JPH01265185A

JPH01265185A - 地下人工弾性波の測定用ゾンデ

Info

Publication number: JPH01265185A
Application number: JP63093337A
Authority: JP
Inventors: Sadao Sakunaga; 作永　貞雄
Original assignee: Chuo Kaihatsu Corp
Current assignee: Chuo Kaihatsu Corp
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1989-10-23
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPH067167B2

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Ｊ本発明は、地下探査等を行うために、ボーリング孔内で
人工的に弾性波を発生させ、それを同じボーリング孔内
で電気信号として検知し測定する地下人工弾性波の測定
方法とその測定用ゾンデに関する。

「従来の技術」従来、水を満たしたボーリング孔内に発振器と受振軸と
を、ボーリング孔軸（以下、単に孔軸と記す）方向に互
いに所定間隔だけ離して配置し、発振器の振動を水を介
してボーリング孔の周壁部（以下、孔壁という）に伝達
し、その孔壁を伝播してきたＳ波（剪断波）またはＰ波
（圧力波）を受振軸で電気信号として検知する方法とし
て、次ぎのように円筒形圧電式発振器を使用した屈折波
性（間接波性）と孔壁固着型受振軸または漂遊型受振軸
を使用した直接波法と、４極圧型式発振器を使用した４
極剪断波法が知られているが、それぞれ下記のような問
題があった。

［発明が解決しようとする課題］屈折波性は、第８図（＋）、（■）に示すように発振器
ｌとして円筒形圧電素子を使用し、これからボーリング
孔２の孔軸Ｏと直交する全方向に、つまりＰ波を放射状
に発振する。このＰ波は、ボーリング孔２内の水を介し
てその孔壁に伝達する。

そして、ここで屈折Ｐ波と、Ｐ波がＳ波に変換された変
換Ｓ波とが発生し、両者とも孔壁に沿って伝播する。そ
の伝播する屈折Ｐ波は再びボーリング孔２内の水中を屈
折し、また変換Ｓ波はＩ）波に再び変換されて受振軸３
に受振される。この受振軸３は、発振器ｌと同しく円筒
形の圧電素子で構成されている。

問題点・・・・・・Ｐ波はＳ波より伝（出速度が速いた
め、先にＰ波が受振軸３に検知され、その後Ｓ波が検知
される。従って、記録紙上では、Ｓ波がＰ波の波形の後
に重畳して表れ、両波が十分に分離していないため、読
み取り難い。また、孔壁における孔内水と地層の屈折Ｓ
波を利用しているため、水の伝播速度（約１５００　ｓ
／ｓ　）より遅いＳ被速度をもつ地層の測定はできない
。

直接波法は、発振器としていわゆる電磁型発振器、また
受振軸として孔壁固着型受振軸または漂遊型受振軸を使
用する。電磁型発振器は、コイルとその中を通る永久磁
石とを有し、電磁力によってボビン組立体が運動し、そ
のピストン運動で水を放出することによって、孔軸と直
交する一方向に、つまり非対称的に発振し、Ｓ波を発生
する。

孔壁固着式受振軸は、第９図に示すようにその受振軸７
自体を孔壁２に固定してこの孔壁２の変位を受振軸７に
直接伝達し、該受振軸７内においてその運動を電磁誘導
誘導作用によって検知する。

また、第１θ図に示すように漂遊式受振軸８は、ボーリ
ング孔内の水中を漂遊させ、孔壁２の音圧を孔内水を介
して受振軸８に作用させ、それを電磁誘導作用によって
検知する。

問題点・・・・・・Ｓ波を直接検知できるが、孔壁固着
式及び漂遊式のいずれも質点速度と比例する電圧感度を
有する動電型受振軸を使用しているため、高周波で感度
が低下し、Ｓ被速度の大きい硬い地層の測定は難しい。

また、Ｓ波の検知に当たり、液柱を伝播するチューブウ
二−ブの擾乱を受は易い。

４極剪断波法は、詳細には特開昭５８−２１０５８５号
公報に開示されているように、発振器として、４枚の圧
電素子板をゾンデの軸線（孔軸）の回りに４面対向配置
関係にした４極型発振器を、また受振軸として発振器と
同一構成の４極型受振軸を使用するもので、発振・受振
方式としては屈折波性の範晴に入る。４種型発振器は、
第１１図にその概要を図示するように、オイル４が封入
されたゾンデ５内に、例えば正の電圧を印加したときい
ずれもゾンデ５の外方へ歪む第１の圧電素子板６１と第
２の圧電素子板６□とを、ゾンデ５の一本の直径線！−
１（第１の発振軸）に沿って両側に対向配置させ、また
正の電圧を印加したときいずれもゾンデ５の内方へ歪む
第２の圧電素子板６８と第４の圧電素子板６４とを、上
記直径線１−１とは直交する別の直径線ト」（第２の発
振軸）に沿って両側に対向配置したものである。これら
４枚の圧電素子板６．〜６４に同時に正負の電圧を交互
に印加すると、第１及び第２の圧電素子板６１゜６□と
が第１の発振軸に沿って正のＰ波をそれぞれ発生したと
き、第３及び第４の圧電素子板６．。

