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  • 物理探査のアレコレ 屈折法弾性波探査 その2

    波形の見方と初動の読取

    弾性波探査の波形記録

    上図は、屈折法弾性波探査で観測した波形記録です。

    (地震計を5m間隔で24ヶ並べた115mの展開・115m付近で含水爆薬100gによる起振)

    それぞれの波線は、等間隔で設置された地震計による記録ですので、縦軸は距離(m)となります。

    横軸は時間(msec:ミリ秒 1/1000秒)になります。

    それぞれの波形を見ると、直線だった波線が急にへこんでいますね。

    この反応が、前項で述べた「初動」です。

    カケヤ打撃や発破によって起振された弾性波が、屈折して地表に戻り、地表の地震計が反応したことをあらわしています。

    起振に近い地震計の初動は短時間であり、距離が離れるに従って初動の到達時間が長くなるのがわかります。

    初動の読取とは、弾性波が初めて到達した時間を読むということです。

    初動の読取

    上図は、初動を読み取ったものです。右の表には読取値(初動到達時間)が示されています。

    この読み取った時間をグラフにしたものが「走時曲線」です。(走時曲線について詳しくは次項)

    走時曲線の出来が解析結果の優劣を左右しますので、走時曲線の出来=初動の読取精度であるともいえます。

    この記録で言えば、どの波形も概ね、波線がへこむキワを読み取れており、読取精度としては合格点でしょう。

    極端に言うと、このへこみがシャープであればあるほど読取精度は上がるワケです。

    ならばもっと強い力で起振して波形の振幅を大きくしたら精度が上がるじゃないか!

    ということですが、そのために発破の薬量やカケヤ打撃回数を必要以上に増やすと、安全性や作業性の著しい低下を招き、

    現実的ではありません。

    最大受振距離100mの場合、起振源が爆薬なら100g、カケヤ打撃なら5~10回のスタッキング(重合)が目安です。

    では、振幅を大きくする以外で読取精度を向上させるためには?

    それは「ノイズ」を取り込まないことです。

    弾性波探査におけるノイズとは、こちらの起振以外の全ての振動であり、風に揺れる木々や沢の水流、自動車、船、飛行機、通行人、野生動物、送電線の電波、地震計の不備・・・と、挙げればキリがありません。

    ノイズと初動

    例えば上図の記録の11ch・50mの波形と、12ch・55mの波形を比較してみると、11chは波形のへこみが読み取りやすいですが

    12chの波形ははっきりしません。

    これは、12chの方にはノイズが乗り、初動部分の波形を乱しているからで、ノイズが原因で読取精度が低下したといえます。

    このようなノイズによる読取精度低下に対しては、前後の波形がはっきりしていることや、走時曲線の幾何学的特徴から、

    読取値をある程度補完することができます。

    従って、記録の取り方や精度の判断は、現場の状況によって異なってきます。

    発破の薬量はもっと増やしたほうがいいのか?逆に減らしても効くのか?

    待っていればノイズは収まるのか?

    地震計はしっかり設置されているか?

    地質による効きの違いは?シラス台地は効きが悪い。露岩が多い箇所は波動が減衰しやすい。軟弱地盤だと低周波が卓越する・・・

    などなど

    測定者は、このようなことを考慮しながら、必要十分な精度で波形を取ることを心がけているのです。

  • 糸魚川-静岡構造線 フォッサマグナ 新潟県糸魚川市

    令和4年の地質巡検は、日本列島の形成に大きく関わるフォッサマグナ、そしてその境界線となる糸魚川静岡構造線。

    日中の日差しに夏の気配を感じる6月9日、ユネスコ世界ジオパークに認定された地質の街・新潟県糸魚川市を訪れました。

    ジオパーク糸魚川の中心施設・フォッサマグナミュージアムや、断層の露頭が保存されているフォッサマグナパークで、ここ糸魚川市でみられる様々な地質について学習しました。

    岩石庭園 巨大なヒスイの原石
    ブラタモリのポスター

    フォッサマグナミュージアムの入り口では、巨大なヒスイの原石と、付近で採れる種々様々な岩石が置かれており、あまり馴染みのない「苦土リーベック閃石曹長岩」といったものから、土木工事の困りもの「蛇紋岩」なども実際に目で見て、手で触れて観察することができました。

    エントランスにも展示物や地元PRビデオがあり、2021年に「ブラタモリ」にて訪れた地などの紹介もありました。

    ミュージアム内は第1~第6まで展示室が分かれています。

    フォッサマグナ

    フォッサマグナとはラテン語で「大きな溝」。溝と言っても、周囲と比べてへこんでいるような地形的な溝ではありません。

    このフォッサマグナ地域の地質は約2500万年前の新生代のものであるのに対し、これを挟む東西の地質は5億年以上前の中・古生代のものという、世界でも類を見ない地質年代の隔たりがあります。

