JPH11287865A - 微動観測による地下構造推定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自然現象や人為活動による地球の微動を観測
し、かつこの微動から表面波を抽出しかつ表面波の分散
を特定して微動観測点の地下構造を推定する。 【解決手段】 振動検出器材１をＡ１或いはＡ２の如く
配置することにより円形アレイを形成し、この円形アレ
イにより観測された微動を解析する。この場合、円形ア
レイとすることにより各振動検出器材１が検出した微動
から表面波のみを抽出することができる。抽出した表面
波の伝搬速度の分散を算出し、かつ算出した伝搬速度Ｖ
₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ の各々から地下の各層Ｄ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃
を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低い周波数で振動す
る地球の微動を観測することにより地下構造を推定する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば土木・建築のための立地（地盤）
調査等の主として産業上の理由、地震等の自然災害を防
止する防災上の理由、石油・鉱物・温泉等の資源探査上
の理由等により地下構造を探査する必要性は高い。

【０００３】地下構造探査の方法としては地盤をボーリ
ングしてサンプルを得ることにより地下構造の情報を直
接得る直接探査法と、地下からの物理的信号を観測・測
定しこれを解析することにより地下構造を推定する間接
探査法が従来から行われている。

【０００４】上記方法のうちボーリングにより直接地下
を探査する方法は、地下を精査することが可能である
が、探査区域が広くなると多数の箇所でボーリングを行
う必要があること、及び経済的な探査深度はせいぜい１
００ｍ程度とあまり深い探査はできないこと等により、
土木・建築のための地盤調査に事実上限定される。また
資源探査においては大深度ボーリングを行うが、このボ
ーリングには多大な費用が掛かるため、ボーリング地点
を安易に決めることができず、ボーリングの前に広範囲
に地下の状態を把握し、ボーリング位置を決定すること
が経済上も切実な課題となる。

【０００５】上記直接探査法に比較して、間接探査法は
比較的広い地域を経済的に探査可能であること、浅深度
から大深度まで幅広く探査可能であること等の利点を有
している。この間接探査法は、物理的手法によって地下
の物理的特性の情報を得るという意味で物理探査法とも
称され、地下の物理的特性を捉えるために人為的に地面
に与えられた物理的信号、例えば振動や電磁波に対する
大地の応答を観測・測定する能動的方法と、このような
人為的な信号を与えずに自然そのままの地下の状態から
生じる物理的信号、例えば微動、自然電位、重力、放射
能を観測・測定する受動的方法の二つがある。

【０００６】物理探査法のうち、能動的方法は探査対象
である地盤に対して何らかの物理的影響を積極的に加え
ることを前提とする。例えば反射探査法と称される地震
探査法においては人工的な振動を発生させることが探査
の前提となるため、この人工振動の発生源として起振機
を用いたり、或いは爆発物を使用する必要がある。この
ため例えば建物の密集する都市部での探査は極めて困難
或いは不可能であり、地震防災上最も必要である都市部
の地殻探査が事実上不可能となるという大きな問題を有
している。また人工的に発生させる振動は比較的高周波
であるため、人間の活動による比較的周波数の高い振動
が、この人工的に発生させた振動の反射波中に含まれて
しまうと、これをノイズとして除去することが困難とな
り、測定精度を低下させるおそれがある。

【０００７】以上の点から考えると、人工的に何ら手を
加えることなく自然そのままの状態から生じる物理的信
号を観測・測定する受動的方法は、探査地域を選ばず、
かつ比較的浅い深度から大深度までの地殻探査が理論的
に可能であるため、将来においてはより一層広く利用さ
れる可能性を有している。

【０００８】ここで受動的方法の観測対象のうち振動に
ついて考察すると、全地球的に地球表面において、常時
微弱な振動が生じている。この微弱な振動（以下「微
動」とする）は工場の操業、交通機関の運行、工事等様
々な人間の活動によって、或いは風、気圧、川の流れ、
潮汐、波浪等の自然現象によって生じるものである。こ
のうち人間活動による振動は周期１秒以下、即ち１Ｈｚ
以上の成分が卓越し、かつその振幅、周期には人間活動
の変化に対応して明瞭な日変化が認められる。