６、は第２の発振軸に沿ってそれぞれ負のＰ波を発生す
る。すなわち正負の対称振動が生じる。その指向性パタ
ーンは、破線で示すように、第１の発振軸と第２の発振
軸との２等分線上に４つのＳ波最大エネルギーが生じる
。

このように発振された４つのＰ波は、ゾンデ５内のオイ
ル４を介して孔内水に伝達され、さらにこれから孔壁に
伝播して合成され、その合成Ｐ波が地層へと屈折し４つ
のＰ波の共通成分のみが互いに干渉することにより、地
層に４掻剪断波（４極のＳ波）が生じる。この４極Ｓ波
は孔内水に戻り、４極型受振軸内のオイルを介しその４
極の圧電素子板によって各種ごとに検知される。４極型
受振軸の４枚の圧電素子板は、４種型発振器の４枚の圧
電素子板と方位を同じにしである。

問題点・・・・・・４つのＰ波を発生してそれを地層で
合成させ、その合成による干渉によって４極Ｓ波を住し
させ、それを各種ごとに検知して４１１１定データの和
をとるため、測定結果におけるノイズは少なくなるもの
の、データの処理が複雑になる。また、間接減法の欠点
である水のＰ被速度（約１５００ｍ　／ｓｅｃ　）より
遅い地層のＳ被速度は検知できない。

本発明の目的は、従来のこのような問題点に鑑み、特に
Ｓ波を直接かつ籠中にしかも硬い地層でも精度良くかつ
容易に測定できるようにすることである。

「課題を解決するための手段」本発明の測定方法では、第１図にその原理を示すように
、ボーリング孔ｌｌ内の液中に受振素子２３を、鉛直な
孔軸０−０と直交する１本の受振軸ｘ２−Ｘ２に沿って
該孔軸Ｏ−０に対して不動になるように没入させる。そ
して、この孔軸０−Ｏと平行に振動しながらボーリング
孔壁を伝播するＳ波によって作用する音圧により上記受
振素子２３をその受振軸Ｘ２−Ｘ２に沿い歪ませ、それ
に基づく電気信号を検知する。

また、本発明によるゾンデは、第３図に例示するように
発振素子を有する発振部１４の上側に、その発振素子の
発振方向と受振方向が同し受振素子を有する少なくとも
１つの受振部１６．または１６ｇをゴム等による振動緩
衝部１５．または１５ｇを介して着脱可能に連結すると
ともに、上記発振部１４の下側に重錘を兼ねるバッテリ
ケース１３を着脱自在に連結したものである。　。

「作　　用Ｊ本発明の測定方法によれば、１個の受振素子２３は、鉛
直な孔軸Ｏ−０と直交する１本の受振軸Ｘ８Ｘｚに沿い
かつ該孔軸Ｏ−０に対し不動であるため、伝播してきた
Ｓ波によって孔壁が第２図に示すように変位して孔内水
が動揺しても、定位置で静止したまま孔壁との相対加速
度運動によって生じる音圧を受け、孔軸０−０に対して
非対称振動のみを検知する。

本発明のゾンデによれば、発振部と受振部とがゴム等の
振動緩衝部を介して連結されているため、発振部からの
振動は受振部へ直接には伝わらない。

バッテリケースは下端において重錘を兼ねるため、ゾン
デ全体の慣性を大きくすることができるとともに、重錘
を別に備える必要がない。しかも、ゾンデの駆動電源が
受振部より下側に位置するため、発振部の発振時におけ
る誘導ノイズを極力小さくすることができる。また、発
振部、受振部、振動緩衝部及びバッテリケースを個別に
交換することができる。

「実　施　例」以下、本発明の実施例について図面を参照に詳細に説明
する。

第３図は本発明の方法の実施のＢ様を示し、慣性を大き
くするため自重を大きくしたゾンデ１０を、水を満たし
たボーリング孔ｌｌ中にケーブル１２によって吊り降ろ
す。ゾンデ１０は、図の例では下端よりハシテリケース
１３と発振部１４と第１の振動緩衝部１５．と第１の受
振部１６１　と第２の振動緩衝部１５２と第２の受振軸
１６□とを順次直列にかつ着脱自在に連結して構成され
ている。第１の受振部１６．及び第２の受振部１６□よ
りの受振に係る電気信号（アナログ信号）はケーブル１
２を介して地上の入出力処理ユニン目７へ伝送される。

