JP3662921B1 - 海底資源探査システム及び海底資源探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く、安価に海底資源を探査することができる海底資源探査システムを提供する。
【解決手段】海底資源探査システムは、海中へ音波を送信し、音波が海水中に存在する、海水と密度の異なる物体の境界面で反射した散乱波を受信する振動子１と、送信した音波及び受信した散乱波から散乱強度を計算し、所定の散乱強度である場合、物体の直下の海底に資源があると判断する解析部１７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、音波を用いて海底資源が起源のガスや固体が混合した物体を探知し、海底資源を探査する海底資源探査システム及び海底資源探査方法に関する。

従来、ガスハイドレードなどの海底資源探査は、海底地質探査用の低周波音源の音響機器を用いて、海底下の地質データのみをサーチすることにより、行っていた。

このような海底資源探査法としては、例えば、地震探査法が用いられる（例えば、非特許文献１参照。）。これは、石油・天然ガス探鉱で、石油・天然ガスを含む地層の分布を調べることに利用され、地震のような振動を人工的に発生させ、その振動を利用して地質探査を行い、その結果によって、資源を探査する方法である。

又、海面付近である振動を与えると、音波が発生し海中を伝わる。海底面で反射した音波を利用して、探査を行う反射地震探査法も用いられる。

更に、戻ってきた音波を受信するために、ストリーマーと呼ばれるケーブルを用いるが、最近は、複数本のストリーマーケーブルを用いる調査も珍しくなくなってきた。最近の石油探鉱地心探査では、６０００ｍ以上のストリーマーケーブルを１０本以上、一度に船で曳航して調査する場合もある。このように、ストリーマーケーブルを複数本用いると、立体的な地震探査記録が得られるため、３Ｄ（３次元）地震探査法と呼ばれる。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｈ２１ｊａｐａｎ．ｇｒ．ｊｐ／（メタンハイドレード資源開発研究コンソーシアムのホームページ）

しかしながら、地震探査法は、直接石油・天然ガスなどの資源を確認するわけではなく、地質探査の結果から資源の存在を推測して掘るため、実際に掘っても資源が出ない場合も多い。

又、上述した反射地震探査法や３Ｄ地震探査法は、大規模で、多くの費用と時間がかかる。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、信頼性が高く、安価に海底資源を探査することができる海底資源探査システム及び海底資源探査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは、海底資源を探査する際に、従来観測されていなかった、船底と海底間の海水中のデータに着目し、本発明を完成させるに至った。

本発明の第１の特徴は、（ａ）海中へ音波を送信する送信手段と、（ｂ）音波が海水中に存在する、海水と密度の異なる物体の境界面で反射した散乱波を受信する受信手段と、（ｃ）送信した音波及び受信した散乱波から散乱強度を計算し、所定の散乱強度である場合、物体の直下の海底に資源があると判断する解析手段とを備える海底資源探査システムであることを要旨とする。

ここで、「物体」とは、固体に限らず、液体、気体であっても構わない。又、これらの混合物であっても構わない。例えば、熱水、ガスバブル、ハイドレードなど固体を含む混合水などが挙げられる。

第１の特徴に係る海底資源探査システムによると、海中のデータを解析することにより、信頼性が高く、安価に海底資源を探査することができる。

又、第１の特徴に係る海底資源探査システムは、所定の散乱強度を有する物体の輪郭を可視化して表示する表示手段を更に備えてもよい。

この海底資源探査システムによると、海底資源が存在する場所、海底資源を起源とする物体を視覚的に捉えることができ、多くの費用と時間をかけずに効率的に海底資源を探査することができる。

又、第１の特徴に係る海底資源探査システムにおいて、解析手段は、物体における散乱強度の最大値が、−６０〜−３０ｄＢであり、物体における散乱強度の平均値が、−７０〜−５０ｄＢである場合、物体の直下の海底に資源があると判断することが好ましい。

