JPS5827875B2 - 大地中の導電率分布を調査する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば地熱領域や永久氷結上領域の輪郭を描
写する目的あるいは鉱石等からなる地表や異常導電領域
の下に横たわる水を検出する目的で大地内の導電率（抵
抗率）の分布を調査するための情報源を得るための方法
と装置に関する。

地球の表面の抵抗率または導電率を測定するための従来
一般の方法は、大地に複数の電極を打ち込み、これら電
極間に電圧を印加し、大地を通って電極間に流れる電流
を測定することであった。

しかしこの方法は、調査用線路を必要とすることに加え
電極と大地との間に良好な電気的接触を確立しなければ
ならず、その結果測定が遅くて厄介になりしかも少量の
情報しか得られず、さらには冬とか岩の多い地形等の条
件下では電極を大地に適正に電気的接触させるのが困難
でほとんど利用不可能である。

また従来、高出力送信ステイション等の無限に遠方の源
から発生される電磁界を利用し、該ステイションからの
電磁波の伝搬方向と整列させて大地中に打ち込んだ複数
の結合された導電性くい棒と、電磁波の伝搬方向と垂直
な軸を有するよう配置されたコイルとを用いて電磁波成
分（磁界、電界）を測定し、これにより地球の見掛は上
の導電率を求めるたとがなされている。

しかしこの方法では周波数等に関しての送信信号の制御
が地球物理測量技師の管理下にないという制限があり、
限られた導電率情報しか得られず、かつ又極めて限定さ
れた深さの測定しか適用され得ない。

また、発生された電磁界の傾度を測定することにより地
球表面の見掛は上の導電率を決定することも提案されて
いる。

しかし、この方法も深さ侵透度が制限されしかも導電率
分布に関して比較的限定された程度の情報しか得られな
い。

また、地上に大きな水平ループの送信コイルを配置して
電磁界を発生させ、送信コイルから遠隔の地点において
送信電磁界に対して位相のずれた磁界成分を測定し、こ
れにより大地内の垂直方向導電領域を検出することも行
われている。

しかしこの方法は水平方向の導電層を測定するには利用
性に乏しく、また磁界成分の位相シフトを測定するため
の基準信号として送信コイルの発生電磁界と同位相の信
号を使用することからケーブルを送信点と受信点間に引
くため極めて大きな物理的ハンディを伴なっている。

また遠隔のラジオ局から送信される低周波数（ＶＬＦ）
を利用し、飛行機等の乗物に取付けた水平磁気２極アン
テナや垂直電気アンテナ等により送信されてきた地上波
の電界成分と磁界成分を検出しそれらの振幅および位相
関係を測定することにより大地内の導電率の分布を調査
するための情報源を得ることが、例えば米国特許第３，
５９４，６３３号により知られている。

しかし、このような方式には、周波数がラジオ局の特定
周波数に固定されること、受信点が移動体であり検出ア
ンテナの向きは移動体の移動方向によって規定されるこ
と、得られる情報源は電界成分に対する水平磁気成分の
大きさと位相（の変化）であるにすぎないこと等の制限
がある。

本発明によれば、送信点において約５ヘルツから４３，
０００ヘルツまでの範囲内で変えられる一連の周波数で
電磁界を発生し、受信点において各周波数の電磁界と最
小の結合をもって誘導される磁界と最大の結合をもって
誘導される磁界と送信点から受信点に向う線に直交しか
つ大地に沿って電磁界から誘導される電界とを検出し、
これらの磁界と電界を受信点に隣接する位置で電磁界か
ら電磁気的に生成されかつ電磁界に対し任意の位相関係
を有する基準信号に対して同位相の成分と直角位相の成
分とにつきそれぞれ測定し、それらの測定値から大地中
の導電率の任意の不連続の輪郭を描写するための情報源
を得るのであり、これによって送信点と受信点間にケー
ブル等の物理的接続を必要とすることなく大地中の導電
率の分布に関する高度（精密）な診断情報が得られる。

