JP2008039721A - 定方位サンプリング装置及びサンプリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ある深さの地層の方位を測定する為に該地層の土を採取する定方位サンプリング方法の提供。
【解決手段】 地中にボーリング孔２を掘削し、サンプリング管６には地上でのN極となる目印を設け、該目印をN極方向に一致させた状態を保ちつつボーリング孔底に押し込んで内部空間７に土を充填する。サンプリング管６は正方形断面のパイプ状とし、押込み時の内部の土の回転やねじれを防ぐ。そして充填された内部の土の方位をサンプリング管６の上方に設けてボーリングロッド３に取付けた方位センサー５にて測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は地中に堆積した地層の土を採取してその定方位を調べることが出来る方位サンプリング装置及びサンプリング方法に関するものである。

堆積している地層には一定の方位があり、この堆積構造を調べることで古地磁気年代や堆積環境を推定することが出来る。ボーリングすることで乱れのない定方位の堆積物を採取できるならば、堆積構造の解析などから活断層のイベェント層準(大地震発生層準)や津波堆積物の層準(津波発生層準)を認定できる。又、放射性炭素年代測定などに古地磁気年代測定を加えることで、これらの発生年代を従来より高精度で推測可能となる。

ところで、中深度の地層土をサンプリングする装置は色々知られている。例えば、特開２００４−３３９７５４号に係る「ケーシングパイプ式土質試料サンプラー」は、土質試料のサンプリング作業の能率を向上させると共に複数回に渡って採取した土質試料の連続性が得られるようにしている。そこで、先端に掘削刃を有するケーシングパイプに随伴してサンプラー本体を推進させることでサンプラー本体の内部に土質試料を充填し、当該サンプラー本体を、空の状態でケーシングパイプ内を降下した着脱装置によって把持して着脱装置と共に引上げ、空のサンプラー本体を、着脱装置に把持させた状態でケーシングパイプ内に導入してケーシングパイプの下端部に装着している。

特開２００３−１２９４６０号に係る「土質試料サンプラー」は、削孔水の加圧による土質試料の圧密・圧縮・地層の押しのけ現象による土質試料の採取率の低下と削孔水の浸透による土質試料の乱れを防止することが出来る。そこで、ボーリングロッドの下端に一体的に結合された上部サンプラーヘッドに上端が一体的に結合され、下端にメタルクラウンを一体的に結合させた外管と、ボールベアリング装置を介して外管内に嵌装された非回転式の試料採取管を兼ねる内管との間に、上部サンプラーヘッドと二段一体構造の下部サンプラーヘッドに上端が一体的に結合され、かつ、下端がメタルクラウンに一体的に結合された隔壁外管を嵌装させて三重管構造とすることにより、外管と隔壁外管との間に削孔水が流れる削孔水路を形成し、土質試料Ａが収納される内管を削孔水から隔絶させるようにしている。
特開２００４−３３９７５４号に係る「ケーシングパイプ式土質試料サンプラー」 特開２００３−１２９４６０号に係る「土質試料サンプラー」

このように、土質試料のサンプリング装置は色々知られているが、中深度の堆積物を不攪乱・定方位で採取できる汎用性の高いサンプリング技術は開発されておらず、実用化もなされていない。本発明が解決しようとする課題はこの問題点であり、堆積構造の解析や古地磁気分析用の試料を適切にサンプリングできる定方位サンプリング装置及びサンプリング方法を提供する。

地下の堆積物を採取するボーリング技術では、これまでに攪乱のない回収率の高い試料を採取する手法を開発することで、堆積した地下深部構造の解析や堆積物に含まれる微化石、火山灰などを用いた古環境研究などに貢献してきている。しかし、定方位試料の採取は困難であったことから、堆積物が持つ方向性に由来する情報、とりわけ古地磁気情報を詳細に得ることは出来ない。

