JP2016003517A - 水底岩石採取器 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の動力機械を用いることなく、簡易な構成で硬い岩盤層から岩石等を採取することができる水底岩石採取器を提供すること。
【解決手段】軸が重力方向に沿って配置されたシリンダ３３と、シリンダ３３の下端部３３ａを塞ぐ蓋体３６と、シリンダ３３の上端部３３ｂ側に往復動自在に設けられ、シリンダ３３の内壁３３ｄとシリンダ３３の下端部３３ａを塞ぐ蓋体３６との間で気密の内部空間７を形成するピストン３２と、ピストン３２に基端部３１ａ側が固定され、蓋体３６を貫通して、シリンダ３３の下方に先端部３１ｃ側が突没するロッド３１と、ピストン３２の位置を大気中で蓋体３６から離間させた状態で固定し、水中で解除する切離し装置２と、ロッド３１の先端部３１ｃに設けられたサンプリング器４を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水底の地質調査等に用いられる水底岩石採取器に関する。

昨今、海底の資源状況や環境調査を目的とした海洋調査が頻繁に行われている。例えば、いわゆるレアメタル等の海底資源調査においては、海底の精密地形情報を基にした地層探査装置を用いた海底下の調査及び、海底に堆積した砂、泥、または海底下の岩石等の鉱物資料のサンプリングがされる。これらのデータから海底の鉱物資源の分布等が総合的に解析されている。

海底資源のサンプリング調査においては、筒状のサンプリング器をいくつかの調査地点の海底に突き刺して試料を採取する方法が一般的である。海底にサンプリング器を突き刺す方法としては、海上から採取器の重力と初期貫入速度を利用する方法や、地上の地質調査に用いられるような、いわゆるボーリングマシン（掘削機）を船上または海底に設置してサンプリングする方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１ー２２６０８４号公報

上述したような水底岩石採取器にあっては、次のような問題があった。すなわち、重力を利用してサンプリング器を突き刺す装置は、調査サンプルの対象が泥や砂などの比較的柔らかい堆積層であれば、問題なくサンプルを採取することができるが、硬い岩盤層のサンプリングの場合にはその能力が大幅に減少する問題がある。また、ボーリングマシンを用いる場合には、硬い岩盤層のサンプリングが可能であるが、油圧や電気等の動力を必要とする巨大なボーリングマシンを船上または海底に設置する必要がある。このため、広範囲の海底域におけるサンプリングを実施するためには、多額の費用と時間がかかる問題がある。

このため、硬い岩盤層へサンプリング器を突き刺すことが可能で、電力や油圧等の動力機械の設備も不要であるばかりか、短時間の採集作業が可能で、大型船舶を必要としないコンパクトな海底調査用の水底岩石採取器の開発が望まれている。

そこで、本発明は、大型の動力機械を用いることなく、簡易な構成で硬い岩盤層から岩石等を採取することができる水底岩石採取器を提供することを目的とする。

実施形態に係る水底岩石採取器は、軸が重力方向に沿って配置されたシリンダと、このシリンダの下端部を塞ぐ蓋体と、このシリンダの上端部側に往復動自在に設けられ、このシリンダの内壁とこのシリンダの下端部を塞ぐ蓋体との間で気密の内部空間を形成するピストンと、このピストンに基端側が固定され、蓋体を貫通して、このシリンダの下方に先端側が突没するロッドと、このピストンの位置を大気中で蓋体から離間させた状態で固定し、水中で解除する切離し装置と、このロッドの先端に設けられたサンプリング器とを有する。

図１は、実施形態に係る水底岩石採取器を一部切断して示す側面図である。 図２は、同水底岩石採取器を用いた岩石採取方法を模式的に示す説明図である。

以下、本実施形態にかかる水底岩石採取器の構造について図面を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る水底岩石採取器１は、切離し装置２と水底岩石採取器本体３とを含む。図２に示すように、切離し装置２と水底岩石採取器本体３は、固定台５の座面５５に隣接して固定される。

