知ろう!記者に発表した最新研究

2013年3月14日発表
新たな地震計(じしんけい)が誕生(たんじょう)!
「超深海型(ちょうしんかいがた)海底地震計(かいていじしんけい)」と「大規模展開型(だいきぼてんかいがた)海底地震計(かいていじしんけい)」

海底地震(かいていじしん)のみはり番、「海底地震計」。このたび、新たな海底地震計が2種類誕生(たんじょう)しました。浅川 賢一 博士(あさかわけんいちはかせ)が京セラ株式会社と開発したセラミックス製(せい)耐圧球(たいあつきゅう)を使った「超深海型(ちょうしんかいがた)海底地震計(かいていじしんけい)」と、渡邊 佳孝 博士(わたなべよしたかはかせ)が日本海洋事業株式会社 (にほんかいようじぎょうかぶしきがいしゃ)と開発した「大規模展開型(だいきぼてんかいがた)海底地震計(かいていじしんけい)」です。いったいどんなもの? 今回は、最新の海底地震計を紹介(しょうかい)します!


まず、海底地震計ってなに? 地震の発生しそうな海底に設置して、地震による地面の動きをとらえる観測所です

海底地震計には種類がありますが、今回は「自己浮上式(じこふじょうしき)海底地震計(かいていじしんけい)」を紹介します。これは、耐圧容器(たいあつようき)に入ったセンサ(3次元速度計(じげんそくどけい)または加速度計(かそくどけい))や記録装置(きろくそうち)、電池のほかに、重り、位置計測(いちけいそく)や重りの切り離(はな)しに使う音響(おんきょう)トランスポンダ、浮上時(ふじょうじ)に位置を知らせるフラッシャーやラジオビーコンなどからできています。

地面の動きを調べるのはセンサ(速度計)で、耐圧容器の中でもっとも地面に近い底に位置します。1台が上下方向、もう2台が水平方向の動きをとらえます(図1)。

センサ

図1:センサ

センサは、コイルで巻かれた永久磁石(えいきゅうじしゃく)などからできています。地震でゆれると永久磁石の磁界(じかい)の中でコイルが動いて電気が発生し、電流が流れます(図2)。ゆれが大きければ電流はたくさん流れ、ゆれが小さければ電流は少し。その電気信号の変化が観測データとして記録されます。

地面の動きをとらえるセンサ(速度計)の原理

図2:地面の動きをとらえるセンサ(速度計)の原理

設置は、重りをつけて海中へ自由落下(図3)。その後、自然地震の観測のほか、海底下構造(かいていかこうぞう)の調査を行います。海底下構造は、船のエアガン(※エアガン:圧縮(あっしゅく)した空気を急激(きゅうげき)に開放することで人工地震波(じんこうじしんは)を発生する装置(そうち))から発振される人工地震波(音波)の海底下の地層からの反射波(はんしゃは)を解析(かいせき)して行います。観測や調査が終わると、船から音響信号(おんきょうしんごう)を送り、重りを切り離し浮上させて回収します。その後、記録された観測データを取り出します。

海底地震計の設置から回収まで

図3:海底地震計の設置から回収まで

海底地震計は地震研究において非常(ひじょう)に重要ですが、これまでのものは研究船に一度に搭載(とうさい)できる数や、運用とメンテナンスにかかる作業に制限(せいげん)があるため、一度の研究航海で広い範囲(はんい)にたくさんは設置できませんでした。また、耐圧性不足(たいあつせいぶそく)により、水深6,000mより深い震源域(しんげんいき)は観測できませんでした。そこで浅川博士と渡邊博士が、新たな海底地震計の開発に挑(いど)んだのです。

どんな海底地震計を開発したの? 「大規模展開型海底地震計」と「超深海型海底地震計」です

まず、渡邊博士が日本海洋事業株式会社と開発した「大規模展開型海底地震計」を紹介します(写真1)。たくさんの数を効率的(こうりつてき)に設置する海底地震計で、大きなポイントは次の3つです。

大規模展開型海底地震計

写真1:大規模展開型海底地震計

ポイント1. 小型・軽量化で、使いやすさも性能もアップ!

