JP6090832B2

JP6090832B2 - 地層の密度分布を把握するための検層装置

Info

Publication number: JP6090832B2
Application number: JP2012281746A
Authority: JP
Inventors: 末永　弘; 弘末永; 公雄宮川
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: JP2014126407A

Description

本発明は、地層の状況（密度分布）を把握するための検層装置に関する。

放射性廃棄物を地中に隔離処理する際に、処分空洞周辺の地層の状況（密度等）を把握（検層）し、安全評価を行うことが考えられている。また、地滑りや斜面崩壊の危険性がある斜面の崩落や崩壊等を検証する場合、地盤の固結状態、雨水の飽和状態等を把握し、地滑り等に対する安全評価を行うことが考えられている。

また、二酸化炭素（ＣＯ_２）を地中貯留した際に、周辺の地層の状況（密度等）を把握し、流動の検証を行うことが考えられている。更に、地盤の地層の状況を把握し、地下水の流水経路（水みち）を検証し、汚染物質の流動把握や建設物成分の流出状況の把握を行うことが考えられている。

このような地層の状況（密度分布）を推定することは、検査対象となる地中にボーリング孔を設け、ボーリング孔に検出端子部材を挿入して種々の検出を行い、検出情報を地上で処理することにより実施されている。

一方、宇宙線のミューオンを計測することで、地盤中の空洞を検出する技術が公知となっている（例えば、特許文献１）。宇宙線のミューオンを計測する場合、例えば、２つのシンチレータを用いてミューオンの飛来方向と地盤の通過状況を検出し、地盤の密度の分布を類推して空洞を検出するようになっている。

宇宙線のミューオンを計測して、地中や岩盤等、地層の検層を実施することが考えられる。ミューオンを計測して検層を実施することにより、外乱の影響を受けないようにして地中や岩盤等の地層の状況を把握することが可能になる。

しかし、地中や岩盤等、地層の検層を行うためには、例えば、検出手段としてのシンチレータを小径のボーリング孔に挿入する必要がある。また、ミューオンの飛来方向を特定するため、小径のボーリング孔の内部で飛来角度を検出する機構を構築する必要がある。更に、地下で検出した情報の信号を小径のボーリング孔を介して通信する環境を整える必要がある。

特開２０１０−２７１０５９号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ミューオンで代表される粒子の飛来状況をボーリング孔内で計測し、粒子の飛来状況に基づいて、地中や岩盤等、地層の密度分布を把握するための検層装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の地層の密度分布を把握するための検層装置は、ボーリング孔に挿入され、地層を通過した宇宙線の粒子が衝突することで光を発する発光手段と、ボーリング孔の軸方向を中心に、回動角度が把握された状態で前記発光手段を回動させる回動手段と、地上側に配されて前記発光手段の発光状況及び前記回動手段の作動状況が入力され、前記粒子が通過した前記地層の密度の状況を求める制御手段とを備え、前記発光手段は、板状部材であって表面に粒子としてミューオンが衝突することで発光するものであり、前記ボーリング孔の軸方向に沿って長手を有する一対の矩形板が対向配置され、前記一対の矩形板は、長手方向で複数の領域に発光領域が区画され、前記回動手段は、対向状態を維持して前記一対の矩形板を回動させるモータであり、前記モータにより回動された前記一対の矩形板の回動角度を含む情報が前記制御手段に送られ、前記制御手段は、前記光の発光数と前記回動手段の回動角度に基づいて、前記地層の所望の方向の密度の状況を求めることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、ボーリング孔に挿入された発光手段に対し、地層を通過する宇宙線の粒子が衝突して発光手段が発光する。この時の回動手段の作動状況（回動角度）が把握されて粒子の飛来方向が認識されて制御手段に送られる。回動手段により発光手段の角度を変更し、所望の角度での発光手段の発光状況が制御手段に送られて、粒子の飛来状況が把握され、予め飛来する粒子と、発光に寄与した粒子の状況との関係が制御手段で処理されて地層の密度が把握される。例えば、地層が高密度になる程、地層を通過する粒子が減るため、発光に寄与する粒子の数が減少することになる。
そして、地層を通過するミューオンの飛来状況に基づいて衝突した範囲の方向の地層の密度を把握する。また、一対の矩形板に対する衝突位置（発光位置）を検出することにより、回動中心軸に交差する面内の衝突方向を正確に把握することができる。また、矩形板の長手の範囲で、回動中心軸に沿った面内での粒子の衝突方向を把握することができ、回動中心軸に沿った方向及び回動中心軸に交差する面内における粒子の衝突状況を正確に把握することができる。

