特許 7103606 海底地盤の探査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-11

(45)【発行日】2022-07-20

(54)【発明の名称】海底地盤の探査装置

(51)【国際特許分類】

   G01V 1/00 20060101AFI20220712BHJP

【ＦＩ】

G01V1/00 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020072722

(22)【出願日】2020-04-15

(65)【公開番号】P2021169945

(43)【公開日】2021-10-28

【審査請求日】2021-09-13

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】520133204

【氏名又は名称】株式会社ジオシス

(73)【特許権者】

【識別番号】506332605

【氏名又は名称】基礎地盤コンサルタンツ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】390005784

【氏名又は名称】大和探査技術株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】特許業務法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】清水 信之

(72)【発明者】

【氏名】八野 祐二

(72)【発明者】

【氏名】世森 祐一

【審査官】山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１５８８３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－３０５２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－００２２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１９３０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１９３７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５２３１２５２（ＵＳ，Ａ）

【文献】井上佳也、風嵐健志、吉田武志、三好達明，“海底微動アレー探査”，応用地質，日本，日本応用地質学会，2001年10月10日，Vol.42，No.4，pp.231-237，doi:https://doi.org/10.5110/jjseg.42.231

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｖ １／００ － ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心支持部、および当該中心支持部から相互に相違したアレイ半径における円周上にそれぞれ配置される複数組の外側支持部を有し、それぞれの組の外側支持部は前記中心支持部から同一のアレイ半径の円周上に配置される複数の外側支持部により形成され、海底に配置される微動探査アレイを形成する支持具と、
前記中心支持部に装着されハイドロフォンからなる中心微動センサーと、
それぞれ前記外側支持部に装着されハイドロフォンからなる複数の外側微動センサーと、
海面に浮かべられる浮遊体に装着される送信機と、
前記中心微動センサーおよび前記外側微動センサーが接続され、前記送信機に接続される通信ケーブルと、を有し、
前記送信機は、それぞれの前記ハイドロフォンからの微動データを、前記浮遊体から離れた位置に配置された解析部に無線により送信し、
前記解析部は、前記微動データに基づいて、海底面からの複数の深度範囲における地盤構造を解析する、海底地盤の探査装置。

【請求項2】

請求項１記載の海底地盤の探査装置において、
複数組の前記外側支持部のうち、少なくとも１組の前記外側支持部を、前記中心支持部を中心とする半径方向に、前記支持具に調整移動自在に装着した、海底地盤の探査装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の海底地盤の探査装置において、
前記外側微動センサーは、前記中心支持部を中心とする正多角形の各頂点の位置に配置される、海底地盤の探査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は海底面の微振動を検出して海底の地盤構造を探査する海底地盤の探査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地盤構造を探査するために、起振装置により地面に振動を加え、起振により生じる地盤振動を検出することによって地盤構造を探査することが行われている。特許文献１には、起振により生じる地盤振動をマイクロフォンにより集音し、非接触で地盤構造を探査するようにした地盤構造探査装置が記載されている。このような地盤構造の探査は、例えば、建築物を建設する場合には、所定の強度の地層にまで基礎杭を到達させる際に行われる。一方、海底に風力発電設備を建造する場合等においても、海底の地盤構造を探査する必要がある。海底の地盤構造を探査するために、陸上の地盤構造の探査と同様に、海底面に振動を加え起振により生ずる海底の地盤振動を検出することは、探査装置が大掛かりとなってしまう。

【0003】

海底の地盤構造を探査するために、複数の水中センサーユニットを海底の土砂に挿入して海底に配置固定するようにした海底の地下構造探査方法が特許文献２に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－９４５７号公報

【文献】特開２００２－７１８２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献２に記載される探査方法においては、複数の水中センサーユニットが相互に一定の位置関係となるようにして独立させて海底の土砂に挿入する必要があり、海底が深い場合には水中センサーユニットの配置固定が困難である。また、別々の水中センサーユニットから得られた微動データを解析するために、時計によりそれぞれの微動データを同期させる必要があり、データ解析を容易に行うことができないという問題がある。