好ましくは、本発明に従い受信点において生ぜしめられ
る電磁界の測定を行うに際し、磁界の同位相および非同
位相の成分は受信コイルが送信電磁界と最小の結合をも
って測定されるようになった第１の受信コイル位置およ
び受信コイルが送信電磁界と最大の結合を行うように方
向づけられている第２の受信コイル位置に対して受信さ
れるようにされる。

更にこの接続においては、電界は測定されるときは送信
点および受信点を結ぶ線に直角な方向において大地に沿
い測定される。

更に本発明によれば、好ましくは約５ヘルツから約４３
，０００ヘルツまでの周波数範囲内の複数の周波数のう
ちの任意の選択された１つの周波数において電磁界を生
じさせるための送信機ユニット、磁界成分を測定するた
め送信電磁界との結合を変えるように方向づけることの
できる受信機コイルを含む受信機ユニット、および送信
信号から基準信号を誘導しそれを前記受信機ユニットに
供給する装置が設けられ、この受信機ユニットは基準信
号と同位相および非同位相（すなわち、直角位相）の受
信機コイルによって検出される磁界の成分の大きさを測
定するようになっている。

更に本発明の好ましい実施例によれば、送信点と受信点
を結ぶ線を横切って直交方向にさし通され得るようにな
っているその両端部を接地するための手段を有するケー
ブルが設けられ、このケーブルは大地に沿い受信点にお
いて送信機により生せしめられる直交電界成分を測定す
るようになっている。

更に本発明によれば、受信機ユニットに供給される電磁
的に誘導される基準信号は電界成分検出ケーブル、また
は受信点に隣接して設定されかつ必ずしも必要ではない
が好ましくは送信機コイルと最大の結合を行うように方
向づけられる補助コイルのいずれかから誘導される。

以下図面を参照しながら本発明を説明する。

第１図において、送信機コイル１は大地上にほぼ水平に
配置され垂直な軸２を有するコイルとして示されている
。

このコイルはほぼ円形の路内に配置されかつ例えば約４
５メートル（１５０フイート）の直径を有する複数の巻
回からなるようにされ得る。

この送信機は送信機電源３によって附勢され、この電源
３はエンジン駆動発電機４、送信機コイルの出力を多数
の選択可能な周波数の１つに同調するための複数のコン
デンサを含む同調装置５を含む。

例えは、約５ヘルツから約４３．０００ヘルツまでの範
囲内において漸進的なステップにある１４の別個の周波
数（普通の電力伝送線からの干渉を避けるため５０サイ
クルないし６０サイクルの普通の電力線周波数を含まな
い）において電磁界を送信するように送信機コイルが附
勢されるようになっている試験装置が組立てられた。

好ましくは送信機電源には巻回選択器６を含ませて附勢
される送信機コイル１の巻回の数を希望に従い（例えば
１巻回から約１０巻回まで）変えられるようにする。

加うるに、送信機電源は電流制御装置７を含み、線３０
を通し送信機コイル１に供給される電流が約１０ないし
１５アンペアの最大値まで変えられるようになっている
。

例えば適当なかすがいまたは他の支持構造（図示せず）
に都合よく支えられる受信機コイル８は、実線で示され
ているそれの軸１０が送信機コイルの中心に対する照準
線方向ｔｔ Ｒｊ）と整夕１ルかつそれの巻回面が送信
機コイル１の附勢により発生される磁界成分と最小の結
合を行うようにそれに垂直であるような方向をもって送
信機コイルの中心９から半径方向に測ってＲ”の距離に
支持されるように配列される。

受信機コイルは点線によって実線位置に対して９０°の
関係に示されており、ここで軸１０は点線でもって方向
ｔｔ Ｒｊｆｉに垂直で送信機コイル１の附勢により発
生される磁界と最大の結合を行うように送信機コイルの
軸２に対し平行なものとして示されている。

