電極切替装置
【課題】複数の測線に対応可能な電極切替装置を提供する。
【解決手段】測線７上の複数の測点８にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極３と電位電極４を選択し、選択した電流電極３に通じる導線を送信装置１３に接続すると共に、選択した電位電極４に通じる導線を受信装置１４に接続する電極切替装置であって、導線を接続する接続端子１０を複数の測線７に対応する数だけ設けて複数の測線７の電極を接続可能とし、複数の測線７の中から測定に使用する１本の測線７を選択して接続を切替える測線選択部１９と、測定に使用する測点８を選択して接続を切替える測点選択部２０を備えている。
【解決手段】測線７上の複数の測点８にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極３と電位電極４を選択し、選択した電流電極３に通じる導線を送信装置１３に接続すると共に、選択した電位電極４に通じる導線を受信装置１４に接続する電極切替装置であって、導線を接続する接続端子１０を複数の測線７に対応する数だけ設けて複数の測線７の電極を接続可能とし、複数の測線７の中から測定に使用する１本の測線７を選択して接続を切替える測線選択部１９と、測定に使用する測点８を選択して接続を切替える測点選択部２０を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の電気探査に使用する電極切替装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、地盤に設置した多数の電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択し、送信装置又は受信装置との接続を切替える電極切替装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地盤の電気探査法では、一対の電流電極と一対の電位電極を地表に設置しておき、送信機（直流電源）を一対の電流電極に接続すると共に、受信機（電圧計）を一対の電位電極に接続し、電流電極から流す直流電流の値とそれによって電位電極間に生じる電位差を計測して比抵抗を求め、この比抵抗に基づいて地盤を探査する。
【０００３】
電流電極と電位電極の間の距離（電極間距離）が短ければ測定データには浅部地層の比抵抗が反映され、電極間距離が長ければ測定データには深部地層の比抵抗の影響が含まれるようになる。このため、電極間距離を変化させて測定することで、深さ方向の比抵抗の変化を知ることができる。そして、このような測定を効率良く行うために、多数の電極を１本の測線に沿って予め設置しておき、その中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択してその組み合わせを順番に変えながら測定することが行われている。
【０００４】
１本の測線に沿って設置された多数の電極の中から使用する一対の電流電極と電位電極を選択し、選択した電流電極と送信機との接続、および選択した電位電極と受信機との接続を操作する装置として、例えば特開２００１−２１６６２号に開示された電極切替装置がある。
【０００５】
この電極切替装置を図１７及び図１８に示す。電極切替装置は、電流送信部（送信機）の２つの端子Ｃ１，Ｃ２と電位受信部（受信機）の２つの端子Ｐ１，Ｐ２に対応した４つのリレー装置を有している。各リレー装置は、端子の数、換言すると電極の数と同じ数のリレーを有しており、その中から１つのリレーを選択してオン操作することで、多数の電極の中から１つの電極を選択して電流送信部又は電位受信部に接続させる。そして、オン操作するリレーを順次変えることで、電流送信部又は電位受信部に接続させる電極を順次変化させることができる。
【特許文献１】特開２００１−２１６６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の電極切替装置では、測線が１本の場合には対応可能であったが、測線が２本以上の場合には対応していなかった。このため、複数の測線について測定を行う場合には、１本の測線について測定を行った後、測定が終了した測線から測定が終了していない別の測線に電極を設置し直すと共にそれらの配線等もし直して測定を繰り返し行っていた。このため、測定の作業効率が極めて悪かった。
【０００７】
本発明は、複数の測線に対応可能な電極切替装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、測線上の複数の測点にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択し、選択した電流電極に通じる導線を送信装置に接続すると共に、選択した電位電極に通じる導線を受信装置に接続する電極切替装置において、導線を接続する接続端子を複数の測線に対応する数だけ設けて複数の測線の電極を接続可能とし、複数の測線の中から測定に使用する１本の測線を選択して接続を切替える測線選択部と、測定に使用する測点を選択して接続を切替える測点選択部を備えるものである。
【０００９】
したがって、測線が複数あっても各測点の測点の電極を送信装置又は受信装置に選択的に接続することができる。１本の測線に複数の測点があり、そのような測線が複数あったとしても、即ち、多数の電極が縦横に設置されていたとしても、その電極が属する測線と当該測線中の測点の位置とを指定することで、その電極を特定することができる。したがって、測線選択部によって測線を選択し、測点選択部によって当該測線中の測点を選択することで、電極を特定して送信装置又は受信装置に接続することができる。また、測線選択部と電極に通じる導線を接続する接続端子との増加によって測線の増加に対応できる。
【００１０】
ここで、請求項２記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極を兼用する兼用電極が設置されており、測線選択部と測点選択部を、兼用電極を送信装置又は受信装置に接続する経路の途中に設けていても良く、また、請求項３記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極が別々に設置されており、測線選択部と測点選択部を、電流電極を送信装置に接続する経路の途中と電位電極を受信装置に接続する経路の途中のそれぞれに設けていても良い。即ち、電流電極と電位電極として共通の電極を使用する場合でも、別々の電極を使用する場合でも、電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を行うことができる。
【００１１】
また、請求項４記載の電極切替装置は、測点選択部が測点の中から遠電極とする測点を選択し、選択した遠電極測点の接続状態を維持するものである。したがって、遠電極を必要とする二極法又は三極法の電極配置に対応することができる。
【００１２】
さらに、請求項５記載の電極切替装置は、測点選択部が、全ての測点を順番に選択して接続を切替えるものである。したがって、四極法の電極配置に対応することができる。
【発明の効果】
【００１３】
しかして、請求項１記載の発明では、上述のように発明電極切替装置を構成しているので、測線が複数あっても対応することができる。また、測線選択部と接続端子との増加によって測線の増加に対応することができるので、測線の増加への対応が容易である。さらに、測線を増加させる場合であっても測点選択部を増加させる必要がないので、その分だけ必要な部品点数の増加を抑えることができ、装置の大型化、重量化を抑えることができる。
【００１４】
ここで、請求項２記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極を兼用する兼用電極が設置されており、測線選択部と測点選択部を、兼用電極を送信装置又は受信装置に接続する経路の途中に設けていても良く、また、請求項３記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極が別々に設置されており、測線選択部と測点選択部を、電流電極を送信装置に接続する経路の途中と電位電極を受信装置に接続する経路の途中のそれぞれに設けていても良い。即ち、電流電極と電位電極として同じ電極を使用する場合でも、別々の電極を使用する場合でも、電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を良好に行うことができる。このため、汎用性が高い電極切替装置を提供することができる。
【００１５】
また、請求項４記載の電極切替装置では、測点選択部が測点の中から遠電極とする測点を選択し、選択した遠電極測点の接続状態を維持するので、二極法又は三極法の電極配置の場合に電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を行うことができる。
【００１６】
さらに、請求項５記載の電極切替装置では、測点選択部が全ての測点を順番に選択して接続を切替えるので、四極法の電極配置の場合に電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
まず最初に、本発明の電極切替装置を備える地盤探査装置について説明する。図１〜図７に、地盤探査装置の実施形態の一例を示す。地盤探査装置１は、地盤２に設置された一対の電流電極３及び一対の電位電極４と、電流電極３間に一定周期で電流を供給して電位電極４間の電位差を測定する測定部５と、電流の波形に対する電位差の波形の抵抗及び位相差を求める処理部６を備え、測定部５は電流の周期の周波数を変えて測定を複数回行うものであり、処理部６は、測定部５の複数回の測定に基づき周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を求めるものである。測定部５と処理部６は制御部２８によって同期され制御されている。また、本実施形態では、予め求めておいた地盤２別の周波数と抵抗との関係データ及び周波数と位相差との関係データを記憶した記憶手段２９を備えており、処理部６は、記憶手段２９に記憶されている関係データと求めた関係とを対比して測定対象地盤２を判別するものである。
【００１９】
地盤２には、測線７に沿って多数の電流電極３と電位電極４が設置されており、多数の電流電極３の中から２個（一対）を選択して使用すると共に、多数の電位電極４の中から２個（一対）を選択して使用する。１本の測線７に対し、例えば６０箇所の測点８が設定されており、各測点８には電流電極３と電位電極４が別々に設置されている。同一測点８の電流電極３と電位電極４は、測線７に直交する方向に並べて配置されている。電極３，４の各々は別々の導線によって測定部５の電極切替装置９の各接続端子１０に接続されている。即ち、６０個の電流電極３と６０個の電位電極４はそれぞれ６０本の導線を束ねた多芯ケーブル１１によって電極切替装置９の対応する接続端子１０に接続されている。測定部５は設置された電極３，４の中から使用する一対の電流電極３と一対の電位電極４の組合せを順次切り替えて測定を行う。例えば、四極法のDipole-Dipole法の電極配置で測定を行う。測線７として、例えば４本の測線７が設定されている。
【００２０】
図３に電流電極３を示す。電流電極３は、例えばステンレス製の電極であり、地表から例えば３０〜４０ｃｍの深さまで差し込まれる。電流電極３の太さは例えば１５ｍｍである。また、図４に電位電極４を示す。電位電極４は、例えば鉛製の電極であり、地表から例えば３０から４０ｃｍの深さまで差し込まれる。電位電極４の太さは例えば１５ｍｍである。電位電極４の周囲には導電性ゲル材（アースＦＣ硬化剤）１２が充填されており、分極が生じ難くなっている。
【００２１】
測定部５は送信装置１３と受信装置１４と本発明の電極切替装置９を備えている。送信装置１３は、端子１５間に一定周期で定電流を供給し、電流値と電流の送信周波数を調節することができる。電流値は例えば１ｍＡ〜４００ｍＡの範囲で、送信周波数は例えば０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で、それぞれ調節することができる。ただし、調節できる範囲はこれらに限るものではない。また、送信装置１３は、定電流として、例えば正弦波電流を供給する。電流値は、測定条件等に応じて適宜選択される。
【００２２】
受信装置１４は、電流検出回路１６と受信増幅回路１７とＡ／Ｄ変換器１８を備えている。また、電位電極４からの信号を受け付ける受信チャネルとして、例えば４つのチャネルを有している。受信増幅回路１７は受信チャネル数に対応して、例えば４つ設けられている。また、Ａ／Ｄ変換器１８は、増幅の程度に応じて、例えば３つ（０ｄＢ，２０ｄＢ，４０ｄＢ）設けられている。
【００２３】