又、解析手段は、海底直上から１００ｍ以内に、物体が−４５〜−３０ｄＢの散乱強度を有する場合、物体の直下の海底に資源があると判断することが更に好ましい。

又、第１の特徴に係る海底資源探査システムにおいて、物体は、ガスを含み、資源は、ガスハイドレードであってもよい。ガスハイドレードとしては、例えば、メタンハイドレードがあり、これは、メタンガスを含んだ氷状の固体である。

本発明の第２の特徴は、（ａ）海中へ音波を送信するステップと、（ｂ）音波が海水中に存在する、海水と密度の異なる物体の境界面で反射した散乱波を受信するステップと、（ｃ）送信した音波及び受信した散乱波から散乱強度を計算するステップと、（ｄ）所定の散乱強度である場合、物体の直下の海底に資源があると判断するステップとを含む海底資源探査方法であることを要旨とする。

第２の特徴に係る海底資源探査方法によると、海中のデータを解析することにより、信頼性が高く、安価に海底資源を探査することができる。

本発明によると、信頼性が高く、安価に海底資源を探査することができる海底資源探査システム及び海底資源探査方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。

（海底資源探査システム）
本実施形態では、海底資源であるメタンハイドレードを探査する。本発明者らは、メタンハイドレードが存在する海底から、メタンガスとメタンハイドレードとが混合した物体が涌き上がることを発見し、この物体を探査することにより、メタンハイドレードの存在場所を推測する。

本実施形態に係る海底資源探査システムは、図１に示すように、正弦波発生部１１と、パルス幅切り替え部１２と、送信信号増幅部１３と、送受切り替え部１４と、振動子１（受信手段及び送信手段）と、受信信号増幅部１６と、解析部１７(解析手段)と、表示部１８(表示手段)とを備える。このような海底資源探査システムとして、魚群探知機を使用することができる。

又、振動子１は、図２に示すように、船５の底に取り付けられる。船５は、０〜３ノットの速度で前進する。海底には、メタンハイドレード４が存在し、ここからメタンガスとメタンハイドレードとが混合した物体３が発生する。

正弦波発生部１１は、正弦波を発生させる。このときの周波数は、できるだけ低い周波数である必要がある。例えば１〜５０ｋＨｚであり、４０ｋＨｚ以下にすることが好ましい。

パルス幅切り替え部１２は、正弦波を送信する際のパルス幅を指定する。

又、物体３が存在する水深が深いため、繰り返し周波数は、例えば、水深１０００ｍで４秒と指定する。

送信信号増幅部１３は、正弦波発生部１１から入力された信号を増幅する。

送受切り替え部１４は、送信及び受信の切り替えを行う。

振動子１は、図２に示すように、送受切り替え部１４から入力された電圧を音圧に変換し、音波として、所定の等価ビーム幅Ψ（「水槽の水面反射を利用した計量魚群探知機の較正」日本水産学会、６３（４）、５７０−５７７（１９９７）参照）で海中へ送信する。この等価ビーム幅Ψは、（振動子１の振動面の直径）／（正弦波の波長）にほぼ比例する。又、海底資源は水深の深い海域に多く産出するので、水平方向の分解能を高くするために、ビーム幅はシャープにする。例えば、−１９．１ｄＢ程度とする。

又、振動子１は、音波が、海水中に存在する、海水と密度の異なる物体の境界面で反射した散乱波を受信する。ここでは、メタンガスとメタンハイドレードとが混合した物体３の境界面で反射した散乱波を受信する。そして、振動子１は、散乱波の音圧から電圧信号に変換する
送受切り替え部１４は、送信及び受信の切り替えを行う。

受信信号増幅部１６は、送受切り替え部１４から出力された電圧信号を増幅する。

解析部１７は、送信した音波及び受信した散乱波から散乱強度を計算し、所定の散乱強度である場合、物体３の直下の海底にメタンハイドレード４があると判断する。ここで、「散乱強度」とは、海水とは異なる密度の物体の単位体積あたりの散乱波の強さをいう。散乱強度Ｓ_v（ｄＢ）は、式（１）、式（２）によって与えられる（例えば、海洋音響 基礎と応用 海洋音響研究会 １９８４年 Ｐ８０〜８５参照）。