線゛″Ｒ９１を横切って直角に延び点線位置（こあると
きの受信機コイル８の軸と交差するケーブル１２は接地
された両端１３を有する。

このケーブル１２は−ｆ−′に直角に大地の表面にわた
って送信機コイル１の附勢により生ぜしめられる電界を
測定するように配列されており、このケーブルは電界を
測定しているので大地との接触はその両端部で足り、従
来の打込み電極のように大地との間に良好な電気接触を
得るための特別の構成は必要でない。

受信機コイル８に隣接して補助的受信機コイル１４が示
され、このコイル１４は任意の希望する方向に向けるこ
とができるが、送信機コイル１を附勢することによって
発生される電磁界の磁界成分と実質上最大の結合を行う
方向に向けるのが好ましい。

受信機ユニット１５は、導線１７により補助的受信機コ
イル１４に接続された基準入力端子１６を備える。

受信機コイル１４は本発明による基準信号を与える。

受信機コイル８で検出された誘導磁界とケーブル１２で
検出された誘導磁界は、この基準信号に対して同位相の
成分と直角位相の成分とにつきそれぞれ測定される。

別の方法として、基準信号を、ケーブル１２を点線１８
で示されているよ・うに基準入力端子１６に接続するこ
とによって、ケーブル１２から簡単に得ることもでき、
補助的コイル１４を取り除くこともできる。

導体ケーブル１９は受信機コイル８から磁界入力端子２
０までの接続を写え、導体２１はケーブル１２と電界入
力端子２２との間の接続を与える。

便宜上、受信機は３つの計器、すなわち基準信号の大き
さを指示するための基準信号計器２３、受信機コイルに
よって測定されつつある磁界の同位相成分の大きさくす
なわち、基準信号と同位相である磁界成分の大きさ）ま
たは基準信号と同位相である電界の大きさを選択的に指
示するための同位相信号計器２４、および計器２５を含
み、計器２５は基準信号と直角位相関係にある測定され
つつある磁界成分の大きさを測定し、或いは、ケーブル
１２によって測定される電界が考察されているときは、
計器２５は基準信号と直角位相関係にある電界成分の大
きさを測定する。

受信機コイル８によって測定される磁界の同位相および
非同位相成分ならびにケーブル１２によって測定される
電界は大地の導電率分布、言い換えれば、大地の抵抗率
分布について高度に診断に役立つ情報を与える。

測定を行うに際して、一連の測定が１つの周波数に同調
された送信機コイルでもって行われ、次いで第２の一連
の対応する測定が異なる１つの周波数を与えるように同
調された送信機でもって行われ、以下同様にして複数の
測定が複数の異なる周波数において行われ、低い方の周
波数は高い方の周波数よりもより深いところまで大地中
を観察する。

このようにして得られた測定は大地中の種々の深さにお
ける導電率（或いは抵抗率）の不連続を決定して導電率
変化のある水平位置かまたは深さ方向に位置する領域の
輪郭を描写する手段を与える。

このようにして、例えば、本発明は送信点９と受信点２
６との間に位置する地熱領域、或いは永久氷結上の深さ
の輪郭を描写するのに有益である。

このような永久氷結上は非凍結大地、地下水または沈下
特性を有する鉱石などの導体と異なる導電特性を有する
が、しかし発生された電磁界の侵透の深さにわたって成
る重要な横方向の広がりを提示する。

受信機コイル８は該受信機コイルと関連する同調用コン
デンサユニット２７により各周波数（非常に低い周波数
を除き）に対し送信電磁界の周波数に同調されることが
理解されよう。

同様に、ケーブル１２によって構成される電界検出器ま
たは受信機は受信機ユニット１５と関係づけられる同調
コンデンサユニット２８により送信信号に同調される。

実際上、例えば、受信機コイル８は送信点９から例えば
１８３０メートル（２０００ヤード）ないし２７４０メ
ートル（３０００ヤード）の距離に設定されそして層状
の導電性不連続部について約１６００メートル（１マイ
ル）の深さまで輪郭を描写する。