【０００９】一方自然現象に起因する微動は１Ｈｚ以下
の成分が優勢である。この１Ｈｚ以下の微動は脈動とも
称され、地震観測の点からは好ましくないノイズと考え
られており、可能な限りこれを除去する方向で研究が行
われていた。図５は本願出願人等が東京都府中市で観測
したパワースペクトルの例を示すが、微動のスペクトル
は観測場所によって微差はあるもののその概要は全地球
的に類似していることが分かっている。このスペクトル
については周波数１．０Ｈｚ以下に現れる二つのピーク
は主として海洋等の自然起源の微動であり、１．０Ｈｚ
以上の微動は人間の日常の活動に起因するものが多いと
考えられる。

【００１０】人間の活動や自然現象に起因する微動は、
振動という観点からみれば実体波や表面波の集まりであ
り、時間的或いは空間的に非常に変化に富んだ不規則な
振動現象に見える。しかし、例えば時間にして約１時
間、距離にして約２〜３Ｋｍという時間的、空間的に拡
大した時空間スケールで観察すると、微動は定常的に殆
ど安定したスペクトルで構成されていることがわかる。
このため適切に観測すれば定常的な微動を観測すること
が可能となる。

【００１１】上述のような定常的な微動には、微動源の
情報、微動の伝搬経路の情報、微動観測場所の地下構造
の情報等を実体波や表面波の形で含んでいる。このため
観測した微動を適正に解析処理すれば逆に微動源の情
報、微動の伝搬経路の情報、微動観測場所の地下構造の
情報を得ることが可能となる。

【００１２】微動源の多くは地表面或いは海底面にあ
る。従って微動中の弾性波は実体波（Ｐ波、Ｓ波）より
も表面波が圧倒的に優勢であると考えられる。このため
微動の探査はこの表面波を利用するのが有利である。

【００１３】表面波には、周知のように周波数（周期）
によって伝搬速度ないし位相速度が変わる分散の性質が
ある。分散は後述する図２、図３に示すように、横軸に
周波数、縦軸に位相速度をとった分散曲折として表現す
ることができる。そもそも分散は地下構造と密接に関係
しているため、観測された表面波の分散が分かれば観測
地点の地下構造を推定することが可能となる。より具体
的には、地表（観測地点）に二次元的に展開した振動観
測網により微動を観測し、観測した微動から観測地点直
下の地下構造を反映した表面波の分散の特定を行い、特
定された分散の逆解析から分散をもたらした地下構造を
推定することを基本とする。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上の観点に基づき、
地下構造を探査する方法として周波数・波数法（以下
「Ｆ−Ｋ法」とする）がある。このＦ−Ｋ法は微動の周
波数を指定したとき、その周波数に関する多点観測デー
タから求められる周波数スペクトルが極大となる波の伝
搬速度を求め、分散曲線を作成することを骨子とする。
しかしこの方法には次のような問題点がある。

【００１５】先ず、この方法には原理的に、微動中の波
が分散性であるか否かを判断するロジックが存在しな
い。このため上記極大となる波が果たして表面波である
か否かを判断できない。実体波も含んでいる可能性があ
り、従って地下構造の推定の精度も余り高いものを期待
することができない。また観測地点における観測点数を
多くする必要があり、地震計等の振動観測器材を多く必
要とする。また各振動観測器材の空間的な広がりも広く
設定する必要があって、狭い区域の測定は困難である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するために構成したものである。先ず本発明では振動
観測器材を配置する観測要素点を円の中心と円周上に配
置することによりアレーを構成する（以下この構成のア
レーを「円形アレー」と称する）。この円形アレーによ
り微動のデータを観測するステップと、この円形アレー
で観測した微動データから表面波の分散を特定するステ
ップと、特定された分散から表面波位相速度に対する地
下構造を推定するステップとを有する微動を利用した地
下構造推定方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】観測を行うべき地点に対して円
（仮想円）を設定し、この仮想円の円周の所定の観測要
素点に対して複数の振動観測器材をそれぞれ配置して円
形アレーを構成する。なおこの仮想円は同心円状に複数
設定したり、或いは連鎖状に設定することも可能であ
る。円形アレーであることから導かれる空間自己相関係
数（詳細は後述する）を用いて、このアレーにより観測
された微動から、分散性を有する波を抽出する。この分
散性の波は即ち表面波であるから、この表面波の分散を
例えば伝搬速度（位相速度）と周波数の関係を示す分散
曲線として特定する。さらに最終的にこのような分散曲
線を解析することによりこの分散をもたらした地下構造
を推定する。