ｓ_v＝Ｉ_s／Ｉ_i ・・・式（１）
Ｓ_v＝１０logｓ_v ・・・式（２）
ここで、Ｉ_iは入射する平面波音波の強さ、Ｉ_sは単位体積の物体の音響中心から単位距離における散乱波の強さを示す。

物体３は、図２に示すように、柱状であり、この柱状物体を深さ方向に何点か測定し、一つの物体３における、散乱強度ＳＶの最大値、平均値、最小値を計算する。

解析部１７は、物体３における散乱強度ＳＶの最大値が、−６０〜−３０ｄＢであり、平均値が、−７０〜−５０ｄＢであり、最小値が、−９０ｄＢ以上である場合に、その直下の海底にメタンハイドレード４が存在すると判断する。

又、解析部１７は、物体３において、海底直上から１００ｍ以内に、−４５〜−３０ｄＢの大きい散乱強度ＳＶを有する場合、特にメタンハイドレード４が存在する可能性が高いと判断する。これは、密度の濃いメタンガス、あるいは、メタンハイドレードの結晶で、超音波が散乱するためである。

表示部１８は、図４に示すように、所定の散乱強度を有する物体３の輪郭を可視化して表示する。表示部１８とは、例えば、モニタなどの画面を指し、液晶表示装置（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）パネル、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）パネル等が使用可能である。又、表示部１８はプリンターなどでも構わない。

又、表示部１８は、図３に示すように、海底面の輪郭を表示することも可能である。

尚、図示してはいないが、本実施の形態に係る海底資源探査システムは、解析処理をさせるためのプログラムを保存するプログラム保持部を備えていても良い。プログラム保持部は、ＲＡＭ等の内部記憶装置を用いても良く、ＨＤやＦＤ等の外部記憶装置を用いても良い。

（海底資源探査方法）
次に、本実施形態に係る海底資源探査方法について、説明する。

まず、正弦波発生部１１は、正弦波を発生させる。

次に、パルス幅切り替え部１２は、正弦波を送信する際のパルス幅を指定する。

次に、送信信号増幅部１３は、正弦波発生部１１から入力された信号を増幅し、送受切り替え部１４は、送信へ切り替える。

次に、振動子１は、増幅された電圧信号を音圧に変換し、音波として、所定の等価ビーム幅Ψで海中へ送信する。そして、振動子１は、音波が、海水中に存在する、海水と密度の異なる物体の境界面で反射した散乱波を受信する。振動子１は、散乱波の音圧から電圧信号に変換する。

次に、送受切り替え部１４は、受信へ切り替える。

次に、受信信号増幅部１６は、送受切り替え部１４から出力された電圧信号を増幅する。

次に、解析部１７は、送信した音波及び受信した散乱波から散乱強度を計算し、所定の散乱強度である場合、物体３の直下の海底にメタンハイドレード４があると判断する。

次に、表示部１８は、散乱強度を可視化して表示する。

（作用及び効果）
本実施形態に係る海底資源探査システム及び海底資源探査方法によると、解析部１７が海中のデータを解析することにより、信頼性が高く、安価に海底資源を探査することができる。

又、散乱強度を可視化して表示する表示部１８を更に備えることにより、海底資源が存在する場所、海底資源を起源とする物体を視覚的に捉えることができ、多くの費用と時間をかけずに効率的に海底資源を探査することができる。

又、解析部１７は、物体における散乱強度の最大値が、−６０〜−３０ｄＢであり、物体における散乱強度の平均値が、−７０〜−５０ｄＢである場合、物体の直下の海底に資源があると判断することができる。これは、メタンハイドレードからガスが湧き出る場合、その組成から、このような散乱強度を有すると考えられる。

更に、解析部１７は、海底直上から１００ｍ以内に、物体が−４５〜−３０ｄＢの散乱強度を有する場合、物体の直下の海底に資源があると判断することができる。これは、密度の濃いガス、あるいは、ガスハイドレードの結晶で超音波が散乱するためであると考えられる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本実施形態において、海底資源としてメタンハイドレードを例にとり説明したが、その他の海底資源に適用してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

