(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂岩及び泥岩毎に比誘電率と周波数と含水率との関係式及び導電率と周波数と含水率との関係式を求めて比誘電率及び導電率の関数である電磁波減衰係数を周波数及び含水率の関係式として表し、砂岩及び泥岩が堆積した調査対象地盤中の発信位置群の各位置から受信位置群の各位置までのレイパス毎に伝播する多周波数電磁波信号の発・受信位置間の時間遅れ及び振幅減衰を周波数別に計測し、前記時間遅れ及び振幅減衰の計測値が生じるような電磁波伝播速度及び減衰係数のトモグラムを周波数別に作り、前記周波数別トモグラムから異なる周波数間の伝播速度及び減衰係数の変化率を検出すると共に変化率トモグラムを作り、前記伝播速度の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の泥岩の分布を検出し、前記減衰係数の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の含水率の大きい亀裂発達部の分布を検出し、その亀裂発達部の前記周波数別トモグラムにおける減衰係数と前記減衰係数の関係式とから亀裂発達部の含水率を推定してなる電磁波トモグラム利用の地盤調査方法。
【請求項２】
砂岩及び泥岩が堆積した調査対象地盤中の発信位置群の各位置から受信位置群の各位置までのレイパス毎に伝播する多周波数電磁波信号の時間遅れ及び振幅減衰を周波数別に計測する計測装置、砂岩及び泥岩毎に比誘電率と周波数と含水率との関係式及び導電率と周波数と含水率との関係式を求めて比誘電率及び導電率の関数である電磁波減衰係数を周波数及び含水率の関係式として記憶する記憶手段、前記時間遅れ及び振幅減衰の計測値が生じるような電磁波伝播速度及び減衰係数のトモグラムを周波数別に作る演算手段、前記周波数別トモグラムの異なる周波数間の伝播速度及び減衰係数の変化率を検出し且つ変化率トモグラムを作る変化率演算手段、並びに前記伝播速度の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の泥岩の分布を検出し、前記減衰係数の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の含水率の大きい亀裂発達部の分布を検出し、その亀裂発達部の前記周波数別トモグラムにおける減衰係数と前記減衰係数の関係式とから亀裂発達部の含水率を推定する推定手段を備えてなる電磁波トモグラム利用の地盤調査装置。
【請求項３】
地盤性状を調査するためにコンピュータを、砂岩及び泥岩が堆積した調査対象地盤中の発信位置群の各位置から受信位置群の各位置までのレイパス毎に伝播する多周波数電磁波信号の時間遅れ及び振幅減衰の周波数別計測値を入力する入力手段、砂岩及び泥岩毎に比誘電率と周波数と含水率との関係式及び導電率と周波数と含水率との関係式を求めて比誘電率及び導電率の関数である電磁波減衰係数を周波数及び含水率の関係式として記憶する記憶手段、前記時間遅れ及び振幅減衰の計測値が生じるような電磁波伝播速度及び減衰係数のトモグラムを周波数別に作る演算手段、前記周波数別トモグラムの異なる周波数間の伝播速度及び減衰係数の変化率を検出し且つ変化率トモグラムを作る変化率演算手段、並びに前記伝播速度の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の泥岩の分布を検出し、前記減衰係数の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の含水率の大きい亀裂発達部の分布を検出し、その亀裂発達部の前記周波数別トモグラムにおける減衰係数と前記減衰係数の関係式とから亀裂発達部の含水率を推定する推定手段として機能させるための電磁波トモグラム利用の地盤調査プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁波トモグラム利用の地盤調査方法及び装置並びにプログラムに関し、とくに周波数が所定パターンで変化する電磁波の地盤又は岩盤（以下、両者を纏めて地盤という。）における伝播特性の周波数別トモグラムとその周波数に対する変化率トモグラムとを利用する地盤調査方法及び装置並びにプログラムに関する。
【０００２】
本発明において、トモグラムとは多方向からの電磁波の透過量の計測値に基づき計算によって作成した断面像であり、トモグラムを作成する方法をトモグラフィという。
【０００３】
【従来の技術】
地中構造物の設計・施工に際しては、地盤の構造や各種物性値を精度良く把握することが必要である。特に、高レベル放射性廃棄物の地層処分のためには、事前調査段階において数少ないボーリング孔を利用して地下深部の地盤の透水性等の特性を評価することが望まれるが、このような場合には、使用する探査手法の探査範囲・精度を十分把握した上で調査計画を立案すべきである。
【０００４】
従来から、地盤探査の一手法として電磁波トモグラフィが開発されている。しかし、従来の電磁波トモグラフィはパルス波を用いているため、とくに堆積岩（砂岩や泥岩）の地盤において構造解析に十分な探査距離が確保できない問題点があった。堆積岩は結晶質岩（花崗岩等）に比し導電率が大きく、電磁波を大きく減衰させるからである。堆積岩地盤は高レベル放射性廃棄物地層処分場の候補岩体の１つとして挙げられており、堆積岩地盤の探査に適用できる電磁波トモグラフィの開発が望まれていた。
【０００５】
