2018 Fiscal Year Annual Research Report
情報通信技術を用いた電磁場信号処理の高度化と地下構造モニタリングへの適用
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18J20941
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 真也 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 地磁気地電流法 / 信号処理 / データ処理 / 地球電磁気 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地磁気地電流(Magnetotelluric: MT)法による地下電気抵抗率構造の時間的変動の評価を行うため，取得した電磁場データの高度な処理法を開発した．具体的には，(1)電磁場データに含まれるノイズの分離・除去法，および(2)自然磁場変動の空間特性を評価する手法を新たに開発し，それぞれ以下に示すような成果が得られた．また，(1)・(2)に示した手法を今後適用するために，(3)自然電磁場データの取得を行った．
(1) 電磁場データに含まれるノイズの分離・除去法について：時間-周波数領域で多成分の観測データから独立な要素(信号・ノイズ)を分離・抽出する手法のアルゴリズムを改良し，MTデータの新たな解析法を開発した．本手法を適用することで，従来法では解析が困難な程ノイズを含んでいるMTデータから，時系列長が短いという条件下においても，地下のインピーダンスを小さな推定誤差で導出することに成功し，ノイズ除去性能および時間分解能の向上が見られた．また，ノイズに侵され地下構造解析に用いることが困難なデータも本手法で処理することで，地下構造の解析に使用可能となることも明らかとなった．
(2)自然磁場変動の空間特性を評価する手法について：膨大な情報量を持つ磁場スペクトログラムから，その構成要素を抽出する手法を新たに開発した．抽出した構成要素が示す地磁気の空間特性の評価指標を導出した．地磁気観測所の磁場アレイデータを解析した結果，地磁気変動の空間特性をスペクトログラムで評価することに成功した．本手法を用いることで，自然磁場変動の空間特性の評価が従来に比べ高い精度で可能となった．
(3)自然電磁場データの取得：本研究では，(1)および(2)の手法の応用例に用いるため，(a)日向灘付近の海底，および(b)飛騨信濃直流幹線地域での自然電磁場データの取得を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
地磁気地電流(Magnetotelluric: MT)法は地下数十㎞までの電気抵抗率構造を求め，その電気的性質から岩石の力学的性質，マグマの存在位置や分布，流体(例えばガス貯留槽や地熱システムにおける熱水)を明らかにできる深部地下構造調査に優れた手法である．しかし，MT法で導出する地下インピーダンスは人工的な電磁ノイズや自然磁場変動の空間的な偏りにより，見掛上変動する．これらを解決するため，(1)ノイズ除去法の開発及び性能評価，および(2)自然磁場変動の時空間特性を評価する手法の開発，を行った． (1)の理論的な内容は，現在国際論文誌に投稿し査読を受けている．アルゴリズムを一部改良し，実データ解析の際の性能の限界についての内容も現在，投稿準備中である．(2)において，実データの解析を行い，自然磁場変動の時空間特性の評価に成功した．その結果，地磁気の空間特性が及ぼす地下インピーダンスの変動への影響について，従来に比べ高い精度で評価ができるようになった．この内容についても，現在国際誌へと投稿準備中である．これら2つに関連する内容は，国内・国際会議でにおいて筆頭著者として8件発表を行う等の成果も得られた．以上のように，当初の1年目の計画であった，「ノイズ除去法の開発及び性能評価」および「自然磁場変動の空間特性の評価手法の開発」は達成できたと考えられる．また，開発したノイズ除去法および自然磁場変動の空間特性の評価手法の応用例に用いるため，日向灘付近においてMTデータを取得した．その結果，データの取得は予定通り順調に進み，更には，飛騨信濃直流幹線地域におけるMTデータの取得にも参加することができ，今後開発した手法を適用するデータは十分なものとなった．そのため，現在までの進捗状況は「おおむね順調に進展している」と考えることが出来る．
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| Strategy for Future Research Activity |
空間的に不均質な自然磁場変動が与える，地下インピーダンスへの影響について，理論値を導出する．理論値に基づき，インピーダンスが安定して求まるための自然磁場変動の空間特性の条件を導出する．インピーダンスが不安定になる際の自然磁場変動の空間特性が，前述の条件を満たさない場合に発生することを示す．これらにより，地下インピーダンスの時間的変化の原因が，地下環境の変化に由来するものか否か議論することが可能となる．以上の内容について，国内会議で発表を行った後，国際誌へと投稿を行う．
これまでに開発した自然電磁場データのノイズ除去法を，都市域や海底等の悪条件下で取得されたデータに適用し，小さい推定誤差かつ高い時空間分解能の地下インピーダンスを導出する．悪条件下でのノイズ除去性能の限界および，実データに含まれているノイズの特性などについてまとめたものを国際誌へと投稿する．
長期的に取得された自然電磁場データに対して，開発したノイズ除去法を適用し，高い時空間分解能の地下インピーダンスを導出する．取得された期間における，自然磁場変動の時空間的特性の評価を行い，自然磁場変動が空間的に一様かの議論を行う．自然磁場変動の空間特性が与える地下インピーダンスへの影響を評価し，地下インピーダンスの時間的変動の有無およびその原因について，地下環境由来のものか評価する．地下環境の変化を反映しているものについては，降雨など表層の変化が与える地下インピーダンスへの影響を評価し，その変動の原因について議論する．その際，表層の変化が与える地下インピーダンスへの影響を定量的に評価し，表層の変化が妥当なものかを検証する必要がある．以上の内容を国内会議において発表する．
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