第章

5

高温岩体探査技術

第５章

高温岩体探査技術 ● 目次

我孫子研究所

地圏環境部

上席研究員

鈴木浩一

我孫子研究所

地圏環境部

上席研究員

楠建一郎

我孫子研究所地圏環境部 OB藤光康宏

５−１

はじめに …………………………………………………………………………………………………………………… 39

５−２

地震探査反射法 …………………………………………………………………………………………………………… 39

５−３

CSAMT 法５−４

総合評価 …………………………………………………………………………………………………………………… 42………………………………………………………………………………………………………………… 40

コラム５：空中から地下を探る …………………………………………………………………………………………………… 44

鈴木 浩一（1984 年入所）
雄勝実験場では、物理探査法による実験場周辺の地熱源調査法の開発や、複数の物理探査･検層データを組み合わせて透水性や力学強度など地盤物性値を評価する研究を実施してきた。現在は、この研究成果をベースに、産業廃棄物地層処分場となる埋立て地盤や深部地下空洞周辺岩盤の物理特性分布の調査法を実用化する研究に取り組んでいる。

藤光 康宏（1989 年入所、1994 年退職）
電中研在職中は、通常の業務では物理探査による地下可視化に関わった。高温岩体発電プロジェクトは雄勝実験場における実験から参加し、貯留層評価、CSAMT 法による地下構造探査、光ファイバ温度計による温度検層、コスト試算、流電・自然電位計測に関わった。

38

楠 建一郎（1977 年入所）
HDR 研究の中で、各種物理探査法の開発研究を実施してきた。特に CSAMT 法は国産初のシステムを開発し、全国で活用されるに至った。現在は、この研究で得た貴重なノウハウを基に、地中送配電建設に関連して、推進工法での掘削位置の測量や既設管路の位置を判定できる電磁波式管路位置測量装置の実用化研究に従事している。

５−１

は じ め に

地表から高温岩体の分布を探査する場合、まず、高温（白亜紀花崗閃緑岩）とそれを覆う新第三紀火山岩類の上岩体の対象である花崗岩（基盤岩）の分布を探査するこ記物性値に明瞭な差があると考え、地震探査反射法、重とが重要である。地下に伏在する花崗岩は、上載する地力探査法、CSAMT 法等を適用し、実験場周辺の大局的層（火山岩や堆積岩）に比べ、一般に岩盤の密度、弾性な基盤構造および断層のおおよその位置を把握した。こ波速度、電気比抵抗が大きい。雄勝地点では、花崗岩

こでは地震探査反射法と CSAMT 法について紹介する¸。

５−２¸

地震探査反射法
º

探査原理

結果

地震探査反射法とは地層の境界から反射してくる弾性波

図 5-2-1 にマイグレーション処理（反射面を空間的にを用いるもので、人工地震の波形記録を電子計算機によ正しい位置に戻す処理）および深度変換（速度分布からり情報処理し、反射波のみを強調した画像を描きだし、反射面を正確な深度に変換する処理）を行った解析断面地下の構造を判断するものである。断層調査では特に基を示す。これより、比較的連続性の良い反射面は実験場盤上面の落差（変位）の有無の推定に有効である。

周辺では標高 300 〜 400 ｍ付近（反射面： B）に見られる。また、OGC-0（計測井）より西側の区間には標高-¹

方法

200 〜-300 ｍ（反射面： A）に認められる。さらに、そ実験場の位置する林道沿いに測線を約 3.5km 設置し、の上部には標高 300m 付近に反射面 C が認められる。図発振点 20 ｍ、受振点 10 ｍ間隔で測定を行った。震源に5-2-2 に反射法結果より推定した地質断面図を示す。図は起震車（バイブロサイス）２台を使用した。

中の太い実線は比較的連続性の良い反射面、点線は連続性は良くないがその延長と推定される反射面を示す。ま

W→

OGC-0
↓距離（m）
500

0

1000

1500

OGC-1
↓
2000

→E2500m

G.L.（m）
5000−500−1000

図5-2-1

地震探査反射法解析結果（マイグレーション・深度変換処理後）

電中研レビュー No.49 ● 39

地点A

W
0

500

500

1000

OGC-0 OGC-1（HDR実験場）
2000
2500

1500

500

2600m/sec

地表面
新第三紀火山岩類

2600m/sec

反射面B
3600m/sec

反射面C
2850m/sec

4200m/sec

00

標高（ｍ）

3500m/sec

−500

反射面A
4300m/sec

CSAMT法
断面範囲（B測線） −500

反射面の不連続部

白亜紀花崗閃緑岩

0500m

凡例
連続性の良い反射面
連続性の悪い反射面m/sec 速度解析によるP波速度−1000

図5-2-2−1000

地震探査反射法より推定される地質構造

た、速度解析(地層の区間速度を求める処理)による弾性験場より西側約 500m まではこの境界面は標高 400m か波（P 波）速度値を表示した。

ら 300m と徐々に深くなり、実験場より西側約 800m の位置（地点 A）では標高 100m となる。この地点 A を境»考察にさらに西側の基盤岩深度は最深部で標高-300m となっ

