1

環境への課題-自然環境との調和を目指して平成16年度研究成果報告
環境影響評価分野
環境影響評価グループリーダー
大関 真一
財団法人エンジニアリング振興協会
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan環境影響評価グループの任務¾ 環境への負荷（インパクト）が許容される範囲に収まることの見通しに関して検討するために、海洋自然環境の実態を知り、環境負荷のメカニズムのあらましを分析しておくこと。
¾ 水深の大きな海域における在来型石油・天然ガス資源開発の安全・環境面の現況を調査・分析し、また、MH資源開発に適用される予定の技術手法の特徴に照らした場合、どのような課題、配慮事項があるのか予見を行うこと。
¾ 開発生産時の環境・安全面に関わる現象を有効にモニタリングするためのツールの要素技術を開発しておくこと。
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan2

メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム
環境影響評価グループ全体イメージ
ＨＳＥ調査 （安全管理、環境管理）
衛星情報

海域環境調査評価

地層変形予測技術（ベースライン調査等）

大気モニタリング

感度解析
地盤物性の評価
構成式の構築地層変形予測プログラム

プランクトンネット

モニタリング技術（漏洩メタン、地層変形）

採水器

セジメントトラップ

ベンチックチャンバー

超音波センサー地層変位センサー

採泥器
メタンセンサー
メタンハイドレート層

流向・流速

フリーガス層The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

3

フェーズⅠにおける主な研究開発課題
１．海域環境調査評価サブグループ
MH資源フィールドの環境条件（環境・生態系）の把握
MH分解生成水の海洋環境への影響に関する評価
HS&E、問合せに対応するデータベースの構築

２．モニタリング技術サブグループ
メタンガス漏洩／地層変形モニタリング要素技術の開発

３．HSE調査サブグループ
安全管理システムの検討（フェーズ２の海洋産出試験に向けて）

４．地層変形予測技術サブグループ
地層変形予測シミュレータ（プロトタイプ）の開発
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

4

平成16年度環境影響評価グループ体制図
GL：大関 真一
GSL：竹内 敏之
事務局 総企部長 嘉納 康二
経理責任者 森 敏雄

海域環境調査評価SG

モニタリング
技術SG

SGL：岡田 陽

地層変形予測技術SG

SGL：鋤崎 俊二

SGL:小林 日出雄

日本ｵｲﾙｴﾝｼﾞﾆｱﾘﾝｸﾞ㈱SGL：傳田 篤㈱日本海洋生物研究所

石川島播磨重工業㈱㈲ｻｶｺﾝｻﾙﾃｨﾝｸﾞ

日本ｴﾇ･ﾕ‑･ｴｽ㈱中田喜三郎
東海大学教授
共同研究
産業技術総合研究所
生物機能工学研究部門
布施主任研究員

石川島検査計測㈱
大成建設㈱
応用地質㈱
㈱IHIﾏﾘﾝﾕﾅｲﾃｯﾄﾞ

徳山英一
東京大学教授HSE調査SG

清水建設㈱

共同研究
山口大学 工学部
機能材料工学科
岡本教授
田中助教授

関東天然瓦斯開発㈱共同研究
京都大学大学院 工学研究科
岡教授
小高助教授
木元助手

赤川敏
北海道大学教授

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CRCｿﾘｭｰｼｮﾝｽﾞ㈱
応用地質㈱

5

6

H16年度海域環境調査評価SGの活動内容
１．ベースライン調査
z平成15年度海域調査のフォローアップ調査
z基礎試錐調査域を含む南海トラフ海域（東海沖〜熊野灘）における海域環境の特徴を明らかにするための調査（東海大学望星丸傭船）
２．MH分解生成水放出影響調査
３．データベースシステムの構築
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

7

南海トラフ（熊野灘〜東海沖）の海底谷と海丘

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan平成15年度観測測点

係留系設置位置：：係留系設置位置
係留系設置位置：
XCTD：
XCTD （水温・塩分）投入地点：（水温・塩分）投入地点（水温・塩分）投入地点
XBT：
XBT （水温）投入地点：（水温）投入地点（水温）投入地点
水柱詳細観測地点：
水柱詳細観測地点： 水柱詳細観測地点
アシュラとＰＣ採泥地点：
アシュラとＰＣ採泥地点： アシュラとＰＣ採泥地点
ＰＣ採泥地点：
ＰＣ採泥地点： ＰＣ採泥地点
ＭＣ採泥地点：
ＭＣ採泥地点： ＭＣ採泥地点： 基礎試錐実施海域

東海沖
★
★

第二渥美海丘★

熊野灘

平成16年度回収した係留系

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan8

係留系を構成する機器類(平成15年度に設置)

