(57)【要約】【課題】簡易なシステム構成により、観測対象の海底の地盤の変形を平面的或いは立体的に把握しようとするものである。【解決手段】海底の地盤の変位を検出する複数のセンサ手段と、前記複数のセンサ手段を直列に接続する信号線路と、前記複数のセンサ手段により検出された各センサ信号を受信する端局装置と、を備え、  前記信号線路により、前記複数のセンサ手段は蛇腹状に配置されている。【選択図】図１
2011209200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下構造と海底面の表面状態をモニタリングする複数のセンサ手段と、
前記複数のセンサ手段を直列に接続する海底ケーブルと、
前記海底ケーブルと接続され、前記複数のセンサ手段により検出された各センサ信号を受信する端局装置と、
を備え、
前記センサ手段を直列に接続する前記海底ケーブルは、海底面の観測領域に前記センサ配置位置が特定されるように配置して面構成ないし線構成となるように敷設されている
ことを特徴とする海底観測システム。
【請求項２】
前記センサ手段は、３軸加速度計から構成されている請求項１に記載の海底観測システム。
【請求項３】
地下構造と海底面の表面状態をモニタリングする複数の３軸加速度計から構成されているセンサ手段と、
前記複数のセンサ手段を直列に接続する海底ケーブルと、
前記海底ケーブルと接続され、前記複数のセンサ手段により検出された各センサ信号を受信する端局装置と、
を備えたことを特徴とする海底観測システム。
【請求項４】
前記センサ手段を直列に接続する前記海底ケーブルは、海底面の観測領域に前記センサ配置位置が特定されるように配置して面構成ないし線構成となるように敷設されている
ことを特徴とする請求項３に記載の海底観測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底面の傾斜変化、及び地下構造の変化をモニタリングするために海底に配置されたセンサからのセンサ信号をモニタリングする海底観測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海底で生じた物理現象、例えば、海底で生じた地震による振動、水圧変化、磁気変化等、を検出して信号を地上に送出する海底観測技術が近年注目されている。
特に、地盤の変位、地殻の変動、つまり、海底面の傾斜変化、地下構造の変化を正確かつ迅速に検出する技術が近年注目を集めている。
これらの技術は、例えば、地震、津波の速報システム、地下資源の探査、或いは、まだ研究段階であるが、二酸化炭素の海底地層内への貯留等の分野で適用されるからである。
地震、津波の速報システムでは、地盤の変位が正確に検出できれば、地震、津波の速報を迅速かつ正確に行うことができ、重要な技術である。
地下資源（石油、メタンハイドレート、ガス、地下水、鉱物など）の探査、及び二酸化炭素の地下貯留において、地盤の変位を正確に検出することができれば、ガスの漏洩や陥没事故を未然に予防できることとなり、安全確保上必須の技術である。
二酸化炭素の海底地層内への貯留においては、二酸化炭素がどのように拡散してゆくかを、海底面内の地下構造の変化を確認することにより把握し、二酸化炭素の貯留をすすめる必要があり、地盤の変位を検出することは、二酸化炭素の海底地層内への貯留をするための基礎技術である。
特に、地下資源の地層内の状態・広がり（地下資源が地層内のどこにどの位の厚みでどのような広がり方で分布しているのか）、二酸化炭素を海底地層内に貯留の際、海底面地層内に注入された二酸化炭素がどのように拡散してゆくかなどの海底面下の地層構造の変化を確認すること、地下資源の採掘や二酸化炭素の地層内貯留により地下構造に変化がないかを確認するため海底面表層の隆起・陥没など、海底面表層の傾斜の変化をモニターして地下の異常を早期に捉えることで、ガス漏洩や陥没事故などを回避・対策を行うことが求められている。
【０００３】
地下資源の探査や海底面下の地層構造の変化を確認する技術としては、人工地震波を用い反射波を振動センサで観測して、地下構造を把握する反射法地震探査という技術が用いられている。反射法地震探査では、パルス状の人工地震波を発信し、地下の界面で反射して戻ってきた反射波を振動センサで観測し、最初の振動（直達波）から反射波が到着した時間で境界面（地層面）の位置を把握する。センサとしてはハイドロフォン、速度計、加速度計などが用いられている。
また、海底面表層の隆起・陥没など、海底面表層の傾斜の変化の観測は気泡式の傾斜計や加速度計が用いられる。
これらの地盤の変位、地殻の変動を検出する技術の例として、特許文献１、特許文献２、特許文献３の技術がある。
【０００４】
