地震源

地震源は、反射法と屈折法の両方の地震調査を行うために使用される制御された地震 エネルギーを生成する装置です。地震源は、ダイナマイトなどの単純なものもあれば、特殊なエアガンなどのより高度な技術を使用するものもあります。地震源は、単一のパルスまたは連続的なエネルギースイープを提供して地震波を生成します。地震波は、水や岩石層などの媒体を通過します。その後、波の一部は反射および屈折し、ジオフォンやハイドロフォンなどの受信機によって記録されます。^[1]

地震源は、浅い土壌構造の調査、工学的なサイト特性評価、または石油や鉱物の鉱床の探索、地下断層のマッピング、またはその他の科学的調査におけるより深い構造の研究に使用される場合があります。震源から返される信号は、震源の位置に対する既知の場所にある地震センサー（地震計または水中聴音器）によって検出されます。記録された信号は、専門家による処理と解釈にかけられ、地下に関するわかりやすい情報が得られます。^[2]

地震源信号には次の特性があります。

1. インパルス信号を生成する
2. 帯域制限あり
3. 生成された波は時間とともに変化する

上記のすべての特性を示す一般化された方程式は次のとおりです。

${\displaystyle s(t)=\beta e^{-\alpha t^{2}}\sin(2\pi f_{max}t)}$

ここで、生成された波形の最大周波数成分である。^[3]${\displaystyle f_{max}}$

最も基本的な地震源はハンマーです。地震エネルギーは、地面を直接叩くか、より一般的には地面にある金属またはポリエチレンの板を叩くことによって生成されます。通常、地表近くの地震屈折調査に適用されます。地表にハンマーが接触すると、地質条件と物理的特性に応じて、最大30メートル以上の深さの境界面に十分な地震エネルギーを提供できます。^[4]

地震源として最も広く使用されている爆薬はゼラチンダイナマイトとして知られている。これらのダイナマイトは、化学式C ₃ H ₅ (ONO ₂ ) _{3のニトロ}グリセリン（別名グリセリルトリニトラート）を有効成分とするストレートゼラチン、化学式NH ₄ NO ₃の亜硝酸アンモニアを有効成分とするアンモニアゼラチン、および組成の大部分がニトログリセリンからなるセミゼラチンの3つのサブカテゴリに分類される。^[5]

爆発すると、爆発物は大量の膨張ガスを急速に放出し、^[6]地震波の形で周囲に大きな圧力をかけます。^[要出典]

爆発物を地震源として使用することは、その信頼性とエネルギー効率の良さから、何十年も前から実践されてきました。^[7]このような発生源は、堆積物の厚さが厚いため、陸上や湿地帯で最も一般的に使用されています。^[要出典]反射調査の現場で一般的に使用される爆薬の量は、単一孔発生源の場合は0.25 kg～100 kg、複数孔発生源の場合は0.25 kg～250 kg以上、屈折調査の場合は2500 kg以上に達することもあります。^[5]

ダイナマイトやその他の爆発物は、他の発生源に比べてコストが低く、困難な地形でも輸送しやすく、定期的なメンテナンスも不要なため、効率的な地震発生源であるが^[8] 、爆発物の使用は特定の地域で制限されるようになり、代替の地震発生源の人気が衰退している。^[7]

例えば、アポロ月面地震実験で使用されたサンパーモルタルの弾丸キャニスターには、ヘキサニトロスチルベンが主として充填されていました。^[9]一般的に、爆薬は、専用の掘削装置で掘られた穴の中に、地下6～76メートル（20～250フィート）に配置されます。このタイプの地震掘削は、「ショットホール掘削」と呼ばれることがよくあります。「ショットホール掘削」に使用される一般的な掘削装置は、ARDCO K 4X4バギーに搭載されたARDCO C-1000ドリルです。これらの掘削装置は、掘削を支援するために水や空気を使用することがよくあります。

