JP2007298369A - 地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法 - Google Patents

Abstract

【課題】地表に配置した震源のみで坑井間トモグラフィ測定データを作成できるようにして、坑井内震源を不要とする。
【解決手段】一つの坑井内の起震点から地中を伝播する弾性波を、他の坑井内の多数の受振点で受振し、起震点を変えて受振波形を記録することにより、坑井間トモグラフィ測定データを得る弾性波トモグラフィ法である。複数の震源１０を、坑井１４内ではなく地表１２に配置すると共に、複数の坑井内に多数の受振器１６を設置し、地表の異なる起震点で実際に震源により起震して地中を伝播する弾性波を各坑井内の多数の受振器で受振して受振波形を記録し、各受振器での受振記録の相互相関をとることにより、一つの坑井内の受振器位置が仮想震源となり、他の坑井内で前記仮想震源による弾性波の受振記録が合成されるようにし、それによって擬似的に坑井間トモグラフィ測定データを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、坑井内に弾性波発生のための実震源を設置することなく、地表に配置した震源を用いて坑井間での弾性波トモグラフィを実現する方法に関するものである。

人工的に発生させた弾性波を用いて地下の構造を推定する弾性波探査の一手法に、坑井間弾性波トモグラフィ法がある。これは、一方の坑井内に配置した震源で起震し、地中を伝播する弾性波を他方の坑井内の多数の受振点で受振し、起震点を変えて受振波形を記録することにより、坑井間トモグラフィ測定データを得る方法である。このような坑井間弾性波トモグラフィ法は、高分解能の地下地質情報を取得できる技術として有用性が知られるようになり、実用性の拡大と高精度化に向けて研究開発が進められている。

この手法における大きな技術的な課題は、坑井内に配置でき且つ地中に効率よく弾性波を伝播可能な震源の開発である。しかしながら、高出力の震源は大型化し、坑井内に配置することは困難である。坑井内に配置できる震源は、一般に起震できるエネルギーが小さく、高価で取り扱いが難しい。そこで、これらの問題点を改良すべく、様々な原理、機構の震源の開発が試みられている。

ところで最近、ＶＳＰ（垂直弾性波探査）調査において仮想震源の適用が提案されている（非特許文献１参照）。ＶＳＰ法は、基本的に、震源を地表に配置し、受振を１本の坑井内で行う方式であり、地表付近で起震・受振を行う反射法弾性波探査に対して、近似的に弾性波の片道伝播を利用することで、観測される弾性波のＳ／Ｎの向上を図ろうとするものである。このＶＳＰ法に仮想震源を適用した例は、１本の坑井内に複数の受振器を配置し、任意の１つの受振器位置を仮想震源とすることで、仮想震源から対象物（弾性波の散乱を引き起こす層）までを往復する弾性波データを取得しようとするものである。非特許文献１では、地表での１つの起震、坑井内で２つの受振データを用いて反射法弾性波探査データの合成を試みている。しかし、この手法は、地表付近に弾性波の散乱を引き起こす層が存在することが理論上不可欠であり、また目的も反射法弾性波探査データの擬似的な合成に限られ、その成果は地下の反射波の抽出断面である。
A.Bakulin and R.Calvert(2004): Virtual Source: new method for imaging and 4D below complex overburden, Society of Exploration Geophysicists, 2477-2480

本発明が解決しようとする課題は、地表に配置した震源のみで坑井間トモグラフィ測定データを作成できるようにし、坑井内震源を不要とすることである。

本発明は、一つの坑井内の起震点から地中を伝播する弾性波を、他の坑井内の多数の受振点で受振し、起震点を変えて受振波形を記録することにより、坑井間トモグラフィ測定データを得る弾性波トモグラフィ法において、複数の震源を、坑井内ではなく地表に配置すると共に、複数の坑井内にそれぞれ多数の受振器を設置し、地表の異なる起震点で実際に震源により起震して地中を伝播する弾性波を各坑井内の多数の受振器で受振して受振波形を記録し、各受振器での受振記録の相互相関をとることにより、一つの坑井内の受振器位置が仮想震源となり、他の坑井内で前記仮想震源による弾性波の受振記録が合成されるようにし、それによって擬似的に坑井間トモグラフィ測定データを作成することを特徴とする地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法である。ここで地表震源とは、震源を地表面上にそのまま設置する場合のみならず、窪みや穴を掘るなど整地した上に設置するような場合も含まれる。