この課題解決のため本出願人は、周波数が所定パターンで変化する連続電磁波を利用した周波数別トモグラフィを開発し、特願2001-045531にその一例を開示した。電磁波を連続波として地中へ入射することにより、堆積岩地盤においても十分な探査距離が確保できる。以下、本発明の理解に必要な限度において、この出願の連続電磁波型トモグラフィ及びその装置を簡単に説明する。
【０００６】
図１２を参照するに、調査すべき地盤１の断面を選定し、その断面の所定間隔隔てた両端に発信側の計測孔２と受信側の計測孔３とを穿つ。信号発生器15により周波数が所定パターンで変化する図１５（Ａ）のような連続信号16aを発生して計測孔２内の発信機４へ送る。発信機４により連続信号16aを図１５（Ｂ）のような多周波数の連続電磁波16（以下に、多周波数電磁波信号16又は単に電磁波信号16という場合がある。）として地中に送出し、これを計測孔３内の受信機５で受信する。移動手段17で受信機５を計測孔３内の複数の受信位置へ移動させることにより、一つの発信位置からの電磁波信号16を複数の受信位置で受信する。
【０００７】
電磁波信号16は例えば多数の異なる周波数部分を含み、特定時刻においては一定周波数と一定振幅を保つ正弦波である。図１５（Ａ）に示す連続信号16aは、角周波数ωが最低角周波数ω0から最高角周波数ωnまで所定時間T0、T1、T2、……Tn毎に所定パターンで切り替わり、時間部分T0〜T1の部分では一定角周波数ω0、以下時間部分T1〜T2、T2〜T3、……においてそれぞれ一定の角周波数ω1、ω2……としたものである。図１５（Ｂ）に示す電磁波信号16は、時間部分T0〜T1の部分で一定周波数f1＝約0.8MHz（≒（1／1.2）×106）であり、次の時間部分T1〜T2で一定周波数２×f1となっており、以下同様に周波数が倍増しているが、振幅は一定のものである。ただし、電磁波信号16の波形はこれらの例に限定されない。また、異なる周波数部分の振幅は必ずしも等しくなくてもよい。
【０００８】
発信側と受信側の電磁波16を比較するため、信号発生器15からの連続信号16aを計測装置９経由で発信機４へ送り、受信機５の受信信号を計測装置９へ送る。計測装置９により発信信号と受信信号との間の時間遅れ（＝伝播時間ｔ）又は振幅減衰（＝受信振幅A／発信振幅A0）を周波数ｆ別に計測する（図１６参照）。ただし、計測項目は時間遅れｔや振幅減衰A/A0に限定されず、他の物理量例えば電磁波伝播特性等を対象にすることができる。
【０００９】
次に発信機４の計測孔２内における発信位置を移動手段17によって順次移動させ、複数の発信位置から電磁波信号16を発信する。各発信位置毎に、発信電磁波信号16を複数の受信位置で受信する。こうして調査対象の地盤１の断面を覆うレイパス網19（図１３参照）を、発信位置・受信位置間のレイパス18の集合として得る。各レイパス18には、発信位置・受信位置間の伝播距離ｒと電磁波信号16の周波数ｆ別の時間遅れｔ又は振幅減衰A/A0の計測値とが付随する。
【００１０】
電磁波型トモグラフィでは、調査すべき地盤１の断面を分割したセル（例えばメッシュ）毎に電磁波の伝播速度又は減衰特性に関する情報が得られ、セル毎の情報を組み合わせることにより地盤１の断面の伝播速度分布トモグラム22s又は減衰特性分布トモグラム22aが得られる（図１２右上の従来技術参照）。
【００１１】
図１２の連続電磁波型トモグラフィでは、各レイパス18に付随する複数の周波数f1、f2、f3、……の時間遅れｔの計測値をトモグラム作成用コンピュータ20に入力することにより、周波数別の複数枚の伝播速度分布トモグラム（以下、周波数別速度トモグラムということがある。）22sf1、22sf2、22sf3、……を得る。また、周波数f1、f2、f3、……の振幅減衰A/A0の計測値をコンピュータ20へ入力することにより、周波数別の複数枚の減衰特性分布トモグラム（以下、周波数別減衰特性トモグラムということがある。）22af1、22af2、22af3、……を得る。個別周波数ｆの計測値ｔ又はA/A0が与えられた時に、周波数別速度トモグラム22sf又は周波数別減衰特性トモグラム22af（以下、両者を纏めて周波数別トモグラム22sf、22afということがある。）を作成するには種々の方法を用いることができる。一例として、物理探査学会「物理探査ハンドブック、手法編、物理探査学会1998」778〜779頁に記載の繰返し近似演算による方法を挙げることができる（特願2001-045531の段落0025〜0030参照）。
【００１２】
図１４は、三つの周波数帯f1（＝2.554〜3.781MHz）、f2（＝3.781〜5.008MHz）、及びf3（＝6.234〜7.4MHz）の各々に対する周波数別速度トモグラム22sf1、22sf2、22sf3を、トンネルの底地盤に対して実測により作成した結果の例示である。比較的低い周波数帯f1（＝2.554〜3.781MHz）の周波数別速度トモグラム22sf1を用いることにより、地盤中の亀裂密集帯を伝播速度が特に低い領域10として明確に検出できる。亀裂密集帯は伝播速度の低いことが知られているからである。また周波数帯f2（＝3.781〜5.008MHz）の周波数別速度トモグラム22sf2は、開口亀裂12を伝播速度が特に低い領域として示す。更に周波数帯f2（＝6.234〜7.4MHz）の周波数別速度トモグラム22sf3は小さな亀裂11を、伝播速度がやや低い領域として示す。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
