JP2017008645A - 海底地盤のコアサンプリング方法及びコアサンプリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】海底地盤に対する移動が容易であり、表層部分の広範囲のサンプリングを連続的に行うことが可能なコアサンプリン方法を提供する。
【解決手段】伸縮動作を行うマニピュレータ５を備えた潜水艇１を用いて海底地盤のコアを採取する。マニピュレータ５にドリルヘッド２２及びコアケース８を取り付け、マニピュレータ５によってドリルヘッド２２を給進させながらドリルヘッド２２によりコアチューブ９を回転させて海底地盤のコア１０をコアチューブ９に採取し、コアチューブ９内でコアを折ってコア片１３とした後、コア片１３をコアケース８に収納する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、海底地盤から試料のためのコアを採取するコアサンプリング方法及びコアサンプリング装置に関する。

海底地盤からコアを採取するため、従来より海底地盤のコアサンプリング装置が数多く開発されている（特許文献１〜４参照）。これらの従来のコアサンプリング装置は、海底地盤上に鎮座した状態で海底地盤を掘削してコアを採取するものであり、海底地盤上に載置されるフレーム体を備えている。そして、コアチューブが取り付けられるスピンドル、スピンドルを回転させるモータやスピンドルを給進、後退させるモータ、モータに給電するバッテリー、その他の部品をフレーム体に取り付けることにより構成されている。

以上の従来のコアサンプリング装置は、いずれも海底地盤上に鎮座した状態でコアサンプリングを行うものであり、モータが駆動することによりスピンドルが回転しながら給進し、この給進によってコアチューブが海底地盤を掘進してコアチューブ内にコアを採取している。

特開平７−２９３１８２号公報 特開平７−２１７３６１号公報 特開２００６−８３５５２号公報 特開２０１１−２２６０８４号公報

従来のコアサンプリング装置では、海底地盤に対し深い掘進を行ってコアを採取するものであり、深さ１００〜３００ｍｍ程度の海底地盤の表層部分の広範囲をサンプリングするには適していない。すなわち従来のコアサンプリング装置は、モータ、スピンドル、コアチューブに加えて給電のためのバッテリー、安定のためのウエイト、その他の付属部品をフレーム体に取り付けた構造であって全体が大型化及び大重量化しており、海底地盤の広範囲のサンプリングのためにサンプリング位置を変更するための頻繁な移動に適していないためである。

一方、コバルトリッチクラストやメタンハイドレート等は海底地盤の表層部分に存在しており、これらの調査研究では海底地盤の表層部分から広範囲にコアを採取することが求められている。このためには、海底地盤に対して移動が容易であることが必要となっている。

本発明は、このようなことを考慮してなされたものであり、海底地盤に対する移動が容易であり、表層部分の広範囲からのサンプリングを行うことが可能な海底地盤のコアサンプリング方法及びコアサンプリング装置を提供することを目的とする。

本発明の海底地盤のコアサンプリング方法は、伸縮動作を行うマニピュレータを備えた潜水艇を用いて海底地盤のコアを採取するコアサンプリング方法であって、前記マニピュレータにドリルヘッド及びコアケースを取り付け、前記マニピュレータによって前記ドリルヘッドを給進させながらドリルヘッドによりコアチューブを回転させて海底地盤のコアをコアチューブに採取し、前記コアチューブ内でコアを折ってコア片とした後、前記コア片を前記コアケースに収納することを特徴とする。

本発明のコアサンプリング方法においては、前記コア片の前記コアケース内への収納を、前記コアチューブの内部を吸引して生じた水流によって行うことが好ましい。

本発明の海底地盤のコアサンプリング装置は、伸縮動作を行うマニピュレータを備えた潜水艇に取り付けられて海底地盤のコアを採取するコアサンプリング装置であって、海底地盤のコアが導入されるコア通路が形成されると共に前記コア通路の内部で傾斜状に突出しコア通路に導入されたコアを折ってコア片とするコアキッカー部が形成されたコアチューブと、前記マニピュレータに取り付けられて給進すると共に前記コアチューブを回転させるドリルヘッドと、前記マニピュレータに交換可能に取り付けられ前記コアキッカー部で折られたコア片を収納するコアケースと、を備えていることを特徴とする。

