AUV複数機運用による海底下構造調査に初めて成功
～海底熱水鉱床等の海洋鉱物資源の高効率な調査手法にむけて～

1. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長 平　朝彦、以下「JAMSTEC」という。）は、戦略的イノベーション創造プログラム（※1、以下「SIP」という。）の課題「次世代海洋資源調査技術（海のジパング計画）」におけるテーマ「海洋資源の成因の科学的研究に基づく調査海域の絞り込み手法の開発」で電磁気学的手法をベースとした調査技術開発を行ってきました。この度、中部沖縄トラフの既知の熱水鉱床賦存域での調査航海において、自律型無人探査機（※2、以下「AUV」という。）「じんべい」と「ゆめいるか」を同時に運用し、AUV間で電流の送受信を行って海底下構造を調査することに成功しました（※3）。

JAMSTECではこれまで、曳航体から200m程度の電極アレイケーブルを曳航し、そこから電流を送信し、海底下から信号を受信する技術を確立するための成果を挙げてきました(図1)。曳航体による観測は、仕組みが比較的簡単でリアルタイムでのデータ確認も可能であるなどメリットも多い一方、長い電極アレイケーブルを海底から高度30-50m程度で曳航するため、観測測線の方向を変える際に大きな時間のロスが生じるという課題を抱えており、さらなる効率化が求められてきたところでした。

そこで本調査航海では、これらの課題解決のため、海底広域研究船「かいめい」から「じんべい」を、洋上中継器（※4、以下「ASV」という。）から「ゆめいるか」を監視させ、複数機運用による海底下構造データの取得を試みました。その結果、熱水鉱床の存在と関連付けられる低比抵抗域と自然電位の負の異常域を検出しました（図2、3、4、5）。

これらの結果は、これまでの曳航体（※5）を用いた調査結果と非常に調和的であり、2機のAUVを用いた調査によって、海底下構造のデータを適切に取得することができたと言えます。また、曳航体による調査と比較して航行速度が2倍、測線から測線への移動時間が5分程度と短くなることから、効率的な調査法として極めて有効であることが実証されました。

2機のAUVを同時に運用するだけでなく、電磁気学的手法にもとづいた調査により海底下の情報を得ることに成功したのは世界で初めてのことであり、今後の効率的な熱水鉱床などの海底下構造の調査が加速されることが期待されます。

２．研究の背景・目的

海洋での資源調査は船舶により調査を行う必要があり、陸上での調査に比べて費用がかかります。将来海底資源の開発を実現するためには、船舶の運用などにかかるコストをできる限り軽減することが必須です。そのためには、海底資源の存在を知るために低コスト、かつ、効率のよい調査システムとその手順を確立することが必要であり、本SIP事業においては、海底及び海底下に存在する資源の成因研究や調査法の技術開発を行うことで、海洋での資源調査に適切な調査技術プロトコル作りを推進しています。

陸上の鉱物資源調査は、一般的に人工信号源を用いた電気探査や電磁探査（※6）などの調査手法が用いられています。これは周囲の岩盤に対して鉱物を含む領域の方が、電気が流れやすい性質（比抵抗あるいは電気伝導度と呼ばれる）を利用するものです。最近ではヘリコプターを用いた空中電磁探査法が一般的になり、効率的に調査を行うことができるようになりました。

一方、海底下の鉱物資源の存在を知るためには、海中や海底のデータを取るだけでは不十分で、海底下をイメージングすることが重要です。これまで、海底下浅部を詳細に調べる手法は確立されているとは言えない状況でしたが、JAMSTECでは、曳航体から200m程度の電極アレイケーブルを曳航し、そこから電流を送信し、海底下からの信号を受信する技術を確立し、民間企業でも運用可能な状況になりました。この手法の開発の過程で得られたデータを解析すると、送信した信号を用いた電気探査法による比抵抗構造の情報以外にも、鉱体の存在に関連する信号が記録されていることが分かりました。これは、鉱体が海底下で化学反応により電池のような振る舞いをしていることにより、観測データから抽出される電位の空間分布に負の異常を形成するものです（※7）。こうした電位異常を捉える調査手法は自然電位探査と呼ばれますが、陸上の調査では得られるデータの精度や観測の困難さから用いられていない手法です。一方、海洋では空間を3次元的に動くことが可能であるため比較的簡便に観測でき、海底熱水鉱床調査には有効な方法と考えられるようになりました。また、この観測は曳航体に必要な曳航ケーブルがなく水中をより自由に移動できるAUVとも非常に親和性が高いと言えます。