本発明の電極切替装置９の実施形態の一例を図５及び図６に示す。電極切替装置９は、測線７上の複数の測点８にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極３と電位電極４を選択し、選択した電流電極３に通じる導線を送信装置１３に接続すると共に、選択した電位電極４に通じる導線を受信装置１４に接続するものである。導線を接続する接続端子１０を複数の測線７に対応する数だけ設けて複数の測線７の電極３，４を接続可能としている。また、複数の測線７の中から測定に使用する１本の測線７を選択して接続を切替える測線選択部１９と、測定に使用する測点８を選択して接続を切替える測点選択部２０を備えている。本実施形態では、測点８には電流電極３と電位電極４が別々に設置されており、測線選択部１９と測点選択部２０は、電流電極３を送信装置１３に接続する経路の途中と電位電極４を受信装置１４に接続する経路の途中のそれぞれに設けられている。
【００２４】
電流電極３用の接続端子１０と電位電極４用の接続端子１０は、それぞれ２４０（＝６０×４）個ずつ設けられており、最大４本分の測線７（Ａ測線７〜Ｄ測線７）の電流電極３と電位電極４を接続することができる。即ち、測点８の数と同じ数の接続端子１０が１組となり、接続可能とする測線７の最大数と同じ組数の接続端子１０が設けられている。また、１組の接続端子１０には、最大６０個の電極を接続することができる。各接続端子１０には、各測線７の多芯ケーブル１１の導線が１本ずつ接続されている。ここで電流電極３を例に説明すると、各測線７とも、１番目の測点８の電流電極３に通じる導線は１番目の接続端子１０に、２番目の測点８の電流電極３に通じる導線は２番目の接続端子１０に、…、ｎ番目の測点８の電流電極３に通じる導線はｎ番目の接続端子１０に、…、６０番目の測点８の電流電極３に通じる導線は６０番目の接続端子１０に、それぞれ接続されている。電位電極４についても同様である。
【００２５】
なお、接続端子１０の数は２４０個ずつに限るものではない。例えば、図５及び図６に破線で示すように、拡張用の接続端子１０を電流電極３用と電位電極４用にそれぞれ１２０（６０×２）個ずつ設けておき、測線７の数を必要に応じて６本まで増加できるようにしても良い。また、その他の数でも良い。
【００２６】
測線選択部１９は、測点８の数と同じ数だけ設けられた本線２１と、各本線２１を測線７の数と同じ数に分岐させた分岐線２２と、分岐線２２の途中に設けられたリレー２３を備えている。分岐線２２は接続端子１０に接続されている。リレー２３は測線７毎に組み分け（Ａ組〜Ｄ組）されており、同じ組のリレー２３は同時にオンオフ操作される。４つの組のうち、１つの組が択一的に選択されてオン操作される。例えば、Ａ測線７を選択する場合にはＡ組のリレー２３が全てオン操作され、他の組のリレー２３は全てオフ操作される。Ｂ測線７、Ｃ測線７、Ｄ測線７を選択する場合も同様である。測線選択部１９は電流電極３用のものと電位電極４用のものとで同じ構造である。
【００２７】
図５に示す電流電極３用の測点選択部２０は、測定に使用する電流電極３の数に合わせて２つのスイッチ回路２４を備えている。また、図６に示す電位電極４用の測点選択部２０は、受信チャネル分の電位電極４の数に合わせて８つのスイッチ回路２４を備えている。スイッチ回路２４を図７に示す。スイッチ回路２４は、端子２５と各本線２１を接続する分岐線２６と、各分岐線２６の途中に設けられたリレー２７を備えている。本実施形態では、測点８の数に対応して６０本の本線２１を有しているので、６０個のリレー２７を有している。各リレー２７は択一的にオン操作される。例えば、１番目の測点８の電流電極３を端子２５に接続する場合には、１番目の本線２１に接続された分岐線２６に設けられているリレー２７をオン操作する。２番目〜６０番目の測点８の電流電極３を端子２５に接続する場合も同様であり、また、電位電極４についても同様である。
【００２８】
例えば、Ａ測線７の１，２番目の測点８の電流電極３と、３，４番目の測点８の電位電極４（１ｃｈ）と、５，６番目の測点８の電位電極４（２ｃｈ）と、７，８番目の測点８の電位電極４（３ｃｈ）と、９，１０番目の測点８の電位電極４（４ｃｈ）を使用する場合には、以下のリレー２３，２７をオン操作する。図５の電流電極３側（送信装置１３側）については、測点選択部２０の一方のスイッチ回路２４の１番目のリレー２７と、他方のスイッチ回路２４の２番目のリレー２７をオン操作すると共に、測線選択部１９のＡ組のリレー２３を全てオン操作する。また、図６の電位電極４側（受信装置１４側）については、測線選択部１９の１ｃｈの一方のスイッチ回路２４の３番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の４番目のリレー２７、２ｃｈの一方のスイッチ回路２４の５番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の６番目のリレー２７、３ｃｈの一方のスイッチ回路２４の７番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の８番目のリレー２７、４ｃｈの一方のスイッチ回路２４の９番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の１０番目のリレー２７をオン操作すると共に、測線選択部１９のＡ組のリレー２３を全てオン操作する。
【００２９】
各リレー２３，２７は、制御部２８によって切替操作される。
【００３０】
電極切替装置９は、送信装置１３の端子１５と電流検出回路１６の端子３０を接続している。また、電極切替装置９は、受信チャネル毎に電位電極４と受信装置１４の受信増幅回路１７の端子３１とを接続している。電流検出回路１６と受信増幅回路１７は、３つのＡ／Ｄ変換器１８を介して処理部６に接続されている。その接続にはＵＳＢ端子が使用されている。
【００３１】
処理部６は、抵抗及び位相差算出手段３２、関係算出手段３３、判別手段３４を備えている。本実施形態では、処理部６と制御部２８をコンピュータによって実現している。即ち、少なくとも１つのＣＰＵやＭＰＵなどの中央演算装置と、データの入出力を行うインターフェースと、プログラムやデータを記憶する記憶装置等を備えるコンピュータと所定の制御ないし演算プログラムによって、抵抗及び位相差算出手段３２、関係算出手段３３、判別手段３４、制御部２８を実現している。即ち、中央演算装置は、記憶装置に記憶されたＯＳ等の制御プログラム、周波数と抵抗との関係データ及び周波数と位相差との関係やそれらの関係に基づいて岩盤を判別する方法などの手順を規定したプログラム及び所要データ等により、抵抗及び位相差算出手段３２、関係算出手段３３、判別手段３４、制御部２８を実現している。また、コンピュータには、例えばディスプレイやプリンター等の出力装置３５が接続されている。コンピュータとして、例えば作動周波数１．４ＧＨｚクラスのＣＰＵを搭載するパーソナルコンピュータの使用が可能である。また、そのＯＳとしては、一般に市販され広く普及している例えばWindows（登録商標）等の使用が可能である。
【００３２】
抵抗及び位相差算出手段３２は、送信装置１３が送信した電流の信号波形と、測定部５によって測定された電位電極４間の電位差の信号波形とを比較し、電流の信号波形に対する電位差の信号波形の抵抗及び位相差を求める。測定部５は電流の周波数ｆを変化させて測定を複数回繰り返し行い、抵抗及び位相差算出手段３２は繰り返し行われる測定毎に抵抗及び位相差を算出する。算出した抵抗R及び位相差θは電流の周波数ｆとともに関係算出手段３３に送信される。
【００３３】
関係算出手段３３は、抵抗及び位相差算出手段３２から供給されたデータに基づいて周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係を求める。周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係の一例を図８に示す。いま、測定部５が周波数ｆを変えた測定を１０回繰り返したとすると、得られたデータ（周波数，抵抗）は、（ｆ1，R1）、（ｆ2，R2）、（ｆ3，R3）、…、（ｆ10，R10）となるので、縦軸に抵抗Rを、横軸に周波数ｆをとってグラフ化すると、図８に示す関係が得られる。同様に、得られたデータ（周波数，位相差）は、（ｆ1，θ1）、（ｆ2，θ2）、（ｆ3，θ3）、…、（ｆ10，θ10）となるので、縦軸に位相差θを、横軸に周波数ｆをとってグラフ化すると、図８に示す関係が得られる。周波数ｆと抵抗Rとの関係を表す抵抗グラフは途中で傾斜をもつ形状となり、周波数ｆと位相差θとの関係を表す位相差グラフは抵抗グラフの最大傾斜の周波数でピークを示す山形形状となり、地盤２の状況・含水率等に応じてその形状が変化する（図９、図１０）。
【００３４】
関係算出手段３３が求めた周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係は判別手段３４に出力される。判別手段３４は、周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係に基づいて測定対象の地盤２を判別する。ここでは、周波数ｆと位相差θとの関係に関して、位相差のピーク周波数に基づいて測定対象地盤２を判別する。ここで、位相差のピーク周波数には、その周波数の値ｆｍａｘと当該周波数ｆｍａｘにおける位相差の大きさθｍａｘとが含まれる。記憶手段２９には予め求めておいた地盤別の周波数と位相差との関係データ（ここではｆｍａｘとθｍａｘ）が記憶されており、判別手段３４は記憶手段２９に記憶されている関係データとの対比によって測定対象地盤２の判定を行う。また、これに加えて周波数ｆと抵抗Ｒとの関係にも基づいて測定対象地盤２を判別する。記憶手段２９には予め求めておいた地盤別の周波数と抵抗との関係データが記憶されており、判別手段３４は記憶手段２９に記憶されている関係データとの対比によって測定対象地盤２の判定を行う。例えば、ｆｍａｘと、θｍａｘと、周波数と抵抗との関係とが一致又は近似する場合に、測定対象地盤２が対比しているサンプル地盤であると判断する。
【００３５】
記憶手段２９としては、例えばハードディスク、メモリ、ＤＶＤ、ＣＤ、ＭＯ、フロッピーディスク（登録商標）等の使用が可能である。
【００３６】
地盤探査装置１は、例えば測定現場に設置されている。ただし、必ずしも地盤探査装置１の全てを測定現場に設置する必要はなく、例えば電極３，４及び測定部５を測定現場に設置すると共に、処理部６及び制御部２８を例えば研究所等の遠隔地に設置し、これらを例えばインターネット、専用線、無線通信線等の電気通信回線を使用して接続しても良い。なお、この場合には、制御部２８とは別に測定部５専用の制御部を測定部５に設けることが好ましい。このような構成の地盤探査装置１は、特に、地盤２を長期間にわたりモニタリングする場合等の使用に適している。即ち、例えば高レベル放射性廃棄物の地層処分、石油や液化天然ガス等の液体の地下岩盤貯蔵、地下発電所等、大規模地下空間の掘削に伴う空洞周辺岩盤全域の水理的な挙動を長期間モニタリングする場合の地盤探査装置１としての使用に特に適している。また、リモートアクセスにより研究所などの遠隔地から現場に設置した装置を制御することが可能で、リアルタイムに現場の地下水挙動等を把握することができる。
【００３７】
この地盤探査装置１によれば、（１）広帯域（例えば０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚ）中任意の周波数の正弦波印加電流に対する地盤の電気特性（抵抗及び位相差）を測定することができる。（２）最大６０点の測点８に対応し、あらゆる電極配置の組み合わせに対応することができる。また、例えば４ｃｈの受信回路を有し、例えばdipole-dipole法では１組の電流電極（送信電極）３対に対し４箇所４組の電位電極（受信電極）４対での信号を同時に計測することができる。（３）送信装置１３が送信する電流の周波数の切替、電極切替装置９のリレー２３，２７の切替、送信装置１３の送信電流のレベル・受信装置１４の受信ゲインの調整などの一連の測定操作は、コンピュータによる制御で全て自動的に行うことができる。等の効果がある。
【００３８】
次に、地盤探査方法について説明する。この方法は、測定対象地盤２に設置した一対の電流電極３間に一定周期で電流を供給して測定対象地盤２に設置した電位電極４間の電位差を測定し、電流の波形に対する電位差の波形の抵抗及び位相差を求め、電流の周期の周波数を変えて測定を複数回行い周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を求め、上述の２つの関係に基づいて測定対象地盤２を判別するものである。
【００３９】
本実施形態では、受信装置１４は４チャネル（１ｃｈ〜４ｃｈ）の受信チャネルを有しているが、説明を簡単にし理解を容易にするために、まず最初に４チャネル有ることを考慮しないで説明し、その後４チャネル有ることを考慮した場合について説明する。また、同様の理由から、まず最初に使用する電流電極３と電位電極４を変化させることを考慮しないで説明し、その後使用する電流電極３と電位電極４を変化させることを考慮して説明する。
