JP2000513809A

JP2000513809A - 衛星同期化３ｄ地球磁場システム

Info

Publication number: JP2000513809A
Application number: JP09538420A
Authority: JP
Inventors: フォックス，アンソニー・チャールズ・レオニド
Original assignee: フォックス，アンソニー・チャールズ・レオニド
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 2000-10-17
Also published as: AU2563797A; US6191587B1; WO1997041457A1; AR006889A1

Abstract

(57)【要約】地球物理学調査のためのデータ収集の方法。この方法は、磁界変動を検出し、かつ記録する少なくとも１つの磁気センサ装置（１４）を備えるステップと、前記磁界変動によって誘起された電流を検出し、記録する複数の電気センサ装置（１２）を備えるステップと、衛星ベースタイミング信号を受信し、応答して同期化し、かつ前記複数の電気センサ装置（１２）および前記少なくとも１つの磁気センサ装置（１４）の各々に対する位置を固定するステップと、処理のためにダウンロードする前記位置、前記磁界変動および前記電流を同期記録するステップとを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】衛星同期化３Ｄ地球磁場システム技術分野本発明は、地球磁場の地球物理学データを得るために改良されたシステムに関するものである。特に、本発明は、地球物理学データのサンプリングを同期化する衛星信号を使用して地球磁場の地球物理学データを得ることに関し、また、このようなデータを解析するシステムに関するものである。背景技術地球磁場学地球磁場学（Magnetotellurics,ＭＴ）は、地球の表面下の抵抗性構造体の画像を得るために自然に生じる地球の磁界変動を利用する、１９５０年代の初期に発明された地球物理学技術である。この抵抗性構造体は、地質学術用語で解釈することが可能であり、地球の表面下の岩石の種類、厚さ、構造体等を示す画像に変換される。磁界の変動は、地球の電離層に流れる電流から生じる。これらの電流量の変化は、電波と同様であるが、非常に低い周波数の低周波電磁波を発生する。これらの波は、表面および電離層からの繰返し反射（“スキップ”）によって地球の周りに伝搬される。表面および電離層は共に、中間の抵抗性大気よりもはるかにずっと導電性である。大気は、２つの“ミラー”間にはさまれるので、電磁波用“ 導波管”あるいはコンジットの役目を果たす。これらの電磁波はその発生源から比較的離れているため、非常に小さい湾曲を有する。この状態は、石を水域の表面へ投げることによって生じる波にたとえることができる。入口点あるいは発生源の近くで、円形波面は強く曲げられる。しかし、距離が大きくなればなるほど、円形波面は小さい距離にわたってますます小さく曲がる。限界点、すなわち“遠電界”内まで達すると、波面は、短い距離にわたって直線で近似することができる。３次元で考察される場合、拡大する球状の波面は小さい領域にわたる平面表面によってうまく近似できる。ＭＴの１つの長所は、波面がほととんど常にその発生源から離れていて、また波面が“平面波”であり、あるいは同様に“遠電界内”にあるということである。実際的な言い方では、これは、重要な地理学的な領域にわたって到着する信号は、この領域のあらゆる位置で同じであることを意味する。さらに、毎日の経験からの類似性が役に立つ。すなわち、オーストラリアから地球の表面に到着する無線信号は、ほぼ同時に、２、３００平方キロメートルの領域にわたって殆どあらゆる所で同一強度で到着するように受けられる。固定された、一定の発生源からの無線信号と違って、特定の位置に到着するＭＴ信号はいかなる方向からも到着できる。したがって、ＭＴ信号は全方向性である。特定の方向からの信号は、表面下のターゲットに“十分に結合”されてもよいし、あるいは“不十分に結合”されてもよい。同じ状態は無線アンテナで生じる。アンテナは、特定の方向からの信号に対する最大感度位置に回転されねばならない。しかしながら、ＭＴにおいては、信号は全方向性であり、最も良く、最も一般的な結果に対しては、表面下のターゲットの配向は通常未知であるために、発生源-センサターゲット間の相対配向とは無関係である測定構成を使用する必要がある。所与の測定領域に到着する“平面電磁波”は、地球の表面に垂直に屈折される。したがって、電磁波は、下方に、表面に垂直に伝搬し、電磁波がそのように伝搬するときにエネルギーを失う。垂直方向のエネルギー損失率は指数関数的であり、同時に２つの事項、すなわち、波の周波数、および地球の電気固有抵抗によって決まる。周波数が高ければ高いほど、益々地球は導電性になり、益々減衰が急速になる。したがって、特定の周波数の信号は、導電率が低い地球にかなり深く貫通することができるかあるいは地球がかなり導電性であるならば貫通はかなり制限できる。ファラデーの法則によって、電磁波の変化する磁界は、地球に流れる電流を生じる（地上電流）。地球の磁界の一方の成分を表面で測定し、磁界に直角で地球の電界の成分を測定することによって、単一方向にだけではあるが地球固有抵抗を計算できる。地球の地殻の岩石の固有抵抗は、１〜１０，０００，０００以上の範囲にわたって変化する。例えば、殆どあるいは全然細穴空間を有していなくて、殆どあるいは全然組み込まれた流体を有しない花崗岩のような密集した結晶性の岩石は、およそ１００，０００オームメートル（ohm-m）の固有抵抗を有することができる。比較すると、古代の海洋の堆積物のように横たえられた岩石は、化学的にブラインに改良されたいくらかの古代の海水をその細穴空間にしばしば保存する。ブラインは塩を含み、塩気の水はかなり十分電気を伝導する。したがって、海の堆積岩は、通常２、３オームメートルの低い固有抵抗を有する。換言すると、地球の表面下の抵抗性構造物の地図製作は、代用物の表面下の地質学的地図製作の一つの種類である。炭化水素は、通常海の堆積岩の中で発見される。