地盤１中の電磁波の伝播速度や減衰特性は、伝播する電磁波の周波数に依存する。また、その周波数依存性は地盤１中の岩石の種類（以下、岩種という。）毎に相異する。前述した周波数別速度トモグラム22sf又は減衰特性トモグラム22afによれば、地盤１中の特定部位（セル）毎の伝播速度又は減衰特性の周波数依存性を把握することが可能であり、その周波数依存性の相異により地盤１中の岩種を推定できる可能性がある。
【００１４】
しかし、地盤１中の電磁波の伝播速度や減衰特性の周波数依存性は岩種のみで決まるのではなく他の様々な要因、例えば含水状態等によっても相異し得る。前述した周波数別トモグラム22sf又は22afでは、伝播速度又は減衰特性の周波数依存性の相異が岩種の違いによるのか又は含水状態の違いによるのかを識別することが難しい場合がある。
【００１５】
そこで本発明の目的は、地盤中の岩種及び含水状態の分布が調査できる電磁波トモグラム利用の地盤調査方法及び装置並びにプログラムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
一般に岩石中の電磁波伝播速度Ｖ（＝伝播距離ｒ／時間遅れｔ）は、周波数が高い場合は(1)式のように比誘電率εrの関数として表わすことができる。(1)式において、C0は真空中の電磁波伝播速度である。また一般に岩石中の電磁波減衰係数α（＝−ln(A/A0)／ｒ）は、(2)式のように比誘電率εr及び導電率σの関数として表わすことができる。これらの関係式(1)及び(2)により、電磁波トモグラフィで得られる伝播速度Ｖ及び減衰係数αと岩石の電磁特性（比誘電率εr及び導電率σ）とを関連付けることができる。
【００１７】
【数１】
0004148448.tif 000002
【００１８】
なお電磁波トモグラフィで得られる振幅減衰A/A0に関する情報は、発信振幅値A0が不明である場合は、減衰係数αに変えて(3)式で示す受信信号の振幅比α'（＝ln(A)／ｒ）を用いることができる。実際に電磁波トモグラムによって地盤調査を行う時は、一定条件下で（ln(A０)／ｒ）が一定と仮定できるからである。振幅比α'は相対的な振幅減衰A/A0を表わす値であり、振幅減衰A/A0が大きいほど小さくなる。以下の説明において、減衰係数αと振幅比α'とを纏めて減衰特性κという場合がある。
【００１９】
本発明者は、堆積岩の比誘電率εr及び導電率σに周波数依存性があり、その周波数依存性が含水率により変化することに注目した。異なる周波数に対する泥岩試料及び砂岩試料（それぞれ直径約25mm、厚さ約5mm）の比誘電率εrをインピーダンス／ゲイン・フェ−ズ・アナライザ法で測定した結果を図５（Ａ）に示す。泥岩試料の平均間隙率は22％、砂岩試料の平均間隙率は16％であった。各試料の乾燥時における比誘電率特性と、水道水（EC：39mS/m）で試料を飽和した時の比誘電率特性とを計測した。同図のグラフに示すとおり、乾燥時には比誘電率εrの周波数に対する変化率（以下、周波数分散ということがある。）はあまり大きくないが、飽和時には周波数の増加に対して比誘電率εrが大きく減少する傾向が見られた。特に泥岩は、砂岩よりも比誘電率εrの周波数分散が顕著であることが分かる。また、前記泥岩試料及び砂岩試料の異なる周波数に対する導電率σを前記と同じ方法で測定した結果を図５（Ｂ）に示す。同図のグラフから、導電率σに関して、飽和時に比し乾燥時において周波数分散が大きいことが分かる。また、岩種により絶対値は異なるものの、導電率σの周波数分散の傾向に大きな差は見られない。
【００２０】
更に本発明者は、図５（Ａ）及び（Ｂ）の測定結果に基づく研究の結果、堆積岩の比誘電率εr及び導電率σを周波数ｆ及び含水率ωの関係式として表わせることを実験的に見出した。従来から岩石の比誘電率εr及び導電率σを算定するための実験式、理論式等が提案されているが、比誘電率εr及び導電率σを周波数ｆ及び含水率ωの関係式として表わすことは提案されていない。以下、堆積岩の比誘電率εr及び導電率σの関係式の導出方法を説明する。
【００２１】
（１）堆積岩の比誘電率εrの周波数ｆ及び含水率ωとの関係式
本発明者は、先ず結晶質岩試料の40MHzの比誘電率を計測し、試料の乾燥時の比誘電率εdryに対する飽和時（試料を水で飽和した時）の比誘電率εsat.の比（εsat.／εdry）と含水率ω（％）との関係を求めた。含水率ωは試料岩片の間隙率によって定まる。その結果、前記比（εsat.／εdry）は間隙率と直線関係にあり、この直線は含水率ω＝０においてεsat.／εdry＝１を通ることを見出した。
【００２２】
次に、堆積岩試料の比誘電率εrの室内計測結果を図６（Ａ）に示す。同図は10MHzと20MHz時の結果のみを示すが、飽和時における比誘電率εrと含水率ωとの関係が、乾燥時における比誘電率εdryを通る直線であることを示す。このことから、比誘電率εrに関して(11)式及び(12)式の関係式が成立することを見出した。(11)式及び(12)式においてεdryは乾燥時の比誘電率（岩種により異なる定数）、g(f)は含水率に対する比誘電率εrの傾き（周波数に依存）、ｆは周波数（MHz）、Ａ及びＢは岩種により異なる定数である。図６（Ａ）に砂岩、泥岩に対する定数Ａ、Ｂの近似値を示す。岩種、周波数、含水率が決まれば、(11)式、(12)式により比誘電率εrを(13)式として求めることができる。
【００２３】
（２）堆積岩の導電率σの周波数ｆ及び含水率ωとの関係式
また、上記室内実験における飽和時の導電率σと乾燥時の導電率σdryとの測定結果について、両者の常用対数の比log（σ）／log（σdry）と含水率ωとの関係を図６（Ｂ）のようにプロットした。図６（Ｂ）はパラメータである周波数が10MHzと20MHzの時の結果のみを示すが、この結果からlog（σ）／log（σdry）は周波数や岩種に関係なく(14)式を満たすことを見出した。(14)式においてａは定数である。
