東海大学海洋研究所研究報告第 28 号（2007）21 − 28 頁

Bull. Inst. Oceanic Res. & Develop., Tokai Univ.（2007）, 28, 21 − 28

電磁アクロス長距離送受信実証実験中 島 崇 裕 1, 2）・長 尾 大 道 1, 3）・佐 柳 敬 造 2）・野 田 洋 一 4）・長 尾 年 恭 2）・
熊 澤 峰 夫 1, 5）・羽 佐 田 葉 子 1, 2）

A Trial Observation of the EM-ACROSS Signal
for the Long-Distance Transmission
Takahiro Nakajima1, 2）, Hiromichi Nagao1, 3）, Keizo Sayanagi2）, Yoichi Noda4）,
Toshiyasu Nagao2）, Mineo Kumazawa1, 5） and Yoko Hasada1, 2）

Abstract
Observation test is successfully made on the EM-ACROSS signals transmitted through the Earth's crust
over the distance up to 50 km. We transmitted a set of three sine waves around 1 Hz from the groundedwire source with the dipole moment 4 A × 150 m. The amplitude level of signals at the distance of 〜 50 km-

was in the order of 0.01pT, 10 3 lower than the average level of environmental electromagnetic noise at theobservation sites. The signal-to-noise ratio of the observations reaches up to 6 by means of the optimized
stacking of the raw observation data for the 〜 50 days. The results of this trial observation have provided us
with a substantial milestone towards the routine methodology for the active monitoring of the undergroundstates in the research works for the prediction of earthquake generation and volcanic activities.

く（robust），限られた周波数範囲内の有限個のサイン

は じ め に波が持つ位相情報が，パルス的イベントの伝播時間決

アクロスは精密な定常サイン波信号が雑音に最も強1） 日本原子力研究開発機構

東濃地科学センター定に有用であることを活用した地下監視観測手法とし〒 509-5102 土岐市泉町定林寺 959-31

Tono Geoscience Center, Japan Atomic Energy Agency. 959-31 Jorinji, Izumicho, Toki, Gifu 509-5102, Japan2） 東海大学海洋研究所〒 424-8610 静岡市清水区折戸 3-20-1

Institute of Oceanic Research and Development, Tokai University. 3-20-1 Orido, Shimizu-ku, Shizuoka 424-8610, Japan3） 海洋研究開発機構

地球内部変動研究センター〒 236-0001 横浜市金沢区昭和町 3173-25

Institute for Research on Earth Evolution, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology. 3173-25 Showacho, Kanazawa-ku, Yokohama 236-0001, Japan
4） 特定非営利活動法人 リアルタイム地震情報利用協議会〒 160-0004 新宿区四谷 2-14-4

Real-time Earthquake Information Consortium. 2-14-4 Yotsuya, Shinjuku-ku, Tokyo 160-0004, Japan5） 静岡大学理学部〒 422-8529 静岡市駿河区大谷 836

Faculty of Science, Shizuoka University. 836 Ohya, Suruga-ku, Shizuoka 422-8529, Japan（2006 年 9 月 19 日受付／ 2007 年 1 月 23 日受理）22

中島崇裕・長尾大道・佐柳敬造・野田洋一・長尾年恭・熊澤峰夫・羽佐田葉子て提案された（熊澤・武井，1994；武井他，1994）．当初この手法は弾性波への適用を想定していたが，電磁拡散波への適用とその有用性も提唱され（ 小 川・ 熊 澤，1996）， さ ら に 線 形
力学系の入出力特性（伝達関数）の汎用的計測方法であることが示され（熊澤他，2000），広く ACROSS（Accurately
Controlled Routinely Operated Signal
System のアクロニム）と呼ばれることになった．
これまで弾性波アクロスについては，偏心錘の回転によりシングル
フォースを発生させる装置を開発し（國友・熊澤，2004），その信号は 100
km 以遠まで届くことが確認されている（吉田他，2004）．一方，電磁拡散波の観測的研究では，送信パワーの不足
や地下での信号減衰が大きいことなどのため，これまで数 km 程度の観測にとどまっていた（中島他，2000）．
本論文では，地震発生や火山活動など地下の H2O が関係した現象の能動Fig. 1