【0006】

本発明の目的は、海底地盤の地下構造を簡易構造の探査装置により探査し得るようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の海底地盤の探査装置は、中心支持部、および当該中心支持部から相互に相違したアレイ半径における円周上にそれぞれ配置される複数組の外側支持部を有し、それぞれの組の外側支持部は前記中心支持部から同一のアレイ半径の円周上に配置される複数の外側支持部により形成され、海底に配置される微動探査アレイを形成する支持具と、前記中心支持部に装着されハイドロフォンからなる中心微動センサーと、それぞれ前記外側支持部に装着されハイドロフォンからなる複数の外側微動センサーと、海面に浮かべられる浮遊体に装着される送信機と、前記中心微動センサーおよび前記外側微動センサーが接続され、前記送信機に接続される通信ケーブルと、を有し、前記送信機は、それぞれの前記ハイドロフォンからの微動データを、前記浮遊体から離れた位置に配置された解析部に無線により送信し、前記解析部は、前記微動データに基づいて、海底面からの複数の深度範囲における地盤構造を解析する。

【発明の効果】

【0008】

中心微動センサーと外側微動センサーは、ハイドロフォンからなり、所定の位置関係となって支持具に装着されており、微動探査アレイを海底に沈めて配置するだけで、所定の数の微動センサーを高精度の位置関係として海底面に設置することができ、微動センサーにより検出された微動データを解析することにより、簡易な構造の探査装置により海底地盤の地下構造を探査することができる。海面に浮かべられる浮遊体には送信機が設けられ、それぞれのハイドロフォンからの微動データは、浮遊体から離れた位置の解析部に無線により送信されるので、微動データに基づく地盤構造の解析を容易に行うことができる。

【0009】

中心微動センサーから相互に相違したアレイ半径の位置に設けられた複数組の外側微動センサーを有する微動探査アレイを使用すると、海底面から複数の深度範囲における海底地盤の地盤構造を探査することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施の形態である海底地盤の探査装置を示す斜視図である。

【図2】図１に示した微動探査アレイを示す平面図である。

【図3】微動探査アレイの変形例を示す平面図である。

【図4】微動探査アレイの他の変形例を示す平面図である。

【図5】探査装置の制御部を示すブロック回路図である。

【図6】波長が相違する複数の表面波が海底面に沿って伝播している状態を示す概念図である。

【図7】平均値としての空間自己相関係数と周波数との関係の一例を示す特性線図である。

【図8】第１種ベッセル関数の関数形を示す特性線図である。

【図9】周波数と位相速度との関係の一例を示す特性線図である。

【図10】図９に示した位相速度からバラード法とインバージョンによって換算されたＳ波速度構造を示す特性線図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。それぞれの実施の形態においては、同一の機能を有する部材は同一の符号で示されている。

【0012】

図１および図２に示されるように、本発明の海底地盤の探査装置は、海底Ｂに配置される微動探査アレイ１０を有し、微動探査アレイ１０は３本の支持棒材１１ａ～１１ｃを備えた支持具１２を有している。３本の支持棒材１１ａ～１１ｃには６角形の連結枠１３が取り付けられ、支持棒材１１ａには連結枠１３の中心部に位置させて中心支持部１４が設けられている。中心支持部１４を中心として、それぞれの支持棒材１１ａ～１１ｃの径方向外側端部には、補強ワイヤ１５が取り付けられており、補強ワイヤ１５は、支持棒材１１ａ～１１ｃが中心支持部１４を中心として円周方向に変形するのを防止する。

【0013】

それぞれの支持棒材１１ａ～１１ｃの外側端部つまり先端部には、３つの外側支持部１６ａ～１６ｃが１組となって設けられている。中心支持部１４からそれぞれの外側支持部１６ａ～１６ｃまでの距離、つまりアレイ半径Ｒは同一に設定されており、外側支持部１６ａ～１６ｃは同一アレイ半径Ｒの円の円周上に配置されている。支持棒材１１ａ～１１ｃは、中心支持部１４を中心として、アレイ半径Ｒの円の円周方向に１２０度置きに配置されており、外側支持部１６ａ～１６ｃは、正三角形の頂点の位置に設けられている。