このため、ミューオンで代表される粒子の飛来状況をボーリング孔内で計測して、地中や岩盤の密度分布を把握して検層を実施することが可能になる。

また、請求項２に係る本発明の地層の密度分布を把握するための検層装置は、請求項１に記載の地層の密度分布を把握するための検層装置において、前記一対の矩形板の間に変形抑制部材が挟まれていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、一対の矩形板の間に変形抑制部材が挟まれることで、矩形板が自重で撓んだり回動時にねじれたりすることが防止される。変形抑制部材としては、ハニカム板や、水や比重が水に近い油が封入された部材を適用することができる。

また、請求項３に係る本発明の地層の密度分布を把握するための検層装置は、請求項１もしくは請求項２に記載の地層の密度分布を把握するための検層装置において、前記板状部材は、発光物質が混入されたプラスチックで形成され、光を電気信号に変換する光電子増倍管により電気信号を制御手段に送信することを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、プラスチックシンチレータに粒子を衝突させて発光させ、発光した光を光電子倍増管により電気信号に変換し、電気信号を制御装置に送信する。

また、請求項４に係る本発明の地層の密度分布を把握するための検層装置は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の地層の密度分布を把握するための検層装置において、前記板状部材は、発光物質がドープされた光ファイバが板状に巻回されて形成され、発光した光が光ファイバにより制御手段に送られることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、発光物質がドープされた光ファイバに粒子を衝突させて発光させ、発光した光を光ファイバにより制御装置に送る。

また、上述した地層の密度分布を把握するための検層装置において、前記発光手段及び前記回動手段を有する検出筒部材が複数備えられ、前記検出筒部材が直列に連結されている構成を適用することができる。

このように構成することにより、発光手段及び回動手段を有する検出筒部材を直列に複数備えることで、ボーリング孔の軸方向の広い範囲で粒子の飛来（地層の密度）を検出することができる。

本発明の地層の密度分布を把握するための検層装置は、粒子の飛来状況をボーリング孔内で計測し、粒子の飛来状況に基づいて地中や岩盤等、地層の密度分布を把握して検層を実施することが可能になる。

本発明の一実施例に係る地層の密度分布を把握するための検層装置により検層を行っている状態の概念図である。検出筒部材の断面図である。図２中III-III線矢視図である。検出筒部材の構造を表す要部斜視図である。一対の板状部材の検出概念図である。一対の板状部材の検出概念図である。割れ目と処分坑の検層を行っている状態の概念図である。

宇宙線粒子としてのミューオンは地中まで到達するため、地層を通過するミューオンの飛来角度、数を把握することにより、地層の密度の状態を知ることができる。つまり、密度が低い場合にはミューオンが通過しやすいため通過数が減少せず、密度が高い場合にはミューオンが通過しにくくなって通過数が減少する。このため、地層を通過するミューオンを検出することで、地層の密度の状態を知ることができる。

本実施例は、このような背景によりなされたもので、プラスチックシンチレータ（板状部材）を小径のボーリング孔に挿入できるようにすると共に、ミューオンの飛来方向の特定を可能にし、ミューオンの適用により地中や岩盤等、地層の検層が実施できるようにしたものである。

図１には本発明の一実施例に係る地層の密度分布を把握するための検層装置により検層を行っている状態の概念、図２には検出筒部材の断面の状況、図３には図２中III-III線矢視の状況、図４には検出筒部材の構造を説明する斜視状態を示してある。また、図５には一対のシンチレータ１６へのミューオンの入射概念を示してあり、図５（ａ）は斜視状況、図５（ｂ）は軸方向からの状況である。