次に第２図の構成による測定動作を述べる。

まず、最初に受信機コイル８を図の実線で示すような位
置に方向配置する。

この場合、受信機コイルは送信機コイル１ａからの電磁
界と最小の結合を有して誘導磁界Ｈｍｉｎを検出し、コ
イル８のループに誘導磁界Ｈｍｉｎに比例する誘導電流
が流れて誘導電圧が生成される。

この誘導電圧はコンデンサユニット２７から導体ケーブ
ル１９を通って磁界入力端子２０に入力される。

これと同時に補助的受信機コイル１４では、設定された
任意の位相関係をもって電磁界から誘導磁界が生成され
、ループ内に誘導電流が流れて誘導電圧が生起する。

この誘導電圧は、導線１７を通って基準入力端子１６に
基準信号として入力される。

受信機ユニット１５では、入力端子に入力された電圧信
号に対して、基準信号と同位相の成分（従って、Ｈｍｉ
ｎ。

ｉ）を同位相信号計器２４により測定するとともに基準
信号と直角位相の成分（従って、Ｈｍｉｎ、ｏ）を直角
位相計器２５により測定する。

一方、ケーブル１２で検出される誘導電界は電圧信号と
して電界入力端子２２に入力される。

そして、誘導磁界（Ｈｍｉｎ ）と同様に基準信号に対
して同位相の成分（Ｅψ、ｉ）および直角位相の成分（
Ｅψ、ｏ）が同位相信号計器２４および直角位相信号計
器２５によりそれぞれ測定される。

こうして得られた測定値から誘導電界Ｅψと誘導磁界Ｈ
ｍｉｎの振幅比およびそれらの位相差が下記の式に従っ
て決定される。

上記の振幅比と位相差は地球物理学的構造の輪郭を描写
するための高度に有益な診断情報を与えるのであり、例
えば上記振幅比から下記の式に従い大地の導電率分布ρ
カニャル（Ｃａｇｒｌｉａｒｄ ）が得られる。

ここでω 円周波数−２πｆ 自由空間中の透磁率＝４πｘｉｏ−７ （ＭＫＳ単位） また地球物理学の分野では周知のように上記位相差から
も他の有益な診断情報が得られるが、本発明は大地の導
電率分布を問題としているためその説明は省略する。

なお上述した動作は約５ヘルツから約４３，０００ヘル
ツまでの範囲内の一連の周波数について行われ、これに
よって広範囲の深度で大地中の導電率を測定できる。

次に受信機コイル８を図の点線で示すような位置に方向
配置する。

この場合、受信機コイル８は送信機コイル１ａからの電
磁界と最大の結合を有して誘導磁界Ｈｍａｘを検出し、
コイル８のループに誘導磁界Ｈｍａｘに比例する誘導電
流が流れて誘導電圧が生成される。

この誘導電圧は受信機ユニットに送られ、上述と同様の
仕方で基準信号に対して同位相分の成分（Ｈｍａｘ、
ｉ ）と直角位相の成分（Ｈｍａｘ、ｏ）が測定される
。

これにより、誘導磁界ＨｍａｘとＨｍｉｎの振幅比およ
びそれらの位相差が次の式に従って得られる。

上記の振幅比および位相差も高度に有益な診断情報を与
え、例えば振幅比は上述の振幅比ＩＥψ１／ Ｉ Ｈｍ
ｉｎ ｌと等価な情報を与えるため大地の導電率分布ρ
カニャルについてクロスチェック、すなわちそれぞれの
計算結果を比較しもし異なっていれば測定エラーが生じ
たものとするチェック方法も行える。

なお、一般に大地中に導電性物体（領域）が存在すると
磁界の振動面が傾き、その傾度は最小結合誘導磁界（Ｈ
ｍｉｎ ）から測定される。

最大結合誘導磁界（Ｈｍａｘ ）は略誘導磁界Ｅψに比
例する。

従って上述の誘導率分布ρカニャルの式においてＨｍｉ
ｎ ｌの代わりＩ Ｈｍａｘ ｌが用いられることはな
い。

種々の測定から得られる結果は、大地中の導電率分布が
一様であると仮定される理論的モデルから得られる理論
的結果と比較され、或いは、大地中の誘電率または抵抗
率分布の不連続を検出するため得られる情報を分析する
任意の他の方法を利用することができる。