【0014】

微動探査アレイ１０の中心支持部１４には中心微動センサー２１が装着され、それぞれの外側支持部１６ａ～１６ｃには外側微動センサー２２～２４が装着されている。１組を形成する３つの外側微動センサー２２～２４と中心微動センサー２１とにより、微動探査ユニット１７が形成される。円周方向に隣り合う２つの外側微動センサーの間の直線距離Ｌ、つまりアレイサイズは約７．６ｍである。

【0015】

なお、中心支持部１４および外側支持部１６ａ～１６ｃは、それぞれ微動センサーを装着することができる構造であれば良く、図面においては、それぞれの位置を明記するために、便宜的に円形で示されている。この明細書においては、中心支持部１４に装着される微動センサーを中心微動センサーと言い、外側支持部１６ａ～１６ｃに装着される微動センサーを外側微動センサーと言う。それぞれの微動センサーは、海底地盤の微振動を検知する。

【0016】

図３は微動探査アレイ１０の変形例を示す平面図であり、支持具１２は図２に示したものと同様に支持棒材１１ａ～１１ｃと連結枠１３とを有している。図３に示される支持具１２には、中心支持部１４から同一のアレイ半径Ｒ１の円周上に位置させて外側支持部１８ａ～１８ｃが設けられている。３つで１組を形成する外側支持部１８ａ～１８ｃは、アレイ半径Ｒ１の円周方向に１２０度置きに配置され、正三角形の頂点の位置に設けられている。外側支持部１８ａ～１８ｃには、外側微動センサー２５～２７が装着されている。

【0017】

それぞれの支持棒材１１ａ～１１ｃの先端部には、図２に示した微動探査ユニット１７と同様に、３つの外側支持部１６ａ～１６ｃが１組となって設けられている。中心支持部１４からそれぞれの外側支持部１６ａ～１６ｃまでのアレイ半径Ｒ２は同一に設定され、それぞれの外側支持部１６ａ～１６ｃには、外側微動センサー２２～２４が装着されている。

【0018】

このように、同一のアレイ半径Ｒ１の位置に３つで１組を形成する外側微動センサー２５～２７が設けられ、同一のアレイ半径Ｒ２の位置に３つで１組を形成する外側微動センサー２２～２４が設けられており、相互に相違したアレイ半径の円の円周上にそれぞれ配置された複数の外側微動センサーが複数組設けられている。外側微動センサー２５～２７のアレイサイズは、約１ｍである。

【0019】

図３に示される微動探査アレイ１０においては、中心微動センサー２１と１組を形成する３つの外側微動センサー２２～２４とにより、１組の微動探査ユニット１７ａが形成され、中心微動センサー２１と他の１組を形成する３つの外側微動センサー２５～２７とにより、他の１組の微動探査ユニット１７ｂが形成される。このように、図３の微動探査アレイ１０は、中心微動センサー２１を共通として３つで１組を形成する外側微動センサーを２組備えている。

【0020】

複数組の外側微動センサーを備えた形態の微動探査アレイ１０としては、図３に示すように、２組に限られず、例えば、３組またはそれ以上の外側微動センサーを備えた微動探査アレイ１０としても良い。

【0021】

図４は微動探査アレイ１０の他の変形例を示す平面図であり、この微動探査アレイ１０は中心部で連結されて放射方向に延びる３本の支持棒材１１ａ～１１ｃにより形成される支持具１２を備えている。支持棒材１１ａ～１１ｃは連結された中心部を中心として円周方向に等間隔離れている。

【0022】

１組を形成する３つの外側支持部１６ａ～１６ｃは、矢印で示されるように、それぞれ支持棒材１１ａ～１１ｃに半径方向に調整移動自在に装着され、外側支持部１６ａ～１６ｃには微動センサー２２～２４が装着されている。同様に、１組を形成する３つの外側支持部１８ａ～１８ｃも、それぞれ支持棒材１１ａ～１１ｃに半径方向に調整移動自在に装着され、外側支持部１８ａ～１８ｃには微動センサー２５～２７が装着されている。したがって、３つの外側支持部１８ａ～１８ｃの中心支持部１４からのアレイ半径Ｒ１の値を変化させることができ、３つの外側支持部１６ａ～１６ｃの中心支持部１４からのアレイ半径Ｒ２の値を変化させることができる。ただし、それぞれ１組を形成する外側支持部１６ａ～１６ｃと、外側支持部１８ａ～１８ｃとの少なくともいずれか１組の外側支持部のみを調整移動自在としても良い。さらに、それぞれの支持棒材１１ａ～１１ｃに第３組目の外側支持部を設け、それぞれに外側微動センサーを装着すると、３組の微動探査ユニットを備えた微動探査アレイ１０が形成される。

