■観測技術−海底地形・海底下構造

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西村屋トップページ＞地球科学技術の耳学問＞観測技術 2003年10月15日更新

「ナローマルチビーム音響測深機」と「サイドスキャンソーナー」

　ラインアレイで作られたファンビーム（扇状の音響ビーム）を２本、直交するように発射することで細い音響ビームを作り、広範囲の海底の高解像度な地形を求めるのが「ナローマルチビーム音響測深機」（SeaBeam社、Kongsberg Simrad社、古野電気）。「クロス・ファンビーム」と言っていたこともあったが、最近は発明者にちなんでMills Cross法とも言う。スポット状のペンシルビームと違って、動揺しても必ずクロス点の信号が得られる。
　一方、反射強度分布図を作るのが「サイドスキャンソーナー」。サイド・ルッキング・ソーナーと言っていたこともあった。船底付き、海面下曳航式、深海曳航式がある。
　最近のマルチナロービーム音響測深機（「SeaBeam2112」など）はサイドスキャンソーナー機能を備えている。SeaBeam2112.004のサブボトムプロファイラーは、４ｋHzのナロービームで海底表層75ｍを面的に探査できる。最新版「SeaBeam3012」はヨー、ピッチ補正送波ビーム、フォーカス機能がある（12kHz、ビーム幅：１度／２度）。「SeaBeam2120」は20kHz（「白鳳丸」が搭載。ビーム幅：１度／２度）

　最新の広域測深型サイドスキャンソーナーは、インターフェロメトリック法というもので測深もできる（DSL-120、wadatsumi、SeaMARCII）。
　東大海洋研の＞IZANAGI＞（高速曳航式深海底イメージングシステム）は、水深100ｍを曳航する浅海曳航型。海底からの高度300〜1000ｍ、7〜8ノット。11/12kHz。探査幅は左右5ｋｍずつ。
　海上保安庁水路部の「昭洋」に搭載されている浅海曳航型の広域測深型サイドスキャンソーナー＜ANKOU＞(Sya 09)は海面付近の温度・塩分変化を避けるため、船尾から水深100ｍを最高8ノットで曳航。長さ5ｍ。左舷9ｋHz、右舷10ｋHz。ビーム幅2.5度＆70度。探査幅1ｋｍ〜20ｋｍ。インターフェロメトリック法による測深機能を備えている。

片側4096個のデータ収録可能（IZANAGIの４倍）。上下の送受波器の取り付け間隔を拡大。使用周波数を下げる。
　深海曳航型サイドスキャンソーナー＜WADATSUMI＞は、左舷95ｋHz、右舷106ｋHz。音響画像＋水深＋サブボトム。海底から200〜300ｍの高度を２ノットで曳航する。水深6000ｍまで曳航可能。
　浅海用マルチビームサイドスキャンソーナー＜KLEIN5400＞は、455ｋHz。船速に応じて最大４本のマルチビームを使用することによって、８ノットの高速曳航でもギャップのない画像が得られる。ビームの指向性がなんと0.2度！　測深も可能。
　TOBIは、30/32ｋHzのサイドスキャンソーナーのほか、7ｋHzのサブボトムプロファイラー、三成分磁力計、濁度計、ジャイロ、高度計、CTDを搭載。
　そのほかSAR（170/190ｋHz）、DSL-120（120ｋHz、測深）が曳航速度２ノット。

　大深度になるほど周波数を低くする必要があり、解像度が落ちていく。450ｋHzで水深100ｍまで、200ｋHzで300ｍまで、50ｋHzで3000ｍまで、12ｋHzで11000ｍまで。
　最も進歩したのが「合成開口ソーナー」。IMBAT（Thomson Marconi Sonar社）は水深1000ｍで水平方向解像度１ｍ。

　船を乗り入れることが困難な岩礁では「航空機レーザー測深」が実用化してきた。YAGレーザーによる近赤外レーザー光（波長1064nm）で海面までの距離を求め、緑色レーザー光（波長532nm）で水深30〜40ｍまでの海底までの距離を求める。カナダOptech社のSHOALS-1000（レーザーパルス1000Hz）、オーストラリアTenixＬＡＤＳ社のＬＡＤＳがある。