【００１８】また地下構造の推定は地下に形成される各
層の深さの外、各層のＰ波速度、Ｓ波速度、密度を推定
することが可能であり、さらに進めてこの推定した密度
から測定区域におけるブーゲー異常（後述する）を推定
することも可能である。

【００１９】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参考に説明す
る。図１は本発明にかかる方法を示す概念図である。矢
印Ａ１、Ａ２は何れも円形アレーの構成例を示す。微動
の観測に当たってはＡ１またはＡ２の円形アレーを選択
してアレーを設定する。

【００２０】ここで円形アレーは、仮想円の円周上に等
間隔に位置する観測機器の配置点（以下この配置点を
「観測要素点」とする）１の複数と、当該仮想円の中心
に位置する一個の観測要素点１とにより構成される観測
要素点群から構成されるアレーであると定義する。換言
すれば仮想円に内接する正多角形の各頂点と、当該仮想
円の中心とに観測要素点がそれぞれ配置されたアレーで
あると定義することもできる。従って符号Ａ１で示した
ものはもとより、符号Ａ２で示される三角形のアレーも
ここに言う円形アレーである。また複数の仮想円を同心
円状に配置し、各仮想円にそれぞれ観測要素点を配置し
たものもここに言う円形アレーに該当し、更にこの基本
的な円形アレーを多様に組み合わせた鎖状のアレーも円
形アレーに入るものとする。

【００２１】円の中心観測要素点と円周上の観測要素点
との間の相互相関関数の方位平均は実質的に周波数と位
相速度によって決まるというロジックが成立するが、こ
のロジックを空間自己相関係数とし、前記円形アレーの
観測データを解析することにより微動の中から「周波数
と位相速度との間に１対１の関係が成立する波」つまり
分散性を有する波、より具体的には表面波を抽出するこ
とが可能となる。

【００２２】図１の構成で説明すると円形アレーＡ１ま
たはＡ２を構成する７つの振動観測器材により観測され
た７つのデータＤから表面波のみを前記の空間自己相関
係数を用いて解析し抽出する。つまりこの表面波のみの
抽出はアレーを円形に形成することにより初めて可能と
なるものである。なお、アレーの構成を変えることによ
り観測要素点１に配置される振動観測器材の配置個数は
当然変化し、その配置個数に対応する観測データＤが得
られる。

【００２３】続いて上記表面波の分散曲線Ｃを求め、最
終的に各地層のＳ波速度Ｖ₁ 、Ｖ₂、Ｖ₃ と、それに対
応する地層Ｄ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃ を解析して観測点における
地下構造を推定する。以上において、能率的な探査を行
うには大きさの異なる同心円を設けることによる円形ア
レーを形成するのがよいが、空間自己相関係数を求める
ためには、観測要素点は図示の７点に限定するものでは
なく、７点以下或いは７点以上であってもよい。７点以
下、例えば４点で観測する場合には中心点を同一にして
周囲の正三角形の各頂点に対応して３点を配置して観測
し、続いてこの３点を直径の異なる外接円に内接する正
三角形の各頂点に配置しなおして再度観測すれば実質７
点観測と同価となる。この様に本発明はアレー構成のた
めの振動観測器材が少なくて済むため経済的であるとと
もにアレーの形成を簡単に行える利点がある。

【００２４】微動を観測して地下構造を推定する方法に
おいては、前記Ｆ−Ｋ法および本発明に係る方法の何れ
も、推定される地下構造は理論的に水平層であるものと
して適用される。従って平面的な広がりをもってより詳
細な地下構造を推定するためには複数の観測地点の観測
結果を総合させる必要がある。この点からもアレーの構
成が容易な本発明は非常に有利である。