【0023】

同一のアレイ半径位置に配置される複数の外側支持部の配置形態としては、図２～図４に示されるような正三角形に限られず、正多角形であれば、正四角形や正五角形等としても良い。正四角形とした場合には、各頂点の位置に外側微動センサーが装着され、中心微動センサーとともに５つの微動センサーにより１組の微動探査ユニットが形成される。

【0024】

中心微動センサー２１と外側微動センサー２２～２７としては、それぞれハイドロフォンが使用されている。ハイドロフォンは、振動や圧力変化が加わると電気信号を発生する圧電型トランスデューサの機能を有しており、海底Ｂの表面波の振動を検出する。ハイドロフォンを使用すると、センサーの設置方位や設置状況を入念に確認する必要がなく、設置効率が各段に向上する。

【0025】

中心微動センサーと外側微動センサーは、所定の位置関係となって支持具１２に装着されているので、微動探査アレイ１０を海底Ｂに沈めて配置するだけで、所定の数の微動センサーを高精度の位置関係として海底面に設置することができる。観測位置の修正も比較的容易に行うことができる。

【0026】

図１に示すように、海底Ｂに図２に示した微動探査アレイ１０を配置し、４つの微動センサー２１～２４を海底面に配置すると、それぞれの微動センサー２１～２４の検出信号つまり微動データの信号を得ることができる。この微動データを解析することにより、所定の深度範囲つまり深度領域の海底の地盤構造を探査することができる。精度良く探査できる深度範囲は、アレイサイズＬに依存しており、アレイサイズＬを大きくすると、より深い深度範囲の地盤構造を探査することができる。例えば、アレイサイズＬが７．６ｍであれば、Ｌの２０倍以上つまり約１５０ｍを超える深度までの地盤構造を探査することができる。

【0027】

アレイサイズが７．６ｍの外側微動センサー２２～２４に加えて、アレイサイズが１ｍ程度の外側微動センサー２５～２７を備えた微動探査アレイ１０を使用すると、海底面に近い浅い深度範囲の海底の地盤構造を精度良く探査することができる。したがって、図３および図４に示すように、アレイ半径が相違した複数組の外側微動センサーを備えた微動探査アレイ１０を使用すると、中心微動センサー２１を共用型の微動センサーとした２組の外側微動センサーからの微動データにより、深部の地盤構造と、浅部の地盤構造とを高精度で探査することができる。

【0028】

微動探査アレイ１０を備えた探査装置は、図１に示すように、海面Ｅに浮遊する浮遊体３０を有し、浮遊体３０は俵ブイ３１とこれに取り付けられた機器容器３２とを備えており、機器容器３２内には観測機器が組み込まれている。通信ケーブル３３が観測機器と微動探査アレイ１０との間に接続されており、それぞれの微動センサーは通信ケーブル３３により観測機器に接続されている。図２の微動探査アレイ１０の場合には、４つの微動センサー２１～２４の検出信号が通信ケーブル３３により観測機器に送られる。一方、図３および図４の微動探査アレイ１０の場合には、７つの微動センサー２１～２７の検出信号が通信ケーブル３３により観測機器に送られる。図１～図４においては、通信ケーブル３３のうち、微動センサーに接続される部分は図示省略されている。

【0029】

浮遊体３０が海流により流されるのを防止するために、アンカー３４がワイヤ３５により通信ケーブル３３に連結されている。通信ケーブル３３は、微動探査アレイ１０とアンカー３４とを吊り下げたり、吊り上げたりする強度を有している。