「反射法地震探査」と「屈折法地震探査」と「地震波トモグラフィー」

　陸上の発破又は海上のエアガンによる地震波が、地層の各層から反射したものを地上地震計、海底地震計又は船で曳航するストリーマーケーブルで受信し、地層構造を画像化する方法を「反射法地震探査」という。深さ10ｋｍ程度まで。
=>Seismic Reservoir Characterization Laboratory
陸上探査の例だが、三次元データの概念が良くわかる。 Fig.1,2 三次元データを視覚的に示したもの。
Fig.3 実際の地層とMCSデータとの関係
Fig.4 坑井で分かった物性の広がり/変化を見る
Fig.6,8 三次元データでなければ分からない構造、昔の河川などのチャネル構造。

=>3D sequence stratigraphy offshore Louisiana, Gulf of Mexico
海上三次元調査の事例
2番目　二次元断面
3番目　水平にスライスして表示した
４番目　三次元表示、断層による落差が良く表現されている。

　一方、陸上の発破又は海上のエアガンによる地震波が、地層の各層での伝播速度の違いにより屈折したものを地上又は海底の地震計で受信し、地球深部の構造を画像化する方法を「屈折法地震探査」という。深さ40〜50ｋｍまでの構造探査が可能。巨大な自然地震の地震波を地球規模で各地で受信すればマントルや核に至る構造を画像化することができる。
　もっと大規模に、大陸上はもとより、大洋の島々にもなるべく一様に地震計を配置し（将来的には、大洋横断海底電話ケーブルにも地震計を接続して）、長期にわたってできるだけ数多くの自然地震の地震波を観測し、コンピュータ処理することによって、地球を輪切りにした音速分布画像、すなわち、温度異常画像を描くことができる。これを「地震波トモグラフィー」という。

「マルチ・チャンネル反射法探査システム」（MCS）と「サブボトム・プロファイラー」（地層探査装置）と「自己浮上型海底地震計（ポップアップ式海底地震計」（OBS）

　反射法地震探査では、陸域では発破による地震波を各地点に置いた多数の地震計で受信する。海域では、「エアガン」という圧搾空気の放出による地震波を、船から曳航したストリーマー・ケーブルで受信する。「かいれい」のストリーマーケーブルは約6,000ｍ、444ch。
　もう少し低出力の人工震源としては「スパーカー」が使われている。これを「マルチ・チャンネル反射法探査システム」という。エアガンは船尾両舷に設けられたスライド式エアガン・ダビットから海中に吊り下げ、曳航される。
=>「かいれい」マルチチャンネル反射法探査装置（MCS）仕様

　船底や深海曳航体から音波を発射して、海底下のごく浅い範囲の地層構造を求めるのが「サブボトム・プロファイラー」（地層探査装置）。

　屈折法地震探査では、海域で受信する手段としては、多数の「自己浮上型海底地震計（ポップアップ式海底地震計：OBS）」を一定期間、海底に設置する。これは、浮上させて船で回収しなければデータは得られない。
　反射法地震探査でも、より大深度までの構造探査を行うには、地上の何点かで発破を行い、地上の地震計だけでなく海底にもOBSを並べて計測する。

=>人工地震による地下構造調査(東大地震研 爆破地震動研究グループ)

=>地震学入門(M-NASUNOさんのサイト）

=>Harvard Seismology Research Project

●合成開口ソーナー／干渉ソーナー

合成開口ソーナー（Synthetic Aperture Sonar）
干渉ソーナー（Interferometry Sonar／Interferometric Sonar）
=>GeoAcousticsのGeoSwath system
=>Bathymetry systems（Woods Hole Science Center）

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=>東京海洋大学 土屋利雄さんのサイト＞水中音響の基礎／水中音響用語と解説

=>物理探査船の試設計（H14、三井造船）

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