氷による海底のえぐれ

氷による海底の抉り取りは、浮氷（典型的には氷山や海氷嶺）が浅瀬に漂い、その竜骨が海底に接触することで起こるプロセスである。^{[1] [2] [3]漂流し続けると、}抉り取りまたは洗掘と呼ばれる細長い溝ができる。^{[4] [5] [6]}この現象は、氷が存在することが知られている沖合環境では一般的である。川や湖でも発生するが、^{[7] [8]}海洋や海域でよりよく記録されているようである。^{[2] [4] [5]}

このメカニズムによって生じる海底の洗掘を、シュトゥルーデル洗掘と混同してはならない。これは、春の流水が特定の海氷域の表面に流れ込み、最終的に亀裂やアザラシの呼吸孔などから排出されることで生じる。その結果生じる乱流は、海底に窪みを刻むほど強力である。氷による海底の洗掘は、別の洗掘メカニズム、つまり水流による構造物周囲の堆積物の浸食とも区別する必要がある。これは海洋工学や河川水理学でよく知られている問題である^{[9] –}橋の洗掘を参照。

チャールズ・ダーウィンは1855年に、氷山が等深線を横切って漂う際に海底をえぐり取る可能性があると推測していたようです。^[10]海氷の関与についての議論は1920年代に行われましたが、全体としてこの現象は1970年代まで科学界で十分に研究されていませんでした。^[11]その当時、カナダのボーフォート海で船舶搭載のサイドスキャンソナー調査により、このメカニズムの実際の証拠が収集され始めました。その後、海底のえぐり取りは、さらに北のカナダ北極諸島やロシア北極圏でも観測されました。^[4]その10年間を通じて、氷による海底のえぐり取りは広範囲に調査されました。

この現象への関心が急に高まったのは、アラスカ北部の海岸線近くで石油が発見されたことと、それに関連する2つの要因があった。^[10] 1) この海域に油田が豊富にある可能性、2)将来の生産開発には海底パイプラインが関係すると考えられたこと。この資源を海岸まで運ぶにはこれが最も実用的な方法であるように思われたからだ。それ以来、これらの構造物を氷の作用から守る手段が重要な懸念事項となった。^{[12] [13] [14] [15]}この環境で石油流出が起きると、検出と清掃の面で問題が生じる。^[16]

海洋工学以外の研究分野の科学者も海底のガウジングに取り組んできた。例えば、生物学者は氷による海底のガウジングによって形が変わった海底の領域を、小さな海洋生物にとって死の罠となる無酸素の高塩分水で満たされた海底の窪みであるブラックプールの形成と関連付けている。 ^[17]しかし、その多くは石油探査を目的とした海洋工学の観点から記録されているようだ。^[18]

氷による海底の削り込みは、極めて目立たない現象です。水面上からはその痕跡をほとんど観察できません。まれに、海底の堆積物が氷に取り込まれているという証拠があります。^[10]これらの削り込みに関する興味深い情報には、深さ、幅、長さ、方向があります。^[19]削り込み頻度（単位時間あたりに特定の場所で生成される削り込みの数）も重要なパラメーターです。この種の情報は、船上機器（通常は深度計、サイドスキャンやマルチビームソナーシステムなどのエコー測深装置）を使用した海底マッピングによって収集されています。^[20]反復マッピングでは、削り込み頻度を推定する手段として、数年から数年の間隔でこれらの調査を何度も繰り返します。^{[21] [22]}

流氷によってできた海底の溝は、長さが数キロメートルに及ぶことがあります。カナダ北部とアラスカでは、溝の深さは5メートル（16フィート）に達することがあります。^[23]しかし、ほとんどは1メートル（3フィート）を超えません。2メートルより深いものは、海洋工学コミュニティでは極端な事象と呼ばれています。溝の幅は数メートルから数百メートルに及びます。^{[24] [25]}溝が報告されている最大水深は、北極海のスヴァールバル諸島北西部で450〜850メートル（1,480〜2,790フィート）に及びます。 ^[26]これらは、海面が現在よりも低かった数千年前の更新世に氷山が残した痕跡であると考えられています。カナダ北部のボーフォート海では、長さ50km（30マイル）のガウジの存在が示されており、最大深度は8.5メートル（28フィート）、水深は40〜50メートル（130〜160フィート）の範囲です。^[21]ガウジは常にまっすぐではなく、方向が異なります。この出来事は約2000年前に起こったと考えられています。最近、南極の大きな氷山が座礁、ガウジング、断片化する現象が観測されており、強力な水中音響信号と地震信号が生成され、プロセスのダイナミクスがさらに明らかになっています。^[27]

沖合環境では、ガウジング地形は氷河氷と海氷の 2 種類の氷で構成されています。

物理的にも機械的にも、氷河氷は湖氷、河川氷、つららに類似している。^{[28] [29]}その理由は、これらはすべて淡水（塩分を含まない水）から形成されるからである。氷床、氷冠、氷河は基本的に氷河氷で構成されている。氷河氷は横向きや斜面下向きに広がるため（重力の影響で）、^[30]一部の地域では海岸線に達する。これが起こる場所では、地形に応じて氷が砕けて海に落ち、漂流することがある。このメカニズムは氷の分離と呼ばれる。あるいは、氷床は沖合に広がって棚氷と呼ばれる広大な浮氷プラットフォームになり、最終的には棚氷になることもある。これらの分離プロセスによって生じる地形は氷山と呼ばれ、大きさは数メートルから数キロメートルに及ぶ。非常に大きな氷島は氷島と呼ばれ、^[31]通常、平板状になっている。これらが極端な削り取り現象の原因となることがある。

