專利名稱：海底資源調(diào)查系統(tǒng)以及海底資源調(diào)查方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海底資源調(diào)查系統(tǒng)以及海底資源調(diào)查方法。
背景技術(shù)：
一直以來，通過采用用于海底地質(zhì)調(diào)查的低頻聲源的音響設(shè)備僅對海底下的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行調(diào)查，來進行氣體水合物等海底資源的調(diào)查。
作為這樣的海底資源調(diào)查方法，例如采用地震調(diào)查法(例如，參照http://www.mh21japan.gr.jp/(甲烷水合物資源開發(fā)研究協(xié)會的主頁))。該方法在石油、天然氣勘探中用于調(diào)查含有石油、天然氣的地層的分布，是一種人工地發(fā)生類似于地震的振動，利用該振動進行地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)其結(jié)果來調(diào)查資源的方法。
另外，當(dāng)在海面附近給予振動時，會產(chǎn)生聲波并且聲波在海中傳播。還采用使用由海底面發(fā)射的聲波來進行調(diào)查的反射地震調(diào)查法。
而且，為了接收返回的聲波而采用稱為等浮的電纜，并且最近采用多根等浮電纜來進行調(diào)查的情況并不罕見。在最近的石油勘探地心調(diào)查中，還具有使用船一次拖航10根以上的6000m以上的等浮電纜來進行調(diào)查的情況。如此，當(dāng)使用多根等浮電纜時可得到立體的地震調(diào)查記錄，所以被稱為3D(3維)地震調(diào)查法。
但是，地震調(diào)查法并非直接確認(rèn)石油、天然氣等資源的方法，而是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果來推測資源的存在然后進行挖掘，所以很多時候即使進行挖掘也沒有資源。
另外，上述的反射地震調(diào)查法及3D地震調(diào)查法規(guī)模大，需要花費很多的經(jīng)費與時間。
因此，本發(fā)明是鑒于上述課題而發(fā)明的，其目的在于提供一種可以廉價且高可靠性地調(diào)查海底資源的海底資源調(diào)查系統(tǒng)以及海底資源調(diào)查方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第1特征為海底資源調(diào)查系統(tǒng)具有(a)發(fā)送單元，其向海中發(fā)送聲波；(b)接收單元，其接收所述聲波由存在于海水中的、甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物與海水的邊界面反射的散射波；和(c)分析單元，其在根據(jù)所述發(fā)送的聲波以及所述接收到的散射波計算出的散射強度為規(guī)定的關(guān)系時，判斷為在所述混合物正下方的海底中存在甲烷水合物，(d)所述規(guī)定的關(guān)系為在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將所述混合物在深度方向上以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度的最大值為-60～-30dB，散射強度的平均值是-70～-50dB。
另外，在第1特征的海底資源調(diào)查系統(tǒng)中，優(yōu)選所述規(guī)定的高度是300m，所述規(guī)定的寬度是20～100m。
向海中發(fā)送聲波的步驟本發(fā)明的第2特征為海底資源調(diào)查方法包括(a)向海中發(fā)送聲波的步驟；(b)對所述聲波由存在于海水中的、甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物與海水的邊界面反射的散射波進行接收的步驟；和(c)在根據(jù)所述發(fā)送的聲波以及所述接收到的散射波計算出的散射強度為規(guī)定的關(guān)系時，分析判斷出在所述混合物正下方的海底中存在甲烷水合物的步驟，(d)所述規(guī)定的關(guān)系是在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將所述混合物在深度方向上以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度的最大值為-60～-30dB，散射強度的平均值是-70～-50dB。


