地熱貯留層探査技術における地熱探査用SQUITEMの開発 （システム設計）

平成29年6月8日
三井金属資源開発株式会社
超電導センシング技術研究組合

報告内容
地熱探査用に特化した深部探査を可能とする
SQUIDを用いた磁力計による時間領域電磁探査システムの仕様の検討
・金属資源探査用SQUIEM探査システムの適用では，探査には限界・大深度探査する場合には，送信磁気モーメントの増大 → ラインソース送信源
長時間測定 → 低送信周波数の使用（1） 数値解析（2） 送受信装置の設計（3） 野外検証試験（4） まとめ1（1） 数値解析
1）解析モデルの構築
数値シミュレーションが可能な３次元比抵抗構造モデルを構築
・対象地域：鹿児島県指宿市山川地域
・対象深度：3,000m

モデル対象範囲

山川地域 地熱構造モデル図
2
吉村（1985）

（1） 数値解析
1）解析モデルの構築
・送受信エリア，NS方向比抵抗構造モデル断面0.3[Ω・m]20[Ω・m]5[Ω・m]
0.5 [Ω・m]

測定エリア

0.5 [Ω・m]
5[Ω・m]

100[Ω・m]

ラインソース5[Ω・m] 5[Ω・m]20[Ω・m]50[Ω・m]5 [Ω・m]20[Ω・m]50[Ω・m]200[Ω・m]3

（1） 数値解析

1.4E+00

1.4E+00

1.2E+00

1.2E+00
Normalised Magnetic Flux Density (nT)

Normalised Magnetic Flux Density (nT)2）数値シミュレーション・ラインソースでの実測データと3D解析モデルによる計算値

1.0E+00
8.0E-01
6.0E-01
4.0E-01
2.0E-01
0.0E+00
1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.0E+00
8.0E-01
6.0E-01
4.0E-01
2.0E-01
0.0E+00
1.E-03

1.E+00

1.E-02

p01

p02

p03

p04

p05p06

1.E-01

1.E+00Time (sec)Time (sec)
p07

p08

p09

p10

実測データ

IB01

IB02

IB03

IB04

IB05

IB06

IB07

IB08

IB09

IB10

数値シミュレーション

送信源：ラインソース(2,000m)
電流値：35A
周波数：0.125Hz(2秒間送信-2秒間遮断，現行システムでの測定可能時間)
備考：p06で正規化，Linear-Log

4

（2） 送受信装置の設計
2）送信装置の検討
・送信機の試作と動作試験

入力

出力
寸法

項目

仕様

電圧

AC200V±10%

電流

30A

相数

3相

周波数50/60Hz

電圧30〜150V

電流〜50A波形

正負交番電流480(W)×480(D)×300(H)

制御回路

電源ユニット5

（2） 送受信装置の設計
3）受信装置の検討
低送信周波数の微弱信号の長時間測定
・SQUID磁力計からのアナログ信号の増幅方法（Late timeへの対応）
時間切換えゲイン
0.0 sec

D/Aレベル調整
FLL out

A/D1

書込み

A/D2

書込み
RAM10sec or 20sec

可変0.0〜0.5 sec

0.5 secシステムへの転送パケット

D/Aレベル調整
A/D戻し

D/Aレベル調整
A/D戻し
200msec
A/D切換

200msec
A/D切換
D/Aレベル調整
A/D戻し

試験基板

6

（2） 送受信装置の設計
4）磁力計と受信装置間の通信の無線化 （測定の機動性の向上と同時多点測定）
・無線電波のSQUID磁力計へのノイズの影響評価 （野外試験1）
試験機器配置SQUID磁力計（地中設置）FLL

Wi-Fi基地局
評価距離（1,2,3,4,5m）

40m
Wi-Fi制御PC

Wi-Fiのノイズ確認
1.FLLとWi-Fi基地局の距離
2.アンテナの指向性
3.受信機近接

Wi-Fi基地局

7

（2） 送受信装置の設計
4）磁力計と受信装置間の通信の無線化
・無線電波のSQUID磁力計へのノイズの影響評価
0.45

無線のノイズ

0.40

SQUID磁力計およびFLLに向けて無線送信

0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

50Hz
100Hz

504030Power (dB)

実効値雑音（nTrms）

0.35

20100-10050

100

150

200250300

350

400-20-30

Frequency (Hz)WF̲C1̲1 （Wi-Fi通信時）

WF̲C3̲2 (0.088nTrms)

8（2） 送受信装置の設計
5）SQUID磁力計の検討＜背景＞

金属資源探査用SQUITEM3号機では薄膜積層型高温SQUID（1 kHzでのノイズレ
ベル20-50 fT/Hz1/2）により地下1000m級の探査が可能＜概要＞(1)垂直成分の3 ch化

同方向に3個のSQUID素子を配置し、最も重要な垂直成分（z）を同時測定することで測定時間を1/3に低減させる。
3個のSQUID素子間のクロストークを低減する配置を電磁界シミュレーションで検討すると共に、デュワサイズの拡大が必要であれば一部試作し検討する。