これらの岩石がより密集したより抵抗性岩石によって覆われている場合はいつも、ＭＴが全体の岩石構造によって分析できる表面下の抵抗性構造の画像を得るのに使用可能である。これは、石油およびガス探査においてＭＴが使用される基本的な考えである。地質学的層相の変化は、固有抵抗の変化と強く相関づけることができる。例えば、砂岩経路（より多くの抵抗性）は頁岩（より少ない抵抗性）に徐々に変化してもよい。その周囲よりも粗い堆積物を有する海岸沿いの砂洲は、地質学的時間中に（対応する固有抵抗差を有する）この多孔度／透過度差を保持できる。同様に、砂洲近くの堆積物は、波の活動によって砂洲から得られたより抵抗性のより高い比率の炭酸塩破片を含んでいるために、砂洲近くの堆積物は、砂洲から離れた堆積物よりも多く抵抗性である傾向がある。高密度のＭＴ測深のネットワーク（３−ＤＭＴ）は、特定の地質学的装置あるいはグループにかなり密接に対応する転化された深さの範囲内において横方向の表面下導電率の変動を測量するために使用されうる。いろいろな深さにおいてこのような横方向の固有抵抗変化（水平導電傾斜）の平面地図、あるいは任意で測定されたかあるいは引き出されたＭＴパラメータの一般に水平あるいは垂直の傾斜は、一種類の代用物の表面下の地質地図製作のために使用でき、表面下の石油堆積物およびガス堆積物、地熱堆積物、金属堆積物あるいは地下水堆積物を突き止める際に役立つことができる情報を供給する。層位のトラップは、一般に著しい抵抗性変化を示す多孔度／透過度境界に関連している。Dickey,P.H.およびHunt,J.M.著の“Geochemical and Hydrogeologic Methods of Prospecting for Stratigraphic Traps"pp.136-167 in AAPG Memoir No.16“STRATIGRAPHIC OILAND GASFIELDS--CLASSIFICATION,EXPLORATION METHO DS AND CASE HISTORIES”1972を参照されたい。大部分の海の堆積岩は、淡水の紅潮（flusing）の変異性のためにイオン濃度の強い変異性（およびしたがって固有抵抗の強い変異性）を示す結晶間のブラインを含んでいる。ブラインが塩気があればあるだけ、益々その固有抵抗が低くなる。高い塩濃度の区域は時々油田に相関付けられる。1987年、英国、ロンドンのアプライドサイエンス出版社で出版のG.D.Hobson編纂の“Development in Petro leum Geology-2”におけるCollins,A.G.“Oilfield Brines"pp.139ffとDickey,P .H.およびHunt,J.M.著の“Geochemical and Hydrogeologic Methods of Prospec ting for Stratigraphic Traps"pp.136-167 in AAPG Memoir No.16“Stratigrap hic Oil AND Gas Fields--Classification,Exploration Methods and Case Hist ories”1972を参照されたい。油田の上のしばしば報告されている“ハロー（halo）”効果は、種々に測定可能な固有抵抗も有する金属磁気鉱物の増加した濃度のせいにされる。厚い関連のブライン部分を有するある種の浅い重油田は、固有抵抗地図製作にも適するターゲットである。1983年3月6〜9日に米国コロラド州のデンバーで開催された探査地球物理学者の第36回年次総会に提出されたKlein,J.H著の“Spect ral Induced Polarization Survey--David Field,Alberta,Canada”を参照されたい。見かけ上、地質学上の時間を通してその後の堆積物に絶え間無い影響を及ぼす砂洲構造の特異な凝固および多分いくつか他の特性のために、分離された深い砂洲は関連地球電磁気異常を有することも報告された。Yungul,S.H.らの“Telluri c anomalies associated with isolated reefs in the MidlandBasin,Texas”GE OPHYSICS Vol.38,June 1973 pp545 ffを参照されたい。背斜の頂上は、通常張力破壊のために周囲の岩石よりも低い固有抵抗を有する。同様に、共に形式的な区域は圧縮のためにより高い固有抵抗を示すことができる。超過気圧にさらされた区域はテレーン（terrane）を急速に沈下する際に共通であり、超過気圧にさらされた区域は地質学的に重要な標識であり得る。超過気圧にさらされた区域は、より大きい多孔度によって通常加圧された区域よりも低い固有抵抗を有する。1976年に発行のElsevier出版のFertl,W.H著の“Abnormal Formation Pressures”を参照されたい。頁岩形成における分離された砂石レンズは、しばしば炭化水素で満たされ、超過気圧にさらされたより低い抵抗性区域に包まれる。1976年に発行のElsevier出版のFertl,W.H著の“Abnormal Formation Pressures”を参照されたい。有孔性の砂にもともと駐在しているブラインは周囲の頁岩に放出され、周囲の頁岩に発生した石油は、砂石の有孔性空間のブラインと置き換わる。一般に、特に海の堆積岩のより高い有孔度および／または透過度のいかなる区域も周囲の岩よりも低い固有抵抗を示す。結晶間の流体の固有抵抗が一定のままであるならば、有孔度および透過度が増加するにつれて固有抵抗は減少する。高い透過度の区域が電気を十分伝導するので、固有抵抗は特に透過度に敏感である。高い透過度は特に良好なリザーバ（reservoir）の重要な特性である。通常、海の堆積岩は、人工的爆発あるいは専用機械の制御された振動に起因する地震波あるいは音波によって十分に画像化することができる。音波は、表面下の密度境界から反射され、反射波によって引き起こされる垂直運動は、ジオフォンと呼ばれる小さい安価な装置によって表面で検出される。最新の地震システムは、一般的には数百のジオフォンあるいは実に数千のジオフォンの信号を同時に測定し、表面下の密集状態構造体の詳細な３次元画像を形成する。上記地震技術は、通常かなり高い垂直方向および横方向の解像度（２、３メートルあるいは数十メートル）の画像を発生する。