OGC-1 およびその西側約 300 ｍにある OGC-0 で確認さている。地点 A において反射面は不連続でその段差はれた白亜紀花崗閃緑岩の上面は標高約 300 ｍ（深度 300約 400m あり断層が存在している可能性が高い。さらに、ｍ）であることが確認されている。一方、OGC-0 よりさ

反射面 C は第四紀火山岩類と新第三紀火山岩類との境界

らに約２ km 西側にある坑井では標高約-1200m（深度をとらえたものと推定される。

1500m）まで掘削されたが、花崗閃緑岩は確認されてい¼ない¹。

まとめ

図 5-2-1 に見られた比較的連続性の良い反射面（A、B）

地震探査反射法より新第三紀火山岩類と白亜紀花崗閃緑

は、白亜紀花崗閃緑岩（基盤岩）とそれを覆う新第三紀岩類との地質境界を反射面としてとらえることができ、実火山岩類との地質境界をとらえたものと推定できる。実験場の西側に断層の存在および基盤岩の落差が推定できた。

５−３¸

CSAMT 法探査原理
CSAMT 法（Controlled Source Audio frequency

Magneto-telluric Method）は MT 法（地磁気地電流法）の一種で、人工の電磁波（1Hz 〜数 kHz）により地下にのである。比抵抗値の異なる岩石の境界、基盤面の深度、形状などの探査に有効である。
Archie（1942）ºは岩石の比抵抗と岩盤物性値との関係を以下の実験式で示している。

誘導された地電流および地磁気を観測して比抵抗分布を調べる方法で、比抵抗値を介して地下構造を判別するも40

ρR ＝ αφ−mS −nρW

（1a）

F= ρR /ρW =αφ−m

地温が高い、*熱水貯留層となる岩盤の間隙率が大きい、（1b）+地下水比抵抗が低いことが考えられる。
ここに、 ρR は岩石の比抵抗、 ρW は地下水の比抵抗、φは間隙率、S は水飽和度、α、m、n は岩種による定数、¹

F は地層比抵抗係数である。

方法

測点は実験場を中心とした 2km × 2km の範囲に約 150

岩石の比抵抗は間隙率と飽和度が大きいほど低下する。

ｍ間隔で 63 点を東西方向に 3 測線、南北方向に 2 測線配置

また、地下水の比抵抗が低いほど低下する。地下水面以した（図 5-3-1 _）。電流送信源は調査地域より南方約７下の水に飽和した岩盤においては地層比抵抗係数が大き

km の道沿いに東西方向に 2km 設置した。送信周波数はいほど比抵抗は大きくなる。火山岩や若い年代の堆積岩8700Hz 〜 2.1Hz 間の 13 周波数である。受信には当所で開は間隙率が大きく比抵抗は小さいが、火成岩や古い年代発した測定装置½を使用した。また、各 5 測線において 2の堆積岩などは間隙率が小さく比抵抗が大きくなる傾向

次元解析¾を行い比抵抗の深度断面図を求めた。

を示す。また、堆積岩でも礫質分が多いほど高比抵抗にºなり、粘土分が多いほど低比抵抗となる»。

結果

図 5-3-1 `に地震探査反射法の測線と一部重なる東西

岩石比抵抗の温度依存性については以下の実験式が提¼方向の B 測線での解析断面を示す。大局的な傾向として案されている 。

測点 B3 より東側では、地表より深度 100m 前後までがC
T ＋ 273 ＝ ――――――――――
log（ρR20/ρR）− B¹

高比抵抗層、その下部の深度 300 〜 400m までは低比抵抗層、さらにその下に高比抵抗層が広がっている。一方、ここに、T は地下水温度（℃）、ρR20 は 20 ℃における

測点 B1、B2 では深度 200 〜 300 ｍを中心に高比抵抗部

比抵抗、B、C は岩種による定数（水は B= − 2.16、が認められ、その下部は低比抵抗部となっている。よっC=608、安山岩では B= − 3.08、C=870）である。て、測点 B3 付近に比抵抗構造の境界が認められる。図

