CN101069104B - 海底资源调查系统以及海底资源调查方法 - Google Patents

海底资源调查系统以及海底资源调查方法 Download PDF

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Abstract

海底资源调查系统具有：振动器(1)，其向海中发送声波，并对声波由存在于海中的、甲烷气体以及甲烷水合物的混合物与海水的边界面反射的散射波进行接收；和分析部(17)，其在根据发送的声波以及所述接收到的散射波计算出的散射强度为规定的关系时，判断为在所述混合物正下方的海底存在甲烷水合物。所谓该规定的关系是满足以下条件的关系：在从海底到规定高度的范围内，将混合物在深度方向上以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度最大值是-60dB～-30dB，散射强度平均值是-70dB～-50dB。

Description

海底资源调查系统以及海底资源调查方法
技术领域
本发明涉及海底资源调查系统以及海底资源调查方法。
背景技术
一直以来，通过采用用于海底地质调查的低频声源的音响设备仅对海底下的地质数据进行调查，来进行气体水合物等海底资源的调查。
作为这样的海底资源调查方法，例如采用地震调查法(例如，参照http://www.mh21japan.gr.jp/(甲烷水合物资源开发研究协会的主页))。该方法在石油、天然气勘探中用于调查含有石油、天然气的地层的分布，是一种人工地发生类似于地震的振动，利用该振动进行地质调查，根据其结果来调查资源的方法。
另外，当在海面附近给予振动时，会产生声波并且声波在海中传播。还采用使用由海底面发射的声波来进行调查的反射地震调查法。
而且，为了接收返回的声波而采用称为等浮的电缆，并且最近采用多根等浮电缆来进行调查的情况并不罕见。在最近的石油勘探地心调查中，还具有使用船一次拖航10根以上的6000m以上的等浮电缆来进行调查的情况。如此，当使用多根等浮电缆时可得到立体的地震调查记录，所以被称为3D(3维)地震调查法。
但是，地震调查法并非直接确认石油、天然气等资源的方法，而是根据地质调查的结果来推测资源的存在然后进行挖掘，所以很多时候即使进行挖掘也没有资源。
另外，上述的反射地震调查法及3D地震调查法规模大，需要花费很多的经费与时间。
因此，本发明是鉴于上述课题而发明的，其目的在于提供一种可以廉价且高可靠性地调查海底资源的海底资源调查系统以及海底资源调查方法。
发明内容
为了实现上述目的，本发明的第1特征为：海底资源调查系统具有：(a)发送单元，其向海中发送声波；(b)接收单元，其接收所述声波由存在于海水中的、甲烷气体以及甲烷水合物的混合物与海水的边界面反射的散射波；和(c)分析单元，其在根据所述发送的声波以及所述接收到的散射波计算出的散射强度为规定的关系时，判断为在所述混合物正下方的海底中存在甲烷水合物，(d)所述规定的关系为在从海底到规定高度的范围内，将所述混合物在深度方向上以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度的最大值为-60dB到-30dB，散射强度的平均值是-70dB到-50dB。
另外，在第1特征的海底资源调查系统中，优选所述规定的高度是300m，所述规定的宽度是20～100m。
向海中发送声波的步骤
本发明的第2特征为：海底资源调查方法包括：(a)向海中发送声波的步骤；(b)对所述声波由存在于海水中的、甲烷气体以及甲烷水合物的混合物与海水的边界面反射的散射波进行接收的步骤；和(c)在根据所述发送的声波以及所述接收到的散射波计算出的散射强度为规定的关系时，分析判断出在所述混合物正下方的海底中存在甲烷水合物的步骤，(d)所述规定的关系是在从海底到规定高度的范围内，将所述混合物在深度方向上以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度的最大值为-60dB到-30dB，散射强度的平均值是-70dB到-50dB.
