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1959年の春、著名なウォルター・H・ムンク教授邸での朝食会に集まった地球物理学者達から発せられた「マントルを掘りたい!」という言葉から、「深海掘削」という科学分野がスタートしました。しかし、技術的な問題から、その夢を実現することは難しかったのです。

これまでいくつもの国際科学計画(大きなものでは、国際宇宙ステーション計画)がありましたが、常に米国が主導してきました。そこで、豊かな海洋に取り囲まれている日本が、海洋国家として、さらなる技術立国の発展のために、人類未踏のマントルまで掘削が可能な地球深部探査船「ちきゅう」の建造に着手しました。「ちきゅう」を日本が運用することによって、地球科学の分野で主導的な役割を果たし、人類の未来に貢献しようと強く考えています。

2001年4月25日に岡山県玉野市(三井造船所玉野事業所)で起工し、2005年7月29日に長崎県長崎市(三菱重工長崎造船所香焼工場)で完成、JAMSTECに引渡されました。

200人乗船することができます。おおよそ100人が乗船員で、50人が科学者や科学技術者です。残り50人は掘削作業の支援をしてくれるサブコントラクター(下請け業者)などが乗船しています。

また、万一避難が必要となった際に全員が退船できるように、75人乗りのライフボートが2艇、50人乗りが1艇、船体の左右両側に3艇ずつ設置され、片側だけで乗船者全員が乗り込める救命艇が備わっています。これは、万一「ちきゅう」が横に傾いて片側しか使えなくなった場合に備えています。

「ちきゅう」はある程度の風や波などに耐えて作業ができるように設計されています。しかし、その限度をこえて作業をすることはできません。

「ちきゅう」の船体の安全確保はもちろん、作業している人たちの安全を最優先にしなくてはなりません。従って、常に気象海象予報に注意し、作業条件をこえるような台風や嵐が来ると予想される場合は、掘削している孔井に対する安全措置を講じ、その上で、最終的には噴出防止装置(BOP : Blow Out Preventer)で孔井を密閉します。その後、ライザーパイプをBOPの上部であるLMRP(Lower Marine Riser Package)から切離し、船上に回収した後、安全な海域に避難します。

深海掘削を行うためには、大きく分けて3種類のパイプが必要です。

1つ目は、「ちきゅう」船体と海底面をつなぐライザーパイプ、これは海底面下を深く掘るために必要なライザーシステムの要になるパイプです。※(注記)写真(1)
2つ目は、先端にビット(掘削するための刃)を付けて実際に地層を掘削するためのドリルパイプです。※(注記)写真(2)
3つ目は、掘削した穴が崩れないように保護するために入れるケーシングパイプです。※(注記)写真(3)
詳しい作業手順を説明している動画がありますので、こちらからご覧ください。

「ちきゅう」は、常時2,500 m分のライザーパイプ(一本平均27 mのため、約90本)を搭載しており、水深2,500 mまでの海底でライザーシステムを運用することができます。

また、ドリルパイプは、常時10,000 m分(一本約9.5 mのため、約1,000本)搭載しています。つまり水深2,500 mの海底からその先7,000 m以上、地中を掘削できます。

最後にケーシングパイプですが、これは海底面下7,000 mを掘削し、その穴が崩れないように維持するのに必要な量を「ちきゅう」は、搭載することが可能です。

まとめると、「ちきゅう」は水深2,500 mから地下7,000 mの掘削をするのに必要な全てのパイプを搭載することができます。

「ちきゅう」は掘削、特にライザー掘削を行うときは最低3〜4月、長いと半年もの間、同じ場所に留まる必要があります。そのため、人員の交替並びに燃料や食料の補給は、動けない「ちきゅう」に別途運び込む必要があります。

人員の交替について、「ちきゅう」の船員と掘削オペレーターは4週間ごとに交代します。ただし、一度に全員が替わってしまうと引継ぎができないことから、2週間ずつずらして交代します。また、洋上で船から船に乗り移ることは危険なので、人員の交替にはヘリコプターを使います。

物資の補給について、燃料・食料等は大型の作業船を物資を輸送するサプライボートとして使っています。なお、帰りは掘削で得られたカッティングスと呼ばれる掘進に伴って生じる岩石の破片を持ち帰ります。「ちきゅう」は常に自動船位保持装置(DPS:Dynamic Positioning System)で定点保持をしていることから、このサプライボートが「ちきゅう」船体に寄せられると計算が狂ってしまいます。そこで、サプライボートにもDPSが装備されていることが条件となります。「ちきゅう」とサプライボートが同時にDPSで位置保持を行い、その間に「ちきゅう」のクレーンで荷物の積み込み、カッティングスの荷揚げを行うのです。