    つまり、地質学的な大きな溝ということで、明治時代の地質学者ナウマンがフォッサマグナと名付けたのです。

    もともとは大陸の一部だった原始日本は、約2000万年前、プレートの沈み込みに伴う地殻変動で大陸から分離していきます。

    その後、各プレートの沈み込みの方向性が異なることから(日本海溝と南海トラフ)、日本群島は真っ二つに分断されます。

    この折れた日本群島の間に地層が堆積したことがフォッサマグナの誕生であると推測されています。

    ナウマン博士の肖像画
    フォッサマグナの火山帯

    糸魚川-静岡構造線

    糸魚川-静岡構造線は、糸魚川市の親不知(おやしらず)付近から諏訪湖を通って、静岡県駿河区の安部川に至る、フォッサマグナの西端の地質境界となる大断層です。これを境に、東北日本と西南日本に分断されます。

    中央構造線と並んで、日本列島の地質を大きく分断しています。

    この断層沿いに街道も整備され、江戸時代などは行商も行き交ったそうです。

    フォッサマグナパークは遊歩道が整備された、糸静線の断層露頭が観察できる公園施設です。

    海底火山からのマグマが露出した、枕状溶岩。フォッサマグナが海だった頃の、海中で起こった海底火山の活動の大きさを感じさせるものでした。

    糸静線の断層露頭
    遊歩道入口
    枕状溶岩

    ヒスイ

    東洋では古くから重用された宝石の一種。

    糸魚川の長者ヶ原遺跡では、約5000年前の縄文時代に日本最古にして世界最古のヒスイの加工が確認されています。

    ヒスイは、沈み込み帯で生成される変成岩である蛇紋岩中に含まれます。

    造山活動で蛇紋岩が地表に押し出される過程で種々の鉱物を取り込み圧力を受けた結果、ヒスイが産まれると推定されています。

    プレートの境界に位置する日本ならではの宝石と言えます。

    ヒスイのイメージは深緑色ですが、本来は様々な色が存在します。

    縄文・弥生時代には装飾品として日本全国に運ばれており、朝鮮半島にも日本からの交易品として渡った痕跡が確認されています。

    しかし、奈良時代を最後にヒスイの利用はほとんど見られなくなり、歴史から姿を消します。

    この、ヒスイ文化の突然の衰退は歴史のミステリーとされ、解明されていないようです。

    ヒスイの原石
    長者ヶ原遺跡
    ヒスイ海岸

    糸魚川市のヒスイが見つかる海岸をヒスイ海岸と通称しています。

    我々もヒスイを見つけるぞ!と勇んで海岸で探し回りましたが・・・いざ実際に見るとなかなか見分けがつかない!

    現地では波打ち際で海に膝辺りまで入ってヒスイを探している人もいたり、平日の午前中だが先客は何人もいたもよう。

    この日は雨のせいでほとんどの石が濡れてキレイな光沢を放っており、どれもこれもヒスイなのでは?と思ってしまうような状況でした。濡れた石が乾くと光沢が消え、明らかにヒスイではないと分かるのですが・・・

    糸魚川市の海岸で見られる石の種類は日本一(自称)らしく、火成岩、変成岩、堆積岩と様々な石が観察できました。

    NHKの「72時間」でヒスイ海岸が放送されるそうです。

    化石の谷
    ヒスイ海岸で採取した石とパンフレット
    ご当地B級グルメ ブラック焼きそば

    フォッサマグナミュージアム敷地内「化石の谷」での化石発掘体験では、ウミユリの茎や二枚貝・巻貝などが見つけられました。

    糸魚川名物・ブラック焼きそばは、イカスミで真っ黒な見た目も味もインパクト十分な逸品でした。

    世界ジオパークに認定されているだけあって、施設やフィールドワークが行える場所が充実しており、この糸魚川での巡検は

    実に充実したものであったと感じました。

  • 物理探査のアレコレ 屈折法弾性波探査 その1

    屈折法弾性波探査とは?

    屈折法弾性波探査は、当社が最も得意とする探査手法の一つです。

    日本で弾性波探査が実施された歴史は、1931年(昭和6年)のダム調査が始まりと言われています。

    明治当初から始まった日本の近代土木技術が黎明期から成長期に差し掛かり、トンネル掘削のシールド工法やアーチダムが国内で採用され始めた時代です。

    その後、太平洋戦争を経て、戦後の復興期にあたる1948年に、社団法人・物理探査学会の前身である物理探鉱技術協会が発足し、弾性波探査を含む物理探査はますます土木工事に適用されるようになり、今日に至っています。

    実に80年を超える歴史がある弾性波探査は、数ある物理探査の中では古典的といえるかもしれませんが、弾性波の性質を非常に上手く利用した探査原理や解析手法は、現在でもトンネルやダム工事等の土木工事から、のり面補強や地すべりの復旧等の災害対策まで幅広く利用されています。

    観音寺トンネル 滋賀県長浜市
    青土ダム 滋賀県甲賀市

    このような屈折法弾性波探査ですが、これをイチから理解しようとすると、とても大変です。

    屈折法弾性波探査の解説では、まず屈折波とは何か?その性質は?スネルの法則は~ホイヘンスの原理は~といった始まりになりますが、いきなり物理の講義みたいでとっつきにくい!

