海底下の音波探査 マルチチャンネル地震探査システム (MCS)
海底下探査のための代表的な音源 ( 震源 )
サブボトムプロファイラ (SBP) の原理 Sub Bottom Profiler (SBP) ( 海底下探査ソーナー ) 音響インピーダンスの違いにより地層からの反射波を捉える 地層に浸透する比較的低い周波数 3.5kHz を中心に 3kHz~7kHz くらいの周波数が使われる 新しい技術 チャープ (Chirp) 信号による処理利得の向上 非線形 ( ノンリニア ) 音源による指向特性の改善 ( 数十度 数度 )
3.5kHz サブボトムプロファイラー (SBP) 受信機 放電破壊型記録器 送波器 なぜ 3.5kHz なのか? 第二次世界大戦後 米海軍の払い下げ放出品の送波器の中心周波数が 3.5kHz だったらしい 同じ周波数で比較するため普及した
Sub Bottom Profiler (SBP) のタイプ
チャープ (Chirp) 方式の考え方 chirp 信号 周波数を時間とともに変化させた波相互相関処理によるパルス圧縮 見かけの出力の増大 S/N の改善
通常型チャープ方式サブボトムプロファイラ (SBP)
サブボトムプロファイラのチャープ周波数 Frequency 6.5 4.5 2.5 (khz) 50 msec Time チャープ信号を使うと船底付近に居住する乗組員に対する騒音が問題となった
通常型サブボトムプロファイラの地層データ比較
クロスファンビームによるサブボトムプロファイラ
サブボトムプロファイラのビーム幅と分解能
クロスファンビームサブボトムプロファイラ構成図 Sea Beam 2112.004 型 from Navigation Unit (Lat.,Lon.,data) Sub Bottom data Processing Work Station Printer Sub Bottom Controler Surface SEABEAM 21 12 12KHz Thermometer Unit Roll,Pitch, Heave Corr ection Unit Sub Bottom Processing VME Elecr tr onics Sub Bottom Received Unit Sub Bottom Processer Echo Sounding Unit to Power Amp. 2.5 ~ 6.5kHz Carrier Generator Sonar developing Sub System Spar e Processer Unit Main using 40 pr ojectors at 12kHz 4kHz Connecter Unit odd-number channels Transmitter Transmitter Connecter Connecter Unit Unit Port side Hydrophones Connecter Unit Starboad side Hydrophones Connecter Unit 12kHz Pr ojector arrey 4kHz Pr ojector arr ey Consist of the 60 (=20 3 ) tonplitz type pr ojectors 80 Channels Hydor ohone Arrey
信号処理部ブロック図 (Sea Beam 2112.004 型 ) SBP OAR#1 ハイドロフォン入力 1-8 SBP OAR#2 ハイドロフォン入力 9-16 SBP OAR#3 ハイドロフォン入力 17-24 SBP OAR#4 オーバーレイバックプ レーン SBP OAR#5 ハイドロフォン入力 25-32 ハイドロフォン入力 33-40 SBP ARC DSP 相互接続 DSP #2 電源部 DSP #1 生データ出力 HOST CPU AC ステータスコントロール 送信出力 外部同期信号 送信キー アラーム VME バックプレーン VRU/ タイムインタラプト 高圧モニター パワーアンプステータス / コントロール アナログ出力 VRU, 時刻 ナビゲーション コンソール イーサネット SCSI
深海調査研究船 かいれい の船底装備送波器アレー SeaBeam2112 測深用 12kHz 送波器アレー SBP 用 4kHz 送波器アレー
沈没船をターゲットにしたクロスファインビーム SBP の性能評価
かいれい 搭載のクロスファンビーム SBP 観測結果の例 (1) ( ニューギニア沖船速 16 ノット ) 675ms (1013m ) 75 ms (113m) 5000 m
かいれい 搭載のクロスファインビーム SBP 観測結果例 (2) ニューギニア沖船速 16 ノット 5000 m 断層? 75 ms (113m)
サブボトムプロファイラの記録例沖縄トラフの地形とサブボトムの記録 かいれい 2001 年
Sub Bottom Profiler (SBP) のタイプによる違い
無人探査機 かいこう のパラメトリック型サブボトムプロファイラ
パラメトリック型サブボトムプロファイラ 水の非線形効果を利用 利点 小型軽量 ビーム幅を狭くできる 欠点 換効率が低い 数 %
無人探査機 かいこう パラメトリック型サブボトムプロファイラ送波器 送受波器の外観 素子の配列黒 :57.5kHz 白 :62.5kHz
パラメトリック型サブボトムプロファイラ送波ビームパターン 1 次ビームパターン 57.5kHz 2 次ビームパターン 5kHz
無人探査機 かいこう の SBP 受波器 ビームパターン 10dB
スパーカー コンデンサに蓄電した高圧放電電流を渦巻き状のコイルに流し コイルと対置した金属板が電磁誘導により移動した時に発生する衝撃音を音源として利用する 周波数 :100Hz~ 数 khz 送信電気エネルギ :100J~20,000J
