磁気地磁気法

マグネトテルリクス（MT）は、地球表面での自然の地磁気および地電場の変化の測定から 地球の地下の電気伝導率を推測する電磁気 地球物理学的手法です。

調査深度は、高周波を記録する地下 100 メートルから、長周期探査による地下 200 キロメートル以上までの範囲にわたります。1940 年代に日本で、1950 年代初頭にフランスとソ連で提案された MT は、現在では国際的な学術分野となり、世界中の探査調査で使用されています。

商業用途には、炭化水素（石油とガス）探査、地熱探査、炭素隔離、鉱山探査、炭化水素と地下水のモニタリングなどがあります。研究用途には、MT 技術をさらに開発するための実験、長周期深部地殻探査、深部マントル探査、氷河下の水流マッピング、地震前兆研究などがあります。

マグネトテルリック法は、1948年に日本の科学者^[1]（平山、力武）、1950年にソ連の地球物理学者アンドレイ・ニコラエヴィッチ・ティホノフ^[2]、1953年にフランスの地球物理学者ルイ・カニャール^[3]によってそれぞれ独立に導入されました。計測機器、処理、モデリングの進歩により、マグネトテルリック法は地球深部研究において最も重要なツールの1つになりました。

1950 年代に初めて開発されて以来、磁気地磁気センサー、受信機、データ処理技術はエレクトロニクスの一般的な傾向に従い、世代ごとにコストが下がり、機能が向上してきました。MT の機器と技術における主な進歩には、アナログ ハードウェアからデジタル ハードウェアへの移行、リモート参照の登場、GPS 時間ベースの同期、3D データの取得と処理などがあります。

炭化水素探査では、MTは主に反射地震探査の主要技術を補完するものとして使用されます。 ^{[4] [5] [6] [7]地震画像化は地下構造を画像化できますが、炭化水素や炭化水素を含む地層に関連する抵抗率の変化を検出することはできません。MTは地下構造の}抵抗率の変化を検出し、炭化水素を含む構造と含まな​​い構造を区別することができます。^[8]

解釈の基本レベルでは、抵抗率は岩石の種類と相関関係にあります。高速度層は一般的に抵抗率が高いのに対し、多孔質で透水性の堆積物は一般的に抵抗率がはるかに低くなります。高速度層は音響障壁となり地震探査を無効にしますが、電気抵抗率が高いため磁気信号はほとんど妨げられることなく通過します。これにより、MT はこれらの音響障壁層の深部を見ることができるため、地震探査データを補完し、解釈に役立ちます。^[9]ウズベキスタンでの 3D MT 調査結果 (32 x 32 グリッドの測深) は、複雑な地下地質を持つ大規模な既知のガス含有層の地震探査マッピングをさらに進める上で役立っています。^{[10] [11]}

中国石油天然気集団（CNPC）と北西石油は、世界のどの石油会社よりも陸上MTを多く使用しており、世界中で炭化水素の探査と地図作成のために数千回のMT測深を行っています。^[12]

MT は、さまざまな卑金属(ニッケルなど) や貴金属の探査、およびキンバーライトのマッピングに使用されます。

INCO社は 1991 年にカナダのオンタリオ州サドベリーで概念実証研究を行い、深さ 1750 メートルのニッケル鉱床を感知しました。ファルコンブリッジは1996 年に実行可能性調査を実施し、深さ約 800 メートルと 1350 メートルの 2 つの Ni-Cu 鉱化帯を正確に特定しました。それ以来、大手鉱山会社と中堅鉱山会社の両方が、ブラウンフィールド (既知の鉱床の近く) とグリーンフィールド (未踏の土地) の両方の探査に MT とオーディオマグネトテルリック (AMT) をますます使用しています。カナダ楯状地の地域では、重要な MT マッピング作業が行われています。^[13]

キンバーライトの検出によるダイヤモンド探査も実績のある応用例である。^[14]