特許文献１の海底地層観測装置は、観測装置筐体に内蔵され下端の中心孔の周りにドリル刃を有し鉛直軸線の周りに自転しながら昇降することができる貫入筒体と、貫入筒体内に同軸的に昇降可能に軸支され下端に開閉可能のキャップを有するセンサ軸と、センサ軸の下端に付設され下降時に中心孔から下方へ突出する地層変位センサとを備え、海底の地層内にその変位センサを貫入することで海底地層ないし地殻の変動を感知するものである。特許文献１に記載のものは、単体の地層変位センサを海底の地層内に貫入させて海底の地層、地殻の変動を観測するものである。
【０００５】
特許文献２の光ファイバセンサによる地盤変形観測システムは、埋め立てなどの海底地盤上の工事において、埋め立て海域における原地盤の沈下量を埋立て上面が海面下の段階から計測することは、埋立海域が多数の土運船や揚土船が錯綜しているため多数の沈下板による沈下計測を行うことは工事の施工に支障をきたし問題となるという課題を解決するために、測定すべき地盤内の周囲とその内側に格子状に上下配置の光ファイバセンサ対を敷設して、地盤内の任意の地点でセンサ対における上下のひずみ差により、その位置の地盤の沈下／隆起を判別し、所定時間毎に沈下／隆起量の２次元分布を作成・表示する構成と手段を備えるものである。つまり、センサとして光ファイバセンサを使用し、その光ファイバセンサに光パルスを入射し、その反射光を解析することにより、歪みを検出しようとするものであり、光ファイバセンサの交叉点では、複数の光ファイバセンサから歪みデータを得ることができるものである。
【０００６】
特許文献３の加速度センサを用いる地盤等の変位モニタリング方法は、不動点を必要とすることなく、加速度計測値を２回積分することによって正しい変位を求め、高精度
で地盤や人工構造物等の変位モニタリングが行えるようにするために、加速度センサを含むセンサ部と、その加速度センサ出力をデジタル変換して連続的にデータ収録するデータ収録部と、収録したデータに対して必要な処理を行うデータ処理部を具備し、３成分のサーボ型加速度センサを用いて、加速度センサの計測値を２回積分することにより変位を求める方法が記載されている。地すべりや掘削工事の地盤変位の評価において、地盤あるいは人工構造物に固定して設置した加速度センサを用いて、地すべりや海底地盤の変位を算出しモニタリングするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２１３２６８号公報
【特許文献２】特開２００３−２３２６３１号公報
【特許文献３】特開２００６−１９４８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
地下資源（石油、メタンハイドレート、ガス、地下水、鉱物など）の探査、及び二酸化炭素の地層内貯留に伴って、地下資源の地層内の状態・広がり（地下資源が地層内のどこにどの位の厚みでどのような広がり方で分布しているのか）、二酸化炭素を海底地層内に貯留の際、海底面地層内に注入された二酸化炭素がどのように拡散してゆくかなどの海底面下の地層構造の変化などの、海底面表層の隆起・陥没など、海底面表層の傾斜の変化をモニターして地下の異常を早期に捉えることで、ガス漏洩や陥没事故などを回避・対策を行うことが求められている。
また、測定結果の感度誤差（環境温度変化などによる感度変化）、感度ドリフト、環境ノイズ（電源や回路の高周波がセンサ信号線に乗る電磁的ノイズ、地震、潮汐、波浪、船舶の航走雑音、海洋工事などの振動ノイズ、など）などの影響を避け、観測データの誤差を小さくする正確な測定システムが求められている。
これに対して、上記の特許文献に記載のように、土木建設工事、掘削工事などで用いられるような海底地盤の変位のセンシング、つまり、海底面の傾斜変化および地下構造をモニタリングするための技術が種々提案されているが、
特許文献１に記載のものは、単体の地層変位センサに関する提案であり、特許文献２の技術は光ファイバに生じた歪みを測定して地盤の沈下／隆起を判別するもので、直接地盤の沈下／隆起を測定しているものではない。
【０００９】
本発明は、これら問題を解決しようとするもので、観測対象の海底面に対して、その海底面の観測領域内の傾斜変化、その海底面の領域の地下構造の変化を平面的或いは立体的にモニタリングできる簡易なシステム構成を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の海底観測システムは、地下構造と海底面の表面状態をモニタリングする複数のセンサ手段と、前記複数のセンサ手段を直列に接続する海底ケーブルと、前記海底ケーブルと接続され、前記複数のセンサ手段により検出された各センサ信号を受信する端局装置と、を備え、前記センサ手段を直列に接続する前記海底ケーブルは、海底面の観測領域に前記センサ配置位置が特定されるように配置して面構成ないし線構成となるように敷設されている。
また、前記センサ手段は、３軸加速度計から構成されている。
【００１１】
また、本発明は、地下構造と海底面の表面状態をモニタリングする複数の３軸加速度計から構成されているセンサ手段と、前記複数のセンサ手段を直列に接続する海底ケーブルと、前記海底ケーブルと接続され、前記複数のセンサ手段により検出された各センサ信号を受信する端局装置と、を備える。