【００４０】
測定部５の送信装置１３が例えば周波数ｆ１で電流を送信すると、電流電極３間に正弦波の電流が周波数ｆ１で流される。同時に、電流は受信装置１４の電流検出回路１６にも供給され、基準抵抗で電圧信号としてＡ／Ｄ変換器１８を通じて処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２に出力される。
【００４１】
電流電極３間に定電流が流されると、電位電極４間の電位差が変化する。一対の電位電極４によって測定された電位差信号は受信装置１４の受信増幅回路１７に供給され、増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１８を通じて処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２に出力される。測定部５は、処理部６に電流信号と電位差信号を出力したことを制御部２８に知らせる。
【００４２】
処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２は、受信装置１４から供給された電位差信号と定電流信号とを比較し、電流の波形に対する電位差の波形の抵抗R1及び位相差θ１を求める。そして、抵抗及び位相差算出手段３２は求めた抵抗R1及び位相差θ１を電流の周波数ｆ１とともに関係算出手段３３に送信する。
【００４３】
一方、測定部５は、電流信号と測定した電位差信号を処理部６に出力した後、制御部２８の命令に受けて、電流の周波数を変化（ｆ１→ｆ２）させて上述の測定を繰り返し行う。これにより、周波数を変えた測定用電流信号と測定した電位差信号が処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２に供給される。そして、電流の周波数をｆ２に変えて上述の測定を行った結果、抵抗及び位相差算出手段３２が算出した抵抗がR２、位相差がθ２であったとすると、データとしてｆ２とR2及びθ２が関係算出手段３３に送信される。
【００４４】
そして、測定部５による周波数を変えた繰り返しの測定が終了すると、関係算出手段３３は制御部２８の命令を受けて周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係を求める。例えば周波数がｆ１、ｆ２、…、ｆ１０のとき、抵抗がR１、R２、…、R１０、位相差がθ１、θ２、…、θ１０であったとすると、図８に示すような関係が求められる。
【００４５】
周波数と位相差との関係を図９及び図１０に示す。図９に示すように、位相差グラフは地盤２中に分極現象を発生する粘土鉱物が多く含まれるほど大きくなる（図９のＡ→Ｂ→Ｃの順）。また、図１０に示すように、分極現象を発生する粘土鉱物を含む地盤２の性質（間隙率、鉱物の配列構造）、物理的な性質（例えば含水率）等により、位相差グラフのピーク周波数の値ｆｍａｘは変化する。このため、地盤２の種類が変われば位相差グラフも変化する。また、周波数と抵抗との関係を示す抵抗グラフも地盤２の種類が変われば変化する。したがって、測定によって図８に示すような関係を求めることで、地盤２を判別することができる。
【００４６】
本実施形態では、各種サンプル地盤２について予め周波数と位相差との関係及び周波数と抵抗との関係を求めておき、それらを関係データとして記憶手段２９に記憶してあるので、判別手段３４は記憶手段２９にアクセスし、記憶されている関係データと関係算出手段３３が算出した周波数と位相差との関係及び周波数と抵抗との関係を対比し、測定対象地盤２を判別する。例えば、位相差グラフのピーク周波数の値ｆｍａｘと、当該周波数における位相差の大きさθｍａｘと、周波数と抵抗との関係とに基づいて測定対象地盤２を判別する。例えば、ｆｍａｘと、θｍａｘ、周波数と抵抗との関係とが一致又は近似するサンプル地盤２を、測定対象地盤２と判断する。このようにすることで、高精度の判別を行うことができる。特に、周波数と位相差との関係及び周波数と抵抗との関係という２つの関係に基づいて判別を行うので、非常に高精度の判別を行うことができる。
【００４７】
なお、周波数ｆと位相差θとの関係には、（１）ｆｍａｘとθｍａｘの組み合わせ、の他に、（２）ｆｍａｘのみ、（３）θｍａｘのみ、（４）これらと位相差グラフの形状との組み合わせ、（５）位相差グラフの形状のみ、が含まれる。
【００４８】
したがって、例えば地盤判別の精度にそれ程高い精度が要求されない場合等には、ｆｍａｘとθｍａｘのうち、いずれか一方にのみ基づいて地盤２を判別しても良い。また、例えば地盤２中に含まれる粘土鉱物の多少を判別することを目的にする場合等には、θｍａｘに基づいて地盤２の判別を行っても良い。さらに、例えば粘土鉱物を含む地盤２の性質（間隙率、鉱物の配列構造）、物理的な性質（例えば含水率）等を判別することを目的にする場合等には、ｆｍａｘに基づいて地盤２の判別を行っても良い。
【００４９】
また、周波数と位相差との関係については、位相差グラフの形状に基づいて地盤２を判別しても良い。例えば、各種サンプル地盤２について予め周波数と位相差との関係を求めて位相差グラフを求めておき、これらを関係データとして記憶手段２９に記憶しておく。判別手段３４は記憶手段２９にアクセスし、記憶されている関係データと関係算出手段３３が求めた周波数と位相差との関係（ここでは位相差グラフの形状）を対比し、測定対象地盤２を判別する。例えば、位相差グラフの形状が一致又は近似するサンプル地盤を、測定対象地盤２と判断する。このようにすることで、高精度の判別を行うことができる。同様に、周波数と抵抗との関係についても、抵抗グラフの形状に基づいて地盤２を判別しても良い。
【００５０】
また、抵抗及び位相差グラフの形状に基づいて地盤２を判別する場合には、抵抗及び位相差グラフのフィッティングにより直流比抵抗Ｒ０、チャージアビリティｍ等を求め、これらに基づいて判別を行っても良い。
【００５１】
即ち、地盤２のスペクトルＩＰ（Induced-Polarization：分極）現象を説明する等価な電気回路モデルの一つとして、Cole-Coleモデル（コールコールモデル；Patron,1978）がある。これは数学的には複素数であり４つの未知数を含む数式１で示される。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここに、Ｒ０は直流比抵抗、ｍはチャージアビリティ（chargeability）、τは緩和の時定数（sec）、ｃは周波数依存係数、ωは角周波数、ｉは√(-1)である。
【００５４】
４つの未知数とは数式１中のＲ０、ｍ、τ、ｃのことであり、数学的には最小二乗法により観測した位相差（および抵抗）データに最もよく整合する“解”として求めることができる。物理的なイメージを、図１２に示す。図１２は、時間領域でみたＩＰ現象の概念図である。なお、図１２（ａ）は送信電流波形を、（ｂ）は受信電位波形をそれぞれ示している。
【００５５】
Ｒ０は直流電流に対する電位より求まる比抵抗（＝測定電位／直流電流）である。ｍは地盤２の充電効果(電荷を蓄える性質)の強さを表す指標で、過渡応答の積分値に関連する。τは分極現象の時間的な長さに関連し、時間領域でＩＰ現象を見た場合、電流を流している期間に地盤２に蓄えられた電荷が電流遮断後に地盤２から流れる電流により観測される電位波形、すなわち“過渡応答”の時間的な長さに関連する。ｃは分極の支配過程に伴う係数で、分極現象が単一の支配過程による場合はｃ＝１となる（そうでない場合ｃは１以下になる）。分極現象の支配過程としては、鉱石と地下水中のイオンとの電荷の移動過程、電気二重層の充電・放電過程、電気二重層の構造が変化するのに伴いイオンの拡散過程などがある（電気二重層とは鉱物粒子（固体）とそれを取り巻く地下水(液体)との境界面に形成されるイオン濃度が高い領域をいう）。
【００５６】
位相差グラフは、地盤２の含水率等によりｆｍａｘとθｍａｘが変化するだけではなく、グラフの山形の曲線形状（太さや対称性）も変化する。上記４つのパラメータからＩＰ特性をより詳細に数値的な指標として表すことができる。即ち、上記４つのパラメータを求め、これに基づいて測定対象地盤２の判別を行うことができる。例えば、各種サンプル地盤２について予め上記４つのパラメータを求めておき、これらを関係データとして記憶手段２９に記憶しておく。判別手段３４は記憶手段２９にアクセスし、記憶されている関係データと関係算出手段３３が求めた周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係（ここでは、上記４つのパラメータ）を対比し、測定対象地盤２を判別する。例えば、上記４つのパラメータが一致又は近似するサンプル地盤２を、測定対象地盤２と判断する。このようにすることで、さらに高精度の判別を行うことができる。
【００５７】
なお、図１２に示すような時間領域で計測した過渡応答曲線からＩＰ特性を求めることも可能ではある。しかし、この場合には次のような欠点がある。即ち、実際ノイズがあるフィールドでは、図１２（ｂ）で示すような過渡応答を計測するのはかなり困難である。また、測定システムそのものの周波数特性の補正を正確に行うのは困難である。これらに対し、測定に使用する定電流の周波数を変えて複数回測定を繰り返す手法（周波数領域での計測）は、ノイズに強く単一周波数ごとに確実にデータを計測していくことができる。
【００５８】
本実施形態では受信装置１４は４チャネルの受信チャネルを有しているので、同時に４箇所４対の電位電極４間の電位差を測定できる。このため、４箇所の電位差信号が一度に受信装置１４から抵抗及び位相差算出手段３２に供給され、抵抗及び位相差算出手段３２は４箇所の抵抗及び位相差を一度に算出する。そして、算出された４箇所の抵抗及び位相差は一度に関係算出手段３３に供給され、関係算出手段３３は４箇所についての周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を並行して求める。求められた４箇所についての周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係は判別手段３４に一度に供給され、判別手段３４では、４箇所について地盤２の判別を一度に行う。このように、受信チャネルを４チャネル有することで、一度に４箇所についての処理を行うことができるので、短時間で電気探査を終了することができる。
【００５９】
次に、電流電極３と電位電極４の組み合わせを変えて測定を行う場合について説明する。例えば、以下の（１）〜（３）の順序で測定を行う。
【００６０】
（１）まず、１つの測線７を選択し、１つの組み合わせの電流電極３に対し、電位電極４の組み合わせを変化させて測定を行う。電流電極３以外の測点８の電位電極４について、その組み合わせを変えて測定を行う（図１３（ａ））。なお、図１３の黒三角形は電位電極４となる測点８を、斜線の三角形は電流電極３となる測点８を、白色の三角形は測定に使用しない測点８を示している。また、Ｃ１，Ｐ１ａ等の文字は端子２５を示している。
【００６１】
（２）次に、電流電極３の組み合わせを変えて（１）の測定を繰り返す。全ての電流電極３の組み合わせについて測定を行う。これにより１つの測線７についての測定が終了する。（図１３（ｂ））
【００６２】
（３）次に、測線７を変えて（１）と（２）の測定を繰り返し行う。そして、全ての測線７について測定を行う。
【００６３】
表１に、１つの測線７についての電極３，４の組み合わせの変化を示す。なお、表１中の電極３，４についての番号は、測点８を意味する。例えば、番号１の電流電極３は、各測線７に設けられている６０箇所の測点８のうち１番目の測点８の電流電極３を意味し、番号６０の電位電極４は、各測線７に設けられている６０箇所の測点８のうち６０番目の測点８の電位電極４を意味する。
【００６４】
【表１】
【００６５】
４本の測線７のうち、最初にＡ測線７について測定を行う。例えば１回目の測定では１，２番目の測点８の電流電極３を選択し、電位電極４の組み合わせを変化させて測定を行う（表１のＡ）。なお、４チャネルを使用して測定を行うので、８回目の測定では１チャネルのみを使用する。
【００６６】
そして、１，２番目の測点８の電流電極３に対し、３〜６０番目の測点８の電位電極４を使用した測定が終了した後、電流電極３を１，３番目の測点８の電流電極３に変えて、２，４〜６０番目の測点８の電位電極４を使用して測定を行う（表１のＢ）。そして、１，３番目の測点８の電流電極３に対し、２，４〜６０番目の測点８の電位電極４を使用した測定が終了した後、さらに、電流電極３の組み合わせを変えて測定を行い、全ての電流電極３の組み合わせについて測定を行う（表１のＣ）。これにより、Ａ測線７についての測定が終了する。次に、同様の測定をＢ測線７→Ｃ測線７→Ｄ測線７についても行う。これにより、測定が終了する。
【００６７】
