(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地殻内の急速な運動に伴う電磁界信号を検出して地殻変動の予測を可能とする前兆現象に係わる電磁界観測方法であって、対象地域の地表あるいは地下に長尺の被覆電線を敷設し、敷設された長尺の被覆電線をアンテナとして該被覆電線の端部から受信装置で該被覆電線に誘起された対地電圧による信号を捕捉し電界強度の異常、位置を検出することにより電磁界変動を計測することを特徴とする前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項２】
前記被覆電線として、海底ケーブルまたは光海底ケーブルの導電線または導電性心線を用いたことを特徴とする請求項１記載の前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項３】
前記被覆電線の片端から陸上の前記受信装置で受信信号を捕捉し、少なくとも前記被覆電線の陸上部分に平行対線または平衡対捻り線を用い、一方の心線の先端にインピーダンス整合用抵抗を介する海底アースを取り付けたことを特徴とする請求項２記載の前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項４】
前記被覆電線の両端から陸上の前記受信装置で受信信号を捕捉することを特徴とする請求項２記載の前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項５】
前記被覆電線を２本のダイポールアンテナとして直交または直角に近接配置したことを特徴とする請求項１記載の前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項６】
前記被覆電線の巻き線を３軸直交成形された高導磁率でかつ鉄損の小さいコアのそれぞれの軸に施してループアンテナとしたことを特徴とする請求項１記載の前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項７】
前記被覆電線の巻き線の巻き初めと巻き終わりに平行対線または平衡対捻り線を接続したことを特徴とする請求項１記載の前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項８】
前記アンテナを複数個所に配置したことを特徴とする請求項６または７記載の前兆現象に係わる電磁界観測方法。
【請求項９】
地殻内の急速な運動に伴う電磁界信号を検出して地殻変動の予測を可能とする前兆現象に係わる電磁界観測システムであって、対象地域の地表あるいは地下に敷設され長尺のアンテナとなるべき被覆電線と、該被覆電線で構成するアンテナの片端または両端から受信信号を捕捉し電界強度の異常、位置を検出することにより電磁界変動を計測する受信装置とを備えたことを特徴とする前兆現象に係わる電磁界観測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地震・火山噴火、地盤崩壊、地すべりなどの地殻内の急速な運動に伴う電磁界信号を検出して、地震・火山噴火活動など、地殻変動の予測を可能とする前兆現象に係わる電磁界観測方法及び観測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
地震・火山噴火、地盤崩壊など、地殻変動を予測するためには、前兆的な現象を捕捉することが最も重要であり、これまでの研究で、地殻変動・地震活動などに関する有力な前兆現象が報告され、また、それを計測する方法・装置が提案されている。しかし、現在評価中でいまだ決め手となる計測方法は確定していないといってよい。
【０００３】
一方で、これ等の現象の発生には地下水、マグマなどの地下の流動体が重要な役割を果たしていることが、近年明らかになってきている。しかるに、この流体層の場所が不明であり、ために感度の高い測点を選ぶことが困難であり、勢い多数の測点でのモニタを行うしかなかった。特にわが国で、過去大きな災害をもたらした巨大地震の７０％は、海底に震源地があったと言われているが、海底における広域の電場変動観測の有効な手段がなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、地震・火山噴火、地盤崩壊など、地殻変動を予測するための前兆現象に係わる電磁界変動を効率的に、良好な信号対雑音比で捕捉できるようにするものである。
