国立防災科学技術セソター研究報告第27号

1982年3月

550，343：551．244

地殻応力測定のための水圧破壊実験に伴う微小破壊音の振幅別頻度分布池田＊隆司

国立防災科学技術セソター

Amp1itude｛requency
Accompanying

Re1ation

Hydrofmcturimg

ofAcousticfor

CrustalEmission

StressMeasurement

By
Ryuji

Ikeda

肋〃o〃1R㈹〃c乃0θ〃εγ伽〃∫刎〃〃舳〃oη，切α〃

Abst正別ctA

numberof

AE（AcousticEmissions）hasexperimentsfoτcmsta1stエessmechanism，thechaIacte正istics

beenmeasurement．In
ofAEandobseエved

oエder

itsgeneration

toduring

study

pattemaIethehydrofracturing

thehydrofracturing

analyzed．

ThIeehyd正ophonesarep1acedatdepthsof1〜15mintheexperimenta1wenat
Nishiizu

town，Izu

peninsula．

The正esu1tsエevea1that（1）thefエequency

is3〜4kHz，（3）thewave−form

of

theAE

amp1itude−frequency

ispu1se−1ike，（2）predominantIe1ation

obeys

the

Ishimoto−Iida

Ie1atiOnψμ二肋
where〃rσノisaエe

the

the

tota1numberofconstants，（4）the閉一va1ue

the436m−depth，and（5）theAE

吻αwithis2．5forgeneration

pattemamp1itude

rangingαtoα十伽，andκand閉

theexperimentof

AEof263m−depth

depends

upon

theand2．O

for

wel1wa11con・

ditions．

1．はじめに
野外での水圧破壊の際に発生する微小破壊音（AcousticEmission；以下AEと記す）の観測は，破壊発生時刻，破壊割れ目の位置と進展方向の推定および破壊の規模の定量的評価という点から大変重要である．

室内での水圧破壌実験に際して，AE観測により破壊面の位置・方向などを決めようとする試みは，ShuckandKeech（1977），LocknerandByer1ee（1977）などによる例がある．いずれも岩石試料に圧電素子のトラソスデューサーを貼り付け，AEを観測してい＊第2研究部

地震地下水研究室
一159一

国立防災科学技術セソター研究報告第27号

1982年3月

る．しかし野外での観測は，高周波ゆえの地中での減衰，バックグラウンドノイズの点で一層困難であり，測定例としては，地下天燃ガス貯蔵計画（NewMexico）で，一本の井戸に深度の異なる二本の管をセメンチソグしその中にハイドロホンを垂下して，100〜2−000Hzの周波数帯域のAEを測定した例がある（Powereta1．，1975，Power，1977）．

ただしポソプ作動中はバックグラウンドノイズのために観測できず，圧入終了後のいわぽ主破壊後のポンプ停止後にいくつか発生した余震（AE）を観測したものである．我国では地熱開発のための水圧破壊の際にA
shietEを観測する試みがなされている（北海道濁川（Takaha−al．，1980）〉周波数帯域7〜7，OOO

Hzの圧電素子の加速度計を用いた観測で，水圧破壊点から1，500m離れた位置で卓越周波数37．5Hzの数多くのAEを捕えたことを報告している．

これらの測定例は，ガスおよび地熱の生産現場において産出量を増すために行なわれた大規模な水圧破壊の際の測定である．ところで，国立防災科学技術センターでは，地殻応力測定のための水圧破壊実験を実施している．この実験は，石油や地熱のための水圧破壊と比較すると以下の点で大きく異なる．

（1）破壊する箇所は，既存フラクチャの少ない比較的堅い岩質である・（2）破壌のために水圧をかける区間の幅が狭く，また圧入時間は短時間である．

（3）破壌のために圧入する水量（圧入速度，総量とも）が極めて少ない．

したがつて破壊面自体小さなものとなるが，孔壁に残された破壌跡は，超音波を利用したポアホールテレピュア（以下BHTVと記す）や孔壁に押し着けて型を取る型取りバッカーを用いて確認可能である．孔井の検層記録を併用すると，岩質の差異を読み取れる、また，流量や水圧を細かくコソトロールし記録することが可能である．このような点から，地殻応力測定のための水圧破壌は，石油井，地熱井で行なわれる大規模な水圧破壌と室内での岩石実験との中間的な位置を占めるとも言えよう．