MT法による地熱探査測定により、断層や帽岩の存在など、生産的な地熱構造に関連する抵抗率異常を検出し、さまざまな深さの地熱貯留層温度を推定することができます。^{[15] [16] [17]} 1980年代初頭以来、日本とフィリピンで数十件のMT法地熱探査調査が完了し、九州の八丁原発電所^{[18] [19]や}レイテ島のトゴナン発電所[20]などの場所で数百メガワットの再生可能電力を特定するのに役立っています。^{[20] [21] [22] MT法による地熱探査は、}米国、アイスランド^[23]、ニュージーランド、ハンガリー^[16]、中国^{[24] 、}エチオピア、インドネシア、ペルー^[25]、オーストラリア、インドでも広範囲に行われています。^[26]

MT法は、地下水探査や地図作成研究、炭化水素貯留層のモニタリング、高電圧直流送電システムのための岩盤の電気的特性の深部調査（100 km）、^[27] 二酸化炭素隔離、^{[28] [29]}およびその他の環境工学アプリケーション（例：核爆発現場モニタリング^[30]や核廃棄物処分場モニタリング）にも使用されています。

MT法は地球の組成と温度に非常に敏感なので、地球のマントルと地殻における数多くの地質学的現象を解明するために広く利用されてきた。これらには、溶融物の組成と分布の調査、^{[31] [32]}断層の力学と地震発生の理解、^[33]多くの地球力学的プロセスに結び付けられる深部リソスフェアの構造と組成の画像化などが含まれる。^{[34] [35]}大規模な調査は、米国本土（例：国立科学財団のEarthScope MT計画とその後継であるNASAとUSGSのMTArray ^[36]）、東太平洋海膨、オーストラリア（AusLAMP MT計画^[37]）、南アフリカ（SAMTEX MT計画^[38]）、中国（Sinoprobe計画^[39]の一部）、およびチベット高原に焦点が当てられてきた。

MT信号の変動は地震の発生を予測できる可能性がある。^{[40] [41] [42] 1996年4月から日本では固定MT監視システムが設置されており、}国土地理院（GSIJ）の涌谷観測点（旧水沢測地観測所）と江刺観測点でMT信号を連続的に記録している。これらの観測点では、地震活動に対応する地球の電磁場の変動を測定している。 ^[43]これらの観測点からの生の地球物理学的時系列データは科学界に自由に公開されており、電磁イベントと地震活動の相互作用のさらなる研究が可能となっている。^[44]

日本には、鹿児島県、沢内町、四国にMT型地震前兆観測所が設置されている。台湾でも澎湖島と台湾本島の富山保護区に同様の観測所が設置されている。^[45]

POLARISは、地球の岩石圏の構造とダイナミクス、および地震の地動予測を調査するカナダの研究プログラムです。^[46]

太陽エネルギーと雷は地球の磁場に自然な変化を引き起こし、地球の表面下に電流（地電流と呼ばれる）を誘導します。 ^[47]

さまざまな岩石、堆積物、地質構造には、さまざまな電気伝導率があります。電気抵抗率を測定することで、さまざまな材料や構造を区別できるようになり、地殻変動や地質構造に関する知識が向上します。

地球の自然に変化する電場と磁場は、10,000 Hz から 0.0001 Hz (10,000 s) までの広範囲の磁気地磁気周波数で測定されます。これらのフィールドは、地球を流れる電流と、これらの電流を誘導する磁場によって発生します。磁場は主に太陽風と磁気圏の相互作用によって生成されます。さらに、世界規模の雷雨活動により、1 Hz を超える周波数で磁場が発生します。これらの自然現象が組み合わさって、周波数スペクトル全体にわたって強力な MT ソース信号が生成されます。

電界と磁界の比率は、地下の導電率に関する簡単な情報を提供します。表皮効果現象は電磁場に影響を及ぼすため、高周波数範囲での比率は地球の浅い部分に関する情報を提供し、低周波数範囲ではより深い部分に関する情報を提供します。この比率は通常、周波数の関数としての見かけの抵抗率と周波数の関数としての位相の両方として表されます。

このテンソルを用いて地下抵抗率モデルを作成する。^[48]

