JPH10319136A

JPH10319136A - 楕円体パラメータを測定する電磁探査法

Info

Publication number: JPH10319136A
Application number: JP14098897A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Nakazato; 裕臣中里; Mutsuo Takeuchi; 睦雄竹内
Original assignee: NORIN SUISANSYO NOGYO KOGAKU K; NORIN SUISANSYO NOGYO KOGAKU KENKYUSHO
Current assignee: NORIN SUISANSYO NOGYO KOGAKU K; NORIN SUISANSYO NOGYO KOGAKU KENKYUSHO
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-12-04
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: JP3041415B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電磁探査の効率化を図る。【解決手段】地表の所定の場所に配置され、送信器１１
と電気的に接続されて所定の周波数の電磁波を発信する
移動可能な送信アンテナ１０と、この送信アンテナ１０
と所定の距離を隔てた測定点に応じて移動され、受信器
２１と電気的に接続されて送信アンテナ１０から発信さ
れた電磁波を受信する受信アンテナ２０とを備え、受信
アンテナ２０を、一次磁場と二次磁場との合成磁場の直
交２成分を検出する２成分検出アンテナ２２、２３から
構成している。受信器２１は、検出された２成分を測定
し合成磁場の直交２成分間の磁場強度比と位相差と、送
受信アンテナ１０、２０間の距離ｒと発信された電磁波
の周波数とから地下の垂直方向の比抵抗ρ₁ 、ρ₂ を解
析する。測定の際には、送受信器１１、２１をそれぞれ
測定する線に沿って移動させては測定を行うようにして
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は地下構造を探査する
電磁探査法に関し、特に、楕円体パラメータを測定する
電磁探査法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ダム湖岸の地滑りや面積数km² に
及ぶ地滑りなど、比較的広い範囲に及ぶ地質的条件に起
因する災害が増加しており、広域の地下構造を効率よく
かつ正確に解明するための調査法が求められている。従
来、このような地下構造の調査法として、信号源に潜水
艦通信用の超長波（ＶＬＦ送信局からの電磁波）を受動
的に利用するＶＬＦ（Very Low Frequency）法や、電磁
法（ＥＭ法）が知られている。ＶＬＦ法では、受信器の
みで測定が可能であり、作業性の面で優れているが、利
用できる電磁波の周波数が限定されるため、深度方向の
比抵抗変化に対する探査精度が低い。ＥＭ法には、時間
領域で測定を行う方法と周波数領域で測定を行う方法と
がある。時間領域測定法では、地下の情報を多く含んだ
二次磁場のみを測定するようにしている。このため、強
度の大きい一次磁場の影響を考慮する必要はないが、送
信アンテナとして数１０〜数１００ｍのループアンテナ
の敷設が必要となり、特に、地形の複雑な地域では、移
動しながら測定する測定作業の能率が悪い。これに対
し、周波数領域で測定を行う方法では一対の小型ループ
アンテナ（送信器と受信器）を携帯すればよく、複数の
周波数の電磁波を使用することにより、深度方向の比抵
抗変化を測定することができ、作業性および精度の点で
有利である。

【０００３】従来の周波数領域のＥＭ法は、図９に示す
ように、送信器３と電気的に接続された送信ループアン
テナ２を地表の所定の位置に設置し、送信器３から送信
ループアンテナ２に所定の周波数のサイン波交流電流を
送信し、電磁波を発生させる。送信器３には送信ループ
アンテナ２により生じる一次磁場の誘導起電圧と位相を
測定するリファレンスコイル４が設けられる。送信器３
から所定の距離離れた測定位置には、受信ループアンテ
ナ５が設置され、この受信ループアンテナ５は受信器６
に電気的に接続される。受信ループアンテナ５は、地下
の情報を含まない一次磁場と地中に誘起された渦電流に
よる二次磁場の合成磁場によって誘導電流を生じるよう
になっている。そして、送信器３と受信器６との間はリ
ファレンスケーブル７により接続され、リファレンスケ
ーブル７はリファレンスコイル４により測定された誘導
起電圧（一次磁場の強度）と位相とを受信器６に伝える
ようになっている。受信器６は、リファレンスケーブル
７によって伝えられる一次磁場の誘導電圧から受信電圧
の同相成分の一次磁場の影響をキャンセルし、同相・離
相成分の一次磁場と二次磁場の強度比を求めるようにな
っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の周波数領域のＥＭ法では、送信器から一次磁場の強
度と位相情報とを受信器に伝達するため、送信器と受信
器との間をリファレンスケーブルで接続しなければなら
ない。このため、立ち木の多い傾斜地や交通量の多い場
所で探査する場合、図１０に示すように、リファレンス
ケーブルの切り離しと接続を繰り返さなければならず、
作業能率が低下するという問題があった。

