JPS63269084A - 電磁式地下探査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、電磁波を利用して地下の電気的構造を探査す
る電磁式地下探査装置に関する。

「従来の技術」 電磁式地下探査方法の基本原理は１９５３年にキャニャ
ール（Ｃａｇｉａｒｄ）によって提案された（例えば米
国特許第２，６６７．８０１号参照）。彼は、地下構造
が深度方向にだけ変化し、横方向には一様であって変化
しないという、いわゆる−次元構造の仮定のちとに、見
掛比抵抗ρ、を次のような簡単な式で表現した。

ρ、＝　（１／ωμ）・（Ｅ／Ｈ）”・・・・・・（１
）ただし、ωは角周波数、μは透磁率、Ｅは変動電場、
ＨはＥと直角方向の水平変動磁場である。

ここで、（Ｅ　／　Ｈ）は波動インピーダンスまたは単
にインピーダンスと呼ばれ、周波数の関数である。

電磁波の地下への浸入の深さは、その電磁波の周波数に
依存し、周波数が高いとρ、は地下浅部の影啓を示し、
周波数が低くなるほど地下深部までの影じを示す。従っ
て、各種の周波数でのインピーダンスを測定することに
より、地下深部までの見掛比抵抗ρ、が得られる。すな
わち、地下の電気的構造が深度方向にだけ変化する一次
元構造の場合、任意の一点で、変動電場Ｅどこれに直角
方向の水平変動磁場Ｈとを同時に測定することにより、
地下の電気的構造を知ることができる。

しかし、地下構造が深度の変化とともに一つの水平方向
にも変化している、いわゆる二次元構造の場合には、波
動インピーダンスはテンソル量となる。

このインピーダンステンソルに関する研究は種々なされ
、基本的には、ある地点で変動電場２成分ＥＸ。

Ｅ、と変動磁場３成分Ｈ，，Ｈ，，Ｈ，との合計５成分
の信号を同時に測定する。Ｚ　ＸＸ　Ｉ　Ｚ　Ｘｙｌ　
Ｚ　ｙｙ　＋Ｚ　ｙｙをインピーダンステンソルとする
と、次の弐が成立する。

ただし、Ａ、　　Ｂは磁場変換関数（ティツバ−）。

ここで、Ｘ軸を二次元構造の走向方向と一敗するように
選ぶと、ＬＹはその走向方向の波動インピーダンスとな
り、これは−次元モデルで得られる波動インピーダンス
に対応し、これからその地点の真下の地下の見掛比抵抗
が求められる。Ｚ　ＶＸは、走向方向と直角方向の波動
インピーダンスであり、この関数はＺｏとは異なった性
質をもち、Ａ、Ｂとともに電気的地下構造を解釈する際
に利用される（特に断層の存在の有無など）。

従来は、このような二次元構造の仮定のちとに、変動電
場２成分と変動磁場３成分の合計５成分を観測して電気
的地下構造を推定するＭＴ法（廟ＧＮＥＴＯ装置ＬＵＲ
ＩＣ−ＭＥＴＨＯＤ　）が一般に広〈実施されている。

例えば、特開昭６０−１３３３８７号にその方法と装置
の一例が開示されている。

「発明が解決しようとする問題点」 この従来のＭＴ法によれば、調査地域の地下構造が一次
元または二次元構造のときは効果はある。しかし、実際
の地下構造は複雑であり、特に日本のように地殻活動が
活発な火山列島においては、−次元または二次元構造は
稀であり、大部分は３次元構造（電気的地下構造が深度
方向ばかりでなく、２つの水平方向にもそれぞれ変化し
ている構造）になっている。このような三次元構造に対
しては、二次元構造を仮定して得られる走向方向のイン
ピーダンスＺ１とそれと直角方向のインピーダンスＺ　
ＩＴＸから真の地下構造を正しく知ることは不可能であ
る。

従来のＭＴ法でこれを補償するには、電場２成分と磁場
３成分の計５成分を、調査測線に沿って十分蜜にしかも
極力多数の点で観測しく通常は１１位の間隔であるが、
これを例えば２００　ｍの間隔とする）、各点で二次元
解析を行い、その結果を例えば第７図に示すように測線
方向に並べ、相互に似たような性質で相関させながら、
その′ａＪ線の電気的地下構造の解釈を、人の判断によ
りできるだけ綿密に行うことである。