【０００５】
そのために本発明は、地殻内の急速な運動に伴う電磁界信号を検出して地殻変動の予測を可能とする前兆現象に係わる電磁界観測方法であって、対象地域の地表あるいは地下に長尺の被覆電線を敷設し、敷設された長尺の被覆電線をアンテナとして該被覆電線の端部から受信装置で該被覆電線に誘起された対地電圧による信号を捕捉し電界強度の異常、位置を検出することにより電磁界変動を計測することを特徴とするものである。
【０００６】
前記被覆電線として、海底ケーブルまたは光海底ケーブルの導電線または導電性心線を用い、前記被覆電線の片端から陸上の前記受信装置で受信信号を捕捉し、少なくとも前記被覆電線の陸上部分に平行対線または平衡対捻り線を用い、一方の心線の先端にインピーダンス整合用抵抗を介する海底アースを取り付け、前記被覆電線の両端から陸上の前記受信装置で受信信号を捕捉することを特徴とするものである。
【０００７】
前記被覆電線を２本のダイポールアンテナとして直交または直角に近接配置し、前記被覆電線の巻き線を３軸直交成形された高導磁率でかつ鉄損の小さいコアのそれぞれの軸に施してループアンテナとし、前記巻き線の巻き初めと巻き終わりに平行対線または平衡対捻り線を接続し、さらに、前記アンテナを複数個所に配置したことを特徴とするものである。
【０００８】
また、地殻内の急速な運動に伴う電磁界信号を検出して地殻変動の予測を可能とする前兆現象に係わる電磁界観測システムとして、対象地域の地表あるいは地下に敷設され長尺のアンテナとなるべき被覆電線と、該被覆電線で構成するアンテナの片端または両端から受信信号を捕捉し電界強度の異常、位置を検出することにより電磁界変動を計測する受信装置とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の基本かつ最も単純な実施の形態を示す図であり、海底の信号波を検出するための図である。図１において、１は海、２は海底、３はケーブル、３ａは平行対線または平衡対捻り線、３ｂはインピーダンス整合用抵抗、４は陸揚げ局、５は受信装置、２１は陸上を示す。海１は、陸上２１の人工雑音などに対し十分に減衰を受ける水深を持ち、ケーブル３は、海底２面に敷設、または海底２下０．５〜２ｍほどの深度のところに埋設された、導電線または導電性心線を有する海底ケーブルである。陸揚げ局４は、ケーブル３の陸上２１の部分が短距離となるような場所に選ばれ、受信装置５は、ケーブル３に誘起された対地電圧の検出、表示、記録、解析などを行う機能を持つものである。
【００１０】
おおよその計算によれば、海水中の電磁波の減衰量は、直進波の場合、１０ｋＨｚで３．４ｄＢ／ｍほどと計算され、周波数の平方根に比例して増加する。また、地殻を構成する岩石などの比抵抗を大雑把に海水の１／１００以下とすると、岩石中の電磁波伝搬減衰量は、海水の１／１０以下となる。水深１００ｍで、地上波は、３４０ｄＢも減衰することになり、十分な減衰が与えられる。即ち、本発明においては、地殻中を伝搬する信号波を捕らえるのに、地上波に対しては海水をシールドにしようとするもので、信号波に対し良好な信号対雑音比を有する地殻変動観測用アンテナが実現できる。
【００１１】
また、陸揚げ部分での地上雑音を避けるためには、陸上２１の部分に平行対線または平衡対捻り線３ａを用い、一方の心線の先端にインピーダンス整合用抵抗３ｂを介する海底アースを取り付けて、これを信号波に対する比較用アース電位として用いれば、陸上１２の部分の雑音は相殺され、さらにインピーダンス整合用抵抗３ｂをある深さまで延長することにより、浅海の部分も含めて雑音は相殺される。
【００１２】
観測システムは、上記のように電線の片端のみを用いて観測するシステムと、次の実施の形態に示すように両端にて観測するシステムの両者がある。電線の片端のみを用いた観測システムでは、その経路の途中あるいはその近傍で、電界強度の異常があったことを検出する。一方、アンテナの両端で観測を行うシステムでは、次のようにその両端で受信信号を捕捉し、これらの信号の到着時刻差から、その受信信号がアンテナのどの部分で誘導を受けたかを計測する。