【０００５】本発明は上記問題点を除くためになされた
もので、地理的条件に左右されることなく、簡素な構成
で効率よく探査データの収集を行うことができる電磁探
査法を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る楕円体パラ
メータを測定する電磁探査法は、送信器に電気的に接続
された送信アンテナを地表の所定の場所に配置するとと
もに、受信器に電気的に接続された受信アンテナを上記
送信アンテナと所定の距離を隔てた測定点に配置し、送
信アンテナから所定の周波数の電磁波を発信させ、発信
された電磁波による地下情報を含まない一次磁場と発信
された電磁波により地中に生じる二次磁場との成分をそ
れぞれ測定して測定場所の地下の比抵抗を求めた後、こ
れら送受信アンテナを所望の測定線に応じて移動させ、
この移動と測定とを繰り返しつつ地下の比抵抗を解析す
る電磁探査法であって、受信アンテナに、上記一次磁場
と二次磁場との合成磁場の直交２成分を検出させ、受信
器によりこれら検出された２成分を測定し合成磁場のベ
クトルにより導かれる楕円体パラメータに基づいて合成
磁場の直交２成分間の磁場強度比と位相差とから楕円率
と伏角とを求め、この楕円率と伏角の比に基づいて送受
信アンテナ間の距離と発信された電磁波の周波数とから
地下の比抵抗を解析するようにしたものである。

【０００７】本発明に係る楕円体パラメータを測定する
電磁探査法では、送信アンテナを地表の所定の場所に、
受信アンテナを送信アンテナと所定の距離を隔てた測定
点にそれぞれ配置し、送信器により送信アンテナから所
定の周波数の電磁波を発信させる。受信アンテナが、一
次磁場と二次磁場との合成磁場の直交２成分を検出する
と、受信器はこれら検出された２成分を測定し、測定値
に基づいて送受信アンテナ間の距離と発信された電磁波
の周波数とから測定場所の地下の垂直方向の比抵抗を解
析する。次に、これら送受信アンテナを所望の測定線に
応じて移動させ、この移動と測定とを繰り返しつつ地下
の比抵抗を解析するようになっている。送信アンテナか
ら発信された電磁波の測定時、受信アンテナだけで一次
磁場と二次磁場との合成磁場の直交２成分を検出するこ
とができるので、測定時に、送信器側から一次磁場の強
度と位相の情報を得る必要がない。このため、送受信器
間を電気的に接続しなくても測定することができるの
で、測定作業が効率化される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基いて本発明の実施
の形態について説明する。図１は本発明の電磁探査法に
用いられる電磁探査装置の一実施の形態を示す概念図で
ある。電磁探査装置は、図１に示すように、送信側に
は、送信ループアンテナ１０とこの送信ループアンテナ
１０に電気的に接続された送信器１１が、受信側には、
受信ループアンテナ２０とこの受信ループアンテナ２０
に電気的に接続された受信器２１がそれぞれ配置され
る。送信ループアンテナ１０は面が水平に保持されて地
表の所定の測定位置に設置される。送信器１１は送信ル
ープアンテナ１０に所望の周波数のサイン波交流電流を
送り、送信ループアンテナ１０から所定の周波数の電磁
波を出力させる。また、送信器１１は送信ループアンテ
ナ１０に高低の異なる周波数（例えば、３０kHz ，１７
kHz ，１０kHz ）を送出することができるようになって
いる。受信ループアンテナ２０は送信ループアンテナ１
０から所定の距離を隔てた測定点に配置される。受信器
２１は、受信ループアンテナ２０が送信ループアンテナ
１０から発信された電磁波を大地からの電磁応答信号と
して受信すると、この受信信号に基づいて地下の比抵抗
を検出するようになっている。

