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7.3 海底ケーブル沖縄観測点における地磁気電場観測
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中塚 正・宮崎光旗・小川康雄・大熊茂雄（地質調査所） |
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| VENUS Deep-sea Geomagnetic and Electric Field Observation
at the Okinawa Site |
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| T. Nakatsuka, T. Miyazaki, Y. Ogawa, and S. Okuma
(Geological Survey of Japan) |
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Deep-sea geomagnetic and electric field observation system for VENUS
project was deployed at the Okinawa observation site, about 50km southeast
of the Okinawa Island, at the depth of about 2,150m.
The equipment functioned normally from the start of supplying power on
October 3, 1999.
Since then, the data transmitted from the sea bottom was monitored at the
shore station, and the geomagnetic and electric field data were recovered
in real time.
However, on November 19, data transmission was terminated abruptly.
The cause of this termination was proven to be some trouble in the
"data transmission control" unit from the later investigation.
The effort to recover the observation function is now under way.
Although the upcoming of observation data from the sea bottom is
stopped now, we got abundant continuous data of geomagnetic and electric
fields observation at the Okinawa site.
Those data are quite informative in various context.
Of course, this is the first success of real time observation of
magnetic/electric field variation at the remote sea bottom site, which was
enabled by the VENUS project.
Actually, our observation detected clearly the electro-magnetic variation
related to the remarkable magnetic storm on October 22, 1999 and its
succeeding phenomena, which shall be further investigated.
On the other hand, the quality of transmitted data and the electric field
data itself are the effective information to examine the situation and
process of the trouble.
Now the clear elucidation of what happened near the branching unit,
how it could be prevented, and how we can recover the function of our
cable system are anticipated, and then we expect earlier restoration
of the real time observation system.
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１．は じ め に
地質調査所では，Venusプロジェクト（科学技術振興調整費総合研究課題
「海底ケーブルを用いた地震等多目的地球環境モニターネットワークの開発
に関する研究」）の一環として，
旧第二太平洋海底ケーブル（沖縄－グァム間，TPC-2）を利用した
海底地磁気電場観測装置の開発を担当して，
1999年9～10月に沖縄南西方の水深約2150mの海域に，
観測装置の展開設置・ケーブル接続を行った．
その詳細については，前章で述べた．
ここでは海底設置・接続を終えた地磁気電場観測装置から得られた
観測データの状況と，それらデータに見られる特徴的な事柄について報告する．