このように４本の測線７について測定を行うことで、地盤２についての周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差の関係を三次元的に求めることができる。そのイメージを図１４に示す。なお、図１４には、測線７が１本しか記載されていないが、測線７を複数設けることで地盤２中の周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係の空間分布を求めることができ、地盤２を三次元的に探査することができる。測定部５はコンピュータ制御によって自動的に電極切替装置９のリレー２３，２７を切替えるので、迅速に測定を行うことができ、電極２，３の組み合わせが多数あっても測定に要する期間を短くできる。
【００６８】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００６９】
例えば、上述の説明では、四極法のDipole-Dipole法の電極配置を例に説明したが、Dipole-Dipole法に限るものでなく、Wenner法、Eltran法、シュランベルジャー法でも良い。また、四極法に限るものではなく、二極法、三極法の電極配置でも良い。
【００７０】
なお、二極法の場合には、６０個の電流電極３のうちいずれか１つを電流遠電極として固定的に使用すると共に、６０個の電位電極４のうちいずれか１つを電位遠電極として固定的に使用することが考えられる。例えば、５９番目の電流電極３（５９番目の測点８の電流電極３をいう、以下同様）を電流遠電極として固定的に使用し、６０番目の電位電極４（６０番目の測点８の電位電極４をいう、以下同様）を電位遠電極として固定的に使用する。即ち、測線７が切り替わっても、例えば５９番目の電流電極３と６０番目の電位電極４は常に遠電極となる。この場合、電極切替装置９の電流電極３用の測点選択部２０の２つのスイッチ回路２４のうち、片方のスイッチ回路（例えばＣ２端子２５側の回路）２４の５９番目のリレー２７（５９番目の本線２１に接続された分岐線２６に設けられているリレー２７をいう、以下同様）をオン状態に維持すると共に、電位電極４用の測点選択部２０の８つのスイッチ回路２４のうち、１ｃｈ〜４ｃｈの片方のスイッチ回路（例えばＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃ、Ｐ２ｄ端子２５側の回路）２４の６０番目のリレー２７をオン状態に維持する。
【００７１】
また、三極法の場合には、６０個の電流電極３のうちいずれか１つを電流遠電極として固定的に使用することが考えられる。例えば、６０番目の電流電極３を電流遠電極として固定的に使用する。即ち、測線７が切り替わっても、例えば６０番目の電流電極４は常に遠電極となる。この場合、電極切替装置９の電流電極３用の測点選択部２０の２つのスイッチ回路２４のうち、片方のスイッチ回路（例えばＣ２端子２５側の回路）２４の６０番目のリレー２７をオン状態に維持する。
【００７２】
また、上述の説明では、測点８には電流電極３と電位電極４が別々に設置されていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、測点８に電流電極３と電位電極４を兼用する兼用電極を設置しても良い。
【００７３】
兼用電極を設置した場合の電極切替装置９を図１１に示す。この電極切替装置９の測線選択部１９と測点選択部２０は、兼用電極を送信装置１３又は前記受信装置１４に接続する経路の途中に設けられている。即ち、上述の電極切替装置９では、図５及び図６に示すように測線選択部１９と測点選択部２０を電流電極３用のものと電位電極４用のものとに分けていたが、図１１の電極切替装置９では、測線選択部１９と測点選択部２０とを共通にしている。測線選択部１９は、図５又は図６の測線選択部１９と同じ構成である。測点選択部２０は、測定に同時使用する電流電極３と電位電極４の合計数に合わせて１０個のスイッチ回路２４を備えている。より具体的には、送信装置１３に接続する２つのスイッチ回路２４（Ｃ１端子２５用とＣ２端子２５用）と、受信装置１４の１ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ａ端子２５用とＰ２ａ端子２５用）、２ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ｂ端子２５用とＰ２ｂ端子２５用）、３ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ｃ端子２５用とＰ２ｃ端子２５用）、４ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ｄ端子２５用とＰ２ｄ端子２５用）を備えている。各スイッチ回路２４は図７のスイッチ回路２４と同じである。また、兼用電極を使用することで電極３，４の数が全体として１／２になるので、接続端子１０の数も１／２となる。
【００７４】
例えば、Ａ測線７の１，２番目の兼用電極を電流電極３として、３，４番目の兼用電極を電位電極４（１ｃｈ）として、５，６番目の兼用電極を電位電極４（２ｃｈ）として、７，８番目の兼用電極を電位電極４（３ｃｈ）として、９，１０番目の兼用電極を電位電極４（４ｃｈ）としてそれぞれ使用する場合には、以下のリレー２３，２７をオン操作する。例えば、測点選択部２０のＣ１用スイッチ回路２４（Ｃ１端子２５用のスイッチ回路２４をいう、以下同様）の１番目のリレー２７、Ｃ２用スイッチ回路２４の２番目のリレー２７、Ｐ１ａ用スイッチ回路２４の３番目のリレー２７、Ｐ２ａ用スイッチ回路２４の４番目のリレー２７、Ｐ１ｂ用スイッチ回路２４の５番目のリレー２７、Ｐ２ｂ用スイッチ回路２４の６番目のリレー２７、Ｐ１ｃ用スイッチ回路２４の７番目のリレー２７、Ｐ２ｃ用スイッチ回路２４の８番目のリレー２７、Ｐ１ｄ用スイッチ回路２４の９番目のリレー２７、Ｐ２ｄ用スイッチ回路２４の１０番目のリレー２７をオン操作すると共に、測線選択部１９のＡ組のリレー２３を全てオン操作する。
【００７５】
兼用電極を使用する場合には、必要な電極の数を半分にできると共に、電極切替装置９の構成が簡単なものになり、電極の設置等の準備作業が容易になると共に、電極切替装置９の製造コストを安くすることができる。
【００７６】
また、上述の説明では、測線７として４本の測線７を設定していたが、設定する測線７の数は４本に限るものではない。例えば１本、２本、３本、５本以上でも良い。
【００７７】
また、上述の説明では、１本の測線７に６０箇所の測点８を設けたが、１本の測線７に設ける測点８の数は６０箇所に限るものではない。なお、測点８の数の増減に応じて電極切替装置９の接続端子１０や本線２１、リレー２３，２７等の数を増減させても良いが、測点８の数が電極切替装置９の接続端子１０や本線２１、リレー２３，２７等の数よりも少ない場合には、測点８に対応する接続端子１０や本線２１、リレー２３，２７等を使用し、余った接続端子１０、本線２１、リレー２３，２７等は不使用にすれば良い。
【００７８】
さらに、上述の説明では、地盤探査装置１が判別手段３４を備えていたが、判別手段３４を省略すると共に、関係算出手段３３によって求められた周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を出力装置３５に出力するようにしても良い。
【００７９】
また、上述の説明では、周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係の２つの関係に基づいて地盤２を判別していたが、必ずしもこれに限るものではなく、周波数と位相差の関係に基づいて地盤２を判別するようにしても良い。この場合には、判別の精度をある程度高く維持しつつ、計算量の減少により迅速に測定を行うことができる。
【００８０】
また、上述の説明では、本発明の電極切替装置９を、周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係に基づいて地盤２を判別する地盤探査装置１及び地盤探査方法に適用する場合について説明していたが、適用可能な地盤探査装置及び地盤探査方法はこれらに限るものではない。例えば、比抵抗に基づいて地盤２を判定する地盤探査装置及び地盤探査方法でも良く、その他の地盤探査装置及び地盤探査方法でも良い。つまり、複数の測線上に設置されている多数の電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極とを選択し、選択した電極の組み合わせを順次切替えて測定を繰り返し行う地盤探査装置及び地盤探査方法であれば適用可能である。
【００８１】
さらに、電極３，４として、地下貯蔵空洞等のロックボルトを利用しても良い。
【実施例１】
【００８２】
周波数と位相差との関係に基づいて地盤２を判別できることを確認するために、実験を行った。実験には、一定量の石炭灰に水量を調整し（含水率で２〜５０％）混ぜて締め硬めた試料を使用した。当該試料には、粘土サイズの微少粒子が多く含まれていた。周波数毎の位相差に加え、抵抗も測定した。
【００８３】
実験の結果を図１５に示す。図１５の（ａ）は含水率２％の試料、（ｂ）は含水率６％の試料、（ｃ）は含水率１０％の試料、（ｄ）は含水率１５％の試料、（ｅ）は含水率２０％の試料、（ｆ）は含水率３０％の試料、（ｇ）は含水率４０％の試料、（ｈ）は含水率５０％の試料、をそれぞれ使用した結果である。また、各図において、下向きの矢印は位相差グラフのピーク周波数を示す。
【００８４】
図１５からも明らかなように、ピーク周波数（矢印）の値（臨界周波数ｆｍａｘ）は含水率が大きくなるにしたがって高周波数側にシフトする傾向にあることを確認できた。また、ピーク周波数の位相差の大きさθｍａｘは含水率が大きくなるにしたがって増加する傾向にあること、含水率が１０％より小さくなるとθｍａｘが極端に減少することを確認できた。さらに、位相差グラフの形状は含水率によって異なることを確認できた。これらの結果、周波数と位相差の関係に基づいて、地盤２の含水率を判別できることを確認できた。即ち、ｆｍａｘ、θｍａｘ、ｆｍａｘとθｍａｘ（２つの組み合わせ）、グラフ形状、ｆｍａｘとグラフ形状（２つの組み合わせ）、θｍａｘとグラフ形状（２つの組み合わせ）、ｆｍａｘとθｍａｘとグラフ形状（３つの組み合わせ）、のいずれかによって地盤２の含水率を判別できることを確認できた。また、抵抗グラフの形状も図１５（ａ）〜（ｈ）で変化しているので、抵抗グラフの形状も併せて判断することで、より高精度の判別が可能であることを確認できた。
【実施例２】
【００８５】
周波数と位相差との関係に基づいて地盤２を高精度に判別できることを確認するために、実験を行った。実験には、泥岩試料と砂岩試料を使用した。比較のため、比抵抗についても測定した。
【００８６】
実験の結果を図１６に示す。図１６の（ａ）は泥岩試料、（ｂ）は粗粒砂岩試料である。泥岩試料と砂岩試料とを比較すると、比抵抗グラフ同士のよりも、位相差グラフ同士の差の方が大きいことがわかった。この結果、比抵抗グラフに基づいて判別を行うよりも位相差グラフに基づいて判別を行った方が、泥岩試料と砂岩試料との区別が容易であり、より高精度に判別できることを確認できた。また、比抵抗グラフについても泥岩試料と砂岩試料とでは差があるので、位相差グラフと比抵抗グラフの両者に基づいて判別を行うことで、さらに高精度に判別できることを確認できた。
【００８７】
図１６（ａ）は、直流比抵抗Ｒ０＝１９５．５、チャージアビリティｍ＝０．５６２０、緩和の時定数τ＝７．３４３０Ｅ−０３、周波数依存係数ｃ＝０．６３２４、（ｂ）は、直流比抵抗Ｒ０＝３７４．９、チャージアビリティｍ＝０．０９８４、緩和の時定数τ＝０．５７４７、周波数依存係数ｃ＝０．１５０５である。
【００８８】
なお、図１６の理論値のグラフは以下のように求めた。即ち、上述のCole-Coleモデルを表す数式１にはＩＰ現象の強度や性質を示す指標となる４つの未知数Ｒ０、ｍ、τ、ｃがあったが、数学的には最小二乗法により、観測した位相差、比抵抗データに最もよく整合する“解”として求めることができる。数学的に具体的な解法は、以下の通りである。
【００８９】
試料と等価な理論モデルのインピーダンスＺは、周波数ωとモデルパラメータＰ１，Ｐ２，・・・Ｐｎの関数であり、周波数ωｉにおける実測インピーダンスをとすれば数式２で表すことが出来る。
【００９０】
【数２】
【００９１】
Ｚは非線形関数であるので、多変数関数のテーラー展開を利用して線形化近似すると数式３が得られる。
【００９２】
【数３】
【００９３】
ここで、Ｐ０ｊは真の等価モデルのパラメータ値、Ｐｊは初期推測モデルとして与えたパラメータ値でありその差をΔＰｊとおけば数式４となる。
【００９４】
【数４】
【００９５】
いま、Ｚ０ｉ、Ｚｉは複素数であり、その絶対値｜Ｚ｜と位相角θとを用いて、数式５と表されることから、対数変換を行って絶対値と位相角とを分離して取扱う。すなわち、数式６であり、数式７，８となる。
【００９６】
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