この理由のために、地震技術は、比較的安価であるけれども、低い解像度画像を生じる重力および磁石のような他の地球物理学技術よりも石油探査に対しては有利とされる。重力および磁石よりも高い解像度であるが比較できる部分あるいは長さの適用範囲に対する地震技術よりも著しくより高いコストを有するＭＴ技術は、中間に属する。ある種の場合、地震画像は質が悪いこともある。地質学上の部分的に非常に密集した層を有する位置において、地震エネルギーは非常に強く反射されるので、殆どがこれらの層よりも下で見ることができない。このような密集した層は一般的には電気的に抵抗性である。ＭＴ技術は、抵抗性層を“透き通して見て”、地震を見ることができない、下にある導電性の海の堆積物の画像を得るために使用できる。ＭＴ画像は地震画像よりも低い解像度の画像であるけれども、地震画像が不十分である場合に、ＭＴ画像はなお役に立つ。これは、多国籍石油産業がその開始以来ＭＴを使用した主要点である。１９９５年のＭＴシステムは、一般的には１６の入力信号まで同時に測定する。西側諸国において、ＭＴクルーは４〜５人からなる。すなわち、労働費用がより少なくなる場合には、クルーのメンバーは通常より大きい。装置は、通常およそ３００ｋｇの重さがあり、システムに電力を供給するために使用される１２ｖの電池の電源を含む。ＭＴは、グリッドに類似した構造体あるいはネットワーク構造体の分離点で主に使用されている。各測定点で、３つの磁気センサは、磁界ｘ-ｙ-ｚの３つの直交成分を測定するために設置され、１００ｍの長さの周りの２つのワイヤは、ｘ-ｙ方向にきちんと並べられ、電界あるいは地上界を測定するために特別の非極性電極によってアースに接続されている。１６のチャネルシステムはｘ-ｙ方向の電界だけ測定する他の中心から離れた位置と同様に、１つ以上のこのような測定位置にケーブルによって接続できる。複数のチャネルの目的は多くのチャネルを同時に測定することによって生産性を増加させることにある。磁気センサは、浅い溝にこれを設置することによって不動にされる。すなわち、センサの運動は雑音信号を形成するので、電界ワイヤはできるだけ多く移動しないように抑制されている。この目的は、固定センサで電界および磁界の変化を測定することにある。センサは、信号をフィルタリングし、増幅する“センサ処理器”あるいは“信号調節器”と呼ばれる補助装置に接続されている。そして、増幅信号は、長いケーブルを介して“受信機”装置に送信される。この受信機は付加的フィルタおよび増幅器を含む。次に、この信号はディジタル化され、それからメモリに記憶される。データ収集は、一般的には８〜１６時間、騒がしい環境においては時にはより長く続行し、しばしば装置は、無人で一晩中操作する。全データ収集時間にわたって収集された入力チャネルの各々からのディジタルサンプルの系列は“時間系列”と称される。受信機は通常、データの実時間（real-time）処理が可能であるが、より詳細な処理のための中央コンピュータに時間的な一連のデータを転送することは普通のことである。これは特に非常に騒がしい環境において重要である。ＭＴ技術によって使用される磁気信号および電気信号はかなり小さい。センサの実に小さい運動から生じる雑音は計算にエラーを持ち込む可能性がある。さらにいっそう重要な最新の産業文明は、ＭＴによって使用される低い可聴下周波数を含む極端に広い範囲の周波数において大量の電磁信号を発生する。ある程度の距離離れた２つの別個の位置でＭＴ信号を同時に記録することによって、特別な方法で両方の位置からのデータを処理することによって雑音を減らすことができる。この技術は、“遠隔基準”と呼ばれる。各ステーションからのデータは、他方の基準として役立つ。ＭＴ信号は、通常測定点から約数千キロメートルで発生するので、数キロメートルの距離にわたって非常に類似している。人工の雑音あるいはセンサ雑音は通常非常に短い距離にわたって相関付けられる。したがって、磁界は２つの別個の位置で相関付けられるのに対して、雑音は相関付けられない。雑音の“相関の範囲”に応じて、２つの位置は、比較的大きい距離、多分１００ｋｍ分離される必要があることもある。この場合、２つの位置でデータ収集を同期化する問題は、各記録ステーションに非常に正確な水晶発振器あるいは“高精度クロック”を装備することによって解決される。連続プロファイリング（profiling）は、電界の多数の隣接するインライン（i n-line）の個別測定値を使用し、全ての電界測定点で固有抵抗調査を与える磁界の少なくとも２つの直交水平成分の同時測定値と組合せる。測定ラインはできるだけ真っすぐに保持される。隣接する電界測定値は、適度に重み付けられた方法で、制限された表面固有抵抗変動の影響を取り除く空間フィルタリング技術の基本原理を与えるように適度に量を増加させる（すなわち、長さを増加させる）際に一緒に合計される。このような表面近くの固有抵抗の不均等は電界測定を歪める可能性があり、地球の固有抵抗の計算にエラーを生じる。この現象は静的シフトとして知られ、ＭＴデータの解釈において重要な問題である。連続プロファイリング技術は、論文“Principles of spatial surface electric field f iltering in magnetotellurics:Electomagnetic array profilling(EMAP,by C.T orres-Verdin and F.X.Bostick,GEOPHYSICS Vol.57,pp603-622,1992)のみならず、米国特許第4,591,791号，米国特許第4,757,262号，米国特許第4,835,473号に記載されている。この上記の論文の第６０８ページには、非常に多数のＭＴ測定ステーションでの同時の同期データ収集はその時の最新技術の範囲外であることが明らかにされている。連続プロファイリングおよび空間フィルタリング（すなわち平滑化）は、元来、静的シフトの問題に対する解決策として振興された。しかしながら、これらの技術は、全ての平滑化技術と同様に、エラーを取り除くよりもむしろエラーを配分する。したがって、それは静的移動を取り除くことができない。