本発明は、軟弱地盤を構成する標準貫入試験値(Ｎ値)が１５程度未満の粘質土に適用できる油圧押し込み式ボーリング及び回転式ボーリング技術を改良し、中深度までの粘質土から汎用的に定方位試料を採取することが出来るサンプリング技術である。湖沼でのピストンコアリング以外には、ボーリングによる定方位試料採取の試みは世界においても例のないことであり、さらに試料採取の方位を地上でモニタリングして適時記録できるデジタル式方位記録システムや、試料の回転やねじれが生じることを防ぐことができ、試料の回転が生じた際にもその影響を補正出来る方形のサンプラー管など、これまでのボーリング技術に全く無い機器を使用している。

本発明の定方位サンプリング装置は、（１）中深度までの粘質土に汎用的に使用できる油圧押込み式と回転式のボーリングを組み合わせた定方位試料の採取、（２）試料採取時の方位のデジタル式モニタリング・記録システム、（３）試料の定方位性維持や回転の影響補正が可能な方形サンプラー、（４）試料への磁気的影響が無い非磁性鋼を用いたサンプラー管やビット、及び周辺機器に特徴を有している。

上記定方位サンプリング装置は、ボーリングロッドの先端に取着されて、方位センサー、マイコン、及び採取管(サンプラー管)を有し、サンプラー管は外管と内管で構成することもある。上記内管には試料が採取され、上記方位センサー及びマイコンを備えた方位測定器本体の先端となるサンプラーヘッドには上記サンプラー管が連結している。

本発明に係る定方位サンプリング装置は、ボーリングした孔に挿入されて、先端に取付けたサンプラー管をボーリング孔の底に押し込むことで、サンプラー管には土が充填される。サンプラー管に充填された土は方位センサーにて方位が測定され、マイコンに記憶される。サンプラー管には基準となる目印が設けられ、この目印は地上でのＮ極に一致するようにその向きを合わせてサンプラー管に土を充填する。ここで、該目印を地上の北方向(Ｎ方向)に限定するものではない。

従って、採取した試料の方位を孔まがりなどの影響を補正し、所定の深さにある土の方位を定めて採取することが出来る。そして、これに基づいて、地層構造の解析や古地磁気方位の測定を行うことができる。例えば、大地震や大津波の発生年代を、これまでより正確に把握でき、その結果は、これらの繰り返し周期に基づく将来の地震・津波予測の１データとして利用することが可能である。

図１は試料のサンプリング方法を表している概略図である。
(ａ)はボーリングマシン１にてボーリング孔２を掘削する工程であり、該ボーリングマシン１はボーリングロッド３を有し、該ボーリングロッド３の先端にはビット４が取着されている為に、ボーリングロッド３が回転しながら降下すればボーリング孔２が掘削される。
(ｂ)は掘削されたボーリング孔３に方位センサー５とサンプラー管６を挿入した場合である。方位センサー５はビット４を取外したボーリングロッド３の下端に取着され、そしてサンプラー管６は方位センサー５の下端に取付けられている。ここで、ボーリング孔２にはケーシングパイプ(図示なし)が挿入されて孔が崩れないようにガードされ、上記方位センサー５及びサンプラー管６はこのケーシングパイプ内に挿入される。
(ｃ)はボーリング孔２の底へサンプラー管６を押し込んで土を充填する場合である。ボーリングマシン１にてボーリングロッド３を回転することなく押下げることで、サンプラー管６はボーリング孔２の底から地中に押し込まれる。その結果、サンプラー管６には土が充填される。この場合、該サンプラー管６の内部空間にある空気が外へ逃げるようなチック弁を設けている。
(ｄ)はサンプラー管６を引き上げた場合であり、サンプラー管６の内部には土が充填されている。この土は、サンプラー管から取り出されてから地質構造解析、放射性炭素年代や古地磁気の測定などを行う為に使用される。本発明の第１の目的である方位の測定は、サンプラー管６を引き上げることなく、ボーリング孔底へ押し込んだ（ｃ）の状態で行うことができる。

図２はサンプラー管６を示す具体例であり、正方形断面で所定長さのパイプにて構成している。そして該サンプラー管６には、N極を示す目印が設けられている。該サンプラー管６はボーリングロッド３の先端に取着している方位センサー５に連結して取付けられる。そして、ボーリングロッド３が降下することで該サンプラー管６は地中に押し込まれて内部空間７に土が充填する。該サンプラー管６は、充填される土の回転やねじれを防止することが出来るように、円形断面ではなく長方形や六角形などの角形断面のパイプが適しており、さらに四方位との適合性から正方形断面のパイプとしている。

