JP6864926B2 - 深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、海洋観測技術の分野に属し、具体的には、深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置及び方法に関する。

海洋ガス資源開発などの海洋エンジニアリングが浅海から深海へと徐々に向かっていくにつれて、海洋エンジニアリングにとっての深海観測の重要性がますます顕著になっている。また、多くの海洋科学的問題の解答にも海洋観測データの実証とサポートが必要である。深海における海洋エンジニアリング地質学環境の原位置長期観測は重要な科学的意義を有するだけでなく、実用的なエンジニアリング応用価値も有する。

現在、中国において建設中の海底観測ネットワークは、データ伝送と観測用の電力需要の問題をある程度解決しているが、海底観測ネットワークは資金の消費が巨大で、建設期間が長く、柔軟性が弱く、保守が困難である。海底観測ネットワークと比較して、独立して電力を供給される方式を採用される海底観測プラットフォームが存在し、その柔軟性は高いが、海水と堆積物の同期、原位置、長期、リアルタイム観測を達成することは困難である。また、既存の観測プラットフォームは、海水−海水ベッド界面位置−堆積物のエンジニアリング特性、物理的特性、力学的特性、生物化学的特性の総合的観測を達成できない。現在、多数の堆積物の原位置観測装置は、自身の重力を利用して観測プローブを堆積物に貫入する方法を採用しているため、観測プローブの貫入効果を保証できない。したがって、限られた建設資金と複雑な深海条件において、どうのように海水−海水ベッド界面位置−堆積物のエンジニアリング特性、物理的特性、力学的特性、生物化学的特性の総合的、原位置、長期、リアルタイム観測を達成を実現できるかは、まだ解決されていない技術問題である。

本発明の目的は、従来技術の欠陥または不足を補うことができる、深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置及び方法を提供することである。

