立山カルデラ研究紀要第７号、pp.37-42（2006）

凍土における地中レーダ探査法と高密度電気探査法の適用研究
中埜貴元１）、酒井英男１）、鈴木輝之２）、田中謙次３）、飯田肇４）

討し、地中レーダ探査では多数の測線での結果を統合

１. はじめに凍土は、土壌が0°C以下にさらされた時、土中の水することで３次元解析も試みた。

分が凍結することにより生ずる。凍土の形成に伴って探査は、2000年２月28、29日に北見工業大学構内

地面が隆起し（凍上現象）、道路の舗装面の破壊や建の実験地域（Site A, B）において行った。地中レー造物の傾斜などの被害が生ずるため、極寒冷地におダ探査には、カナダSensors & Software社製pulse

いては生活に密着した問題となる。これまでその発生

EKKO1000を使用し、高密度電気探査ではDZD−10機構等についてはさまざまな研究が成されてきた。しを用いた。実験地域Site Aは、構内の土壌（火山灰質

かし、凍土の分布を調べる方法は、凍結深度計を用い土）で構成された長方形（約５×２m）の領域で、凍た 点 での調査が主流であり、面的な調査手法は研究段階にある。そこで、従来から凍土の研究が継続的に行われている北見工業大学の実験フィールドにおいて、物理探査による面的な非破壊調査法が凍土の調査に有効であるかどうかを検討した。本稿では、その調査結果と課題について報告する。

２. 目的と概要
凍土が形成されている実験フィールドにおいて、地中レーダ探査と高密度電気探査を実施し、凍土の分布把握に有効であるかを実験した。
地中レーダ探査は、地中に電磁波を放射し、それが地下の電磁気的な（主に比誘電率の）不連続面で反射、透過及び屈折を繰り返し、再び地表に戻ってきた電磁波の一部を受信することで、地下の構造を可視化する物理探査法である。これまでの研究により、同探査は、積雪構造調査に有効であることが示されている（例えば、酒井ほか, 1999；Sakai et al., 2006）。高密度電気探査は、多数の電極を直線上に配置し、特定の電極から地中に電流を流してその他の電極で地盤内の電位分布を測定することで、地下の比抵抗値を推定する手法である。従来の凍土を対象とした物理探査では電気探査が主流（例えば河内ほか, 1991；高見ほか,2001）となっており、地中レーダ探査による研究はあまり行われていない本研究では、地中レーダ探査と高密度電気探査を併用しての凍土の有効な検出法を検図１ Site Aの探査測線配置図と現況写真

１）富山大学 ２）北見工業大学 ３）田中地質コンサルタント ４）立山カルデラ砂防博物館− 37 −

中埜 貴元、酒井 英男、鈴木 輝之、田中 謙次、飯田肇

凍土における地中レーダ探査法と高密度電気探査法の適用研究

上量などを観測する装置や凍結深度計が設置され、冬季間は除雪されている（図１）。ここでは、領域の長辺方向に探査測線Line１（測線長5.1m、測点間隔0.1m）を設けて、地中レーダ探査と高密度電気探査を実施し、それと直交する短辺方向にはLine２〜21（測線長1.5m、測点間隔0.1m、測線間隔0.2m）を設けて地中レーダ探査のみを実施した。地中レーダの中心周波数は450MHzに設定し、Line１,２,７, 16, 18の測線では900MHzアンテナによる探査も行った。高密度電気探査では、ダイポール・ダイポール（dipole-dipole）
配置とウェンナ（wenner）配置の２種類の電極配置を採用した（図２）。同じ電極間隔の場合はウェンナ配置の方が探査深度は深くなるが、ダイポール・ダイポール配置では測定間隔（電流電極と電位電極の間

図４ Site AにおけるLine１の探査結果 上図が隔）を長くすればするほど探査深度は深くなるという

図６ Site Aの３次元解析図

900MHz、下図が450MHzアンテナの結果特長がある。
Site Bは、コンクリート槽（縦３m×横３m×深さ1.3m）の内部を土壌で充填した実験地域である。槽図３ Site Ｂの模式図 上：断面図 下：平面図

内の土壌は、深さ0.9mまではSite Aと同じ火山灰質粘土、それ以深は砂利で構成されている（図３）。この土槽の底には給水パイプが設置されており、地下水位◎ Site A:レーダ波の伝播速度は次式で表される。

を調整する際に水が均一に上昇するように砂利が詰

V = c /められている。探査測線は図３に示すようにLine１〜電率）。凍土の比誘電率は４〜８（物理探査学会,

14（測線長2.7m、測点間隔0.1m、測線間隔0.2m）を設1998）であるV = 0.12 m/nsを採用した。この伝播速け、レーダの中心周波数は450MHzと900MHzに設定