本発明のコアサンプリング装置においては、前記コア通路及びコアケースが連通状態で連結され、これらの内部を吸引するサクションポンプが設けられており、前記サクションポンプの吸引によって生じた水流によって前記コア片が前記コアケース内に収納されることが好ましい。

本発明においては、前記コアチューブの掘削時に海底地盤に対するコアチューブの振れを防止する振れ防止装置をさらに備え、前記振れ防止装置は、前記コアチューブの先端から突出するように延びた状態でコアチューブに対して相対的に進退移動可能となっており、前記コアチューブに先立って海底地盤に食い込む振れ防止爪と、前記振れ防止爪とドリルヘッドとの間に設けられ、前記コアチューブの掘削当初では伸長状態となって前記振れ防止爪の後退移動を阻止する一方、前記コアチューブの海底地盤への掘進に伴って中間部分が屈曲して前記振れ防止爪の後退を許容する中折れリンク機構とを備えていることが好ましい。

また、本発明のコアサンプリング装置においては、前記潜水艇は前記マニピュレータとは別のサブマニピュレータを備える一方、前記コアケースの複数が着脱自在に並べられるコアラックが前記潜水艇に取り付けられており、前記サブマニピュレータは前記コア片を収納したコアケースを前記マニピュレータから取り外して前記コアラックに移送すると共に前記コアラックからコアケースを取り出して前記マニピュレータに移送することが好ましい。

本発明によれば、伸縮動作を行うマニピュレータを備えた潜水艇を用い、潜水艇のマニピュレータによってドリルヘッドを給進させながらコアチューブを回転させてコアを採取し、採取したコアを折ってコア片とした後、コアケースに収納する。このような本発明では、潜水艇を用いてコアサンプリングを行うものであり、海底地盤に対する移動が容易となり、海底地盤の表層部分の広範囲からサンプリングを行うことができる。

本発明のサンプリング方法に用いる装置の全体を示す概念図である。 海底地盤を掘削するときの潜水艇の平面図である。 コアケースの交換を行うときの潜水艇の平面図である。 コアケースの取り出し及び回収を行うときの潜水艇の平面図である。 マニピュレータ及びマニピュレータに取り付けられた部材を示す側面図である。 コアチューブを示す断面図である。 サブマニピュレータを示す側面図である。 コアケースの取り付け状態を示す平面図及び側面図である。 コアラックへのコアケースの取り付け構造を示す断面図である。 振れ防止装置の全体の斜視図である。 振れ防止装置の動作を示す断面図である。 コアサンプリング状態を示す側面図である。

図１は、本発明の一実施形態における構成の全体を示し、潜水艇１がケーブル３によって操作船２に連結されている。潜水艇１は無人であっても良く、有人であっても良い。潜水艇１が無人の場合は、図１に示すように、ケーブル３を介して操作船２に連結され、操作船２からの指令が伝達されることにより海中に潜水しながら海中を移動する。この潜水艇１には、テレビカメラが備えられており、テレビカメラに映し出された映像を見ることにより操作船２からの指令が伝達される。潜水艇１が有人の場合は、潜水艇１に乗り込んだオペレータが海中を視認しながら操作することによって海中を移動する。いずれの潜水艇１においても、潜水しながら海底地盤４を掘削して海底地盤４からコアを採取する。

図２は海底地盤４を掘削するときの潜水艇１の平面図、図３はコアケース８の交換を行うときの潜水艇１の平面図、図４はコアケース８の取り出し、回収を行うときの潜水艇１の平面図である。潜水艇１はマニピュレータ５を備えており、マニピュレータ５はケーブル３によって操作船２に連結される本体部１１の前面部分に取り付けられている。このマニピュレータ５に海底地盤掘削のために作動するドリルヘッド２２が取り付けられる。