(2)改良型低雑音SQUID素子の開発

SQUITEMに用いているSQUID素子の低周波10 Hzにおける磁場ノイズは現状で300-1000 fT/Hz1/2（直流バイアス）。
交流バイアスモードでの使用により、接合臨界電流の揺らぎによるノイズは低減可能。磁束トラップによるノイズは低減できないため、磁束トラップが生じにくい素子構造、作製条件を検討する（200 fT/Hz1/2@10Hz以下目標）

9

（2） 送受信装置の設計
5）SQUID磁力計の検討（垂直成分の3 ch化）

3 chのSQUID素子の配置 → マイスナー効果による磁場の歪みや素子間のクロストークが発生する可能性
Z1
Z3Z23ch(z)の場合は干渉の可能性
電磁界シミュレーションによる評価
ガラスデュワの口径拡大を検討

x, y, z 3成分の場合は同軸型配置で影響低減が可能
10

（2） 送受信装置の設計
5）SQUID磁力計の検討（垂直成分の3 ch化）

シミュレーションによるマイスナー効果、フィードバックコイルによる相互作用の検証
シミュレーションモデル
外部磁場印加用
ソレノイドコイルΦ106mm
Φ66mm

120°

240°

0°

鳥瞰図XY平面図
11（2） 送受信装置の設計
5）SQUID磁力計の検討
SQ̲OUT̲120°
SQ̲IN̲120°

SQ̲OUT̲240°（FBコイルの干渉影響評価結果）

SQ̲OUT̲0°
SQ̲IN̲0°

SQ̲IN̲240°

FBコイル(14x14、1A・Trun)±1μT

Bex ( = -SQ̲IN̲0°)
面

FBから鎖交した磁場Bexとの比

SQ_IN_0°

2.1720271730E-08-1.0000000000E+00

SQ_IN_120°-2.1615037468E-11

9.9515502093E-04

SQ_IN_240°-2.1557901115E-11

9.9252446668E-04

SQ_OUT_0°-6.3996957260E-102.9464160511E-02

SQ_OUT_120°-1.0208104663E-11

4.6998052280E-04

SQ_OUT_240°-1.0184208569E-11

4.6888034807E-04

Φ66mmの円周上でも1/1000以下

Φ106mmの円周上はさらに少ない 12

（2） 送受信装置の設計
5）SQUID磁力計の検討（改良型低雑音SQUID素子の開発）

過去の接合評価の見直し
低周波で低雑音にするためには、接合幅を狭くする方がいい？
接合幅2 mmのSQUID（新パターン）を試作 ×印

Josephs
onjunction( Directlycoupled )SQUID
Ditection coil
15x15 mm2

Ramp-edge-type Josephsonjunction

（2） 送受信装置の設計
5）SQUID磁力計の検討（新しく設計したマグネトメータ）

ACバイアスでの低周波ノイズ低減を実現<200 fT/Hz1/2@10Hz（目標値）の素子を供給可能な見通し

14

（3） 野外検証試験

接地電極
電極間距離：2,000m

1.4E+00
Normalised Magnetic Flux Density (nT)1）基礎データ取得試験
・測定配置 （鹿児島県指宿市山川地域）

1.2E+00
1.0E+00
8.0E-01
6.0E-01
4.0E-01

p01
p02
p03
p04
p05

2.0E-01
0.0E+00
1.E-03

P01-P05

ラインソース

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E-01

1.E+00Time (sec)

測定点
P04
P02

N11-TD-3

P0
1

P03

P06
P05

P09
P07

P08

P10

Normalised Magnetic Flux Density (nT)

1.4E+00
1.2E+00
1.0E+00
8.0E-01
6.0E-01
4.0E-01

p06
p07
p08
p09
p102.0E-01
0.0E+00
1.E-03

P06-P10

1.E-02Time (sec)

測定期間：2016/12/6〜12/2015

（3） 野外検証試験
1）基礎データ取得試験

・比較資料（N11-TD-3 電気検層）
1 10 100 Ω・m-500m-1000mP09

電気検層結果のモデル化

P07P10P08-1500m

N11-TD-3
地熱開発促進調査「辻之岳地域」 統括報告書

16

（3） 野外検証試験
1）基礎データ取得試験
・比較資料（MT法Line5 比抵抗断面）-1000m-2000m

50
10

対応区間

対応区間
地熱開発促進調査「辻之岳地域」 統括報告書

17

（3） 野外検証試験
1）基礎データ取得試験
・比抵抗断面比較
MT対応区間SQUITEM（1次元解析）

0m-1000m-2000m18

（4） まとめ（1） 数値解析

・解析モデルによる数値シミュレーション結果は，実測データと調和的・深部探査対応のための，ラインソースでの探査仕様について評価（2） 送受信装置の設計

・既存送信装置の性能を評価から，開発機器に必要な仕様を策定
・試作送信装置（ 1/10スケール）の動作確認，修正回路を製作
・受信装置の長時間測定の対応策としての，増幅率時間切替機能の動作確認
・SQUID磁力計のZ方向３成分化の目途
・無線通信の評価を実施し，適用可能性が有ることを確認（3） 野外検証試験

・現行SQUITEM探査システムでの探査深度は，2,000m程度

19ご清聴有難う御座いました20