Program)が目標とする科学計画への貢献を目的に地球深部探査船「ちきゅう」(図1参照)を開発した。風・波・流れとの戦いの場、NanTroSEIZE海域へ向けて清水港を出帆する「ちきゅう」。背面の富士山がエールをおくってくれているようだ。Shimokita)を実施してきた(図2参照)。いずれの掘削調査航海でもそれぞれ輝かしい科学成果を収めてきたが、その裏では、今までの石油掘削や科学掘削の分野で経験したことのない試練の連続だった。乗り越えるため多大な努力が費やされてきた。この解説では、IODPの新しい科学ミッションへ挑戦するために「ちきゅう」が今までに取り組んできた最先端技術のいくつかについてご紹介したい。戦い南海トラフのNanTroSEIZEは、科学史上初めて、巨大地震が幾度なく発生してきた海底下の地震断層を目指して掘削し、地震発生の鍵となる岩石試料を採取するだけでなく、現場でのデータ観測を試みる科学計画である。掘削海域は紀伊半島の100kmほど沖に位置する(図3参照)。この海域は、台湾東岸を北上し、日本の太平洋岸を通過する強海流、黒潮が支配する海域でもある。黒潮の表層流速は平均3.5ノット、最大流速約7ノット、さらに、強い流れは深層部にまで及ぶことがあり、進路の予測も非常に困難である(図4参照)。黒潮以外にも、紀伊半島沖には7月~10月に大型の台風が発達しながら通過するし、冬期には寒冷前線の通過で強風が急激に方向を転換する海気象変化の激しい海域でもある。精度よい定点保持が不可欠な「ちきゅう」にとって、NanTroSEIZE海域はまさに苦しみの三重点といえる。パイプが強海流下に置かれると流体抵抗によってパイプが大きくたわむ。Vibration、渦励振、図5に実海域計測データの解析結果を示す)、これがパイプの固有振動数に合致したときに振動が激しくなり、一挙に疲労破壊に至ることがある。System、ライザー疲労モニタリングシステム、図7、8参照)を新しく開発し、安全で効率的なライザー運用に役立てている[8]。沖合約100kmに位置する。プレート境界から分岐する地震断層を掘削し、長期孔内観測システムを設置する計画。NanTroSEIZE海域の黒潮鉛直プロファイル。表層は黄色からオレンジ色(4ノット~5ノット)がみられ、強い流れが深層まで持続することを特徴としている。流速約3ノット中に置かれたドリルパイプの振動解析結果の一例。約7HzあたりでVIV共振モードがみられる。ライザーフェアリングの取付作業状況。ライザーフェアリングは翼型形状をしており、流向にあわせて回転する。全体は3部品から構成され、取付には一セット約6分要する。ライザパイプに取り付けられる振動計測装置の外観。搭載し、全7基がライザーパイプの所定位置に取り付けられ、光ファイバーケーブルを介してデータを船上に伝送する。ライザー疲労モニタリングシステムの船上ディスプレイ表示の一例。事前のモード解析データベースとの相関表示。海溝軸の西側、水深6,910mに位置する。滑った断層位置(海底下約850m)まで掘削し(図9参照)、(1))断層域の孔内検層(2))断層物質の回収(3))断層に蓄積された摩擦熱把握のための長期孔内観測システム設置-の3テーマであった。Challengerが1978年にマリアナ海溝の水深7,034mで掘削に成功しているが、この航海中に掘削できたのはわずか海底下わずか15.5mに過ぎなかった。石油掘削では水深7,000mでオペレーションすることはない。これに対してJFAST航海では約8,000m長のドリルパイプを用いる必要があり、科学・技術の両面において今までの記録を塗り替える大きな挑戦だった。応力的に最も厳しくなるドリルパイプ上部では自重、船体動揺による変動荷重、孔内に拘束された場合の引き抜き力、船体動揺や潮流による曲げ荷重を複合した応力を考慮しなければならない。[9][10]、JFASTの非常にチャレンジングな掘削計画を無事に遂行することができた。水深6,910mの海底を海底下約850mの断層位置まで掘削し、最終的には地震による摩擦熱計測を行った。