断裂系探査における稠密VSP観測への期待
亀裂有無の差異Z成分(DAS記録相当)
×10-15 ×10-17
振幅は極めて微弱
1) 断裂帯モデルとスナップショット
2) 稠密VSP記録
等方モデルとの差異(S波異方性パラメータの寄与)
Z成分(DAS記録相当)
γ:0.61854090(村井1999)θ:75 (TTI)
異方性に起因する振幅値の変化
断裂帯と関連する反射波・変換波
P波初動
S波初動
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PS変換波の振幅は開口性の多寡を反映 回折波・変換波の発生を確認 ただし振幅は極めて微弱
1. 断層帯周辺 2.開口型亀裂
d=5m
2) 稠密VSP記録
1) 断裂帯モデルとスナップショット
Time
Silixa社パンフレットより引用
DAS-VSP法
DAS を坑井内受振器として設置。地表より発振を行う弾性波探査(VSP)においてこれを利用する調査法。
耐熱性の高い光ファイバケーブルを使用することで、地熱井近傍の稠密VSP観測が可能となる。
VSP: Vertical Seismic ProfilingSSP: Surface Seismic Profiling
速度構造推定範囲
3次元VSPイメージング範囲
3次元SSPイメージング範囲
光ファイバケーブル
分布型光ファイバセンサを利用した坑井近傍探査
光ファイバケーブルをセンサとして利用し、温度や振動の計測を数10cm~数m 間隔で行う。
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• 温度: Distributed Temperature Sensing (DTS)• 音響: Distributed Acoustic Sensing (DAS)
分布型光ファイバセンサ
DAS-VSP実証試験:地質構造と観測点配置
大霧発電所の休止井に光ファイバセンサを設置
VSP / 夜間連続観測(モニタリング)を通して断裂からの弾性波応答を観測
地表弾性波探査(SSP)の反射法記録との比較を実施
霧島溶結凝灰岩
四万十層群
光ファイバセンサ設置区間
北西 南東
えびの層群・飯野溶岩
牧園溶岩
佐賀利溶岩
古期白鳥溶岩
2,143m
地質構造と測線配置図
5500m
• ENE-WSW、NW-SE方向の断層およびリニアメントが顕著• 噴気・温泉・変質体等の地表地熱兆候も両方向の断裂に規制
約 2 m 間隔で1050 の受振点を設定
DAS-VSPの作業工程
作業期間► 2019年12月14日~26日
► 13日間
主な作業► 地表観測装置設置
► 坑内観測装置設置
► DTS/DAS夜間連続観測
► DAS-VSP計測(発振作業)
► 撤収・原状回復
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坑井内観測装置
機 種 種 別 製 造 元 仕 様
ウインチ
ユニットキャピラリー チューブ用ウインチ
( 株) 物理計測コンサルタント
電動式チェーンドライブ巻上速度:0~20 m/min
ケーブル
光フ ァイバ入りキャピラリー チューブ(DNS-5681)
AFL
外径:1/4" (6.35 mm)
破断強度:9,490 N (967 kgf)
耐熱:300℃
光ファイバ:マルチモード (MM) 1本シングルモード (SM) 1本
MM:3.2/1.4 dB/km @ 850/1,300 nm
SM:0.82 dB/km @ 1,550 nm
弾性波
測定機
光フ ァイバ分 布型音響セン シング装置(iDAS)
Silixa
サンプリング周波数:1 kHz ~ 100 kHz
周波数レンジ:0.01 Hz ~ 50 kHz
最大測定範囲:40 km
空間分解能:1 m
ゲージ長:10 m
光ファイバ:SM, MM
温度
測定機
光フ ァイバ分 布型温 度計測装置(DTSX-200)
横河電機(株)
測定方法:シングルエンド方式測定距離:6,000 m
温度測定範囲:-200~800 ℃
サンプリング分解能:0.1~1 m
温度精度:±1.0 ℃
光ファイバ:MM
7坑井内測定用機材一覧 坑内ツール編成図
坑井作業模式図
光ファイバケーブル断面模式図
DTS温度の空間的変化
DTS温度 空間一次微分(坑跡沿いの温度勾配)
空間二次微分(温度勾配の変化率)
飽和蒸気
Feed point
地下水面
沸騰曲線に沿った温度勾配変化
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定常的な温度勾配急変部= 坑井流入点または岩相(地層熱伝導率)変化
温度勾配急変部
【12月18日 18:00 ~ 12月19日12:00 @ 30分間隔(37回)】
DAS / DTS 連続観測記録例