海氷は海水が凍ってできるものである。多孔質で、氷河の氷よりも機械的に弱い。海氷のダイナミクスは非常に複雑である。^{[32] [33]}風と海流に押されて、海氷は最終的に圧力リッジ、つまり氷の破片や瓦礫が積み重なって、長くて線状の地形を形成することがある。これらは海底のガウジの非常に一般的な発生源である。圧力リッジは漂流する流氷の広がりの中に閉じ込められていることが多く、そのため海氷リッジの竜骨によるガウジング活動は流氷の動きと密接に関係している。スタムキも砕けた海氷の積み重なりであるが、着地しているため比較的静止している。スタムキは定着氷と漂流する流氷の相互作用によって生じる。スタムキは海底をかなりの深さまで貫くことがあり、これもまた海岸接近路の海底パイプラインに危険をもたらす。

氷河氷と圧力リッジの性質の違いにより、これら2種類の氷によるガウジング現象も異なります。どちらの場合も、氷と土壌の境界面は、攻撃角と呼ばれる一定の平衡角度を維持すると予想され、その間、ガウジングプロセスは定常状態に達します。氷山は回転によってこの角度に適応する可能性があります。海氷リッジは、竜骨と海底の境界面の瓦礫の再配置または竜骨の破損によってこの角度に適応する可能性があります。^[34]

ガウジング過程に対する海底の反応は、氷と海底の両方の特性に依存する。前者が後者よりも強く、氷の駆動力が十分であると仮定すると、海底にガウジが形成される。海底内の3つのゾーンは、土壌の反応に基づいて区別される。^{[35] [36] [37] [38]} ゾーン1はガウジの深さで、土壌は氷の特徴によって移動し、氷と海底の境界より前の側縁と前面のマウンドに再移動している。ゾーン2は、土壌がいくらか移動する領域である。ゾーン3では、移動はほとんどまたはまったく発生せず、弾性的な性質の応力が上部のゾーンから伝達される。

USGSによると、北極圏の北の地域には、未発見の石油とガスがそれぞれ最大13%と30%存在する可能性がある。^{[41]この資源はおそらく水深500メートル（1,600フィート）以下の}大陸棚にあり、その地域の約3分の1を占める。また、2007年までに400以上の油田とガス田が確認されており、そのほとんどはロシア北部とアラスカ北斜面にある。

アクセスが課題である。^[42]沖合生産計画は、必然的に年間を通じて、またプロジェクトの全寿命にわたって安全で経済的な操業を目指す。沖合生産開発は、海面の危険（風、波、氷）から離れた海底自体に設備を設置することが多い。浅瀬では、生産プラットフォームが海底に直接設置されることもある。いずれにしても、これらの設備にこの資源を海岸線まで運ぶための海底パイプラインが含まれている場合、その長さのかなりの部分が掘削事故にさらされる可能性がある。^[43]

このテーマに関する最近のレビューによると、^{[1] [2] [3] [44]}パイプラインを地中に埋めることでガウジング活動に対する適切な保護が達成できる可能性がある。パイプラインをゾーン 3 に配置するのが最も安全な選択肢だが、このオプションのコストは法外に高いとみなされている。代わりに、現在の設計理念では、パイプをゾーン 2 内に配置することを想定しており、これはまだガウジングの深さより下にあるが、その上でのガウジング イベントの結果として土壌が動くことが予想される場所である。これは、パイプラインが一定量の曲がり、その結果としてパイプライン壁が変形、つまりひずみを被る必要があることを意味する。現在稼働中の North Star 生産サイトでは、「氷床荷重に耐えるためのパイプラインの最小覆い深さ (元の乱されていない海底からパイプの上部まで) は、パイプの曲がりに関する限界状態設計手順に基づいて計算されました」。^[45]この特定の場所では、「最大氷床溝深さ（3.5フィート）の下の予測された海底土壌変位は、最大1.4％のパイプ曲げひずみに対して7フィートの最小カバー深さをもたらしました。」^[45]

この設計哲学は、少なくとも3つの不確実性の原因に対処する必要があります。^[2]

• 予想される最大ガウジング深さ：過去のガウジング状況（特にガウジング深さの分布とガウジング頻度）に基づいて、パイプラインの設置予定地点での全運用寿命（例えば20～40年）中に予想される最大ガウジング深さを推定するには、確率分析に頼らなければなりません。この種の分析は土木工学では珍しいことではなく、このテーマに関する教科書も書かれています。^[46]しかし、気候変動が将来のガウジング状況にどのように影響するかは不確実であるため、変化する気候パターン^{[47] [48]}は不確実性のさらなる原因となります。
• サブガウジ変形: 氷による海底のガウジングは、いくつかのパラメータ (キールの寸法と特性、土壌の反応など) に依存する、比較的複雑な現象です。最大ガウジ深さを突き止めることができたとしても、その下の土壌変位量を評価することは困難です。このパラメータは、パイプラインの安全な埋設深度を決定する際に考慮されるパラメータです。
• パイプラインの歪み: 不確実性のもう 1 つの原因は、溝の下の特定の深さでパイプラインに発生する可能性のある歪みの量です。

北極海での石油・ガス開発は、適切な緊急時対応計画を通じて環境問題に対処しなければならない。北極の一部は年間を通じて氷に覆われている。冬の間は暗闇が続く。石油流出が発生した場合、数か月間は気付かれない可能性がある。^{[49] [50]}この流出が見つかったとしても、氷に覆われて清掃手順が妨げられる可能性が高い。さらに、これらは遠隔地であるため、物流の問題も関係してくるだろう。北極の生態系は敏感であり、石油流出の影響を軽減するにはタイムリーな対応が必要である。

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