しかしながら、これらの技術はその影響を取り除くことができるので、解釈することがより容易であるとみなされる表面下の導電率画像により少ない局部変動を与える。さらに、連続画像は、可視化し、解釈し、分離された点調査よりも、より高い空間解像度を与えることは人間の目にはより容易である。これらの長所は、最近の連続ＭＴプロファイリングの使用の増加をもたらした。連続プロファイリング技術において述べられた欠点は、電界の単一成分のインライン測定が単一成分の電界測定点でのスカラー解釈だけのインライン測定を可能にすることである。スカラー測定の欠点は当該技術の専門家に周知である。連続プロファイリング技術のより重大な欠点は、表面近くの層を規定するために、技術を特徴付ける、実際はより深いターゲットの横の解像度に不必要である空間フィルタリングアルゴリズムによって絶対的に必要である一般的には２００ｍの電界測定長を課することである。換言すると、連続プロファイリング“解決策”は、実際余分のコストを形成し、フィールドにおける応用に対する実際的な制限を保証する。ＭＴ信号は全方向性であるために、各ＭＴ測定点は、逆にされ、円錐台にたとえることができる感度の横の区域を有する。連続プロファイリング技術は電界を“過サンプリング”しなければならない。過サンプリングは、ラインの連続性を保持することが困難である場合、記号論理学の不利益のみならずより高いコストをもたらす。連続プロファイリング技術は、電界の連続的な、隣接インライン測定値を必要とする。結果として、この技術は１つあるいはそれ以上のポイントの減少に弱みがある。これは、実世界探査に全く共通しているいくつかの原因から生じる。さらに、連続プロファイリング技術は広範囲の調査に十分適合されていない。例えば、ブロックの重要な領域が探査の各工程の後に放棄されねばならないことは石油およびガスあるいは他の資源探査ライセンスブロックの典型的な特徴である。発明の開示従来技術の欠点は、ＭＴデータ収集のコストを著しく減少させるために並列データ収集アーキテクチャおよび方法論を有するＭＴシステムを提供することによって解決することができる。その各々が機内に搭載されたメモリを有し、その各々が地球の自然の電界あるいは磁界の変動を測定する無限の数の別個の最適化された低価の頑丈な軽量のディジタルセンサ装置を使用する並列衛星同期データ収集に基づくＭＴデータ収集を提供することは望ましい。本発明の一実施形態によれば、地球物理学調査のためのデータ収集の方法が提供される。この方法は、磁界変動を検出し、記録する少なくとも１つの磁気センサ装置を備えるステップと、磁界変動によって誘起される電流を検出し、記録する複数の電気センサ装置を備えるステップと、衛星ベースタイミング信号を受信し、同期化し、かつ複数の電気センサ装置および少なくとも１つの磁気センサ装置の各々のための位置を応答するように固定するステップと、処理するためにダウンロードする前記位置、磁界変動および電流を同期記録するステップとを含んでいる。本発明の他の実施形態によれば、センサおよび記録装置が備えられている。この装置は、前記装置の位置を固定し、他の同様な装置と同期をとる衛星ベースタイミング信号を受信し、かつ処理する衛星受信機と、複数のセンサからの信号を受信し、信号を対応するディジタルデータに変換するデータ収集システムと、対応するディジタルデータを記憶する電子メモリと、データ収集システムおよび電子メモリを制御し、周期的収集および信号の変換およびデータの記憶ならびにダウンロードを行うプロセッサとを有する。図面の簡単な説明次に、本発明の好ましい実施例は添付図面に関してだけ例として説明される。第１図は、フィールドに設置された状態の本発明のシステムの透視図である。第２図は、フィールドに設置された本発明のシステムの平面図である。第３図は、本発明の記録ステーションおよびポータブルコンピュータの透視図である。第４図は、本発明の記録ステーションのブロック概略図である。第５図は、本発明の組合わされた電気磁気記録ステーションのブロック概略図である。発明を実施するための最良の形態本発明は、画期的なＭＴデータ収集アーキテクチャおよび方法論を実行し、ＭＴのデータ収集のコストを著しく減らし、それによって今までＭＴがより広く使用されることの妨げとなった、高いコストの基本的な問題を解決する。第１図および第２図を参照すれば、本発明のシステム１０は、一連の電気センサ装置あるいは電気センサステーション１２と、調査される領域の周りのいろいろな位置に置かれた磁気センサ装置あるいは磁気センサステーション１４とを備えている。図示されているように、システム１０は、河川を横切り、山にある比較的平たい領域を含むいかなる表面地形にも使用できる。後で述べられるように、システム１０はいかなる地形にも使用できる。システム１０は、センサ装置１２およびセンサ装置１４を結合する１つあるいはそれ以上の適当な５成分記録ステーション１６を備えることができる。センサ装置１２は電界測定のために装備されている。センサ装置１４は磁界測定のために装備されている。１つあるいはそれ以上の５成分ステーション１６は、適当な低い雑音環境において、調査の持続期間に１つの位置に固定できるか（固定された静止の遠隔基準）あるいは５成分ステーション１６は関連のセンサ装置１２の群とともに移動できる（移動遠隔基準）。センサ装置１２はユーザによって決定された間隔および位置に設置される。好ましくは、センサ装置１２は、２００ｍ〜数キロメートルのいかなる適当なｘおよびｙの間隔にも間隔をあけることができる。５成分ステーション１６は、５〜１００キロメートル離隔することができる。任意には、２次元磁気記録ステーションを備えるローカル基準１８は５成分ステーション１６の近くに設置することができる。第３図を参照すれば、各センサ装置１２は、この装置を支えるハンドル２２を有する外部防水ハウジング２０を有する。センサ装置１２は、オン／オフスイッチ２４と、外部電源２８のためのコネクタを収容するジャック２６とを有する。電源２８はソーラパネルあるいは追加電池を含むことができる。ハウジング２０は、任意にユーザ入力を入力するキーパッド３０と、ディスプレイ３２と、状態信号３４および３６とを有することができる。ハウジング２２は、アース線３８を収容する入力とＧＰＳアンテナ４０とを有する。ハウジング２２の面は、センサ装置１２の好ましいコンパスの向きを指示する表示を有する。