アンデラー
流速計
セジメント
トラップ

メタン分離膜耐久試験装置

ドップラー
流速計

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan9

セジメントトラップによって捕捉された全粒子束

10

平成15年度設置した係留系
503.3

M2-10m250

海底上10m

200
150
100

No Data-2 -1

Total Flux (mg m d )

300

50
0
D

2003

JF

M

A

2004

M

J

J

A

S

O

Month

300

M2-500m

250

海底上500m

200
150
100

No Data

-2 -1

1
1月
01月

9月
8月
7月
6月
5月
4月
3月
2月
1月
21月

海底上500ｍ(1350m)Total Flux (mg m d )海底上10m(1840m)

500D

2003

J2004

FM

AMMonth

平成16年度回収したセジメントトラップ試料（1年間係留）
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

JJASO

11

海底面直上の流向流速の進行ベクトル(Progress vector diagram)図東海沖(M1)

熊野灘(M3)
140

100

North
North
50West
West
-300

-250

-200

-150

-100

-50

North
North

92〜96m80〜84m120

80〜84m60〜64m100

60〜64m40〜44m40〜44m0-350

92〜96m050

80

24〜28m-50

24〜28m60

2004/2/1

East
East
-100

2004/4/1

40

2004/2/1

2004/8/1

2004/4/1-150

2004/6/1

20

2004/10/1

2004/6/1
2004/8/1-200

2004/10/1

２月１日 0-700-600-500-400-300-200

WestWest-250-100

0-20-40

SouthSouth-300

SouthSouthThe Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan-60

100EastEast12

観測機器および観測状況
St3109 St6
87St1065
43

CTD/ニスキン採水器

St.3,St6,St10：XCTD観測点
1〜10 ：CTD観測点

21

Water Temperature （℃）

3025
20

Stｎ.01
Stn.02
Stn.03
Stn.04
Stn.05
Stn.06
Stn.07
Stn.08Stn.09Stn.10St.6(Leg1)
St.10(Leg1)
St.3(Leg1)

沿岸系水15黒潮系水10亜寒帯系水5太平洋深層水0
南海トラフ海域(東海沖〜熊野灘)

黒潮本流東西方向の流れ
方向 流れ（東向き：正（＋）の流れ、西向き：負（-）の流れ）

3434.2

34.4

34.6
34.8
Salinity （PSU)

35

Ｔ-Ｓ（水温-塩分）ダイアグラム

東

水温･塩分から計算した地衡流

データは平成15年度のCTD調査結果を使用した。

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan平成16年度観測測点：係留系回収地点：ＭＣ（マルチプルコアラー）採泥地点：ＰＣ（ピストンコアラー）採泥地点：グラバー採泥地点：ニスキン採水地点：基礎試錐実施海域

東海沖

熊野灘
第二渥美海丘The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

13

14

堆積物試料の採取機器
マルチプルコア

ピストンコア

ワンショットカメラ装着部

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採泥器

15

海底堆積物試料

底生生物
ワンショットカメラによる海底面の撮影

マルチプルコアラーで採取した海底表層堆積物【熊野灘(MC02)試料】
表層部分は浮泥様の堆積物で覆われている。

【第二渥美海丘(MC01)試料】
表層部分は砂泥の堆積物で覆われている。

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan16

MH分解生成水放出解析モデルについて（１）海洋での化学物質の汚染機構
化学物質の海洋中での物質収支・輸送モデル（２）海洋生態系モデル
一般的な海洋生態系モデル→低次生態系モデル
低次生態系モデルが最も実用的なレベルのモデル（３）海洋への放出実験およびトレーサ実験の調査

データベースシステムの構築
環境影響評価のための関連データの入力

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＜海域環境調査評価サブグループ研究成果（まとめ）＞ベースライン調査＊平成15年度、平成16年度の海域環境調査
・南海トラフ（東海沖〜熊野灘）の海域環境調査実施。（H16年10〜11月）
・南海トラフ（東海沖〜熊野灘）周辺海域の流動場の特徴を把握（冷水塊と考えられる反時計周りの流れを捉えた。）
・約1ヶ年の流向流速データ（東海沖及び熊野灘ともに、海底付近の主要な流向は西南西から西北西であることが明らかとなった。）
・水柱及び海底表層堆積物の化学性状、生物の概査（メイオベントスを中心とした底生生物の鉛直分布は、約7cm以浅の堆積物層に集中。）（本年度調査したほとんどの地点で中層部もしくは海底近傍層で溶存メタン濃度が高くなる傾向が認められた。）