切離し装置２は、水中で水底岩石採取器本体３の後述するピストン３２を作動させる装置である。切離し装置２は、レリーズ信号を受信してカム２２を回動させるレリーサ２６と、カム２２により係止されるストッパーアーム２１と、ストッパーアーム２１により係止される連結棒２３と、連結棒２３により係止されるフック２４と、このフック２４により係止されるフック２５を有している。なお、図１中、２１ａはストッパーアーム２１の回動軸、２４ａは、フック２４の回動軸、２５ａは、フック２５の回動軸である。そして、フック２５が、ピストン係止フック３４を係止することによりピストン３２の軸方向の位置を固定する。

水底岩石採取器本体３は、軸が重力方向に沿って配置された円筒状のシリンダ３３と、シリンダ３３の下端部３３aを塞ぐシリンダ３３の外径よりも少し大きな直径を有する板状の蓋体３６と、シリンダ３３の上端部３３ｂに往復動自在に設けられたシリンダ３３の内径とほぼ同じ外径を有する円柱状のピストン３２とを有する。シリンダ３３の肉厚は、目的の水深の水圧に耐えられるものであればよい。

ピストン３２は、その外径がシリンダ３３の内径に摺接する円柱状の部材で、ピストン３２の軸方向の外周面の一部に環状溝３２aを有する。環状溝３２aには、Oリング６１が嵌装されている。

蓋体３６は、上面３６ｄの中央部から下面３６ｅへ向かって軸方向に貫通する貫通孔３６ａを有する板状の部材である。蓋体３６の上面３６ｄは、シリンダ３３の下端部３３aの開口部に設けられたフリンジ３３ｃの一面と密着する。上面３６ｄは、環状溝３６ｂが設けられている。環状溝３６ｂには、密閉性（気密性、液密性）を高めるためのOリング６２が嵌装されている。

そして、貫通孔３６ａの直径は、後述するロッド３１の大きさにあわせて調整される。貫通孔３６ａの内壁の一部には環状溝３６ｃを有する。環状溝３６ｃは、密閉性を向上させるためのＯリング６３が嵌装されている。

ピストン３２の下端部３２ｂにはシリンダ３３の軸方向に延びる円柱状のロッド３１の基端部３１aが固定されている。ロッド３１は、蓋体３６の貫通孔３６ａを貫通している。ロッド３１は、貫通孔３６ａの内径に摺接する円柱状の部材である。また、ロッド３１は、内部空間７の密閉性を維持した状態で蓋体３６を貫通し、往復動自在に設けられている。蓋体３６を貫通したロッド３１の先端部３１ｃには、サンプリング器４が設けられている。

シリンダ３３、蓋体３６及びピストン３２で囲まれた内部空間７は、密閉性が維持されている。本実施形態においては、内部空間７の空気の量を調節するためのバルブ３５が設置されている。

そして、水底岩石採取器本体３は、シリンダ３３の軸が重力方向に沿うように、座面５５に固定される。座面５５には孔５６が設けられている。孔５６には、シリンダ３３から突出したロッド３１及びサンプリング器４が貫通して配置されている。

サンプリング器４は、ロッド３１の先端部３１ｃに着脱自在に設けられる。サンプリング器４は、円筒状のサンプリングチューブ４１と岩石破砕チップ４２とを含む。サンプリングチューブ４１の長さについては、突き刺される岩盤層の固さや、目的とする岩石層の深度等によって適宜調節される。また、本実施形態においては、サンプリングチューブ４１に岩石破砕効果を向上させるための岩石破砕チップ４２を別体として取り付けたものを使用したが、目的の岩盤の硬度にあわせてサンプリングチューブ４１の先端に刃が一体的に付けられたものを用いることもできる。

固定台５は、水底岩石採取器本体３と切離し装置２を配置するための矩形の座面５５と、座面５５の周縁部を保持する台座５２と、台座５２を支持する脚５４を含む。脚５４の地面と接触しない方の端部には水底岩石採取器１を船１００に設けられた巻上機１０１と接続するワイヤ１０４を固定するためのリング５１が設けられている（図１、図２）。なお、固定台５の脚５４の本数については、水底岩石採取器１が安定して載置することができるものであれば、その本数や形状について特に限定されない。
次に、海底の岩石のサンプリング方法及び水底岩石採取器１の動作について説明する。