この入出力処理ユニッ目７は増幅器、波、形処理回路、
フィルタ、深度計等を含み、これにて処理された信号は
Ｄ／Ａ　−Ａ／Ｄ変換器１８によってデジタル信号に変
換された後、ＣＰＵを含むデータ処理・収録部１９によ
って入力され、ここで演算及びデータ処理され収録され
る。

一方、データ処理・収録部１９からの発振のためのデジ
タル信号は、Ｄ／Ａ　−Ａ／Ｄ変換器１８によってアナ
ログ信号に変換され、入出力処理ユニッ目７によって波
形処理後、ケーブル１２を介して発振部１４内へ送信さ
れその内部の電気回路によって昇圧される。

第１及び第２の受振部１６．　、１６□は実質的にはほ
ぼ同じ構造で、第４図は第１の受振部１６．の断面図で
ある。同図において、受振部１６＋　は、円柱形の金属
製本体２０の上端に円筒形の電気回路ケース２１を直列
に螺合連結している。本体２０の下端部には左右に貫通
する円形の音圧導入孔２１が穿設され、またこの上側に
半円形で縮長の配線凹部２２が切欠形成されている。

音圧導入孔２１内の中間部には、第５図に示すようにバ
イモルフ構造の圧電素子（例えば、黄銅板の両面に圧電
セラミックスを蒸着したもの）で構成された板状の受振
素子２３が次のように垂直に設置されている。すなわち
、受振素子２３の上下両端部を、音圧導入孔２１の中間
部の上下両側に設けられた案内溝２４に入れ、上下の締
めネジ２５を締めて上下の押さえ板２６で固定してあり
、受振素子２３の受振軸ｘｔ−Ｘ、はゾンデｌＯの軸線
Ｙ−Ｙと直交する方向に向いている。なお、受振素子２
３はゴム等の防水材で包被され、該防水材を介して音圧
導入孔２１の両方からの水圧を受けるようになっ′ζい
る。

電気回路ケース２１内には、受振素子２３のための電気
回路を実装した回路基板２４が支持柱２５に支持されて
いる。そして、その電気回路と受振素子２３とは、本体
２０に植設された端子２６及び配線凹部２２内のコード
２７を介して電気接続されている。配線凹部２２は蓋板
２８によって液密に密封されている。

第１及び第２の振動緩衝部１５．　、１５□は円柱形で
、発振部１４からの音波を緩衝するためゴム等で構成さ
れ、その軸線に沿ってケーブル２９を埋設している。そ
してこれら振動緩衝部１５．　、１５□と第１の受振部
１６ｔ　とは、それらのジヨイント部１５ａ　。

１６ａにスリーブナツト３０を螺合して着脱自在に連結
され、また受振部１６．側の電気系統はコネクタ３１に
よって上下のケーブル２９と電気接続される。

第２の受振部１６２は第１の受振部１６．と同じ構造で
ある。

発振部１４は、第１の受振部１６．では受振素子２３を
構成しているバイモルフ構造の圧電素子が、受振とは逆
の発振作用を行う発振素子３２（第１［９）を構成して
いることにおいて、第１の受振部１６゜と相違するが、
その他については実質的に同しである。発振素子３２は
、その発振軸Ｘ、−Ｘ、がゾンデ１０の軸線Ｙ−Ｙと直
交ししかも第１及び第２の受振部１６．　、１６□の受
振軸Ｘｔ　　Ｘｔと同じ向きになっている。

バッテリケース１３は、第６図及び第７図に示すように
金属製の重量の重い円柱形の本体３３に３本の電池収納
孔３４を設け、これらに充電式の乾電池３５を着脱自在
に収納し、その下端をキャンプ３６で閉じ、また本体３
３の上端に、コネクタ３７を有するジヨイント３８を固
着したもので、全体として重錘を兼ねるようになってい
る。そして、このバッテリケース１３と発振部１４とは
、相互のジヨイント３８゜１４ａにスリーブナツト３９
を螺合して着脱自在に連結されている。なお、符号４０
はコイルノ、プリング、４１は乾、電池３５を充電する
際に発生するガスを排気するための排気孔である。

ゾンデ１０を第３図に示すような状態にして発振部１４
の発振素子３２に比較的低周波（０，５ＫＨｚ〜５ＫＨ
ｚ）のパルスを印加すると、該発振素子３２は第１図に
示すようにゾンデ１０の軸線Ｙ−Ｙ　（孔軸０−０）と
直交する発振軸Ｘ、−Ｘ、に沿って非対称音圧Ｐを生じ
、孔内水に直接に単軸発振によるＳ波を生しさ−せる。

