電気比抵抗調査は、土壌の地下の電気比抵抗を測定するために使用される地球物理学的手法です。 。 この方法では、地面に電流を注入し、その結果生じる電圧を測定します。 物質が電流の流れにどのように抵抗するかを理解することで、地球物理学者は地下の組成を推測し、岩盤、地下水面、地質構造などの特徴を特定できます。 この情報は、環境研究、土木工学、考古学、考古学などのさまざまな分野で重要です。 水理地質学.

Farzamian, M.、Vieira, G.、Monteiro Santos, FA、Yaghoobi Tabar, B.、Hauck, C.、Paz, MC、Bernardo, I.、Ramos, M.、および de Pablo, MA: 活性物質の詳細な検出準連続電気抵抗率断層撮影法を使用した層の凍結融解ダイナミクス (南極デセプション島)、The Cryosphere、14、1105–1120、https://doi.org/10.5194/tc-14-1105-2020、2020。
(a) CALM-Sサイトの概要と (b) CALM-SサイトにA-ERT監視システムを設置。 電極は地中に埋設されており、埋設ケーブルで比抵抗計ボックスに接続されています。 (c) 比抵抗計ボックス。 4POINTLIGHT_10W 機器は、ソーラー パネル駆動のバッテリーと多電極コネクタに接続されています。 (d) Wenner 電極構成を使用した CALM-S サイトでの測定された抵抗率 (擬似断面) の概略表示。Farzamian, M.、Vieira, G.、Monteiro Santos, FA、Yaghoobi Tabar, B.、Hauck, C.、 Paz, MC、Bernardo, I.、Ramos, M.、および de Pablo, MA: 準連続電気抵抗率断層撮影法を使用した活性層の凍結融解ダイナミクスの詳細な検出 (南極デセプション島)、The Cryosphere、14、1105– 1120、https://doi.org/10.5194/tc-14-1105-2020、2020。

基本原理は、材料が異なれば電気抵抗率も異なるということです。 たとえば、粘土や水などの材料は一般に抵抗率が低く、岩石や乾燥した土壌は抵抗率が高くなります。 これらの比抵抗の変化をマッピングすることにより、地球物理学者は地下モデルを作成して、地質構造の特性評価を支援し、潜在的な危険や資源の特定に役立てることができます。

簡単な歴史と開発:

電気抵抗率調査のルーツは、科学者が材料の電気特性の実験を始めた 19 世紀後半に遡ります。 ただし、この方法が世界的に有名になったのは 20 世紀半ばになってからです。 地球物理学.

  1. 初期 (19 世紀後半から 20 世紀初頭): 電気抵抗率調査の基礎は、コンラッド シュルンバージェとその兄弟マルセル シュルンバージェなどの科学者の先駆的な研究によって築かれました。 1920 年代に、彼らはシュルンベルジェ アレイを開発しました。この構成は、今日でも比抵抗調査で広く使用されています。 シュルンベルジェ兄弟の貢献は、地下探査のための体系的な電気抵抗率測定の始まりとなりました。
  2. 20 世紀半ばの進歩: 20 世紀半ばには、機器と方法論が大幅に進歩しました。 より高度な機器の開発により、より正確かつ効率的なデータ収集が可能になりました。 この時期には、鉱物探査から環境研究に至るまで、さまざまな用途に比抵抗調査が適用されることも見られました。
  3. 近代: ここ数十年間、コンピュータモデリングやデータ反転技術などの技術の進歩により、電気抵抗率調査の精度と効率が向上しました。 高度な機器とソフトウェア ツールにより、さまざまな地形で調査を実施し、複雑な地下構造を解釈することが可能になりました。

現在でも、電気比抵抗調査は地球物理学における貴重なツールであり続けており、環境現場の評価から地下水探査、地盤工学調査に至るまで、幅広い用途に不可欠な地下の状態に関する洞察を提供します。 この方法の非侵襲性と詳細な地下情報を提供できる機能により、この方法は現代の地球物理探査および工学的実践の重要な要素となっています。