【００９７】
このとき，データ数がｎ個、パラメータＰｊがｍ個の場合（ｎ≧ｍ）、Ａは２ｎ行ｍ列の行列を構成している。したがって、数式９，数式１０，数式１１とおけば、数式１２と表される。
【００９８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【００９９】
最小二乗法を用いてｂからｙを安定に求めるために、正則化一般逆行列を作用させた数式１３を用いる。
【０１００】
【数１３】
ここで、Ｉは恒等行列、λはダンピングファクタなどと呼ばれる正の定数である。
【０１０１】
Ｐ０ｊはｙｉとの数式１４の関係から求められ、計算はＲＭＳ残差が小さくなるまで反復して行う。
【数１４】
【０１０２】
なお、回帰分析の分散分析において、観測値(実験data)と理論値(数式による計算値)との残差の平方和（平方和sum of squares）を自由度で割ったものが平均平方 Mean Square、この√をとったものが、root mean square (RMS)となり、数式１５で表します。
【数１５】
ここで、ρａｉｆは測定値、ρａｉｃは計算値、Ｎは全測定データ数である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の電極切替装置を適用した地盤探査装置の実施形態の一例を示すブロック図である。
【図２】同地盤探査装置の測定部を示すブロック図である。
【図３】電流電極を設置した地盤の断面図である。
【図４】電位電極を設置した地盤の断面図である。
【図５】本発明の電極切替装置の実施形態の一例を示し、電流電極側の測線選択部と測点選択部のブロック図である。
【図６】本発明の電極切替装置の実施形態の一例を示し、電位電極側の測線選択部と測点選択部のブロック図である。
【図７】測点選択部のスイッチ回路を示す図である。
【図８】周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を示す概念図である。
【図９】位相差グラフが地盤に含まれる粘土鉱物の量によって変化する様子を示す図である。
【図１０】位相差グラフが地盤の含水率等によって変化する様子を示す図である。
【図１１】電極切替装置の他の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】時間領域でみたＩＰ現象の概念を示し、（ａ）は送信電流波形を示す図、（ｂ）は受信電位波形を示す図である。
【図１３】スペクトルＩＰ法による測定の概念を示し、（ａ）は電流電極を固定して電位電極を順番に変化させながら測定を行う様子を示す概念図、(ｂ）は電流電極を変化させて（ａ）の測定を繰り返し行う様子を示す概念図である。
【図１４】地盤の周波数と位相差との関係を三次元的に求める概念を示す図である。
【図１５】周波数と位相差との関係に基づいて地盤を判別できること確認する実験の結果を示し、（ａ）は含水率２％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｂ）は含水率６％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｃ）は含水率１０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｄ）は含水率１５％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｅ）は含水率２０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｆ）は含水率３０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｇ）は含水率４０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｈ）は含水率５０％の試料を使用した結果を示すグラフである。
【図１６】周波数と位相差との関係に基づいて地盤を高精度に判別できることを確認する実験の結果を示し、（ａ）は泥岩試料を使用した結果を示すグラフ、（ｂ）は粗粒砂岩試料を使用した結果を示すグラフである。
【図１７】従来の電極切替装置の原理を示す図である。
【図１８】従来の電極切替装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
【０１０４】
７ 測線
８ 測点
３ 電流電極
４ 電位電極
１３ 送信装置
１４ 受信装置
９ 電極切替装置
１０ 接続端子
１９ 測線選択部
２０ 測点選択部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の電気探査に使用する電極切替装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、地盤に設置した多数の電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択し、送信装置又は受信装置との接続を切替える電極切替装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地盤の電気探査法では、一対の電流電極と一対の電位電極を地表に設置しておき、送信機（直流電源）を一対の電流電極に接続すると共に、受信機（電圧計）を一対の電位電極に接続し、電流電極から流す直流電流の値とそれによって電位電極間に生じる電位差を計測して比抵抗を求め、この比抵抗に基づいて地盤を探査する。
【０００３】
電流電極と電位電極の間の距離（電極間距離）が短ければ測定データには浅部地層の比抵抗が反映され、電極間距離が長ければ測定データには深部地層の比抵抗の影響が含まれるようになる。このため、電極間距離を変化させて測定することで、深さ方向の比抵抗の変化を知ることができる。そして、このような測定を効率良く行うために、多数の電極を１本の測線に沿って予め設置しておき、その中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択してその組み合わせを順番に変えながら測定することが行われている。
【０００４】
１本の測線に沿って設置された多数の電極の中から使用する一対の電流電極と電位電極を選択し、選択した電流電極と送信機との接続、および選択した電位電極と受信機との接続を操作する装置として、例えば特開２００１−２１６６２号に開示された電極切替装置がある。
【０００５】
この電極切替装置を図１７及び図１８に示す。電極切替装置は、電流送信部（送信機）の２つの端子Ｃ１，Ｃ２と電位受信部（受信機）の２つの端子Ｐ１，Ｐ２に対応した４つのリレー装置を有している。各リレー装置は、端子の数、換言すると電極の数と同じ数のリレーを有しており、その中から１つのリレーを選択してオン操作することで、多数の電極の中から１つの電極を選択して電流送信部又は電位受信部に接続させる。そして、オン操作するリレーを順次変えることで、電流送信部又は電位受信部に接続させる電極を順次変化させることができる。
【特許文献１】特開２００１−２１６６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の電極切替装置では、測線が１本の場合には対応可能であったが、測線が２本以上の場合には対応していなかった。このため、複数の測線について測定を行う場合には、１本の測線について測定を行った後、測定が終了した測線から測定が終了していない別の測線に電極を設置し直すと共にそれらの配線等もし直して測定を繰り返し行っていた。このため、測定の作業効率が極めて悪かった。
【０００７】
本発明は、複数の測線に対応可能な電極切替装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、測線上の複数の測点にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択し、選択した電流電極に通じる導線を送信装置に接続すると共に、選択した電位電極に通じる導線を受信装置に接続する電極切替装置において、導線を接続する接続端子を複数の測線に対応する数だけ設けて複数の測線の電極を接続可能とし、複数の測線の中から測定に使用する１本の測線を選択して接続を切替える測線選択部と、測定に使用する測点を選択して接続を切替える測点選択部を備えるものである。
【０００９】
したがって、測線が複数あっても各測点の測点の電極を送信装置又は受信装置に選択的に接続することができる。１本の測線に複数の測点があり、そのような測線が複数あったとしても、即ち、多数の電極が縦横に設置されていたとしても、その電極が属する測線と当該測線中の測点の位置とを指定することで、その電極を特定することができる。したがって、測線選択部によって測線を選択し、測点選択部によって当該測線中の測点を選択することで、電極を特定して送信装置又は受信装置に接続することができる。また、測線選択部と電極に通じる導線を接続する接続端子との増加によって測線の増加に対応できる。
【００１０】
ここで、請求項２記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極を兼用する兼用電極が設置されており、測線選択部と測点選択部を、兼用電極を送信装置又は受信装置に接続する経路の途中に設けていても良く、また、請求項３記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極が別々に設置されており、測線選択部と測点選択部を、電流電極を送信装置に接続する経路の途中と電位電極を受信装置に接続する経路の途中のそれぞれに設けていても良い。即ち、電流電極と電位電極として共通の電極を使用する場合でも、別々の電極を使用する場合でも、電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を行うことができる。
【００１１】
また、請求項４記載の電極切替装置は、測点選択部が測点の中から遠電極とする測点を選択し、選択した遠電極測点の接続状態を維持するものである。したがって、遠電極を必要とする二極法又は三極法の電極配置に対応することができる。
【００１２】
さらに、請求項５記載の電極切替装置は、測点選択部が、全ての測点を順番に選択して接続を切替えるものである。したがって、四極法の電極配置に対応することができる。
【発明の効果】
【００１３】
しかして、請求項１記載の発明では、上述のように発明電極切替装置を構成しているので、測線が複数あっても対応することができる。また、測線選択部と接続端子との増加によって測線の増加に対応することができるので、測線の増加への対応が容易である。さらに、測線を増加させる場合であっても測点選択部を増加させる必要がないので、その分だけ必要な部品点数の増加を抑えることができ、装置の大型化、重量化を抑えることができる。
【００１４】
ここで、請求項２記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極を兼用する兼用電極が設置されており、測線選択部と測点選択部を、兼用電極を送信装置又は受信装置に接続する経路の途中に設けていても良く、また、請求項３記載の電極切替装置のように、測点には電流電極と電位電極が別々に設置されており、測線選択部と測点選択部を、電流電極を送信装置に接続する経路の途中と電位電極を受信装置に接続する経路の途中のそれぞれに設けていても良い。即ち、電流電極と電位電極として同じ電極を使用する場合でも、別々の電極を使用する場合でも、電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を良好に行うことができる。このため、汎用性が高い電極切替装置を提供することができる。
【００１５】
また、請求項４記載の電極切替装置では、測点選択部が測点の中から遠電極とする測点を選択し、選択した遠電極測点の接続状態を維持するので、二極法又は三極法の電極配置の場合に電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を行うことができる。
【００１６】
さらに、請求項５記載の電極切替装置では、測点選択部が全ての測点を順番に選択して接続を切替えるので、四極法の電極配置の場合に電極と送信装置又は受信装置との接続の切替を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
まず最初に、本発明の電極切替装置を備える地盤探査装置について説明する。図１〜図７に、地盤探査装置の実施形態の一例を示す。地盤探査装置１は、地盤２に設置された一対の電流電極３及び一対の電位電極４と、電流電極３間に一定周期で電流を供給して電位電極４間の電位差を測定する測定部５と、電流の波形に対する電位差の波形の抵抗及び位相差を求める処理部６を備え、測定部５は電流の周期の周波数を変えて測定を複数回行うものであり、処理部６は、測定部５の複数回の測定に基づき周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を求めるものである。測定部５と処理部６は制御部２８によって同期され制御されている。また、本実施形態では、予め求めておいた地盤２別の周波数と抵抗との関係データ及び周波数と位相差との関係データを記憶した記憶手段２９を備えており、処理部６は、記憶手段２９に記憶されている関係データと求めた関係とを対比して測定対象地盤２を判別するものである。