DAS連続記録(モニタリング)例0 30
[s]
DTS
FZ1
FZ2
dTzz[℃/m2]
DTS[℃]
dTz[℃/m]
0 0 125
0.2 2 240
-0.2 -2 10
4sec(境界面のゆらぎ)
Low
High
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(左)ある30秒間のDAS連続記録 (右)30分間隔37回分のDTS記録とその空間微分。坑井内の様々な音は、温度プロファイルのからその意味を読み取ることができる。
沸騰区間
飽和蒸気の充満
地下水面
沸騰と関連しない振動
dTz : DTS記録の空間一次微分(温度勾配)dTzz: DTS記録の空間二次微分
Dep
th
温度の急変部 音源(流出点を示唆)
温度勾配急変部
【同時間帯参考記録】霧島山火山観測点の1時間記録
防災科学技術研究所 基盤的火山観測網記録を使用
Tim
e (s
)夜間自然地震観測例
a) 地表記録
c) DAS記録
b) 測線図Location
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対応するイベント
DAS-VSP 調査仕様
【坑井内受振仕様:DAS】
受振点数: 1,050 ch
ケーブル: 光ファイバ入りキャピラリーチューブ
坑内ケーブル長: 2,143 m
受振点間隔: 約2 m
インテロゲータ: iDAS (Silixa 製)
【地表受振仕様:SSP】
受振点数: 778 ch
受振器: SM-5(固有周波数5Hz)
総測線長: 19,450 m
受振点間隔: 25 m(標準)
探鉱器: Sercel 428XL / Unite 1ch
【発振仕様】
振源: 大型バイブレータ2台
発振点数: 314点
Sweep周波数: 6 - 60 Hz(リニアスウィープ)
Sweep 長: 21 秒
発振点間隔: 50 m (標準)
Sweep 長: 21 秒 起振車 SSP独立式探鉱器Unite有線ケーブル
充填ジェル
光ファイバー
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DAS-VSP/SSP データ暫定処理フロー
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• 取得データの品質確認を目的としてデータ取得直後に実施
フォーマット変換
ダイバーシティスタック
ジオメトリセット
最小位相変換初動読み
屈折初動トモグラフィー
突発ノイズ/ランダムノイズ/
リニアノイズ抑制
振幅補償
Surface
Consistent
デコンボリューション
CMP sort
浮動基準面への静補正
SSP
Data
Post-Stack
Depth Migration
統合表示
アングルミュート
DAS-VSPData
フォーマット変換
ジオメトリセット
最小位相変換初動読み1次元速度構造推定
振幅補償
ランダムノイズ/リニアノイズ抑制
波動場分離
Pre-Stack Depth Migration
Deconvolution突発ノイズ抑制 /
ダイバーシティスタック
コモンノイズ抑制1回目
コモンノイズ抑制2回目
DAS-VSP 地表反射法
DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果
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反射法断面(SSP)
2020/03/13 時点の暫定データ処理結果
国土地理院数値地図に基づく曲率マップコンタ―: 等高線カラー: 曲率最小値
-0.007 0.0015
凸凹
Amplitude
DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果
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反射法断面(DAS-VSP + SSP透過表示)
2020/03/13 時点の暫定データ処理結果Amplitude
透過率:25%
DAS-VSP記録は断層
面からの反射波を良く捉えている。
DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果
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反射法断面(DAS-VSP + SSP透過表示)
2020/03/13 時点の暫定データ処理結果Amplitude
透過率:50%
DAS-VSP記録は断層
面からの反射波を良く捉えている。
DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果