電気抵抗率の基本原理

  1. オームの法則と電気抵抗率への応用:
  1. 抵抗率、導電率、温度の関係:
  1. 地質材料の比抵抗に影響を与える要因:
    • 気孔率: 地質材料内の細孔や空隙の存在は、その抵抗率に影響を与えます。 一般に、堆積物や土壌などの多孔性の高い物質は、流体が存在するため抵抗率が低くなる傾向があります。
    • 含水量: 材料の抵抗率は、存在する流体の量と種類に大きく影響されます。 水は良導体であるため、地下の抵抗率を大幅に低下させます。 逆に、乾燥した土壌や岩石は抵抗率が高くなる傾向があります。
    • ミネラル組成: 種類と配置は、 ミネラル 地質材料では抵抗率に影響を与えます。 たとえば、金属または導電性の特性を持つ鉱物は抵抗率の低下に寄与しますが、絶縁性の鉱物は抵抗率を高めます。
    • 温度: 前述したように、温度は抵抗率に影響を与える可能性があります。 ただし、その効果は材料の特定の特性によって異なる場合があります。
    • 圧力: 場合によっては、特に多孔性の高い材料では、高圧が抵抗率に影響を与える可能性があります。

これらの要因を理解することは、調査から得られた比抵抗データを正確に解釈し、地下の状態や地質構造について情報に基づいた評価を行うために重要です。

電気抵抗率調査における計測機器

電気抵抗率調査では、特殊な装置を使用して地面に電流を注入し、その結果生じる電位差を測定します。 インストルメンテーションの主要なコンポーネントには次のものがあります。

  1. 電源:
    • 調査に使用される電流を提供します。
    • 一般的な電源には、調査の規模と期間に応じてバッテリーまたは発電機が含まれます。
  2. 電流インジェクター:
    • 地面に電流を導入するために使用される電極または電極アレイ。
    • これらの電極は、地球の表面に戦略的に配置されるか、地面に挿入されます。
  3. 電位測定システム:
    • 注入された電流によって生成される電位を測定するために使用される電極または電極アレイで構成されます。
    • さまざまな点で電位差が測定されるため、地下の抵抗率を計算できます。
  4. データ収集システム:
    • 電位電極から得られた測定値を収集して記録します。
    • 最新のシステムには、効率的なデータ処理のためにデジタル レコーダーとコンピューター インターフェイスが組み込まれていることがよくあります。

電極構成とその応用:

電気抵抗率調査ではさまざまな電極構成が使用され、それぞれが特定の地質条件に対して独自の利点を提供します。 一般的な構成には次のようなものがあります。

  1. ウェナー配列:
    • 構成: XNUMX つの電極が直線上に配置され、隣接する電極間の間隔は等しくなります。
    • 応用: 一般的な比抵抗調査に適しており、初期の地下調査によく使用されます。
  2. シュルンベルジェ配列:
    • 構成: XNUMX つの外側電流電極と XNUMX つの内側電位電極。それらの間の間隔は可変です。
    • 応用: 可変間隔により特定の深度を集中的に調査できるため、詳細な調査に最適です。
  3. ダイポール-ダイポール配列:
    • 構成: 固定された分離距離を持つ、XNUMX 対の電流電極と別の XNUMX 対の電位電極。
    • 応用: 深い地下の調査に適しており、良好な深さの侵入を実現します。
  4. ポールダイポールアレイ:
    • 構成: XNUMX つの電流電極と XNUMX つの電位電極、可変の分離距離。
    • 応用: ディーププロファイリングに使用され、抵抗率の横方向の変化に関する情報を提供できます。
  5. 勾配配列:
    • 構成: 固定された分離距離を持つ、直線に沿った一連の電位電極。
    • 応用: 表面近くの変化に対する感度を強調し、抵抗率の横方向の変化を検出するのに役立ちます。

電流および電位の電極の配置:

  1. 電流電極:
    • 線状または輪郭に沿って配置され、地面に電流が注入されます。
    • 通常は測量線の端に配置されます。
  2. 電位電極:
    • 注入された電流によって生成される電位を測定するために使用されます。
    • 選択した電極構成によって決定される間隔で、調査ラインに沿ったさまざまな点に配置されます。
  3. 間隔と深さ:
    • 電極の間隔と深さは、調査の具体的な目的によって異なります。
    • 電極間隔が大きいほど、より深い地下層に関する情報が得られ、電極間隔が小さいほど、浅いフィーチャの解像度が高くなります。
  4. 複数の構成:
    • 包括的な調査では、複数の電極構成を使用して補完的な情報を収集し、地下状態の全体的な理解を高めることができます。

電極構成の原理とその応用を理解することは、地質学的状況や調査目的に合わせた効果的な電気抵抗率調査を設計するために不可欠です。

電気抵抗率調査の現場手順

計画と準備:

  1. 目標を定義します。
    • 比抵抗調査の目標と目的を明確に説明します。 これには、地下の地質構造のマッピング、地下水の位置の特定、環境条件の評価などが含まれます。
  2. サイト選択:
    • 目的と地質学的背景に基づいて調査地域を選択します。 アクセスしやすさ、地形、近くの構造物からの潜在的な干渉などの要因を考慮してください。
  3. 地質およびサイト情報:
    • 調査計画に役立てるために、既存の地質情報と現場情報を収集します。 地質図、ボーリング孔ログ、および以前の調査データから貴重な洞察が得られます。
  4. 機器の校正:
    • 正確な測定を保証するために測量機器を校正します。 これには、機器の設定の確認と調整、および電極の完全性の検証が含まれます。
  5. 安全上の考慮事項:
    • 調査現場で潜在的な安全上の危険を特定し、安全プロトコルを実装します。 これには、送電線、不安定な地形、または悪天候条件に対する認識が含まれる場合があります。

調査のデザインとレイアウト:

  1. 電極構成の選択:
    • 調査目的と地質条件に基づいて、適切な電極構成を選択します。 調査の深さ、解決要件、潜在的な課題を考慮してください。
  2. グリッドまたはラインのレイアウト:
    • グリッドとラインのどちらのレイアウトが調査に適しているかを判断します。 グリッド レイアウトは広いエリアのマッピングに効果的ですが、ライン レイアウトは詳細なプロファイリングによく使用されます。
  3. 電極の間隔とアレイの形状:
    • 選択した構成と希望する調査の深さに基づいて、電極の間隔とアレイの形状を決定します。 特定の地質学的特徴について調査を最適化するために調整が行われる場合があります。
  4. 測量線の方向:
    • 地質ストライク、予想される構造、またはプロジェクトの要件に基づいて測量線の方向を選択します。 方向は、特定の地質学的特徴の検出に影響を与える可能性があります。
  5. 測定ステーション:
    • 測定ステーションの位置を特定し、調査エリア全体を体系的にカバーしていることを確認します。 正確なデータを収集するには、杭、旗、または GPS 座標を使用してステーションをマークする必要があります。

データ取得手法:

  1. 電流および電位の電極の配置:
    • 選択した電極構成に従って、電流電極を調査ラインの端に設置し、電位電極を調査ラインに沿って設置します。
  2. 電流注入:
    • 電流電極を介して既知の電流を地面に注入します。 電流注入が安定して制御されていることを確認してください。
  3. 電位測定:
    • 電位電極間の電位を測定します。 選択した電極構成と間隔に従って、体系的にデータを記録します。
  4. データ記録:
    • データロガーまたはデジタル記録システムを使用して、各測定ステーションでデータを記録します。 電極間隔、機器設定、環境条件などの関連情報を文書化します。
  5. 調査の進行状況:
    • 一貫した電極間隔を維持し、所定のレイアウトに従って、調査ラインまたはグリッドを体系的に進めます。
  6. 品質管理:
    • 品質管理対策を実施して、データ収集中に問題を特定して対処します。 これには、一貫した電極接触のチェック、機器の性能の監視、潜在的な干渉への対処などが含まれる場合があります。
  7. 測定を繰り返す:
    • 場合によっては、測定を繰り返したり、複数の構成を使用したりすることで、データの信頼性と精度を向上させることができます。
  8. 後処理:
    • 現場データ収集後、データの反転や解釈などの必要な後処理ステップを実行して、地下抵抗率モデルを生成します。