圖1是本實施方式的海底資源調(diào)查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2用于說明本實施方式的海底資源的調(diào)查。
圖3是本實施方式的海底資源調(diào)查系統(tǒng)的顯示部顯示的畫面的一例(之一)。
圖4是本實施方式的海底資源調(diào)查系統(tǒng)的顯示部顯示的畫面的一例(之二)。
圖5是表示本實施方式的海底資源調(diào)查方法的流程圖。
圖6是本實施方式的觀測區(qū)域的3維圖。
圖7是本實施方式的觀測的航行路線。
圖8是本實施方式的甲烷噴柱(methane plume)的圖。
圖9是本實施方式的甲烷噴柱的反射波圖(之一)。
圖10是本實施方式的甲烷噴柱的反射波圖(之二)。
圖11是本實施方式的甲烷噴柱的反射波圖(之三)。
圖12是本實施方式的甲烷噴柱的反射波圖(之四)。
圖13是觀察圖11的噴柱1、2、3期間的航跡。
圖14是在本實施例中發(fā)現(xiàn)的拳頭大的甲烷水合物。
圖15是本實施例中的3個噴柱的平均散射強度SV。
具體實施例方式
然后，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。在以下附圖的記載中，對相同或類似的部分標(biāo)注相同或者類似的符號。其中，應(yīng)該留意附圖所示意的內(nèi)容。
(海底資源調(diào)查系統(tǒng))在本實施方式中，對作為海底資源的甲烷水合物進行調(diào)查。本發(fā)明的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)從存在甲烷水合物的海底涌出甲烷氣體和甲烷水合物混合的物體，通過調(diào)查該物體，推測甲烷水合物的存在地點。
如圖1所示，本實施方式的海底資源調(diào)查系統(tǒng)具有正弦波生成部11、脈沖寬度切換部12、發(fā)送信號放大部13、收發(fā)切換部14、振動器1(接收部以及發(fā)送部)、接收信號放大部16、分析部17和顯示部18。作為這樣的海底資源調(diào)查系統(tǒng)可以使用魚群探測器。
另外，如圖2所示，振動器1安裝在船5的底部。船5以0～3節(jié)的速度前進。在海底存在甲烷水合物4，從這里產(chǎn)生甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物3。
正弦波生成部11生成正弦波。此時的頻率需要為盡量低的頻率。例如，1～50kHz，最好為40kHz以下。
脈沖寬度切換部12指定發(fā)送正弦波時的脈沖寬度。
另外，因為混合物3存在于較深的水域，所以例如將反復(fù)頻率在水深1000m指定為4秒。
發(fā)送信號放大部13對從正弦波生成部11輸入的信號進行放大。
收發(fā)切換部14進行發(fā)送以及接收的切換。
如圖2所示，振動器1把從收發(fā)切換部14輸入的電壓變換為聲壓，并作為聲波以規(guī)定的等價波束寬度Ψ(參照“利用了水槽水面反射的計量魚群探測器的校正”)日本水產(chǎn)品學(xué)會、63(4)、570-577(1997))向海中進行發(fā)送。該等價波束寬度Ψ大致與(振動器1的振動面直徑)/(正弦波的波長)成比例。另外，因為在較深的海域海底資源較豐富，所以為了提高水平方向的分辨力，使波束寬度尖銳(sharp)。例如，設(shè)為-19.1dB左右。
另外，振動器1對聲波由海水中存在的、與海水密度不同的物體的邊界面反射的散射波進行接收。這里，對由甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物3與海水的邊界面反射的散射波進行接收。并且，振動器1從散射波的聲壓轉(zhuǎn)換為電壓信號。
收發(fā)切換部14進行發(fā)送以及接收的切換。
接收信號放大部16對從收發(fā)切換部14輸出的電壓信號進行放大。
分析部17在根據(jù)發(fā)送的聲波以及接收到的散射波計算出的散射強度SV為規(guī)定的關(guān)系時，判斷在混合物3正下方的海底存在甲烷水合物4。這里，所謂“散射強度”是與海水密度不同的物體的每單位體積的散射波的強度。通過公式(1)、公式(2)來得到散射波強度Sv(dB)(例如參照海洋音響基礎(chǔ)與應(yīng)用海洋音響研究會1984年P(guān)80～85)Sv＝Is/Ii 公式(1)SV＝10logsv公式(2)這里，Ii表示入射的平面波聲波的強度，Is表示距離單位體積物體的音響中心單位距離的散射波的強度。
如圖2所示混合物3為柱狀。分析部17在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，計算將混合物3在深度方向上以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度SV的最大值、平均值以及最小值。
