重力異常や重力偏差データを用いた間隙率分布の推定手法についての研究

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K05399
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 楠本 成寿 京都大学, 理学研究科, 教授 (50338761)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 間隙率 / 重力異常 / 重力偏差

研究実績の概要

本研究では，重力探査により，間隙率分布を直接推定する手法とそれを効率よく実施するための最適フィルタの開発を目指している。具体的には，①密度と間隙率の関係を明らかにすることで，重力異常から間隙率分布を逆解析により推定する方法の考案と，②本手法の適用に有用であると思われる浅部密度構造に起因する重力異常を抽出する最適フィルタの設計についての研究である。
2020年度は，上述の①のうち，間隙率を介した岩盤の密度構造と重力異常の理論的関係を示した。また②の浅部密度構造に起因する重力異常を抽出する最適フィルタの設計手法の基礎として，重力異常のパワースペクトルから原因層の平均深度と周波数帯を自動で推定する方法を開発した。
2021年度は，昨年度の成果を弥陀ヶ原火山地獄谷(富山県)で観測された重力異常に適用した結果，火山性ガスや水に起因する低密度域は周辺の母岩より0.06－0.35 程度大きな間隙率になることが示された。当該地域ではないが，地熱地帯での既存の坑井データに基づく有効間隙率分布や密度－間隙率の関係と比較を行ったところ，推定された間隙率は現実的な範囲にあることが示された。パワースペクトルを用いた重力異常の原因層の平均深度自動推定手法を，従来手法によって議論された地域に適用したところ，両者には当初予想より大きな差異が生じることが判明した。
2022年度は，2020年度から懸案となっていた間隙内に入る流体の気液比を考慮したモデルの構築を行い，重力異常として現れる密度構造と気液比の理論的関係を導いた。また，下方接続によるシグナル強化あるいは復元が，深部構造に起因する長波長重力異常に有用であるかどうかということについて考察を行った。その結果，接続深度が大きくなるほど短波長ノイズが急増し，下方接続によるシグナル強化は難しくなることが分かった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

初年度（2020年度）から懸案となっていた間隙内に入る流体の気液比を考慮したモデルの構築を行い，重力異常として現れる密度構造と気液比の理論的関係を導いた。間隙流体は，液体と気体から構成されている。これまでは間隙流体の密度を一括して扱っていたが，実際の間隙率を見積もる際には，間隙流体を気体と仮定するか液体と仮定するかで結果に大きな差異が生じる。一方で，間隙流体は気液混合流体として扱うのが普通である。そこで液体と気体の割合を用いて間隙流体の密度を表現し，重力異常として現れる密度構造と気液比の理論的関係を導いた。気体の密度は水の1000分の1程度であることを考慮すると，間隙率と気液比を考慮した密度の関係が単純な形で表現された。
重力異常の基礎となる万有引力の法則から分かるように，異常源が深部にあるとき，そのシグナルを地表でとらえられない可能性がある。フィルタを施して深部情報を取り出せてもそのシグナルは長波長で振幅も小さい。深部異常源による長波長小振幅のシグナル強度を増幅させるため，異常源近く，すなわち測定点より低い仮想的な位置に重力異常を移動させる(引き直す)ことの可能性と有意性について数値実験により議論した。重力異常を測定点より低い位置に引き直す手法に下方接続がある。同様の処理を行う計算手法と理論に，ポアンカレ－プレイ リダクションがある。しかしながら，いずれも基本的に地表面からジオイド(平均海面)上、或はその間の任意の深さという小さな接続深度への引き直しを念頭とした計算手法と理論である。接続深度すなわち測定点と引き直したい深度の距離が大きいとき，下方接続では短波長成分が異常に増幅され，構造解析に使えない重力異常を得ることが明らかになった。これは解が収束しないことを意味しており，大きな接続深度に対する下方接続は問題のある手法であることが明らかにされた。

今後の研究の推進方策

気液比の影響を含めた間隙率を介した岩盤の密度構造と重力異常及び重力偏差の理論的関係について，双方のデータが取得されている地熱地帯での実データに本手法を適用し，推定された間隙比の妥当性，さらにはモデルの妥当性について議論を継続する。最適フィルタの設計についても手法の妥当性の確認作業を継続する。また，長波長重力異常に対して，下方接続以外の手法によるシグナル強化手法の研究を行い，得られる重力異常データの有効性を議論し，本手法の適用の可能性についての考察を行う。

次年度使用額が生じた理由

今年度はコロナ禍による様々な学事行事（入試，講義や野外実習）の実施についての規制の緩和が進み，学会の現地開催も実施されるようになった。一方で，そのような状況の変化に対応する要請も多くあった。コロナ禍中で所属先を変わり，コロナ禍前の通常時の学事行事の実施の状況を知らない者にとって，この2年間は毎年変化する要請への対応で精一杯であった。今年度は肉親の逝去等もあり，予定通りに研究を進めることが困難であった。
来年度は新型コロナ感染症についての様々な規制が解除されるため，積極的に現地調査や研究成果発表に取組んでゆく。