コンパス文字“ Ｎ”、“Ｓ”、“Ｅ”および“Ｗ”は、装置１２の各縁の磁気方向を示すために使用される。センサ装置１２は少なくとも４つのコネクタ入力を有し、この入力は電界センサ４２、４４、４６、４８の各々からの信号を受け取る。さらに、センサ装置１２は、コンピュータ５４と直列あるいは並列に接続するケーブル５２を収容するコンピュータ直列ポートあるいは並列ポート５０を有する。第４図を参照すれば、センサ装置１２の概略が示されている。センサ装置１２は、固体メモリ５６と、データ収集ボード７４上に取り付けられたアナログ／ディジタル変換器５８および６０と、電池６２と、ＧＰＳアンテナ４０およびＧＰＳ受信機６４と、低電力消費マイクロプロセッサ６６と、オーブン制御安定発振器６８と、発振器インタフェース７０とディジタル遠隔測定インタフェース７６とを有する。センサ装置１２の構成要素の全ては標準コンピュータバスシステム、好ましくはＰＣ／１０４バスの周りに形成される。各センサ装置１２は、電気センサのためのコネクタ入力７８および８０と、少なくとも２つのポート、すなわち並列ポート８２および直列ポート８４とを有する。メモリ５６は、好ましくは４０Ｍバイトのメモリであるが、１００Ｍバイトまで拡張できることが好ましい。典型的な記録範囲１０〜２０時間に十分なメモリは約４０Ｍバイトである。各センサ装置１２に組み込まれるこのメモリの総量は制限されない。プロセッサ６６は、好ましくは低電力消費プロセッサであり、所定の間隔でデータ収集手順を自動的に実行するプログラミングを有する。所定の時間に先立って数分電源を入れると同時に、プロセッサ６６はＧＰＳ受信機６４およびオーブン制御水晶発振器６８を始動する。発振器インタフェース７０は、発振器６８の周波数とＧＰＳ受信機６４の周波数と比較する。プロセッサ６６が、ＧＰＳ受信機６４が４つの軌道のＧＰＳ衛星８６からの少なくとも４つの信号をロックしたことを決定すると、プロセッサ６６は、発振器６８にその周波数をＧＰＳタイムベースと一致するように調整させる。この処理を行うのに数分かかる。完了されたとき、発振器６８は、たとえＧＰＳ信号が１時間までの間に失われたとしても、タイムベースを高い精度のレベルに保持する。オンボードのＧＰＳ受信機６４は、データが検索される場合、センサ装置の正確な位置を与える差分機能を有するのが好ましい従来のＧＰＳ受信機である。正確なｘ-ｙ-ｚ位置は、ランダム位置からのデータを、計算目的のための補間され、規則的に格子状に配置されたデータの内部フォーマットに変換すると同時に最初の位置情報をなお保持する輪郭を描きプロットするプログラムに、提供できる。より重要なことは、各センサ１２のＧＰＳ受信機６４は、時間基準を与え、データ収集を同期化する。ＧＰＳは、その各々が符号化タイミングパルスを一斉送信する衛星の方式である。異なる衛星からのパルス間の時間シフトを計算することによって、受信装置の位置は正確に決定できる。センサは、衛星放送信号を受信し、この信号を処理し、データ収集のための高精度の時間基準を確立する。全てのセンサは同じＧＰＳ同報通信を受信するので、センサの全ては同じ正確な時間基準に同期化することができる。プロセッサは、データ収集ボード７４の応答を測定する自己校正動作を実行する。校正結果は、メモリ５６に記憶され、データ収集中に自動的に応用される。所定の時間に、プロセッサ６６は、得られた時間系列をデータ収集ボード７４からメモリ５６に転送し始める。この収集処理は所定の時間の長さの間に継続する。完了すると、データはポータブルコンピュータにダウンロード可能である。センサ４２、４４、４６および４８からの信号はセンサ装置１２に送信される。この信号は、データ収集ボード７４上のプリアンプ７９および８１で予め増幅される。それから、この信号は変換器５８および６０でアナログからディジタルに変換される。そしてディジタル信号は、メモリ５６に転送される。ディジタル信号あるいは“時間系列”は約１分の適当な間隔で時間タグを付けられる。センサ装置１４および１６は、センサ１４が２つのデータ収集ボード７４を有し磁界の３つの直交成分を収集し、センサ１６が第５図に示されるように３つのデータ収集ボード７４を有し電流の２つの直交成分および磁界の３つの直交成分を収集することを除いて、センサ１２と同一である。付加的データ収集ボード７４は、磁気センサ入力のためのコネクタ入力８３、８５および８７を備えている。センサ装置１４および基準装置１８は、センサ４２、４４、４６および４８がＭＴの技術分野に周知の方法で地球の表面に埋め込まれている磁気センサと取り換えられていることを除いてセンサ装置１２と同一である。磁界は、電界に比べて空間においてゆっくりと変化する。したがって、ステーション１４からの単一測定は、多数の付加的ＭＴ測定点を提供するようにセンサ装置１２によって行われ、記録された多数の同時電気測定と組合わすことができる。この方式は、凸凹の地形、河川、および／または多数の土地の所有を有する非常に大きな面積のネットワークの適用範囲に特に適している。本発明のシステム１０は、その大部分が地球の自然電界の１つの成分あるいは２つの成分のいずれかを測定する多数の別個の集積ディジタル記録装置を使用することによって同時衛星同期ＭＴデータ収集を使用する。より少数の装置は地球の磁界の１〜３つの成分を測定するために使用される。本発明は、地上アクセスが困難であるかあるいは実用的でない場合にボートあるいはヘリコプターによって設置／回収されるセンサ装置１２を、任意の実行可能な手段によって任意の適当な位置において任意の適当な空間密度で配置する。複数の５成分ステーション１６は、主記録領域から１００ｋｍの距離に“はるかに離れた基準”を含む複数の相互遠隔基準を供給できる。センサ装置１２を設置する労力は全５成分１６の位置を設置する労力に比べて小さく、装置の費用はあまり著しくはかからない。振動などに耐えるように作られている頑丈なポータブルＰＣコンピュータ５４は、クルーのメンバーによって支えられ、データをチェックし、センサ装置１２の位置で得られる時間系列データを転送し、一時的に得て、このデータが適当なコンピュータで処理され、通常のプロット、３Ｄビジュアリゼーション、いろいろな平面図マップ、および任意のセクションとして表示される中央処理位置にデータを伝達するために使用される。