ちなみに、比抵抗が 100 Ωm の安山岩が 20 ℃から5-3-2 に各測線の 2 次元解析による比抵抗断面から 3 次

120 ℃、220 ℃に上昇した環境下では、比抵抗はそれぞ

元比抵抗構造を内挿し、標高 100m ごとに表示した比抵れ 13.5 Ωm、4.8 Ωm に低下する。すなわち、地温が抗水平断面図を示す（実験場の標高は約 600 ｍ）。標高

200 ℃を超える地熱地帯での岩盤の比抵抗は 20 ℃の環境

500 〜 300m の比抵抗水平断面は高比抵抗と低比抵抗がより 1/20 以下まで低下する。一般的に地熱地帯におい複雑に分布しているが、標高 200m 〜 0m の水平断面図て岩盤の比抵抗が極めて低く観測される要因として、)においては探査領域の南西側は低比抵抗部、北東側は高A測線

W←

地点 A

OGC-1

OGC-0

地震探査反射法測線
OGC-0 実験場
1000
B1B2

B13 B14B測線
B11B8 B9 B10B3 B4 B5 B6 B7B12

標高（m）

1500

Ｅ測線

Ｄ測線

2000

500
C測線
00500
1000
測線西端まで約１km

1500

2000m
2550

100

200

400

800 1600

比抵抗（Ωm）_測点位置図図5-3-1`比抵抗断面図（B測線）

CSAMT法の測点位置図および比抵抗断面図

電中研レビュー No.49 ● 41

（Ωm）

図5-3-2CSAMT法による雄勝地点の比抵抗構造―比抵抗水平断面（標高−300〜500m）―比抵抗部となっている。

られた反射面の不連続部（地点 A）とほぼ調和的である。
また、標高 200m 〜 0m の比抵抗水平断面（図 5-3-2）よ»考察り、実験場南西方向の約 500m 先には新第三紀火山岩類

B 測線での比抵抗断面を反射断面（図 5-2-1）と比較すに相当すると考えられる低比抵抗部が標高 0m 付近までると、反射面 B の上下に低比抵抗層（10 〜 100 Ω m）と分布しており、花崗閃緑岩に対応する高比抵抗層との境高比抵抗層（100 〜 1,000 Ω m）が位置しており、それ界が北西-南東方向に存在するように見える。測点 B3 付

ぞれ新第三紀火山岩類、白亜紀花崗閃緑岩に対応するも近を通ると推定された断層は北西-南東方向に伸びていのと考えられる。さらに地表下 100 ｍ前後までに見られる可能性が考えられる。

る高比抵抗層は第四紀火山岩類に相当するものと推定され、西側の方が深くなる傾向が見られる。
測点 B3 より西側では花崗閃緑岩と推定される高比抵

標高 500 〜 300m の比抵抗水平断面において、高比抵抗部は第四紀火山岩類が厚く堆積している領域を示していると推定される。

抗層は急激に深くなっており地震探査反射法結果で認め

５−４

総 合 評 価CSAMT 法結果（図 5-3-1 <、図 5-3-2）より新第三紀

た、OGC-1 での電気検層結果でも両地層の境界深度で比火山岩類は 10 〜 100 Ω m、白亜紀花崗閃緑岩（基盤岩）

抵抗値に明瞭な差が認められる¿。両地層を区分する比は 100 〜 1,000 Ω m の範囲を示すものと考えられる。ま

抵抗値の境界を 100 Ω m と仮定して、比抵抗水平断面結42

果に地震探査反射法結果を加味して推定した実験場周辺に基盤面深度が落ち込んでいる構造が認められ、北西-の基盤岩の深度分布を図 5-4-1 に示す。実験場の南西側南東方向の断層が存在する可能性を示している。

G.L.（m）
800
地表面
600

OGC-0

新第三紀
火山岩類

400

雄勝実験場

基盤面
2000

白亜紀
花崗閃緑岩

−200

N

2000m
1500
1000
断層t
新第三紀火山岩類

E
500

1000
0

図5-4-1

500

1500m

断層

CSAMT法および地震探査反射法より推定される雄勝地点の地下構造（鳥瞰図）電中研レビュー No.49 ● 43

コラム５：空中から地下を探る
当所では第５章で述べた地表から地下深部の構º

空中磁気探査造を把握するための各種物理探査法の研究を高温地球磁場を測定する磁力計には、ベクトル量であ岩体発電等のテーマの中で進めてきた。当所による磁場の三成分（東西、南北、上下）を測定するフる開発研究の成果は、地熱・高温岩体地域のみなラックスゲート磁力計や磁場の強さのみを測定するらず、電力各社の水力、原子力地点などでの地質プロトン磁力計などがある。このうち、プロトン磁調査法の一環として定着しており、電力以外の土力計はセンサーが多少の姿勢変動を被っても安定し木建設予定現場でも利用されつつある。て測定が可能なためよく用いられている。