このような状況下でのAE測定は，センサーの特性および設置条件という点で石油や地熱のための水圧破壊の場合とは異なるものにならざるを得ないが，前回の測定（池田ら，1978）でハイドロホソが有効であることがわかったので，これを用いて観測した．水圧とAE発生頻度との関係，水圧変化と振幅別頻度分布との関係を調べることによつて，AEの発生様式と破壊との関係について検討する．解析は破壊の様子がBHTVによって明らかに確認され，したがつて破壊の形態が推定できる西伊豆での深度263m，および深度436mの実験（塚原ら，1980）について行つた．

2．測定およぴ解析系

測定および解析系のブロックダイアグラムを図1に示す．水圧破壊は，実験井内で測定しようとする適当な位置を上下2個の膨張パヅヵ一で栓をL，バッヵ一間の加水圧部（2．1m）に

160一地殼応力測定のための水圧破壊実験に伴う徴小破壌音の振幅別頻度分布一池田
MeosuringSys−emAnoユyzing
PEN

C

PuMP

AMP．1

PRESSURE

ond

FLOW

RATE

F

SENSORS

AMP2

HIGH
lLT

K

○刀

「「lL

M．T．

DAτA

RECORDER

PASS

SystemCHART

RECORDER〔言峠占ASS

DlS−
lCRlMlNATOR

ER

PEN

COU

NTER

EmissionsCHART
RECORDERHYDROPHONES

with1N

F

LATA

BLpreomp．）
ot depths of

1，15m

E

PACKERS
1N」ECτ10N
VA

LVE

wellbottom450m

図1

徴小破壌音の測定および解析系．

酬g・1
bySystem
theforhydrofmeasuringracturiandn…ma1yzing

theAcoust

ici

gnals

causedg1

地上のポンプにより水圧を加えて孔壁を破壊する．3個のハイドロホソを実験井内の1〜15mの深さに，孔壁と送水管の両者に触れないように孔口から吊り下げた．より深い位置に設置した方が地上からのノイズを遮断する意味でより良いと思われるが，孔壁と送水管の間隔が狭いこと，および泥水の比重が大きく降下させるのが困難であることから最大15mの深さが限界であつた．

センサーとして用いたハイドロホソはA，Bの2種類で，それぞれの周波数特性を図2に示す．受波感度はセンサー内蔵の前置増幅器（Aタイプ：60dB，Bタイプ：1Oんだもので，1kHzの校正信号により1V／μbar：OdB）まで含dBとしている．したがって一80dB＝O，1mV／μbarである．
ハイドロホソからの信号は，アソプおよびハイパスフィルターを通しテープレコーダーにアナログで記録した．アンプ部で34〜54dB増幅し，フィルターではポンプや発電機等の地上からのノイズ対策のために700〜1，000Hz以下をカットしている．テープレコーダには地上の送水管部についているセンサーからの水圧と流量を，時間と共に言己録している．

再生はテープレコーダのテープスピードを適当な速度に落としてペソレコーダに書かせることにより，個々の信号波形の確認を行いその諸特性を調べるとともに，更にフィルター，一161一

国立防災科学技術セソター研究報告

oo

第27号

1982年3月

o・B・1・／戸…

O

HYOR◎PHONE＞＾一TVPE；一10；
昂［Zω一20ω］

B−TYPE

コー70ωω］
o＝o・一80oZ⊃O−90ωO・010．11

図2Fig．2100

10FREQUENC、．

KH2

2種類のハイドロホソの周波数応答特性（前置増幅器を含む）．
Frequency

responseof

thehydrophones

withpreamplifier．

N436
B−6

A−15……奉圭三三………≡芋…………ヨ…

三斗一一lO

図msec

3 A E記象の代表例．西伊豆深度436mの実験において，深度6m（B−6）と深度15m（A−15）で観測された．

Fig．3

Examp1esoft

he

typi

ca1wave−formoft

heAEcaughtbythehydr昨phone，which was p1aced at6r皿 depth （B−6） and 15一一m depth（A（A−15） in the experimental we11（experiment for Nishiizu436−mdepth）．
一162一地殻応力測定のための水圧破壊実験に伴う徴小破壊音の振幅別頻度分布一池田