Location of transmitter site at Tono（triangle）and two
observation sites at Tsukechi（36 km）and Shitara（50 km）（reverse triangle）. The two arrows in inlet show the layoutof two electric dipoles ; NW and SW（arrow）, using threeelectrodes grounded at Tono Mine.

的常時監視の技術確保と実用という目標に向けて，電磁拡散波を用いる電磁アクロスの遠距付知と設楽で行う（Fig. 1）．これらの観測点では，地離送信試験を行った結果を報告する．

震発生に伴う電磁場変動観測のために東海大学によっ

観測システムの概要
送信システムて 3 成分 Fluxgate 磁力計（テラテクニカ社 RF-725）が既に設置してある．この磁力計は GPS 時計と常時同期したタイミングで記録をとれるように開発され，ア使用した電磁波送信装置は，核燃料サイクル開発機

クロス信号の観測にそのまま適用できる．性能として

構（現日本原子力研究開発機構）において研究・開発さは，分解能 0.01 nT，A/D ビット数 24，サンプリング

れ，東濃鉱山敷地内に設置してある（Fig. 1；中島他，

周波数（最高）128 Hz である．

2004；Nakajima et al., 2004）．この装置では，GPS 時
計に精密同期したファンクション・ジェネレータを用いて作成した送信信号を，パワーアンプ（最大出力電送受信試験
期待する受信信号の事前評価

圧 200 V，最大電流 10 A，出力周波数 DC 〜 10 kHz）

観測に先立ち，受信できる信号レベルなどの事前評を介してダイポールアンテナに供給する．アンテナに価を理論的に行った．簡単のために，空気と大地の 2は，一辺 150 m の 3 角形の頂点に設置した 3 個の接地

層構造の地表面上の電流ダイポールからの電磁波の放電極（W，N，S と呼ぶ）のうち特定の 2 個をダイポー

射を考える．代表的な観測量として鉛直磁場 Bz を次ルとして用い，電極の組み合わせで，独立な 2 成分のの式（物理探査学会，1998）で評価する．

電磁波を励起する．
受信システム
受信は送信点からそれぞれ 36 km と 50 km 離れた電磁アクロス長距離送受信実証実験

ここで，は，大地を伝播する電磁波の波数の 2 乗，
気伝導度，誘電率，
の透磁率，

23

は大地の電

は空中および大地はダイポールからの距離， は電流， はダイポールの長さ， はダイポール軸からの方位角を表す．この式を使い，大地の電気伝導度 0.01 S/m（比抵抗 100 Ωm），ダイポー
ルモーメントを 4 × 150 Am とした場合の Bzの振幅の周波数・距離依存性を Fig. 2 に示す．
図から分かるように，近地場領域では振幅は周波数に依存せず，遠地場領域では高周波になるほど振幅は小さくなる．実際の観測では， Fig. 2 The estimated signal amplitude of the magnetic ﬁeld as a function of
frequency and distance from the current dipole of 600 Am. The contour
低周波数になると地球磁場
values show the magnetic ﬁeld strength in the unit of pT calculatedの変動成分によってノイズ
by the following physical parameters : electrical conductivity is 0.01
スペクトルが上昇すること
S/m, relative dielectric permittivity is 4, and magnetic permeability isequal to that of vacuum, and the direction is = 90 degree（See textが予想されるので，本研究for detail）. The broken line is the boundary separating the near ﬁeldの観測では 1 Hz 周辺の信号
regime at lower left and far ﬁeld regime at upper right. Rectangle
shows the condition in the present observation work.
で送受信試験を行うことにした．この場合，数 10 kmの距離にある受信点における信号振幅は 0.001 〜 0.01 pTのオーダーであることが見積もられる．
信号の設計
アクロスの信号は複数の周波数の正弦波を重ね合わせたものである．アクロス
観測の妨害となる整数周波
数雑音（各種機器が原因）を
回 避 し た 1 Hz 周 辺 の 複 数の 正 弦 波 の 周 波 数 と し て，
0.3125 × N（N=3, 4, 5）=[ 0.9375, 1.2500, 1.5625 ] Hzの 3 つを採用することにした．
この 3 つの正弦波の時間領域での合成波形の最大振幅が小さい値になるように
位 相 を 調 整 し た．Fig. 3 に
実際に SW 電極間に流した信号波形と電流振幅スペク
トルを示す．装置の非線形