本発明に係る深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、
フレーム構造の機器搭載プラットフォームを含み、
前記機器搭載プラットフォーム上には、堆積物音響プローブ、堆積物間隙水圧力プローブ、三次元抵抗率プローブ、及び前記プローブを海底堆積物に貫入させるプローブ液圧貫入システムが設置され、また、水状態観測装置、長期観測用電力供給システム、マスター制御器とデータ記憶伝送システム、音響リリース装置および水中音響通信装置が搭載されており、
前記堆積物音響プローブは、音響信号発信プローブと音響信号受信プローブとから構成され、前記音響信号発信プローブには一つの固定方向送信トランスデューサが設置され、音響信号受信プローブの異なる深さのところにはそれぞれ一つの受信トランスデューサが設置され、音響信号発信プローブと音響信号受信プローブとの両方の端部はいずれも音響信号伝送線路を介してマスター制御器とデータ記憶伝送システムと連接され、
前記送信トランスデューサは、送信トランスデューサの発信電圧応答を向上させるために、複数の円環状圧電セラミックチューブを並列連接して結合する方法を採用し、前記受信トランスデューサは、受信トランスデューサの受信の敏感性を向上させるために、複数の円環状圧電セラミックチューブを直列連接して結合する方法を採用し、
前記三次元抵抗率プローブは、一本の抵抗率垂直プローブと、四本の十字交差される抵抗率水平プローブとから構成され、
前記抵抗率垂直プローブと抵抗率水平プローブとの両方にはいずれも、間隔を置いて電極リングが配置され、プローブのレバー本体は、ポリプロピレンランダム材質の材料を選択し、電極は、グラファイト電極を採用し、レバー本体の中に埋め込まれ、
前記堆積物間隙水圧力プローブの間隙水圧力センサーは、ファイバーラスタ圧力差式センサーを使用し、前記ファイバーラスタ圧力差式センサーは、ラスタ上のひずみ変化を波長変化に変換させることができるとともに、ファイバーラスタの中心波長の変化と間隙水圧との関係を確定することにより、観測データから堆積物間隙水圧を算出し、堆積物間隙水圧力プローブのレバー本体部分は、ステンレス鋼管を採用し、ステンレス鋼管の底部には貫入コーンが設置され、端部は間隙水圧力信号伝送線路を介してマスター制御器とデータ記憶伝送システムと連接され、
前記水状態観測装置には、浮遊物の濃度、メタンの濃度、溶存酸素の濃度、二酸化炭素の濃度、温度、塩度、海流の観測ユニットが集積されることを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、
前記堆積物音響プローブのデータ処理方法は、
スペクトル技術により、二つの受信トランスデューサが受信された音波振幅を抽出し、音波の減衰振幅を算出することと、
室内試験により、音響パラメータと堆積物の物理力学的特性との関係を確定し、音響パラメータから物理力学的パラメータを算出することとを含み、
前記音響パラメータは、音速と音響減衰振幅であり、前記堆積物の物理力学的特性は、密度、含水率、液体塑性限界、間隙率、比重、強度であることを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、
前記三次元抵抗率プローブのデータ処理方法は、
海水と堆積物との抵抗率の差異を利用して、抵抗率垂直プローブにより測定された抵抗率の突然の変化が生じたところを海水ベッド界面位置であると確認することと、
海水ベッド界面位置の変化により、海水ベッド浸食堆積速度を推定することと、
室内試験により、海水懸濁液の濃度と抵抗率との間の関係を確定し、堆積物の物理力学的特性と抵抗率との間の関係を確定し、前記堆積物の物理力学的特性は、密度、含水率、液体塑性限界、間隙率、比重、強度であることと、
測定された抵抗率に基づき、海水懸濁液の濃度と堆積物の物理力学的特性とを算出することと、
算出された堆積物音響プローブと三次元抵抗率プローブとの物理力学的特性を比較分析し，最終的に、堆積物の物理力学的特性を総合的に確定することとを含むことを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、
前記プローブ液圧貫入システムは、機器搭載プラットフォーム上に設置される液圧室、制御室、駆動室、貫入機構電池室、貫入機械手を含むことを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、
水状態観測装置は、長期観測用電力供給システムを介して集中的に電力を供給するか、または、電池を自らもって独立に電力を供給することを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、
前記長期観測用電力供給システムは、四つの発電ユニットと、二つの電気エネルギー貯蔵ユニットとから構成され、
前記発電ユニットは、海水溶解酸素電池を使用し、四つの発電ユニットは中心が対称するように機器搭載プラットフォームの外側に均等に配置され、機器搭載プラットフォームのフレーム構造は開放的であり、内部は海水が自由に通過できるように構成されており、電力供給システムにおける溶存酸素の供給を確保するために、発電ユニット付近の海流速度を最大範囲に保証し、二つの電気エネルギー貯蔵ユニットは、交互に充電と放電過程を行い、すなわち、一方が電気エネルギーを貯蔵するとき、他方は観測システムに電力を供給することを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、
海底観測装置の転倒を防ぐために、機器搭載プラットフォームの底部には対称になる四つの傾斜防止台座が設置されることを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置のリリース方法は、
調査船を指定ステーション位置まで運転し、停船することと、
船に乗せられた地質ウインチスチールケーブルと音響リリース器とを連接し、船載地質ウインチスチールケーブルを介して、深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置をリリースし、リリース速度は≦１ｍ／ｓであることと、
ステーション位置の水の深さとリリース済みのスチールケーブルの長さにより、観測装置が海底から１００ｍ−２００ｍの距離であると推定されたとき、リリース速度を下げて、底打ちの時の衝撃による観測装置の破壊を防ぐことと、
機器が底打ちされた後、観測装置のプローブ液圧貫入システムを介して、堆積物音響プローブ、堆積物間隙水圧力プローブ及び三次元抵抗率プローブを堆積物に貫入させ、貫入の方式は、一つずつの貫入、または、一回で統一的の貫入であることと、
貫入が完了された後、観測装置の先端の音響リリース器を励起させることと、
音響リリース器をリリースした後、スチールケーブルと観測装置とが離れ、スチールケーブルを回収し、観測装置のリリースを完成することとを含むことを特徴とする。

前記深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置の回収方法は、
指定ステーション位置の座標に基づき、ＧＰＳの測位によって、調査船をリリース位置まで運転することと、
ＲＯＶ水中ロボットを利用し、船に乗せられる地質ウインチスチールケーブルの一端を海底観測装置における音響リリース装置に固定することと、
ＲＯＶ水中ロボットの回収を完成した後、また船に乗せられる地質ウインチスチールケーブルを回収することにより、海底観測装置の回収を完成することとを含むことを特徴とする。

本発明は以下の顕著な利点を有する。
本発明の観測内容は、海水状態の懸濁物の濃度、メタンの濃度、溶存酸素の濃度、二酸化炭素の濃度、温度、塩度、海流、海水ベッド界面位置の浸食堆積速度、および堆積物のエンジニアリング性質、音響的性質、電気的性質、間隙水圧力を含む。