【0030】

機器容器３２内に設けられる観測機器の形態としては、微動センサーから送られた検出データを海上に停泊している船舶の受信機に無線送信したり、陸上の受信機に無線送信したりするための無線送信機が設けられた形態がある。微動探査アレイ１０から陸上までの距離に応じて、Wifi等によるデータ通信用の中継ブイを必要な数だけ設置することができる。その場合には、データ記録部が受信した微動データを随時に陸上のコンピュータにより解析することができる。

【0031】

さらに、観測機器としては、微動センサーからの検出データを収録するメモリーつまりデータ記録部としての記憶媒体が設けられた形態とすることもできる。その場合には、観測機器は、所定の時間が経過した後に、機器容器３２内に設けられたメモリーが回収されるメモリー回収形態となり、無線送信機器は不要となる。回収したメモリー内に格納された検出データをコンピュータのメモリーに転送し、受信した微動データを解析することができる。メモリー回収形態の場合には、海底面への微動探査アレイ１０の設置から回収まで４時間程度あればデータ収録を完了できるので、海象が良好であれば、１日に２箇所のデータ収録が可能である。

【0032】

図５は、探査装置の制御部を示すブロック回路図である。検出データを地上等の受信機に送信する形態においては、信号処理部４１が機器容器３２内に設けられており、図２の微動センサー２１～２４、図３および図４の微動センサー２１～２７の検出データ信号が信号処理されて無線により外部のコンピュータのメモリー４２に送信される。メモリー４２に格納された検出データは解析部４３により解析処理される。解析結果は、コンピュータに接続されたディスプレイからなる表示部４４に表示される。解析結果を印刷するプリンタも表示部４４を構成する。一方、メモリー回収形態においては、機器容器３２内にはメモリー４２が収容されており、機器容器３２内のメモリー４２を取り出して、メモリー４２内の検出データを外部のコンピュータに格納して検出データに基づいて地盤構造を解析することでできる。

【0033】

次に、検出データつまり微動データに基づいて、地盤構造を解析する手順について簡単に説明する。

【0034】

地震波は、地球内部を伝播する実体波と、地表面に沿って伝播する表面波とに分類され、実体波にはＰ波とＳ波に分類される。Ｐ波は進行方向に平行に振動する弾性波であり、縦波とも言われる。Ｓ波は進行方向に直交する方向に振動する弾性波であり、横波とも言われる。一方、表面波は地震波として伝播する波動のうち地層境界、特に海底面に沿って伝播する波動であり、表面波は常時微動の主成分であると考えられる。表面波には水平方向のみに振動するねじれが伝播するラブ波（Love波）と、海の波と同じく上下成分を持つレイリー波（Rayleigh波）とが存在する。

【0035】

図６は、波長が相違する複数の表面波が海底面Ｂに沿って伝播している状態を示す概念図である。

【0036】

一般に表面波の振幅は地表面でいちばん大きく、地中深くなるほど小さくなる。表面波がどれだけ深い地盤に影響されているかは、波動の波長に影響される。地震波の波長λ(m)は、波動の伝播速度ｃ(m/s)に周期Ｔ(s)を乗じた値であり、以下の式（１）に表される。

【0037】

【数1】

【0038】

地盤を表面波が伝播する場合、周期が長いほど波長が長くなる。このため、周期の長い表面波ほど深い地盤構造の影響を受けるようになる。一般の地盤構造では深い地層ほど締まって地震波伝播速度が速い。したがって、図６に示されるように、一般には周期が長いほど表面波の伝播速度は速くなる。周期毎に伝播速度が異なるので、伝播するにつれて周期の長い成分が先に進み、周期の短い成分が遅れるようになる。このため、表面波の波群形状は伝播とともに崩れていく。周期毎に表面波の伝播速度が異なることを分散と呼び、長周期ほど伝播速度が速い場合を特に正の分散と称する。

【0039】

表面波の伝播速度の分散性はその場所の地盤構造に強く依存する。そのため、観測された分散性を満足するような層構造を求めることにより、海底面の常時微動観測記録からその地点の地盤構造を解析することができる。

【0040】

その解析方式には、ＳＰＡＣ法とＣＣＡ法とを使用することができる。
１．ＳＰＡＣ法
（１）空間自己相関係数の演算
ＳＰＡＣ法による解析方式においては、中心微動センサー２１と外側微動センサー２２～２４を備えた微動探査アレイ１０を使用した場合には、それぞれの微動センサーの収録データから、まず、空間自己相関係数を演算する。

