分析された天然ガスの希ガスの源物質(大陸下のマントル)は,MORB源のマントルと比べて³He/⁴He比が低く,高²¹Ne/²²Ne比,低He/U,Ne/UおよびI/U比をもつことは,岩石圏のマントルの影響を受けた結果と解釈することができる。

　大部分の天然ガス試料のメタン,エタン,プロパン,n-ブタン,n-ペンタンの炭素同位体比の間には,¹³C₁<¹³C₂<¹³C₃<¹³C₄<¹³C₅という関係が成立する(図5)。このことは,ケロゲンや石油のような高分子炭化水素の熱分解反応によってこれらの分子が生成する場合に予想される同位体分別効果を反映しており,炭化水素が熱分解起源であることを支持している。一部の試料に見られるメタン,エタン,プロパン,n-ブタン,n-ペンタンの間の炭素同位体比の逆転は炭化水素の混合(微生物起源のメタンと熱分解起源のメタン,および熟成度違う熱分解起源の炭化水素の間の混合),選択酸化,移動などで説明される。

Fig.5 Distribution patterns of typical ¹³C values of hydrocarbons in China.

　二酸化炭素の炭素同位体比は大きく変動しているが,二酸化炭素の濃度が20%以上の試料のの¹³Cは-2--8‰であり,マントル起源の二酸化炭素の値と一致する。また,これらの試料の³He/⁴He比はすべて高く,マントル起源ヘリウムが含まれている。こうしたマントル起源の二酸化炭素は東部と南西部盆地に存在する。