Fig. 3 Transmitting signal. Upper part shows the wave form of source
current, which is the accurate repetition of a time unit of 3.2 sec. Lower
panel shows its spectrum showing a designed set of three spectral
lines at 0.9375, 1.2500 & 1.5625 Hz（integer multiple of 0.3125 Hz）. The
amplitude of each of three sinusoids is 3.7 A. The other small spectral
lines are smaller in magnitude than designed ones by 10 3. They haveoriginated from the small nonlinearity of hardware of transmitter.

24

中島崇裕・長尾大道・佐柳敬造・野田洋一・長尾年恭・熊澤峰夫・羽佐田葉子

特性に起因する高調波などを含むが，送信信号周波均値を求める．スタックの方法には，長尾ほか（2004）

数周辺のノイズレベルと比べると，信号は 5 桁以上のと Nagao et al.（2004）で導入された最適重み付きス

S/ N がある．

タッキング法を用いる．この方法を用いることによ

連続送受信試験り，昼夜のノイズレベルの変化に関わらず，S/N を東濃鉱山の送信所においては，信号増幅器の出力電最大にする結果を得ることができる．

流・出力電圧を連続記録して，送信信号を常時監視しこの方法で得たスタッキング時間と信号周波数におている．本研究の観測のための連続送信の実績は次のける振幅とノイズレベルの推移を Fig. 4 に示す．ノイとおりである．

ズレベルは，
各成分から± 0.05 Hz の範囲の平均パワー

NW 電極間送信（N54E 方向）の平方根（正規分布の場合の標準偏差に相当）で与え期間：2004/11/30 18：00 〜 2005/1/17 14：00

る（Nagao et al., 2004）．ノイズレベルの推定値はス

平均送信電流値：4.4 A

タッキング時間の平方根にほぼ逆比例して小さくなっ

SW 電極間送信（N109E 方向）ていき，信号振幅の不確かさを標準偏差で与える．観期間：2005/1/17 15：00 〜 2005/3/14 24：00

測開始当初のノイズレベルは信号振幅より高いため，

平均送信電流値：3.7 A

送信周波数における振幅はほとんど雑音で決まってこの期間に，付知・設楽の両観測点では 32 Hz サ
ンプリングで磁場連続観測を行った．

結果

まず，受信データの処理について述べる．受信時
系列データを信号周期 3.2 秒の整数倍数の 48 秒を単位いるが，スタッキング時間の増加とともに送信信号成分の値も下がっていき，あるスタッキング時間からほぼ一定値，すなわち，送受信した信号の振幅に落ち着
くようになる．こうして，約 50 日の観測とデータの逐次スタッキングの結果，例えば付知の Bz 成分では
S/N= 〜 6 が得られた．

とする時間区間に分けて，それぞれの時系列データを

約 50 日間（48 日）の N54E 方向送信時のスタッキン

フーリエ変換してスペクトルを求める．これらを成分

グによって得られた観測スペクトルを Fig. 5（a, b）にごとに逐次スタック（平均）することにより，長時間平示す．N54E 方向送信の結果は，付知・設楽両方の観

Fig. 4 Variation of the observed signal and noise levels with stacking period of time.（a）Bz at Tsukechi（b）By at Shitara both at 1.25 Hz excited by the SW dipole. The solid lines show the amplitude at
1.25 Hz, where signal is expected to exist. The broken lines are the observed level of noise at theobservation site. A couple of dotted lines represent the conﬁdence limits of the observed signal dataat the frequency of signal.