【０００９】ところで、受信ループアンテナ２０は、図
１に示すように、第１のループアンテナ２２とこの第１
のループアンテナ２２のアンテナ面に対して直角となる
第２のループアンテナ２３とからなっている。第１のル
ープアンテナ２２は水平に保持される。第２のループア
ンテナ２３はアンテナ面が送信ループアンテナ１０のア
ンテナ面に対して直角に、かつ、送受信ループアンテナ
１０、２０間を結ぶ線に対しても直角となるよう配置さ
れる。このように、受信ループアンテナ２０は、第１お
よび第２のループアンテナ２２、２３からなる直交２成
分検出アンテナから構成され、地下の情報を含まない一
次磁場と送信ループアンテナ１０から発信された所定周
波数の電磁波に応じて地中に誘起された渦電流による二
次磁場との合成磁場の直交２成分を検出するようになっ
ている。そして、受信器２１は、受信ループアンテナ２
０が合成磁場の直交２成分を検出すると、直交２成分間
の磁場強度比および位相差を測定するようになってい
る。このため、送信器側１０、１１から、送信ループア
ンテナ１０により生じる一次磁場の誘導起電圧（一次磁
場の強度）と位相との情報を得なくても、受信器側２
０、２１のみで独立に合成磁場の直交２成分間の磁場強
度比および位相差を測定することができ、これらの測定
値から地下の比抵抗を測定することができるようになっ
ている。

【００１０】次に、本発明に係る楕円体パラメータを測
定する電磁探査法について上記構成に係る電磁探査装置
の作用に基づいて説明する。図１に示すように、まず初
めに、送信器１１に電気的に接続された送信ループアン
テナ１０を地表の予め決められた測定線上の所定の場所
に配置する。次に、受信器２１に電気的に接続された受
信ループアンテナ２０を送信ループアンテナ１０と所定
の距離ｒ（距離ｒは数１０ｍ〜数１００ｍの範囲）を隔
てた測定点に配置する。そして、送信器１１により送信
ループアンテナ１０から所定の周波数の電磁波を発信さ
せる。受信ループアンテナ２０は、送信ループアンテナ
１０から発信された電磁波を大地からの電磁応答信号と
して受信し、地下情報を含まない一次磁場と送信ループ
アンテナから発信された電磁波により地中に生じる二次
磁場との合成磁場の直交２成分を検出する。

【００１１】ここで、この受信ループアンテナ２０によ
り検出された成分の測定値から誘導される楕円体パラメ
ータの求め方を以下に示す。電磁波が大地を通過すると
き、一次磁場の変化を打ち消すように、二次磁場が発生
する。このため、空間的に任意の２方向の成分を考えた
とき、２つの成分の位相が一致しないため、合成磁場の
ベクトルは楕円の軌跡を描く。いま、角速度ωの電磁波
について受信点でのＺおよびＸの直交２方向の磁場の強
さをそれぞれ、数１と示す。実数部分をＨz 、Ｈx とす
ると、数２のように示される。数１、数２の式を２乗し
て時間因数のωｔを消去すると、Ｈx −Ｈz 座標系上で
の楕円の方程式が得られる。その方程式を数３および数
４に示す。以上の関係は図３に示すように、楕円分極と
楕円体パラメータとを示すグラフとして表される。図３
において、短軸と長軸の比（Ｈ₂／Ｈ₁ ）を楕円率εと
いい、長軸のＨx 軸からの傾きαを伏角という。これら
が楕円体パラメータである。