【００２４】
更に、図５（Ｂ）に示したように導電率σは飽和時よりも乾燥時において周波数分散が大きいこと及び乾燥時の導電率σは岩種により異なる値を示すことから、乾燥時の導電率σdryに関して(15)式の関係式が成立することを見出した。(15)式においてｆは周波数（MHz）、ｂ及びｃは岩種により異なる定数である。図６（Ｂ）に砂岩、泥岩に対する定数ａ、ｂ、ｃの近似値を示す。岩種、周波数、含水率が決まれば、(14)式、(15)式により導電率σを(16)式として求めることができる。
【００２５】
【数２】
0004148448.tif 000003
【００２６】
(13)式及び(16)式を(1)式及び(2)式（又は(3)式）に代入すれば、堆積岩における伝播速度Ｖ及び減衰係数α（又は振幅比α'）を周波数ｆ及び含水率ωの関係式として表わすことができる。このように表わした伝播速度Ｖ及び減衰係数α（又は振幅比α'）によれば、地盤中の岩種及び含水状態に応じた周波数別トモグラム22sf又は22afの作成が可能となり、その周波数別トモグラム22sf又は22afによる地盤中の岩種及び含水状態の分布の詳細な調査が期待できる。本発明は、この知見に基づき研究開発を重ねた結果、完成に到ったものである。
【００２７】
図２、図３及び図４を参照するに、本発明の電磁波トモグラム利用の地盤調査方法は、砂岩及び泥岩毎に比誘電率εrと周波数ｆと含水率ωとの関係式（(13）式）及び導電率σと周波数ｆと含水率ωとの関係式（(16)式）を求めて比誘電率εr及び導電率σの関数である電磁波減衰係数αを周波数ｆ及び含水率ωの関係式（(13)式及び(16)式を代入した(2)式又は(3)式）として表し、砂岩及び泥岩が堆積した調査対象地盤１中の発信位置群の各位置（発信機４の発信位置）から受信位置群の各位置（受信機５の受信位置）までのレイパス18毎に伝播する多周波数電磁波信号16（図１５参照）の発・受信位置間の時間遅れｔ及び振幅減衰A/A0（図１６参照）を周波数ｆ別に計測し、時間遅れｔ及び振幅減衰A/A0の計測値が生じるような電磁波伝播速度Ｖのトモグラム22sf1、22sf2及び減衰係数αのトモグラム22af1、22af2（以下、減衰特性トモグラム22af1、22af2ということがある。）を例えば周波数f1、f2別に作り、周波数f1、f2別のトモグラム（22sf1、22sf2）、（22af1、22af2）から異なる周波数f1、f2間の伝播速度Ｖ及び減衰係数αの変化率を検出すると共に変化率トモグラム22sd、22adを作り、伝播速度Ｖの変化率トモグラム22sdの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤１中の泥岩の分布を検出し、減衰係数αの変化率トモグラム22adの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤１中の含水率の大きい亀裂発達部の分布を検出し、その亀裂発達部の周波数f1、f2別トモグラム（22af1、22af2）における減衰係数αと前記減衰係数αの関係式（(13)式及び(16)式を代入した(2)式又は(3)式）とから亀裂発達部の含水率ωを推定してなるものである。
【００２９】
また図１、図３及び図４を参照するに、本発明による電磁波トモグラム利用の地盤調査装置は、砂岩及び泥岩が堆積した調査対象地盤中の発信位置群の各位置（発信機４の発信位置）から受信位置群の各位置（受信機５の受信位置）までのレイパス18毎に伝播する多周波数電磁波信号16（図１５参照）の時間遅れｔ及び振幅減衰A/A0を周波数ｆ別に計測する計測装置９、砂岩及び泥岩毎に比誘電率εrと周波数ｆと含水率ωとの関係式（(13）式）及び導電率σと周波数ｆと含水率ωとの関係式（(16)式）を求めて比誘電率εr及び導電率σの関数である電磁波減衰係数αを周波数ｆ及び含水率ωの関係式（(13)式及び(16)式を代入した(2)式又は(3)式）として記憶する記憶手段30、時間遅れｔ及び振幅減衰A/A0の計測値が生じるような電磁波伝播速度Ｖのトモグラム22sf1、22sf2及び減衰係数αのトモグラム22af1、22af2を例えば周波数f1、f2別に作る演算手段24、周波数別トモグラム（22sf1、22sf2）、（22af1、22af2）の異なる例えば周波数f1、f２げんの伝播速度Ｖ及び減衰係数αの変化率を検出し且つ変化率トモグラム22sd、22adを作る変化率演算手段26、並びに伝播速度Ｖの変化率トモグラム22sdの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤１中の泥岩の分布を検出し、減衰係数αの変化率トモグラム22adの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤１中の含水率の大きい亀裂発達部の分布を検出し、その亀裂発達部の周波数f1、f2別トモグラム（22af1、22af2）における減衰係数αと前記減衰係数αの関係式（(13)式及び(16)式を代入した(2)式又は(3)式）とから亀裂発達部の含水率ωを推定する推定手段28を備えてなるものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の地盤調査装置の一例は、計測装置９とコンピュータ20とを有する。計測装置９は図１２と同様の装置であり、制御部と信号発生器15と発信機４と受信機５とを有する。送信機４と受信機５とは砂岩及び泥岩が堆積した調査対象地盤１（以下、単に地盤１ということがある）を介して対向させて配置する。信号発生器15は周波数が所定パターンで変化する連続信号16aを発生し、発信機４が連続信号16aを連続電磁波16として地盤１中へ送出し、地盤透過後の連続電磁波16を受信機５で受信する。発信機４及び受信機５の一例は、広帯域の電磁波信号16を送受信できるアンテナである。