【0041】

空間自己相関係数を演算するには、まず、中心微動センサー２１と外側微動センサー２２の収録データからクロススペクトルＳ_１２を求める。クロススペクトルＳ_１２は、中心微動センサー２１の複素フーリエスペクトルと外側微動センサー２２の複素フーリエスペクトルの複素共役の積から求められる。

【0042】

次に、中心微動センサー２１と外側微動センサー２２のパワースペクトルＳ_１１、Ｓ_２２を求める。パワースペクトルＳ_１１、Ｓ_２２は、複素フーリエスペクトルとその複素共役の積から求めることができる。

【0043】

空間自己相関係数ρ_１２はＳ_１１、Ｓ_１２、Ｓ_２２の値から以下の式（２）に基づいて周波数ｆの関数として求められる。

【0044】

【数2】

【0045】

この解析を特定の分割データに対して行うとともに、他の分割データに対しても行い、最終的には各データ区間で得られたρ_１２を平均して中心微動センサー２１と外側微動センサー２２の間の空間自己相関係数とする。

【0046】

同様の手順で、中心微動センサー２１と外側微動センサー２３の空間自己相関係数ρ_１３が求まり、中心微動センサー２１と外側微動センサー２４の空間自己相関係数ρ_１４とが求まる。このように、独立に求めたρ_１２、ρ_１３、ρ_１４を算術平均することにより、３方向の平均値としての空間自己相関係数ρ_ｒ（ｆ）が求まる。
（２）位相速度の演算
図７は、平均値としての空間自己相関係数と周波数との関係の一例を示す特性線図である。図８は、第１種ベッセル関数の関数形を示す特性線図であり、空間自己相関係数ρ_ｒ（ｆ）と位相速度ｃは、図８において実線で示す第１種０次ベクトル関数Ｊ０を介して以下の式（３）の関係にある。

【0047】

【数3】

【0048】

したがって、ある周波数ｆの位相速度ｃを空間自己相関係数ρｒから求める作業は、ρｒに等しいＪ０を与える２πｆｒ／ｃ（＝x）を決めることになる。周波数ｆもアレイ半径ｒも既知である場合には、位相速度ｃを求めることが可能となる。ただし、ｘは０からπの範囲の制約がある。

【0049】

この操作を複数の周波数に対して実施することにより、レイリー波の位相速度を周波数の関数、つまり分散曲線として求めることができる。
（３）地下構造の解析
図９は周波数ｆと位相速度ｃとの関係の一例を示す特性線図であり、図１０は図９に示した位相速度からバラード法によって換算されたＳ波速度構造の換算値Ｓａと、位相速度をインバージョンして得られる変換値Ｓｂとを示す構造線図である。換算値Ｓａは、位相速度を周波数で除して得られる波長に１／３を乗じた値を深さとし、位相速度の１．１倍をＳ波速度と解釈して求められる。図１０においては破線で換算値Ｓａが示され、変換値Ｓｂは細線で示されている。例えば、波長が４０ｍの位相速度は、図９において、Ｃ_４０の直線と位相速度ｃとが交差するＶ_４０により求められる。この位相速度Ｖ_４０のＳ波速度に対応する換算値Ｓａと変換値Ｓｂとにより、地下構造を推定することができる。

【0050】

換算値Ｓａと変換値Ｓｂに対応した地盤構造は、実際に掘削することにより検証が可能であり、図９に示される位相速度と周波数の関数、つまり分散曲線が求められれば、地下構造を解析することができる。

【0051】

図３および図４に示すように、７つの微動センサー２１～２７を備えた微動探査アレイ１０により、地下構造を探査する場合には、上述のように、微動センサー２１～２４の検出データによる地下構造の探査に加えて、微動センサー２１、２５～２７の検出データによる地下構造の探査を行う。これにより、深部地盤における地下構造に加えて、浅部地盤における地下構造を探査することができる。
２．ＣＣＡ法
次に、中心微動センサー２１と外側微動センサー２２～２４の観測データに基づいて、ＣＣＡ法により地下構造を解析する手順について説明する。
（１）パワースペクトル比の演算
中心微動センサー２１と３つの外側微動センサー２２～２４を備えているので、中心微動センサー２１と対をなす３つのデータに対して以下の２種類の平均波形を演算する。