【００１９】
地盤２には、測線７に沿って多数の電流電極３と電位電極４が設置されており、多数の電流電極３の中から２個（一対）を選択して使用すると共に、多数の電位電極４の中から２個（一対）を選択して使用する。１本の測線７に対し、例えば６０箇所の測点８が設定されており、各測点８には電流電極３と電位電極４が別々に設置されている。同一測点８の電流電極３と電位電極４は、測線７に直交する方向に並べて配置されている。電極３，４の各々は別々の導線によって測定部５の電極切替装置９の各接続端子１０に接続されている。即ち、６０個の電流電極３と６０個の電位電極４はそれぞれ６０本の導線を束ねた多芯ケーブル１１によって電極切替装置９の対応する接続端子１０に接続されている。測定部５は設置された電極３，４の中から使用する一対の電流電極３と一対の電位電極４の組合せを順次切り替えて測定を行う。例えば、四極法のDipole-Dipole法の電極配置で測定を行う。測線７として、例えば４本の測線７が設定されている。
【００２０】
図３に電流電極３を示す。電流電極３は、例えばステンレス製の電極であり、地表から例えば３０〜４０ｃｍの深さまで差し込まれる。電流電極３の太さは例えば１５ｍｍである。また、図４に電位電極４を示す。電位電極４は、例えば鉛製の電極であり、地表から例えば３０から４０ｃｍの深さまで差し込まれる。電位電極４の太さは例えば１５ｍｍである。電位電極４の周囲には導電性ゲル材（アースＦＣ硬化剤）１２が充填されており、分極が生じ難くなっている。
【００２１】
測定部５は送信装置１３と受信装置１４と本発明の電極切替装置９を備えている。送信装置１３は、端子１５間に一定周期で定電流を供給し、電流値と電流の送信周波数を調節することができる。電流値は例えば１ｍＡ〜４００ｍＡの範囲で、送信周波数は例えば０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で、それぞれ調節することができる。ただし、調節できる範囲はこれらに限るものではない。また、送信装置１３は、定電流として、例えば正弦波電流を供給する。電流値は、測定条件等に応じて適宜選択される。
【００２２】
受信装置１４は、電流検出回路１６と受信増幅回路１７とＡ／Ｄ変換器１８を備えている。また、電位電極４からの信号を受け付ける受信チャネルとして、例えば４つのチャネルを有している。受信増幅回路１７は受信チャネル数に対応して、例えば４つ設けられている。また、Ａ／Ｄ変換器１８は、増幅の程度に応じて、例えば３つ（０ｄＢ，２０ｄＢ，４０ｄＢ）設けられている。
【００２３】
本発明の電極切替装置９の実施形態の一例を図５及び図６に示す。電極切替装置９は、測線７上の複数の測点８にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極３と電位電極４を選択し、選択した電流電極３に通じる導線を送信装置１３に接続すると共に、選択した電位電極４に通じる導線を受信装置１４に接続するものである。導線を接続する接続端子１０を複数の測線７に対応する数だけ設けて複数の測線７の電極３，４を接続可能としている。また、複数の測線７の中から測定に使用する１本の測線７を選択して接続を切替える測線選択部１９と、測定に使用する測点８を選択して接続を切替える測点選択部２０を備えている。本実施形態では、測点８には電流電極３と電位電極４が別々に設置されており、測線選択部１９と測点選択部２０は、電流電極３を送信装置１３に接続する経路の途中と電位電極４を受信装置１４に接続する経路の途中のそれぞれに設けられている。
【００２４】
電流電極３用の接続端子１０と電位電極４用の接続端子１０は、それぞれ２４０（＝６０×４）個ずつ設けられており、最大４本分の測線７（Ａ測線７〜Ｄ測線７）の電流電極３と電位電極４を接続することができる。即ち、測点８の数と同じ数の接続端子１０が１組となり、接続可能とする測線７の最大数と同じ組数の接続端子１０が設けられている。また、１組の接続端子１０には、最大６０個の電極を接続することができる。各接続端子１０には、各測線７の多芯ケーブル１１の導線が１本ずつ接続されている。ここで電流電極３を例に説明すると、各測線７とも、１番目の測点８の電流電極３に通じる導線は１番目の接続端子１０に、２番目の測点８の電流電極３に通じる導線は２番目の接続端子１０に、…、ｎ番目の測点８の電流電極３に通じる導線はｎ番目の接続端子１０に、…、６０番目の測点８の電流電極３に通じる導線は６０番目の接続端子１０に、それぞれ接続されている。電位電極４についても同様である。
【００２５】
なお、接続端子１０の数は２４０個ずつに限るものではない。例えば、図５及び図６に破線で示すように、拡張用の接続端子１０を電流電極３用と電位電極４用にそれぞれ１２０（６０×２）個ずつ設けておき、測線７の数を必要に応じて６本まで増加できるようにしても良い。また、その他の数でも良い。
【００２６】
測線選択部１９は、測点８の数と同じ数だけ設けられた本線２１と、各本線２１を測線７の数と同じ数に分岐させた分岐線２２と、分岐線２２の途中に設けられたリレー２３を備えている。分岐線２２は接続端子１０に接続されている。リレー２３は測線７毎に組み分け（Ａ組〜Ｄ組）されており、同じ組のリレー２３は同時にオンオフ操作される。４つの組のうち、１つの組が択一的に選択されてオン操作される。例えば、Ａ測線７を選択する場合にはＡ組のリレー２３が全てオン操作され、他の組のリレー２３は全てオフ操作される。Ｂ測線７、Ｃ測線７、Ｄ測線７を選択する場合も同様である。測線選択部１９は電流電極３用のものと電位電極４用のものとで同じ構造である。
【００２７】
図５に示す電流電極３用の測点選択部２０は、測定に使用する電流電極３の数に合わせて２つのスイッチ回路２４を備えている。また、図６に示す電位電極４用の測点選択部２０は、受信チャネル分の電位電極４の数に合わせて８つのスイッチ回路２４を備えている。スイッチ回路２４を図７に示す。スイッチ回路２４は、端子２５と各本線２１を接続する分岐線２６と、各分岐線２６の途中に設けられたリレー２７を備えている。本実施形態では、測点８の数に対応して６０本の本線２１を有しているので、６０個のリレー２７を有している。各リレー２７は択一的にオン操作される。例えば、１番目の測点８の電流電極３を端子２５に接続する場合には、１番目の本線２１に接続された分岐線２６に設けられているリレー２７をオン操作する。２番目〜６０番目の測点８の電流電極３を端子２５に接続する場合も同様であり、また、電位電極４についても同様である。
【００２８】
例えば、Ａ測線７の１，２番目の測点８の電流電極３と、３，４番目の測点８の電位電極４（１ｃｈ）と、５，６番目の測点８の電位電極４（２ｃｈ）と、７，８番目の測点８の電位電極４（３ｃｈ）と、９，１０番目の測点８の電位電極４（４ｃｈ）を使用する場合には、以下のリレー２３，２７をオン操作する。図５の電流電極３側（送信装置１３側）については、測点選択部２０の一方のスイッチ回路２４の１番目のリレー２７と、他方のスイッチ回路２４の２番目のリレー２７をオン操作すると共に、測線選択部１９のＡ組のリレー２３を全てオン操作する。また、図６の電位電極４側（受信装置１４側）については、測線選択部１９の１ｃｈの一方のスイッチ回路２４の３番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の４番目のリレー２７、２ｃｈの一方のスイッチ回路２４の５番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の６番目のリレー２７、３ｃｈの一方のスイッチ回路２４の７番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の８番目のリレー２７、４ｃｈの一方のスイッチ回路２４の９番目のリレー２７と他方のスイッチ回路２４の１０番目のリレー２７をオン操作すると共に、測線選択部１９のＡ組のリレー２３を全てオン操作する。
【００２９】
各リレー２３，２７は、制御部２８によって切替操作される。
【００３０】
電極切替装置９は、送信装置１３の端子１５と電流検出回路１６の端子３０を接続している。また、電極切替装置９は、受信チャネル毎に電位電極４と受信装置１４の受信増幅回路１７の端子３１とを接続している。電流検出回路１６と受信増幅回路１７は、３つのＡ／Ｄ変換器１８を介して処理部６に接続されている。その接続にはＵＳＢ端子が使用されている。
【００３１】
処理部６は、抵抗及び位相差算出手段３２、関係算出手段３３、判別手段３４を備えている。本実施形態では、処理部６と制御部２８をコンピュータによって実現している。即ち、少なくとも１つのＣＰＵやＭＰＵなどの中央演算装置と、データの入出力を行うインターフェースと、プログラムやデータを記憶する記憶装置等を備えるコンピュータと所定の制御ないし演算プログラムによって、抵抗及び位相差算出手段３２、関係算出手段３３、判別手段３４、制御部２８を実現している。即ち、中央演算装置は、記憶装置に記憶されたＯＳ等の制御プログラム、周波数と抵抗との関係データ及び周波数と位相差との関係やそれらの関係に基づいて岩盤を判別する方法などの手順を規定したプログラム及び所要データ等により、抵抗及び位相差算出手段３２、関係算出手段３３、判別手段３４、制御部２８を実現している。また、コンピュータには、例えばディスプレイやプリンター等の出力装置３５が接続されている。コンピュータとして、例えば作動周波数１．４ＧＨｚクラスのＣＰＵを搭載するパーソナルコンピュータの使用が可能である。また、そのＯＳとしては、一般に市販され広く普及している例えばWindows（登録商標）等の使用が可能である。
【００３２】
抵抗及び位相差算出手段３２は、送信装置１３が送信した電流の信号波形と、測定部５によって測定された電位電極４間の電位差の信号波形とを比較し、電流の信号波形に対する電位差の信号波形の抵抗及び位相差を求める。測定部５は電流の周波数ｆを変化させて測定を複数回繰り返し行い、抵抗及び位相差算出手段３２は繰り返し行われる測定毎に抵抗及び位相差を算出する。算出した抵抗R及び位相差θは電流の周波数ｆとともに関係算出手段３３に送信される。
【００３３】
関係算出手段３３は、抵抗及び位相差算出手段３２から供給されたデータに基づいて周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係を求める。周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係の一例を図８に示す。いま、測定部５が周波数ｆを変えた測定を１０回繰り返したとすると、得られたデータ（周波数，抵抗）は、（ｆ1，R1）、（ｆ2，R2）、（ｆ3，R3）、…、（ｆ10，R10）となるので、縦軸に抵抗Rを、横軸に周波数ｆをとってグラフ化すると、図８に示す関係が得られる。同様に、得られたデータ（周波数，位相差）は、（ｆ1，θ1）、（ｆ2，θ2）、（ｆ3，θ3）、…、（ｆ10，θ10）となるので、縦軸に位相差θを、横軸に周波数ｆをとってグラフ化すると、図８に示す関係が得られる。周波数ｆと抵抗Rとの関係を表す抵抗グラフは途中で傾斜をもつ形状となり、周波数ｆと位相差θとの関係を表す位相差グラフは抵抗グラフの最大傾斜の周波数でピークを示す山形形状となり、地盤２の状況・含水率等に応じてその形状が変化する（図９、図１０）。
【００３４】
関係算出手段３３が求めた周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係は判別手段３４に出力される。判別手段３４は、周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係に基づいて測定対象の地盤２を判別する。ここでは、周波数ｆと位相差θとの関係に関して、位相差のピーク周波数に基づいて測定対象地盤２を判別する。ここで、位相差のピーク周波数には、その周波数の値ｆｍａｘと当該周波数ｆｍａｘにおける位相差の大きさθｍａｘとが含まれる。記憶手段２９には予め求めておいた地盤別の周波数と位相差との関係データ（ここではｆｍａｘとθｍａｘ）が記憶されており、判別手段３４は記憶手段２９に記憶されている関係データとの対比によって測定対象地盤２の判定を行う。また、これに加えて周波数ｆと抵抗Ｒとの関係にも基づいて測定対象地盤２を判別する。記憶手段２９には予め求めておいた地盤別の周波数と抵抗との関係データが記憶されており、判別手段３４は記憶手段２９に記憶されている関係データとの対比によって測定対象地盤２の判定を行う。例えば、ｆｍａｘと、θｍａｘと、周波数と抵抗との関係とが一致又は近似する場合に、測定対象地盤２が対比しているサンプル地盤であると判断する。