電磁アクロス長距離送受信実証実験

25

Fig. 5 Amplitude spectrum of observed magnetic ﬁeld after weighted stacking of the data for 48 days by
N54E excitation（a, b）and for 56 days by N109E excitation（c, d）. They are the results of Tsukechi（a, c）and Shitara（b, d）. The left/middle/right columns show the Bx/By/Bz（north/east/down）
components. The dots in the ﬁgures show the amplitude of signal components.

26

中島崇裕・長尾大道・佐柳敬造・野田洋一・長尾年恭・熊澤峰夫・羽佐田葉子

測点とも，送信周波数における信号振幅がスタッキング後のノイズレベルと同程度であるから，送信信号は確認できていな
い．しかし，Fig. 5（c, d）
で示す N109E 方向送信では， 同 じ 程 度 の 期 間（56日）の観測によって，送信信号の伝播を確認できている．設楽における S/N
で は， 高 い 成 分（Y： 東西 ）も あ る が， 概 し て 低
い．Fig. 5 の ス ペ ク ト ル

Fig. 6で見られるように，特に1 Hz 以下の低周波数領域

The locus of the horizontal components of transfer function in unit offT/Am at 1.25 Hz determined by the N109E excitation. Each panel shows（a）Tsukechi and（b）Shitara. The ellipsoids are the observed result,
to be compared with the straight lines expected for the isotropic andhomogeneous half ground with the conductivity 0.05 S/m.

では，環境雑音のレベルが高く，適切な対応を要すると考えられる．このよううに安定した送受信技術と適切なスタッキングによっに，今回信号を確認できなかった（S/N<2）成分では，て，伝達関数を観測的に決定できることを実証できた．

観測期間の不足が原因であり，もっと長期の観測か送

地殻の異方性と不均質

信信号レベルの向上によって，送信信号を確認でき，信の場合には，信号は判別できなかったが，N109E

またより高い S/N を得られると考えられる．

考

今回の送受信試験で，東濃鉱山の N54E 方向の送
方向の送信の場合には，付知・設楽両観測点ともに

察

伝播してきた信号受信を確認できるという結果を得た．このことから，電気ダイポールが N54E 方向より受信信号のレベル，精度と伝達関数観測で得られた受信信号と送信信号のスペクトル比をとると，送受信点間の電磁伝達関数を誤差評価付き

N109E 方向の場合に送受信効率が高くなる構造が存在すると考えられる．

で得ることができる．一例として，N109E 方向送信

それを確かめるために，N109E 方向送信時の観測の場合の 1.25 Hz 信号の振幅と伝達関数を Table 1 に

データ（Table 1）と，均質大地の場合の応答の方向性まとめた．得られた信号の振幅は，Fig. 2 で見積もっを比べた．この比較の際に，均質大地の電気伝導度た値の範囲 0.001 〜 0.01 pT にある．この値自体も，磁は，付知での水平成分の値の振幅に合わせ，0.05 S/m

場センサーの分解能の 0.01 nT よりも小さい．このよとした．Fig. 6 には，観測された 1.25 Hz 信号の水平 2

うに従来は扱えなかった微弱な信号でも，本研究のよ成分の振幅軌跡（1 周期分）を均質大地で予想されるもTable 1 The stacked results of 1.25 Hz components in the case of SW excitation.
site