しかし、この方法では次のような問題がある。

■　一つの測点での５成分観測には、通常１０時間程度
の測定時間を要するので、これを多数実施することは時
間と費泪が増大し、経済的見地から実用的でない。

■　人による相関、解釈には個人差があり、結果が人に
よって異なったものとなり、客観的信頼性が弱く、また
地下構造が三次元の場合は鋭意努力をしても信頼性の低
い結果しか得られない。

■　特に浅い部分（高周波数の部分）に三次元的異常が
あると（通常、地下構造は浅いところほど風化作用、造
出作用による変化を受けやすく、複雑な構造になるのが
一般的）、これが深部（低周波数の部分）の信号を歪ま
せ、深部構造の正しい解析を阻害する結果となる（いわ
ゆる、浅部異常構造による深部構造へのマスキング現象
）。

本発明の目的は、上記■、■、■の問題点を解消するこ
とにある。

「問題点を解決するための手段」 そこで、本発明の装置は、複数の区間に分割された調査
測線の各区間についてその両端の調査点の変動電位差を
測定する手段と、その調査測線付近の水平２成分の変動
磁場を測定する手段と、各調査点の位置を測定する手段
と、その測定された位置データと変動電位差データとか
ら各区間の変動電場を演算する手段と、その変動電場と
上記変動磁場とから区間インピーダンスを算出する手段
と、その区間インピーダンスについて波数変換する手段
と、その変換結果から空間フィルタオペレータを演算す
る手段と、この空間フィルタオペレータに基づいて空間
フィルタの実効方位角を演算する手段と、上記区間イン
ピーダンスに上記空間フィルタオペレータを作用させて
空間フィルタ演算をする手段と、その結果から実効方位
に対するインピーダンスを演算する手段と、そのインピ
ーダンスから見掛比抵抗または真の比抵抗を演算する手
段と、その比抵抗に従って上記調査測線に沿った断面図
をプロットする手段とを備えたものである。

「作　　用」 このような装置では、測定は電場１方向と磁場２方向の
計３成分で済む。位置データから得られた各区間の距離
をΔｌ、（ｉ”１，２．３・・・・・・、ｎ）、傾斜角
をＱｉ　　（区間方向と水平面のなす角度）、各区間の
変動電位差をΔ■１とすると、各区間での変動電場Ｅ＋
は次式で求められる。

Ｅｉ　＝　（ΔＶｉ＞　／（Δ１　＝　・ｃｏｓＱｒ＞
　−（３）また、同時に測定した水平２成分の変動磁場
を、Ｈ，、Ｈ，とすると、各区間でのインピーダンス（
区間インピーダンス）ｚｉ、、ｚ、、は次式で求められ
る。

Ｅ　ｉ　−Ｚ　ｉｘＨＸ　＋　Ｚ　ｔｙＨｙ・・・・・
・（４）この式で求められた区間インピーダンスに対し
、それぞれ次ぎのように水平方向（距離軸）に対し一次
元のフーリエ変換をして波数特性を得る、つまり波数変
換（Ｋ変換）を施す。

ただし、Ｋ、は水平方向のインピーダンスＺ□の波数、
Ｋ、はＺｉｙの波数である。

このに変換により得られた周波数−波数領域におけるイ
ンピーダンス表現においては、三次元的影響による成分
は、高周波数における高波数の分布が同一波数付近にお
いて低周波数領域にまで波及する性質がある。

そこで、これを防止するため、各種の基本型の伝達関数
Ｗ（ｆ、Ｋ）を使用して最適なフィルタＷ、を周波数−
波数領域にて設定する。このフィルタＷ。

をフーリエ逆変換することによって最適なフィルタオペ
レータＦ、が与えられ、その式を示すと例えば次のよう
になる。

レー ただし、Ｃは係数、ｊは虚数単位である。

このようにして得られたＦ、は、周波数が低くなるほど
（深部になるほど）より強いローパスフィルタの特性を
もつのが普通である。

この空間フィルタオペレータＦ、を使用して空間フィル
タ演算をする。例えば、空間フィルタの実効方位角φを
次式で求める。

ΣＦ（ｓｉｎθ。

φ＝ｔａｎ−’　　ΣＦ、ｃｏｓθ１　　・・・・・・
（８）ただし、θ１は区間方位とＸ軸のなす角度である
。

次に、上記のようにして求めた区間インピーダンスＺｉ
ｘ＋ＺｉＶに空間フィルタオペレータＦ、を次式により
作用させる。測線に沿った距離Ｐの位置におけるこの値
を２．．２ｙとする。