人工地震 ( 震源 ) による地殻構造探査 探査の目的プレート境界における巨大地震発生メカニズムの解明資源探査 手法震源 ( 音源 ) エアガン受信システム 1) マルチチャンネル反射法 (MCS) ストリーマケーブル ( ハイドロフォンアレー ) 2) 屈折波探査法自己浮上型海底地震計 (OBS)
マルチチャンネル反射法探査 (MCS,OBS) マルチチャンネル反射法探査と海底地震計展開のイメージ テールブイ ストリーマーケーブル エアガン 反射波 音波 海底地震計 沈み込んだプレート 屈折波 反射波 堆積層
マルチチャンネル地震探査システム (MCS)
可搬型マルチチャンネル地震探査システム (MCS)
反射法探査 海面発振 1 1 2 3 エアガン 1 2 3 堆積物 岩盤 発振 2 1 2 3 発振 3 1 2 3 A 点
共通反射点 (CDP : Common Depth Point stack) 重合法 データ処理法 共通反射点 (CDP : Common Depth Point stack) 重合法 同一点の反射波 (CDP ギャザー ) の NMO を補正して同一時間上に並べることにより信号を強調し 雑音を減らす (S/N の改善 ) 遅れ時間 Normal Move Out
CDP 重合法 CDP ギャザー
1997 かいれい 竣工 地震調査研究のため装備搭載 1999 かいれい 4628 トンストリーマーケーブル 204ch 約 5500m ストリーマー長エアガン約 200 リットル 2
ストリーマケーブル ケーブル長は最大 5200m チャンネル数最大 204 受振点間隔 25m 曳航深度 15m パラベーン 記録系仕様 記録長 13.5s サンプリング間隔 :4ms テールブイ エアガン 空気圧 2000psi, 総容量 12000cu.in 発震点間隔 50m 曳航深度 10m 3
かいれい MCS 概要 エアガン 1, 5 0 0 cu. In ch 8 基 2000psi ( 約 13.79MPa) Bolt Technology 社製 ストリーマーケーブル Sercel 社製 測位 1 5 2 ch 約 4, 0 0 0 m = 1 2, 0 0 0 cu. In ch ( 約 200リットル ) Syntrak960 Digital Streamer 船位 =D-GPS 受振点間隔 25m 曳航深度 10m エアガン位置 =R-GPS
かいれい MCS のシステム概念図
マルチチャンネル地震探査システム (MCS) システムの構成 マルチチャンネル地震探査システム構成図 信号処理フロー
MCS の振源 ( 音源 ) エアガン Air Gun 圧縮した空気を一気に吐き 出して爆発的な音を出す
かいれい 搭載エアガン 同時に 4~8 台のエアガンを作動させることによって大きなエネルギーを得る
エアガンの同調配列
ウオーターガン空気の替わりに圧縮した水を使う 分解能は良いが大きな振動が得られない 小規模な探査に向く
エアガン曳航システム
ブイ パラベイン
故障原因アンビリカルケーブル不良 Z キンク 断線 断線 新アンビリカルケーブル
断線防止用方策 ケーブルカバーの設置
かいれい MCS のシステム概念図
MCS の受振器 ( ストリーマケーブル ) 例 : かいれい 120 チャンネル長さ約 4km
ストリーマーケーブル ( ハイドロフォンアレー ) 海水に中立になるよう浮力調整 深度や方位のセンサーにより精密な計測が必要
MCS 反射法の信号処理装置 ( 探鉱機 ) かいれい 船上 中央制御 記録装置 エアガン制御装置 測位制御装置 船上データ処理装置 Sercel 社 Syntrak960 Sercel 社 GCS90 Gun Controller Concept System 社 SPECTRA Landmark 社 ProMAX2D
リアルタイムモニターデータ
かいれい MCS 調査航跡 (1997 2005 年 ) かいれい
データ解析例 四国沖の調査測線
音波探査記録 未処理データ 処理と解釈
マルチチャンネル反射法探査と海底地震計の展開 マルチチャンネル反射法探査と海底地震計展開のイメージ テールブイ ストリーマーケーブル エアガン 反射波 音波 海底地震計 沈み込んだプレート 屈折波 反射波 堆積層
海底地震計 (OBS) による屈折法探査
OBS ( 自己浮上型海底地震計 )
トランスポンダトランスデューサ OBS 自己浮上型海底地震計 アンカー 切り離し装置 ハイドロフォン 最大耐圧深度 :6000m 全体重量 : 約 80kg ラジオビーコン 地震センサー 記録装置 電池
OBS 自己浮上型海底地震計
OBS の組み立て
OBS の組み立て センサー組立ガラス球密封シンカー取付 総重量 80kg
ガラス球にセンサーを組み込む作業 100 台の地震計 ガラス球をプラスチックカバーに収納 かいよう 船上の収納ラック
OBS 海底地震計設置 回収 投入 浮上 フリーフォール 離底 シンカー
海底地震計 (OBS) の設置 回収 投入 回収 設置
MCS 探査結果反射法 + 屈折法 (a) 速度構造モデルと波線 (b) 理論走時曲線 (c) 計算された理論波形 (d) エアガンを人工震源として海底地震計で取得した観測記録
海底地震計の結果と合成 地下 30km ほどの深さの構造が明らかにされる
MCS 探査結果反射法 + 屈折法
MCS 探査結果 (3D 表示 ) 反射法 + 屈折法
三次元探査 MCS システム
三次元物理探査船 資源 6000m ストリーマケーブル ( 最大 12 本 ) 展開可能我が国初の本格的な三次元物理探査船 総トン数 10.297t 全長 86.2m 全幅 39.6m 速力 乗員 最大 13.2 ノット 60 名 導入の契機は日中中間線上のガス田開発問題が発端? 旧船名は Ramform Victory ( ノルウェー PGS 社所有 ) 石油天然ガス 金属鉱物資源機構 (JOGMEC) が約 230 億円で購入 運用は PGS 社に委託 国産技術の習得のためか?