MH分解生成水放出影響調査＊既存の化学・生物モデル、放出実験やモデル実験の情報収集、分析・正確なパラメータを海域調査等を通じて取得する必要データベースの構築＊既存環境情報、環境影響評価グループで取得された研究成果をデータベース化し、共有化を実施
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

17

18

平成16年度モニタリングSGの活動内容
１．総合モニタリングシステムの基本構成と機能の調査
２．メタンガス漏洩を早期検知する溶存メタン検出法の開発（METSセンサーの改良、集水型モニタリングシステムの初期モデル試作と性能試験、海洋性メタン酸化細菌の分離培養と系統解析等）
３．海底地層の微小変形を検知するモニタリング技術開発（初期モデルの緩傾斜地すべり地帯での性能試験、深海底地盤の地盤特性等の調査）
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直接検出法

19METSセンサー

METSセンサー（ドイツ製）の基本的特性や実用上の課題点を抽出し、｢リアルタイムセンサー｣として適用可能性の調査
φ49mm

改良200㎜

200mm

Φ50㎜

CAPSUM Technologie GmbH項目
仕様
材質

チ タン 製

重量
水深1ｋｇ
0〜 2000m

水温測 定 レン ジ
分解能
応答性

2〜 20℃
10〜 4000nmol/L± 2% of Full Scale (± 80nmol）
1〜 30min（状 況 に よ り変 化 ）①分離膜の材質変更及び膜厚薄くして、透過性能向上②ディテクタールームの体積を小さくして、応答性を向上③基盤と回路の統合により電力消費量の低減と安定性向上

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直接検出法集水型モニタリングシステム

新規開発の集水型センサー（ポンプによる海水の供給）・測定精度の向上を目的
・キーテクノロジーとなる分離膜の選定作業を先行して実施
1. 分離膜の基礎研究
2. 膜透過側メタン濃度から溶存メタン濃度を算出する手法
3. 分離膜透過側メタン検出技術の基礎研究≫ メタン用半導体検出器の要素試験≫ 赤外式メタン検出器の要素試験
平成16年度実施内容
1. 市販品中空糸モジュールの検討
2. 集水型モニタリングシステム初期モデルの試作≫ 高圧・低温下・高流量（20L/min以上）のポンプ選定もしくは試作≫ メタン燃焼機構の試作（ヒーター）
3. 分離膜の耐久試験≫ 分離膜を深海中で1年間浸漬
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20

21

分離膜の耐久試験

深海METS① 1回目
深海METS① 2回目
深海METS② 1回目
深海METS② 2回目
深海METS② 3回目
未浸漬METS
深海PDMS①
深海PDMS②
未浸漬PDMS①
未浸漬PDMS②
深海P4MP①
未浸漬P4MP2透過係数 [cm (STP) cm/(cm s cmHg)]

1年間、深海に浸漬(南海トラフ沖 水深1390m）した分離膜の耐久性試験を実施
・膜表面に沈殿物が観察された。しかしながら、透過性能はほとんど変化なし。
・METS膜は、3回目の計測で未浸漬膜と同等の値を示した。
（１･2回目の測定では、１/20の値を示した。供給水により洗浄された可能性が大きいと考えられた。）
2.0E-073

1.0E-07

4℃、１kg/cm 2

1年間海中に浸漬した分離膜

0.0E+00
00.5

11.5

2

供給水流量 [L/min]