【００３５】
記憶手段２９としては、例えばハードディスク、メモリ、ＤＶＤ、ＣＤ、ＭＯ、フロッピーディスク（登録商標）等の使用が可能である。
【００３６】
地盤探査装置１は、例えば測定現場に設置されている。ただし、必ずしも地盤探査装置１の全てを測定現場に設置する必要はなく、例えば電極３，４及び測定部５を測定現場に設置すると共に、処理部６及び制御部２８を例えば研究所等の遠隔地に設置し、これらを例えばインターネット、専用線、無線通信線等の電気通信回線を使用して接続しても良い。なお、この場合には、制御部２８とは別に測定部５専用の制御部を測定部５に設けることが好ましい。このような構成の地盤探査装置１は、特に、地盤２を長期間にわたりモニタリングする場合等の使用に適している。即ち、例えば高レベル放射性廃棄物の地層処分、石油や液化天然ガス等の液体の地下岩盤貯蔵、地下発電所等、大規模地下空間の掘削に伴う空洞周辺岩盤全域の水理的な挙動を長期間モニタリングする場合の地盤探査装置１としての使用に特に適している。また、リモートアクセスにより研究所などの遠隔地から現場に設置した装置を制御することが可能で、リアルタイムに現場の地下水挙動等を把握することができる。
【００３７】
この地盤探査装置１によれば、（１）広帯域（例えば０．０１Ｈｚ〜１０ｋＨｚ）中任意の周波数の正弦波印加電流に対する地盤の電気特性（抵抗及び位相差）を測定することができる。（２）最大６０点の測点８に対応し、あらゆる電極配置の組み合わせに対応することができる。また、例えば４ｃｈの受信回路を有し、例えばdipole-dipole法では１組の電流電極（送信電極）３対に対し４箇所４組の電位電極（受信電極）４対での信号を同時に計測することができる。（３）送信装置１３が送信する電流の周波数の切替、電極切替装置９のリレー２３，２７の切替、送信装置１３の送信電流のレベル・受信装置１４の受信ゲインの調整などの一連の測定操作は、コンピュータによる制御で全て自動的に行うことができる。等の効果がある。
【００３８】
次に、地盤探査方法について説明する。この方法は、測定対象地盤２に設置した一対の電流電極３間に一定周期で電流を供給して測定対象地盤２に設置した電位電極４間の電位差を測定し、電流の波形に対する電位差の波形の抵抗及び位相差を求め、電流の周期の周波数を変えて測定を複数回行い周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を求め、上述の２つの関係に基づいて測定対象地盤２を判別するものである。
【００３９】
本実施形態では、受信装置１４は４チャネル（１ｃｈ〜４ｃｈ）の受信チャネルを有しているが、説明を簡単にし理解を容易にするために、まず最初に４チャネル有ることを考慮しないで説明し、その後４チャネル有ることを考慮した場合について説明する。また、同様の理由から、まず最初に使用する電流電極３と電位電極４を変化させることを考慮しないで説明し、その後使用する電流電極３と電位電極４を変化させることを考慮して説明する。
【００４０】
測定部５の送信装置１３が例えば周波数ｆ１で電流を送信すると、電流電極３間に正弦波の電流が周波数ｆ１で流される。同時に、電流は受信装置１４の電流検出回路１６にも供給され、基準抵抗で電圧信号としてＡ／Ｄ変換器１８を通じて処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２に出力される。
【００４１】
電流電極３間に定電流が流されると、電位電極４間の電位差が変化する。一対の電位電極４によって測定された電位差信号は受信装置１４の受信増幅回路１７に供給され、増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１８を通じて処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２に出力される。測定部５は、処理部６に電流信号と電位差信号を出力したことを制御部２８に知らせる。
【００４２】
処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２は、受信装置１４から供給された電位差信号と定電流信号とを比較し、電流の波形に対する電位差の波形の抵抗R1及び位相差θ１を求める。そして、抵抗及び位相差算出手段３２は求めた抵抗R1及び位相差θ１を電流の周波数ｆ１とともに関係算出手段３３に送信する。
【００４３】
一方、測定部５は、電流信号と測定した電位差信号を処理部６に出力した後、制御部２８の命令に受けて、電流の周波数を変化（ｆ１→ｆ２）させて上述の測定を繰り返し行う。これにより、周波数を変えた測定用電流信号と測定した電位差信号が処理部６の抵抗及び位相差算出手段３２に供給される。そして、電流の周波数をｆ２に変えて上述の測定を行った結果、抵抗及び位相差算出手段３２が算出した抵抗がR２、位相差がθ２であったとすると、データとしてｆ２とR2及びθ２が関係算出手段３３に送信される。
【００４４】
そして、測定部５による周波数を変えた繰り返しの測定が終了すると、関係算出手段３３は制御部２８の命令を受けて周波数ｆと抵抗Ｒとの関係及び周波数ｆと位相差θとの関係を求める。例えば周波数がｆ１、ｆ２、…、ｆ１０のとき、抵抗がR１、R２、…、R１０、位相差がθ１、θ２、…、θ１０であったとすると、図８に示すような関係が求められる。
【００４５】
周波数と位相差との関係を図９及び図１０に示す。図９に示すように、位相差グラフは地盤２中に分極現象を発生する粘土鉱物が多く含まれるほど大きくなる（図９のＡ→Ｂ→Ｃの順）。また、図１０に示すように、分極現象を発生する粘土鉱物を含む地盤２の性質（間隙率、鉱物の配列構造）、物理的な性質（例えば含水率）等により、位相差グラフのピーク周波数の値ｆｍａｘは変化する。このため、地盤２の種類が変われば位相差グラフも変化する。また、周波数と抵抗との関係を示す抵抗グラフも地盤２の種類が変われば変化する。したがって、測定によって図８に示すような関係を求めることで、地盤２を判別することができる。
【００４６】
本実施形態では、各種サンプル地盤２について予め周波数と位相差との関係及び周波数と抵抗との関係を求めておき、それらを関係データとして記憶手段２９に記憶してあるので、判別手段３４は記憶手段２９にアクセスし、記憶されている関係データと関係算出手段３３が算出した周波数と位相差との関係及び周波数と抵抗との関係を対比し、測定対象地盤２を判別する。例えば、位相差グラフのピーク周波数の値ｆｍａｘと、当該周波数における位相差の大きさθｍａｘと、周波数と抵抗との関係とに基づいて測定対象地盤２を判別する。例えば、ｆｍａｘと、θｍａｘ、周波数と抵抗との関係とが一致又は近似するサンプル地盤２を、測定対象地盤２と判断する。このようにすることで、高精度の判別を行うことができる。特に、周波数と位相差との関係及び周波数と抵抗との関係という２つの関係に基づいて判別を行うので、非常に高精度の判別を行うことができる。
【００４７】
なお、周波数ｆと位相差θとの関係には、（１）ｆｍａｘとθｍａｘの組み合わせ、の他に、（２）ｆｍａｘのみ、（３）θｍａｘのみ、（４）これらと位相差グラフの形状との組み合わせ、（５）位相差グラフの形状のみ、が含まれる。
【００４８】
したがって、例えば地盤判別の精度にそれ程高い精度が要求されない場合等には、ｆｍａｘとθｍａｘのうち、いずれか一方にのみ基づいて地盤２を判別しても良い。また、例えば地盤２中に含まれる粘土鉱物の多少を判別することを目的にする場合等には、θｍａｘに基づいて地盤２の判別を行っても良い。さらに、例えば粘土鉱物を含む地盤２の性質（間隙率、鉱物の配列構造）、物理的な性質（例えば含水率）等を判別することを目的にする場合等には、ｆｍａｘに基づいて地盤２の判別を行っても良い。
【００４９】
また、周波数と位相差との関係については、位相差グラフの形状に基づいて地盤２を判別しても良い。例えば、各種サンプル地盤２について予め周波数と位相差との関係を求めて位相差グラフを求めておき、これらを関係データとして記憶手段２９に記憶しておく。判別手段３４は記憶手段２９にアクセスし、記憶されている関係データと関係算出手段３３が求めた周波数と位相差との関係（ここでは位相差グラフの形状）を対比し、測定対象地盤２を判別する。例えば、位相差グラフの形状が一致又は近似するサンプル地盤を、測定対象地盤２と判断する。このようにすることで、高精度の判別を行うことができる。同様に、周波数と抵抗との関係についても、抵抗グラフの形状に基づいて地盤２を判別しても良い。
【００５０】
また、抵抗及び位相差グラフの形状に基づいて地盤２を判別する場合には、抵抗及び位相差グラフのフィッティングにより直流比抵抗Ｒ０、チャージアビリティｍ等を求め、これらに基づいて判別を行っても良い。
【００５１】
即ち、地盤２のスペクトルＩＰ（Induced-Polarization：分極）現象を説明する等価な電気回路モデルの一つとして、Cole-Coleモデル（コールコールモデル；Patron,1978）がある。これは数学的には複素数であり４つの未知数を含む数式１で示される。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここに、Ｒ０は直流比抵抗、ｍはチャージアビリティ（chargeability）、τは緩和の時定数（sec）、ｃは周波数依存係数、ωは角周波数、ｉは√(-1)である。
【００５４】
４つの未知数とは数式１中のＲ０、ｍ、τ、ｃのことであり、数学的には最小二乗法により観測した位相差（および抵抗）データに最もよく整合する“解”として求めることができる。物理的なイメージを、図１２に示す。図１２は、時間領域でみたＩＰ現象の概念図である。なお、図１２（ａ）は送信電流波形を、（ｂ）は受信電位波形をそれぞれ示している。
【００５５】
Ｒ０は直流電流に対する電位より求まる比抵抗（＝測定電位／直流電流）である。ｍは地盤２の充電効果(電荷を蓄える性質)の強さを表す指標で、過渡応答の積分値に関連する。τは分極現象の時間的な長さに関連し、時間領域でＩＰ現象を見た場合、電流を流している期間に地盤２に蓄えられた電荷が電流遮断後に地盤２から流れる電流により観測される電位波形、すなわち“過渡応答”の時間的な長さに関連する。ｃは分極の支配過程に伴う係数で、分極現象が単一の支配過程による場合はｃ＝１となる（そうでない場合ｃは１以下になる）。分極現象の支配過程としては、鉱石と地下水中のイオンとの電荷の移動過程、電気二重層の充電・放電過程、電気二重層の構造が変化するのに伴いイオンの拡散過程などがある（電気二重層とは鉱物粒子（固体）とそれを取り巻く地下水(液体)との境界面に形成されるイオン濃度が高い領域をいう）。
【００５６】
位相差グラフは、地盤２の含水率等によりｆｍａｘとθｍａｘが変化するだけではなく、グラフの山形の曲線形状（太さや対称性）も変化する。上記４つのパラメータからＩＰ特性をより詳細に数値的な指標として表すことができる。即ち、上記４つのパラメータを求め、これに基づいて測定対象地盤２の判別を行うことができる。例えば、各種サンプル地盤２について予め上記４つのパラメータを求めておき、これらを関係データとして記憶手段２９に記憶しておく。判別手段３４は記憶手段２９にアクセスし、記憶されている関係データと関係算出手段３３が求めた周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係（ここでは、上記４つのパラメータ）を対比し、測定対象地盤２を判別する。例えば、上記４つのパラメータが一致又は近似するサンプル地盤２を、測定対象地盤２と判断する。このようにすることで、さらに高精度の判別を行うことができる。
【００５７】
なお、図１２に示すような時間領域で計測した過渡応答曲線からＩＰ特性を求めることも可能ではある。しかし、この場合には次のような欠点がある。即ち、実際ノイズがあるフィールドでは、図１２（ｂ）で示すような過渡応答を計測するのはかなり困難である。また、測定システムそのものの周波数特性の補正を正確に行うのは困難である。これらに対し、測定に使用する定電流の周波数を変えて複数回測定を繰り返す手法（周波数領域での計測）は、ノイズに強く単一周波数ごとに確実にデータを計測していくことができる。
【００５８】
本実施形態では受信装置１４は４チャネルの受信チャネルを有しているので、同時に４箇所４対の電位電極４間の電位差を測定できる。このため、４箇所の電位差信号が一度に受信装置１４から抵抗及び位相差算出手段３２に供給され、抵抗及び位相差算出手段３２は４箇所の抵抗及び位相差を一度に算出する。そして、算出された４箇所の抵抗及び位相差は一度に関係算出手段３３に供給され、関係算出手段３３は４箇所についての周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を並行して求める。求められた４箇所についての周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係は判別手段３４に一度に供給され、判別手段３４では、４箇所について地盤２の判別を一度に行う。このように、受信チャネルを４チャネル有することで、一度に４箇所についての処理を行うことができるので、短時間で電気探査を終了することができる。