【００１２】

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【００１３】ところで、図３において楕円上の任意の動
点（Ｈx ，Ｈz ）の動径と偏角をそれぞれ、Ｒ、θとす
ると、数５の式で表される。これを数３の式に代入して
Ｒ²について解くと、数６および数７が得られる。数６
の式よりＨ₁ 、Ｈ₂ を求めると、数８および数９の式で
表される。これら数８および数９の式より楕円率εは数
１０の式のように表される。また、伏角αは、数９にお
いてＲ² 最大となるときのθであり、このときのθは２
θ−β＝２ｎπ（ｎは整数）を満足しなければならな
い。ここでｎ＝０とおけば、数１１の式で示される。従
って、αは数７および数１０の式から数１２の式のよう
に求められる。以上により、数１０の式および数１２の
式に示されるように、楕円率εと伏角αは磁場の直交２
成分の振幅比（ｈz ／ｈx ）と位相差（δ）を測定する
ことにより求められる。

【００１４】

【数５】

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】

【数１０】

【数１１】

【数１２】

【００１５】次に、楕円体パラメータから大地の比抵抗
を求める方法について説明する。Frischknecht(1967)に
よれば、図１に示す地層が水平２層構造の地表面上での
アンテナ配置についての電磁応答式は、水平ループアン
テナについては、数１３の式で、垂直ループアンテナに
ついては数１４の式でそれぞれ与えられる。これら数１
３と数１４の各式を用いて均一大地（ρ₁ ＝ρ₂ ）の場
合の電磁応答を計算し、誘導定数Ｂについて伏角αおよ
び楕円率εを計算すると、図５に示すグラフを得ること
ができる（図５は、均一大地における誘導定数Ｂに対す
る伏角αおよび楕円率εの変化を示すグラフであ
る。）。ここで、ε／（９０°−α）と誘導定数Ｂの関
係を見ると、図６に示すように、両対数スケール上で３
本の折線Ｌ₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ で近似される。このことから
楕円体パラメータ（伏角α、楕円率ε）から誘導定数Ｂ
を求めることができる。このため、誘導定数Ｂの中の送
受信器間距離（＝送受信ループアンテナ間距離）ｒと電
磁波周波数ｆが既知であることから見かけ比抵抗ρを求
めることができる。見かけ比抵抗ρは地層の種類に応じ
て異なっていることから、見かけ比抵抗ρが求められれ
ば、地層の種類が推定できる。また、送信器１１は、高
低の異なる複数の周波数の電磁波を送信ループアンテナ
１０から発信させるようにしている。これは、一般に低
周波数の電磁波ほど深部へ透入するからで、深度方向の
比抵抗変化をとらえるようにしている。

【００１６】

【数１３】

【数１４】

【００１７】そして、図４に示すように、予め決められ
た測定線上の所定の測定場所で、送信器側１０、１１か
ら発信された電磁波を受信器側２０、２１で成分を検知
して測定し、地中の比抵抗を解析すると、次に、これら
送信側機器１０、１１と受信側機器２０、２１をそれぞ
れ所望の測定線に応じて移動させ、この移動と測定とを
繰り返しつつ地下の比抵抗を解析するようになってい
る。このように、受信アンテナだけで一次磁場と二次磁
場との合成磁場の直交２成分を検出することができるの
で、測定時に、送信器側から一次磁場の強度と位相の情
報を得なくとも、すなわち、送受信器間を電気的に接続
しなくても測定することができるので、移動時、送信器
側と受信器側との接続作業が不要となり、測定作業が効
率化される。また、送受信器間に障害物が存在しても障
害物に制約を受けることなく測定作業を行うことができ
るので、測定作業を容易に行うことができる。