MCS 探査結果 (3D 表示 ) 反射法 + 屈折法
MCS 探査結果 ( 高度な 3D 表示 )
JAMSTEC における MCS 調査 大陸棚画定調査への貢献 22
1997 かいれい 竣工 地震調査研究のため装備搭載 1999 かいれい 4628トンストリーマーケーブル 204ch 約 5500mストリーマー長エアガン約 200リットル 2
2004 2007 大陸棚画定調査への貢献 23
2008 新マルチチャンネル反射法探査システム マルチチャンネルシステム (MCS) 高精度化構造探査として 地殻深部 上部マントル構造の解明などの成果を発揮してきた 今後 上 中部地殻など更に幅広い研究 解明のために MCS 高精度化を実施した エアガンチューンドアレイ化エアガン波形をスパイク状にしてバブルを抑制することにより 高精度イメージングが可能となる ストリーマーケーブル高性能化 Fluid 型ケーブルから Solid 型ケーブルになり ケーブル内部の気泡ノイズや波浪ノイズの抑制が可能 また 受振チャンネル間隔が半分になり高分解能化 船体艤装工事 Solid 型ケーブル エアガン波形比較 新エアガン 旧エアガン波形 エアバブル ( ノイズ源 ) 新エアガン波形 ( チューンドアレイ ) 新エアガンシステム着水作業 30
1) 新規にチューンドエアガンと新ストリーマーケーブルによる高精度地下構造探査システムの搭載 2) 詳細かつ大深度までの高精度地殻構造探査 32
ストリーマケーブル ケーブル長は最大 5200m チャンネル数最大 204 受振点間隔 25m 曳航深度 15m パラベーン 記録系仕様 記録長 13.5s サンプリング間隔 :4ms テールブイ エアガン 空気圧 2000psi, 総容量 12000cu.in 発震点間隔 50m 曳航深度 10m MCS 船上作業風景 3
海洋性地殻と非海洋性地殻の特定 島弧地殻と海洋地殻の境界範囲の特定とその範囲内の海底地形の最大傾斜変換点の特定が必要である そのために 1. 海底地形調査 : 大陸棚縁辺部の詳細地形 ( 海上保安庁 ) 2. 地殻構造調査 : 海洋性 非海洋性地殻の特定 ( 海上保安庁 文部科学省 ) 3. 岩石試料採取 分析 : 地殻の物質 / 物性の特定 ( 経済産業省 ) を実施 24
MCS 探査によるイメージングの一例 25
MCS 探査による背弧海盆のイメージングとその特徴 ( 四国海盆 パレスベラ海盆 ) 26
MCS 探査による北部伊豆小笠原前弧域のイメージングと ODP データを用いた解釈 青ヶ島 明神礁 ODP Leg126 Site792 の結果 (Taylor et al,1992) 27
海洋性島弧がリフティングを受けている最前線 現在活動的なマリアナ島弧よりも背弧側で地殻が厚くなっている (~25km) 地殻 - マントル混合層の存在示唆 (Vp~7.2-7.6km/s) 中部マリアナよりも厚い地殻 エアガンー OBS によるマリアナトラフ北端部の深部構造 OBS Middle Mariana: Takahashi et al. (2007) 28
エアガンー OBS による背弧雁行海山列の地震波速度構造 初動走時トモグラフィと反射波マッピング 速度構造は, 火山フロント下の構造よりも薄いが, 速度分布は類似している. 波長 50~80 km で変動しているが, 海底地形とは必ずしも相関がない 29