以下に、本発明を実施例により更に詳しく説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

本発明者らは、本発明に係る海底資源探査システムを用いて、日本海において、メタンハイドレードの探査を行った。この探査は、１８８６ｔの船によって行い、既存の魚群探知機を用いて行った。

図５は、観察エリアの３次元マップである。船のインターバルは、０．０５ｎｍｉ．であり、そのスピードは、３ｋｔであった。観測の航行路を図６に示す。

海底資源探査システムとしては、図１に示すものを用いた。具体的には、計量魚群探知機、ＫＦＣ３０００（カイジョー製）を用いた。周波数は、３８ｋＨｚであり、等価ビーム幅Ψは、−１９．１ｄＢであった。

図７は、ＧＰＳからの位置データと共に、計量魚群探知機を使用して、柱状に広がるメタンガス（以下において、「メタンプルーム」という。）をマッピングしたものである。

発明者らは、エコーグラムにおいて、直径約１００ｍ、高さが２００ｍ〜７００ｍ、海面下６００〜３００ｍに届く、３６プルームを測定した。そして、ＧＰＳからの位置データと共に、計量魚群探知機を使用して、所定の速力で航走しながら４秒おきにメタンプルームを測定した（図７〜１１）。

図８〜１１は、メタンプルームのエコーグラムである。縦軸は、振動子１の表面、言い換えると、船底からのからの距離である。横軸は、船の航海距離である。

図８〜１１において、下の茶色いラインが海底面を表す。図１０は、図１３に示すこぶし大のメタンハイドレードが発見された場所に対応するメタンプルームを示す。図１１は、ＣＴＤ測定を行ったメタンプルームを示す。

図８は、潮の流れによって、水深６００ｍ付近で北方向に傾斜するプルームを示す。このときの船の速度は、３ノットであった。

図９は、水深３００〜３５０ｍ地点にあるプルーム（左側から２番目）を示す。この先端は、膨らんでいるが、これは、この深さ付近で水温が急に高くなるからである。

図１０は、メタンハイドレードの固まりを発見した場所のプルームを示す。このときの船の速度は、０．３ノットであった。

図１１は、ここで、ＣＴＤの観察を行ったプルームを示す。このとき、船はエンジンを停止していた。

図１２は、図１１のプルーム１、２、３を観察する間の航跡である。中央の太線は、プルーム１の超音波データを測定したとき、上部の太線は、プルーム２の超音波データを測定したとき、下部の太線は、プルーム３の超音波データを測定したときの航跡である。図１２のグリッドは、３０ｍ×３０ｍである。

図１１において、３つのプルームのエコーグラムを比較すると、これらは、１つのプルームの異なる場所を表現していることが分かる。

海底の水の温度は、異常に低い温度、ＣＴＤを用いて測定した際、０．２５℃であった。

本発明者らは、それぞれのメタンプルームからの散乱強度ＳＶを計算した。プルームの散乱強度ＳＶは、積分層幅を１００ｍ、積分間隔を１分として、計量魚群探知機の一部である積分機能を用いて計算した。具体的には、柱状のプルームを１００ｍ毎に一定幅で輪切りにし（この輪切りにした部分を「グリッド」という。）、グリッド毎に散乱強度ＳＶを計算した。プルームの散乱強度ＳＶの値は、表１に示すとおりである。

図１４において、縦軸は、散乱強度ＳＶ（ｄＢ）を示し、横軸は、船底からの距離（ｍ）を示す。緑の細線は、図１１の左側から２番目のプルーム１の平均散乱強度ＳＶを示し、青の細線は、図１１に右側から２番目のプルーム２の平均散乱強度ＳＶを示し、赤の細線は、図１１の右側から２番目のプルーム３の平均散乱強度ＳＶを示す。黒の細線は、すべての平均値を示す。