海水状態の流速、流れ方向は、観測装置に搭載される海流計により観測し得、メタンの濃度、溶存酸素の濃度、二酸化炭素の濃度は、搭載されるガス濃度センサーにより観測し得、懸濁物の濃度は、抵抗率観測値により算出し得、温度、塩度、海水の濁度は、搭載されるマルチパラメータセンサーにより観測し得る。

海水ベッド界面における浸食堆積速度は、海底堆積物中に貫入される抵抗率垂直プローブのリアルタイム測定から得られる。抵抗率垂直プローブにより観測し得た海水と堆積物との抵抗率値は、海水と堆積物との導電率の差異を利用して、抵抗率の突然の変化が生じたところを海水ベッド界面位置位置と確認する。

海底堆積物のエンジニアリング特性、物理力学的指標パラメータは、海底抵抵抗率の三次元測定と音波の測定結果により総合的に決定される。原位置により、海底堆積物の抵抗率、音響インピーダンス、音響減衰の時空間的変化を観測し、現場と実験室の土壌力学的試験により、海水ベッド土壌抵抗率、音響パラメータと密度、含水率、液体塑性限界、間隙率、比重、強度の関係を確立し、さらに、電気的、音響的観測により、海底堆積物のエンジニアリング特性、物理力学的特性および動的変化を算出する。音波の算出方法の具体的な流れは、スペクトル技術により、二つの受信トランスデューサが受信される音波振幅を抽出し、音波の減衰振幅を求めることと、室内試験により、音響パラメータ（音速と音響減衰幅）と堆積物の物理力学的特性との関係を確定し、音響パラメータから物理力学的パラメータを算出することとを含む。

堆積物音響プローブ、堆積物間隙水圧力プローブと三次元抵抗率プローブは、プローブ液圧貫入システムを介して、液圧方式で堆積物の中に貫入させ、重力貫入方式における制御不能性を免れる。

プローブがスムーズに堆積物に貫入されることを保証するために、底質の硬い海域については、堆積物音響プローブ、堆積物間隙水圧力プローブと三次元抵抗率プローブを一つずつ貫入させ、底質の軟らかい海域については、堆積物音響プローブ、堆積物間隙水圧力プローブと三次元抵抗率プローブを一回で統一的に貫入させる。

観測データは、リアルタイム伝送と自己完結型ストレージとの二つのモードを採用する。キーデータは、リアルタイム伝送モードを採用し、残りのデータは、自己完結型ストレージモードを採用する。これにより、データのリアルタイム性を保証し、災害警報などのためにデータを提供するとともに、電力供給を削減し、観測時間を延長する。

長期観測用電力供給システムを利用して電力を供給する。観測用の電気需要を確保するために、発電ユニットは、海水溶存酸素電池により実現する。大量の電池または長距離の海底ケーブルの敷設を避ける。

前記発電ユニットは、全部で四つであり、対称的に機器搭載プラットフォームの外側に配置され、機器搭載プラットフォームのフレーム構造は開放的であり、その内部は海水が自由に通過できるように構成され、電力供給システムにおける溶存酸素の供給を確保するために、発電ユニット付近の海流速度を最大範囲に保証する。

前記電気エネルギー貯蔵ユニットは、全部で二つである。電気エネルギー貯蔵ユニットは、交互に充電と放電過程を行い、すなわち、一方が電気エネルギーを貯蔵する場合、他方は観測システムに電力を供給する。

観測プローブを貫入させるとき、観測装置は海中にリリースされたばかりであり、長期観測用電力供給システムはまだ十分な電気エネルギーを蓄えていないことから考慮し、プローブ水圧貫入システムの電力供給は貫入機構電池室から独立して提供する。

本発明は、２０００メートルの水の深さ範囲において、海水−海水ベッド界面位置−堆積物のエンジニアリング特性、物理的特性、力学的特性、生物化学的特性の総合的、原位置、長期、リアルタイム観測を行うことができ、海洋環境モニタリング、海洋地質災害監視などの面で応用価値がある。

図１は、本発明の左側面図である。 図２は、本発明の正面図である（垂直プローブは図示せず）。 図３は、本発明のマスター制御器とデータ記憶伝送システムの上側に位置される部分の平面図である。 図４は、本発明のマスター制御器とデータ記憶伝送システムの下側に位置される部分の平面図である。 図５は、本発明の堆積物音響プローブの概略図である。 図６は、本発明の堆積物間隙水圧力プローブの概略図である。 図７は、本発明の三次元抵抗率データ収集回路図である。 図８は、本発明の海底観測システムと中継システム、リモートシステムとの通信方式を示す図である。