これまでのガラス製耐圧容器は直径約43�pでしたが、大規模展開型海底地震計では直径約33�pまで小型化しました。中にはセンサや記録装置、電池、そしてこれまで耐圧容器の外にあった音響トランスポンダ、ラジオビーコン、フラッシャーを収(おさ)めました(図4)。これにより面積は約4分の1の0.16m2、重さは約3分の1の35�s! 容器の小型化により、水深7,000mまで設置可能になりました。

大規模展開型海底地震計

図4:大規模展開型海底地震計

小さく軽いと使いやすいだけではありません。海底地震計で最も重要なのは、「いかに正確に、海底の動きを観測できるか」。もし海底に速い潮流(ちょうりゅう)があれば、耐圧容器本体や外に配置(はいち)されている装置が流れの影響(えいきょう)を受けて振動(しんどう)するおそれがあります。それを防(ふせ)ぐために大規模展開型海底地震計は、これまで耐圧容器の外にあったものを中に収め周囲の影響を減らし、海底の動きをきわめて正確に追(お)えるようにしたのです。

ポイント2. 非接触電力(ひせっしょくでんりょく)伝送技術(でんそうぎじゅつ)の開発

ふつうの海底地震計の充電(じゅうでん)や設定を行うときは、専用(せんよう)の場所で1台ずつ耐圧容器をあけてケーブルをつなぎます。これでは手間も時間もかかって大変! そこで大規模展開型地震計は、ケーブルを使わずにそれらを行う「非接触電力伝送技術」を開発しました。

充電は耐圧容器の外から耐圧容器のガラスごしに行います(図5)。耐圧容器にケーブルを通すための孔(あな)をあける必要がなく、孔からひびわれが広がるリスクが減(へ)ります。

非接触電力伝送技術で、ケーブルでつながずに充電

図5:非接触電力伝送技術で、ケーブルでつながずに充電

観測条件(かんそくじょうけん)の設定や観測データの回収は、無線LANを使って、数十台の海底地震計を耐圧容器を閉じたまままとめて行います。観測で重要となる時刻設定(じこくせってい)もGPSを使ってかんたんに正確に調整。超(ちょう)時短ワザです。

 
ポイント3. 切り離し装置に細径樹脂ワイヤを使う

海底地震計を回収するときは、まず船から音響信号を送ります。すると、音響信号を受けた音響トランスポンダから切り離し装置に電流が流れ、本体と重りの接続部分(せつぞくぶぶん)がとけて重りが切り離され海底地震計が浮上します。

これまでその切り離し部分はステンレスでできていて、電蝕作用(でんしょくさよう)でとけるまでに約10分かかりました。そこで大規模展開型海底地震計では、電流の流れやすいニクロム線をまいた細い樹脂(じゅし)ワイヤを熱でとかす方式を開発し、超短時間で切り離しできるようにしました(図6)。重り切り離しまでの時間は約3秒! 時間も電力も超節約!

切り離し装置

図6:切り離し装置

大規模展開型海底地震計は、これまでと同じ設備(せつび)や人数と時間で一度にあつかえる台数がこれまでの4〜5倍にふえます。より大規模かつ精密(せいみつ)に観測できると期待されます。

次は、浅川博士が開発に京セラ株式会社と開発したセラミックス球耐圧容器を用いた「超深海型海底地震計」を紹介します(写真2)。設置できる水深は、水深11,000m! 大きなポイントは次の2つです。

超深海型海底地震計

写真2:超深海型海底地震計

ポイント1. 圧力に強いセラミックス製の耐圧容器を開発

大深度で使う耐圧容器に求められるのは、高い水圧を受けてもつぶれない頑丈(がんじょう)さと、回収するとき浮き上がりやすい軽さが求められます。浅川博士は、金属よりも圧縮の力に強くて軽いセラミックスを選びました(図7)。

セラミックスの特徴

図7:セラミックスの特徴

ポイント2.耐圧容器の強度を維持する孔を設計

超深海型海底地震計の耐圧容器には、耐圧容器の外の機器(音響送受波器(おんきょうそうじゅはき)や重り切り離し装置など)と、中の電子回路をつなげるケーブル用の孔をあける必要があります。でも、孔をあけると耐圧容器が弱くなるので補強(ほきょう)が必要です。とは言っても補強しすぎると、力のバランスがくずれて今度はそのまわりが弱くなります。浅川博士は計算しながら、圧力がバランスよく分散(ぶんさん)する孔の形や大きさをデザインしました。

この新たなセラミックス製耐圧容器を海底地震計に使うことで、世界で最も深い水深11,000mへの地震計設置が可能になりました(図8)。

耐圧容器の強さを維持したまま、孔をあける!

図8:耐圧容器の強さを維持したまま、孔をあける!

これからはどうするの? より多くの海底地震計で、より深い震源域まで調査していきます

新たな海底地震計により、地球上すべての海で観測できるようになりました。大規模展開型海底地震計を一度に大量に設置できれば、大深度の震源域に超深海型海底地震計を設置できれば、これまでわからなかった海域や構造をよりくわしく調べることができます。地震発生メカニズムの解明につながると期待されます。

大規模展開型海底地震計を開発した渡邊博士は、「地震を防ぐことはできない。けれど、地震計を使った調査で、被害(ひがい)を減らすことにつなげていきたい」と話します。

超深海型海底地震計を開発した浅川博士は、「この耐圧容器は、地震計だけではなく他の分野でも使える。様々な分野で活かしてほしい」と語ります。

 
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