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反射法断面(DAS-VSP + SSP)
P波区間速度分布(SSP)
2020/03/13 時点の暫定データ処理結果Velocity [m/s]
断層を介して速度が変化する状況が読み取れる
DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果
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反射法断面(DAS-VSP + SSP)
検層記録(左)温度勾配(DTS)
(右)温度(DTS)
P波区間速度分布(SSP)
2020/03/13 時点の暫定データ処理結果
+-
HL
Velocity [m/s]
沸騰区間下限深度
飽和蒸気上限深度
水頭面深度
DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果
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反射法断面(DAS-VSP + SSP)
P波区間速度分布(SSP)
検層記録(左)温度勾配(DTS)
(右) P波区間速度(DAS-VSP)
2020/03/13 時点の暫定データ処理結果
+-
Velocity [m/s]
1000 5000 m/s
沸騰区間底面深度
飽和蒸気上面深度
水頭面深度
低速度区間は飽和蒸気区間+
沸騰区間と一致し、反射法記録には上面と下面に強反射面を確認できる。
今後の課題:坑井近傍の開口型断裂評価
期待の技術
下方進行反射波を利用したイメージング
平面波抑制フィルタ+共通反射面重合法(CRS法)
坑井内-地表観測データ同時FWI解析
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精度の高い速度抽出とイメージ解像度の向上
検出結果DAS 原記録
2. 亀裂・断裂兆候の検出
3. 波形情報を利用した速度モデル推定
1.高傾斜断層面の可視化
【適用例:H30野外実験(木地山)の例】回折波・変換波イベント
Dep
th
Dep
th
CIP ギャザーTomography同時FWI
(DAS+SSP)
まとめ
DAS-VSPデータ収録を完了
► 暫定的なデータ処理を実施し、高分解能な記録を確認
► 令和2年度に詳細解析予定
今後の課題「坑井近傍探査の開口型断裂評価」
► 高傾斜断層面の可視化
• 下方進行反射波を利用したイメージング
► 亀裂・断裂兆候の検出
• 平面波抑制フィルタ+CRSによる回折波・変換波の抽出・強調
► 波形情報を利用した高精度速度モデル推定
• 坑井内-地表観測データ同時FWI解析
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謝辞
本調査の計画・実施に際しては、多数の方々から多大なご協力を頂いております。ここに記して感謝の意を表します。
近隣住民の皆様
農業組合法人 霧島第一牧場
霧島市
姶良郡湧水町
姶良・伊佐地域振興局
鹿児島森林管理署
九州電力株式会社
日鉄鉱業株式会社
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参考文献
新エネルギー・産業技術総合開発機構(1997):地熱探査技術等検証調査 断裂型貯留層探査法開発 研究開発成果 総括報告書, 弾性波利用探査法開発, 5.
実証実験2(大霧地区)101-138.
髙山純一・田中俊昭・糸井龍一(2017):トレーサー試験における大霧地区地熱貯留層の水理構造特性評価, 日本地熱学会誌, 39(3), 129-140.
村井芳夫(1999): 断層破砕帯の反射係数の波数依存性, 日本地震学会1999秋季大会講演予稿集, 118.
Nihei, K.T., Nakagawa, S., Myer, L.R.(2000): VSP fracture imaging with elastic
reverse-time migration, SEG 2000 Expanded Abstracts.
【ウェブサイト】
㈱物理計測コンサルタント, “地熱井モニタリング”,
https://www.gsct.co.jp/works/geothermal-well-monitoring.html
防災科学研究所, “基盤的火山観測網”, https://www.vnet.bosai.go.jp/
Silixa, “What is distributed sensing?”, https://silixa.com/resources/what-is-
distributed-sensing/
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