本発明では、具体的には、震源としたい任意の坑井内受振器位置での受振記録から相反定理と時間反転定理による処理を行って仮想震源波形を合成し、他の坑井内の受振器での受振波形に対し同様の処理を行って受振記録を合成することにより、坑井内仮想震源による擬似的な受振記録を作成する。

本発明に係る地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法は、地表に配置した震源のみで坑井間トモグラフィ測定データを作成でき、坑井内震源が不要となるので、従来の坑井内震源が抱えている様々な問題、例えば起震可能なエネルギーの大きさ、坑井内抑留の危険性、価格、取り扱いの困難性、などを全て解決できる。従って、任意の形式の震源が使用可能である。本発明は、地表震源を用いるので、大型の震源を使用でき、非常に大きな起震エネルギーを発生させることができるため、坑井間距離が長くてもトモグラフィ測定データを得ることが可能となり、低コストで弾性波探査の調査範囲を拡大することもできる。

図１は、本発明に係る地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法の概念図である。本発明では、坑井内震源ではなく、地表震源を用いる。即ち、複数の震源１０を、坑井内ではなく地表１２に配置し、複数の坑井１４の内部には多数の受振器１６を挿入設置する。なお、図１では２本の坑井のみ描いてあるが、２本のみに限られるものではない。なお、図１は地中に反射面が無い場合を示しているが、地中に反射面が有っても、本発明方法は適用可能である。

図１に示すように、地表１２に設置されている任意の震源（ここでは着目している震源を黒塗り潰しして符号１０ａで表す）で起震すると、発生した弾性波は地中を無指向的に伝播し、その弾性波は各坑井１４内のそれぞれの受振器１６に達し受振される。ここで、任意の受振器（ここでも着目している受振器を黒塗り潰しして符号１６ａで表す）で受振した弾性波は、他の受振器で受振した弾性波に対して、恰も震源のように扱うことができる。これはホイヘンスの原理に基づいている。ホイヘンスの原理は、「波は波源から媒質を通して伝播するが、１つの波面上の全ての点は、新たな波源となって、同じ速度、同じ振動数の小波を出す。個々の小波は観測されず、これらの小波の波面に共通に接する曲面が、その後の波面として観測される。」というものである。従って、地表の震源１０ａから地中に伝播する弾性波を破線ｗ１で表すと、受振器１６ａから出る弾性波は点線ｗ２で表すことができる。

本発明では、地表の異なる起震点で実際に震源により起震して地中を伝播する弾性波を各坑井内の多数の受振器で受振して受振波形を記録し、各受振器での受振記録の相互相関をとる。これにより、一方の坑井内の受振器位置が仮想震源となり、他方の坑井内で前記仮想震源による弾性波の受振記録が合成されるようにし、それによって擬似的に坑井間トモグラフィ測定データを作成する。具体的には、震源としたい任意の坑井内受振器位置での受振記録から相反定理と時間反転定理による処理を行って仮想震源波形を合成し、他の坑井内の受振器での受振波形に対し同様の処理を行って受振記録を合成することにより、坑井内仮想震源による擬似的な受振記録を作成する。

そこで、仮想震源を合成する手順について、図２によってより具体的に説明する。図２のＡに示すように、パルス震源を地表に設置し、受振器は地中に設置するものとする。地表震源から出た波は、反射や屈折を繰り返した後に様々な経路を経て受振器へと至る。このときの震源位置をＳ、２箇所の受振点をＭ，Ｎとし、それぞれの受振点Ｍ，Ｎでの受振記録をＳ_M ，Ｓ_N とする。これにより、地表震源位置から受振点Ｍ，Ｎへと至る経路のグリーン関数は、Ｓ_M ，Ｓ_N となる。

まず、仮想震源を合成する受振点を決定する。図２のＢに示すように、ここではＭを選択した。そこで、受振点Ｍの位置にパルス震源を置き、地表震源位置に受振器を置くと仮定する。つまり、地表震源と受振器とを入れ替える。相反定理により、２点間のグリーン関数は経路が逆であっても等しいことが証明されている。そのため、地表震源位置Ｓでの受振記録は、受振点Ｍでの受振記録と同一となる。