附图说明
图1是本实施方式的海底资源调查系统的结构框图。
图2用于说明本实施方式的海底资源的调查。
图3是本实施方式的海底资源调查系统的显示部显示的画面的一例(之一)。
图4是本实施方式的海底资源调查系统的显示部显示的画面的一例(之二)。
图5是表示本实施方式的海底资源调查方法的流程图。
图6是本实施方式的观测区域的3维图。
图7是本实施方式的观测的航行路线。
图8是本实施方式的甲烷喷柱(methane plume)的图。
图9是本实施方式的甲烷喷柱的反射波图(之一)。
图10是本实施方式的甲烷喷柱的反射波图(之二)。
图11是本实施方式的甲烷喷柱的反射波图(之三)。
图12是本实施方式的甲烷喷柱的反射波图(之四)。
图13是观察图11的喷柱1、2、3期间的航迹。
图14是在本实施例中发现的拳头大的甲烷水合物。
图15是本实施例中的3个喷柱的平均散射强度SV。
具体实施方式
然后，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或者类似的符号。其中，应该留意附图所示意的内容。
(海底资源调查系统)
在本实施方式中，对作为海底资源的甲烷水合物进行调查。本发明的发明者发现从存在甲烷水合物的海底涌出甲烷气体和甲烷水合物混合的物体，通过调查该物体，推测甲烷水合物的存在地点。
如图1所示，本实施方式的海底资源调查系统具有：正弦波生成部11、脉冲宽度切换部12、发送信号放大部13、收发切换部14、振动器1(接收部以及发送部)、接收信号放大部16、分析部17和显示部18。作为这样的海底资源调查系统可以使用鱼群探测器。
另外，如图2所示，振动器1安装在船5的底部。船5以0～3节的速度前进。在海底存在甲烷水合物4，从这里产生甲烷气体以及甲烷水合物的混合物3。
正弦波生成部11生成正弦波。此时的频率需要为尽量低的频率。例如，1～50kHz，最好为40kHz以下。
脉冲宽度切换部12指定发送正弦波时的脉冲宽度。
另外，因为混合物3存在于较深的水域，所以例如将反复频率在水深1000m指定为4秒.
发送信号放大部13对从正弦波生成部11输入的信号进行放大。
收发切换部14进行发送以及接收的切换。
如图2所示，振动器1把从收发切换部14输入的电压变换为声压，并作为声波以规定的等价波束宽度Ψ(参照“利用了水槽水面反射的计量鱼群探测器的校正”)日本水产品学会、63(4)、570-577(1997))向海中进行发送。该等价波束宽度Ψ大致与(振动器1的振动面直径)/(正弦波的波长)成比例。另外，因为在较深的海域海底资源较丰富，所以为了提高水平方向的分辨力，使波束宽度尖锐(sharp)。例如，设为-19.1dB左右。
另外，振动器1对声波由海水中存在的、与海水密度不同的物体的边界面反射的散射波进行接收。这里，对由甲烷气体以及甲烷水合物的混合物3与海水的边界面反射的散射波进行接收。并且，振动器1从散射波的声压转换为电压信号。
收发切换部14进行发送以及接收的切换。
接收信号放大部16对从收发切换部14输出的电压信号进行放大。
分析部17在根据发送的声波以及接收到的散射波计算出的散射强度SV为规定的关系时，判断在混合物3正下方的海底存在甲烷水合物4。这里，所谓“散射强度”是与海水密度不同的物体的每单位体积的散射波的强度。通过公式(1)、公式(2)来得到散射波强度Sv(dB)(例如参照海洋音响基础与应用海洋音响研究会1984年P80～85)
Sv＝Is/Ii      公式(1)
SV＝10logsv    公式(2)
这里，Ii表示入射的平面波声波的强度，Is表示距离单位体积物体的音响中心单位距离的散射波的强度。
如图2所示混合物3为柱状。分析部17在从海底到规定高度的范围内，计算将混合物3在深度方向上以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度SV的最大值、平均值以及最小值。