エアガンは海洋の反射・屈折調査に用いられる。エアガンは14～21 MPa（2000～3000 lbf/in ^{2 ）の圧力で圧縮空気を加圧する1つ以上の}空気圧室から構成される。エアガンは水面下に沈められ、地震探査船の後ろで曳航される。エアガンが発射されるとソレノイドが作動し、一方の空気室からシャトルの後ろに高圧空気が放出される。シャトルは通常、2つの均等に加圧された空気室の間でバランスが保たれる。第1空気室の空気圧が瞬間的に低下すると、シャトルは第1空気室に急速に移動し、第2空気室のシャトル後ろにある高圧空気リザーバーがポートから直接海中に放出され、音響エネルギーのパルスが発生する。^[10]エアガンアレイは、異なるサイズの空気室を持つ最大48個のエアガンで構成することも、特定の容量のエアガンをまとめてクラスター化することもできる。アレイ全体の発射はガン コントローラによって制御され、通常は ± 1 または 2 ミリ秒の許容誤差内で行われます。その目的は、最適な初期衝撃波を作成し、それに続く気泡の残響を最小限に抑えることです。シャトルは磁化されているため、ソレノイド バルブを解放すると、最初のチャンバーに急速に移動して小さな電流が流れ、これが事実上、ガン コントローラに返される発射ガンのタイミング信号になります。ガン ポートから既知の測定距離にある近距離ハイドロフォンを使用して、ハイドロフォンへの最初のブレーク信号のタイミングを計り、正確なガン タイミングを検証することもできます。

エアガンのメンテナンスは重要です。エアガンは誤発射する可能性があるためです。最悪のシナリオは、ソレノイド バルブの損傷や O リングの漏れなど、エアガン自体の欠陥が原因で、エアガンが同期せずに繰り返し発射する自動発射です。1 台のエアガンが自動発射すると、アレイ全体のバブル シグネチャが破損する可能性があり、検出されない場合、初期データ処理中に障害が見つかったときに、1 台のエアガンに対して多くの地震ラインが再発射される可能性があります。

展開および回収の通常の取り扱い中、エアガンはデッキ上で最適作動圧力まで完全に加圧してはならず、展開および回収時の浸水を防ぐために 500 psi までエアーダウンするのが通常の方法です。また、加圧された空気中でデッキ上でエアガンの試射を行うことは好ましくなく、危険な方法です。また、オブザーバーや航海士が誤ってデッキ上でエアガンを発射するのを防ぐために、遮断システムも設置する必要があります。デッキ上で高圧の空気が放出されると、指が切断される可能性があり、また皮膚を通した高圧注入損傷を引き起こすこともあります。これは地震環境ではほとんど治療不可能で致命的な損傷です。砲手は、目と聴力を保護し、露出した皮膚の露出を最小限に抑えるために、 必要な個人用保護具を着用する必要があります。

エアガンは、最高グレードの耐腐食性ステンレス鋼で作られています。大型チャンバー (1 L または 70 立方インチ以上) は低周波信号を発する傾向があり、小型チャンバー (1 L 未満) は高周波信号を発します。

プラズマ音源（PSS）は、スパークギャップ音源、または単にスパークとも呼ばれ、水中で非常に低い周波数のソナーパルスを生成する手段です。発射ごとに、電荷が大きな高電圧コンデンサバンクに蓄積され、水中の電極間でアーク状に放出されます。水中のスパーク放電により高圧プラズマと蒸気の泡が生成され、これが膨張して収縮し、大きな音が発生します。^[11]生成される音のほとんどは20〜200 Hzで、地震とソナーの両方の用途に便利です。

PSSを水中ダイバーに対する非致死性兵器として使用する計画もある^[要出典]。

1953 年、ダイナマイトに代わる発破方法として重りを落とすサンパー技術が導入されました。

サンパートラック（または重り落とし）トラックは、地震源を提供するために使用できる車両搭載型の地面衝撃システムです。重い重りがトラックの後ろのホイストによって持ち上げられ、通常約3メートルの高さに落とされて地面に衝突（または「叩く」）します。^[12]信号を増強するために、重りを同じ場所に複数回落とすことができます。また、空間フィルタリングによって地震信号を強化するために寸法を選択できるアレイ内の複数の近くの場所で叩くことによって信号を増やすこともできます。