一方、物理探査法による適用性が認識されるに一般に地上での磁場測定では地表付近の人工構造従って、利用者側からの物理探査法に対する期待物などによる影響を強くうけるため、航空機などをも大きくなってきており、より広範囲をより迅速用いた空中測定が有利である。また、航空機を用いにしかもより安くといった要求が出てきている。

ることから広範囲の迅速な調査が可能となるため、また地表での物理探査法に関しては２次元探査法

資源探査においては概査の手段としてよく用いられが一般的になっており、最近では３次元探査の研る。地熱、火山地域では広域における溶岩の分布を究が盛んに実施されている。その際にも、３次元把握することに利用される。また、岩石のもつ磁性のための測定データをいかに効率良く取得するかがなくなる深度（キュリー等温面深度といい、地温が大きな課題となっており、この点においても空が約 500 〜 600 ℃の深度）の探査から地下深部の温中探査に期待が掛けられている。ここでは、以下度分布を調べる試みもなされている。に現状での空中探査についての概要を述べる¸¹º»。
»
空中探査の種類¸

リモートセンシング
地球表面における、電磁波の反射、散乱、幅射

空中電磁探査空中電磁法は航空機に電磁探査装置を搭載して探査を行う方法の総称である。
これまでカナダやオーストラリアなどの国々で、などの物理現象を利用する探査法で光とマイクロ

主に金属鉱床や石油・天然ガスなどの資源調査開波を用いる方法がある。適用限界は、地表面に限発のために行われてきた。しかしながら、国外でられることや、光を用いる方法では雲、雪などの実用化されているいずれの探査も、地下への探査気象条件に左右されること、地上調査（周辺の環可能深度（可探深度）は浅く、深部の地質構造は境、気象データ等）との対照が必要となることな地表の探査結果から推定しているのが実情である。

どがある。利用範囲は、土地利用分類・地質構造

特に、詳細なデータを取得することが可能なヘ等の調査、環境・自然現象のモニタリングなどがリコプターを用いた空中電磁法は、地下の可探深ある。適用分野は地熱を対象とした場合には地表度が 50 〜 100m 程度と浅く、最も深いところまで探面の熱分布の把握である。その他の適用分野には査できる大型の飛行機を用いたシステムでも、可地球物理、環境（地質構造、植生）、防災（地すべ探深度が地下 200m 程度である。この大型航空機にり、地震）などがある。

よる空中探査は、国内では地形の起伏が激しく、また、電波法や航空法などさまざまな法律の制約¹

空中放射能探査から、探査実施は不可能である。

ウラン鉱床の探査では広い地域を対象とする初当所では、可探深度が地下 300 ｍから 1km を目期の段階において使われ、対象地域の上空を一定標とするヘリコプターを用いた画期的な空中電磁間隔の測線に沿って飛行し地表からの放射線（ガ法を考案した（図-１、写真１、２参照） ¼。このンマ線）を測定する。

方法は、地表に電磁波の発信源を設置する空中電測定値は対地高度の変動等を補正し、ウラン/ト磁探査システムであり、これまで北海道大学、京リウム比、ウラン/カリウム比などの分布図として都大学、九州大学等の協力を得て、阿蘇火山山麓表示される。適用限界は、被覆層の厚さに影響さにおいて基礎実験をおこない、原理的な開発可能れること、地上用に比べて大きな放射線計測カウ性を確認している。本方法が実用化された場合の、ンターを必要とすること、標準線源による補正を主な利用分野として、地熱探査、特にオーストラ頻繁に行う必要があること等がある。適用分野とリア大陸のような広大な地域における高温岩体のして地熱、活断層調査などがある。

探査の他、火山調査、地滑り、土木関係の岩盤調査等が期待できる。

44

地上ソース型
電磁センサーバード

ZX

可探深度増大地表送信装置図１

空中電磁法概念図

写真１

空中電磁法実験風景

写真２

空中電磁法センサーバード

電中研レビュー No.49 ● 45