    ですので、できるだけ専門用語を使わずに解説しようと思います。

    屈折波ってどんな波?

    中学や高校の物理で習ったハズですね・・・(汗)

    教科書的には、「異なる2つの媒質の境界面に波が入射するとき、屈折して進行する波」のことです。

    初歩的な実験で、光が空気中から水の入ったグラスを通ると、光が折れ曲がる現象が見られます。(光の屈折)

    「空気中」と「水中」が、異なる2つの媒質ということです。

    これを、単純な地盤での屈折法弾性波探査に当てはめて言い換えると、「地面をカケヤで叩いて発生した波(弾性波)が表層の柔らかい土砂を進み、下の硬い岩盤との境界で屈折し、また地表に戻ってきた波」と言えます。

    この屈折波を、地上の直線状に等間隔で設置した地震計で観測します。

    下の図で屈折法弾性波探査における屈折波のイメージをあらわしておきます。

    屈折波の伝播経路

    実際には、この図中には反射波や屈折角の異なる屈折波やS波・表面波など様々な波が発生していますが、全て省略しています。

    今は、屈折法弾性波探査で利用する屈折波(それと直接波)にだけ注目しておいてください。

    起振により発生した屈折波および直接波が、各受振器に最も早く到着する波を初動と呼び、この初動が明瞭に確認できる記録を取ることが、探査結果の精度を左右するポイントです。

    基本的に、軟弱な土砂の層は弾性波の伝わりが遅く、硬質な岩盤の層は速く伝わります。

    次回は、屈折法弾性波探査の実際の記録を見ながら解説していきます。

  • 物理探査のアレコレ はじめに

    ごあいさつ

    「地質調査って、地面に穴を掘って調べるんでしょ?」

    「物理探査?それは大学の研究でやってるの?」

    私が自分の仕事を周りの方に紹介すると、よく返ってくる反応です。

    確かに、「地質調査をやってます」と聞いて思い浮かぶイメージはボーリング調査が多いでしょうし、「物理探査をやってます」と聞いても普通は、なにそれ??でしょう。

    世間的な知名度はまだまだ低いんだな、と感じます。

    自分がこの地盤探査に入社する前も同じような認識でしたので・・・

    しかし、物理探査というのは社会に役立つ、そしてとても奥深い技術なのです。

    近年は、大きな地震や局地的な豪雨による地すべりや液状化、堤防の決壊などの土砂災害が非常に多く発生しています。

    日本列島は、その成り立ちから火山活動や造山運動の影響を多大に受けた複雑な地形・地質であり、これが土砂災害を頻発させている理由の一つでもあります。

    そんな日本の国土と人々の生活を守るために、複雑な地質を分析する地質調査は欠かせないものであり、物理探査はその一端を担っています。

    集中豪雨による大規模崩落現場
    長大のり面の変状調査

    物理探査とは名前の通り、様々な物理量を用いて地下を調査する技術です。

    簡単にいえば、地震波(弾性波)とか、電流とか、電磁波などを地中に送り込み、それが地下の地質構造によって透過したり、屈折したり、反射したりといった反応をキャッチし、そのデータをもとに、地下の地質構造を明らかにする技術のことです。

    ・・・あまり簡単じゃないですね(笑)

    説明するのに、私の上司の言葉を借りれば

    「地質調査屋は地球のお医者さんである!直接地面を掘るボーリングは外科医だ。我々物探屋(ぶったんや:物理探査業者)は地下を見ずに触診する内科医みたいなもんだ!」

    ・・・少しはイメージがわきましたか?

    お医者さんが触診で患部を診たり、血圧や脈拍を測ることは、地盤の弱い部分(断層など)や地下水の流れを探る

    といった感じでしょうか。

    ジオドクターという言葉もありますからね。

    日本の多種多様な地質は、災害を引き起こす厄介なものというだけではなく、ユネスコ世界ジオパークに選ばれる魅力的なものでもあります。

    そんな、難しくも面白い地質に深くかかわる物理探査の仕事を、より多くの方に知ってもらうため、当ブログで分かりやすく紹介していこうと思っています。

    これからよろしくお願いいたします。