【００３１】
コンピュータ20は、記憶手段30と演算手段24と変化率演算手段26と推定手段28とを有する。また、計測装置９の計測値を入力する入力手段（図示せず）を有する。記憶手段30には、地盤１に含まれ得る岩種及び含水状態を、その電磁波伝播速度Ｖ及び減衰係数α（又は振幅比α'）と共に記憶する。例えば、(13)式及び(16)式を(1)式及び(2)式（又は(3)式）へ代入することにより得られる伝播速度Ｖ及び減衰係数α（又は振幅比α'）と周波数ｆ及び含水率ωとの関係式を岩種毎に記憶手段30に記憶する。
【００３２】
演算手段24の一例は、例えば前述した「繰返し近似演算」に基づき周波数別トモグラム22sf、22afを作成するコンピュータ20の内蔵プログラムである。また変化率演算手段26の一例は、周波数別トモグラム22sf、22afから異なる周波数間の速度Ｖ又は減衰係数α（又は振幅比α'）の変化率を検出し、その速度変化率の分布トモグラム22sd（以下、速度変化率トモグラム22sdということがある。）及び減衰係数変化率の分布トモグラム22ad（以下、減衰特性変化率トモグラム22adということがある。）を作成するコンピュータ20の内蔵プログラムである。本明細書では、速度変化率トモグラム22sdと減衰特性変化率トモグラム22adとを纏めて変化率トモグラム22sd、22adという。推定手段28及び入力手段の一例も、コンピュータ20の内蔵プログラムである。
【００３３】
図１の地盤調査装置を実際の堆積岩サイトに適用する前に、本発明の手法の有効性を検討するため、図７に示す地盤モデルの断面を想定してコンピュータ20のみによるシミュレーションを行った。図７（Ａ）は、地盤モデルにおける砂岩部と泥岩部と断層部の分布の想定を示す。図７（Ｂ）は、間隙率を砂岩部で15％、泥岩部で20％、断層部で30％と設定した上で想定した地盤モデルにおける間隙率の分布を示す。
【００３４】
先ず、図７の地盤モデル全体について演算手段24により周波数別速度トモグラム22sfを試算した。即ち、間隙（空隙）が水分で飽和していると仮定して含水率を求め、記憶手段30に記憶した乾燥時の比誘電率εdry及び定数Ａ・Ｂ（図６（Ａ）参照）を用い、(13)式により周波数f1＝４MHz、f2＝10MHzに対する比誘電率εrの分布を算出した。次に、算出した比誘電率εrの分布を(1)式により各周波数f1＝４MHz、f2＝10MHzに対する伝播速度Ｖの分布に変換し、周波数別速度トモグラム22sf1、22sf2を算出した。試算結果を図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す。
【００３５】
図３（Ａ）及び（Ｂ）の周波数別速度トモグラム22sf1、22sf2では、断層部及び泥岩部が共に低速度部として示されているが、両者の明確な識別は困難である。その理由は図６（Ａ）及び(11)〜(13)式に示すように、泥岩の間隙率が砂岩に比しやや大きいことと、泥岩の比誘電率εrの含水率ωに対する傾きg(f)が砂岩に比し大きいことによる。
【００３６】
そこで、周波数別速度トモグラム22sf1、22sf2から両周波数f1、f2間の周波数変化（この場合は、周波数増加）に対する速度変化率（この場合は、速度増加率）の分布を変化率演算手段26で算出したところ、図３（Ｃ）に示す速度変化率トモグラム22sdが得られた。図３（Ｃ）と図７（Ａ）との比較から、速度変化率トモグラム22sdでは泥岩部のみを速度変化率が大きい部分として明確に検出できることが分かる。その理由は、砂岩よりも泥岩のほうが(11)式の比誘電率εrの傾きg(f)が大きく（図６（Ａ）の定数Ｂの値を参照）、比誘電率εrの周波数分散が大きいためである。砂岩中の間隙率が大きい断層部分も速度変化率（速度増加率）がやや大きい部分として検出されるが、図３（Ｃ）では泥岩部と砂岩の断層部分とを明確に区別できる。要するに、速度変化率トモグラム22sdは地盤１中の泥岩部の検出に有効であることが確認できた。
【００３７】
次に、図７の地盤モデル全体について演算手段24により周波数別減衰特性トモグラム22afを試算した。この場合も、間隙（空隙）が水分で飽和していると仮定して含水率を求め、記憶手段30に記憶した定数ａ、ｂ及びｃ（図６（Ｂ）参照）を用い、(16)式により周波数f1＝４MHz、f2＝10MHzに対する導電率σの分布を算出した。算出した導電率σの分布と先に算出した比誘電率εrの分布と(2)式とにより、各周波数f1＝４MHz、f2＝10MHzに対する減衰係数αの分布を求めた。更に本シミュレーションでは、地盤１の断面の各セルにおける（ln(A０)／r）を一定値＝7.0と仮定し、(3)式により減衰係数αを振幅比α'（＝7.0−α）に変換し、周波数別減衰特性トモグラム22af1、22af2として周波数別振幅比トモグラムを試算した。試算結果を図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す。
【００３８】