図２〜図４に示すように、この実施形態の潜水艇１はマニピュレータ５とは別のサブマニピュレータ６を本体部１１の前面部分に備えている。このサブマニピュレータ６はコアケース８を取り扱うために設けられている。又、本体部１１の前面部分には、コアラック７が取り付けられている。

コアラック７は複数のコアケース８を整列状態で収納する。このコアラック７に対し、空のコアケース８及びコアを採取したコアケース８が着脱自在に収納される。整列状態でコアケース８を収納することにより、どの位置のコアケース８が空であるのか、どの位置のコアケース８が海底地盤のコアを収納しているのか、さらには、コアケース８が海底地盤４のどの部分のコアを収納しているのかを容易且つ正確に把握することができる。

サブマニピュレータ６はコアラック７を挟んだマニピュレータ５の反対側に設けられている。図７はサブマニピュレータ６を示し、潜水艇１の本体部１１に旋回可能に取り付けられている。又、サブマニピュレータ６は伸縮自在となっており、先端部分にコアケース８をクランプによって保持するクランプ爪１２が開閉自在に設けられている。サブマニピュレータ６は旋回動作及び伸縮動作を行うことにより、空のコアケース８をコアラック７から取り出してマニピュレータ５側に移送すると共に、海底地盤のコアを収納したコアケース８をマニピュレータ５側から受け取ってコアラック７に移送する。

図９はコアケース８を収納するコアラック７の断面を示している。コアラック７のラック本体部７ａには、有底の複数の収納孔４３が整列状態で形成され、それぞれの収納孔４３にコアケース８が差し込まれて収納される。収納孔４３は上部に向かってテーパ状に広がったラッパ状に形成されており、サブマニピュレータ６がラフに作動してもコアケース８が確実に収納孔４３に差し込まれるようになっている。

図５は掘削を行うためのマニピュレータ５とマニピュレータ５に取り付けられた各部材を示す。マニピュレータ５は潜水艇１の本体１１に対し旋回可能に取り付けられている（図２〜図４参照）。又、マニピュレータ５はヒンジ部１６によって連結された複数のアーム部１５によって構成されており、ヒンジ部１６に対して各アーム部１５が屈曲することにより伸縮動作可能となっている。マニピュレータ５の伸縮動作によって海底地盤４に対する給進及び後退動作を行い、給進によって海底地盤４を掘削する。

図５に示すように、マニピュレータ５の先端には、ブラケット管２１を介してドリルヘッド２２が取り付けられている。ドリルヘッド２２はオイルモータ２３を備えており、オイルモータ２３の駆動によってドリルヘッド２２が回転する。ドリルヘッド２２にはコアチューブ９が取り付けられており、ドリルヘッド２２の回転によってコアチューブ９が回転する。コアチューブ９は回転した状態でドリルヘッド２２を介してマニピュレータ５から給進力を受けることにより海底地盤４を掘削する。

図６はコアチューブ９を示し、海底地盤４を掘削するビット２５が先端部分に取り付けられている。コアチューブの長さ方向には、コア１０が導入されるコア通路２７が貫通状に形成されている。コア通路２７の長さ方向の中間部分の一部には、傾斜状となってコア通路２５の内部に突出するコアキッカー部２９が形成されている。コアキッカー部２９はコア１０がコア通路２７に導入されたとき、コア１０を偏心させることによってコア１０を折るものであり、コアキッカー部２９を通過して折られることによりコア１０は一定の長さ（１００〜３００ｍｍ未満の長さ）のコア片１３となる。

図５に示すように、ブラケット管２１の内部にスイベル３１が設けられている。スイベル３１はドリルヘッド２２を介してコアチューブ９のコア通路２７と連通しており、このスイベル３１に連通するようにコアケース８が取り付けられる。従って、コアケース８はスイベル３１を介してコアチューブ９のコア通路２７と連通状態となっており、コアキッカー部２９によって切断されたコア片１３がコアケース８内に移動することができる。

