JP2016003517A - 水底岩石採取器 - Google Patents

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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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