具體來說，分析部17在上述網(wǎng)格中的散射強度SV的最大值是-60～-30dB，平均值是-70～-50dB時，判斷為在其正下方的海底存在甲烷水合物4。除了上述條件之外，在最小值是-90dB以上時也可以判斷為在其正下方的海底存在甲烷水合物4。
另外，分析部17在混合物3中在海底正上方100m以內(nèi)具有-45～-30dB較大的散射強度SV時，尤其判斷為存在甲烷水合物4的可能性較高。原因在于，由于高密度的甲烷氣體或者甲烷水合物的晶體，超聲波發(fā)生散射。
如圖3所示，顯示部18可視化地顯示具有規(guī)定散射強度的混合物3的輪廓。所謂顯示部18，例如指監(jiān)視器等的畫面，可以使用液晶顯示裝置(LCD)、發(fā)光二極管(LED)面板、電致發(fā)光(EL)面板等。另外，顯示部18也可以是打印機等。
另外，如圖4所示，顯示部18還可以顯示海底面的輪廓。
此外，雖然沒有圖示，但本實施方式的海底資源調(diào)查系統(tǒng)可以具有保存用于進行分析處理的程序的程序保存部。程序保存部可以采用RAM等內(nèi)部存儲裝置，也可以采用HD或FD等外部存儲裝置。
(海底資源調(diào)查方法)然后，采用圖5對本實施方式的海底資源調(diào)查方法進行說明。
首先，在步驟S101中正弦波生成部11生成正弦波。
然后，在步驟S102中，脈沖寬度切換部12指定發(fā)送正弦波時的脈沖寬度。然后，發(fā)送信號放大部13對從正弦波生成部11輸入的信號進行放大，收發(fā)切換部14向發(fā)送切換。
然后，在步驟S103中，振動器1將放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換為聲壓，作為聲壓以規(guī)定的等價波束寬度Ψ向海中發(fā)送。并且，在步驟S104中，振動器1對聲波在海水中存在的、甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物3與海水的邊界面反射的散射波進行接收。振動器1從散射波的聲壓轉(zhuǎn)換為電壓信號。
然后，收發(fā)切換部14向接收切換。然后，接收信號放大部16對從收發(fā)切換部14輸出的電壓信號進行放大。
然后，在步驟S105中，分析部17根據(jù)發(fā)送的聲波以及接收到的散射波來計算散射強度SV。并且，在步驟S106中，在計算出的散射強度SV是規(guī)定的關(guān)系時，判斷在混合物3正下方的海底存在甲烷水合物4。所謂該規(guī)定的關(guān)系是滿足以下條件的關(guān)系在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將混合物3沿深度方向以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度的最大值是-60～-30dB，散射強度平均值是-70～-50dB。
然后，顯示部18可視化地顯示散射強度。
(作用以及效果)根據(jù)本實施方式的海底資源調(diào)查系統(tǒng)以及海底資源調(diào)查方法，具有振動器1，其向海中發(fā)送聲波，對聲波由海水中存在的、甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物與海水的邊界面反射的散射波進行接收；和分析部17，其在根據(jù)發(fā)送的聲波以及所述接收到的散射波計算出的散射強度為規(guī)定的關(guān)系時，判斷為在混合物3正下方的海底存在甲烷水合物，由此可以可靠性高、且廉價地調(diào)查海底資源。
另外，分析部17在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將混合物3沿深度方向以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度最大值是-60～-30dB，散射強度的平均值是-70～-50dB時，可以判斷為在物體正下方的海底存在資源。這是因為在從甲烷水合物中涌出氣體時，由于其組成而具有這樣的散射強度。
此外，作為用于分析部17進行判斷的規(guī)定條件，優(yōu)選上述規(guī)定的高度為300m，上述規(guī)定的寬度是20～100m。
另外，還具有可視化地顯示散射強度的顯示部18，由此可以視覺上捕捉海底資源存在的地點、將海底資源作為起源的物體，可以無需花費大量的費用與時間，高效地調(diào)查海底資源。
此外，分析部17在海底正上方100m以內(nèi)物體具有-45～-30dB的散射強度時，可以判斷為在物體正下方的海底存在資源。其原因在于，超聲波由于高密度的甲烷氣體或甲烷水合物的晶體而發(fā)生散射。
