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話題の研究 謎解き解説

新手法で、掘削データを使って岩盤強度を簡単に早く測定

【目次】
様々な理解の一助になる岩盤強度
掘削パラメータから岩盤強度を計算
浅部まで硬くなっていた付加体
目指すは、充填剤

掘削パラメータから岩盤強度を計算

岩盤強度を求める新手法について聞かせてください。

掘削船では、先端にドリルビットと呼ばれる刃をつけたパイプを降ろし、ドリルビットを回転させながら海底下を掘ります(動画2)。


動画2 「ちきゅう」による海底掘削

このとき、同時にドリルビットの回転数やビットにかかる力、ビット荷重やビットの深さなどの「掘削パラメータ」(図5)が得られます。


図5 掘削パラメータの一部

新手法では、その掘削パラメータを変換式(図6)にあてはめて、“ドリルビットの刃にかかる力(トルク)”を、“ドリルビット1回転で何メートル進んだか”で割って、岩盤強度を求めます(図6)。掘削から岩盤強度を求めることからthe equivalent strength、EST(掘削等価強度;掘削の力から推定した強度、写真2)と呼ぶことにしました。


図6 掘削パラメータから岩盤強度を求める変換式

写真2 ESTを計算している様子。画面左が掘削パラメータ、右上がEST。(右下はドリリングパイプが孔の壁にぶつかるなど孔掘り以外でかかった力で、EST算出の際には差し引くもの。)

掘削時にふつうに得られるデータから、岩盤強度を計算するというわけですね。

試料採取は不要、温度や圧力などの推定値はなく、掘削孔さえあけば誰でも簡単に求められます。

とても便利ですね! どのようなきっかけで思いついたのですか?

2013年9月から2014年1月に行われた地球深部探査船「ちきゅう」(動画3)の研究航海に乗船したことがきっかけです。


動画3 地球深部探査船「ちきゅう」

航海の目的の1つは、東南海地震震源域の海溝側の端、水深1939mの海底「C0002」地点の掘削でした。掘削深度は、図7でいうとC0002地点からのびる黒線のあたりまで、海底下3000mに達します。


図7 南海トラフの断面図

このとき私の役割は、掘削時のデータのクオリティをチェックするスタッフサイエンティストでした。ただ、C0002のような深い掘削は非常に困難です。私は「データは簡単には得られないだろう、何でもいいから使えるデータはないかな」という気持ちでした。そしてモニターに映し出される掘削パラメータを初めて目にして、「何かに使えるのでは」と思ったのです。

掘削パラメータを「何かに使えるのでは」から、どのように岩盤強度へ?

掘削パラメータには、ドリルパイプを回転させる力「トルク」が含まれます。それで、頭の中で、マイナスドライバーを豆腐や鉄などに刺して回転させるわけです。ここにこういう力がかかるのだから、これを直せば強度になるな、と(図8)。ならば、変換式はこれ以外にあり得ない、と。これは寝ているときに思い付きました。神がおりてくるではありませんが。


図8 頭の中でイメージしたのはこんなもの

そうして算出したESTを、過去に実験で得られた断続的な岩盤強度と比較し、ほぼ同じ値が出ることを確認しました。

そこで今度は、C0002で取得された掘削パラメータからESTを計算しました。