【００１３】
図２はケーブルの両端を陸揚げし、その両陸揚げ局内に受信装置を設置する例を示す図であり、海底に敷設した、ケーブルなどの導電線の両端にて受信する方式を示す図である。前述のようにケーブル３の浅海、陸上２１への引き込み部分では、陸上２１の雑音を、しかも高周波まで影響を受ける。そこで、ケーブル３の両端を受信装置５に引き込み、両陸揚げ局４への受信波の絶対到着時間差を比較すれば、雷などで雑音を受け、且つ前述の平行線などでも相殺しきれない時、どちらの陸揚げ部分で誘導を受けたかがわかる。
【００１４】
例えば、光海底ケーブルの給電路部分では、海水を外部導体とする一種の同軸ケーブルを構成しており、その波形伝搬速度はｌマイクロ秒あたり２５０ｍ程度と考えられる。したがって、もし片方の陸揚げ部分で陸上２１の雑音の影響を受けたとすれば、２５ｋｍのアンテナ長では、両端で１００マイクロ秒の信号到達時間差が生ずることになる。これだけの時間差があれば、例えば５ｋＨｚの雑音でも、位相差は１８０度もあることになり、かなりの低周波雑音であっても、十分誘導場所の検出は可能である。
【００１５】
以上の例については、新たにケーブルを敷設しても勿論よいが、近年の通信用海底ケーブルは例外なく光ケーブルになっており、かつ国内用短距離ケーブルでは、無中継伝送が行われている。これらケーブルもテンションメンバ兼用の導電性心線を持っているので、これをそのまま流用すれば、図２の方式が直ちにえられる。これは、遊休資産とも言える物の活用であり、甚だ経済的に長尺のアンテナが得られることになる。
【００１６】
図３は有中継の光海底ケーブル伝送に本方式を応用した例を示すブロック図である。図３において、３は光海底ケーブル、５は陸揚げ局の受信装置、６は海底機器（海底中継器または海底観測機器等）、７は信号波処理回路を示し、信号波処理回路７は、光海底ケーブル３から観測信号を抽出して光伝送路に重畳するための回路である。ただし、海底ケーブル伝送方式においては、前述のテンションメンバーを兼ねる導電性心線を通して直流定電流により、海底機器６に電力を供給することが一般的なので、この光海底ケーブルでは、直流および、非常に低い周波数の信号波の観測は不可能である。
【００１７】
図４は図３における陸揚げ部の細部を示すブロック図であり、８は定電流直流給電用電源、９はインダクタ、１０はキャパシタ、１１は復調回路、３１は光海底ケーブル中の導電性心線、３２は光ファイバ心線を示す。インダクタ９は、給電のための直流と受信した信号波とを分離するための分波器の一部を構成し、光海底ケーブル中の導電性心線３１からの直流を抽出するものであり、キャパシタ１０は、前記分波器の一部を構成し、光海底ケーブル中の導電性心線３１からの交流成分を抽出するものである。復調回路１１は、光ファイバ心線３２からの光信号を受信し、ここに多重伝送された信号波を復調して受信装置５に加える回路である。
【００１８】
図５は海底機器部の細部を示すブロック図であり、６１は光信号処理回路、６２は電源回路を示す。海底機器部においては、信号波受信、伝送回路である海底機器間で受信された信号波を光信号に適宜多重化の上伝送する。ここで、光信号処理回路６１は、送受１対の光ファイバ心線３２で伝送される光信号の中継増幅、分岐、挿入などを行う回路であり、時分割多重か、波長多重かなどはここでは問題にしない。電源回路６２は、光海底ケーブルの導電性心線３１からの給電電流を受けて光信号中継などに必要な電源を作成，供給するものである。また、信号波処理回路７は、図４と同様であるが、詳述すると光海底ケーブルの導電性心線３１からキャパシタ１０を通して抽出された信号波を受信し、ディジタル化など必要な処理を行って、光信号処理回路６１へ送り光伝送路に重畳するための回路である。以上図３、図４、図５に示すような構成によって、長距離有中継光ケーブル方式においても、信号波の交流成分のみであれば、海底機器区間ごとの信号波を区分、受信することが可能である。
【００１９】
