コアサンプル
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コアサンプルとは、（通常は）自然に存在する物質の円筒形の切片です。ほとんどのコアサンプルは、コアドリルと呼ばれる中空の鋼管を備えた特殊なドリルで堆積物や岩石などの物質を掘削することによって採取されます。コアサンプルを採取するために開けられた穴は「コアホール」と呼ばれます。様々な条件下における様々な媒体からサンプルを採取するために、様々なコアサンプラーが存在し、技術開発が進められています。コア採取のプロセスでは、サンプルはほぼ無傷のままチューブに押し込まれます。実験室でチューブから取り出されたサンプルは、必要なデータの種類に応じて、様々な技術と機器を用いて検査・分析されます。
コアサンプルは、コンクリート、セラミック、一部の金属や合金、特に軟質材料などの人工材料の特性を調べるために採取されます。また、人間を含む生物、特に骨からコアサンプルを採取し、顕微鏡検査を行うことで病気の診断に役立てることもできます。
方法
対象物質の組成は、ほぼ液体から自然界や科学技術で見られる最も強力な物質まで様々であり、対象物質の位置も実験台上や地表から10km以上離れたボーリングホール内など、多岐にわたります。この作業に用いられる機器や技術の範囲もそれに応じて多岐にわたります。コアサンプルは、ほとんどの場合、長軸をボーリングホールの軸とほぼ平行に、あるいは重力駆動ツールの場合は重力場と平行に向けるように採取されます。しかし、既存のボーリングホールの壁からコアサンプルを採取することも可能です。張り出した岩石面であろうと、別の惑星であろうと、露出部からのサンプル採取はほぼ容易です。（火星探査ローバーは、後述する「回転式側壁コア」ツールと論理的に同等の 岩石研磨ツールを搭載しています。）
一般的な手法としては次のようなものがあります:
- 重力コアリングでは、コアサンプラーを試料（通常は水底）に沈めますが、基本的に同じ手法を陸上の軟質材料にも適用できます。貫入力を記録すれば、材料の異なる深度における強度に関する情報が得られます。これは、試料採取が付随的な利点となるため、必要な情報だけで済む場合もあります。この手法は、土木工事現場調査（この手法は杭打ち工事に類似）と最近の水系堆積物の地質学的研究の両方で広く用いられています。貫入する材料の強度が低いため、コアは比較的小型でなければなりません。
- 振動法では、サンプラーを振動させることでチキソトロピー性媒体への浸透を可能にします。この場合も、対象物質の物理的強度によって、採取できるコアのサイズが制限されます。
- ダイヤモンド掘削では、円筒状のコアサンプル保管装置に支えられた回転する環状ツールを対象物質に押し付け、対象物質の円筒形を切り出します。通常、円筒形サンプルをコアリングツール内に保持するための機構が必要です。状況、特に対象物質の粘稠度と組成に応じて、地表に向かう途中でサンプルを支持・保護するために、コアツール内に異なる配置が必要になる場合があります。また、コアリングプロセスによる変化を抑えるために、掘削流体とコアサンプルの接触を制御または低減する必要もあります。ツールによってコアサンプルに加えられる機械的な力は、コアの破損や、あまり適さない間隔の損失につながることが多く、コアの解釈を非常に複雑にする可能性があります。コアは通常、直径数ミリメートル（木材、年輪年代学用）から直径150ミリメートル以上（石油探査で日常的に）まで切り出されます。サンプルの長さは、1 回の実行で 1 メートル未満 (これも木材の場合、年輪年代学用) から最大約 200 メートルまでの範囲になりますが、27 ～ 54 メートル (石油探査用) がより一般的です。また、現場での「クイック ルック」分析によって、関心領域が継続していることが示唆された場合は、連続して多数回の実行を行うことができます。
- パーカッション・サイドウォール・コアリングでは、頑丈な円筒形の「弾丸」を爆発的に掘削孔の壁面に打ち込み、（比較的）小型で短いコアサンプルを採取します。これらの弾丸は粉砕されやすく、空隙率／透水性の測定は不正確になりますが、岩石学および微古生物学研究には十分な量です。このツールは、通常20～30個の「弾丸」と推進剤をツールの全長にわたって搭載しており、1回の操作で多くのサンプルを採取できます。複数のツールを組み合わせて1回の操作で採取することも可能です。特定の弾丸を発射し、掘削孔の壁を貫通させ、保持システムによって弾丸を掘削孔の壁から回収し、サンプルを弾丸内に保持する成功率はいずれも比較的低いため、採取したサンプルの半分しか成功しないことも珍しくありません。これは、サンプル採取プログラムを計画する上で重要な考慮事項です。