振幅弁別器，カウンターを用い，AEの振幅別頻度分布を求めた．

a記象

水圧破壊に伴うAEとして注目しているのは，図3に示すようなパルス型の振動である．

図3は西伊豆436mの実験時に観測された（図5，N436中のC点付近）もので，上段（B−6）は深度6mに設置したBタイプのハイドロホソ，下段（A−15）は深度15mに設置したAタイプのハイドロホンで記録されたものである．ただし再生時に2．5〜9．0kHバンドパスフィルターを通している．このパルス型の振動は卓越周波数が3〜4kzのHz程度で，単発的に発生する場合と数個連続して発生する場合がある．また，送水時以外は全く発生しておらず，水圧が上昇し始めてから出始める．

比較のためにノイズの例を図4に示す．図3と全く同条件で記録されたものでバルス型の振動が出始める直前に記録された．ハイドロホンヘの到達時問差から推定すると，地上からのノイズ（例えぱ，物体の落下音）が送水管（鉄製）を伝わつてセンサーに到達したものであろう．立ち上がりが緩やかで継続時問も長く，パルス型の振動とは区別できる．

1二一二∴∵÷一．1

∴■1■

1

∵L二■1

■⊥止L二．■1二1一■■

丁二■二．．三■

ニニ−

一一三．：．．ニニ．．・三1
二一■二一二．1

÷：一一一1：一一二1」■一1÷二︑．十■■二二

一．1一■二・1

一一三二一二、1．

÷
十■一一二一二．二一L﹂；・一≒

二11二・…、1…二．

：．二︑．÷

一二」、三﹂二︳一＝1二 一三＝ニニ1・二・

止一

一1一一二L二1

二二1三．一1一■■∵

1

二≒

＝・＝

一■二二」1一二二；︑1︑■∵■．

；二一．二︳．≡；■．■．二・．■＝

一丁一下上二≒・■十1■

一十＝﹂十一二一

二．二：T

ニニill・∵■÷三二．

二■■一二二∴．

一二÷一ニニニ・二二！二．

十十■十■ト■二＝■∴、1一二二■■

一︑．二．．

丁︑I二1．1二÷．二一十二11■二＝■一■■一二一一︑二︳1

三⊥1l二止1

一11二＝一一■

一

山川；︑一⁝1L一∴＝

丁一︳二．■1．．二■

︐︳1■

t．1：﹂

ト・二二二．．

∵■ニニ

B−6ll
十∴

N436

10msec
図4ノイズの例、西伊豆深度436mの実験において，深度6m（B−6）と深度15m（A−15）で観測された．

Fi8．4

Examp1es of mise caught by the hydrophone，which was p laced at 6−m depth（B−6） and 15−m depth （A−15） in the experimenta1we1l （experiment for

Nishiizu436−mdepth）．
一163一

国立防災科学技術セソター研究報告第27号

1982年3月

4．振幅別頻度分布
AEの大きさと数との関係はr石本一飯田」の式〃（α）ゴα一冶ゲ刎伽（1）に従うことが一般に知られている．ここで〃（α）は最大振幅がαからα十ゴ0の問にあるAEの度数，閉，々は常数である．観測されたAEの発生様式を（1）式と比較して評価しよう．

4．1

西伊豆深度263m（実験番号N263）

解析したデータは，表1に示すように実験井内深度5mに設置したBタイプのハイドロホンで測定されたもので，測定時にAmp．1で20dB増幅し1kHzのハイパスフィルターを通した後，更にAmp．2で34dB増幅している．振幅別頻度分布は，1〜20kHzのバンドパスフィルターを通した後，振幅弁別器でO．08〜0．3V（データレコーダの出力）の区間を002Vごとに区切つてAEの度数をカウンターで数えた．その際，それぞれの振動の発生間隔を記録紙上で判断し，振幅弁別器の不感時間を3／4msecに設定することにより重複して数えないようにした．

図5（N263）に，水を圧入した時の水圧および流量の時間変化を示す．Aから圧入を開始
しCで極めて明瞭な水圧破壊による圧力降下が起こっプこ．Dで一旦ポンプを停止するまでほぽ301／minの一定流量で圧入しているが，C〜Dの区間では水圧の昇降が見られる．Eで圧入を再開しFでポンプを止めた．この間水圧は大きな昇降を繰り返している．