表層等（例えば、２０ｍから３０ｍの範囲）の地盤の状況を把握するため、傾斜面を有する岩盤１には、ボーリング孔２（例えば、径が１５０ｍｍ程度）が鉛直方向に形成されている。ボーリング孔２には、検層装置３が配置され、例えば、４箇所（例えば、１０ｍ毎に４箇所：３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）で岩盤１の地層の密度の状況が順次検出される。再度、４箇所（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）で岩盤１の地層の密度の状況が順次検出され、最初に検出された密度の状況からの変化の状態（密度値の差）により、降雨浸透等による密度分布の変化が把握される。

詳細は後述するが、検層装置３には、ミューオン５が衝突することで光を発する発光手段が備えられ、発光手段は回動角度が把握されている。発光手段の姿勢や発光状況が入力される制御手段（制御装置）４が地上に備えられ、制御装置４は発光手段の姿勢や発光状況に基づいて、岩盤１の地層の密度の状況が検出される。

つまり、それぞれの位置３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄで検層装置３に衝突するミューオン５の入射角度や数が発光手段の発効状況により検出される。制御装置４では、発光手段からの情報に基づいてそれぞれの位置３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄで地層の密度の状況が求められる。再度、それぞれの位置３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄで地層の密度の状況が求められ、位置３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄでの密度の変化に基づいて地層の密度分布の状況が把握される。

これにより、地層の密度分布が把握され、密度分布の状況に応じて、降雨浸透に伴う高飽和度領域層７、未固結地盤層８、岩盤層９の状況が検出され、地滑りなどの予測を行うことが可能になる。

上述した実施例では、表層等（例えば、２０ｍから３０ｍの範囲）の地盤の状況を把握するために、検層装置３を順次移動させ、岩盤１の地層の密度の状況を検出し、更に、同じ場所で地層の密度の状況を検出し、密度の変化により密度分布の状況を把握しているが、検層装置３を直列に複数（４箇所）接続し、位置３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄで地層の密度の状況を一斉に検出することも可能である。

図１を参照すると共に、図２から図４に基づいて検層装置３の構成を具体的に説明する。

検層装置３は、発光手段が収容される中央筒１１と、中央筒１１の両端側に同軸上にそれぞれ接続され発光手段を回動させる回動手段が収容される端部筒１２とを備えている。中央筒１１の両端部には円盤１３が回動自在に支持され、円盤１３は中央筒１１の回動中心軸Ｓを中心に回動する。

円盤１３同士に亘り矩形状の変形抑制部材１４が設けられ、変形抑制部材１４の短辺が円盤１３の直径方向に配され、長辺が中央筒１１の軸方向（ボーリング孔２の軸方向）に沿って配されている。変形抑制部材１４は、例えば、ハニカム形状の矩形部材（ハニカム板）や、水や比重が水に近い密度の小さな油が封入された部材が適用される。

変形抑制部材１４の面には、発光手段としての矩形板状のプラスチックシンチレータ（シンチレータ：矩形板）１６がそれぞれ設けられ、ボーリング孔２の軸方向に沿って長手を有する一対のシンチレータ１６が対向配置された状態になっている。シンチレータ１６は、発光物質が混入されたプラスチックからなり、ミューオン５が衝突することで発光し、発光した光は図示しない光電子増倍管により電気信号に変えられ、制御装置４に送られる。

円盤１３には、回動角度を検出する角度センサ１７（傾斜計、加速度計）が設けられている。また、円盤１３の外側（端部筒１２側）の中心部には、端部筒１２側に延びる回動軸２１が取り付けられている。端部筒１２にはモータとしてのステッピングモータ２２がそれぞれ設けられ、ステッピングモータ２２の出力軸がカップリング２４を介して回動軸２１に連結されている。

つまり、ステッピングモータ２２の駆動により一対の円盤１３が回動し、対向状態が維持されて一対のシンチレータ１６が回動する。回動角度を含む情報は、ステッピングモータ２２の駆動指令、角度センサ１７の検出情報等で検出されて制御装置４に送られる。従って、回動位置（向き）が把握された状態でシンチレータ１６の向きが任意に設定される。

尚、図中の符号で、１８は電源及び電子回路基板、１９は一対の円盤１３同士をつなぐ補強パイプである。

図５に基づいて一対のシンチレータ１６でのミューオン５の検出状況を説明する。

図５（ａ）に示すように、シンチレータ１６の長手方向の幅の範囲で回動中心軸Ｓに交差する面内の任意の角度から、地層を通過して飛来するミューオン５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄが手前側のシンチレータ１６に入射する。そして、図５（ｂ）に示すように、シンチレータ１６の短手方向の角度の範囲α（回動中心軸Ｓに交差する面内）で、後側のシンチレータ１６をミューオン５Ａ、５Ｃが通過する。