第２図を参照すれば、送信機コイル１ａはその巻回面が
垂直でその軸２ａ力坊向ｔｔ Ｔ ｐｐと整列している
状態に方向づけられているのが示されている。

この場合送信機コイルの直径は実質上比較的に小さく、
例えば処理を簡単にするため９メートル（３０フイート
）の程度であるが、巻回数を大きな水平方向送信機コイ
ル１の巻回数の数倍まで増すことができる。

送信機は第１図について説明したのと同じ送信機電源３
によって附勢され、そして受信機コイル８は第１図の構
成で用いられているのと同じ受信機コイルにすることが
でき、受信器ユニット１５は第１図に示された受信機ユ
ニット１５と同じものである。

第２図の構成において、受信機コイル８は送信機コイル
および受信機コイル間のＨｍａｘ （最大の）結合を測
定するためその軸１０が送信機コイルの軸２ａと整列し
、言い換えれば実線位置のベクトル゛ｔ Ｔ ｐｐの方
向と整列している状態において示される。

点線位置では、受信機コイル８は第１図と同じ位置をと
り、そして今はＨｍｉｎ（最小の結合を行う位置にある
送信機コイルおよび受信機コイルで測定される磁界）を
測定する。

やはり、ケーブル１２は直交磁界を測定するためペクト
ツメｔ Ｔ ｐｐに直交するように（φ＝、９００）配
列される。

補助コイル１４はやはり任意の希望する方向に向けるこ
とができるが、効果的に最大の結合を行う方向に向ける
のが好ましい。

また、補助コイル１４を用いる必要はなく、基準信号を
ケーブル１２から得ることもできることが理解されよう
。

基準信号が補助コイル１４の使用によって電磁気的に誘
導されるときはその方向は送信機コイルの成る特定の一
周波数でなされる全ての測定に対し一定のままにされる
ということが理解されよう。

ケーブル１２は常にｔｔ Ｒ”に直交するので、ケーブ
ルが基準信号を電磁気的に誘導するための手段として用
いられるとき基準信号は全ての測定に対し一定のままに
される。

また、例えば、第１図について説明したのと同じ測定を
第２図の構成を用いて得ることができる。

同様に、第３図に対し第１図の構成について得られそれ
を参照して説明したのと測定を第３図の構成でもって得
ることができる。

第３図において、送信機コイル１ａは第２図のものと同
じであり、受信機コイル８も第１図の受信機コイルと同
じである。

しかしながら、第３図において、受信機コイルはその軸
１０が送信機コイル１ａの軸２ａと平行な方向を向くも
のとして実線で示され、従って受信機コイルの実線位置
はＨｍａｘを測定するための送信機コイルと最大の結合
を行う位置であり、第３図の受信機コイルの点線位置は
Ｈｍｉｎを測定するためのコイル位置である。

ケーブル１２はやはり方向ｔｔ Ｒ”に直交する方向に
おいて（Ｅψ＝９０°）大地の電界を測定する。

送信機電源３および受信機ユニット１５は第１図につい
て詳述した送信機電源および受信機ユニットと同じもの
である。

やはり受信点で基準信号を電磁気的に誘導するために補
助コイル１４が設けられるが、別の方法として、基準信
号をケーブル１２から直接に電磁気的に誘導することも
できる。

補助コイルの使用は送信機コイルの電力出力が最小、す
なわち送信点と受信点との間の距離が大きいとき適当な
大きさの基準信号を確実に提供する手段を与え、なぜな
ら補助コイルは最初に設定されるとき送信機と最大の結
合を行うように方向づけられるからである。

前述したように−たび補助コイルの方向づけがなされれ
ば、それは送信機コイルのその特定の周波数において行
われる全ての測定に対してその方向にとどめられなけれ
ばならない。