センサ装置１２は、任意には、実時間データ集中のために、ケーブルあるいは無線遠隔測定あるいは衛星アップリンクによって結合でき、特に凸凹の地形における好ましい動作方法は、頑丈なＰＣ５４によるデータ転送と衛星同期化された別個のセンサ１２の動作である。生産性は、連続的に配置し、処理することができる実際的な数のセンサ装置１２によってのみ制限される。例えば、２８のセンサ装置１２を有する１５人（オペレータおよび１４の現場労働者）のクルーは１３時間シフトだけ作動する３０のＭＴ調査／日を得ることができる。任意のセンサ装置１２がデータ収集中に故障する場合、欠陥装置を取り換えた後、位置は再測定することができる。換言すると、この技術は個別の位置の消失に対して確固不動である。単一の５成分ＭＴ測定点は、地球の電界の２つの直交成分だけを測定する比較的多数の関連測定点に役立つ。“主ステーション”あるいは“ベースキャンプ” は、磁界の３つの成分および電界の２つの成分を記録する。それは、２つの成分が主ステーションのための“ローカル”基準の役をする磁界の２つの付加的水平成分を近くの位置（一般的には２、３百メートル離れている）でも任意に記録できる。センサ装置１２は、任意の適当な長さの測定ワイヤによって、任意の適当なパターンで、任意の適当な位置に、任意の適当な間隔で、およびローカル位置地形および地質学に対する最適な適合に必要であり、望ましい任意の適当な向きに分布される。さらに、センサ装置１２は、増加された記録時間を通してより高いデータ品質を達成するためにできるだけ長い間据え付けたままにすることができる。多数のＭＴ調査は、遠隔領域で道路により不十分なアクセスあるいは非アクセスで行われるので、単一のセンサ１２の位置のための装置が１人あるいは２人によって支えることができるような重さを減らすことが重要である。センサは、２Ｄ表面ネットワークの交差に配置されている。３Ｄ（three dime nsion）（深さ）は代用物によって得られる。ＭＴは、広範囲の周波数にわたる周波数依存固有抵抗を測定し、常に不明確さになりやすい“逆変換”と呼ばれる技術を使用して最初の周波数測定を深さベース画像に変換する。このように収集された３ＤのＭＴデータセットは、３Ｄ地震解釈のために既に開発されている既存の専用コンピュータワークステーションおよびプログラムに適合させることによって３Ｄ地震データで日常的に統合し、解釈できる。本発明の好ましい実施例は、振動などに耐えられるように作られているＰＣの媒体を通して中央記録位置へのデータ転送を有する物理的に別個のセンサ装置であるけれども、遠隔装置から中央記録装置へのデータを転送する手段に関する制限は全然ない。実行できる場合、位置は、実時間同期あるいは近実時間同期あるいは中央記録装置へのデータ転送のためのケーブルによって接続することができるかあるいは、実行できる場合、ディジタル無線遠隔測定７６が使用できる。実用的であるならば、衛星アップリンクのような直接通信も使用できる。センサ装置１２、１４および１６装置の各々によって収集されたディジタルＭＴデータは、データ記憶フォーマットと互換があるかあるいはデータ記憶フォーマットをエミュレートし、既存の３Ｄ地震システムのデータ通信プロトコルを満たすようにフォーマット化あるいは再フォーマット化することができる。これらのシステムは、その各々がディジタルケーブルあるいは無線遠隔測定により実時間あるいは疑似実時間のどちらかで中央記録装置に送信される２、３百〜数千のデータサンプルの不連続時間系列（地震トレース）を繰り返して収集し、記憶する多数の“地震遠隔装置”を通常使用する。ＭＴ時間系列は、地震データフォーマットをエミュレートし、地震データ通信プロトコルと互換があるソフトウェアを実行することによって地震時間系列よりも一般的には数百あるいは数千倍長いけれども、ディジタル化ＭＴデータは、ディジタル形式で標準地震遠隔装置に転送できるかあるいはセンサ装置１２、１４および１６は地震遠隔装置を使用しないで地震ケーブルあるいは無線遠隔測定ネットワークに直接接続できるかのいずれかである。本発明は、高度に開発されたケーブルおよび無線遠隔測定装置ならびに３Ｄの地震システムにおいて既に使用中の技術で任意に“ピギーバック”できる。ＭＴ調査は、３Ｄ地震システムの“共通キャリア”ハードウェアおよびソフトウェアを使用する“加入者”として概念としてまとめることができる。ＭＴ調査は、地震データ収集とは無関係にあるいは地震データ収集と組合わせて地震遠隔測定装置を使用して実行できる。センサ装置１２によって収集されたデータのデータフォーマットおよび他の特性は、いくつかの既存のＭＴシステムからのデータと互換があるようにされるかあるいは互換があるようにすることができる。したがって、既存システムの付属品のような多数のセンサ装置１２を付加し、既存のシステムの同期機構をＧＰＳ同期に改善することによって、既存システムの生産性は著しく増加することができ、既存システムによって示される著しい資本投資は維持され、さらに高められる。ＭＴ信号はランダムであり、低いオーディオ帯域内にある。各チャネルは、多分１，５００サンプル／秒の速度で連続してディジタル化されねばならない。データが正確に分析されることを確実にするために、全てのチャネルの対応するサンプルを同時にとることは重要である。より高いＭＴ周波数で、タイミング上の小さいエラーは実際は全サイクルの中の重要な部分である可能性がある。したがって、タイミングエラーは、計算上の重大なエラーをもたらすことができる。ケーブル結合システムにおいて、全てのサンプリングは、単一の時間基準を使用して中央集中記録装置で行われる。ＭＴ位置が大きい距離だけ物理的に分離されている場合、タイミング基準は、物理的に一緒にされる調査中に周期的に再同期化される現在の最新技術にある予め同期化された“高精度のクロック”付属装置８８から得られる。本発明は、物理的に一緒にされる必要なしに多数のセンサ装置の進行中の同期化を得る手段を備えている。記録時間は、一般的には各ステーションで数時間（１６時間まであるいは２４時間さえ）である。ＭＴ“時間系列”におけるデータの量は比較的大きく、実時間遠隔測定およびこのような大量のデータは地震遠隔測定システムのような少なくともとびきり優れた技術機能を有するシステムを必要とすることが理解できる。