さて、半波長ダイポールアンテナはそれを含む面上で８の字形の指向特性をもっていることはよく知られている。アンテナに誘起される信号波の電圧は、アンテナ線に対し電磁波の進行方向がなす角度の正弦に比例する。そこで、２本のダイポールアンテナを直交または直角に接近して海底に設け、それぞれの受信信号強度を比較すれば、アンテナに対する電磁波の到達角度を知ることができる。したがって、このような組アンテナを空間的に離れて二組設置すれば、電磁界変動の発生源を２次元で知ることができる。図６にこの例を示す。図６は海底に設置した直交する２本のダイポールアンテナとそのフィーダの概念図である。図６において、３、３′はそれぞれ直交する２本の海底に設置されるケーブルであって、アンテナ線を構成し、それぞれの中間点で切断して、これら２切断点各々に平行対線または平衡対捻り線３４を接続しフイーダとする。フイーダは、ある周波数以上では、アンテナとのインピーダンスマッチングを考慮して適当な線を選び整合をはかるものとする。
【００２０】
上記実施の形態は、アンテナ線を直角に２本、交差させて（交差が不可能な場合は、互いに近傍に直角に２本）敷設して、両者の信号波の受信強度を比較することにより、電磁波の伝搬方向がわかる観測システムとするものである。さらに、このようなシステムをある程度の空間的距離をおいて２システム設置すると、少なくとも２次元的な波源の決定を行う観測システムが得られる。
【００２１】
フェライトコアにコイルを巻いてバーアンテナと称する小型ループアンテナを作成することはよく知られている。また、このバーアンテナには鋭い指向性があることもよく知られているところである。図７はこのバーアンテナを３本直交させて３次元の指向性をもったアンテナを実現するものである。図７において、３３ｘ，３３ｙ，３３ｚはその軸が互いに直交するように成型された高導磁率で且つ鉄損の小さい、例えばフエライトを材料とするコアである。図ではコア３３ｚの例しか示してないが、この各々のコアの上に３５に示すように巻き線をほどこしてループアンテナとする。コアをこのように作ることは、３つのコイルの特性を出来るだけ等しくするためである。これら３巻き線は互いに平衡をよく取り、それぞれの感度が出来るだけ等しくなるように作成する。コイルは各コアに対応して３つできるが、これらコイルの巻き初めと巻き終わりに平行対線または平衡対捻り線３４を接続しフイーダとする。このような３軸バーアンテナに錘をつけ、各軸の方向が分かるように海底に設置する。各軸コイルの同一電磁波に対して誘起される電力は、各コアと電磁波の進行方向とのなす角度の正弦に比例する。従ってこれを距離をおいて２カ所に設置すれば電磁波の発生源を知りうる。
【００２２】
しかも、前述したように、海水中の電磁波の伝搬減衰量は非常に大きいので、信号波がアンテナの上方から来ることは考えられない。つまり、このアンテナは、海底面に平行な信号波でない限り単一指向性と考えて良い。したがって、３つのコイルの受信出力を比較すれば３次元の方角に対し、電磁波の到来方位は判明するので、単数設置のみでもある程度有効である。ただし、本アンテナではある周波数以下については知り得ず、まして電界の直流成分の検出はできない。従って本アンテナは単線、またはダイポールアンテナと併用すべきである。
【００２３】
上記のように本発明は、地震・火山噴火、地盤崩壊などの現象の発生場における耐水層、温泉脈、高熱水脈あるいはその近辺などに長尺のアンテナを敷設し、流体の運動を高感度で検知することにより、地震・火山噴火、地盤崩壊などの地穀内高運動動に係わる電磁界変動を観測して、地震・火山噴火、地盤崩壊などの発生予知を目的とする観測の方法、及びその装置を提供できる。
【００２４】
前兆的現象に係わる電磁界観測の方法は、海底を含めた対象とする地域の地表あるいは地下の地下水脈・火口など地下流動のある場所あるいはその近傍に、長尺のアンテナとなるべき被覆電線を敷設し、多周波数バンドで電磁界変動を計測する．そのようにすることにより、地殻内における破壊現象である地震や火山噴火などを引き起こす間隙水などの地下流動体の運動を、効率的に検知する．この手法では、従来の点観測が線観測となり広い範囲を低コストでモニターできるようになる。しかも、陸地であっても、海底であっても、本質的に違いはない。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記実施の形態で示すように本アンテナは、線状のアンテナに比し形状が著しく小型になるので、海底のみならず、地上のボアホール、トンネル内、或いは地下に埋設するなどで使用することも可能である。