【００１８】

【実施例】次に、上記構成に係る電磁探査装置を用いて
実験を行った一実施例を示す。図２は農業工学研究所流
出実験フィールドにおいて行った実験地の地下断面図を
示すもので、実験装置の仕様を図７に示す。また、実験
装置は、図２に示すように、送信ループアンテナ１０は
面が水平に保持される水平アンテナで、受信ループアン
テナ２０は直交する第１および第２のループアンテナ２
２、２３からなっている。そして、この受信ループアン
テナ２０は水平面から４５°傾けて設置される。つま
り、直交アンテナである受信ループアンテナ２０を垂直
に保持するのは難しいが、平坦な場所に直交する第１お
よび第２のループアンテナ２２、２３がそれぞれ接する
ように設置すると、容易に４５°の角度で設置すること
ができるからで、しかも、この傾斜角度４５°は解析に
おいて容易に補正することができるからである。すなわ
ち、受信ループアンテナ２０は、たとえ傾斜していて
も、第１および第２のループアンテナ２２、２３により
直交２成分を検出することができるようになっている。
実験地は平坦な草地である。この場所の地下地層は、図
２に示すように、測定場所近傍のボーリング資料から地
表下３ｍまでがローム層、地表下７ｍまでが粘土層、地
表下４０ｍまでが砂層の層構造であることが確認されて
いる。また、見かけ比抵抗値は送受信器間の中点に便宜
的に表示している。図２における地点Ａ₁ は電気探査解
析位置を示し、この電気探査解析位置では、予め電気探
査により地中の比抵抗が解析されている。この実験地で
予め行った比抵抗法電気探査の結果から、それぞれの地
層の比抵抗はローム層が２４０Ωｍ、粘土層が４０Ω
ｍ、砂層については地表下２２ｍまでが８０Ωｍ、それ
以上深い層が２００Ωｍと求められている。

【００１９】次に、図７に示す仕様の実験装置を用いて
実験地で実験を行った。図８に流出実験フィールド端を
起点として、送受信器間隔４０ｍ、仕様電磁波周波数３
０kHz ，１７kHz ，１０kHz で行った実験結果を示す。
各アンテナ１０、２０の配置および得られた見かけ比抵
抗値については図２にも示している。これら実験結果か
ら、測定値および計算値である伏角、楕円率の値は地層
の層構造を反映し、使用周波数ごとにほぼ一定の値を示
している。これらの楕円体パラメータから得られる見か
け比抵抗値は１５〜１００Ωｍの範囲にあり実験地周辺
の見かけ比抵抗値として妥当な値である。また、より低
周波数の測定ほど高い見かけ比抵抗値を示している。こ
れは一般に低周波数の電磁波ほど深部へ透入することか
ら、粘土層から砂層にかけての深度方向の比抵抗変化を
とらえたものである。このように、実験結果から、図９
および図１０に示す従来のものに比して、本発明のもの
は、送信側と受信側とをケーブルにより接続しなくと
も、同じ探査精度を得ることができるので、接続作業が
不要となり、作業能率を向上させることができる。ま
た、ケーブルが不要となったので、送受信器間に障害物
があっても容易に探査することができる。

【００２０】なお、上記実施例では、受信ループアンテ
ナ２０を４５°傾斜させているが、これに限られるもの
ではなく、解析時補正するのであれば、水平面に対して
０〜９０°の範囲で傾斜させてもよい。また、受信ルー
プアンテナ２０の第２のループアンテナ２３の垂直を確
保するのに器具を用いるようにしてもよい。いずれにし
ろ、本発明の場合、受信ループアンテナについては、Ｘ
成分とＺ成分のみ考慮に入れ、Ｙ成分は考慮に入れてい
ない。また、地面が傾斜している場合には、解析された
データを地面傾斜のデータにより補正し、傾斜面に応じ
たデータを収集するようにしている。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る楕円体
パラメータを測定する電磁探査法によれば、受信アンテ
ナに、上記一次磁場と二次磁場との合成磁場の直交２成
分を検出させ、受信器によりこれら検出された２成分を
測定し合成磁場のベクトルにより導かれる楕円体パラメ
ータに基づいて合成磁場の直交２成分間の磁場強度比と
位相差とから楕円率と伏角とを求め、この楕円率と伏角
の比に基づいて送受信アンテナ間の距離と発信された電
磁波の周波数とから地下の比抵抗を解析するようにした
ので、測定時、受信アンテナだけで一次磁場と二次磁場
との合成磁場の直交２成分を検出することができる。こ
のため、送信器側と受信器側とを電気的に接続しなくと
も測定することができ、測定作業が効率化される効果が
ある。また、送受信器間を接続するケーブルが不要とな
るので、たとえ送受信器間に障害物があっても測定する
ことが可能となり、測定場所の制約がなくなるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る楕円体パラメータを測定する電磁
探査法に用いられる電磁探査装置の一実施の形態を示す
概念図である。