孔内水はこの非対称音圧Ｐを直接受けて孔壁に伝達し、
Ｓ波が孔壁に沿って孔軸０−０方向に伝播する。このＳ
波は孔内水を介して第１の受振部１６．及び第２の受振
部１６□に伝達されるが、そのＳ波によって第２図に示
すように孔壁が変位し孔内水が動揺しても、ゾンデ１０
自体は慣性が大きくなっているため、孔内水によって干
渉されることなく静止状態を保持する。

このため、両受振部１６１　、１６□の受振素子２３は
、その大きさ（例えば直径３ｃ＋＊）に比べてＳ波の波
長（はぼ４０ｃｍ）が十分に長いことから、第１図（Ｉ
Ｉ）に示すように孔壁との相対加速度運動による非対称
音圧Ｐのみを受ける。このため、チューブウェーブや孔
壁と孔内水との間の屈折波に乱されることはない。

なお、受振素子としては圧電型に限らず、動コイル型や
磁歪型のものであっても良い。

「発明の効果」以上詳述した通り、本発明の測定方法によれば次ぎのよ
うな効果がある。

■　Ｓ波検知に当たり、非対称振動のみを検出できるた
め、１〕波やチ１−ブウェーブの擾乱を受は難い。

■　孔壁の変位による音圧を定位置に静止さ口た受振素
子によって検知するため、すなわちＳ波の伝播による孔
壁の■方向の音圧を、鉛直な孔軸に対し不動にしだ受振
素子によって（０対加速度ｉ■動として検知するため、
従来の直接波法に比べて感度が良くなり、硬い地層でも
精度良く４川定できる。

■　孔内水中に没入された一対の受振素子によるいわば
直接単軸受振であるため、方式として学徒であり、解析
が非常に簡単である。

■　圧電型の受振素子は低周波の振動に鈍感なため、移
動しながら測定が可能となり、連続測定方式が採れる。

また、本発明のゾンデによれば、発振部と受振部とがゴ
ム等の振動緩衝部を介して連結されているため、発振部
からの振動は受振部へ直接には伝わらない。バッテリケ
ースは下端において重錘を兼ねるため、ゾンデ全体の千
ｎ性を大きくすることができるとともに、重錘を別に備
える必要がない。

しかも、ゾンデの駆動電源が受振部より下側に位置する
ため、発振部の発振時における誘導ノイズを極力小さく
することができる。また、発振部、受振部、振動緩衝部
及びバッテリケースを個別に交１桑することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）、　　（ＩＩ）は本発明の測定方法の原理
説明図、第２図は孔壁の変位に対する受振軸の関係を示
す説明図、第３図は本発明の一実施態様を示す説明図、
第４図（１）、（［１）は本発明によるゾンデの受振部
の断面図、　第５図（Ｉ）。（ＩＩ）、　　（Ｉ［ｌ）は該受振部における受振素子
の支持部分゛の拡大断面図、第６図及び第７図はバッテ
リケースの一部切欠正面図及び断面図である。また、第
８図（１）、　　（ＩＩ）は従来の屈折波性の説明図、
第９図は孔壁固着型受振軸による従来の直接波法の説明
図、第１０図は漂遊型受振軸による従来の直接波法の説
明図、第１１図は従来の４極剪断波法の説明図である。１０・・・・・・ゾンデ、１３・・・・・バッテリケー
ス、１４・・・・・・発振部、１５．　、＋５□・・・
・・・振動緩衝部、１６．　、Ｉ（ｉ□・・・・・・受
振部、２３・・・・・・受振素子、３２・・・・・・発
振素子。オフ図（１）Ｏ第１図（ＩＩ）沖２図第５回（１）第５図（ＩＩ）、／Ｃ）第５図（ＩＩＩ）

Claims

【特許請求の範囲】１、ボーリング孔内の液中に受振素子を、鉛直なボーリ
ング孔軸と直交する１本の受振軸に沿って該ボーリング
孔軸に対して不動になるように没入させ、このボーリン
グ孔軸と平行に振動しながらボーリング孔壁を伝播する
Ｓ波によって作用する音圧により上記受振素子をその受
振軸に沿い歪ませ、それに基づく電気信号を検知するこ
とを特徴とする地下人工弾性波の測定方法。２、発振素子を有する発振部の上側に、その発振素子の
発振方向と受振方向が同じ受振素子を有する少なくとも
１つの受振部をゴム等による振動緩衝部を介して着脱可
能に連結するとともに、上記発振部の下側に重錘を兼ね
るバッテリケースを着脱自在に連結したことを特徴とす
る地下人工弾性波の測定用ゾンデ。