TsukechiShitaracomponent

Observed ﬁeld

Transfer Function｜B｜/pT

S/N｜B/Iℓ｜/（pT/Am）

North

0.0086

5.4（15.4 ± 2.8）× 10 6-

Phase（B/Iℓ）/rad0.43 ± 0.18

East

0.00722.7（12.9 ± 4.8）× 10 6-

0.17 ± 0.35

-6

Down

0.0185

6.3（32.6 ± 5.2）× 10− 0.80 ± 0.16

North

0.01132.8（20.3 ± 7.2）× 10 6-

− 0.51 ± 0.34

-6

East

0.01343.0（24.0 ± 8.0）× 10− 0.98 ± 0.32

Down

0.01022.0（18.2 ± 9.2）× 10 6-

− 0.77 ± 0.46

27

電磁アクロス長距離送受信実証実験のと比較した．N109E 方向送信時における水平成分である．

の軌跡の卓越方向は，均質大地の場合から少しずれた

この観測によって，受信信号の振幅が送信電流ダイ方向であることが分かる．しかも，設楽観測点の軌跡

ポール軸の方向に著しく依存することが明らかになっは，均質大地で予想される値よりも有意に大きい．設た．この原因は地下構造の不均質性・異方性にあり，

楽観測点は，送信ダイポール N109E 方向の延長からかつ，その時間変動のモニタリングが地殻応力の変動

約 20 度ずれているのに対し，付知観測点は，ほぼ直監視に有用であると予想される．地殻中の電磁波伝播

行する方向にあるので，N109E 方向の伝播信号が大の的確な把握とその時間変動の実用的監視観測のため

きい．このような現象は地下の N109E 方向に沿ったには，データ解析に自由度を減らすことが不可欠であ

異方性構造によって作られると考えられる．送信点近る．したがって，観測量の周波数依存性と空間分布の傍（送信点から 1 km 以内）の観測においてもこのようデータ取得するアレイ観測技術の組織的確保が次の最な不均質・異方性について報告されている（Nakajima

重要研究課題であると結論する．

et al., 2007）．今回得られた方向依存性には，送信点

謝付近の影響もあると考えられるが，付知・設楽の両観

辞

測点とも振幅が大きい方向が NE-SW であり，もっと付知における観測では，岐阜県中津川市付知総合事

広域の中部日本の大局的構造を反映したものだとの仮務所の関係各位に格別のご配慮を頂いた．また，斉藤説が立てられる．特に，この方向はこの地域における好美氏には観測場所を快く提供して頂いた．設楽におテクトニックな圧縮主応力軸方向（＝地殻内に存在す

ける観測では，伊藤進氏のご好意により観測場所を提るであろうマイクロクラックの向き）と直交している

供して頂いた．付知および設楽観測点の磁力計の設置ことは特記に値する．これらを検証し，応力場変化と時には，千葉大学の原田誠博士，付知観測点の磁力計

異方性の関係を解明するためには，より密な観測点にの撤収時には，中部大学の井筒潤博士，東海大学の神おける長期連続観測が必要である．

谷親征氏および今枝儀人氏に協力して頂いた．データ

まと通信・収録に関しては，中部大学の井筒潤博士，東海め

大学の川畑広紀上級技術員および川上貴之氏に協力し中部地域において，電磁アクロスの信号が 50 kmて頂いた．また，匿名の査読者の方より有益なコメンの距離でも観測できることを実証し，かつ地殻活動のトを頂いた．以上の方々に，記して感謝の意を表しま

能動的監視観測に必要な条件をいくつか明らかにする

す．

ことができた．観測結果を具体的に言えば，次のとお

引 用 文 献りである．1 Hz 程度の周波数帯域において，600 Amの電流ダイポールからの送信信号は 50 km の距離で0.001 〜 0.01 pT 程度の大きさしかなく，5程度