まず、海底の岩石のサンプリング方法としては、図２に示すように、サブボトムプロファイラ（SBP）等を用いて得られた海底の地層情報を基にして決定されたサンプリング地点の海上に船１００を係留する。船１００から巻上機１０１のワイヤ１０４で繋がれた水底岩石採取器１を海底のサンプリング地点へ降下させる。ここで、水底岩石採取器１を沈降させる場合に、水底岩石採取器本体３の位置や潮流等により水底岩石採取器１のシリンダ３３の軸方向が重力方向に安定しない場合がある。この場合には、固定台５に錘５３を配置してバランスを保つように適宜調整することができる。また、このように水底岩石採取器１の姿勢を安定させることにより、サンプリング作業の安定性も高められる。

本実施形態に係る水底岩石採取器１の岩石のサンプリング動作は、制御装置１０２と接続された送受信機１０３から発信されるレリーズ信号を切離し装置２のレリーサ２６が受信することにより開始する。レリーズ信号は、水中に降ろされた送受信機１０３から発信される。レリーズ信号は、水底岩石採取器１の着底を巻取機のワイヤ１０４のテンションの変化から検出するとほぼ同時に発信される。着底とほぼ同時にサンプリング作業を実行することにより、潮流等によりサンプリング地点が目的の地点から外れることを防ぐことができる。

水底岩石採取器１が着底後、後述する海底の岩盤層のサンプリング作業が終了するとサンプリング作業終了信号がレリーサ２６から送受信機１０３へ送信される。サンプリング作業終了信号の受信を確認した後、沈降作業と逆の手順で巻上機１０１を用いて水底岩石採取器１を巻き上げて水底岩石採取器１を回収する。

次に、水底岩石採取器１の岩石サンプリンの動作について説明する。

図１に示すように、例えば、水底岩石採取器１が海底Ａの岩盤層の一部をサンプリングするときの動作について詳述する。

水底岩石採取器１を沈降させる前の準備作業として、船上において水底岩石採取器本体３のピストン３２の位置を蓋体３６から離間させ、ピストン３２に固定されたピストン係止フック３４を切離し装置２のフック２５に係止する。言い換えれば、ピストン３２の位置を蓋体３６から離間させて内部空間７の容積を増大させて大気圧下の空気をバルブ３５から導入し、バルブ３５を閉じて密閉する。内部空間７へ導入される空気の量については、サンプリングの行われる海底Ａの水圧や、岩盤の硬度により適宜調整可能である。本実施形態においては、内部空間７の封入気体として最も簡易に使用できる空気を用いているが、封入気体７１はこれに限られず、密度変化の大きな気体であればよい。

図１は、水底岩石採取器１が目的の海底Ａに着底した様子を示している。海底に着底している水底岩石採取器１には、海底Ａの水深に比例した水圧がかかる。例えば、水深１０００ｍの場合であれば、１００気圧の水圧が水底岩石採取器１にかかることになる。海底Ａに着底した水底岩石採取器１の内部空間７には大気圧下の空気が封入されているため、水圧によって、内部空間７の空気を圧縮する方向に力がかかった状態で維持されている。つまり、ピストン３２は、かかる重力方向の水圧に抗してピストン係止フック３４を用いてフック２５により固定されている。

図１に示すように、水底岩石採取器１が海底Ａに着底すると、送受信機１０３からのレリーズ信号により、切離し装置２が作動する。具体的には、切離し装置２のカム２２が図示左方向に回転して、ストッパーアーム２１との係止を解除する。ストッパーアーム２１は、図示右方向に回転し、連結棒２３の係止端２３ａとの係止を解除する。ストッパーアーム２１による係止が解除された連結棒２３は、図示上方にスライドする。図示上方に連結棒２３がスライドするとフック２４と連結棒２３の係止端２３ｂとの係止が解除される。連結棒２３との係止が解除されたフック２４は図示右方向へ回転し、フック２５との係止を解除する。フック２５のフック２４との係止が解除されると、フック２５は図示左方向へ回転して、ピストン係止フック３４との係止を解除する。これにより、ピストン３２の固定が解除される。