MT 測定では、約 300 メートルから数百キロメートルの深さまで調査できますが、通常は 500 メートルから 10,000 メートルの範囲で調査します。より深い深さでは、より低い周波数を測定する必要があり、その結果、より長い記録時間が必要になります。非常に深く、非常に長い周期の測定 (地殻中部から上部マントルの深さまで) では、満足のいくデータ品質を得るために、数日から数週間、またはそれ以上の記録が必要になる場合があります。

MT の水平解像度は主に測深地点間の距離に依存し、測深地点が近いほど水平解像度が高くなります。連続プロファイリング (Emap として知られる) が使用され、各地磁気双極子の端の間隔はわずか数メートルです。

MT の垂直解像度は主に測定する周波数に依存します。周波数が低いほど、浸透の深さが深くなります。したがって、調査の深さが増すにつれて、垂直解像度は低下します。

1 Hz から約 20 kHz の周波数範囲の磁場は、オーディオマグネトテルリック (AMT) 範囲の一部です。これらは地球の表面と平行で、地球の中心に向かって移動します。この広い周波数帯域により、地表から数メートルから数キロメートルまでの深さまで浸透することができます。マグネトテルリック源の性質上、波は一般に振幅の高さが変動します。変動と信号強度が低いため、使用可能な読み取り値を確認するには長い録音時間が必要です。一般に、信号は 1 kHz から 5 kHz の間で弱く、これは地質の上部 100 メートルを検出する上で重要な範囲です。マグネトテルリック法は、海洋環境での炭化水素探査や岩石圏研究にも使用されています。^[49]導電性の海水の遮蔽効果により、スペクトルの使用可能な上限は約 1 Hz です。

2 次元調査は、対象エリア上の MT 探査の縦断プロファイルで構成され、地下抵抗の 2 次元「スライス」を提供します。

3 次元調査は、対象エリア上の MT 探査の緩やかなグリッド パターンで構成され、地下抵抗のより洗練された 3 次元モデルを提供します。

オーディオマグネトテルリック（AMT）は、より浅い調査のための高周波マグネトテルリック技術です。AMTはMTよりも深度浸透性が低いですが、AMT測定は実行に約1時間しかかからず（ただし、信号強度が低い期間の深部AMT測定には最大24時間かかる場合があります）、より小型で軽量の磁気センサーを使用します。過渡AMTは、より強い自然信号（過渡的インパルス）の期間に一時的にのみ記録するAMTの変種であり、強い直線偏波を犠牲にして信号対雑音比を改善します。^[50]

CSEM制御ソース電磁気は、制御ソース音響磁気地磁気法の深海沖合版です。CSEMは沖合石油・ガス産業で使用されている名称です。^[51]陸上探査では主にロシア、中国、米国、ヨーロッパでロテムが使用されています^{[52] [53]}

陸上 CSEM / CSAMT は、電磁文化的ノイズ (電力線、電気柵など) が自然発生源の地質学的手法に干渉問題を引き起こす場合に効果的です。接地された長い電線 (2 km 以上) にさまざまな周波数 (0.1 Hz ～ 100 kHz) の電流を流します。発生源に平行な電界と直角の磁界を測定します。次に抵抗率を計算します。抵抗率が低いほど、導電性ターゲット (グラファイト、ニッケル鉱石、鉄鉱石) が存在する可能性が高くなります。石油およびガス業界では、CSAMT は陸上制御発生源電磁気学 (陸上 CSEM) としても知られています。

MTのオフショア版である海洋磁気地磁気法（MMT）^{[54] [要ページ]}では、水深300メートル未満の浅い沿岸地域に船舶で設置された圧力ハウジング内の機器とセンサーを使用します。^{[6] [55] [56] [57] [58]} MMTの派生は、垂直磁場のみ（Hzまたは「ティッパー」）のオフショア単一チャネル測定であり、地磁気測定と水平磁気測定の必要性を排除します。^[59]