図１４に示すように、平均散乱強度ＳＶは、プルームの下部から中間にかけて最も高い値を示すのに対し、プルームの上部では比較的低い値を示す。又、平均散乱強度ＳＶは、海底から海面下７００ｍの範囲ではバラツキが少ないのに対し、海面下７００ｍ以上の範囲では、それぞれのプルームに対して異なる値をとる。このことは、海底から海面下７００ｍの範囲では、メタンガスの密度が比較的一定であり、海面に向かってだんだんとガスが減っていくことが分かる。

図１４において、プルーム２の平均散乱強度ＳＶは、プルーム１はプルーム３に比べ高い。上述したように、これらの３つのプルームは、１つのプルームを表している。プルーム２を測定した航跡は、このプルームの中央を航行し、プルーム１及びプルーム３を測定した航跡は、このプルームの端を航行しているものと考えられる。

（結果）
本発明者らは、メタンプルームをマッピングし、エコーグラムにおいて、直径約１００ｍ、高さが２００ｍ〜７００ｍ、海面下６００〜３００ｍに届く、３６プルームを測定した。

又、本発明者らは、それぞれのプルームの散乱強度ＳＶを測定した。その散乱強度ＳＶは、表１に示すとおりであった。即ち、散乱強度の最大値が、−５４〜−３５ｄＢであり、散乱強度の平均値が、−６５〜−６３ｄＢである場合、このプルームの直下の海底に資源があることが分かった。

更に、当該プルームの測定結果を詳細に解析すると、表２に示す結果が得られた。

即ち、海底から１００ｍ以内の積分層の中に、−４４〜−３６ｄＢの強い散乱強度を有していた。よって、このようなプルームの直下の海底に資源があることが分かった。

又、平均散乱強度ＳＶは、プルームの下部から中間にかけて最も高い値を示すのに対し、プルームの上部では比較的低い値を示した。

又、本発明者らがメタンプルームを観察した場所から、メタンハイドレードが発見された。

これらの結果から、本実施形態に係る海底資源探査システム及び海底資源探査方法は、メタンハイドレードの埋蔵場所を知るのに効果的であることが分かった。

本実施の形態に係る海底資源探査システムの構成ブロック図である。 本実施の形態に係る海底資源の探査を説明するための図である。 本実施の形態に係る海底資源探査システムの表示部が表示する画面の一例である（その１）。 本実施の形態に係る海底資源探査システムの表示部が表示する画面の一例である（その２）。 本実施例に係る観測エリアの３次元マップである。 本実施例に係る観測の航行路である。 本実施例に係るメタンプルームのマップである。 本実施例に係るメタンプルームのエコーグラムである（その１）。 本実施例に係るメタンプルームのエコーグラムである（その２）。 本実施例に係るメタンプルームのエコーグラムである（その３）。 本実施例に係るメタンプルームのエコーグラムである（その４）。 図１１のプルーム１、２、３を観察する間の航跡である。 本実施例において発見されたこぶし大のメタンハイドレードである。 本実施例に係る３つのプルームの平均散乱強度ＳＶである。

符号の説明

１…振動子
３…物体
４…メタンハイドレード（海底資源）
５…船
１１…正弦波発生部
１２…パルス幅切り替え部
１３…送信信号増幅部
１４…送受切り替え部
１６…受信信号増幅部
１７…解析部
１８…表示部

Claims (2)

1. 海中へ音波を送信する送信手段と、
   前記音波が海水中に存在する、メタンガス及びメタンハイドレードの混合物と海水との境界面で反射した散乱波を受信する受信手段と、
   前記送信した音波及び前記受信した散乱波によって測定された散乱強度が所定の関係である場合、前記混合物の直下の海底にメタンハイドレードがあると判断する解析手段とを備え、
   前記所定の関係とは、海底から所定の高さまでの範囲において、前記混合物を深さ方向に所定の幅で輪切りにしたグリッドにおける、散乱強度の最大値が−６０〜−３０ｄＢであり、散乱強度の平均値が−７０〜−５０ｄＢであることを特徴とする海底資源探査システム。
2. 前記所定の高さは、３００ｍであり、
   前記所定の幅は、２０〜１００ｍであることを特徴とする請求項１に記載の海底資源探査システム。