物理探査学会（1998）物理探査ハンドブック．第 5-7 章．
物理探査学会，239-429 ．

の電磁的環境雑音に埋もれている．しかし，50 日程

熊澤峰夫・武井康子（1994）精密制御音波放射による度継続して得るデータのスタッキングによって，S/N

能動的地下構造常時モニター手法の研究，その 1＝〜 6 で捕捉確認ができた．これはアクロス信号の設

目的と原理．日本地震学会講演予稿集 1994 年度秋

計と制御と同期，およびデータのスタッキング法の成果である．
電磁雑音のレベルが高い日本列島で高い S/N の季大会，158 ．
熊澤峰夫・國友孝洋・横山由紀子・中島崇裕・鶴我佳
代子（2000）アクロス：理論と技術開発，及び将来

データ取得には，（1）受信における環境雑音の効果を展望．核燃料サイクル開発機構技報，9，115-129 ．

いかに抑制するか，（2）送信信号のレベルをいかに高國友孝洋・熊澤峰夫（2004）弾性波アクロスによるアク

くするか，その両方の技術と具体化が当面の最大課題

ティブ・モニタリング−弾性波アクロスの開発と東である．特に地殻深部の情報を得るためには，低周波濃鉱山からの連続送信−．月刊地球，号外 No. 47，数の信号を用いる必要があるが，この領域では地球磁26-33 ．

場変動成分も観測雑音に寄与する．その抑制には，柿長尾大道・中島崇裕・熊澤峰夫・國友孝洋（2004）最岡などの精密観測データを活用する手法の開拓が必要

適重みつきスタッキング法による最大 SN 比を持つ28

中島崇裕・長尾大道・佐柳敬造・野田洋一・長尾年恭・熊澤峰夫・羽佐田葉子

アクロス伝達関数の取得．月刊地球，号外 No. 47，

International Workshop on Active Monitoring in the

53-60 ．

Solid Earth Geophysics（IWAM04）, Task Group

Nagao, H., T. Nakajima, M. Kumazawa, and T.

for Active Monitoring, Mizunami, Japan, 148-151.

Kunitomo（2004）Optimum weighted stacking

Nakajima, T., T. Kunitomo, H. Nagao, M. Kumazawa,

method for acquisition of the ACROSS transfer

and N. Shigeta （2007） Development of an

functions having the maximum signal-to-noise

observation system to monitor the undergroundratio. Proceedings of the “1stInternational

state using electromagnetic ﬁelds : Field tests ofWorkshop on Active Monitoring in the Solid Earththe EM-ACROSS in the diffusion ﬁeld region, in

Geophysics（IWAM04）”, Task Group for Active
Monitoring, Mizunami, Japan, 266-270.

preparation.
小川克郎・熊澤峰夫（1996）音波と電磁波のアクロス

中島崇裕・國友孝洋・熊澤峰夫・横山由紀子（2000）

による地殻内の水と応力と物理状態の常時リモー

電磁アクロスの開発と送信実験．地震研究所彙報，トセンシングへむけて．日本地震学会講演予稿集

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1996 年度秋季大会，45 ．

中島崇裕・國友孝洋・長尾大道・熊澤峰夫・茂田直

武井康子・熊澤峰夫・鈴木和司（1994）精密制御音波

孝（2004）拡 散 を 考 え る よ う な 電 磁 場 の 場 合 の 電放射による能動的地下構造常時モニター手法の研

磁アクロスの試験観測．月刊地球，号外 No. 47，

究，その 2

179-184 ．

日本地震学会講演予稿集 1994 年度秋季大会，159 ．

精密制御回転震源設計試作とその評価．

Nakajima, T., T. Kunitomo, H. Nagao, M. Kumazawa,

吉田康宏・上野寛・松岡英俊・石川有三・國友孝洋・

and N. Shigeta（2004）Long-term operation of the

熊澤峰夫（2004）気象庁・Hi-net 観測点で受信した

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東濃弾性波アクロス信号の特性．月刊地球，号外

the diffusion ﬁeld region. Proceedings of the 1 s t

No. 47，124-131 ．