Ｚｘ”　Ｋ　’４　Ｆ　ｔ　Ｚ　ｉ−−−（９）Ｚ、＝
にΣＦ、Ｚ、ア　　・・・・・・００ここで、Ｋは２．
．２．を基準化するため１点での係数であり、ＦＡ、φ
及び区間の長さから得られる。

次いで、点ｌにおける実効方位に対するインピーダンス
Ｚ３．Ｚｚを次式で求める。

Ｚ　、　＝　−Ｚ　、ｓｉｎφ＋Ｚ　、ｃｏｓφ　・・
・・・・ｑｌ）Ｚｚ＝　　Ｚ＊ｃｏｓφ＋Ｚ　、ｓｉｎ
φ　、、１．、．０りここで、ＺＩは、点２での測線と
接線方向の電場と、これに直角方向の磁場とから得られ
るインビーダンスに相当し、前記（２）式におけるＺ−
に対応する。

Ｚ！は接線と平行な磁場を使って得られるインピーダン
スである。

上記のような（４）から０りまでの演算を側線に沿った
全区間につきしかもそれを取り扱い周波数の全てについ
て行う。次にその求めたインピーダンスから見掛比抵抗
または真の比抵抗を従来と同様に演算し、その結果を測
線に沿った例えば断面図としてプロットすると、第６図
に示すような電気的な地下構造図が得られる。

「実　施　例」 以下に本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は本発明の地下探査装置による測定態様の概念図
、第２図は測定装置全体のブロック図、第４図は作業手
順の概要のフローチャートである。

先ず、調査測線Ｓに沿って所要の間隔（この間隔は必要
とする分解能によるが、例えば１００ｍ〜２００ｍ程度
）で測点を決め、すなわち調査測線Ｓを複数の区間３１
〜Ｓ７に分割し、その各区間の両端の測点の位置データ
（座標と標高）を現場に設置したボジシゴニングデバイ
ス１によって測定する。そして、各区間についてその両
端の測点に電橋２を配置し、各区間ごとの変動電位差Δ
Ｖ、を、それぞれの現場に設置した複数の電位差測定用
リモートサイトステーション３Ｉ〜３．により複数の区
間について同時に測定する。今、その測定した区間Ｓ、
〜Ｓｎの変動電位差Ｖ、をそれぞれΔ■１〜Δ■１とす
る。

また、これと同時に調査測線Ｓ付近に従来公知の磁場セ
ンサ４．．４．を配置し、磁場測定用リモートサイトス
テーション５により水平２成分の変動磁場を測定する。

その測定した変動磁場をＨ，、Ｈ。

とする、調査測点数が多く一度に測定できない場合は、
幾つかのグループに分けて同様の測定を行う。

各電位差測定用リモートサイトステーション３゜〜３．
には、一対のプレアンプ６、一対のポストアンプ及びバ
ンドパスフィルタ７、Ａ（、ＣアンプやＡ／Ｄコンバー
タやマルチプレクサやプログラマ等を含む制御回路８、
この制御回路８からの信号によってプレアンプ６の出力
を較正する較正器９、及びモデム１０が備えられている
。また、磁場測定用リモートサイトステーション５にも
、一対のプレアンプ１１、一対のポストアンプ及びバン
ドパスフィルタ１２、ＡＧＣアンプやＡ／Ｄコンバータ
やマルチプレクサやプログラマ等を含む制御回路１３、
較正器１４、及びモデム１５が備えられている。