１ 堆積物音響プローブ、２ 堆積物間隙水圧力プローブ、３ 三次元抵抗率プローブ、４ 水状態観測装置、５ 長期観測用電力供給システム、６ プローブ液圧貫入システム、７ マスター制御器とデータ記憶伝送システム、８ 音響リリース装置、９ 水中音響通信装置、１０ 機器搭載プラットフォーム、１１ 音響信号発信プローブ、１２ 音響信号受信プローブ、１３ 固定方向送信トランスデューサ、１４ 受信トランスデューサ、１５ 音響信号伝送線路、１６ ステンレス鋼管、１７ 間隙水圧力センサー、１８ 貫入コーン、１９ 間隙水圧力信号伝送線路、２０ 抵抗率垂直プローブ、２１ 抵抗率水平プローブ、２２ 発電ユニット、２３ 電気エネルギー貯蔵ユニット、２４ 液圧室、２５ 制御室、２６ 駆動室、２７ 貫入機構電池室、２８ 貫入機械手、２９ 傾斜防止台座。

図１〜４に示すように、深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、主に、堆積物音響プローブ１、堆積物間隙水圧力プローブ２、三次元抵抗率プローブ３、水状態観測装置４、長期観測用電力供給システム５、プローブ液圧貫入システム６、マスター制御器とデータ記憶伝送システム７、音響リリース装置８、水中音響通信装置９、機器搭載プラットフォーム１０を含む。そのうち、海底の観測ユニットとしては、堆積物音響プローブ１、堆積物間隙水圧力プローブ２、三次元抵抗率プローブ３、水状態観測装置４が用いられる。

前記水状態観測装置４は、主に、懸濁物の濃度、メタンの濃度、溶存酸素の濃度、二酸化炭素の濃度、温度、塩度、海流の観測ユニットを集積している。水状態の他の要素の観測機器も、機器搭載プラットフォーム１０に搭載されることができる。

上記の水状態観測装置４は、長期観測用電力供給システム５により、集中的に電力を供給されてもよいし、電池を自ら持って独立に電力を供給されてもよい。

観測データは、リアルタイム伝送と自己完結型ストレージとの二つのモードを採用する。キーデータは、リアルタイム伝送モードを採用し、残りのデータは、自己完結型ストレージモードを採用する。リモート指令信号送信とリアルタイムデータ伝送を実現するために、機器搭載プラットフォーム１０は、水中音響通信装置９を備えている。

前記長期観測用電力供給システム５は、主に、四つの発電ユニット２２と、二つのシステム電気エネルギー貯蔵ユニット２３とから構成される。発電ユニットは、海水溶存酸素電池により実現され、観測用の電気需要を確保する。

前記発電ユニット２２は、全部で四つであり、対称するように機器搭載プラットフォーム１０の外側に配置され、機器搭載プラットフォームのフレーム構造は開放的であり、その内部は海水が自由に通過できるように構成され、電力供給システムにおける溶存酸素の供給を確保するために、発電ユニット付近の海流速度を最大範囲に保証する。

前記電気エネルギー貯蔵ユニット２３は、全部で二つである。電気エネルギー貯蔵ユニットは、交互に充電と放電過程を行い、すなわち、一方が電気エネルギーを貯蔵する場合、他方は観測システムに電力を供給する。

海底観測装置の転倒を防ぐために、機器搭載プラットフォーム１０の底部には、対称になる四つの傾斜防止台座２９が設置される。前記四つの傾斜防止台座２９は、中心が対称するように機器搭載プラットフォーム１０の四隅に配置される。

図５に示すように、本発明の堆積物音響プローブ１は、音響信号発信プローブ１１と音響信号受信プローブ１２とを含む。

前記音響信号発信プローブ１１には、一つの固定方向送信トランスデューサ１３が設置され、音響信号受信プローブ１２の異なる深さのところには、それぞれ一つの受信トランスデューサ１４が設置される。

具体的に、前記堆積物音響プローブの測定ワークフローは下記の通りである。
堆積物音響プローブ１の貫入が終了されると、マスター制御器とデータ記憶伝送システム７は、音響信号伝送線路１５を介して、音響信号発信プローブ１１に動作開始の指令を送信し、固定方向送信トランスデューサ１３を励起し、音響信号を発生させる。