電気抵抗率調査で正確で有意義な結果を得るには、効果的な計画、慎重な調査設計、綿密なデータ収集技術が不可欠です。 定期的なチェックとベストプラクティスの遵守は、フィールドワークの成功に貢献します。

電気抵抗率調査におけるデータ処理と分析

生データの処理と品質管理:

  1. データ検証:
    • 収集された生データにエラー、不整合、または異常がないか確認します。 電極の構成、間隔、および機器の設定が正しいことを確認します。
  2. ノイズ除去:
    • 生データからノイズを特定し、フィルタリングして除去します。 これには、外れ値の除去、機器のドリフトの補正、またはデータ収集中の干渉への対処が含まれる場合があります。
  3. キャリブレーション補正:
    • 機器の性能の変動を考慮して、必要な校正補正を適用します。 これにより、記録されたデータが地下の抵抗率の変化を正確に表すことが保証されます。
  4. 品質管理チェック:
    • 処理されたデータの品質管理チェックを実行して、その信頼性を確保します。 これには、電極の接触品質のレビュー、データの再現性の評価、結果の精度に影響を与える可能性のある問題への対処が含まれます。
  5. データ表示:
    • 処理されたデータを明確で整理された形式で、多くの場合疑似セクションまたはプロファイルとして提示します。これらは、調査線に沿った、または調査エリア内の比抵抗値の分布を視覚的に表します。

地下抵抗率モデルの反転手法:

  1. 反転の概要:
    • インバージョンは、フィールドデータを地下の抵抗率モデルに変換するプロセスです。 これは、観察されたデータを説明する最適なモデルを見つけることを目的とした反復的な数学的手法です。
  2. フォワードモデリング:
    • 地下に関する初期仮定に基づいて、予想される抵抗率分布をシミュレートするフォワード モデルを作成します。 次に、このモデルはフィールド データと比較されます。
  3. 逆モデリング:
    • 計算されたデータが観測データとできるだけ一致するまで、フォワード モデルのパラメーターを繰り返し調整します。 これには、観察されたデータと計算されたデータの間の不適合を最小限に抑えることが含まれます。
  4. 正則化:
    • 正則化手法を適用して反転プロセスを安定させ、結果として得られる抵抗率モデルの非現実的または不規則な変動を防ぎます。 一般的な正則化方法には、チホノフ正則化が含まれます。
  5. 反転方法の選択:
    • 調査の性質、地下の複雑さ、利用可能な計算リソースに基づいて、適切な反転手法を選択します。 一般的な方法には、スムーズまたはブロック状の反転技術が含まれます。
  6. 分解能と不確実性の評価:
    • 反転結果の解像度を評価して、地下モデルで確実に解決できる詳細レベルを理解します。 さらに、逆抵抗値に関連する不確実性を評価します。

抵抗率モデルの解釈:

  1. 視覚的分析:
    • 等高線図、断面図、または 3D レンダリングを使用して、抵抗率モデルを視覚化します。 これは、岩盤、地下水面、地下構造などの地質学的特徴の特定に役立ちます。
  2. 地質情報との比較:
    • 比抵抗モデルを既存の地質情報と比較して、解釈を検証し、改良します。 地質学的知識は、比抵抗の変化を特定の地質単位と相関付けるのに役立ちます。
  3. 相互検証:
    • 独立したデータまたは補完的なデータと比較することにより、抵抗率モデルを相互検証します。 地球物理学的手法、 可能な場合は。 これは、結果の信頼性を検証するのに役立ちます。
  4. 他のデータとの統合:
    • 比抵抗モデルを他の地球物理学的手法、ボーリング孔情報、または地質調査からのデータと統合して、地下についてより包括的な理解を得ることができます。
  5. 不確実性分析:
    • データ誤差、反転パラメータ、メソッドの制限などの要因を考慮して、抵抗率モデルに関連する不確実性を評価します。 これは、結果の信頼性を伝えるのに役立ちます。
  6. レポート生成:
    • 調査設計、データ処理、反転パラメーター、主要な調査結果の詳細を含む、包括的なレポートで最終的な解釈を提示します。 抵抗率モデルに関連する制限と不確実性を明確に伝えます。