MT 探査調査は、地下のモデルを作成するために解釈できる抵抗率データを取得するために行われます。データは、一定期間 (一晩の探査が一般的) にわたって各探査地点で取得されます。探査間の物理的な間隔は、ターゲットのサイズと形状、現地の地形の制約、および費用によって異なります。偵察調査では数キロメートルの間隔になる場合がありますが、より詳細な作業では 200 メートルの間隔、または隣接する探査 (双極子間) になる場合もあります。

MT 探査のHSE影響は、他の種類の探査と比較して、軽量の機器、自然な信号源、および危険性の低減 (ドリルなし、爆発物なし、高電流なしなど) により、比較的低くなります。

リモート リファレンスは、複数の MT ステーションで同時にデータを取得することで、文化的な電気ノイズを考慮するために使用される MT 技術です。これにより、データの品質が大幅に向上し、人為的な電磁干渉のために自然な MT 信号を検出することが難しいエリアでも取得が可能になります。

MT 機器の一般的なフル スイート (「5 コンポーネント」サウンディング用) は、5 つのセンサー(3 つの磁気センサー (通常は誘導コイル センサー) と 2 つの地磁気(電気) センサー) を備えた受信機器で構成されます。長周期 MT (約 0.1 Hz 未満の周波数) のみの場合、3 つの個別の広帯域磁場センサーを 1 つのコンパクトな 3 軸フラックスゲート磁力計に置き換えることができます。多くの場合、地磁気センサーのみが使用され、磁気データは近くの他のサウンディングから借用して取得コストを削減します。

MT 機器の 5 つのコンポーネントからなる完全なセットは、小規模な現場チーム (2 ～ 4 人) がバックパックに背負って運ぶか、または軽量ヘリコプターで運ぶことができるため、遠隔地や起伏の多い地域に配備できます。ほとんどの MT 機器は、乾燥した砂漠から高湿度 (結露) および一時的な完全浸水まで、通常 -25 °C ～ +55 °C の定格で、広範囲の環境条件で信頼性の高い動作が可能です。

取得後の処理では、生の時系列データを周波数ベースの逆変換に変換する必要があります。処理プログラムの結果の出力は、その後の解釈の入力として使用されます。処理には、リモート参照データまたはローカル データのみの使用が含まれる場合があります。

処理された MT データは、さまざまな手法を使用してモデル化され、地下の抵抗率マップが作成されます。一般的に、周波数が低いほど地下の深さが深くなります。断層、炭化水素、導電性鉱化などの異常は、周囲の構造物よりも抵抗率が高い、または低い領域として表示されます。マグネトテルリック データの解釈 (逆変換) にはさまざまなソフトウェア パッケージが使用され、見かけの抵抗率を使用して地下のモデルが作成されます。

商業用としての世界市場の大部分は4つの企業が供給しており、米国（Zonge International, Inc. ^[60]）、カナダ（Phoenix Geophysics, Ltd. ^[61]）、ドイツ（Metronix Messgeraete und Elektronik GmbH）^[62]）、ロシア（Vega Geophysics, LLC）^{[63]の4社が供給している。}

内部使用のために MT 機器を製造している政府機関および中小企業には、ロシア科学アカデミー (SPbF IZMIRAN ) やウクライナ国立宇宙研究所などがあります。

• 電気抵抗トモグラフィー、もう一つの地球物理学的画像化技術
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• 過渡電磁気学

• MTNet サイトは ManoTick GeoSolutions Ltd. によってホストされています。
• OpenEM 電磁地球物理学仮想研究所。
• 国立地磁気研究所。
• Chave, AD および Jones, AG 2012. マグネトテルリック法:理論と実践。ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ、英国
• Simpson, F. および Bahr, K. 2005. 実用的マグネトテルリックス。ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ。
• 南アフリカ地磁気地磁気実験（SAMTEX）。
• ワシントン大学のマグネトテルリクス。
• 中央海嶺でのMELT実験。
• カナダ探査地球物理学協会
• トロント大学 EM 地球物理学
• USGS 磁気地磁気調査 / レポート (オープン ファイル)