また、前記センサ手段を直列に接続する前記海底ケーブルは、海底面の観測領域に前記センサ配置位置が特定されるように配置して面構成ないし線構成となるように敷設されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、地下構造と海底面の表面状態をモニタリングするために、加速度計をセンサとして用いることにより、海底面下の地層構造の変化と海底面表層の傾斜の変化を同時にモニタリングすることができるため、簡易な構成で観測システムを構成することができる。
また、複数のセンサをケーブルで接続し長手方向に一連長に配置して、海底の観測領域に対して、センサを配置することで、センサ個々の誤差を平均化でき、測定結果の感度誤差、感度ドリフト、環境ノイズなどの影響を除去して正確な測定を行うことができる。
また、海底の観測領域に対して、センサ位置を特定できるように配置することで、一点でなく複数のセンサで測定箇所を面や線として把握することができるため海底面の傾斜観測を微細に行うことができ、地下の異常を早期に把握することで、ガス漏洩や陥没事故などを回避・対策を行うことができる。
これにより、地下構造の変化を反射法地震探査で観測し、海底面表層の変化を傾斜として観測することで、地層内部の変化がどう海底面に影響を与えているかを観測することができる。例えば、二酸化炭素貯留で、地層内に蓄えられるべき二酸化炭素が洩れて海底面付近を隆起させるなど、従来の地下構造の変化の観測だけで得られなかった海底面傾斜変化も観測できるという効果が得られる。
【００１３】
特許文献１−３に記載されているように、従来技術のような土木建設工事、掘削工事などで用いられる海底面の変位の観測においては、海底面の隆起や降下の変位を観測するのに有効と言えるが、深海域となると、その変位を求めることが容易ではない。
これに対して本発明は、観測開始時を基準とし、そこから各センサが何度傾斜したかを観測することができ、また海底面下の地層構造の変化を確認することができるもので、複数のセンサが海底面に所定の領域内の適切な位置に配置され、これらの傾斜データから配置された面または線の変位の傾向を把握することができるため、深海における海底面全体の変位の傾向や海底面下の地層構造の変化を正確に観測することができるものである。
また、加速度計以外の他のセンサとを組合わせて、地下構造と海底表面の傾斜をそれぞれ観測することは可能であるが、それぞれ異なるセンサの観測システムを構成することになるためシステムを２系統（それぞれ給電系、伝送系を含む）用意することが必要になり、高コストとなるが、本発明は、一系統のシステムによって地下構造と海底表面の傾斜をそれぞれ観測することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の全体構成図である。
【図２】センサの配置の詳細を示した図である。
【図３】センサの動作説明図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について図１、図２、図３を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は、海底観測システムの構成図であり図２は、海底ケーブル２０にセンサ１１，中継器１２を配置した図である。海底観測システム１は、端局装置１０、海底ケーブル２０に所定間隔ごとに配置された複数のセンサ１１および中継器１２から構成され、それらは海底ケーブル２０で接続されている。センサ１１は、センサ１１毎に信号線路である該海底ケーブルにより直列に所定間隔ごとに接続され、全体として、海底面の観測領域３０にセンサ１１の設置位置が特定されるように、配置されている。
【００１７】
例えば、図１の例では、数十キロメートルの沖合の海底面に、センサ１１を５０ｍ間隔に配置された海底ケーブル２０を、図１において、列間隔約２５０ｍ、列長さ１０００ｍ、列数５列一連に設置したとすると、モニタリングできる領域３０（観測領域、以下、「モニタリング領域」という。）は、１０００ｍ×１０００ｍの１平方ｋｍとなる。センサ１１は、１００個配置される。
【００１８】
海底ケーブルの敷設は、モニタリング領域３０の海底面の状況やモニタリングの要求精度によって、センサ配置間隔を数十ｍ〜数百ｍと設定可能であり、かつ、モニタリング領域３０の大きさによって、その列間隔、列長さ、列数も適宜変更できるものである。また、図１の例では、モニタリング領域内３０に海底ケーブルを蛇腹状に配置して個々のセンサ１１の位置がマトリックスを構成するように面的に配置されているものを図示しているが、センサ１１の配置は、これに限らず、線状、円周状、多角形状、交叉状等の何れでも、センサ１１の位置が特定できるものであればモニタリングの要求精度により変更可能なものである。
【００１９】