アナログ／ディジタル変換およびメモリ機能は、中央記録装置から“ディジタルセンサ装置そのもの”に離して分散される。各センサは別個の（同期化されるけれども）記録装置になる。オンボードメモリ、Ａ／Ｄ変換、および他の技術的要件は管理しやすい。固体メモリの４０Ｍバイト〜１００Ｍバイトは、約１０〜２０時間にわたる典型的な記録には十分である。ディジタルセンサ装置は、最近に開発された２４、２２あるいは１８ビットのアナログ／ディジタル変換器を任意に利用し、以前は必要とされるフロントエンドアナログ回路の総数およびコストを減少させ、装置のダイナミックレンジを増加させることができる。ＭＴで通常に利用される周波数は４００Ｈｚ〜１／２０００Ｈｚの範囲をカバーする。これらの周波数は、２４ビットのＡＤＣ装置の最適機能範囲内にある。ダイナミックレンジの増加は、必要とされるフィルタ数の減少およびより長い電界ダイポールを使用する能力のような長所をもたらす。しかしながら、ＡＤＣ技術が進歩するにつれて、ディジタルセンサ装置はＡＤＣの発展を追跡するように改善できるので、本発明は前述のＡＤＣ変換器に限定されない。ローカル地形特徴および地質特徴に垂直であり、平行な直交水平ＭＴ磁気センサおよび電気センサを配置することがしばしば必要である。測定データのこのような特徴の影響を最少にし、雑音を最少にするかあるいはバランスさせるようにセンサを配置するために、現場クルーにセンサ配置の柔軟性を与えることが望ましい。磁界は２つの方向に同時に測定されるので、測定磁界軸を電界センサで実際に占有された任意の軸に数学的に回転させることが可能である。広く行われる最新技術において、これは、（高々４つの関連センサ１２のステーションで）全ての分離されたＭＴ点の磁界の２あるいは３成分を測定し、電気センサと同じ方向に磁気センサを配置することによって得られる。本発明の好ましい実施例は、最適化ＭＴデータ収集システムとして使用するためであるけれども、他の実施例において、遠隔装置は他の電磁地球物理的技術のために最適の方法で構成することができる。本発明の応用可能性はＭＴに限定されなくて、一般に電界および／または磁界の測定を必要とする任意の電磁地球物理学技術に応用できる。ＶＬＦ（Very Low Frequency）（超低周波）、ＥＬＦ（ Extra Low Frequency）（超低周波）、誘起分極（ＩＰ,induced polarization）、ＡＭＴ（Audio Frequency Magnetotellurics）（可聴周波地球磁場学）、ＣＳＡＭＴ（Controlled Source AMT）（制御ソースＡＭＴ）、過渡電磁気学（Trans ient Electromagnetics）（ＴＥＭ、ＴＤＥＭ、あるいは過渡ＥＭとして公知である）、ＦＤＥＭ（Frequency Domain EM）（周波数領域ＥＭ）を含むが、これに限定されないいろいろな技術の各々は、Ａ／Ｄ変換速度、周波数範囲、時間系列の長さ、オンボードメモリ等に最適なそれ自体の要件を有し、本発明はこれらの技術の各々に適当に構成するかあるいは適合させることができる。センサ装置は独立して置くことができ、最大の記号論理学の汎用性を与える。これは、とりわけ記録装置の密度が横の解像度に対する認められた要件に応じて、ネットワークの異なる部分で異なる可能性があることを意味する。それは、探査の最初の繰り返しがセンサ装置１２だけで行うことができることも意味する。したがって、データ収集およびインフィールド解釈の最初の反復が、センサ装置１２のより大きい位置密度が所定の領域で正式に許可されるならば、より多くのセンサ装置１２は、フィールド領域への単一の巡回中に次の反復等でそこに配置することができる。同様に、付加的センサ装置１４は、探査の連続的な反復で示されるように配置できる。多数の関連センサ装置１２に対する磁界の唯一の測定点の使用は、磁界がセンサ装置１２の位置毎に測定されたならば得られるだろう固有抵抗に比べて、各センサ装置１２の位置の固有抵抗の計算にある程度のエラーを持ち込むことができるが、磁界の既知の遅い空間変動のためにエラーは大きいと予測されないことに注目すべきである。地球の固有抵抗はＭＴ電界だけの測定によって計算できないので、少なくとも１つの位置で磁界も（通常、３成分ｘ-ｙ-ｚ）同時に測定する必要がある。地球の固有抵抗は、測定電界および磁界の平方の周波数依存比としてＭＴで計算される。ＭＴ測定は、時々、情報（すなわち、空間的に変化する値）が主に電界にあるのに対して、ゆっくりと空間的に変化する磁界が本質的には変倍率であることを示すことによって記述される。本発明の好ましい実施例は、比較的大きなグループの関連センサ装置の各々に対して磁界の３成分を測定する１つのセンサ装置１４の配置を予知するが、本発明はこの構成に限定されない。ディジタルセンサ装置は、ユーサが適当な、実用的あるいは理論的に正当化されるとみなす任意の割合あるいは構成で結合でき、同時に無制限に２つのこのようなグループ記録ができる。数１０ｋｍ離れた所にある第２あるいは第３のセンサ装置１６のユニットは、固定された“はるかに離れた基準位置”として用いることができる。水平磁気センサのための設置時間は、通常水平（ｘ-ｙ）電界センサのための設置時間よりも２〜３倍長い。岩石の多い場所あるいは硬い場所では困難な仕事である約８０ｃｍの深さの穴を掘らなければならないので、垂直磁界センサのための設置時間はさらに大きくなる可能性がある。この問題の解決策は、表面上に単に並べることができる“エア・ループ（airloop）”と呼ばれる大きな多巻ワイヤを使用し、垂直センサのための穴を掘る必要性をなくすことである。しかしながら、エア・ループは約３０平方ｍの平面に近い場所を必要とするので、エア・ループを未開地形に据え付けることは困難である。さらに、ループは技術的理由のために役立つことができないので、うっそうと植林された領域あるいは潅木領域では実用的でない。それにもかかわらず、エア・ループは、それ自体の制限範囲内で、必要に応じて本発明で配置できる。この開示は本発明の好ましい実施例を説明し、図示しているが、本発明がこれらの特定の実施例に限定されないことが理解される。多数の変更および修正を、当業者がおこなうことができるだろう。

Claims