コアケース８の取り付けに関しては、ブラケット管２１下面及びブラケット管２１に設けた固定プレート３３に上下一対のラックホルダー３５を取り付けており、このラックホルダー３５にコアケース８を挟み込むことにより行われる。一対のラックホルダー３５は図８に示すように、一部が開口した弧状の板ばねによって形成されており、そのばね力によってコアケース８を固定状態とする。又、ラックホルダー３５から引き抜くことによりコアケース８をラックホルダー３５から取り外すことができる。かかるコアケース８のラックホルダー３５への着脱は、サブマニピュレータ６によって行われる。

コアケース８は透明樹脂からなる透明筒体となっており、内部に移動したコア片１３を外部から目視することが可能となっている。ここで、コアケース８の底面には、網目体からなるフィルター板３７が取り付けられている。コアケース８の底面にフィルター板３７を設けることにより、コア通路２７からのコア片１３をコアケース８内で停止させると共に、コア片１３と共にコアケース８内に侵入した泥、小石等を通過させてコアケース８から取り除くことができる。

コアケース８へのコア片１３の移動は、吸引によって行われる。この吸引のため、サクションポンプ３９が潜水艇１の本体部１１に取り付けられる。サクションポンプ３９はサクションホース４１を介して固定プレート３３のフィルター板３７下方に連結される。これにより固定プレート３３に取り付けられているコアケース８の内部がサクションポンプ３９に接続される。このような構造では、サクションポンプ３９が吸引動作することによりコアケース８及びコアチューブ１３のコア通路２７の内部に海水の水流が生じるため、この水流によってコア通路２７内のコア片１３がコアケース８内に移動指せることができる。これによりコア通路２７内のコア片１３をコアケース８内に導入して収納することができる。

この実施形態においては、以上の構成に加えて振れ防止装置４５が設けられる。振れ防止装置４５は海底地盤４の掘削時に海底地盤４に対するコアチューブ９の振れを防止するものである。図１０及び図１１は振れ防止装置４５を示し、図１１の上半分は海底地盤４への掘削当初を、下半分はある程度掘削が進行したときを示している。振れ防止装置４５は振れ防止爪４６と、中折れリング機構４７とを備えている。

振れ防止爪４６はコアチューブ９外側の爪形成筒４８の先端部分に一体的に形成されている。爪形成筒４８はコアチューブ９の長さ方向に沿って相対的に進退移動可能となっており、これにより振れ防止爪４６もコアチューブ９の長さ方向に進退移動可能となっている。最前部に位置しているとき、振れ防止爪４６はコアチューブ９（ビット２５）の先端から海底地盤４の方向に突出するように延びており、この状態でビット２５に先立って海底地盤４に食い込むようになっている。

図１１に示すように、爪形成筒４８はカバー筒５１に覆われており、カバー筒５１内に配置したばね４９によって突出するように付勢され、これにより振れ防止爪４６も付勢されている。ばね４９は掘削が進行するのに伴って圧縮される。爪形成筒４８の後端側には、傾斜面５５ａを有する押しブロック５５が取り付けられている。

中折れリンク機構４７は、振れ防止爪４６とドリルヘッド２２との間に設けられている。中折れリンク機構４７はヒンジ５４によって屈曲可能に連結された第１リンク５２及び第２リンク５３を備えている。第１リンク５２及び第２リンク５３は一対が設けられる。第１リンク５２の前端部分はヒンジ５４によってカバー筒５１に連結され、第２リンク５３の後端部分はヒンジ５４によってドリルヘッド２２に連結されている。第１リンク５２における押しブロック５５との対向部分には受けブロック５６が設けられ、この受けブロック５６に押しブロック５５の傾斜面５５ａと対向した傾斜面５６ａが形成されている。このような構造では、振れ防止爪４６の後退に伴って押しブロック５５が後退すると、その傾斜面５５ａが受けブロック５６の傾斜面５６ａに当接する。この当接によって第１リンク５２に屈曲力が作用するため、第１リンク５２及び第２リンク５３がコアチューブ２５の外方に屈曲して中折れリンク機構４７が中折れする。なお、第１リンク５２及び第２リンク５３は、図示を省略したばねによって伸長状態に復帰するように付勢されるものである。