海洋科学掘削での最深深度は、NanTroSEIZE Exp.348 C0002における海底下3,058.5 m(水深1,939 m)です。

これまでに「ちきゅう」が掘削した場所で例を挙げますと、南海トラフ掘削の場所は、1944年東南海地震の破壊域にあり、かつ掘削によって到達可能な深度にプレート境界断層及び巨大分岐断層があるということで、選定されています。

東北沖緊急掘削の場所も、同様に巨大地震を引き起こしたプレート境界断層に到達可能な場所で、岩石サンプルを直接採取し、断層面の摩擦熱の長期変化を地震発生後早期に直接計測することを目指して選定されました。

下北八戸沖石炭層生命掘削では、海底下深くに埋没した石炭層に関連する炭化水素循環システム等を明らかにすることを目指しました。

地震は断層運動として捉えられていますが、その断層運動のエネルギーは断層面で接した所での歪(ひずみ)の蓄積と考えられています。その歪は断層面の摩擦強度に依存していて、特に地震の時にのみ動く場所を「アスペリティー」と呼んでいます(Asperity:アスペリティーを直訳すると「でっぱり」というような意味となります)。このアスペリティーでの摩擦強度が弱まる現象が起こったときに地震が発生します。

結論としては、掘削によって巨大地震が引きこされることはありません。掘削が仮にアスペリティーを掘削したとして、アスペリティー全体の破壊を進行させるような影響、特にアスペリティー内の圧力を上昇させ、破壊を引き起こす事(摩擦強度が小さくなる)とは、掘削は逆のセンス(圧力は下がる)です。何よりもスケールとしてはアスペリティーが数十キロオーダーあると考えられているのに対して、掘削孔は直径20センチメートル程度ですので、針でつつくよりも小さい穴をあける事と同じです。全く無視できると考えてよいかと思います。それでも「ちきゅう」は掘削前に様々な探査技術を使って、地下の状況を特定し、その上で掘削計画を立案し、様々な専門家の評価を受けて掘削を行っています。

マントルは固い岩石で、液体のマグマではありません。地下600 km位の深さまでのマントルは、かんらん石のたくさん集まったかんらん岩と考えられています。このかんらん石はペリドットと呼ばれる宝石として有名です。また地下600 km程度よりも深い部分では、かんらん岩と同じ化学組成を持つ高圧で安定な岩石であると考えられます。マントルは長い年月を掛けて変形しながらゆっくり流れていて、地球内部を対流していると考えられています。大西洋中央海嶺の下では、このかんらん岩がより地下深くから対流によって上昇しています。

かんらん岩は、温度が上がるか、圧力が下がるか、またはこの両方の作用によって少しずつとけてマグマを作ります。液体であるマグマは、固体のかんらん岩よりも浮力が大きいので、かんらん岩の対流よりも早く地表(海底)に到達し、そこで冷やされて海洋地殻を作る岩石(玄武岩)になる、と考えられています。

地球内部の構造は大まかにわかっていますが、直接マントルまで行ってその物質を手にした人はいません。また同じマントルかんらん岩でも、温度や圧力の違いによって、また地球形成初期からの長い年月をかけて、化学組成が変化していると考えられます。さらに詳しく地球内部を知るためには、実際に海底を掘削し、今現在上部マントルを構成している岩石を採取して、研究する必要があるのです。

ご質問の通り、「温度が一定」のまま「急激に圧力が下がる」と、物質は断熱膨張して融解すると考えられます。これを減圧融解と言います。

しかしマントルを掘削する場合、掘削泥水で冷やしながら、徐々に掘っていくので、"温度一定"で"急に"圧力だけが下がるというわけではありません。つまり、減圧融解を引き起こす要因を満たしません。

よって、このような減圧によるマントルの融解は起こらないと考えられます。

1つの航海は、2ヶ月ほど続くこともあり、広い船内といえども、閉鎖空間のため、ストレスが溜まることもあります。そのため、積極的に色々なことでストレス発散を試みます。

食事は6時間ごとに食堂が開きますので、一日4回食べるチャンスがあります。そんなに食べてばかりだと大変なことになってしまうので、ジムで走ったり、自転車をこいだり、卓球の国際対抗試合やサウナやジャグジーで汗を流すようにしています。研究統括(学級委員のような役割のスタッフ)が、季節のイベントを計画したり(クリスマス、イースター、ハロウィーン、航海の中間日のハンプディパーティなど)、お習字大会やお茶会を開いたり、規則正しい生活の中に楽しみも入れ、変化に富んだ生活になるように工夫しています。