【図２】実験地の地下断面図と本発明の実験装置の配置
と実験結果の比抵抗値を示す説明図である。

【図３】楕円分極と楕円体パラメータを示すグラフであ
る。

【図４】本発明に係る楕円体パラメータを測定する電磁
探査法による測定時の工程を示すチャートである。

【図５】均一大地における誘導定数Ｂに対する伏角αお
よび楕円率εの変化を示すグラフである。

【図６】楕円体パラメータ比と誘導定数の関係を示すグ
ラフである。

【図７】実験装置の仕様を示すデータである。

【図８】実験結果を示すデータである。

【図９】従来の電磁探査装置を示す概念図である。

【図１０】従来の電磁探査法による測定時の工程を示す
チャートである。

【符号の説明】

１０送信アンテナ１１送信器２０受信アンテナ２１受信器２２第１のループアンテナ（２成分検出アンテナ）２３第２のループアンテナ（２成分検出アンテナ） ε 楕円率 α 伏角ｒ送受信アンテナ間の距離 ρ、ρ₁ 、ρ₂ 地下の比抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信器に電気的に接続された送信アンテ
ナを地表の所定の場所に配置するとともに、受信器に電
気的に接続された受信アンテナを上記送信アンテナと所
定の距離を隔てた測定点に配置し、送信アンテナから所
定の周波数の電磁波を発信させ、発信された電磁波によ
る地下情報を含まない一次磁場と発信された電磁波によ
り地中に生じる二次磁場との成分をそれぞれ測定して測
定場所の地下の比抵抗を求めた後、これら送受信アンテ
ナを所望の測定線に応じて移動させ、この移動と測定と
を繰り返しつつ地下の比抵抗を解析する電磁探査法にお
いて、受信アンテナに、上記一次磁場と二次磁場との合
成磁場の直交２成分を検出させ、受信器によりこれら検
出された２成分を測定し合成磁場のベクトルにより導か
れる楕円体パラメータに基づいて合成磁場の直交２成分
間の磁場強度比と位相差とから楕円率と伏角とを求め、
この楕円率と伏角の比に基づいて送受信アンテナ間の距
離と発信された電磁波の周波数とから地下の比抵抗を解
析するようにしたことを特徴とする楕円体パラメータを
測定する電磁探査法。
【請求項２】送信アンテナを水平に保持されるループ
アンテナから構成し、受信アンテナを互いに直交する２
つのループアンテナから構成するとともに、測定時、こ
れら受信側のループアンテナの一方を水平に、他方を送
信ループアンテナの面に対して直角に保持することを特
徴とする請求項１に記載の楕円体パラメータを測定する
電磁探査法。
【請求項３】送信アンテナを水平に保持されるループ
アンテナから構成し、受信アンテナを互いに直交する２
つのループアンテナから構成するとともに、測定時、受
信側の直交するループアンテナを水平面に対して所定角
度傾斜させて配置し、解析時、この傾斜角度を補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の楕円体パラメータを
測定する電磁探査法。
【請求項４】測定時、送信器は深度に応じた異なる複
数の周波数を送信アンテナに送信することを特徴とする
請求項１に記載の楕円体パラメータを測定する電磁探査
法。