以上の振れ防止装置４５において、コアチューブ９（ビット２５）の掘削当初、中折れリンク機構４７は第１リンク５２及び第２リンク５３が直線状となった伸長状態となっており、振れ防止爪４６は後退移動が阻止される。このため振れ防止爪４６はビット２５よりも先端側に突出した状態となっており、コアチューブ９（ビット２５）に先立って海底地盤４に食い込む。振れ防止爪４６が海底地盤４に食い込むことによりコアチューブ（ビット２５）の掘削時における振れを防止することができる。

その後、コアチューブ９（ビット２５）による海底地盤４への掘削が進行すると、コアチューブ９が振れることなく海底地盤４を掘削するようになる。この状態では、振れ防止爪４６（爪形成筒４８）がコアチューブ９に対して相対的に後退し、押しブロック５５の傾斜面５５ａが受けブロック５６の傾斜面５６ａに当接する。これにより中折れリンク４７の第１リンク５２及び第２リンク５３が屈曲するため、振れ防止爪４６の後退が許容される。

このような振れ防止装置４５において、掘削当初では、中折れリンク機構４７が伸長して振れ防止爪４６の後退を阻止するため、振れ防止爪４６海底地盤４に食い込んで掘削時の振れを防止する。その後に掘削が安定した状態となったとき、中折れリンク機構４７が中折れするため、ばね４９が圧縮された不勢力によってコアチューブ９の掘削力が減少することがないばかりでなく、コアチューブ９のほぼ全長を有効に活用して掘削することができる。

図１２は、この実施形態によってコアサンプリングを行っている状態を示している。コアサンプリング前においては、サブマニピュレータ６が作動してコアラック７から空のコアケース８を取り出した後、コアケース８をラックホルダー３５に挟み込んで保持させる。この状態で、潜水艇１が海底地盤４のコア採取箇所に移動し、海底地盤４上に着座する。

その後、図１２に示すように、マニピュレータ５が伸長作動すると共にオイルモータ２３が駆動する。これによりコアチューブ９が回転しながら海底地盤４を水平方向に給進して掘削するため、コア１０がコアチューブ９のコア通路２７に導入される。コア通路２７に導入されたコア１０はコア通路２７内のコアキッカー部２９によって折られてコア片１３となる。

一方、サクションポンプ３９が作動してコア通路２７内を吸引する。この吸引で生じた水流によってコア通路２７内のコア片１３がコアケース８まで移動し、同ケース８内に収納される。コア片１３を収納したコアケース８はサブマニピュレータ６が作動することによりラックホルダー３５から取り外され、コアラック７の所定の収納孔４３に収納される。コア片１３の収納の後は、マニピュレータ５が短縮動作し、この短縮動作によってコアチューブ９が海底地盤４から引き抜かれる。又、サブマニピュレータ６が空のコアケース８をラックホルダー３５に移送させ、新たなコアケース８をラックホルダー３５が保持する。この状態で潜水艇１は新たなコア採取場所に移動し、同様にしてコアの採取を行う。

以上の実施形態によれば、マニピュレータ５を備えた潜水艇１を用い、潜水艇１のマニピュレータ５にドリルヘッド２２を取り付け、コアチューブ９を給進及び回転させてコア１０を採取し、採取したコア１０を折ってコア片１３とした後、コア片１３をコアケース８に収納する。このような実施形態では、コア採取を海底地盤４に鎮座して行う必要がなく、海底地盤４に対する移動が容易となり、海底地盤４の表層部分の広範囲のサンプリングを容易に行うことができる。