實施例以下通過實施例對本發(fā)明進行更詳細(xì)的說明，但本發(fā)明并不會被這些例子進行任何限定。
本發(fā)明的發(fā)明人采用本發(fā)明的海底資源調(diào)查系統(tǒng)，在日本海進行了甲烷水合物的調(diào)查。該調(diào)查利用1886t的船來進行，采用了現(xiàn)有的魚群探測器。
圖6是觀測區(qū)域的3維圖。船的間隔是0.05nmi.，其速度是3kt。圖7表示觀測的航行路線。
作為海底資源調(diào)查系統(tǒng)采用了圖1所示的裝置。具體來說，采用了計量魚群探測器、KFC3000(KAIJO制造)。頻率為38kHz，等價波束寬度Ψ是-19.1dB。
圖8是使用來自GPS的位置數(shù)據(jù)以及計量魚群探測器來測繪擴散為柱狀的甲烷氣體(以下稱為“甲烷噴柱(methane plume)”。)。
發(fā)明人在反射波圖中測定了直徑約100m、高度200m～700m、到達海面以下600～300m的36噴柱。并且，使用來自GPS的位置數(shù)據(jù)和計量魚群探測機，一邊以規(guī)定的速率航行一邊每隔4秒測定甲烷噴柱(圖9～12)。
圖9～12是甲烷噴柱的反射波圖?？v軸是距振動器1的表面，即距船底的距離。橫軸是船的航海距離。
在圖9～12中畫面下的粗線表示海底面。圖11表示與發(fā)現(xiàn)了圖14所示的拳頭大小的甲烷水合物的地點對應(yīng)的甲烷噴柱。
圖9表示由于潮水的流動在水深600m附近向北方傾斜的甲烷噴柱。此時的船速為3節(jié)。
圖10表示位于水深300～350m地點的噴柱(從左側(cè)數(shù)第2個)。其前端膨脹，這是因為在該深度附近水溫急劇變高。
圖11表示發(fā)現(xiàn)了甲烷水合物群的地點的噴柱。此時的船速為0.3節(jié)。
圖12表示進行了CTD測定的噴柱。此時，船停止了發(fā)動機。
圖13是觀察圖12的噴柱1、2、3期間的航跡。中央的粗線(表示為Plum1 start的部分)是測定了噴柱1的超聲波數(shù)據(jù)時的航跡，上部的粗線(表示為Plum 2 start的部分)是測定了噴柱2的超聲波數(shù)據(jù)時的航跡，下部的粗線(表示為Plum 3 start的部分)是測定了噴柱3的超聲波數(shù)據(jù)時的航跡。圖13的網(wǎng)格線是30m×30m。
在圖12中，當(dāng)比較3個噴柱的反射波圖時可知，他們表現(xiàn)了1個噴柱的不同地點。
海底的水溫是異常低的溫度，采用CTD進行測定時是0.25℃。
本發(fā)明人計算了來自各個甲烷噴柱的散射強度SV。噴柱的散射強度SV是將積分層寬度設(shè)為100m，將積分間隔設(shè)為1分，使用作為計量魚群探測器的一部分的積分功能計算出的。具體地說，將柱狀的噴柱按每100m以固定寬度切成圓形(將切成該圓形的部分稱為“網(wǎng)格”)，并對每個網(wǎng)格計算散射強度SV。噴柱的散射強度SV的值如表1所示。


在圖15中，縱軸表示散射強度SV(dB)，橫軸表示距船底的距離(m)。從下開始第1條粗線表示在圖12中從左側(cè)開始第一個噴柱1的平均散射強度SV，從上開始第1條粗線表示在圖12中從右側(cè)開始第二個噴柱2的平均散射強度SV，從下開始第2條粗線表示在圖12中從右側(cè)開始第一個噴柱3的平均散射強度SV，從上開始第2條粗線表示全部噴柱的平均值。
如圖15所示，平均散射強度SV在噴柱下部到中間表示最高的值，與此相對，在噴柱上部表示比較低的值。另外，平均散射強度SV在從海底到海面以下700m的范圍內(nèi)波動少，與此相對，在海面下700m以上的范圍內(nèi)對于各個噴柱取不同的值。由此可知從海底到海面以下700m的范圍內(nèi)甲烷氣體的密度比較固定，當(dāng)接近于海面時甲烷氣體逐漸減少。
在圖15中，噴柱2的平均散射強度SV比噴柱1以及噴柱3高。如上所述，這3個噴柱表示了1個噴柱?？烧J(rèn)為測定了噴柱2的航跡航行過該噴柱的中央，測定了噴柱1以及噴柱3的航跡航行過該噴柱的端部。
(結(jié)果)發(fā)明人對甲烷水合物進行了測繪，并在反射波圖中測定了直徑約100m、高度200m～700m、到達海面下600～300m的36噴柱。
另外，發(fā)明人計算了各個噴柱的散射強度SV。該散射強度SV如表1所示。即，通過分析海中的數(shù)據(jù)可以知道在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將混合物在深度方向上以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度最大值是-54～-35dB，散射強度的平均值是-65～-63dB時，該噴柱正下面的海底存在資源。