【００２５】図２は地下構造が既知の場所（福島県いわ
き市内）において大小のアレーを用いた観測結果に基づ
く位相速度と、推定された地下構造から弾性波動論によ
り理論的に導かれる位相速度（実線Ｌ１で示す）との比
較を示す。

【００２６】先ず円形アレーは、観測要素点が中心点１
点と外接円が同心円状に配置された二つの正三角形の各
頂点に配置された６点の合計７点から構成されたものと
し、この構成の円形アレーを大小二つ配置して観測し
た。このうち大型のアレーＡは半径２８０ｍの外接円に
接する正三角形の各頂点と、半径１４０ｍの正三角形の
各頂点とに観測要素点が配置された構成としてある。ま
た小型のアレーＦは半径７０ｍの外接円に接する正三角
形の各頂点と、半径３５ｍの正三角形の各頂点とに観測
要素点が配置された構成としてある。また図中丸で示し
た点はアレーＡの観測結果に基づく位相速度を、四角で
示した点はアレーＦの観測結果に基づく位相速度をそれ
ぞれ示す。図からも明らかなとおり各アレーＡ及びＦの
観測結果に基づく位相速度と、実線Ｌ１で示す既知の地
下構造から弾性波動論により理論的に導かれる位相速度
とは良好に一致することが分かる。

【００２７】ここにおいて、観測される波の最大波長を
正確に測定することは困難であるが、概ね本発明の方法
では円形アレーの空間的広がりは、観測される波の最大
波長の１／１０〜１／３０程度とすることができる。こ
れに対して従来のＦ−Ｋ法では、観測要素点の空間的配
置は前記最大波長の１／２〜１／３程度と本発明に比較
して距離にして約１０倍の極めて広範囲とする必要があ
る。因みにＦ−Ｋ法では振動観測器材の配置には本発明
における円形アレーのような特別の配置パターンはな
い。

【００２８】次に、図３は図２の場合と同様、地下構造
が既知の場所として神戸市東灘区内において一種類のア
レーＢを用いた観測結果による位相速度と、推定された
地下構造から弾性波動論により理論的に導かれる位相速
度（実線Ｌ２で示す）との比較を示す。

【００２９】先ず円形アレーＢは前記円形アレーＡおよ
びＦと同様、観測要素点が、中心点１点と外接円が同心
円状に配置された二つの正三角形の各頂点に配置された
６点の合計７点から構成されたものとし、半径１４０ｍ
の外接円に接する正三角形の各頂点と、半径７０ｍの外
接円に接する正三角形の各頂点とに観測要素点が配置さ
れた構成としてある。図中丸で示した点はこのアレーＢ
の観測結果に基づく位相速度を示す。この場合もアレー
Ｂの観測結果に基づく位相速度と、実線Ｌ２で示す地下
構造から弾性波動論により理論的に導かれる位相速度と
は極めて良好に一致する。即ち、一概には言えないが、
地下構造が比較的単純であったり、観測深度が比較的浅
深度である等の場合には、アレーの構成及び大きさが適
切であれば、一種類のアレーで精度の高い観測が可能で
あることが分かる。

【００３０】図４は本発明の方法を地殻のブーゲー異常
の推定に利用する例を示している。本発明方法を含め微
動観測による地下構造の探査におては、付随的な利点と
して地下構造を構成する各層のＳ波速度に対応する各層
の密度をそれぞれ推定することが可能である。これによ
り観測地点における地殻のブーゲー異常を推定すること
も可能となる。

【００３１】図４の上段は微動の観測地点における推定
地下構造を模式的に示し、下段はこの観測地点に対応す
るブーゲー異常の理論値（実線および破線の範囲で示さ
れる）と、ブーゲー異常の実測値（四角印で示す）との
関係を示している。なお、理論値は上段に示される地下
構造の各層の密度（ｇ／ｃｍ³ ）に基づいて算出したも
のである。この下段の図からも明らかなとおりブーゲー
異常の理論値は実測値と非常に高い対応を示し、本発明
がブーゲー以上の推定にも有効であることを示してい
る。なお、上端の推定地下構造の上部に示されるアルフ
アベットＡ〜Ｃは観測地点を示す。