図４（Ａ）及び（Ｂ）の周波数別減衰特性トモグラム22af1、22af2では、周波数別速度トモグラム22sf1、22sf2の場合に比し、断層部を振幅比α'が小さい部分（減衰係数αが大きい部分）として比較的明確に検出できる。これは振幅比α'（減衰係数α）が、岩種の相異による影響よりも、含水率の相異による影響を大きく受けるからである。しかし、周波数別減衰特性トモグラム22af1、22af2では、泥岩部における含水率分布が必ずしも正確に検出できていない。
【００３９】
そこで、図４の周波数別減衰特性トモグラム22af1、22af2から両周波数f1、f2間の周波数変化（この場合は、周波数増加）に対する減衰係数αの変化率（この場合は、振幅比α'の減少率）の分布を変化率演算手段26で算出したところ、図４（Ｃ）に示す減衰特性変化率トモグラム22adが得られた。図４（Ｃ）と図７（Ｂ）との比較から、減衰係数α（振幅比α'）の変化率の分布は地盤モデルに想定した間隙率の分布と極めてよく一致していることが分かる。その理由は、減衰係数α（振幅比α'）の変化率により岩種の違いよりも含水状態の違いのみを強調して検出できるためである。要するに、減衰特性変化率トモグラム22adは地盤１中の含水率の大きい部分（亀裂の発達した部分）の検出に有効であることが確認できた。
【００４０】
図２は、図１の地盤調査装置を地盤１の地質構造の推定に適用する場合における地盤調査方法の流れ図の一例を示す。この場合は、図１に示すように、調査対象地盤１に計測孔２を穿ち、計測孔２内の発信位置群の各位置へ発信機４を移動手段17により移動させて固定する。また、電磁波信号16が受信可能な所定距離だけ隔てた計測孔３を地盤１に穿ち、その計測孔３内の受信位置群の各位置へ受信機５を移動手段17により移動させて固定する。図１２を参照して説明したように、発信位置群の各々から発信される電磁波信号16を受信位置群の受信位置の各々で受信するサイクルを繰り返すことにより、図１３に示すようなレイパス網19が形成できる。レイパス網19における各レイパス18の電磁波伝播距離ｒは既知とし、例えばコンピュータ20の記憶手段30に記憶する。以下、図２の流れ図を参照して本発明の地盤調査方法を説明する。
【００４１】
先ずステップ101において、各レイパス18に沿って発信機４から地盤１内へ電磁波信号16を送出し、レイパス18内を伝播した電磁波信号16を受信機５で受信する。計測装置９の制御部に信号発生器15の電磁波信号（発信信号）16と受信機５の受信信号とを送り、発信信号に対する受信信号の時間遅れｔ及び／又は振幅減衰A/A0を周波数ｆ別に計測する。
【００４２】
ステップ102において計測装置９の計測した時間遅れｔを演算手段24へ入力し、演算手段24により、時間遅れｔと各レイパス18の伝播距離ｒとに基づき周波数別速度トモグラム22sfを作像する。例えば地盤１が図７（Ｂ）のような間隙率分布を有し且つ電磁波信号16がf1（＝４MHz）及びf2（＝10MHz）を含む場合は、演算手段24による周波数別速度トモグラム22sf1、22sf2は、上述した図３（Ａ）及び（Ｂ）のようになるはずである。ただし、図３（Ａ）の周波数別速度トモグラム22sf1では、泥岩部と砂岩内の亀裂が発達した部分（断層部）との明確な識別が困難である。電磁波信号16の周波数を高めた図３（Ｂ）の周波数別速度トモグラム22sf2でも、地盤１内の伝播速度は向上するものの、泥岩部と砂岩内の亀裂が発達した部分との識別困難性を改善できない。
【００４３】
ステップ104において、変化率演算手段26により速度トモグラム22sf1、22sf2から周波数f1、f2間の周波数変化（例えば、周波数増加）に対する速度変化率（例えば、速度増加率）の分布を検出し、図３（Ｃ）のような速度変化率トモグラム22sdを作成する。上述したように、速度変化率トモグラム22sdによれば泥岩部と砂岩内の亀裂が発達した部分とを区別し、泥岩部のみを速度変化率が大きい部分として明確に検出できる。ステップ106は、速度変化率トモグラム22sdに基づいて、推定手段28が地盤１中の泥岩の分布を推定する処理を示す。この場合の推定手段28の一例は、速度変化率トモグラム22sdにおける速度変化率の大きい部分から地盤１中の泥岩部を検出するプログラムである。また、その泥岩部の周波数別速度トモグラム22sfにおける電磁波伝播速度Ｖと、記憶手段30に記憶した岩種・含水状態毎の電磁波伝播速度Ｖの関係式（(13)式を代入した(1)式）とから、推定手段28によりその泥岩部の含水率を推定することも可能である。
【００４４】
図２の流れ図では更に、ステップ103において計測装置９の計測した振幅減衰A/A0を演算手段24へ入力し、演算手段24により、振幅減衰A/A0と各レイパス18の伝播距離ｒとに基づき周波数別減衰特性トモグラム22afを作成する。この場合も、地盤１が図７（Ｂ）のような間隙率分布を有し且つ電磁波信号16がf1（＝４MHz）及びf2（＝10MHz）を含む場合は、演算手段24による周波数別減衰特性トモグラム22af1、22af2は上述した図４（Ａ）及び（Ｂ）のようになるはずである。
【００４５】