図6（N263）に，B〜Cの区問およびC〜Dの区間におけるAEの最大振幅（0）と度数（〃（a））との関係を示す．A〜Bの区問はポンプ始動時のためと思われる明らかなノイズであることから除外した．この結果，両区間とも1≦0≦2．4の範囲で直線に載ることがわかる．
最小二乗法で決定した直線から，（1）式の舳値は2．5である・振幅が小さい範囲（α＜1）で直線からずれるのはノイズが含まれるためであり，振幅の大きい範囲（24＜0）で急激にAEの数が少なくなるのは，大きな破壊は比較的低周波であるにもかかわらず，測定時に1k肋以下をヵツトしているためと思われる．このことは，バソドバスフィルターを通し高周波成分域だけで見ると，この傾向がますます強調されることからも伺える．E〜Fの区問では直線性がなかつた．

42

西伊豆深度436m（実験番号N436）

測定系および解析系で263mの実験と異なる点は，ハイドロホソを深度6mに設置し，測定時にフィルターを通さず，Amp．2で14dB増幅した点，解析時に振幅弁別器によつて0．05〜O．55V（データレコーダの出力）の区間を0．05Vごとに区切ってAEの度数を数えた点である．

図5（N436）に水圧および流量の時間変化を示す．Aで圧入を開始しDまで一定流量で圧入した．Bから水圧が上昇し出しDまで急激に上昇しているが，Cで一時的な水圧の変曲点
一164一

地殼応力測定のための水圧破壊実験に伴う徴小破壊音の振幅別頻度分布一池田表

1 N263，N436実験時の測定系諸元．

T8阯61

Description

systemoffor

themeasuring

theN263「andσoN436

M．T．

e理erim㎝ts．

ト1・P．

Hydroph◎ne

Experiment

TypeNo．

F

ter

Amp．2（d8）（kHz）（dB）

RecorderOepth（m）

N263
N436

Amp，1B
8

FLOW

RATE，

20

13420−14〕min311∫1n」r一□∫L
C200／100

1E↓

ON263
SuRFACEDB＼PRESSURE

borsA，

311

FLOWRATE〕min200N436
D100，

EノC，

F

＼㌧／

SURFACEGPRESSuRE，bors

Bへ／

o0E

T1M

図mi

5n10

5 水圧（地表での測定値）・流量一時間記録．西伊豆深度263m（N263），深度436m（N436）の実験．

Fig．5

Recordsof

surface

ifor

theng

pressureN263andandf1ow

N436e理errateversusiments．

一165一t

ime

duri

ng

hydrofracutur−

国立防災科学技術セソター研究報告第27号

1982年3月

103

■

N263

N436

■
口
■

■

v
？l02

三き■
■

一へ

孟；

m．2．O

■

口
曽■・

口、

呈L

■
■

＼．10■

口口、■

■

口
■ C−O
口 B−C
O．3

0．5

1MAXlMUM図63TRACE5100．3

■

C−D

口B−C■

α513510AMPLITUDE．o

振幅別頻度分布（N263とN436の実験）．符号B，C，Dは図5中のB，C，Dに一致．

Fig．6

Frequ㎝cyofevents

versusmaximum

trace

experiments．The 1etters B，C and D indicate
tive1y on the pressure curve in Fig．5．

岬1itudetheforpoints

theB，C

N263andand

N436

D，respec．

が見られる．Dで一旦圧入を止めたためEまで数十秒問一定水圧が保持された．Eで再度圧入を開始してFで圧力降下が見られた．しかし，N263のような明瞭な圧力降下とはならず，Gでポンプを止めるまで一定流量にもかかわらず水圧の昇降が繰り返された．

図6（N436）にB〜Cの区間およびC〜Dの区間についての振幅別頻度分布を示す．B〜Cの区間のO．5≦α≦3の範囲ではほぽ直線に載り閉＝2．Oとなる．しかし，C〜Dの区間
では上に凸の分布を示し直線とはならない．また他の区間についても直線とはならなかつた．