- 回転式側壁コアリングでは、小型の自動回転掘削ツールを掘削孔の側面に当て、パーカッション側壁コア（上記参照）と同程度のサイズのサンプルを採取します。パーカッション側壁コアはパーカッション側壁コアよりも変形が少ない傾向があります。しかし、コア採取に時間がかかり、ドリルビットからサンプルを回収してツール本体内に保管する補助機器の詰まりが発生しやすいという欠点があります。
- 手作業によるコアリングは、ロシアンピートコアラー、手持ち式ピストンコアラー、あるいは中空管など、様々な器具を用いて行うことができます。手作業によるコアリングの利点は、低コストで迅速な作業が可能なことですが、手持ち式コアラーでは、粘土質土壌では数10センチメートル、軟質湖沼堆積物では数メートルといった限られた深さまでしか到達できません。[ 1 ]
コアとデータの管理
しばしば見過ごされがちですが、コアサンプルは、コアの切断、取り扱い、そして研究の過程で、必ずある程度劣化します。非破壊検査技術はますます普及しており、例えば、MRIスキャンを用いて粒子、間隙水、間隙空間（多孔度）、そしてそれらの相互作用（透水性の一部を構成）を解析する方法があります。しかし、このような高価な検査は、バネのないトラックに乗せられ、300kmの未舗装道路を揺さぶられたコアには無駄になる可能性があります。回収装置から最終的な研究室（またはアーカイブ）までの間、コアに何が起こるかは、記録保管とコア管理においてしばしば見過ごされる部分です。
コア採取は重要なデータ源として認識されるようになり、輸送や分析の様々な段階でコアの損傷を防ぐための注意と配慮がますます高まっています。通常は、安価に入手できる液体窒素を用いてコアを完全に凍結します。場合によっては、コアを保護し、損傷を防ぐため、特殊なポリマーが使用されることもあります。
同様に、コアサンプルが採取される前の状況（コアサンプルとなる前の場所）と関連付けられない場合、その利点は大きく失われます。ボーリングホールの特定、そしてボーリングホール内でのコアの位置と方向（「上」）は、たとえボーリングホールが樹幹の中にあったとしても非常に重要です。年輪年代学者は、樹木の最新の成長時期を明確に特定できるよう、常に樹皮の表面もサンプルに含めるように努めます。
これらのデータがコアサンプルから分離した場合、通常、そのデータを回復することは不可能です。コア採取作業のコストは、数通貨単位（軟質土層から手作業で採取したコアの場合）から数千万通貨単位（遠隔地の沖合ボーリング孔から数キロメートルの深さで採取した側壁コアの場合）まで、多岐にわたります。こうした基本データの記録が不十分なため、どちらのタイプのコアもその有用性が損なわれています。
分野によってデータの記録方法は異なるため、ユーザーはそれぞれの地域の慣習を理解しておく必要があります。例えば石油業界では、コアの方向は通常、コアを回収して地表でマーキングする際に、赤い線を右側にして、2本の縦方向の線でコアに印を付けることで記録されます。鉱物採掘用に切り出されたコアには、独自の異なる慣習が適用される場合があります。土木工学や土壌調査では、材料が恒久的なマーキングに適さないことが多いため、独自の慣習が適用される場合があります。
コアサンプルを、コアカッティング装置の一部である円筒形の容器に保管し、実験室でさらに処理・分析を行う前に、現場でこれらの「インナーバレル」に記録マークを付けるという手法がますます一般的になりつつあります。コアは、地中から採取した長さそのままの状態で現場から実験室に輸送される場合もあれば、輸送用に標準的な長さ（5メートル、1メートル、または3フィート）に切断され、実験室で再組み立てされる場合もあります。一部の「インナーバレル」システムは、コアサンプルを逆さまに装着できるため、実験室でコアを再組み立てする際に、サンプルが「逆さま」になってしまうことがあります。これにより、解釈が複雑になる場合があります。
ボーリング孔で壁岩の岩石物理学的測定が行われ、これらの測定がコアの全長にわたって繰り返され、2つのデータセットが相関関係にある場合、特定のコア片の「記録深度」は2つの測定方法間でほぼ例外なく異なることがわかります。どちらの測定値を信頼するかは、（産業現場では）クライアントの方針、（最優先の権限のない状況では）大きな議論の的となります。何らかの理由で食い違いがあったことを記録しておけば、後日誤った判断を訂正する可能性が残ります。「誤った」深度データを破棄すれば、後日誤りを訂正することは不可能になります。データとコアサンプルを保存・アーカイブするためのシステムは、このような反対意見を保持できるように設計する必要があります。