より高度なサンパーは、「加速重量落下」(AWD)と呼ばれる技術を使用します。これは、高圧ガス (最低 7 MPa (1000 lbf/in ² )) を使用して重量ハンマー (5,000 kg (11,000 lb)) を加速し、2 ～ 3 メートル (6 フィート 7 インチ ～ 9 フィート 10 インチ) の距離から地面に取り付けられたベース プレートを叩くものです。信号対雑音比を高めるために、複数のサンパーが積み重ねられています。AWD は、重力による重量落下よりも多くのエネルギーと音源の制御を可能にし、より深い浸透、信号周波数コンテンツの制御を実現します。

打ち込みによる環境へのダメージは、ショットホールで爆薬を発射するよりも少ないかもしれないが、^{[13] [要出典]、}数メートルごとに横方向の尾根がある地震探査線で激しく打ち込むと、土壌に長期間の撹乱が生じる可能性がある。特に政治的に不安定な地域では、打ち込み装置（後にバイブロサイスと共通化）の利点は、爆薬を必要としないことである。

電気力学と電磁気学の原理に基づく EMP 発生源。

地震バイブレーターは、衝撃的なソースによって提供されるほぼ瞬間的なエネルギーとは対照的に、長期間にわたってエネルギー信号を地球に伝播します。この方法で記録されたデータは、拡張されたソース信号をインパルスに変換するために相関させる必要があります。この方法を使用するソース信号は、もともと移動ベース ユニットに取り付けられたサーボ制御の油圧バイブレーターまたはシェーカー ユニットによって生成されていましたが、電気機械バージョンも開発されています。

「バイブロサイス」探査技術は、 1950 年代にコンチネンタル石油会社 (コノコ)によって開発され、同社の特許が失効するまで商標でした。

ブーマー音源は浅海地震調査に使用され、主に工学調査に利用されています。ブーマーは調査船の後ろで浮遊そりに曳かれます。プラズマ音源と同様に、ブーマー音源はコンデンサにエネルギーを蓄えますが、火花を発生させる代わりに平らな螺旋コイルを通して放電します。コンデンサが放電されると、コイルに隣接する銅板がコイルから離れる方向に曲がります。この曲がりが地震パルスとして水中に伝わります。^[14]

当初、蓄電コンデンサは調査船の鋼鉄製コンテナ（バンボックス）に設置されていました。使用される高電圧（通常3,000V）には、太いケーブルと強力な安全コンテナが必要でした。最近では、低電圧ブーマーが利用可能になりました。 ^[15]これらは曳航そりのコンデンサを使用しており、効率的なエネルギー回収、低電圧電源、軽量ケーブルを可能にします。低電圧システムは一般的に展開が容易で、安全上の懸念も少なくなります。

相関ベースの処理技術により、地震学者は、自然（海洋微小地震など）または人工（都市など）の背景ノイズを地震源として使用し、地球内部を複数のスケールで画像化することもできます。^[16] たとえば、均一な地震照射の理想的な条件下では、2つの地震計間のノイズ信号の相関により、双方向の地震インパルス応答を推定できます。

• 反射地震学
• 地震波屈折法

• Crawford, JM、Doty, WEN、Lee, MR、1960、「連続信号地震計：地球物理学」、Society of Exploration Geophysicists、25、95–105。
• Robert E. Sheriff, Encyclopedic Dictionary of Applied Geophysics (Geophysical References No. 13) 第4版、2002年、429ページ。ISBN 978-1560801184。 
• Snieder, Roel (2004-04-29). 「コーダ波の相関からグリーン関数を抽出する: 定常位相に基づく導出」. Physical Review E. 69 ( 4). American Physical Society (APS): 046610. Bibcode :2004PhRvE..69d6610S. doi :10.1103/physreve.69.046610. ISSN  1539-3755. PMID  15169121.
• 地震波伝播モデリングと逆解析、フィル・ボーディング[1]
• 地震波方程式の導出については、こちらをご覧ください。[2]

• Thumperトラックの走行写真
• 北極圏保護区のサンパートレイル
• ユタ州のサンパートレイル
• テキサス大学による非致死性水泳者中和研究、2002年5月、42ページ
• Vibroseis、Omnilaw International、テキサス州法人
• 3D陸地地震探査におけるバイブロサイスの図解