曳航体による観測は、仕組みが比較的簡単でリアルタイムでのデータ確認も可能であるなどメリットも多い一方で、長い電極アレイケーブルを海底から高度30-50m程度で曳航するため、観測測線の方向を変える際に大きな時間のロスが生じ、稠密な測線配置を行う場合にはデメリットになってしまいます。また、急峻な地形へ沿うように航走すると、電極アレイが海底から離れすぎたりして十分なデータを取得できない可能性もあります。曳航体では、配置が固定される送信部と受信部を用いる必要があるため、このようなデメリットが生じますが、複数のAUVにその役割を担わせることで機動性の高い観測が可能になります。

そこで本調査航海では、電流源を搭載した「じんべい」から電流送信を、電位計を搭載した「ゆめいるか」で信号受信を行い、独立して海中を航行させ、既知の熱水鉱床域において実践的な潜航調査を実施し、その実用性の検証を行いました。

３．成果

本調査では、設定した測線に沿って電流源を搭載した「じんべい」が先行し、受信機を搭載した「ゆめいるか」がその後ろを追いかけるように運用しました。海底広域研究船「かいめい」は「じんべい」を、ASVは「ゆめいるか」を監視することにより、AUV2機間の距離を適切に調節しながら潜航調査を行いました。調査は中部沖縄トラフの2海域で実施し、そのうち1海域ではAUVに加え、受信機として自己浮上型海底電位計(※8)も設置して観測を行いました。

調査で得られた観測データを用い、電気探査による解析を行って見かけ比抵抗（※9）を求めた結果、海底熱水域と考えられる領域と低い見かけ比抵抗領域が一致することが分かりました（図4）。また、自然電位異常の分布でも、海底熱水域と一致する明瞭な負の異常域を検出することができました（図5）。双方のデータがともに鉱体を示すと考えられるデータの傾向を示していることから、AUV2機による調査が適切に海底下の情報を抽出できていることが分かりました。また、同時に取得されたソナーデータからは数mオーダーの精密な海底地形データが取得されました。

このように、2機のAUVを同時に運用するだけでなく、電磁気学的手法にもとづいた調査手法で海底下構造の情報を得ることに成功したのは世界で初めてです。

この調査結果は、実質的に4時間程度の潜航時間で取得されています。これは1ノット前後となる曳航体の航走速度に対し、2ノット程度とAUVが速い速度で航走できることと、測線から測線への移動時間が曳航体では1時間程度だったものが、AUVでは5～10分程度と極めて短いことによります。この点からも、AUV2機による調査が極めて有効であることが実証されました。

また、各AUVには精密な海底地形データを得るソナーだけでなく、濁度計やCO2センサーなどの化学センサーを多数装備し、一度に多数のデータを得ることができました。

４．今後の展望

今回の調査では、8時から17時までという作業時間やAUVのバッテリー容量の制限から、実質的な潜航時間が4時間程度に制限されてしまいました。今後、AUVのバッテリー容量の拡大やAUVとASVの着揚収作業性の向上により、越夜でのオペレーションが可能になれば、観測時間が5-6倍に増えるため、より稠密な観測もしくは広域での観測が可能になり、飛躍的に効率のよい観測が可能になります。今回は、AUV間の距離の制御をオペレーターの指示により行っていましたが、AIなどを用いた制御が可能になることで、より正確な位置制御が可能になると思われます。また、複数機の受信AUVを用いることが可能となれば、調査可能な深さをより自在に変えたり、3次元的なデータをとるなど、調査の自由度を飛躍的に高められることが考えられます。