音響信号は、海底堆積物において伝播され、その後、受信トランスデューサ１４により受信され、音響信号受信プローブ１２は、音波信号についてフロント増幅、フィルタリング、自動ゲイン制御などの処理を行った後、データ収集を完了させる。さらに、音響信号伝送線路１５を介して、データを産業用組込みＰＣに転送し、圧縮と記憶を行う。

具体的に、音響観測データの処理ワークフローは下記の通りである。
音響信号受信プローブ１２に設置されている二つの受信トランスデューサ１４は、音響信号発信プローブ１１上の同じ固定方向送信トランスデューサ１３てによっ送信される異なる深さに到達する音波を前後に受信することができる。音響信号が二つの受信トランスデューサ１４に到達する時間差Ｔを確定することができ、二つの受信トランスデューサ１４の距離Ｌは既知であり、堆積物における音波の伝播速度Ｖを算出することができる。

堆積物における音波の伝播速度Ｖの計算式は、Ｖ＝Ｌ／Ｔである。

スペクトル技術により、二つの受信トランスデューサ１４が受信された音波振幅を抽出し、音波の減衰振幅を算出する。室内試験により、音響パラメータ（音速と音響減衰振幅）と堆積物の物理力学的特性（密度、含水率、液体塑性限界、間隙率、比重、強度）との関係を確定し、音響パラメータから物理力学的パラメータを算出する。

送信トランスデューサ１３の発信電圧応答を向上させるために、複数の円環状圧電セラミックチューブを並列連接して結合する方法を採用する。

受信トランスデューサ１４の受信の敏感性を向上させるために、複数の円環状圧電セラミックチューブを直列連接して結合する方法を採用する。

図６に示すように、本発明の堆積物間隙水圧力プローブ４は、主に、四つのセグメントのステンレス鋼管１６と、四つの間隙水圧力センサー１７と、貫入コーン１８とから構成される。

前記堆積物間隙水圧力プローブ２は、間隙水圧力信号伝送線路１９を介して、マスター制御器とデータ記憶伝送システム７と連接され、データ通信及び信号伝送を行う。

海水におけるプローブの腐食を防ぐために、ステンレス鋼管１６は３１６Ｌステンレスの材質を選択する。

間隙水圧力センサー１７は、ファイバーラスタ圧力差式センサーを選択する。ラスタ上のひずみ変化を波長変化に変換させることができるとともに、ファイバーラスタの中心波長の変化と間隙水圧との関係を確定する。観測データから堆積物間隙水圧を算出する。

図１、図４に示すように、三次元抵抗率プローブ３は、一本の抵抗率垂直プローブ２０と、四本の十字交差される抵抗率水平プローブ２１とから構成される。

抵抗率垂直プローブ２０と抵抗率水平プローブ２１との両方にはいずれも、間隔を置いて電極リングが配置される。

抵抗率プローブのレバー本体はポリプロピレンランダムの材質を選択し、電極はグラファイト電極を採用し、レバー本体の中に埋め込まれる。

マスター制御器とデータ記憶伝送システム７からコマンドを発行されると、その後、抵抗率垂直プローブ２０上の電極はウェンナー（Ｗｅｎｎｅｒ）方式でローリング測定を実現し、抵抗率垂直プローブ２０に沿った異なる深さにおける抵抗率を測定し得る。

堆積物の三次元抵抗率観測は、抵抗率垂直プローブ２０と抵抗率水平プローブ２１とにより行うことができる。

上記堆積物の三次元抵抗率観測は、二極装置を使用する。観測するとき、給電極Ｂと測定極Ｎとはそれぞれ専用の導線を利用して無限遠に配置される。給電極Ａは、抵抗率垂直プローブ２０の異なる深さの電極から選択され、測定極Ｍは、それぞれ四つの抵抗率水平プローブ２１上の電極から選択される。

長期観測における電気エネルギーの消費を節約するとともに、堆積物においての強い電流場の発生を保証するために、上記三次元抵抗率観測は、並行技術を採用する。即ち、電気を供給するたびに、抵抗率水平プローブ２１上の電位極は、同時に測定を実現する。

図７は、本発明の三次元抵抗率データ収集回路図である。

上記の三次元抵抗率観測収集回路は、主に、中央制御回路と、三次元抵抗率並列収集回路と、垂直型プローブ電極の変換及び収集回路と、電力供給回路とを備える。

上記の中央制御回路は、中央プロセッサ（ＣＰＵ）と記憶デバイスとから構成され、全体の収集記憶処理およびデータ送信制御を実現される。

中央プロセッサ（ＣＰＵ）は、３２ビットの組込みプロセッサＡＲＭ９を採用する。二つの異なるタイプのメモリＲＡＭ、ＲＯＭは、それぞれＡＲＭ９と接続され、プログラムおよび収集データ記憶を実現される。