5A

Eの発生の時間変化と破壊の関係

N436の振幅別頻度分布によると，区問B〜Cでは直線に載るがC〜Dでは直線性がない一
その原因について，BHTVで観察される破壌の様子と，AE発生頻度分布とから考察し，破壊の起こり方を推定してみる．

図7は，水圧破壊前後のBHT

Vによる孔壁写真（塚原ら，1980）で，孔壁の様子を展開した形で観察できる．N263，N436ともに孔壁の両側（N25。±10㌻とS25㌧10．W
一166一

地殻応力測定のための水圧破壊実験に伴う微小破壊音の振幅別頻度分布一池田

No

N−263

BEFORE

＾FTER
ナ■

No，

N−436

BEFORE＾FTER

丁ム35■…■二、■一・ゴ＾丁男263一彗一一一↓11・・■264一．三ポ・一㌣，

為1二∫

議客．∴、

トム、1濠

嘉千一→ム36聯苧二．、榊、洲｝

鷹∵．

11神轟浄中・、ぐ・｝一一午．炎∴r
N

図l
El
S」
1WfNl
Nl
El
Sl
Wl
N

7 水圧破壊前後のポアホールテレビユアによる孔壁写真．
Boreho1e te1evi ewer 1ogs before and after hydrofracturing．New cracks crea−
ted by the hydrofracturing are seen in the directions of N25o±10o E foreach of the e理eriments N263 and N436．

Fig．7

N436
80UΦ↓⁝；

ω60

一150

DCω／㎝．0100

U．
u」…≡1り5024ou」

A1」」

Bo＝／／←＜

図80−

E発生頻度と水圧変化との関係．実験N436中

O0＝

A

20のA〜Dの区間u」

Fig．8〈O

1020
τ1ME，

30sec．

一167一40

Re1ationofAE

quencytOdetailed

fre−water pressure var−iation for the N436
experiment．

国立防災科学技術セソター研究報告第27号1982年3月の方向）に新しい割れ目が観察できるが，両者の破壊の様子は異なる．岩質的には両深度とも火山礫凝灰岩であるが，P波の速度でN263が5．3km／sec，N436が50km／secと差があり，既存のクラック等の様子も異なる．N436の場合は割れ目の幅も広く，孔壁が崩壊するようにグサグサした状態で破壊したと思われる・

N436の区問A〜Dについて，AEの発生頻度の時間的推移を水圧変化との関係で図8に示す．記録紙上で一定振幅以上のAEについて，その度数を1秒ごとにカウントした．36秒

以後はヵウソトしていないが，ノイズが非常に多くバルス的なAEは極めて少なくなっている．圧入開始から14秒以後にAC〜Dで再び増加する．A

Eが出始め，水圧変化の変曲点（C）の時点で少なくなり，Eの発生頻度に対応して水圧も変化している様子が伺える．また，

区間B〜Cでは単発的に発生するAEが多いが，C〜Dではバルス型の振動のみを確認するのが困難な程連続して発生している．

以上のことからN436の破壊の仕方を推定してみる．区間B〜Cで破壊に伴うバルス型の振動が多発し，Cの時点までにある程度大きな破壌が起つたものと思われる．このことが水圧記録上の一時的な変曲点となり，AEの発生も少なくなる現象として現われたのであろう．

その後，区間C〜Dでは孔壁が崩壊するような状態で破壊が進行したのではなかろうか．このために，本来のAE以外に孔壁が崩れる時に発生するような音も含まれ，振幅別頻度分布も直線的ではなくなつたと思われる．つまりCでの水圧一定状態は，偶発的な水漏れ等によるものではなく，ここで破壌の様式（例えばより深部の破壌）が変化していることを示している．このことから初期破壌圧としてはCの値をとるべきだということが，AE測定から示唆される．

これに対してN263のAE振幅別頻度分布では，区問B〜CおよびC〜Dともに直線性が成り立っている．このことから，B

HTVで観察される一本の連続した割れ目は，Cの時点までに大方は形成されたのであろうが，Dの時点までさらに割れ目が進展するかたちで出来上がったのではなかろうか．

＆

おわりに岩石破壊に伴うAEの振幅別頻度分布については，多くの研究がたされ（例えば，Mogi（1962），Scho1z（1969）など），石本一飯田の式の榊値の変化する要因が検討されている．