２．観測開始とデータ収録の状況
前章で述べたように，地磁気電場観測装置の設置・接続を終えたのは
1999年10月3日であり，直後の動作試験において，
12:01 JST のデータを沖縄中継局で受信したのを最初に，
その後の各観測機器の接続・動作確認作業等による給電停止の時間帯を除いて，
連続的に観測データを受信した．
第1図
に1日分の取得データの例を示す．
10月3日以降にも，他の観測装置の接続・動作確認作業にともなう
電源供給停止やデータ伝送停止があったが，10月8日 13:15 JST 以後
11月19日 19:44 JST までの連続データの収録が行われた．
しかしながら，11月19日19時45分頃に原因不明のデータ伝送停止が発生した．
同日20時頃にそれに気づいた他観測機器担当者からの連絡で，
その後，分岐装置開発担当者らによる復旧作業が試みられた．
動作再開操作を行うことにより，動作復帰するものの
間もなくデータ伝送再停止に陥る状況が，幾度か繰り返され，
原因の考察を進めている中で，11月20日16時45分頃から，
動作再開操作も受け付けられない状況に至った．
この時点で最後に伝送された地磁気電場観測データは，
11月20日 16:43 JST のものである．
その後，不具合原因の解明と復旧の手だての検討が行われ，
現在，水中テスタを用いた原因箇所の詳細把握の予定が組まれている．
なお，原因解明の一環として，1999年12月23日に
海洋科学技術センターの無人探査機「ドルフィン3K」を使用して，
海底ケーブル分岐装置フレームのビデオカメラを用いた状況把握がなされた結果，
同フレームに収容されている「データ伝送中継器」の耐圧容器に
電食と見られる変状の認められることが明らかになっている．
３．収録データに見られる特徴
以下では，1999年10月8日13:15JST から 11月19日19:44JST までの42日間余の
海底地磁気電場観測装置の連続データにに見られる特徴について触れる．
第2図は，
その全期間のデータを各1時間平均値で示したもので，
このグラフにもいくつかの特徴が見られる．最も目につく点としては，
電場（Ex・Ey）の変動が11月7日頃から大きくなっており，
自然現象とは見られない．また
第3図には，
その全期間のうち，前の方の10月12日と，終りに近い11月17日の
各1日分の毎分値のグラフを示す．この
第3図では，
1時間平均値では判断できないより短周期についても
電場測定値に大幅な変動が現れるようになったことがわかる．
第2図・
第3図ともに，
電場測定値のEx・Ey両成分が相似の変化を示しており，
共通電極の劣化や電場計側部の不具合が考えられなくもないが，
Ex・Eyの類似した変化はそれ以前から見られること，
その後にデータ伝送中継器で不具合が発生したことを考えあわせると，
電食によるシステムの停止に至る過程を
電場観測が捉えたものである可能性があろう．
一方，Ex・Eyがあまりに類似した変化を示す点は，検討を要する．
電極の展開にあたっての「かいこう」による作業は，
オペレータにとって慣れないせいもあって思うに任せず，
直交からはかなりずれた配置となっている．概略の配置は，
図の右側上寄りに矢印で示した如くであり，スパンは Exが20m Eyが17m程度であるが，
ほとんど同じ方向成分を測定しているわけではない．
海底では底層流の存在が知られており，
その流向に卓越方向があって大部分の電場変動を規制しているとすれば，
データの妥当性を否定するものではない．実態の把握のために，
さらに詳細なデータの検討と，他種目の観測機器で測定されている
流向・流速のデータとの対比もすすめる必要があろう．
第2図の Hyのグラフ（yのサフィックスは，
フレームの横方向であり東方向を意味せず，このサイトでは北方向に近い）では，
10月10日・22日・11月7日頃などにレベルのシフトを起こして，
それが徐々に復する変化を示しているようにも見える．
しかし，
第4図に示すように
柿岡地磁気観測所でのH成分の地磁気変化にも同じ変化が記録されており，
正しい観測データの得られていることがわかる．
第4図は，
第2図
と同じ地磁気3成分の変化と地磁気観測所による柿岡での地磁気3成分観測データを
対比して示したものである．
柿岡のデータは，東京大学地震研究所の地磁気データベース
（同所の笹井氏の努力による）を利用させていただいた．[地磁気観測所・地震研究所
ならびに笹井氏をはじめとする両機関の担当者に感謝します．]
その毎分値データベースから，毎時値(瞬時値)をプロットし，
海底地磁気電場観測装置の1時間平均値と対比してある．
上下両図を比較してわかるように，磁場3成分の変化は，
両地点の緯度の相違をも反映した極めて妥当な観測結果であることが見てとれる．
４．電場データに含まれる異常な信号
次に，収録データを点検中に気づいた電場データの異常な振る舞いについて記す．
本装置では，標準設定で磁場3成分を毎分計測
（プロトン磁力計はデフォールトで5分毎計測）であるが，
電場は毎秒計測となっており，60秒分の電場データと磁場データを
毎分データ送信している．
第5図には，
その電場2成分の30分間のデータをプロットした例を掲げてある．
この記録で，Ey成分に毎分1秒から13～14秒にかけてステップ状の変化が
重畳していることがわかるが，その時間帯は，
毎分のデータ伝送の時間帯にぴったり符合する．
観測装置からデータ伝送中継器へはカレントループによる
非同期シリアル伝送が用いられており，その信号電流は中継ケーブルを流れる．
しかるに，中継ケーブルの展張にあたっては，
底層流の影響で「かいこう」の操縦が必ずしも思わしくなく，結果として，
中継ケーブルがEy成分の電極ケーブルと2～3mの間隔で平行する状況となった．
第5図のノイズがEy成分にのみ現れるのは，
そのためであろうとも考えられる．