従って、各電位差測定用リモートサイトステーション３
１〜３ｏにおいて、各区間ごとの変動電位差Δ■８はデ
ジタル信号に変換されてモデムＩＯから送信される。ま
た、磁場センサ４８，４アで検出された水平２成分の変
動磁場ＨＸ、Ｈ，もデジタル信号に変換され、モデム１
５から送信される。そして、これらのデジタル信号は、
デジタル信号線１６により必ｌに応じ中継点１７を介し
て遠隔のベースサイトステーシラン１８へ送信され、該
ベースサイトステーション１８のモデム１９にてそれぞ
れ受信される。

その受信されたデータ（区間Ｓ、〜Ｓ、、の変動電位差
Δ■、〜Δ■７及び変動磁場Ｈ，，Ｈヶ）は、ＣＰＵ２
０による管理に従い、ポジショニングデバイス１からの
位置データとともにインターフェースユニット２１を介
し、生データとしてデータパンツアメモリ２２にストア
される。なお、この場合、位置データは磁気テープなど
の記憶媒体を介しまたはキーボード３６によりデータパ
ンツアメモリ２２に入力することもできる。この生デー
タはＣＰＵ２０の制御に従って読み出され、高速演算装
置２３によって演算される。

この高速演′ＪＸ装置２３は一つのマイクロプロセッサ
で、ＣＰＵ２０により複数の機能をするように制御され
るが、その機能によって分解すると第３図に示すような
回路により構成されていると見ることができる。すなわ
ち、機能順序に従って見ると、変動電場演算回路２４、
区間インピーダンス演算回路２５、Ｋ変換演算回路２６
、空間フィルタオペレータ演算回路２７、実効方位角演
算回路２８、空間フィルタ演算回路２９、実行方位イン
ピーダンス演算回路３０、演算終了判定回路３１及び比
抵抗演算回路３２とで構成される。そこで、次にはこれ
による演算処理を、上記「作用」の項と説明が一部重複
するが、手順（第５図のフローチャート参照）に従って
詳述する。

■　変動電場の演算 ボジショニングデバイス１からの位置データ、つまりあ
る区間Ｓ、の距離がΔ１．ｔ　　（＋＝１．　２．　３
・・・・・・、ｎ）、傾斜角がＱｉ　　（区間方向と水
平面のなす角度）、また電位差測定用リモートサイトス
テーション３．〜３つによって得られた区間ＳＬの変動
電位差がΔＶ、だとすると、これらよりその区間での変
動電場Ｅ、を次式で求める。

Ｅ、＝（ΔＶ、）／（Δ１　ｒ　・ｃｏｓＱ＋）　・−
・＋３）■　区間インピーダンスの演算 変動電位差の測定と同時に、磁場測定用リモートサイト
ステーション５で測定した水平２成分の変動゛磁場を、
Ｈ，、Ｈアとすると、区間Ｓ３でのインピーダンス（区
間インピーダンス’）Ｚ、、、Ｚｉ、を次式によって求
める。

Ｅｚ　＝ＺｉＨｘ　＋Ｚ＋ｙＨｙ・・・・・・（４）■
　Ｋ変換演算 （４）弐で求めた区間インピーダンス２．、．２□に対
し、それぞれ次ぎのように水平方向（距離軸）に対し一
次元のフーリエ変換をして波数特性を得る、つまり波数
変換（Ｋ変換）を施す。

ｋ−−■ ただし、Ｋうは水平方向のインピーダンスＺ　ｉｘの波
数、Ｋ、はＺ　ｉｙの波数である。また、この場合、ナ
イキスト周波数に７は、 ｋ、＝１／（２Δ２） で、実際の演算は、 ｋ７≧１に８１ に、ｌ≧１ｋｙｌ について行う。

■　空間フィルタオペレータ演算 ■のに変換により得られた周波数−波数領域におけるイ
ンピーダンス表現においては、三次元的影響による成分
は、高周波数における高波数の分布が同一波数付近にお
いて低周波数領域にまで波及する性質がある。

そこで、これを防止するため、各種の基本型の伝達関数
Ｗ（ｆ、Ｋ）を使用して最適なフィルタＷ、を周波数−
波数領域にて設定する。このフィルタＷ！をフーリエ逆
変換することによって、最適なフィルタオペレータＦ、
を次式によって求める。