メインコントローラーとＡＲＭ９との間はＣＡＮバスインターフェースで接続される。

三次元抵抗率並列採集回路は、並列の複数チャネルから構成され、各チャネルは、プリアンプとＡ／Ｄ変換回路とから構成され、各チャネル入力は、選定されているレバー本体電極と無限極Ｎとの間の測定電位である。

垂直型プローブ電極の変換及び収集回路は、主に、スイッチデコーダと電力供給、測定回路から構成され、電力供給回路と測定回路とは、それぞれ２本の導線を介してスイッチデコーダと接続される。測定するとき、それぞれスイッチデコーダを介して、電極を選択し、電力供給、測定回路に接続される。

電力供給回路は、海水電池を外部に接続し、電圧レギュレータを内部に接続し、その後、それぞれＣＰＵ、送信機と接続し、それぞれ収集本体と送信機に電力を供給する。

海水と堆積物との抵抗率の差異のため、抵抗率垂直プローブ２０により測定された抵抗率の突然変化が生じたところが、即ち、海水ベッド界面位置である。海水ベッド界面位置の変化により、海水ベッド浸食堆積速度を推算することができる。

海水ベッド界面位置の変化により、海水ベッド浸食堆積速度を推定することができる。

室内試験により、海水懸濁液の濃度と抵抗率との関係を確定し、堆積物の物理力学的特性（密度、含水率、液体塑性限界、間隙率、比重、強度）と抵抗率との関係を確定する。そして、測定し得る抵抗率に基づき、海水懸濁液の濃度と堆積物の物理力学的特性とを算出する。

堆積物音響プローブ１と三次元抵抗率プローブ３とにより算出される物理力学的特性を比較分析し，最終的に、堆積物の物理力学的性質を総合的に確定する。

堆積物音響プローブ１と、堆積物間隙水圧力プローブ２と三次元抵抗率プローブ３とは、プローブ液圧貫入システム６を介して、液圧方式で堆積物の中に貫入される。

上記のプローブ液圧貫入システム６は、液圧室２４、制御室２５、駆動室２６、貫入機構電池室２７、貫入機械手２８から構成される。

観測プローブを貫入させるとき、観測装置は海中にリリースされたばかりであり、長期観測用電力供給システムはまだ十分な電気エネルギーを蓄えていないことから考慮し、プローブ水圧貫入システムの電力供給は貫入機構電池室から独立して提供する。

プローブがスムーズに堆積物に貫入されることを保証するために、底質の硬い海域については、堆積物音響プローブ１、堆積物間隙水圧力プローブ２と三次元抵抗率プローブ３を一つずつ貫入させ、底質の軟らかい海域については、堆積物音響プローブ１、堆積物間隙水圧力プローブ２と三次元抵抗率プローブ３を一回で統一的に貫入させる。

本発明の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置のリリース及び回収方法は下記の通りである。
調査船を指定ステーション位置まで運転し、停船する。船に乗せられる地質ウインチスチールケーブルを介して、深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置をリリースし、リリース速度は≦１ｍ／ｓである。

ステーション位置の水の深さとリリース済みのスチールケーブルの長さにより、観測装置が海底から１００ｍ−２００ｍの距離であると推定されたとき、リリース速度を下げて、底打ちの時の衝撃による観測装置の破壊を防ぐ。

機器が底打ちされた後、プローブ液圧貫入システム６を介して、堆積物音響プローブ１と、堆積物間隙水圧力プローブ２と三次元抵抗率プローブ３とを堆積物に貫入させる。

観測区の底質により、貫入方式は、一つずつの貫入または一回で統一的の貫入することである。

貫入が完了された後、観測装置の先端の音響リリース器８を励起させる。音響リリース器８をリリースした後、スチールケーブルと観測装置とが離れ、スチールケーブルを回収し、観測装置のリリースを完成する。

長期的な観測を経て、ＧＰＳの測位によって、調査船をリリース位置まで運転し、観測装置の回収を行う。

ＲＯＶ水中ロボットを利用し、船に乗せられる地質ウインチスチールケーブルの一端を海底観測装置における音響リリース装置に固定する。

ＲＯＶ水中ロボットの回収を完成した後、また、船に乗せられる地質ウインチスチールケーブルを回収することにより、海底観測装置の回収を完成する。

図８は、本発明の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置と海面信号中継システム、リモートサーバとの通信方式を示す図である。