具体来说，分析部17在上述网格中的散射强度SV的最大值是-60～-30dB，平均值是-70～-50dB时，判断为在其正下方的海底存在甲烷水合物4。除了上述条件之外，在最小值是-90dB以上时也可以判断为在其正下方的海底存在甲烷水合物4。
另外，分析部17在混合物3中在海底正上方100m以内具有-45～-30dB较大的散射强度SV时，尤其判断为存在甲烷水合物4的可能性较高。原因在于，由于高密度的甲烷气体或者甲烷水合物的晶体，超声波发生散射。
如图3所示，显示部18可视化地显示具有规定散射强度的混合物3的轮廓。所谓显示部18，例如指监视器等的画面，可以使用液晶显示装置(LCD)、发光二极管(LED)面板、电致发光(EL)面板等。另外，显示部18也可以是打印机等。
另外，如图4所示，显示部18还可以显示海底面的轮廓。
此外，虽然没有图示，但本实施方式的海底资源调查系统可以具有保存用于进行分析处理的程序的程序保存部。程序保存部可以采用RAM等内部存储装置，也可以采用HD或FD等外部存储装置。
(海底资源调查方法)
然后，采用图5对本实施方式的海底资源调查方法进行说明。
首先，在步骤S101中正弦波生成部11生成正弦波。
然后，在步骤S102中，脉冲宽度切换部12指定发送正弦波时的脉冲宽度。然后，发送信号放大部13对从正弦波生成部11输入的信号进行放大，收发切换部14向发送切换。
然后，在步骤S103中，振动器1将放大后的电压信号转换为声压，作为声压以规定的等价波束宽度Ψ向海中发送。并且，在步骤S104中，振动器1对声波在海水中存在的、甲烷气体以及甲烷水合物的混合物3与海水的边界面反射的散射波进行接收。振动器1从散射波的声压转换为电压信号。
然后，收发切换部14向接收切换。然后，接收信号放大部16对从收发切换部14输出的电压信号进行放大。
然后，在步骤S105中，分析部17根据发送的声波以及接收到的散射波来计算散射强度SV。并且，在步骤S106中，在计算出的散射强度SV是规定的关系时，判断在混合物3正下方的海底存在甲烷水合物4。所谓该规定的关系是满足以下条件的关系：在从海底到规定高度的范围内，将混合物3沿深度方向以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度的最大值是-60～-30dB，散射强度平均值是-70～-50dB。
然后，显示部18可视化地显示散射强度。
(作用以及效果)
根据本实施方式的海底资源调查系统以及海底资源调查方法，具有：振动器1，其向海中发送声波，对声波由海水中存在的、甲烷气体以及甲烷水合物的混合物与海水的边界面反射的散射波进行接收；和分析部17，其在根据发送的声波以及所述接收到的散射波计算出的散射强度为规定的关系时，判断为在混合物3正下方的海底存在甲烷水合物，由此可以可靠性高、且廉价地调查海底资源。
另外，分析部17在从海底到规定高度的范围内，将混合物3沿深度方向以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度最大值是-60～-30dB，散射强度的平均值是-70～-50dB时，可以判断为在物体正下方的海底存在资源。这是因为在从甲烷水合物中涌出气体时，由于其组成而具有这样的散射强度。
此外，作为用于分析部17进行判断的规定条件，优选上述规定的高度为300m，上述规定的宽度是20～100m。
另外，还具有可视化地显示散射强度的显示部18，由此可以视觉上捕捉海底资源存在的地点、将海底资源作为起源的物体，可以无需花费大量的费用与时间，高效地调查海底资源。
此外，分析部17在海底正上方100m以内物体具有-45～-30dB的散射强度时，可以判断为在物体正下方的海底存在资源。其原因在于，超声波由于高密度的甲烷气体或甲烷水合物的晶体而发生散射。
实施例
以下通过实施例对本发明进行更详细的说明，但本发明并不会被这些例子进行任何限定。
本发明的发明人采用本发明的海底资源调查系统，在日本海进行了甲烷水合物的调查。该调查利用1886t的船来进行，采用了现有的鱼群探测器。
图6是观测区域的3维图.船的间隔是0.05nmi.，其速度是3kt.图7表示观测的航行路线.