これにより、任意の回動角度において、回動中心軸Ｓに交差する面内の範囲αでミューオン５Ａ、５Ｃだけが通過したことが判り、範囲αでのミューオン５の飛来方向（衝突方向）を正確に把握することができる。

検層装置３では、岩盤１の地層を通過したミューオン５がシンチレータ１６に衝突して発光する。この時の一対のシンチレータ１６の向き（回動角度）、即ち、ステッピングモータ２２の作動状態が制御装置４に送られ、ミューオン５の飛来方向が認識されて制御手段に送られる。一対のシンチレータ１６の向き（回動角度）を変更することで、所望の角度でのシンチレータ１６の発光状態が制御装置４に送られてミューオン５の飛来方向が把握される。

予め飛来するミューオン５の数と、シンチレータ１６の発光に寄与したミューオン５の数との関係が制御装置４で処理され、岩盤１における地層の密度が把握される。即ち、地層が高密度になるに従って、地層を通過するミューオン５の数が減るため、シンチレータ１６の発光に寄与するミューオン５の数が減少することになる。

このため、ミューオン５の飛来状況をボーリング孔２内で計測して、岩盤１の検層を実施することが可能になる。また、一対のシンチレータ１６の間に変形抑制部材１４が挟まれていることで、シンチレータ１６が自重で撓んだり回動時にねじれたりすることが防止される。

矩形のシンチレータ１６の長手方向に対し、複数の検出領域を設定することも可能である。

図６に基づいて長手方向に複数の検出領域を設定した一対のシンチレータでのミューオン５の検出状況を説明する。

図６には長手方向に複数の検出領域を設定した一対のシンチレータへのミューオンの入射概念を示してあり、図６（ａ）は斜視状況、図６（ｂ）は軸に沿った方向の状況である。

図６（ａ）に示すように、シンチレータ２０の長手方向には、複数（図示例は８個）の検出領域が設定されている。シンチレータ２０の短手の幅の範囲で回動中心軸Ｓに沿った方向の面内の任意の角度から地層を通過して飛来するミューオン５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄが手前側のシンチレータ２０に入射する。そして、図６（ｂ）に示すように、シンチレータ２０の長手方向の角度の範囲β（回動中心軸Ｓに沿った面内）で、後側のシンチレータ２０をミューオン５Ａ、５Ｃが通過する。

これにより、任意の回動角度において、回動中心軸Ｓに沿った面内の範囲βでミューオン５Ａ、５Ｃだけが通過したことが判り、範囲βでのミューオン５の飛来方向（衝突方向）を正確に把握することができる。

このため、シンチレータ２０の長手の範囲で、回動中心軸Ｓに沿った面内での粒子の衝突方向を把握することができ、回動中心軸Ｓに沿った方向及び回動中心軸Ｓに交差する面内における粒子の衝突状況を正確に把握することができる。

上述した地層の密度分布を把握するための検層装置は、発光手段として矩形板状のシンチレータ１６を用いたことにより、小径のボーリング孔２に挿入することができ、一対のシンチレータ１６を対向配置の状態を維持して回動させることにより、ミューオンの飛来方向を特定することができる。そして、発光信号を電気信号に変換することにより地下で検出した情報の信号を小径のボーリング孔２を介して地上の制御装置に送信することができる。

上述した実施例では、板状部材としてシンチレータ１６（２０）を例に挙げて説明したが、発光物質がドープされた光ファイバを板状に巻回して板状部材を形成することも可能である。この場合、光信号を電気信号に変える必要がなく、発光した光を光ファイバにより制御装置４に送ることができる。

図７に基づいて地層の密度分布を把握するための検層装置による検層の他の例を説明する。図７には割れ目と処分坑の検層を行っている状態の概念を示してある。図１に示した検層装置３は同一構成であるため、同一符号を付してある。

岩盤３１には、例えば、廃棄物を処分するための処分坑３２が形成されている。処分坑３２は立坑３３に連続した横坑となっている。そして、処分坑３２の周囲には、割れ目３５が存在している。地上から処分坑３２の下を通るボーリング孔３４（例えば、１５０ｍｍ程度）が形成されている。