以上の実施形態では、海底地盤４を水平方向に掘進してコアサンプリングを行っているが、潜水艇１は海中における姿勢の変更が容易であるため、垂直方向への掘進や斜め掘進を行うことができる。これにより海底地盤４に対するコアサンプリングの自由度が増大する。

１…潜水艇、２…操作船、３…ケーブル、４…海底地盤、５…マニピュレータ、６サブマニピュレータ、７…コアラック、８…コアケース、９…コアチューブ、１０…コア、１３…コア片、２２…ドリルヘッド、２７…コア通路、２９…コアキッカー部、３９…サクションポンプ、４５…振れ防止装置、４６…振れ防止爪、４７…中折れリング機構

Claims (6)

1. 伸縮動作を行うマニピュレータを備えた潜水艇を用いて海底地盤のコアを採取するコアサンプリング方法であって、
   前記マニピュレータにドリルヘッド及びコアケースを取り付け、前記マニピュレータによって前記ドリルヘッドを給進させながらドリルヘッドによりコアチューブを回転させて海底地盤のコアをコアチューブに採取し、前記コアチューブ内でコアを折ってコア片とした後、前記コア片を前記コアケースに収納することを特徴とする海底地盤のコアサンプリング方法。
2. 請求項１記載のコアサンプリング方法であって、
   前記コア片の前記コアケース内への収納を、前記コアチューブの内部を吸引して生じた水流によって行うことを特徴とする海底地盤のコアサンプリング方法
3. 伸縮動作を行うマニピュレータを備えた潜水艇に取り付けられて海底地盤のコアを採取するコアサンプリング装置であって、
   海底地盤のコアが導入されるコア通路が形成されると共に前記コア通路の内部で傾斜状に突出しコア通路に導入されたコアを折ってコア片とするコアキッカー部が形成されたコアチューブと、
   前記マニピュレータに取り付けられて給進すると共に前記コアチューブを回転させるドリルヘッドと、
   前記マニピュレータに交換可能に取り付けられ前記コアキッカー部で折られたコア片を収納するコアケースと、を備えていることを特徴とする海底地盤のコアサンプリング装置。
4. 請求項３記載のコアサンプリング装置であって、
   前記コア通路及びコアケースが連通状態で連結され、これらの内部を吸引するサクションポンプが設けられており、前記サクションポンプの吸引によって生じた水流によって前記コア片が前記コアケース内に収納されることを特徴とする海底地盤のコアサンプリング装置。
5. 請求項３又は４記載のコアサンプリング装置であって、
   前記コアチューブの掘削時に海底地盤に対するコアチューブの振れを防止する振れ防止装置をさらに備え、
   前記振れ防止装置は、前記コアチューブの先端から突出するように延びた状態でコアチューブに対して相対的に進退移動可能となっており、前記コアチューブに先立って海底地盤に食い込む振れ防止爪と、
   前記振れ防止爪とドリルヘッドとの間に設けられ、前記コアチューブの掘削当初では伸長状態となって前記振れ防止爪の後退移動を阻止する一方、前記コアチューブの海底地盤への掘進に伴って中間部分が屈曲して前記振れ防止爪の後退を許容する中折れリンク機構とを備えていることを特徴とする海底地盤のコアサンプリング装置。
6. 請求項３乃至５のいずれか１項記載のコアサンプリング装置であって、
   前記潜水艇は前記マニピュレータとは別のサブマニピュレータを備える一方、前記コアケースの複数が着脱自在に並べられるコアラックが前記潜水艇に取り付けられており、前記サブマニピュレータは前記コア片を収納したコアケースを前記マニピュレータから取り外して前記コアラックに移送すると共に前記コアラックからコアケースを取り出して前記マニピュレータに移送することを特徴とする海底地盤のコアサンプリング装置。

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