ステップ105において変化率演算手段26により周波数別減衰特性トモグラム22af1、22af2から周波数f1、f2間の減衰係数αの変化率（振幅比α'の減少率）の分布を検出し、図４（Ｃ）に示すような減衰特性変化率トモグラム22adを作成する。上述したように、減衰特性変化率トモグラム22adによれば岩種の違いよりも含水状態の違いのみを強調することができ、地盤１中の含水率の大きい部分を減衰係数α（振幅比α'）の変化率が大きい部分として明確に検出できる。ステップ106は、減衰特性変化率トモグラム22adに基づき、推定手段28が地盤１中の含水率の大きい部分の分布を推定する処理を併せて示す。この場合の推定手段28の一例は、減衰特性変化率トモグラム22adにおける減衰係数α（振幅比α'）の変化率の大きい部分から地盤１中の含水率の大きい部分を検出するプログラムである。また、その含水率の大きい部分の岩種が推定できれば、その部分の周波数別減衰特性トモグラム22afにおける減衰係数α（振幅比α'）と、記憶手段30に記憶した岩種・含水状態毎の減衰係数α（振幅比α'）の関係式（(13)式及び(16)式を代入した(2)式又は(3)式）とから、推定手段28によりその部分の含水率を推定することも可能である。
【００４６】
こうして本発明の目的である「地盤中の岩種及び含水状態の分布が調査できる電磁波トモグラム利用の地盤調査方法及び装置並びにプログラム」の提供が達成できる。
【００４７】
なお、周波数別トモグラム22sf、22afを作る演算手段24の一例では、先ず各レイパス18（レイパス網19）と交差する地盤１の電磁波伝播速度Ｖ及び／又は減衰係数α（又は振幅比α'）を仮定して周波数別の初期モデルを作る。次に、レイパス18の各々について初期モデルに基づく時間遅れｔ及び／又は振幅減衰A/A0を試算し、その試算値を各レイパス18に沿って実測された計測装置９の計測値と周波数別に対比する。両者に差がある場合は、その差が小さくなるように初期モデルを修正する。
【００４８】
更に、修正後の初期モデルに基づいて再度レイパス18の各々について時間遅れｔ及び／又は振幅減衰A/A0を試算し、その試算値を各レイパス18に沿って実測された計測値と周波数別に対比する。両者に差がある場合は、その差が小さくなるように初期モデルを更に修正する。このサイクルを試算値と計測値との差が最小又は極小となるまで繰り返し、地盤１の電磁波伝播速度Ｖ及び／又は減衰係数α（振幅比α'）の分布モデルを収斂させることにより、全てのレイパス18において計測装置９の計測値が得られるような周波数別速度トモグラム22sf又は周波数別減衰特性トモグラム22afを作る。
【００４９】
演算手段24における伝播速度Ｖ、減衰係数α（振幅比α'）の分布モデルの収斂方法として、レイパス18毎に試算値と実測値との差を修正する方法（ART法）、全てのレイパス18の試算値を求めたのち実測値との差を修正する方法（SIRT法）、その他の従来の適当な分布モデルの最適化手法、又は統計的処理を使った方法等を用いることができる。
【００５０】
変化率演算手段26は例えば、このような収斂により得られた周波数別トモグラム22sf、22afから、異なる周波数間の変化率トモグラム22sd、22adを作る。また推定手段28の一例は、周波数別トモグラム22sf、22af及び変化率トモグラム22sd、22adと、記憶手段30に記憶した岩種・含水状態毎の電磁波伝播速度Ｖ及び／又は減衰係数α（振幅比α'）の関係式とから、地盤１中の岩種及び含水状態の分布を推定する。
【００５１】
【実施例】
図８は、実際の堆積岩サイトで地盤中の岩種及び含水状態を推定した本発明の実施例を示す。この堆積岩サイトの地質は砂岩・泥岩互層で薄い礫岩層を挟在させていた。４本のボーリング孔No.１〜４を同図に示す間隔で直線上に削孔し、それらの配列方向を地層の走行方向とほぼ直角とした。地層は70〜80度で傾斜しており、孔No.１側で泥岩優勢層が分布し、孔No.４側で砂岩優勢層が分布していた。砂岩層は泥岩層に比べ、地盤の割れ目の多さを示す指標であるRQD（Rock Quality Designation）が相対的に小さくなっていた。また、地下水位はほぼGL−３ｍに位置していた。
【００５２】
本発明の地盤調査装置の発信機４と受信機５とを孔間隔８ｍのNo.３孔とNo.４孔との間の深度10ｍから35ｍの位置に置き、１ｍピッチに発信位置・受信位置を設けて地盤調査を行った。更に本実施例では、発信信号（連続信号）16aの周波数を１〜40MHzの間で変化させて時間遅れｔ及び振幅減衰A/A0を周波数別に計測し、伝播速度Ｖ及び減衰係数α（この場合は振幅比α'）の周波数別トモグラム22sf、22af（図示せず）を作成した。
【００５３】
作成した周波数別トモグラム22sf、22afを比較すると、異なる周波数帯域においてその分布形状が必ずしも一致しなかった。これは図８の堆積岩サイトにおける岩石の周波数依存性の相異を反映した結果と考えられる。このような周波数依存性の違いを評価するため、周波数f1（＝３〜５MHz）、f2（＝９〜11MHz）間の伝播速度Ｖ及び減衰係数α（この場合は振幅比α'）の変化率を検出して変化率トモグラム22sd、22adを作成した。電磁波信号16の周波数f1からf2への変化（この場合は、増加）に対する速度変化率（この場合は、速度増加率）トモグラム22sdの計算結果を図９に示し、その周波数変化に対する減衰係数αの変化率（この場合は振幅比α'の減少率）トモグラム22adの計算結果を図１０に示す。
【００５４】
図９の孔No.３の深度25ｍから30ｍ付近には速度変化率の大きい部分が認められる。本発明によれば、このように速度変化率の相対的に大きな部分は泥質な岩が存在している部分であると推定できる。また図１０には振幅比変化率の大きい部分が、孔No.４の深度15ｍから孔No.３の深度26ｍにかけてと孔No.４の深度32ｍ付近との２箇所で認められ、更にこれと直交する方向にも数条認められる。本発明によれば、これらの部分は含水率が大きく亀裂が発達した部分であると推定できる。
【００５５】