実管疲労強度の評価を実施し、実掘削におけるドリルパイプの疲労解析手法を確立した。地球の内部をのぞく掘削孔にセンサーを設置することができれば、地球の内部をのぞくことができる貴重な科学の窓になる。高圧、高温といった厳しい環境に加えて崩壊のリスクが高く、狭い孔内空間に高精度でとても繊細なセンサーを設置することは容易ではない。C0002ライザーレス孔(水深1937.5m、掘削深度980m)への設置に成功した[11]。流体挙動など、多角的なデータをひとつの孔内の各所で同時に観測できる長期孔内観測システムの設置は世界初の快挙である。長期孔内観測システムの構成を図11に示す。Tsunamis)海底ケーブルと接続され、現在はリアルタイムでの孔内観測が行われている。ライザーレス孔用長期孔内観測システムの構成。JFASTの長期孔内観測システムでは、7,000mにおよぶ大水深であること、準備および航海期間に制約があることを考慮して、極力シンプルな構成で信頼性を高めた。)55基をVectran製高強度ロープに固定して4-1/2”ケーシング(外径約114mm)内に吊り下げた。これをROVで孔内から引き上げ回収可能とするシステムを作り、2012年7月、水深6,897.5m、海底下深度854.81mに設置することに成功した[12]。2013年4月には無人探査機「かいこう7000II」で観測システムを回収し(図12参照)、地震解明に役立てることができた[14]。C2ライザーレス孔用長期孔内観測システムと同様に孔内センサから孔口のロガーへ伝送されたデータをROVで繰り返し回収可能とするシステムも開発したが、最終的に時間の制約があり、今回は設置を見送った。日本海溝の水深6,897.5mの海底に設置された孔口装置。ここから海底下854.8mまで掘削し、地震滑りにより蓄積された摩擦熱を計測するための長期孔内観測システムを設置した。写真は観測システムを「かいこう」で回収する直前の映像。孔口装置にはプロジェクトの想いを込めて「忘れない3.11」とメッセージが残されている。科学掘削は資源掘削とは異なり、海底下浅部から深部に至るまでの連続的で高品質なコア試料の採取が求められている。絶えず海況が変化する洋上で、海底から何千メートルも下の不安定な地層からコアを回収することは容易なことではない。今後期待される地震断層や、地殻とマントルの境界面などの複雑な地層からコア試料を得ることは非常に困難なことである。コアを掘り出すコアビットのモーターは船上に設置されており、水深が深くなればなるほど、モーターとコアビットの距離が遠くなるため、切削力のコントロールが難しくなる。そこで、孔内におろしたパイプの先端部にタービンを取り付け、船上から送る泥水で駆動させるタービン駆動コアリングシステムの開発を進めている(図13参照)。タービン駆動コアリングシステムの構成。船上から送られる泥水で駆動され、高速回転、低ビット荷重で良質のコア回収を目指す。3次元X線CTスキャナーによるコアの非破壊検査。コアの表面形状、サイズ、割れ、全体の状態が把握でき、掘削パラメータの最適化にも利用される。起因する多くの技術的課題を乗り越える挑戦が行われてきた。地球は過去に多くの大規模環境変動を経験してきた。その記録は唯一、海底下にのみ残っていると言っても過言ではない。解明など地球生命科学の新たなフロンティアになりつつある。IODPは、地球システムと環境影響の解明という新たな研究テーマを加えて、2013年に新時代の幕を開けた。「ちきゅう」は、人類初、そして、科学掘削プログラム創設時からの夢であったマントル到達に向けて、将来は水深4000m超、海底下7000mまでを掘ることを目標にしいる。これを達成するには、超大水深で使用可能な泥水循環システム、より強度の高いドリルパイプ、より高度な船位保持システム、高い温度でも使える泥水の開発など、さらなる技術開発が必要である。「ちきゅう」はこの未踏の科学ミッションへ向けてさらに進化を続けるのである。プロフィール1960年台湾生まれ。