しかし，ステップ変化の場として検出されるためには
実効的に交流分を検波するような状況が必要であり，実態はつまびらかではない．
逆に，このデータ伝送信号のカレントループがデータ伝送中継器から漏れ出した
とすると，電場計測の本装置の側では電極が海水に浸っており
電流の戻り口になりうると考えられるので，交流分が減衰して直流分のみが
ステップ変化として検出される可能性も十分ありそうである．
現在のところ，磁場データとの対比を見る上では，
毎分15秒～59秒のデータの平均をもって毎分値としており，
データ解析上の支障はない．
５．自然現象による電磁場変動の把握
地磁気電場観測装置から得られたデータについては，現在のところ，
その内容の妥当性チェックを行っている段階であり，
それを用いた電気伝導度構造解析やより正確なデータのキャリブレーション等は，
現在進行中である．
それらの結果については，機会を改めて報告することとするが，
ここに提示したデータに注目するだけでも，
変動電磁場を正しく捉えていることが確認できる．
ここでは，1999年10月22日に発生した顕著な地磁気嵐と
その誘導電場および引き続く電磁場変動を捕捉した例を
第6図に示す．
６．お わ り に
海底観測システムの動作確認というステップを越えたとはいえ，
観測開始から50日足らずで動作停止に陥っていることは残念であり，
不具合原因の解明と復活へ向けた取り組みを始めている．
復活にあたっては，原因箇所の特定とその部分の切り離し，引き上げ回収，
引き上げ部位の修復または更新機器の調達とその再設置，
再接続といった手順が必要と想定され，
それに要する予算的裏付けも新たに必要となる．
しかし，これまでに蓄積された海底ケーブルシステム構築のノウハウと経験は
貴重であり，それらを生かしつつ取り組めば，
信頼性の高いリアルタイム観測システム構築が実現できるものと思われる．
なお，データ伝送中継器の不具合が電気的な現象を伴っていて
その周辺に電気的な場を作り出している筈であること，
地磁気電場観測が連続観測でありデータ伝送状況のモニタの役割をも
果たしていることを考えあわせると，海底地磁気電場観測装置の測定記録は，
不幸にして生じたデータ伝送中継器／分岐装置の不具合の原因解明にとっても
重要な情報源の一つと考えられる．
従って，ここにその測定記録のデータチェック結果のサマリーを
付録として掲げておくこととする．
＜付録＞ 地磁気・電位差計モニタPCの収録データSummary （時刻はJST）
（この収録データは，受信パケットの簡単な FormatCheck にパスすれば，
PC内部時計のタイムスタンプを付して記録されるため，
受信パケットの時刻データのくるいや Formatの軽微な異常は，検出できない．
PC内部時計は，調査の結果，
1日に12秒程度進む状況にあったことが判明しているので，
その分の補正は済ませてある．）
| 991003 |
12:01 : First Data (地磁気電位差計接続後，単独動作試験開始)
12:06-12:08 NoData (一旦動作停止，各観測機器逐次動作へ)
13:04 NoData (PC操作のためデータ収録停止?)
13:24 Fluxgate Abnormal Range 3
17:15 NoData (PC操作のためデータ収録停止?) |
| 991004 |
07:16 NoData (??)
10:44-12:16 NoData (精密測距#2接続作業)
12:39-13:43 NoData (精密測距#3接続作業)
13:58-14:46 NoData (精密測距#1接続作業) |
| 991006 |
04:07 Fluxgate Abnormal Range 1
10:46-11:43 NoData (移動体観測接続作業)
11:48-11:57 NoData (移動体観測接続作業)
16:38 Fluxgate Abnormal Range 1
18:46 Fluxgate Abnormal Range 3 |
| 991008 |
13:13-13:24 NoData (給電停止?) |
| 991010 |
07:31 Fluxgate Abnormal Range 1 |
| 991015 |
02:01 Fluxgate Abnormal Range 3
06:51 Fluxgate Abnormal Range 3 |
| 991017 |
06:51 Fluxgate Abnormal Range 1 |
| 991023 |
00:42 NoData (Ａ)
17:33 NoData [Ｂ] |
| 991024 |
08:45 Fluxgate Abnormal Range 3 |
| 991025 |
00:35 Fluxgate Abnormal Range 3
12:05 NoData [Ｂ] |
| 991027 |
05:33 NoData (Ａ) |
| 991028 |
01:08-01:10 NoData (Ａ)
22:13 NoData (Ａ) |
| 991029 |
08:20 NoData (Ａ) 10:20 NoData (Ａ) |
| 991030 |
13:48 NoData [Ｂ]
17:25 NoData |
| 991031 |
11:16 NoData (Ａ) |
| 991101 |
10:17 NoData (Ａ) |
| 991102 |
05:30 NoData (Ａ) 16:17 NoData [Ｂ] |
| 991103 |
13:50 NoData [Ｂ] |
| 991104 |
03:38 NoData (Ａ) 08:21 NoData (Ａ)
11:06 NoData (Ａ) 16:06 NoData [Ｂ] |
| 991105 |
14:39 Fluxgate Abnormal Range 3
20:11 NoData