度は凍土層に適用できるが、その下の未凍結層についして、探査を実施した。ては深度に誤差が生じる可能性がある。

（c = 3.0×10８m/s,= 媒質の比誘

今回のレーダ探査では、レーダ波の伝播速度の推◎ Site B：深度1.3mのコンクリート槽の底面に相当定法であるCMP探査が行えなかったため、各地点にする強い反射が25nsecに見られた。底面までの距離とおける伝播速度は以下のように設定した。

時間（往復走時）から伝播速度は、V = 0.10m/nsと

図５. Site AのLine９, 11, 18の探査結果 アンテナ周波数は450Mz算出され、これは、土槽内の媒質（火山灰質粘土+砂利）中での平均の伝播速度に相当すると考えられた。

図２ 電極配置による探査深度と探査範囲（A）ダイポール・ダイポール配置（Ｂ）ウェンナ配置
いずれも電極を等間隔に13個配置する場合
白丸：電流電極, 黒丸：電位電極の測線での結果（Line９,11,18）を図５に示す。地表かは、それより上部の層よりも相対的に含水率が高い可ら約１mの深度までに反射の弱い領域があり、凍土層能性がある。

３. 探査結果と考察を示すと考えられる。ただ、Line１に比べて凍結面がLine２〜21のプロファイルを統合して作成した３次

３−１. Site Aにおける探査結果

やや深い上、同一測線内でも場所により深さが異なっ

元解析図を図６に示す。凍結面が凸凹している様子が地中レーダ（アンテナ中心周波数：450MHz及びている。つまり、凍結面は平滑ではなく、でこぼこなわかるとともに、探査範囲の中心部ほど凍結面深度が900MHz）によるLine１での探査結果を図４に示す。

面であると推定される。凍土に相当する弱反応域の深い、すなわち凍土が厚いことが伺える。

周波数により分解能と探査深度が異なるため、細部の下に見られる強い反応域は、未凍結の土壌に相当す

反射パターンや反射強度に違いはあるものの、全体的ると考えられるが、深さ約1.6mより深い部分では急にな反応分布は2つの周波数の間であまり違いは見られ反応が弱くなっている。この反応パターンは、1.6m以代表的な探査結果（Line７,12）を図７に示す。光のない。凍土は地表面下に形成されており、深度約0.6〜深にその上部よりも相対的に比誘電率が高い層が存

レーダー波の伝播速度の推定のところで述べたよう0.8mまでの反射の弱い部分が凍土に相当すると考え在していることを示している。比誘電率が最も影響をに、往復走時（左軸）が25nsecにみられる強い反射面られる。すなわち、その弱反応域の下面が凍結面とな受けるパラメータは含水率であり、含水率が高いほを、深さ1.3ｍのコンクリート槽底面とした。地表からる。Line２〜21で行った探査において、代表的な３本ど比誘電率も高くなる。このことから、1.6m以深の層深度約0.6mまでに凍土と思われる反射の弱い領域が− 38 −

３−２. Site Bにおける探査結果− 39 −

中埜 貴元、酒井 英男、鈴木 輝之、田中 謙次、飯田肇

図７ Site B のLine 7 と Line12における探査結果（アンテナ周波数は450MHz）

凍土における地中レーダ探査法と高密度電気探査法の適用研究

果を図９に示す。ダイポール・ダイポール配置では、あった。一般の凍結面では、比較的狭い範囲でも、地表から約0.4mの深度までに低比抵抗の領域が見ら凍土の厚さは場所によって変化することを示していれる。しかし、場所により比抵抗は複雑に変化しておると考えられる。

り、水平距離0.3〜1.6mでは比抵抗が高くなっている。

また、地表から約1.6m以深に含水率が高いと推定

ウェンナ配置の結果は、地表から深さ約0.6mまでは低される層が認められた。この含水率の高い層から凍比抵抗帯、それ以深は高比抵抗帯という顕著な２層構土層へ水分が供給され、凍土の形成に寄与している造が認められた。上部の低比抵抗帯の深度は、レーダ機構があるのではないかと考える。

探査と凍結深度計から得られた凍土層と良く対応して3）コンクリート槽内に設けられた実験地域Site Bでいる。以上の結果より高密度電気探査においては、ダは、探査結果が示す凍結面はほぼ水平であった。こイポール・ダイポール法よりもウェンナ法の電極配置の実験地域では、土壌はコンクリート槽の閉じた空の方が凍土の検出に適していると考えられる。

間に均質に入れられており、また、水の供給は制御されていた。こうした条件により、砂利層を通して見られる。Side B に設置されている凍結深度計も深上部の土壌に供給される凍土形成に必要な水量は、度0.6mに凍結面を示しており、探査結果と一致した。