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan2.53

間接検出法22

バイオ利用

平成16年度は、底泥試料を対象に実施。

メタンシープワンショットカメラで撮影した
メタンシープ採泥場所の状況

泥火山

南海トラフ海域底泥表層のメタン酸化細菌の分布
メタン酸化細菌の検出
メタン湧出域

南海トラフの冷水湧出域と海底活断層の分布
出所:芦ら(2002)を一部改図DNA法で遺伝子検出（平成16年度調査）

その他の検出せず
南海トラフ海域

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

23

海洋性メタン酸化細菌の分布
Methylomicrobium NIKO
MHJH-1
MHJH-2
MHJH-3
MHJH-4

AM
AW
YO

HOK
海洋性メタン酸化細菌
NI株の電子顕微鏡写真

ARA

これまで日本沿岸でメタン酸化細菌の単離培養が確認されている採取場所

菌体量（蛋白濃度（μg/ml））

KA

培養温度
（℃）

32.5

4102030
3745

21.5
10.5
00102030

培養日数

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan4050

地層変形モニタリング(自由落下方式）

240.08

データ処理方法の流れ
変位波形（強制変位）

0.06
0.04
0.02

変位の平均

0.000原波形
加速度波形
654060801001201401605450647.5

700

460200-5海底地盤

加速度の平均020406080

100120140160

1000

602.0〜8.0m

SN比改善処理後1回積分（移動平均、ﾉｲｽﾞ除去）

30201040cm（内径35cm）

加速度の1回積分

01000

長周期ﾉｲｽﾞ除去後
２回積分

020

406080100120140160120140160

トレンド除去後の速度の積分(変位）

432

耐圧容器

1

変位波形の再現
スライドユニット

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0-1
020406080100

地層変形モニタリング

25

平成15年度に構築した初期モデルの性能評価および緩傾斜地すべりの実態解明を行い、改良点、対処方法を検討
移設前鉄塔位置
ｽﾗｲﾄﾞｾﾝｻｰS

ｳｴｻﾞｰｽﾃｰｼｮﾝ

高圧電線
計測小屋

計測ピット

水溜り

移設後鉄塔位置

地すべり箇所

搬入・搬出ルート
仮設電源ルート

地すべり観測概略平面図（出典：茨城県高萩土地改良事務所 平成16年度報告書に加筆）

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26

地すべり観測施設設置状況
観測地点全景、小屋後方の段差は滑落崖

観測小屋の内部

観測小屋および電力線観測ピット

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27

観測システム写真

観測ピットに設置したセンサ収納容器
左下は床上に設置したEpiSensor

伸縮計

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan＜モニタリング技術サブグループ研究成果（まとめ）＞総合モニタリングシステム

28＊モニタリングスコープの整理、関連技術の動向調査を実施し、基本構成と機能について検討

ガス漏洩モニタリング
直接検出法（溶存メタンセンサー）＊METSセンサー（ドイツ製）の改良を実施
・応答時間の向上、再現性・器差間偏差の向上＊集水型モニタリング初期モデルの試作
・高圧・低温下・高流量（20L/min以上）のポンプ等を選定もしくは試作
小型軽量化・省電力化の必要性＊分離膜の耐圧試験を実施
・1年間深海に浸漬した分離膜の透過性能変化なし

間接検出法（バイオ利用）＊日本沿岸の海洋性メタン酸化細菌を分離培養
・低温（4℃）で生育可能なメタン酸化細菌を単離培養確立
・新種のメタン酸化細菌を発見＊海域環境調査で取得した試料からメタン酸化細菌の遺伝子を検出
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan＜モニタリング技術サブグループ研究成果（まとめ）＞広域検出法＊超音波を利用：海底からの気泡発生事例文献・聞き取り調査
・水深500〜1,000mの海底から発生している現象を把握
・発生気泡は直径1㎜以下の微小気泡から数㎜ オーダー

地層変形モニタリング＊陸上地すべり観測（緩斜面：約10度）による初期モデルの評価を実施
・センサーの分解能に近い信号も忠実に検出・ジンバル機構も外部振動による影響がなく設計どおりの特性を確認⇒事前の観測事例では明瞭な地すべり変位が確認されていたが、緩傾斜の地すべり地帯での観測を試みたが、降雨量が少ないため明瞭な地すべり変位が観測には至っていない・初期モデルを深海で使用するための課題を抽出＊高間隙水圧の条件下における土質試料の試験装置と原位置における地層特性に関する情報収集

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29

30

平成16年度HSE調査SGの活動内容
１．安全管理システムz 日本近海試錐調査作業のレビュー
z 大水深オペレーションにおける安全管理システムの要件の調査
z 海洋掘削・生産における浮遊式装置の事故例に関する補足調査

２．環境管理システム
z 大水深オペレーションにおける環境管理の調査

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＜HSE調査サブグループ研究成果（まとめ）＞31

安全管理システム＊日本近海で行われた基礎試錐作業のレビューを実施
・平成11年度基礎試錐「南海トラフ」に対して聞き取り調査等を実施＊大水深オペレーションにおける安全管理システムの要件調査を実施
・北海沿岸国（英国およびノルウェー）における許認可に関わる監督官庁が要求する安全管理システムの要件について聞き取り調査を実施
・監督当局の認識としてオペレータの安全管理システムを重要視
・大水深開発に伴うリスクや安全管理は、水深そのものよりは、使用する新規技術がリスクの要因と考えている＊大水深掘削・生産における事故例の補足調査（データベース WOAD（DNV））を実施

環境管理システム＊聞き取り調査を北海沿岸国（英国およびノルウェー）の制度について実施
アジア3カ国（ﾏﾚｰｼｱ､ﾀｲ､ｲﾝﾄﾞﾈｼｱ）については法規や文献調査を実施