以上の推定結果を検証するため、図８に示した堆積岩サイト孔のNo.１−No.４間において比抵抗トモグラフィを実施した。図１１は、塩水を用いたトレーサー投入の前後における比抵抗値の変化率分布を示す比抵抗トモグラムである。比抵抗トモグラフィでは、導電率の大きな塩水トレーサーが浸入した部分はトレーサー投入後に比抵抗が大幅に減少した部分（比抵抗値変化率が大きい部分）として把握されるが、この部分は含水率が大きく亀裂が発達していると考えられる。図１０の減衰特性変化率トモグラム22adにおいて亀裂が発達した部分と評価した箇所は、図１１の孔No.３−No.４間の比抵抗が減少した部分と比較的よく一致している。この一致から、本発明の電磁波トモグラム利用の地盤調査方法及び装置は妥当なものであることが確認できた。なお、本発明は地盤調査への適用に限定されるものではなく、地下埋蔵物の非接触検出等にも応用できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電磁波トモグラム利用の地盤調査方法及び装置並びにプログラムは、砂岩及び泥岩毎に比誘電率と周波数と含水率との関係式及び導電率と周波数と含水率との関係式を求めて比誘電率及び導電率の関数である電磁波減衰係数を周波数及び含水率の関係式として表し、砂岩及び泥岩が堆積した調査対象地盤中を伝播する多周波数電磁波信号の時間遅れ及び振幅減衰に基づき地盤の電磁波伝播速度及び減衰係数のトモグラムを周波数別に作り、異なる周波数間の伝播速度及び減衰係数の変化率を検出して変化率トモグラムを作り、伝播速度の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の泥岩の分布を検出し、減衰係数の変化率トモグラムの変化率が大きい部分から発信・受信位置群間の地盤中の含水率の大きい亀裂発達部の分布を検出し、その亀裂発達部の周波数別トモグラムにおける減衰係数と前記減衰係数の関係式とから亀裂発達部の含水率を推定するので、次の顕著な効果を奏する。
【００５７】
（イ）従来の電磁波トモグラフィに比し、異なる周波数間の速度変化率トモグラムを利用するので、速度変化率が大きい領域として地盤中の泥岩部の分布を検出することが可能となる。
（ロ）従来の電磁波トモグラフィに比し、異なる周波数間の減衰特性変化率トモグラムを利用するので、減衰特性変化率が大きい領域として地盤中の含水率の大きい部分の詳細な分布を検出することが可能となる。
（ハ）地盤中の岩種の分布だけでなく含水状態の分布が推定できるので、従来の電磁波トモグラフィに比し地盤の詳細な調査が可能となる。
（ニ）電磁波の減衰が大きい堆積岩地質においても地盤の詳細な調査が可能であり、岩種や含水状態に拘わらず適用可能である。
【００５８】
（ホ）周波数が所定パターンで変化する多周波数電磁波信号を用いるので、持続時間の短いパルスではエネルギー不足で評価できなかった事柄を大きなエネルギーによって確実に評価できる。
（ヘ）高レベル放射性廃棄物地層処分におけるサイト特性の高精度評価への寄与が期待できる。
（ト）地盤構造の調査のみに限定されるものではなく、地下埋蔵物の非接触検出等にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明による地盤調査装置の一実施例の説明図である。
【図２】は、本発明による地盤調査方法の流れ図の一例である。
【図３】は、周波数別速度トモグラム及び速度変化率トモグラムの一例である。
【図４】は、周波数別減衰特性トモグラム及び減衰特性変化率トモグラムの一例である。
【図５】は、堆積岩の比誘電率及び導電率の測定値を示すグラフである。
【図６】は、堆積岩の比誘電率と含水率との関係及び導電率と含水率との関係を示すグラフである。
【図７】は、シミュレーション用の地盤サイトの地質構造及び間隙率分布を示す説明図である。
【図８】は、実証試験サイトのボーリング孔及びトモグラフィ実施区間を示す説明図である。
【図９】は、実証試験サイトにおける速度変化率トモグラムの一例である。
【図１０】は、実証試験サイトにおける減衰特性変化率トモグラムの一例である。
【図１１】は、実証試験サイトにおける比抵抗トモグラムの一例である。
【図１２】は、従来の電磁波トモグラフィによる地盤調査方法の説明図である。
【図１３】は、電磁波信号が伝播するレイパス網の説明図である。
【図１４】は、従来の電磁波トモグラフィによる地盤調査結果の一例を示す説明図である。
【図１５】は、多周波数電磁波信号の波形の説明図である。
【図１６】は、多周波数電磁波信号の時間遅れ及び振幅減衰の説明図である。
【符号の説明】
１…地盤                ２、３…計測孔
４…発信機              ５…受信機
９…計測装置            10…亀裂密集帯
11…ゆるみ帯（小さな亀裂）
12…開口亀裂（大きな亀裂）
15…信号発生器
16…多周波数電磁波信号（連続電磁波）
16a…連続信号
17…移動手段            18…レイパス
19…レイパス網          20…コンピュータ
22s…伝播速度分布トモグラム
22sf…周波数別速度トモグラム
22sd…速度変化率トモグラム
22a…減衰特性分布トモグラム
22af…周波数別減衰特性トモグラム
22ad…減衰特性変化率トモグラム
24…演算手段            26…変化率演算手段
28…推定手段            30…記憶手段
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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