21:07 NoData (Ａ) 22:20 NoData [Ｂ] |
| 991106 |
02:51 NoData (Ａ) 11:20 NoData (Ａ)
12:58 NoData
14:33 NoData (Ａ) 20:42 NoData [Ｂ] |
| 991107 |
10:05 NoData (Ａ) 10:34 NoData (Ａ)
19:16 NoData [Ｂ] |
|
| 991108 |
07:51 Fluxgate Abnormal Range 1
15:09 NoData [Ｂ] 19:25 NoData (Ａ)
19:43 NoData (Ａ) |
| 991109 |
03:25 NoData (Ａ) 12:47 NoData (Ａ)
15:40 NoData [Ｂ] |
| 991110 |
00:34 NoData (Ａ) 01:12 NoData (Ａ)
08:49 NoData (Ａ) 16:25 NoData (Ａ) |
| 991111 |
06:36 NoData (Ａ) 11:24 NoData (Ａ)
23:39 NoData (Ａ) |
| 991112 |
06:42 NoData [Ｂ] 13:50 NoData (Ａ) |
| 991113 |
04:36 NoData |
| 991114 |
11:27 NoData (Ａ) 14:29 NoData (Ａ)
21:10 Fluxgate Abnormal Range 1 |
| 991115 |
00:18 NoData (Ａ) 13:02 NoData (Ａ)
22:44 NoData [Ｂ] |
| 991117 |
07:21 Fluxgate Abnormal Range 1 |
| 991118 |
01:31 NoData (Ａ) |
| 991119 |
00:11 NoData (Ａ) 04:50 NoData (Ａ)
08:54 Fluxgate Abnormal Range 1
12:16 NoData (Ａ)
19:45-21:54 NoData
<分岐装置からの給電19:45頃自動停止：長屋氏報告，
その後21:55頃の手動給電開始から，22:09頃の再度の給電自動停止まで，
14分間データを受信>
22:09- NoData |
| 991120 |
-15:49 NoData
<野田氏らによるJAMSTECでの試験>
15:52-16:22 NoData
<15:50-51(2分)と，16:23-43(21分)のデータを受信>
991120 16:43 : Last Data |
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上記のうち，
- NoData (Ａ) は，JAMSTECでの収録データでも(単発での)
データ欠落になっている．（データpacketが来なかった．
packetが途中で終りになった可能性もある）
- NoData [Ｂ] は，JAMSTECでの収録データでタイムスタンプ異常データ
になっている．（1分の位に<0x84>が入る．
10分の位はspaceになることが多い．）
- NoData は，JAMSTECでの収録データもFormatエラーを
検出している．（計4回の内，1回はspaceが改行に文字化け，
3回は packetの終りの方で同期喪失）
- それ以外の NoData は，概ね原因がわかっている．
- Fluxgate Abnormal Range 1／3 は，データは受信しているものの，
Fluxgate磁力計のレンジデータが 1成分だけ／3成分とも 000 になっている．
（JAMSTECでの収録データから，受信データにNULLコードが入ったためと判明）
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| （以上） |
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【 付記 】
本報告は，2000年3月末の時点でのとりまとめを行ったものであるが，
その後，2000年5月には「かいれい／かいこう」を利用した
Venus観測システムの状況調査と各観測機器の海水との絶縁確保状況テストが
実施された．本報告の記述に関連して，
その調査等で明らかになった点について補足の記述を加えておく．
本文の4.節において，「データ伝送信号のカレントループが
データ伝送中継器から漏れ出したとすると，電場計測の本装置の側では
電極が海水に浸っており電流の戻り口になりうると考えられる」と記した．
しかし，地磁気電場観測装置の詳細回路を検討したところ，
電極は装置とデータ伝送中継器とをつなぐ電源線・データ伝送信号線の
いずれとも絶縁が確保できる設計になっており，耐圧容器破損などの故障が
ない限り『電流の戻り口』にはならないことが明らかになった．
実際に5月の「かいれい／かいこう」での海中テスターを用いた試験で，
何ら絶縁性に問題のないことが確認できている．
従って，4.節で「ステップ変化の場として検出されるためには
実効的に交流分を検波するような状況が必要であり，実態はつまびらかではない」
と記したように，第5図に典型的に示されている電場変化は，
毎分値やそれより長い周期の変動を議論する上で何ら問題はないが，
（ケーブルのレイアウトを含めた）観測装置側の特性を示すものであり，
予期しない性能上の問題点が現れたものと考えざるを得ない．
現時点では，その原因の推定はできておらず，今後の課題と考えている．
しかし，第3図の上下で象徴的に示された短周期ノイズの増大などを
電場センサーが捉えたことの信憑性が揺らぐものではなく，6.節で述べたように，
「海底地磁気電場観測装置の測定記録は，
不幸にして生じたデータ伝送中継器／分岐装置の不具合の原因解明にとっても
重要な情報源の一つと考えられる」ことに変わりはない．
(以上)