室内の岩石破壊実験では，Mogi（1962）が花嵩岩について閉さ1．5〜Z0，軽石について刎竺2．O〜2．5という値を得ている．野外の水圧破壊実験では，Powereta1．（1975）が

刎＝2．5であつたことを報告している．

今回の解析では，西伊豆深度263mの実験で刎＝2．5，深度436mで刎＝ZOという値が得られた．Mogi（1962）やPowereta1・（1975）の結果と良く一致している・野外の水圧破壊実験では，各実験箇所の岩質や孔壁状態によつて破壊の様子が異なる．破壌に伴う一168一

地殻応力測定のための水圧破壊実験に伴う徴小破壌音の振幅別頻度分布一池田

AEは破壊の仕方に左右され，榊値もこれを反映して変化すると思われるが，現段階ではこのことを定量的に議論するには至らなかつた．

間題点の一つとして，解析したAEの振幅の範囲が僅かに一桁以下にすぎず，見掛げ上直線性が成り立つていることも考えられるので，より広い範囲についての測定が必要である．

そのためには，現在の測定系ではセンサーの設置場所に限界があるので，直接破壊点の近傍で測定できるようなセンサーの開発が必要である．同時に，地上からのノイズ，特に水圧ポンプによるノイズを消去する工夫が必要である・

AEは，水圧記録やBHTVの結果と比較して，破壊の様子を忠実に反映していることがわかつてきた．Lたがつて，より詳しい発生様式や特性を調べることにより，水圧破壌の実態をより正確に把握する有益な手段となろう・謝辞当センター第2研究部塚原弘昭氏は，測定に際し助力して下さり，具体的で有益な討論，助言をして下さつた．ここに記して感謝の意を表する．

なお，本研究は昭和53〜55年度科学技術庁特別研究促進調整費によつたことを付記す
る．

参考文

献1）池田隆司ら（1978）：岩盤の水圧破壊実験に伴う徴小破壊音の観測．地震，31，435−444．
2）Lockner，D．and
weber

sands

82．

t

J．D．Byer1ee（1977）

atfiningone

highcon：Hydrofracture

press岨eandinエG30ρ物s．況3s．，differentia1

stress．

2018．2026．

3）Mogi，K．（1962）：Magnitude−frequency re1ation for e1astic shocks
accompanying fractures of various materials and some re1ated prob1ems
inearthquakes・Bω〃．

αγt危σ．

4）Power，D．V．，C．L．Schusofhydrau1ic

preparedoffracture

for50thAIME，Dalter，R．Hayori

Amua1Fa1l

agas

seismic

we11．Proceedigs

58，

rock

831−853．

J．Twomb

andly（1975）

dimensionsinMeetingof

Societyof：Detec

cased

tion

we11s．paper

Petro1eum

Eng㎞e困las，Texas．

Activityin40，

andin

anditsemissions

First

Geo1ogic

Publ ications， 291−308．
6）Scho1z，C．H．（1968） ：The
f1＝acturing

1れ8t・，ionentat5）Power，D．V．（1977）：Acoustic
in

1〜28．

relat

fo1lowing

Conference

Stmctures

onandontoeart

hquakefracturi㎎

Emisson■Miαo−Materials，

frequency−magnitudeihydrau1ic

AcousticTrans

relationofs．1；伽〃．S248閉．∫oTech

micro−o．

■㎜θれ，399−415．

7）Shuck，L．乙andpropagating

fracC

on

onferenceructuresandT．W．Keech（1977）：Monitoringtures

Acousticinpetro1eum

reservoi

Emission■Microse

Materials，TransTech

ismicracousticrocks

Activityfrom

First

in

St−

Geol

Publications，309−338．

一169一

emission

Proceedingsogic国立防災科学技術セソター研究報告
8）Takahashi，H．et
fracturing

foral．（1980）：Detection
geotherma1

nationa1Acoustic

Emisse鵬rgyionext÷act

Symposof

第27号

acoust

ion．

paper

1982年3月

ic

emission

duringhydrau1ic

presentedatI

5thnt

er＿ium，Tokyo，443−453．

9）塚原弘昭・池田隆司・佐竹洋・高橋博（1980）：静岡県西伊豆町における水圧破壊法による地殻応力測定．地震，33，317−327．

（1981年11月16日

一170一

原稿受理）