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan32

平成16年度地層変形予測技術SGの活動内容
１．地盤物性の評価
z 基礎試錐「東海沖〜熊野灘」コア試料の室内試験
z 海底地盤模擬試料の室内試験
z 三軸試験供試体のひずみ可視化技術の動向調査

２．構成式の構築
z 氷模擬試料三軸圧縮試験のシミュレーション
z 基礎試錐コア試料三軸圧縮試験のシミュレーション
z 基礎試錐コア試料三軸圧縮試験の数値解析

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33

力学試験装置¾ 物理試験

含水比、土粒子密度、粒度分布、液性限界・塑性限界、密度、X線回折¾ 段階載荷圧密試験
¾ K0圧密非排水三軸圧縮試験低温高圧三軸試験装置

基礎試錐コアの力学試験

低温高圧圧密試験装置

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34

氷模擬試料三軸圧縮試験のシミュレーション
試験条件 試料：豊浦砂（平均粒径：180μm，細粒分：0%）33
乾燥密度：1.48g/cm ，1.55g/cm
含水比：8%，10%，15%ひずみ速度：0.1%/min拘束圧：1MPa，2MPa，4MPa
メタンハイドレート(氷)の存在状態：A，B

土粒子
水
メタンハイドレート(1) 状態A（間隙浮遊型）(2) 状態B（土粒子固着型）

適用構成式 凍結砂のひずみ軟化型弾粘塑性構成式
The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan

35

氷模擬試料三軸圧縮試験のシミュレーション
状態Ａ（間隙浮遊型）

状態Ｂ（土粒子固着型）

12‑12‑66
偏差ひずみ100
試験（体積ひずみ）理論（体積ひずみ）試験（体積ひずみ）理論（体積ひずみ）

5εv(%)

0‑6体積ひずみq(MPa)06軸差応力

軸差応力0εv(%)‑6体積ひずみq(MPa)

60‑12試験（軸差応力）理論（軸差応力）試験（軸差応力）理論（軸差応力）

拘束圧
1MPa
含水比8％

1215e11(%)‑6605偏差ひずみ

1015e11(%)

軸差応力はひずみの増加につれて増加。
最大強度に達した後はほぼ一定か若干増加。

軸差応力はひずみの増加につれて増加。
最大強度に達した後はゆるやかに減少。

ひずみ硬化挙動

ひずみ硬化−軟化挙動

拘束圧が大きいほど最大強度は大きい。

拘束圧が大きいほど最大強度・残留強度は大きい。

拘束圧が小：初期に若干圧縮ひずみ。
その後膨張。

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基礎試錐コア試料三軸圧縮試験のシミュレーション

36

適用構成式⇒粘性土の弾粘塑性構成式¾メタンハイドレート濃集層の上部・下部地盤の採取コアについては、砂部分の回収率が悪く、採取されているコアのうち三軸試験に適用可能なものがすべて粘性土である。
¾シミュレーションに当たっては、適用する構成式として粘性土の構成式が適当であると判断される。
¾粘性土の力学挙動は載荷時間や載荷速度などの時間依存性の影響が大きいことが知られている。
¾本構成式は、二次圧密，クリープ，ひずみ速度効果等の粘性土に特徴的な挙動を表現することができる。

応力−ひずみ関係
ケース１（過圧密）ケース２（正規圧密）1200)
aPk(q12001000)
aPk(q800600
力
応
差 400
軸2001000800600
力
応
差 400
軸200試験値
理論値

0試験値
理論値

005軸ひずみ10ε11(%)

1505軸ひずみ10ε11(%)

The Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan15

＜地層変形予測技術サブグループ研究成果（まとめ）＞37<MH層上面から海底面に至る上部地盤（低濃度MH地層を含む）の強度や変形を研究対象としている>

地盤物性の評価＊基礎試錐「東海沖〜熊野灘」で得られたコア試料を用いて圧密試験・三軸試験を実施
・MH含有層を含む海底地盤の圧密特性、強度・変形特性を把握⇒圧密試験より海底面付近では過圧密状態であるが、深度約100m以深ではほぼ正規圧密状態であることを確認＊低温高圧三軸圧縮試験装置を用いて三軸試験を圧密試験の結果を考慮し、ひずみ制御の非排水せん断試験を実施
・間隙浮遊型および土粒子固着型の氷模擬試料について、MHの存在状態や氷含有量による力学的挙動の相違を確認

構成式の構築＊「凍結砂のひずみ軟化型弾粘塑性構成式」を用いた要素シミュレーション
・基礎試錐コア試料の三軸試験の要素シミュレーション及び有限要素法
解析のベースとする構成式として粘性土の弾粘塑性構成式で実施⇒試験における供試体の変形モードを解析結果はよく表現できていた。
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