作为海底资源调查系统采用了图1所示的装置。具体来说，采用了计量鱼群探测器、KFC3000(KAIJO制造)。频率为38kHz，等价波束宽度Ψ是-19.1dB。
图8是使用来自GPS的位置数据以及计量鱼群探测器来测绘扩散为柱状的甲烷气体(以下称为“甲烷喷柱(methane plume)”。)。
发明人在反射波图中测定了直径约100m、高度200m～700m、到达海面以下600～300m的36喷柱。并且，使用来自GPS的位置数据和计量鱼群探测机，一边以规定的速率航行一边每隔4秒测定甲烷喷柱(图9～12)。
图9～12是甲烷喷柱的反射波图。纵轴是距振动器1的表面，即距船底的距离。横轴是船的航海距离。
在图9～12中画面下的粗线表示海底面。图11表示与发现了图14所示的拳头大小的甲烷水合物的地点对应的甲烷喷柱。
图9表示由于潮水的流动在水深600m附近向北方倾斜的甲烷喷柱。此时的船速为3节。
图10表示位于水深300～350m地点的喷柱(从左侧数第2个)。其前端膨胀，这是因为在该深度附近水温急剧变高。
图11表示发现了甲烷水合物群的地点的喷柱。此时的船速为0.3节。
图12表示进行了CTD测定的喷柱。此时，船停止了发动机。
图13是观察图12的喷柱1、2、3期间的航迹。中央的粗线(表示为Plum1 start的部分)是测定了喷柱1的超声波数据时的航迹，上部的粗线(表示为Plum 2 start的部分)是测定了喷柱2的超声波数据时的航迹，下部的粗线(表示为Plum 3 start的部分)是测定了喷柱3的超声波数据时的航迹。图13的网格线是30m×30m。
在图12中，当比较3个喷柱的反射波图时可知，他们表现了1个喷柱的不同地点。
海底的水温是异常低的温度，采用CTD进行测定时是0.25℃。
本发明人计算了来自各个甲烷喷柱的散射强度SV。喷柱的散射强度SV是将积分层宽度设为100m，将积分间隔设为1分，使用作为计量鱼群探测器的一部分的积分功能计算出的。具体地说，将柱状的喷柱按每100m以固定宽度切成圆形(将切成该圆形的部分称为“网格”)，并对每个网格计算散射强度SV。喷柱的散射强度SV的值如表1所示。
[表1]
  积分层的厚度(m)   积分层的平均深度(m)   体积(m<sup>3</sup>)   到海底的深度(m)   计算总数(次)   发送次数(次)   平均SV值(dB)   最小SV值(dB)   最大SV值(dB)
  84.6   847.09   109129106.3   896.1   164688   146   -64.28   -99.47   -36.74
  100.8   750.79   40604528.05   897.37   77952   58   -64.48   -95.76   -53.12
  积分层的厚度(m)   积分层的平均深度(m)   体积(m<sup>3</sup>)   到海底的深度(m)   计算总数(次)   发送次数(次)   平均SV值(dB)   最小SV值(dB)   最大SV值(dB)
  30.3   618.49   10514647.58   898.77   29784   73   -63.72   -94.70   -52.95
  19.8   568.09   5424862.19   899.15   18216   69   -63.83   -99.90   -52.39
在图15中，纵轴表示散射强度SV(dB)，横轴表示距船底的距离(m)。从下开始第1条粗线表示在图12中从左侧开始第一个喷柱1的平均散射强度SV，从上开始第1条粗线表示在图12中从右侧开始第二个喷柱2的平均散射强度SV，从下开始第2条粗线表示在图12中从右侧开始第一个喷柱3的平均散射强度SV，从上开始第2条粗线表示全部喷柱的平均值。