以上本発明の特定の実施例について説明したが、本発明
はそれに限定されるものではなく、本発明の範囲内で種
々の変形、改変を行いうろことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従い測定を行うための送信機コイルお
よび受信機コイルの１つの配列を示す概略図であって、
受信機コイルを送信電磁界との最小の結合に対して実線
で示し、送信電磁界との最大の結合に対して点線で示し
、送信機電源および受信機ユニットをブロック形で示し
ている図、第２図は本発明に従い測定を行うための送信
機コイルおよび受信機コイルの代案的な配列を示す概略
図であって、受信機コイルを送信電磁界と最大の結合を
行う位置に対して実線で示し、送信電磁界と最小の結合
を行う位置に対して点線で示す図、第３図は本発明に従
い測定を行う送信機コイルおよび受信機コイルの更に別
の配列を示す概略図であって、受信機コイルを送信電磁
界ど最大の結合を行う位置に対しては実線で示し、送信
電磁界と最小の結合を行う位置に対しては点線で示す図
である。 １：送信機コイル、３：送信機電源、４：エンジン駆動
発電機、５：同調装置、６：同調選択器、７：電流制御
装置、８：受信機コイル、９：送信点、Ｒ：信号方向線
、１２：ケーブル、１４：補助コイル、１５：受信機ユ
ニット、１６：基準入力端子、２０：磁界入力端子、２
２：電界入力端子、２３：基準信号計器、２４：同位相
信号計器、２５：非同位相信号計器、２６：受信点、２
７：同調コンデンサ・ユニット、２８：同調用コンデン
サ・ユニット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 地球物理学的構造の輪郭を描写する目的で大地中の
   導電率の分布を調査する方法において、送信点において
   約５ヘルツから約４３，０００ヘルツまでの周波数範囲
   内の一連の周波数で電磁界を発生し、 送信点から有限の距離にある受信点において各前記周波
   数の電磁界と最小の結合をもって誘導される磁界と最大
   の結合をもって誘導される磁界と送信点から受信点に向
   う方向と直交しかつ大地に沿って誘導される電界とを検
   出し、 これらの磁界と電界を、受信点に隣接する位置で前記電
   磁界から電磁気的に生成されかつ該電磁界に対し任意の
   位相関係を有する基準信号に対して同位相の成分と直角
   位相の成分につきそれぞれ測定し、 それらの測定値から大地中の導電率の任意の不連続の輪
   郭を描写するための情報源を得る、ことを特徴とする大
   地中の導電率分布調査方法。 ２ 所定の軸方向を有するよう配置される送信機コイル
   と、 約５ヘルツから約４３，０００ヘルツまでの周波数範囲
   内の複数の周波数で前記送信機コイルを励振するための
   送信機電源と、 受信点において前記送信機コイルと最大の電磁的結合を
   有する位置と最小の電磁的結合を有する位置とに方向配
   置される受信機コイルと、前記送信機コイルの中心と受
   信点とを結ぶ線を直角方向に横切って延びかつその両端
   部を接地してなるケーブルと、 受信点に隣接する位置で電磁気的に生成されかつ前記送
   信コイルの励振に対し任意の位相関係を有する基準信号
   を下記の受信機ユニットに供給するための手段と、 前記最大および最小の電磁気的結合を有する位置の受信
   機コイルによってそれぞれ検出される誘導磁界と前記ケ
   ーブルによって検出される誘導電界とを前記基準信号に
   対して同位相の成分と直角位相の成分とにつきそれぞれ
   測定するための受信機ユニットと、 を具備する大地中の導電率分布調査装置。 ３ 前記受信機ユニットに基準信号を供給するための手
   段は、前記ケーブルから前記受信機ユニットに至る接続
   導体である特許請求の範囲第２項に記載の調査装置。 ４ 前記受信機ユニットに基準信号を供給するための手
   段は、受信点に隣接する位置に配置された補助的コイル
   と該コイルから前記受信機ユニットに至る接続導体であ
   る特許請求の範囲第２項に記載の調査装置。