図８に示すように、深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、海水電池により電力を供給し、一連のデータ収集を完成する。

採集されたデータは，水中音響通信方式により海面信号中継システムに伝送される。前記海面信号中継システムは、太陽電池により電力を供給する。

海面信号中継システムは、衛星通信方式によりデータを衛星に伝送し、衛星は、衛星通信方式によりデータをリモートサーバに伝送する。

ユーザは、リモートサーバを介して、観測データの照会、ダウンロード、分析を行う。

観測の必要に応じて、観測パラメータを調整する必要がある場合、リモートサーバーは衛星通信により信号を衛星に伝送する。衛星は衛星通信により信号を海面信号中継システムに伝送する。
海面信号中継システムは、水中音響通信により信号を海底観測システムに伝送する。

本発明の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置は、２０００ｍ水深範囲内の海底において、海水−海水ベッド界面位置−堆積物のエンジニアリング特性、物理的特性、力学的特性、生物化学的特性の総合的、原位置、長期、リアルタイム観測を行うことができる。海底ハイドレートの開発の過程においてのエンジニアリング地質学モニタリングなどの海洋エンジニアリングの面で応用価値がある。

Claims (8)

1. フレーム構造の機器搭載プラットフォーム（１０）を含み、
   前記機器搭載プラットフォーム（１０）上には、堆積物音響プローブ（１）、堆積物間隙水圧力プローブ（２）、三次元抵抗率プローブ（３）、及び前記プローブを海底堆積物に貫入させるプローブ液圧貫入システム（６）が設置され、また、水状態観測装置（４）、長期観測用電力供給システム（５）、マスター制御器とデータ記憶伝送システム（７）、音響リリース装置（８）および水中音響通信装置（９）が搭載されており、
   前記堆積物音響プローブ（１）は、音響信号発信プローブ（１１）と音響信号受信プローブ（１２）とから構成され、前記音響信号発信プローブ（１１）には一つの固定方向送信トランスデューサ（１３）が設置され、音響信号受信プローブ（１２）の異なる深さのところにはそれぞれ一つの受信トランスデューサ（１４）が設置され、音響信号発信プローブ（１１）と音響信号受信プローブ（１２）との両方の端部はいずれも音響信号伝送線路（１５）を介してマスター制御器とデータ記憶伝送システム（７）と連接され、
   前記送信トランスデューサ（１３）は、送信トランスデューサ（１３）の発信電圧の応答を向上させるために、複数の円環状の圧電セラミックチューブを並列連接して結合する方法を採用し、前記受信トランスデューサ（１４）は、受信トランスデューサ（１４）の受信の敏感性を向上させるために、複数の円環状圧電セラミックチューブを直列連接して結合する方法を採用し、
   前記三次元抵抗率プローブ（３）は、一本の抵抗率垂直プローブ（２０）と、四本の十字交差される抵抗率水平プローブ（２１）とから構成され、
   前記抵抗率垂直プローブ（２０）と抵抗率水平プローブ（２１）との両方にはいずれも、間隔を置いて電極リングが配置され、プローブのレバー本体は、ポリプロピレンランダム材質の材料を選択し、電極は、グラファイト電極を採用し、レバー本体の中に埋め込まれ、
   前記堆積物間隙水圧力プローブ（２）の間隙水圧力センサー（１７）は、ファイバーラスタ圧力差式センサーを使用し、前記ファイバーラスタ圧力差式センサーは、ラスタ上のひずみ変化を波長変化に変換させることができるとともに、ファイバーラスタの中心波長の変化と間隙水圧との関係を確定することにより、観測データから堆積物間隙水圧を算出し、堆積物間隙水圧力プローブ（２）のレバー本体部分は、ステンレス鋼管（１６）を採用し、ステンレス鋼管（１６）の底部には貫入コーン（１７）が設置され、端部は間隙水圧力信号伝送線路（１９）を介してマスター制御器とデータ記憶伝送システム（７）と連接され、
   前記水状態観測装置（４）には、浮遊物の濃度、メタンの濃度、溶存酸素の濃度、二酸化炭素の濃度、温度、塩度、海流の観測ユニットが集積され、
   前記三次元抵抗率プローブ（３）のデータ処理方法は、
   海水と堆積物との抵抗率の差異を利用して、抵抗率垂直プローブ（２０）により測定された抵抗率の突然の変化が生じたところを海水ベッド界面位置であると確認することと、
   海水ベッド界面位置の変化により、海水ベッド浸食堆積速度を推定することと、
   室内試験により、海水懸濁液の濃度と抵抗率との間の関係を確定し、堆積物の物理力学的特性と抵抗率との間の関係を確定し、前記堆積物の物理力学的特性は、密度、含水率、液体塑性限界、間隙率、比重、強度であることと、
   測定された抵抗率に基づき、海水懸濁液の濃度と堆積物の物理力学的特性とを算出することと、