另外，上述規(guī)定的高度是300m，上述規(guī)定的寬度是20～100m。即，在從海底開始300m的范圍內(nèi)，計算將混合物在深度方向上按20～100m切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度的最大值以及平均值，由此可知在正下面的海底存在甲烷水合物。這可以根據(jù)表1的“(到海底的深度)-(積分層的平均深度)”確認(rèn)上述規(guī)定的高度是300m，根據(jù)表1的“積分層的厚度”確認(rèn)上述規(guī)定的寬度是20～100m。
此外，當(dāng)詳細(xì)地分析該噴柱的測定結(jié)果時，可得到表2所示的結(jié)果。


水深為896.1m即，在距海底100m以內(nèi)的積分層中具有-44～-36dB的較強的散射強度。由此，可知在這樣的噴柱正下面的海底存在資源。
另外，相對于平均散射強度SV從噴柱的下部到中間表示最高的值，在噴柱的上部表示較低的值。
另外，發(fā)明人從觀察到甲烷噴柱的地點發(fā)現(xiàn)了甲烷水合物。
根據(jù)這些結(jié)果可知本實施方式的海底資源調(diào)查系統(tǒng)以及海底資源調(diào)查方法在探測甲烷水合物的埋藏地點方面是有效的。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如上所述，本發(fā)明的海底資源調(diào)查系統(tǒng)以及海底資源調(diào)查方法有益于對埋藏在海底的甲烷水合物進行調(diào)查的作業(yè)。
權(quán)利要求
1.一種海底資源調(diào)查系統(tǒng)，其特征在于，具有發(fā)送部(1)，其向海中發(fā)送聲波；接收部(1)，其接收所述聲波由存在于海水中的、甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物與海水的邊界面反射的散射波；和分析部(17)，其在根據(jù)所述發(fā)送的聲波以及所述接收到的散射波計算出的散射強度為規(guī)定的關(guān)系時，判斷為在所述混合物正下方的海底中存在甲烷水合物；所述規(guī)定的關(guān)系，為在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將所述混合物在深度方向上以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度的最大值為-60～-30dB，散射強度的平均值是-70～-50dB。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底資源調(diào)查系統(tǒng)，其特征在于，所述規(guī)定的高度是300m，所述規(guī)定的寬度是20～100m。
3.一種海底資源調(diào)查方法，其特征在于，包括向海中發(fā)送聲波的步驟；對所述聲波由存在于海水中的、甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物與海水的邊界面反射的散射波進行接收的步驟；和在根據(jù)所述發(fā)送的聲波以及所述接收到的散射波計算出的散射強度為規(guī)定的關(guān)系時，判斷為在所述混合物正下方的海底存在甲烷水合物的步驟，所述規(guī)定的關(guān)系是在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將所述混合物在深度方向上以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度的最大值為-60～-30dB，散射強度的平均值是-70～-50dB。
全文摘要
海底資源調(diào)查系統(tǒng)具有振動器(1)，其向海中發(fā)送聲波，并對聲波由存在于海中的、甲烷氣體以及甲烷水合物的混合物與海水的邊界面反射的散射波進行接收；和分析部(17)，其在根據(jù)發(fā)送的聲波以及所述接收到的散射波計算出的散射強度為規(guī)定的關(guān)系時，判斷為在所述混合物正下方的海底存在甲烷水合物。所謂該規(guī)定的關(guān)系是滿足以下條件的關(guān)系在從海底到規(guī)定高度的范圍內(nèi)，將混合物在深度方向上以規(guī)定的寬度切成圓形的網(wǎng)格中的散射強度最大值是－60～－30dB，散射強度平均值是－70～－50dB。
文檔編號G01S15/88GK101069104SQ20058003995
公開日2007年11月7日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月22日
發(fā)明者青山千春 申請人:青山千春