どの部分でもほぼ一定となり、凍結面は平らになっ

また探査から推定される凍結面はSite Aとは異なり、たと考えられる。

凹凸がなく平面的であることがわかる。Line12の水平

4）SiteAとBのそれぞれの実験地域において、測線で距離0.5〜1m付近に見られる反応の乱れは、同位置にの探査結果（プロファイル）を統合して３次元によ設置されていた凍上盤の影響と考えられる。

る解析を行った。その結果、凍結面は明確な面構造

凍結面から深度0.9m付近までは反応が強い層が見として捉えられ、さらに、Site Aにおいては、探査られるが、0.9m以深では弱くなっている。深度0.9mの範囲の中心部で凍土が厚く形成されている等の特徴

地点は、火山灰質粘土層と砂利層との境界にあたるのが認められた。凍土の研究における三次元解析の有で、強い反応の層は未凍結の火山灰質粘土層に相当用性が確認された。

し、下位の弱反応の層は砂利層に相当すると解釈でき高密度電気探査による研究では、電極配置としてる。この反応パターンは、Site Aと同様に、下層の砂ウェンナ法がダイポール・ダイポール法よりも凍結面利層の方が上層の火山灰質粘土層よりも比誘電率がが明確に捉えられ、地中レーダ探査や凍結深度計に高いことを示している。一般的な火山灰質粘土の比誘図９ Site A のLine１における高密度電気探査結果上

電率は、乾燥状態で２〜６、砂利層はその構成岩石やはダイポール−ダイポール法、下はウェンナ法の電極配置による空隙率にもよるが２〜６程度と推定され,空隙が多いほど小さくなる。つまり、乾燥状態であれば２層の比誘電率はそれほど違いがないことになるが、レーダ波のよる研究結果と良く対応していた。凍土の電気探査では、ウェンナ法が有効であることが示された。
以上、本研究の結果をまとめると、地中レーダ探査とウェンナ法による高密度電気探査は、凍土の調査

４. まとめ

研究において有用な手法であると結論する。特に地中反応パターンは顕著な比誘電率の違いを示している。

物理探査による凍土の非破壊調査の有効性を検レーダ探査法では、非破壊で迅速に凍土の分布を捉Site Aでも述べたが、比誘電率を高くする最も一般的証するために、北見工業大学の凍土実験地域においえることができる。凍土の成長や変動の過程の調査にな物質は水であり、空隙の多い砂利層が人工的に供給て地中レーダ探査と高密度電気探査の研究を実施しも貢献できると考えられる。今後は、凍結面をより正された水を蓄えていると推定される。

た。

確に推定するために、現地でのレーダ波の伝播速度をすべての測線における探査結果のプロファイルを統地中レーダ探査による研究では、以下の1）〜4）に得る手法の確立が必要である。そして、改良した手法合して作成した３次元解析図を図８に示す。４つの各まとめる結果が得られた。

による実際の野外で形成された凍土での研究を進め

図（①から④）で任意の場所を切り取って断面をみて1）レーダ探査では、凍土層は弱い反応域として検出ることが必要である。

いるが、どの部分もほぼ同様な内部構造であることがされることがわかった。これは、凍結により土壌がわかる。④の図において、土質境界の下に現れた反応

均質岩体の様になり、凍土内では、比誘電率の変化

参考文献の乱れは、埋設された砂利袋の影響と考えられる。

が少なく明確なレーダ波の反射を示さなくなったた

Annan, A.P., and Cosway, S.W., （1992） : Groundめと考えられる。

図８ Site B の全測線でのプロファイルを統合して３−３. 高密度電気探査の結果作成した３次元解析図

Site Ａの測線Line 1で行った高密度電気探査の結− 40 −penetrating radar survey design, Annual Meeting

2） 自然に近い土壌で構築されている実験地域Site Aof Symposium on the Application of Geophysics

では、探査で示された凍結面はでこぼこした面でto Engineering and Environmental Problems, p１− 41 −

中埜 貴元、酒井 英男、鈴木 輝之、田中 謙次、飯田

−12.

肇

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【要 旨】
凍土の発生機構の研究において、基本となる凍結面の深度や分布については、凍結深度計を用いた 点の調査が主流となっており、凍結面の平面構造や3次元での凍土分布の調査は、従来容易ではなかった。本研究では、物理探査を用いる凍土研究の有効性を検討する目的で、地中レーダ探査と高密度電気探査を用いて、北見工業大学の凍土実験地域における研究を実施した。その結果、地中レーダ探査では、凍土は弱反応域として検出され、凍結面の平面および三次元解析も可能であった。高密度電気探査ではウェンナ法の電極配置が有効であり、同法により低比抵抗を示した凍土範囲は、レーダ探査や凍結深度計で求めた凍土の領域とも良く対応した。本研究の結果は、探査による非破壊の凍土調査は有用であることを示しており、特に地中レーダ探査法は、今後、凍土の成長や変化の研究においても貢献できると考える。

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