   算出された堆積物音響プローブ（１）と三次元抵抗率プローブ（３）との物理力学的特性を比較分析し，最終的に、堆積物の物理力学的特性を総合的に確定することとを含む、
   ことを特徴とする深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置。
2. 前記堆積物音響プローブ（１）のデータ処理方法は、
   スペクトル技術により、二つの受信トランスデューサ（１４）が受信された音波の振幅を抽出し、音波の減衰振幅を算出することと、
   室内試験により、音響パラメータと堆積物の物理力学的特性との関係を確定し、音響パラメータから物理力学的パラメータを算出することとを含み、
   前記音響パラメータは、音速と音響減衰振幅であり、前記堆積物の物理力学的特性は、密度、含水率、液体塑性限界、間隙率、比重、強度である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置。
3. 前記プローブ液圧貫入システム（６）は、機器搭載プラットフォーム（１０）上に設置される液圧室（２４）、制御室（２５）、駆動室（２６）、貫入機構電池室（２７）、貫入機械手（２８）を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置。
4. 水状態観測装置（４）は、長期観測用電力供給システム（５）を介して集中的に電力を供給するか、または、電池を自ら持って独立に電力を供給する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置。
5. 前記長期観測用電力供給システム（５）は、四つの発電ユニット（２２）と、二つの電気エネルギー貯蔵ユニット（２３）とから構成され、
   前記発電ユニット（２２）は、海水溶解酸素電池を使用し、四つの発電ユニットは中心が対称するように機器搭載プラットフォーム（１０）の外側に均等に配置され、機器搭載プラットフォーム（１０）のフレーム構造は開放的であり、内部は海水が自由に通過できるように構成されており、
   電力供給システムにおける溶存酸素の供給を確保するために、発電ユニット（２２）付近の海流速度を最大範囲に保証し、
   二つの電気エネルギー貯蔵ユニットは、交互に充電と放電過程を行い、すなわち、一方が電気エネルギーを貯蔵するとき、他方は観測システムに電力を供給する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置。
6. 海底観測装置の転倒を防ぐために、機器搭載プラットフォーム（１０）の底部には対称になる四つの傾斜防止台座（２９）が設置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置。
7. 調査船を指定ステーション位置まで運転し、停船することと、
   船に乗せられた地質ウインチスチールケーブルと音響リリース器（８）とを連接し、船載地質ウインチスチールケーブルを介して、深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置をリリースし、リリース速度は≦１ｍ／ｓであることと、
   ステーション位置の水の深さとリリース済みのスチールケーブルの長さにより、観測装置が海底から１００ｍ−２００ｍの距離であると推定されたとき、リリース速度を下げて、底打ちの時の衝撃による観測装置の破壊を防ぐことと、
   機器が底打ちされた後、観測装置のプローブ液圧貫入システム（６）を介して、堆積物音響プローブ（１）、堆積物間隙水圧力プローブ（２）及び三次元抵抗率プローブ（３）を堆積物に貫入させ、貫入の方式は、一つずつの貫入、または、一回で統一的の貫入であることと、
   貫入が完了された後、観測装置の先端の音響リリース器（８）を励起させることと、
   音響リリース器（８）をリリースした後、スチールケーブルと観測装置とが離れ、スチールケーブルを回収し、観測装置のリリースを完成することとを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置のリリース方法。
8. 指定ステーション位置の座標に基づき、ＧＰＳの測位によって、調査船をリリース位置まで運転することと、
   ＲＯＶ水中ロボットを利用し、船に乗せられる地質ウインチスチールケーブルの一端を海底観測装置における音響リリース装置に固定することと、
   ＲＯＶ水中ロボットの回収を完成した後、また船に乗せられる地質ウインチスチールケーブルを回収することにより、海底観測装置の回収を完成することとを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の深海台座式のエンジニアリング地質学環境の原位置長期観測装置の回収方法。
   

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