センサ１１は、３次元軸上のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位を同時に検出する直交３軸に固定された加速度計が用いられる。３軸に固定された加速度計１１（以下、「センサ１１」という。）を用い、重力のベクトルを測定して海底面の傾斜を観測することで、経時的な海底面の傾斜変化を求めることができる。
なお、加速度計１１は、サーボ型（加速度により動こうとする振子を制御することでえられる電流の大きさを電気信号に変える）だけでなく、ＭＥＭＳ型（加速度による振子の振れを「歪みの大きさ」として電気信号に変える）を用いることもできる。
【００２０】
図２は、中継器１２を含めたセンサ１１の配置の詳細を示した図である。中継器１２がセンサ１１の一定間隔毎に配置される。中継器１２は、センサ１１が検出した信号を中継するものである。
【００２１】
本実施例の海底観測システム１は、端局装置１０（図示していないが、ワークステーション、光送受信装置、ＧＰＳ時刻発生装置、給電装置等から構成される。）と海底ケーブル２０と海底ケーブル２０に接続されたセンサ１１（３成分サーボ型加速度計）とセンサ１１の伝送部（図示なし）から構成され、所定のモニタリング領域３０の海底面にセンサ１１を面的に配置する。陸上若しくは船上に設置した端局装置１０によってセンサ１１より伝送される観測データを記録する。
端局装置１０は、伝送されてくる信号がいずれのセンサ１１から発せられたのかを識別し、各センサ１１毎の信号を記録し、解析することにより地盤の構造及び傾斜の変化を検出するものである。端局装置１０から送信されるクロック信号は、海底ケーブル２０を通じ、センサ１１の伝送部に供給される。センサ１１の伝送部（図示なし）は、このクロックのタイミングにしたがい、センサ１１からの信号をデジタル化（Ａ／Ｄ変換）し、海底ケーブル２０を通じて端局装置１０へ伝送する。端局装置１０は、このクロック信号に基づいて、センサ１１の伝送部から送られたデータを記録する。
【００２２】
図３を参照して、センサ１１により地殻１３の変動をどのように検出するか説明する。図３の上側の図は、 地殻１３上にセンサ１１が設置された状態を示す。これを初期設置状態という。センサ１１は、初期設置状態で、重力加速度のベクトルを観測する。
【００２３】
下側の図は、センサ１１の設置後に地殻が陥没した場合である。センサ１１は、陥没により初期設置状態から傾斜が変化する。この状態で重力加速度のベクトルを測定すると、初期設置状態からの傾斜の変化を観測することができる。これらを面的、線的に捉えることで、地殻１３全体の傾斜の変化を詳細に把握することができる。
【００２４】
このようにして、センサ１１の置かれた地殻１３の傾斜の変化を同時に検出でき、センサ１１の置かれた範囲の地殻変動を平面的、立体的に把握できる。
【００２５】
例えば、二酸化炭素の海底地層内貯留の際、海底面下に注入された二酸化炭素がどのように拡散してゆくかを見極めるため、海底面の所定領域に複数のセンサ１１が配置された海底ケーブル２０を一連に接続して展開し、観測領域３０（例えば、所定間隔で配置されたセンサ１１を備えた海底ケーブルを所定の列長、列数、列間隔で敷設し、「列間隔×列数」で表される面積の領域）を継続的に地下構造と海底面の傾斜変化をモニタリングして観測することによって、端局装置において、各々のセンサ１１から送信されたデータに基づいて、該所定の領域の地盤変化を観測することができる。
【００２６】
海底面下の地下構造を観測する場合は、センサ１１を用いて反射法により観測を行う。  図示しない所定の方法で、海面もしくは海中で起震し、その地震波が海中から海底下に伝播する。伝播した地震波は地層境界面で反射し、海底面上に配置されたセンサ１１によって観測される。このとき、起震時刻と反射波を観測した時刻から地層境界を識別して地下構造を観測する。ここでは、反射法探査で得られる反射波は、振動であり、これをセンサ１１（加速度計）で観測する。反射波は縦波と横波から構成されるため、センサ１１を３軸（上下１方向と水平２方向）に組み合わせこれを観測する。反射波がセンサ１１に到達すると、反射波はセンサ１１を振動させる。センサ１１は、反射波の加速度を観測する。
【００２７】
海底面の傾斜変化を観測する場合は、海底面に設置したセンサ１１により地球の重力加速度を測定する。この状態でセンサ１１の３軸それぞれの加速度から得られる重力加速度のベクトルは、地球中心方向を指すことから、３軸のそれぞれの加速度で得られた重力加速度ベクトルから３軸のそれぞれの傾斜を求めることで、重力加速度ベクトルの変化を観測することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  海底観測システム、１０  端局装置、１１  センサ、１２  中継器、１３  地殻、２０  海底ケーブル
【図１】
2011209200.tif 000003
【図２】
2011209200.tif 000004
【図３】
2011209200.tif 000005