例えば、深さが３００ｍの位置に処分坑３２が設けられている場合、ボーリング孔３４には、例えば、４箇所に検層装置３が配され、発光手段の姿勢や発光状況が入力される制御手段（制御装置）４が地上に備えられている。制御装置４は発光手段の姿勢や発光状況に基づいて、岩盤３１の地層の密度の状況が検出される。

つまり、それぞれの検層装置３に衝突するミューオン５の入射角度や数が発光手段の発効状況により検出され、地層の密度の状況が求められる。再度、それぞれの検層装置３に衝突するミューオン５の入射角度や数が発光手段の発効状況により検出され、地層の密度の状況が求められ、密度の変化に基づいて地層の密度分布の状況が把握される。

制御装置４では、地層の密度分布の状況に基づいて、処分坑３２の周囲の割れ目３５の状況が検出され、地下水の流路（水みち）の状況を把握することができ、処分坑３２の評価を的確に行うことができる。

尚、周囲の地層の密度の状況が予め把握できている場合、密度の変化を求める必要がないため、検層装置３による一度の検出により地層の密度分布の状況を把握して検層を実施することができる。

本発明の検層装置３は、帯水層等にＣＯ_２を貯留した施設における岩盤、帯水中のＣＯ_２移行範囲の把握や、岩盤に原油等を貯留した施設、及び、施設周辺における割れ目内の流体の流動状況の把握に適用することができる。

また、本発明の検層装置３は、ミューオン５の衝突による発光を検出して地層の密度を把握しているが、シンチレータ１６に代えて異なる材料の検出手段を適用することで、ニュートリノや放射線等の粒子を検出する地層の物性の分布を把握するための検層装置とすることも可能である。

本発明は、地層の状況（密度分布）を把握するための検層装置の産業分野で利用することができる。

Ｓ回動中心軸
１，３１岩盤
２ボーリング孔
３検層装置
４制御装置
５，５Ａミューオン
７高飽和度領域層
８未固結地盤層
９岩盤層
１１中央筒
１２端部筒
１３円盤
１４変形抑制部材
１６，２０シンチレータ
１７角度センサ
２１回動軸
２２ステッピングモータ
２４カップリング
３２処分坑
３３立坑
３４ボーリング孔
３５割れ目

Claims

ボーリング孔に挿入され、地層を通過した宇宙線の粒子が衝突することで光を発する発光手段と、
ボーリング孔の軸方向を中心に、回動角度が把握された状態で前記発光手段を回動させる回動手段と、
地上側に配されて前記発光手段の発光状況及び前記回動手段の作動状況が入力され、前記粒子が通過した前記地層の密度の状況を求める制御手段とを備え、
前記発光手段は、板状部材であって表面に粒子としてミューオンが衝突することで発光するものであり、前記ボーリング孔の軸方向に沿って長手を有する一対の矩形板が対向配置され、前記一対の矩形板は、長手方向で複数の領域に発光領域が区画され、
前記回動手段は、対向状態を維持して前記一対の矩形板を回動させるモータであり、
前記モータにより回動された前記一対の矩形板の回動角度を含む情報が前記制御手段に送られ、
前記制御手段は、前記光の発光数と前記回動手段の回動角度に基づいて、前記地層の所望の方向の密度の状況を求める
ことを特徴とする地層の密度分布を把握するための検層装置。
請求項１に記載の地層の密度分布を把握するための検層装置において、
前記一対の矩形板の間に変形抑制部材が挟まれている
ことを特徴とする地層の密度分布を把握するための検層装置。
請求項１もしくは請求項２に記載の地層の密度分布を把握するための検層装置において、
前記板状部材は、発光物質が混入されたプラスチックで形成され、
光を電気信号に変換する光電子増倍管により電気信号を制御手段に送信する
ことを特徴とする地層の密度分布を把握するための検層装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の地層の密度分布を把握するための検層装置において、
前記板状部材は、発光物質がドープされた光ファイバが板状に巻回されて形成され、
発光した光が光ファイバにより制御手段に送られる
ことを特徴とする地層の密度分布を把握するための検層装置。