ただし、Ｃは係数、Ｊは虚数単位である。

このようにして得られたＦ、は、周波数が低くなるほど
（深部になるほど）より強いローパスフィルタの特性を
もつのが普通で、それは無次元のコンボリューション演
算子としてインピーダンスに作用されることになる。

■　実行方位角演算 この空間フィルタオペレータＦ、を使用して空間フィル
タの実効方位角φを次式で求める。

ΣＦｉ５１ルθ、 φ−ｔａｎ−’□　　・・・・・・（８）ΣＦＩＣＯ５
θ。

ただし、θ１は区間方位とＸ軸のなす角度である。

■　空間フィルタ１３ｉ２′＆γの実行」二記■におい
て求めた区間インピーダンスＺｉＸ＋Ｚ、ｙに空間フィ
ルタオペレータＦ、を次式により作用させる。測線に沿
った距離２の位置におけるこの値を２．．２ｙとする。

ＺｌＩ＝にΣＦ、Ｚ□　　・・・・・・（９）Ｚ、＝に
ΣＦ、Ｚ、、　　　・・・・・・００）ここで、ＫはＺ
オ、Ｚ、を基準化するため１点での係数であり、Ｆ３．
φ及び区間の長さから得られる。

■　実行方位インピーダンス演算 次いで、点ｌにおける実効方位に対するインピーダンス
Ｌ、Ｚｚを次式で求める。

Ｚｉ　＝　　Ｚｗｓｉｎφ＋Ｚ　、ｃｏｓφ　−・・−
・（＋１）Ｚｔ＝　　ＺＸｃｏｓφ＋７．、ｓｉｎφ　
−・−◆０２）ここで、Ｚ、は、点ｌでの測線と接線方
向の電場と、これに直角方向の磁場とから得られるイン
ピーダンスに相当し、前記（２）式におけるＺＸｖに対
応する。

Ｚ２は接線と平行な磁場を使って得られるインピーダン
スである。

■　演算終了判定 上記のような■から■までの演算（その演算データはメ
モリ３３に記１αされる）が：ｍ　ｎ　１１線Ｓに沿っ
た全区間３１〜Ｓ７につきしかもそれが取り吸い周波数
の全てについて行われた否か判定する。

■　比抵抗値演算 全てのインピーダンス演算が行われたならば、その求め
たインピーダンスから見掛比抵抗または真の比抵抗を従
来と同様に演算し、その結果をメモリ３４から随時読み
出して測線に沿った断面図として例えばブロツク３４に
よってプロットすると、第６図に示すように、三次元要
素を加味した現実の地層に対応する電気的な地下構造断
面図が人の解釈を介在することなく自動的に得られる。

また、見掛比抵抗の周波数に対する断面図も必要に応じ
てプロ、トされる。

従来のＭＴ法では、第７図に示すような測線に沿うイン
ピーダンス曲線図を得た後、これから三次元要素を加味
した断面図を作成するには、これらのインピーダンス曲
線を相関させるという人の高度の解釈が必要であったが
、本発明によると第６図のような断面図が自動的に得ら
れ、しかもそれは三次元による歪みの影響も従来より格
段に少ない。

メモリ３３に記憶された処理データ及びデータパンツア
メモリ２２に記憶された生のデータは磁気テープレコー
ダ３５によって磁気テープに磁気記録され、必要に応じ
事後の解析に利用される。ベースサイトステーション１
８の操作、管理命令、処理指定、パラメータ指定等はキ
ーボード３６からのキー人力によってなされる。

上記のようにこの地下探査装置は、リモートサイトステ
ーション１．５とベースサイトステーション１８とに分
離しており、しかもリモートサイトステージジン１，５
は比較的構造が簡単で小型化できるため、これさえ現場
に持ち込むば良く、自動車等の運搬手段が接近できない
条件の悪い場所でも比較的容易に測定できる。また、リ
モートサイトステーション１．５は、ベースサイトステ
ーション１８にデータを送る前に事前に信号処理を行い
、それとで一部につき信号処理を分担しているので、ベ
ースサイトステーション１日が数ｂ〜数十り離れていて
も、Ｓ／Ｎ比の高い信号を送ることができ、従って精度
の高い断面図が得られる。