【特許請求の範囲】１．地球物理学調査のためのデータ収集の方法において、磁界変動を検出し、記録する少なくとも１つの磁気センサ装置を備えるステップと、前記磁界変動によって誘起された電流を検出し、記録する複数の電気センサ装置を備えるステップと、衛星ベースタイミング信号を受信し、前記複数の電気センサ装置および前記少なくとも１つの磁気センサ装置の各々を応答して同期化するステップと、前記位置、前記磁界変動および前記電流を同期記録するステップとを含むことを特徴とする地球物理学的調査のためのデータ収集方法。２．前記方法が、前記複数の電気センサ装置および前記少なくとも１つの磁気センサ装置の各々の位置を固定するステップを含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。３．前記方法が、遠隔処理するために前記磁界変動および前記電流の前記記録をダウンロードするステップをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の方法。４．前記少なくとも１つの磁気センサ装置が、磁界を検出する少なくとも３つのセンサを有し、またそれに比例する信号を発生する手段を有し、前記センサの各々が３つの直交方向に検出するために配置されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の方法。５．前記複数の電気センサ装置が、電流を検出する少なくとも２つのセンサを有し、またそれに比例する信号を発生する手段を有し、前記センサの各々が２つの直交のほぼ水平方向に検出するために配置されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の方法。６．前記方法が、前記複数の電気センサ装置および前記少なくとも１つの磁気センサ装置の各々に、ある時間にわたって前記位置と、前記磁界変動と、前記電流とを記録するのに十分なメモリを装備するステップを含むことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の方法。７．前記ダウンロードするステップを行うために前記複数の電気センサ装置および前記少なくとも１つの磁気センサ装置の各々に接続するポータブルコンピュータを備えるステップを含むことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の方法。８．前記複数の電気センサ装置および前記少なくとも１つの磁気センサ装置から遠隔の位置に結合された磁気センサと電気センサとを備える初期ステップをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の方法。９．前記磁気センサが電気センサと結合されていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の方法。１０．前記方法が２つの磁気センサ装置を含むことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。１１．前記電気センサ装置が、２００ｍ〜数キロメートルの間隔で前記２つの磁気センサ装置の周りに離隔されていることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の方法。１２．前記２つの磁気センサ装置が、５キロメートル〜１０キロメートル離れて離隔されていることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の方法。１３．前記２つの磁気センサ装置の各々が電気センサ装置のネットワーク中に置かれていることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の方法。１４．前記初期ステップが、前記少なくとも１つの磁気センサ装置の近くに２次元基準磁気センサ装置を備えていることを含むことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の方法。１５．前記衛星ベースタイミング信号がＧＰＳ信号であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の方法。１６．前記方法が所定の間隔で繰り返されることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の方法。１７．センサ及び記録装置において、前記装置の位置を固定し、前記装置と他の同様な装置との同期をとる衛星ベースタイミング信号を受信し、かつ処理する衛星受信機と、複数のセンサからの信号を受信し、前記信号を対応するディジタルデータに変換するデータ収集手段と、前記対応するディジタルデータを記憶する電子記憶手段と、前記データ収集手段および前記電子記憶手段を制御し、周期的収集および前記信号の変換および前記データの記憶やダウンロードを行うプロセッサとを備えていることを特徴とするセンサ及び記録装置。１８．前記センサ及び記録装置が、前記衛星受信機とインタフェースし、前記タイミング信号が受信可能でない場合、バックアップのように前記センサ及び記録装置と前記タイミング信号の同期をとる発振器をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１７項に記載のセンサ及び記録装置。１９．前記データ収集手段が、３つの直交に置かれたセンサからの信号を受信し、また処理する少なくとも２つのデータ収集ボードを備えることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載のセンサ及び記録装置。２０．前記データ収集手段が、５つのセンサからの信号を受信し、また処理する少なくとも３つのデータ収集ボードを備えることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載のセンサ及び記録装置。２１．前記５つのセンサが３つの磁気センサおよび２つの電流センサを含むことを特徴とする請求の範囲第２０項に記載のセンサ及び記録装置。２２．前記装置が、前記記憶データを遠隔にダウンロードするディジタル遠隔測定インタフェースを有することを特徴とする請求の範囲第２１項に記載のセンサ及び記録装置。