次に、時間反転定理を用いて、上記で得られた地中の震源から地表の受振点へと伝播した受振記録Ｓ_M を時間に関して逆再生する。すると今度は、地表の受振器から、受振記録Ｓ_M の逆時間記録Ｓ_M （−ｔ）を震源波形として、地中の震源へと波動が伝播する（図２のＣ参照）。

この震源波形Ｓ_M （−ｔ）に対して、受振点Ｍ，Ｎへ至る経路のグリーン関数は、それぞれＳ_M ，Ｓ_N である。よって、この震源に対する受振点Ｍ，Ｎでの受振記録は、Ｓ_M （−ｔ）とＳ_M ，Ｓ_N のコンボリューション演算で求められる。これは結局、Ｓ_M と各受振点記録との相互相関処理に他ならない。つまり、図２のＤに示すように、受振点Ｍでの受振記録はＳ_M （−ｔ）＊Ｓ_M （ｔ）、受振点Ｎでの受振記録はＳ_M （−ｔ）＊Ｓ_N （ｔ）となる。

なお、コンボリューション演算は、あるシステムの入力と出力をつなぐ時間領域の計算である。例えば、インパルス応答ｈ（ｔ）が分かっているとき、入力関数ｆｉ（ｔ）に次のような演算を施して出力関数ｆｏ（ｔ）を得ることができる。

これにより、受振点Ｍ位置において、Ｍを震源としてＭ自身での受振記録が合成され、受振点Ｎ位置においては、Ｍを震源としたＮでの受振記録が合成できる。この処理を複数の地表震源に対して行えば、精確な仮想震源記録を合成することができることになる。

図３は、本発明に係る地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法の測定と解析の一実施例を示すフローチャートである。まず、複数の坑井内にそれぞれ多連の受振器を挿入設置しておく。地表に設置した複数の震源を用いて起震する。そして、各受振器で、伝播してきた弾性波を受振し、その受振波形を記録する。次に、震源としたい受振器位置の受振記録から相反定理と時間反転定理を用いて震源波形を合成する。このように合成した震源波形に対して、別の坑井内の各受振器の受振波形記録のコンボリューション演算を施し、坑井内で起震したときの受振波形記録を合成する。このような処理を、坑井内の震源としたい全ての受振器位置について、受振器位置を変えて繰り返し行う。合成した震源波形及び各受振記録を用いて、坑井間弾性波トモグラフィ解析を行う。この解析自体は、従来行われているのと同様であってよい。このようにして、弾性波速度トモグラム、及び反射面が存在する場合には反射トモグラムが取得できる。

解析結果の一例を図４に示す。図４のＡは坑井間弾性波速度トモグラムであり、図４のＢは坑井間反射波トモグラムである。

本発明に係る地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法の概念図。 仮想震源を合成する手順の説明図。 本発明に係る仮想震源による坑井間弾性波トモグラフィ法の測定と解析の一実施例を示すフローチャート。 解析結果の一例を示すトモグラム。

符号の説明

１０ 震源
１２ 地表
１４ 坑井
１６ 受振器

Claims (2)

1. 一つの坑井内の起震点から地中を伝播する弾性波を、他の坑井内の多数の受振点で受振し、起震点を変えて受振波形を記録することにより、坑井間トモグラフィ測定データを得る弾性波トモグラフィ法において、
   複数の震源を、坑井内ではなく地表に配置すると共に、複数の坑井内にそれぞれ多数の受振器を設置し、地表の異なる起震点で実際に震源により起震して地中を伝播する弾性波を各坑井内の多数の受振器で受振して受振波形を記録し、各受振器での受振記録の相互相関をとることにより、一つの坑井内の受振器位置が仮想震源となり、他の坑井内で前記仮想震源による弾性波の受振記録が合成されるようにし、それによって擬似的に坑井間トモグラフィ測定データを作成することを特徴とする地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法。
2. 震源としたい任意の坑井内受振器位置での受振記録から相反定理と時間反転定理による処理を行って仮想震源波形を合成し、他の坑井内の受振器での受振波形に対し同様の処理を行って受振記録を合成することにより、坑井内仮想震源による擬似的な受振記録を作成する請求項１記載の地表震源による坑井間弾性波トモグラフィ法。
   

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