なお、上記実施例では、データの収録、演算処理を１台
のベースサイトステーション１８で行ったが、測定現場
における作業能率の向上のため、それを２以上に分割す
ることもできる０例えば、調査測線に沿った複数の変動
電場とその付近の水平２成分の変動磁場の同時測定の際
、変動電場と変動磁場とに分け、別々の装置に収録すれ
ば、両者間に障害物があったり距離が離れていても、ケ
ーブルで結ぶ必要なく測定できる。ただし、この場合は
、各々の装置に時計を備えて同期をとる必要がある。

また、収録装置と演算装置とを分離して収録と演算を各
々独立して行うようにしても良い。通常、変動磁場の♂
す定に当たってはエネルギー源として自然に存在する電
磁波を利用しているので、その測定は人工的電磁波等に
よる雑音を低減するため一般に夜間にすることが多いが
、収録装置と演算装置とを分離すれば、その昼夜の使い
分けができる。この場合、測定データは磁気テープ等の
記録媒体に収録してその持ち運びが可能なようにしてお
く。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上
述したようなものに限定されるものではなく、その基本
的技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形、機能の追加
等は可能である。

「発明の効果」 以上詳述した通り本発明の装置によれば次のような効果
がある。

１、従来は電場３方向と磁場２方向の計５成分の測定が
必要であったが、本発明によれば電場１方向と磁場２方
向の計３成分の測定で良く、測定作業が簡単になる。

２、従来はインピーダンスを二次元演算で求めていたが
、本発明は、波数変換により空間フィルタオペレータを
設定して空間フィルタ演算を行う三次元演算によるため
、浅部の三次元的形ツを除去でき、Ｓ／Ｎ比の高いデー
タが得られる。

３゜従来において測線に沿った断面図を作成するに当た
っては、人の解釈が必要で、個人差があり客観性に欠け
ていたが、本発明によれば測線に沿った断面図が自動的
にプロットされるので、客観性のある精度の高い断面図
が得られる。

４、従来は、三次元構造の地域で断面図を作成するには
、膨大な費用を要し、また三次元による歪みを除去でき
なかったが、本発明によれば、比較的安価に実現でき、
また三次元による歪みを除去できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の探査装置による測定態様の概念図、第
２図はその全体のブロック図、第３図はそのなかの高速
演算装置をその機能について分解したブロック図、第４
図は作業手順の概要のフローチャート、第５図は上記高
速演算装置の演算手順のフローチャート、第６図は本発
明によって得られた電気的地下構造断面図の一例である
。第７図は従来のＭＴ法によって得られたインピーダン
ス曲線図である。 Ｓ・・・・・・調査測線、Ｓ、〜Ｓ１・・・・・・区間
、２・・・・・・電極、４．．４．・・・・・・磁場セ
ンサ、２４・・・・・・変動電場演算回路、２５・・・
・・・区間インピーダンス演算回路、２６・・・・・・
Ｋ変換演算回路、２７・・・・・・空間フィルタオペレ
ータ演算回路、２８・・・・・・実効方位角演算回路、
２９・・・・・・空間フィルタ演算回路、３０・・・・
・・実効方位インピーダンス演算回路、３１・・・・・
・演算終了判定回路、３２・・・・・・比抵抗値演算回
路。 汁５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の区間に分割された調査測線の各区間について
   その両端の調査点の変動電位差を測定する手段と、その
   調査測線付近の水平２成分の変動磁場を測定する手段と
   、各調査点の位置を測定する手段と、その測定された位
   置データと変動電位差データとから各区間の変動電場を
   演算する手段と、その変動電場と上記変動磁場とから区
   間インピーダンスを算出する手段と、その区間インピー
   ダンスについて波数変換する手段と、その変換結果から
   空間フィルタオペレータを演算する手段と、この空間フ
   ィルタオペレータに基づいて空間フィルタの実効方位角
   を演算する手段と、上記区間インピーダンスに上記空間
   フィルタオペレータを作用させて空間フィルタ演算をす
   る手段と、その結果から実効方位に対するインピーダン
   スを演算する手段と、そのインピーダンスから見掛比抵
   抗または真の比抵抗を演算する手段と、その比抵抗に従
   って上記調査測線に沿った断面図をプロットする手段と
   を備えたことを特徴とする電磁式地下探査装置。