【００２６】
また、本発明は、既存の海底ケーブルを利用するシステムも可能である。これらは、
（１）無中継海底光ケーブルの使用していない給電線の利用
（２）直流給電を行っている有中継海底光ケーブルの給電線の、交流部分の利用（３）海底同抽ケーブルなど、導電線を持ったケーブルであって、正規の使用を停止したものの再利用
などがある。（２）の場合には、ケーブル途中に接続される中継器、海底地震計など海底機器の給電回路に、直流を阻止し、信号波のみを抽出する分波器を取り付け、各海底機器間ごとの信号波の観測データを取り出し、これを海底機器を利用して通信伝送路に乗せて陸上まで伝送する長距離複数観測システムが得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、地震・火山噴火、地盤崩壊などが発生すると思われる海底を含めた地域あるいはその近辺などに長尺のアンテナを敷設し、地震・火山噴火、地盤崩壊などの地穀内高速運動に係わる電磁界変動を効率的に観測出来るようになるので、地震、特に海底地震、火山噴火、地盤崩壊などの発生予測を行う技術が向上し、災害軽減に大きく貢献することが期待できる。
【００２８】
特に、人工或いは自然発生の地上雑音電磁波の非常に少ない海底において地殻内高速運動などに伴い発生する電磁界変動を良好な信号対雑音比で捕捉することが可能となり、海底地殻活動の予測技術の向上に貢献できる。詳述すれば、海底にケーブルを敷くことは、地上に深い井戸を掘るのに比し、はるかに経済的であり、かつ、既設の通信用ケーブルを利用すれば、アンテナに関しては、超大型であるにも関わらず、その建設費は不要となり甚だ経済的である。
【００２９】
また、本発明は、既に述べたようにアンテナの形状と組み合わせを選択すれば、信号波の発生源まで知ることができ、地震などの発生場所に関する上の情報の取得も可能となる。更には、地球電磁気学を含む地球物理学、無線工学などの発展に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第ｌの実施の形態による海底の信号波検出のための図であって、本発明の基本を示す図である。
【図２】本発明の第ｌの実施の形態の変形を示すもので、海底に敷設した、ケーブルなどの導電線の両端にて受信する方式を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示すもので、中継器を有するケーブル通信システムを用いて海底の信号波を検出する全体システムを示す図である。
【図４】図３の有中継ケーブル通信システムを用いた全体システムのうち陸揚げ局の信号波受信回路のｌ例を示すブロック図である。
【図５】図３の有中継ケーブル通信システムを用いた全体システムのうち海底に設置する信号中継機能を有する部分で、信号伝送路に検出した信号波を重畳させる１例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示すもので、海底に設置した直交する２本のダイポールアンテナとそのフイーダの概念図である。
【図７】本発明の第４の実施形態を示すもので、アンテナに対する信号波の進行角度を知るために、互いに直交する３本の高導磁率コアに巻き線を施したバーアンテナの構造と、そのフィーダのｌ例を示す図である。
【符号の説明】
１…海、２…海底、３…ケーブル、３ａ…平行対線または平衡対捻り線、３ｂ…インピーダンス整合用抵抗、４…陸揚げ局、５…受信装置、６…海底機器、７…信号波処理回路、２１…陸上
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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