ピストン３２の位置をシリンダ３３の上端部３３ｂに維持していたピストン係止フック３４とフック２５との係止が解除されると、ピストン３２は、かかる水圧により内部空間７の空気を圧縮する。言い換えれば、ピストン３２は水圧によりシリンダ３３の軸に沿って蓋体３６へ向かって移動する。ピストン３２の移動とともにピストン３２に固定されたロッド３１もスライドする。

そして、ロッド３１の先端部３１ｃに接続されたサンプリング器４は、図１に破線で示すように、海底Ａへ突き刺さり、海底Ａのさらに下にある岩盤層まで到達するとともに、岩盤層の一部をサンプリングチューブ４１内に回収する。

上記のように、本実施形態に係る水底岩石採取器１は、電力や油圧等の動力機械を必要とせずに、水圧のみでサンプリング器４を岩盤層へ突き刺してサンプリングをすることができる。このため、従来のボーリングマシンのような大型の設備を必要としないため、サンプリングに使用する船を小型化することができる。また、従来の重力と初期貫入速度を利用した装置では水深が深くなるほど力が減衰するため、例えば、深海における岩盤層のサンプリングは困難となる。一方、水底岩石採取器１は、水圧を利用するため、水深が深くなればそれだけ圧力が高まるため、貫入速度が減衰することがない。さらに、切離し装置２への切り離し動作の指令（レリーズ信号）のタイミングを調節することにより、着底直後のサンプリングも可能であるため、サンプリング時間を短縮することができる。サンプリング時間を短縮することにより、熱水鉱床等の海底の特異な環境下における水底岩石採取器１への影響を最低限に抑えることができる。

よって、水底岩石採取器１は、広範囲における多数の地点におけるサンプリングデータを必要とするような海底調査において調査速度を向上させるとともに、作業者の負担及び調査コストを低減することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、無線信号を送受信して切離し動作を制御する切離し装置を例に挙げて説明したが、切離し装置としては、無線信号を用いるものに代わり、水底への着底動作に連動した機械的な切離し手段を用いる切離し装置を適用することができる。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

１…水底岩石採取器、２…切離し装置、２１…ストッパーアーム、２１ａ…回動軸、２２…カム、２３…連結棒、２３a…係止端、２３ｂ…係止端、２４…フック、２４ａ…回動軸、２５…フック、２５ａ…回動軸、２６…レリーサ、３…水底岩石採取器本体、３１…ロッド、３１a…基端部、３１ｂ…中央部、３１ｃ…先端部、３２…ピストン、３２ａ…環状溝、３２ｂ…下端部、３２ｃ…上端部、３３…シリンダ、３３a…下端部、３３ｂ…上端部、３３ｃ…フリンジ、３３ｄ…内壁、３４…ピストン係止フック、３５…バルブ、３６…蓋体、３６a…貫通孔、３６ｂ…環状溝、３６ｃ…環状溝、３６ｄ…上面、３６ｅ…下面、４…サンプリング器、４１…サンプリングチューブ、４２…岩石破砕チップ、５…固定台、５１…リング、５２…台座、５３…錘、５４…脚、５５…座面、６１，６２，６３…Oリング、７…内部空間、７１…封入気体、１００…船、１０１…巻上機、１０２…制御装置、１０３…送受信機、１０４…ワイヤ、Ａ…海底。

Claims (1)

1. 大気中から水中に投入される水底岩石採取器において、
   軸が重力方向に沿って配置されたシリンダと、
   前記シリンダの下端部を塞ぐ蓋体と、
   前記シリンダの上端部側に往復動自在に設けられ前記シリンダの内壁と前記蓋体との間で気密の内部空間を形成するピストンと、
   前記ピストンに基端側が固定され、前記蓋体を貫通して、前記シリンダの下方に先端側が突没するロッドと、
   前記ピストンの位置を大気中で前記蓋体から離間させた状態で固定し、水中で解除する切離し装置と、
   前記ロッドの先端に設けられたサンプリング器と、
   を具備することを特徴とする水底岩石採取器。

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