如图15所示，平均散射强度SV在喷柱下部到中间表示最高的值，与此相对，在喷柱上部表示比较低的值。另外，平均散射强度SV在从海底到海面以下700m的范围内波动少，与此相对，在海面下700m以上的范围内对于各个喷柱取不同的值。由此可知从海底到海面以下700m的范围内甲烷气体的密度比较固定，当接近于海面时甲烷气体逐渐减少。
在图15中，喷柱2的平均散射强度SV比喷柱1以及喷柱3高。如上所述，这3个喷柱表示了1个喷柱。可认为测定了喷柱2的航迹航行过该喷柱的中央，测定了喷柱1以及喷柱3的航迹航行过该喷柱的端部。
(结果)
发明人对甲烷水合物进行了测绘，并在反射波图中测定了直径约100m、高度200m～700m、到达海面下600～300m的36喷柱。
另外，发明人计算了各个喷柱的散射强度SV。该散射强度SV如表1所示。即，通过分析海中的数据可以知道在从海底到规定高度的范围内，将混合物在深度方向上以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度最大值是-54～-35dB，散射强度的平均值是-65～-63dB时，该喷柱正下面的海底存在资源。
另外，上述规定的高度是300m，上述规定的宽度是20～100m。即，在从海底开始300m的范围内，计算将混合物在深度方向上按20～100m切成圆形的网格中的散射强度的最大值以及平均值，由此可知在正下面的海底存在甲烷水合物。这可以根据表1的“(到海底的深度)-(积分层的平均深度)”确认上述规定的高度是300m，根据表1的“积分层的厚度”确认上述规定的宽度是20～100m。
此外，当详细地分析该喷柱的测定结果时，可得到表2所示的结果。
[表2]
  深度(m)   SV值(dB)
  881.09   -43.63
  深度(m)   SV值(dB)
  856.99   -42.35
  877.62   -36.74
水深为896.1m
即，在距海底100m以内的积分层中具有-44～-36dB的较强的散射强度。由此，可知在这样的喷柱正下面的海底存在资源。
另外，相对于平均散射强度SV从喷柱的下部到中间表示最高的值，在喷柱的上部表示较低的值。
另外，发明人从观察到甲烷喷柱的地点发现了甲烷水合物。
根据这些结果可知本实施方式的海底资源调查系统以及海底资源调查方法在探测甲烷水合物的埋藏地点方面是有效的。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明的海底资源调查系统以及海底资源调查方法有益于对埋藏在海底的甲烷水合物进行调查的作业。

Claims (3)

1.一种海底资源调查系统，其特征在于，
具有：发送部(1)，其向海中发送声波；
接收部(1)，其接收所述声波由存在于海水中的、甲烷气体以及甲烷水合物的混合物与海水的边界面反射的散射波；和
分析部(17)，其在根据所述发送的声波以及所述接收到的散射波计算出的散射强度为规定的关系时，判断为在所述混合物正下方的海底中存在甲烷水合物；
所述规定的关系，为在从海底到规定高度的范围内，将所述混合物在深度方向上以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度的最大值为-60dB到-30dB，散射强度的平均值是-70dB到-50dB。
2.根据权利要求1所述的海底资源调查系统，其特征在于，所述规定的高度是300m，所述规定的宽度是20～100m。
3.一种海底资源调查方法，其特征在于，
包括：向海中发送声波的步骤；
对所述声波由存在于海水中的、甲烷气体以及甲烷水合物的混合物与海水的边界面反射的散射波进行接收的步骤；和
在根据所述发送的声波以及所述接收到的散射波计算出的散射强度为规定的关系时，判断为在所述混合物正下方的海底存在甲烷水合物的步骤，
所述规定的关系是在从海底到规定高度的范围内，将所述混合物在深度方向上以规定的宽度切成圆形的网格中的散射强度的最大值为-60dB到-30dB，散射强度的平均值是-70dB到-50dB。
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