【0052】

ｊ番目のセンサーで時間ｔに得られる観測データをＸj(t)とすれば、円周上の３つの外側微動センサーのデータを単純に算術平均して得られる波形は、

【0053】

【数4】

である。一方、各データにexp(iθj)の重みをかけて方位平均して得られる波形は、

【0054】

【数5】

である。ただし、ｉは虚数、θはセンサーの方位角を示す。

【0055】

これらのパワースペクトルを求めて、それらの比をとったものをρ_ｃｃａ(f)とすれば、その値はレイリー波の位相速度と関連付けることができ、単一のモードが卓越すると仮定した場合には、次式（６）を得る。

【0056】

【数6】

【0057】

ここで、ｋは波数、Ｊｍ(・)は、第１種ｍ次のベッセル関数である。
（２）位相速度の演算
対象とするレイリー波の波長がアレイ半径ｒより十分に長いという前提で、ベッセル関数を長波長近似すれば、最終的に位相速度ｃはρ_ｃｃａ(f)と以下の関係にあることが導かれる。

【0058】

【数7】

【0059】

この計算を複数の周波数に対して実施することにより、レイリー波の位相速度を周波数の関数、つまり分散曲線として求めることができる。

【0060】

この分散曲線を特定の分割データに対して行うとともに、他の分割データに対しても同様の計算により分散曲線が求められ、分割データの数だけ求められた分散曲線を算術平均することにより、ＣＣＡ法により分散曲線が求められる。これにより、上述したＳＰＡＣ法と同様に、地下構造を解析することができる。

【0061】

ＳＰＡＣ法では、到来する表面波は基本モードのみで構成されていると仮定しているが、低周波の表面波の情報は高次モードに卓越していることが多い。ＣＣＡ法では、レイリー波の位相速度の評価にあたり、第１種０次のベッセル関数（図８の実線）に加えて、第１種１次のベッセル関数（図８の破線）も用いるため、低周波数側での分解能が高くなる。したがって、ＣＣＡ法では、低周波側での位相速度の決定精度が高くなり、更に、表面波の高次モードの混入も考慮されていることから、同じアレイ半径のデータに対しても、ＳＰＡＣ法よりも深い深度の地盤構造が反映されたＳ波の情報を得ることが可能となる。

【0062】

中心微動センサー２１と外側微動センサー２２～２４、または外側微動センサー２２～２７は、所定の位置関係となって支持具１２に装着されており、微動探査アレイ１０を海底に沈めて配置するだけで、所定の数の微動センサーを高精度の位置関係として海底面に設置することができ、微動センサーにより検出された微動データを解析することにより、簡易な構造の探査装置により海底地盤の地下構造を探査することができる。

【0063】

中心微動センサーから相互に相違したアレイ半径の位置に設けられた複数組の外側微動センサーを有する微動探査アレイ１０を使用すると、複数種類のアレイサイズの観測を同時に実施することができ、海底面下の極浅部から１５０ｍ以上の深さまでの地盤構造を１度の観測で求めることができる。これにより、海底地盤の探査を効率的に行うことができる。

【0064】

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、地下構造の解析手法としては、微動探査アレイに設けられた複数の微動センサーにより検出された微動データに基づいて解析できる手法であれば、上述したＳＰＡＣ法とＣＣＡ法のみに限られない。

【符号の説明】

【0065】

１０ 微動探査アレイ
１１ａ～１１ｃ 支持棒材
１２ 支持具
１３ 連結枠
１４ 中心支持部
１５ 補強ワイヤ
１６ａ～１６ｃ 外側支持部
１８ａ～１８ｃ 外側支持部
２１ 中心微動センサー
２１～２７ 外側微動センサー
３０ 浮遊体
３１ 俵ブイ
３２ 機器容器
３３ 通信ケーブル
３４ アンカー
３５ ワイヤ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】