キャンペーンから採取されたコアサンプルが良好な状態であれば、処理工程のかなり早い段階で「スラブ化」、つまりサンプルを縦方向に2つ以上のサンプルに分割することが一般的です。これにより、処理中のエラーを防ぐため、1セットのサンプルを分析工程の早い段階でアーカイブすることができます。コアを2/3と1/3の2セットに「スラブ化」することは一般的です。また、1セットを主要顧客が保管し、もう1セットを政府に渡すことも一般的です（政府は、探査/採掘ライセンスの条件として、このような寄付を条件としています）。「スラブ化」には、断面透水性の検査および試験のために平坦で滑らかな表面を準備できるという利点もあります。これは、コア採取装置から取り出したばかりのコアサンプルの、通常は粗く曲面である表面よりもはるかに作業が容易です。生のコア表面と「スラブ化」されたコア表面の写真撮影は日常的に行われ、多くの場合、自然光と紫外線の両方の下で行われます。
海底コアに関する文献で時折使用される長さの単位はcmbsfであり、これは海底下センチメートルの略語です。
コアリングの歴史
コアリング技術は、深海掘削計画による地球マントルへの掘削の試みよりもはるか昔から存在していました。広範囲の海底からコアを採取することの、海洋史をはじめとする地質学史への価値は、すぐに明らかになりました。多くの科学研究機関や探査機関によるコア採取は急速に拡大しました。現在までに、地球上のすべての海底と多くの内水域から、数十万点ものコアサンプルが採取されています。
これらのサンプルの多くへのアクセスは、海洋および湖沼の地質学的サンプル索引によって容易になります。
コアサンプルの情報価値
コアリングは、鉱床や石油探査の周辺環境をサンプリングする方法として始まりました。すぐに海洋、湖、氷、泥、土壌、そして木材へと広がりました。非常に古い樹木のコアは、樹木を破壊することなく年輪に関する情報を提供します。
コアは、地質史における気候、生物種、堆積物組成の変動を示しています。地球表面の力学的な現象は、主に気温と降雨量において、様々な意味で周期的です。
コアの年代測定には様々な方法があります。年代測定が完了すれば、気候や地形の変化に関する貴重な情報が得られます。例えば、海底、土壌、氷床のコアは、更新世の地質史に対する見方を根本から変えました。
代替案
逆循環掘削法は、中空の掘削ロッドを通して岩石の切削片を連続的に採取し、分析のためにサンプルを採取する方法です。この方法はコア掘削法よりも高速で水の使用量も少ないですが、比較的撹乱されていない物質のコアを採取できないため、分析から得られる岩石構造に関する情報は少なくなります。切削片の採取に圧縮空気を使用すると、サンプルは汚染されず、ほぼ即座に採取でき、環境への影響も少なくなります。[ 2 ] [ 3 ]
参照
参考文献
- ^バンサル, シール; クリード, イレーナ F.; タンゲン, ブライアン A.; ブリッジハム, スコット D.; デサイ, アンカー R.; クラウス, ケン W.; ノイバウアー, スコット C.; ノエ, グレゴリー B.; ローゼンベリー, ドナルド O.; トレティン, カール; ウィックランド, キンバリー P.; アレン, スコット T.; アリアス＝オルティス, アリアン; アーミテージ, アンナ R.; バルドッキ, デニス (2023年11月28日). 「湿地の炭素プールとフラックスの測定に関する実用ガイド」 .湿地. 43 (8): 105.書誌番号: 2023Wetl...43..105B . doi : 10.1007/s13157-023-01722-2 . ISSN 1943-6246 . PMC 10684704 . PMID 38037553 .
- ^ 「リバースサーキュレーション掘削とは？」 www.rangerdrilling.com.au 2022年8月9日2023年1月15日閲覧。
- ^ 「逆循環掘削入門」 castledrill.com 2016年3月14日. 2023年1月15日閲覧。
外部リンク
- コアリングの定義 2015年7月18日アーカイブWayback Machine
- ウォールデン池のコア 2019年4月18日アーカイブ- Wayback Machine
- 氷床コア年代測定
- ジョン・ブラナー・ニューサムの掘削機