【００３２】ここでブーゲー異常とは実際の重力実測値
が正規重力に比較して過大であるか過少であるか、即ち
重力異常の大小を示す値の一つであって、当然のことな
がら地下構造と大きな関係を持ち、地下構造の質量が大
きければ異常が正となり、質量が小さければ異常は負と
なる。即ち本発明では微動観測で地殻構造を探査するこ
とにより、観測地点におけるブーゲー異常を直接的に推
定することが可能となる。

【００３３】以上本発明を、主として地下構造推定の手
段として説明したが、この他に、微動観測が自然そのま
まの信号を扱うという利点を持つ点に着目し、これに定
点観測という手法を組み入れることにより、地滑り地、
急傾斜面崩壊地及び地熱発電の地熱貯留層において、地
下の物性劣化、ポテンシャル低下など変動をモニターす
る用途にも応用できる可能性を有する。具体的には長期
定点観測を行い分散曲線の微妙な変化を精度良く取られ
ることができれば、地下変動とその変動率をも把握でき
ることになり、事前に警報を発する等の防災にも利用で
きる可能性がある。

【００３４】

【発明の効果】本発明は以上具体的に説明したように、
微動を観測する複数の振動観測器材を円形アレーとして
形成したので、各観測器材が観測した微動から表面波を
正確に抽出することが可能となり、従って表面波速度の
分散を利用することにより従来法に比較して地下構造を
高精度に推定することが可能となる。

【００３５】また円形アレーの展開面積は従来の方法に
比較して小さくすることができるので、アレーの設定が
容易で多数の観測地点を短時間で観測することができ、
特に地下構造を三次元的に推定する場合の前提となる多
点観測を容易に実施することが可能となる。

【００３６】更に、数千メートルの大深度から、数十メ
ートルの浅深度まで幅広く利用可能であるため、構造物
の建設の際の地下構造の検査、或いはダム建設の際の周
囲の地下構造の検査、トンネル掘削時の地下構造の検査
等の分野でも効果的に利用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す地下構造解析に関する
系統図である。

【図２】大小二つのアレーに対応した観測結果による周
波数と位相速度との関係と、既知の地下構造から導かれ
る周波数と位相速度との関係との比較試験の結果を示す
図である。

【図３】一つのアレーの観測結果による周波数と位相速
度との関係と、既知の地下構造から導かれる周波数と位
相速度との関係との比較試験の結果を示す図である。

【図４】微動観測から推定した地下層の密度と、この密
度から推定されるブーゲー異常の理論値とブーゲー異常
の実測値との関係を示す図である。

【図５】実測した微動のパワースペクトラムである。

【符号の説明】

１ 観測要素点（振動観測器材配置点） Ａ１、Ａ２ 円形アレー Ｃ 分散曲線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地盤の微動を観測することによりこの微
   動を観測した地点に於ける地下構造を推定する方法にお
   いて、微動を観測する手段は仮想円の周上に等間隔に配
   置された複数の振動観測器材と、当該仮想円の中心に配
   置された一つの振動観測器材とからなる円形アレーとし
   て構成され、この円形アレーを構成する各振動観測器材
   により観測された微動から表面波が抽出され、かつ抽出
   された表面波の分散が算出され、算出された周波数毎の
   各表面波速度に対応して当該微動の観測地点における地
   下構造を推定するようにしたことを特徴とする微動観測
   による地下構造推定方法。
2. 【請求項２】 円形アレーの仮想円は同心円となる複数
   の円であることを特徴とする請求項１記載の微動観測に
   よる地下構造推定方法。
3. 【請求項３】 地下構造を形成する各地層に対応する表
   面波速度から各地下層の密度を推定することを特徴とす
   る請求項１又は２記載の微動観測による地下構造推定方
   法。
4. 【請求項４】 推定された地下構造の各地層の密度か
   ら、当該微動観測地点のブーゲー異常を推定することを
   特徴とする請求項３記載の微動観測による地下構造推定
   方法。