データ処理、反転、解釈のこれらの手順に従うことで、地球物理学者は電気抵抗率調査から有意義な情報を抽出し、地下の状態や地質構造に関する貴重な洞察を得ることができます。

電気抵抗率調査の応用

  1. 環境サイトの評価:
    • 埋め立て地や地下貯蔵タンクからの浸出水プルームなどの地下汚染を特定して特徴付けます。 比抵抗調査は、汚染ゾーンの範囲と深さを明らかにするのに役立ちます。
  2. 地下水探査:
    • 地下の地質を評価し、特定することで地下水資源の位置を特定し、地図を作成します。 帯水層。 比抵抗調査は、含水地層の深さ、厚さ、横方向の範囲を決定するのに役立ちます。
  3. 工学および地質工学調査:
    • 建設プロジェクト、インフラ開発、および地下の状態を評価します。 スロープの安定性 評価。 比抵抗調査は、土壌や岩石の特性の変化をマッピングするのに役立ちます。
  4. 鉱物探査:
    • 鉱体の地図と輪郭を描き、 鉱床 さまざまな種類の岩石に関連する抵抗率の変化を特定することによって。 これは、鉱山業界にとって、探査活動の目標を定める上で貴重です。
  5. 考古学調査:
    • 抵抗率の変化を識別することにより、埋設構造物、遺物、考古学的特徴の検出に役立ちます。 比抵抗調査は、非侵襲的な遺跡評価に役立ちます。
  6. 水文地質学的研究:
    • 帯水層内の地下水の分布と移動を評価し、水文学的プロセスの理解に役立ちます。 比抵抗調査は、地下流動パターンのモデル化と地下水面の動態の理解に貢献します。
  7. 土木および環境工学:
    • 土木プロジェクトの地下の状態を調査し、特徴づけます。 ダム建設、トンネル工事、基礎の設計。 比抵抗調査により、土壌と岩石の特性についての洞察が得られます。
  8. 汚染されたサイトの監視と修復:
    • 時間の経過に伴う地下抵抗率の変化を監視して、汚染現場での修復作業の有効性を評価します。 これは継続的な環境管理にとって非常に重要です。
  9. 地熱資源探査:
    • 地下の熱異常と地熱貯留層を特定し、特徴づけます。 比抵抗調査は、地下の温度と電位の分布の理解に貢献します。 地熱エネルギー ソース。
  10. 地滑りと 地震 危険性評価:
    • 斜面の安定性を評価し、斜面の危険性を評価します。 地滑り。 比抵抗調査は、斜面の安定性に影響を与える可能性のある地下構造を検出し、危険性の評価に貢献します。
  11. 地質構造のマッピング:
    • 地質構造の画像と地図、 欠点, 折り目 地球の表面の下で。 比抵抗調査は、地層の地下構造を理解するのに役立ちます。
  12. 水資源の監視と管理:
    • 地下水位と流動パターンの経時変化を監視します。 比抵抗調査は水資源の継続的な管理に貢献し、持続可能な水供給戦略の開発に役立ちます。
  13. インフラストラクチャの計画と管理:
    • 都市計画、交通インフラプロジェクト、既存インフラの維持のために地下の状態を評価します。 抵抗率調査は、潜在的な課題を特定し、エンジニアリング上の決定を行うのに役立ちます。
  14. 石油とガスの探査:
    • 場合によっては、比抵抗調査は炭化水素探査のための他の地球物理学的手法と組み合わせて使用​​され、潜在的な石油やガスの貯留層に関連する地下構造を特定するのに役立ちます。

電気抵抗率調査は多用途性を備えているため、さまざまな分野にわたって貴重なツールとなり、環境、地質、工学、考古学の用途において情報に基づいた意思決定を行うための重要な地下情報を提供します。