ところで、該方位センサー５はサンプラー管６の内部空間７に充填した土の方位を測定することが出来る。ここで、該方位センサー５としての型式は限定しないが、今日では色々なコンパスが市販されている。

このように、本発明は所定の深さにある土の方位を測定して採取することが出来、該方位が一定となっている地層の構造を知ることや古地磁気方位を測定することが可能となる。そして、このような地層の方位情報を正確に知ることから、活断層の調査、津波堆積物の調査に基づく地震や津波が発生する間隔の高精度推定に貢献することが出来る。さらにこれらの調査で得られた地震、津波の発生間隔は、長期確率予測やそれを用いた強震動マップなどの精度向上に繋がり、最終的には防災情報として役立つ。又、地層中に記録された数十年〜数百年オーダーの気候変動を解明し、それを地球気候システムのシミュレーション結果と比較することで、近未来の地球温暖化の影響を予測するような研究にも貢献できると考えられる。

図３は本発明に係る定方位サンプリング装置の具体例である。同図は掘削したボーリング孔にケーシングパイプを嵌め、このケーシングパイプ内に方位センサーとサンプラー管を挿入している。該サンプラー管はボーリング孔底から下方へ押し込まれて、内部空間には採取試料である土が詰まっている。そして、方位センサーの上にはマイコンが設けられ、ここで採取した土の方位を方位センサーにて測定すると共にマイコンに記憶される。

マイコンに一旦記憶されたデータはパソコンのモニターで見ることが出来る。サンプラー管は方位センサーの下側に取付けられているが、該方位センサーとの間に所定の距離を隔ててボーリングロッドカップリングを設け、さらにサンプラーヘッドを介してサンプラー管と成るステンレス製外管を取付けている。ステンレス製外管の内部にはサンプリングチューブが嵌った２重構造と成っている。

ここで、サンプラー管に充填される土の磁気方位が該サンプラー管の磁性に影響されないように、サンプラー管やビットは非磁性化が図られ、冷温加工による磁性率が非常に低いSU３１６ステンレス鋼が使用され、さらに交流消磁装置による消磁を行う。そして、記録システム部などで電流による磁化が懸念される部分は真鍮管又はSU３１６ステンレス鋼管で覆い、さらにサンプラー管との距離を０．５ｍ〜１ｍほど隔てている。

サンプリング方法を示す概略図。 正方形断面をしたサンプラー管の具体例。 定方位サンプリング装置の実施例。

符号の説明

１ ボーリングマシン
２ ボーリング孔
３ ボーリングロッド
４ ビット
５ 方位センサー
６ サンプラー管
７ 内部空間

Claims (6)

1. ある深さの地層の方位を測定する為に該地層の土を採取するサンプリング方法において、地中にボーリング孔を掘削し、サンプリング管には地上でのＮ極となる目印を設け、該目印をＮ極方向に一致させた状態でボーリング孔底に押し込んで内部空間に土を充填し、そして充填された内部の土の方位をサンプリング管の上方に設けてボーリングロッドに取付けた方位センサーにて測定することを特徴とするサンプリング方法。
2. ある深さの地層の方位を測定する為に該地層の土を採取するサンプリング装置において、ボーリング孔を掘削したボーリングロッドには方位センサーを取付け、該方位センサーの下方にはボーリング孔底に押し込まれることで土が充填されるサンプラー管を取着し、サンプラー管にはＮ極となる目印を設けたことを特徴とする定方位サンプリング装置。
3. 上記サンプラー管を四角形断面とした請求項２記載の定方位サンプリング装置。
4. 上記方位センサーの上には測定したデータを記憶するマイコンを備えた請求項２、又は請求項３記載の定方位サンプリング装置。
5. 上記サンプラー管を内管と外管の２重構造とし、その材質を非磁性のステンレス鋼とした請求項２、請求項３、又は請求項４記載の定方位サンプリング装置。
6. 上記サンプラー管の上部には、押し込んで土が内部空間に充填されることで空気が押し出される弁を設けた請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５記載の定方位サンプリング装置。

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