2021 Fiscal Year Annual Research Report
Precise volcano monitoring by actively controlled electromagnetic signal using frequency comb
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20H01992
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小川 康雄 東京工業大学, 理学院, 教授 (10334525)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
市原 寛 名古屋大学, 環境学研究科, 講師 (90553074)
南 拓人 神戸大学, 理学研究科, 助教 (90756496)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 火山モニタリング / 人工電磁探査 / 周波数コム信号 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）人工電磁信号の送受信システムの運用：昨年度に引き続き、草津白根山南麓において２方向の電流電流ダイポールを用い、周波数10Hz から0.01Hz の帯域で周波数コム信号を２系列出力し、繰り返し周期１００秒および10秒にて5月末から５ヶ月間にわたり送信した。送信システムとしては、ファンクションジェネレータをGPS時計で10MHZの精度で同期同調させて、コム信号を２系統出力し、それを２系統のパワーアンプで増幅し、ダイポールに通電した。受信システムとしては、広帯域MT電磁場測定装置および、低消費電力電場ロガーを草津白根山湯釜火口周辺に展開した。受信機は、夏季に落雷による被害を受けたため、機器の修理および避雷対策を行った。
（２）送受信信号処理プログラム作成：送受信時系列から、信号成分を取り出すために、１時間スタックデータを単位として処理するプログラムを作成した。受信機の時系列から人工送信源の正弦波信号を取り出すために、当初信号成分とドリフト成分に分離する方法を検討したが、信号成分がドリフト成分に混入することが確認されたため、時系列処理にあたっては、単純に受信信号をスタックすることとした。
（３）モデル計算：３次元インバージョンコードを用いて、水蒸気噴火場における、水蒸気発生の検知能力を検証した。表層の低比抵抗・低透水性の粘土キャップの下方に生ずると考えられる高比抵抗層を示す水蒸気層を高感度に検知できることが確認された。この構造は、従来の自然信号を用いたMT法では検出できない。
（４）MT応答の時間変化：送信する信号成分が高度に制御されたスパースなラインスペクトルからなり、かつ振幅も小さいので、人工電流源を流しつつ、MT観測も可能になる。湯釜火口のデータを５ヶ月間に渡り日別に解析し、地表表層の比抵抗変動と深部の比抵抗変動に分離することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度に比べ新型コロナウイルス感染拡大防止の措置が緩和されたため、野外観測の機会が増え、５ヶ月間にわたる野外観測を実施することができた。また送受信信号処理プログラムもほぼ完成することができた。
また、水蒸気噴火の切迫度を表すと思われる地下の水蒸気の出現に相当する薄い高比抵抗層の出現が、人工電磁探査では検出できることが、数値モデル実験によって示された。このことは、従来の自然電磁場を用いたMT法探査では不可能なことであり、本手法が将来的に水蒸気噴火の予知にとって重要な技術になる可能性を示すことができた。
さらに、送信する信号が特定の周波数に限定されており、信号強度も自然信号より微弱であるために、人工信号を流しつつ、自然信号を用いたMT法観測も、同時に連続観測できることがわかり、自然信号を用いた時間変動観測と併用することができることがわかった。将来的には、人工信号と自然信号をジョイントして解析することによって、それぞれの構造に対する感度の違いを利用した高度な観測が可能となると予測された。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度に引き続き、本格的な観測の運用を行い、データを蓄積する。ひきつづき、時系列処理におけるS/N比の向上を目指す。
数値モデル計算から、送信信号源を受信機に近づけることで、水蒸気層の出現による高比抵抗層の出現の検出能が高められることがわかったので、2022年度は、既存の草津白根山南麓の送信アンテナに加えて、草津白根山山頂に近い地点にも送信源を設置する予定である。これにより深部を対象とする遠方の送信源と、浅部を対象とする近地の送信源と配置し、同時に送信する。信号系列は合計で４系統になるが、これらはわずかに異なる周波数を選ぶことによって、同時に送信しても受信側で混信することはない。
また、有限要素法を用いた地下構造モデリング計算を進める。副次的に得られる自然信号を用いたMT法観測データについても、その時間的な変化を引き続き観測する。
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[Journal Article] Estimation of spatial distribution and fluid fraction of a potential supercritical geothermal reservoir by magnetotelluric data: a case study from Yuzawa geothermal field, NE Japan2022
Author(s)
Ishizu, K., Ogawa, Y., Nunohara, K., Tsuchiya, N., Ichiki, M., Hase, H., Kanda, W., Sakanaka, S., Honkura, Y., Hino, Y., Seki, K., Tseng, K.H., Yamaya, Y., Mogi, T.
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Journal Title
J. Geophys. Res. Solid Earth
Volume: 127
Pages: e2021JB022911
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] The 2018 phreatic eruption at Mt. Motoshirane of Kusatsu-Shirane volcano, Japan: eruption and intrusion of hydrothermal fluid observed by a borehole tiltmeter network2021
Author(s)
Terada, A., W. Kanda, Y. Ogawa, T. Yamada, M. Yamamoto, T. Ohkura,H. Aoyama, T. Tsutsui, S. Onizawa
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Journal Title
Earth Planets Space
Volume: 73
Pages: 157
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Simultaneous Analysis of Seismic Velocity and Electrical Conductivity in the Crust and the Uppermost Mantle: A forward Model and Inversion Based on Grid Search2021
Author(s)
Iwamori, H, Ueki, K., Hoshide, T., Sakuma, H., Ichiki, M., Watanabe, T., Nakamura, M., Nakamura, H., Nishizawa, T., Nakao, A., Ogawa, Y., Kuwatani, T., Nagata, K., Okada, T., Takahashi, E
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Journal Title
J. Geophys. Res. Solid Earth
Volume: 126
Pages: e2021JB022307
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Crustal fault valve control of the CO2 rich Erebus volcano phonolite magmatic system, Antarctica2021
Author(s)
Graham Hill, Philip E Wannamaker, Virginia Maris, John A Stodt, Michal A Kordy, Martyn Jonathan Unsworth, Paul Bedrosian, Erin Wallin, Danny F Uhlmann, Yasuo Ogawa, Philip R Kyle
Organizer
AGU Fall Meeting 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] Estimation of spatial distribution and fluid fraction of a potential supercritical geothermal reservoir by magnetotelluric data: a case study from Yuzawa geothermal field, NE Japan2021
Author(s)
Keiichi Ishizu, Yasuo Ogawa, Keishi Nunohara, Noriyoshi Tsuchiya, Masahiro Ichiki, Hideaki Hase, Wataru Kanda, Shinya Sakanaka, Yoshimori Honkura, Yuta Hino, Kaori Seki, Kuo Hsuan Tseng, Yusuke Yamaya and Toru Mogi
Organizer
AGU Fall Meeting 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] Three-dimensional electrical resistivity structure beneath the back-arc side of the southern Tohoku region2021
Author(s)
Y Usui, M Uyeshima, H Hase, H Ichihara, K Aizawa, T Koyama, S Sakanaka, T Ogawa, Y Yamaya, T Nishitani, Y Ogawa, R Yoshimura, S Takakura, M Mishina, Y Morita
Organizer
第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会および講演会
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