【００５９】
次に、電流電極３と電位電極４の組み合わせを変えて測定を行う場合について説明する。例えば、以下の（１）〜（３）の順序で測定を行う。
【００６０】
（１）まず、１つの測線７を選択し、１つの組み合わせの電流電極３に対し、電位電極４の組み合わせを変化させて測定を行う。電流電極３以外の測点８の電位電極４について、その組み合わせを変えて測定を行う（図１３（ａ））。なお、図１３の黒三角形は電位電極４となる測点８を、斜線の三角形は電流電極３となる測点８を、白色の三角形は測定に使用しない測点８を示している。また、Ｃ１，Ｐ１ａ等の文字は端子２５を示している。
【００６１】
（２）次に、電流電極３の組み合わせを変えて（１）の測定を繰り返す。全ての電流電極３の組み合わせについて測定を行う。これにより１つの測線７についての測定が終了する。（図１３（ｂ））
【００６２】
（３）次に、測線７を変えて（１）と（２）の測定を繰り返し行う。そして、全ての測線７について測定を行う。
【００６３】
表１に、１つの測線７についての電極３，４の組み合わせの変化を示す。なお、表１中の電極３，４についての番号は、測点８を意味する。例えば、番号１の電流電極３は、各測線７に設けられている６０箇所の測点８のうち１番目の測点８の電流電極３を意味し、番号６０の電位電極４は、各測線７に設けられている６０箇所の測点８のうち６０番目の測点８の電位電極４を意味する。
【００６４】
【表１】
【００６５】
４本の測線７のうち、最初にＡ測線７について測定を行う。例えば１回目の測定では１，２番目の測点８の電流電極３を選択し、電位電極４の組み合わせを変化させて測定を行う（表１のＡ）。なお、４チャネルを使用して測定を行うので、８回目の測定では１チャネルのみを使用する。
【００６６】
そして、１，２番目の測点８の電流電極３に対し、３〜６０番目の測点８の電位電極４を使用した測定が終了した後、電流電極３を１，３番目の測点８の電流電極３に変えて、２，４〜６０番目の測点８の電位電極４を使用して測定を行う（表１のＢ）。そして、１，３番目の測点８の電流電極３に対し、２，４〜６０番目の測点８の電位電極４を使用した測定が終了した後、さらに、電流電極３の組み合わせを変えて測定を行い、全ての電流電極３の組み合わせについて測定を行う（表１のＣ）。これにより、Ａ測線７についての測定が終了する。次に、同様の測定をＢ測線７→Ｃ測線７→Ｄ測線７についても行う。これにより、測定が終了する。
【００６７】
このように４本の測線７について測定を行うことで、地盤２についての周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差の関係を三次元的に求めることができる。そのイメージを図１４に示す。なお、図１４には、測線７が１本しか記載されていないが、測線７を複数設けることで地盤２中の周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係の空間分布を求めることができ、地盤２を三次元的に探査することができる。測定部５はコンピュータ制御によって自動的に電極切替装置９のリレー２３，２７を切替えるので、迅速に測定を行うことができ、電極２，３の組み合わせが多数あっても測定に要する期間を短くできる。
【００６８】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００６９】
例えば、上述の説明では、四極法のDipole-Dipole法の電極配置を例に説明したが、Dipole-Dipole法に限るものでなく、Wenner法、Eltran法、シュランベルジャー法でも良い。また、四極法に限るものではなく、二極法、三極法の電極配置でも良い。
【００７０】
なお、二極法の場合には、６０個の電流電極３のうちいずれか１つを電流遠電極として固定的に使用すると共に、６０個の電位電極４のうちいずれか１つを電位遠電極として固定的に使用することが考えられる。例えば、５９番目の電流電極３（５９番目の測点８の電流電極３をいう、以下同様）を電流遠電極として固定的に使用し、６０番目の電位電極４（６０番目の測点８の電位電極４をいう、以下同様）を電位遠電極として固定的に使用する。即ち、測線７が切り替わっても、例えば５９番目の電流電極３と６０番目の電位電極４は常に遠電極となる。この場合、電極切替装置９の電流電極３用の測点選択部２０の２つのスイッチ回路２４のうち、片方のスイッチ回路（例えばＣ２端子２５側の回路）２４の５９番目のリレー２７（５９番目の本線２１に接続された分岐線２６に設けられているリレー２７をいう、以下同様）をオン状態に維持すると共に、電位電極４用の測点選択部２０の８つのスイッチ回路２４のうち、１ｃｈ〜４ｃｈの片方のスイッチ回路（例えばＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃ、Ｐ２ｄ端子２５側の回路）２４の６０番目のリレー２７をオン状態に維持する。
【００７１】
また、三極法の場合には、６０個の電流電極３のうちいずれか１つを電流遠電極として固定的に使用することが考えられる。例えば、６０番目の電流電極３を電流遠電極として固定的に使用する。即ち、測線７が切り替わっても、例えば６０番目の電流電極４は常に遠電極となる。この場合、電極切替装置９の電流電極３用の測点選択部２０の２つのスイッチ回路２４のうち、片方のスイッチ回路（例えばＣ２端子２５側の回路）２４の６０番目のリレー２７をオン状態に維持する。
【００７２】
また、上述の説明では、測点８には電流電極３と電位電極４が別々に設置されていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、測点８に電流電極３と電位電極４を兼用する兼用電極を設置しても良い。
【００７３】
兼用電極を設置した場合の電極切替装置９を図１１に示す。この電極切替装置９の測線選択部１９と測点選択部２０は、兼用電極を送信装置１３又は前記受信装置１４に接続する経路の途中に設けられている。即ち、上述の電極切替装置９では、図５及び図６に示すように測線選択部１９と測点選択部２０を電流電極３用のものと電位電極４用のものとに分けていたが、図１１の電極切替装置９では、測線選択部１９と測点選択部２０とを共通にしている。測線選択部１９は、図５又は図６の測線選択部１９と同じ構成である。測点選択部２０は、測定に同時使用する電流電極３と電位電極４の合計数に合わせて１０個のスイッチ回路２４を備えている。より具体的には、送信装置１３に接続する２つのスイッチ回路２４（Ｃ１端子２５用とＣ２端子２５用）と、受信装置１４の１ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ａ端子２５用とＰ２ａ端子２５用）、２ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ｂ端子２５用とＰ２ｂ端子２５用）、３ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ｃ端子２５用とＰ２ｃ端子２５用）、４ｃｈに接続する２つのスイッチ回路２４（Ｐ１ｄ端子２５用とＰ２ｄ端子２５用）を備えている。各スイッチ回路２４は図７のスイッチ回路２４と同じである。また、兼用電極を使用することで電極３，４の数が全体として１／２になるので、接続端子１０の数も１／２となる。
【００７４】
例えば、Ａ測線７の１，２番目の兼用電極を電流電極３として、３，４番目の兼用電極を電位電極４（１ｃｈ）として、５，６番目の兼用電極を電位電極４（２ｃｈ）として、７，８番目の兼用電極を電位電極４（３ｃｈ）として、９，１０番目の兼用電極を電位電極４（４ｃｈ）としてそれぞれ使用する場合には、以下のリレー２３，２７をオン操作する。例えば、測点選択部２０のＣ１用スイッチ回路２４（Ｃ１端子２５用のスイッチ回路２４をいう、以下同様）の１番目のリレー２７、Ｃ２用スイッチ回路２４の２番目のリレー２７、Ｐ１ａ用スイッチ回路２４の３番目のリレー２７、Ｐ２ａ用スイッチ回路２４の４番目のリレー２７、Ｐ１ｂ用スイッチ回路２４の５番目のリレー２７、Ｐ２ｂ用スイッチ回路２４の６番目のリレー２７、Ｐ１ｃ用スイッチ回路２４の７番目のリレー２７、Ｐ２ｃ用スイッチ回路２４の８番目のリレー２７、Ｐ１ｄ用スイッチ回路２４の９番目のリレー２７、Ｐ２ｄ用スイッチ回路２４の１０番目のリレー２７をオン操作すると共に、測線選択部１９のＡ組のリレー２３を全てオン操作する。
【００７５】
兼用電極を使用する場合には、必要な電極の数を半分にできると共に、電極切替装置９の構成が簡単なものになり、電極の設置等の準備作業が容易になると共に、電極切替装置９の製造コストを安くすることができる。
【００７６】
また、上述の説明では、測線７として４本の測線７を設定していたが、設定する測線７の数は４本に限るものではない。例えば１本、２本、３本、５本以上でも良い。
【００７７】
また、上述の説明では、１本の測線７に６０箇所の測点８を設けたが、１本の測線７に設ける測点８の数は６０箇所に限るものではない。なお、測点８の数の増減に応じて電極切替装置９の接続端子１０や本線２１、リレー２３，２７等の数を増減させても良いが、測点８の数が電極切替装置９の接続端子１０や本線２１、リレー２３，２７等の数よりも少ない場合には、測点８に対応する接続端子１０や本線２１、リレー２３，２７等を使用し、余った接続端子１０、本線２１、リレー２３，２７等は不使用にすれば良い。
【００７８】
さらに、上述の説明では、地盤探査装置１が判別手段３４を備えていたが、判別手段３４を省略すると共に、関係算出手段３３によって求められた周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を出力装置３５に出力するようにしても良い。
【００７９】
また、上述の説明では、周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係の２つの関係に基づいて地盤２を判別していたが、必ずしもこれに限るものではなく、周波数と位相差の関係に基づいて地盤２を判別するようにしても良い。この場合には、判別の精度をある程度高く維持しつつ、計算量の減少により迅速に測定を行うことができる。
【００８０】
また、上述の説明では、本発明の電極切替装置９を、周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係に基づいて地盤２を判別する地盤探査装置１及び地盤探査方法に適用する場合について説明していたが、適用可能な地盤探査装置及び地盤探査方法はこれらに限るものではない。例えば、比抵抗に基づいて地盤２を判定する地盤探査装置及び地盤探査方法でも良く、その他の地盤探査装置及び地盤探査方法でも良い。つまり、複数の測線上に設置されている多数の電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極とを選択し、選択した電極の組み合わせを順次切替えて測定を繰り返し行う地盤探査装置及び地盤探査方法であれば適用可能である。
【００８１】
さらに、電極３，４として、地下貯蔵空洞等のロックボルトを利用しても良い。
【実施例１】
【００８２】
周波数と位相差との関係に基づいて地盤２を判別できることを確認するために、実験を行った。実験には、一定量の石炭灰に水量を調整し（含水率で２〜５０％）混ぜて締め硬めた試料を使用した。当該試料には、粘土サイズの微少粒子が多く含まれていた。周波数毎の位相差に加え、抵抗も測定した。
【００８３】
実験の結果を図１５に示す。図１５の（ａ）は含水率２％の試料、（ｂ）は含水率６％の試料、（ｃ）は含水率１０％の試料、（ｄ）は含水率１５％の試料、（ｅ）は含水率２０％の試料、（ｆ）は含水率３０％の試料、（ｇ）は含水率４０％の試料、（ｈ）は含水率５０％の試料、をそれぞれ使用した結果である。また、各図において、下向きの矢印は位相差グラフのピーク周波数を示す。
【００８４】
図１５からも明らかなように、ピーク周波数（矢印）の値（臨界周波数ｆｍａｘ）は含水率が大きくなるにしたがって高周波数側にシフトする傾向にあることを確認できた。また、ピーク周波数の位相差の大きさθｍａｘは含水率が大きくなるにしたがって増加する傾向にあること、含水率が１０％より小さくなるとθｍａｘが極端に減少することを確認できた。さらに、位相差グラフの形状は含水率によって異なることを確認できた。これらの結果、周波数と位相差の関係に基づいて、地盤２の含水率を判別できることを確認できた。即ち、ｆｍａｘ、θｍａｘ、ｆｍａｘとθｍａｘ（２つの組み合わせ）、グラフ形状、ｆｍａｘとグラフ形状（２つの組み合わせ）、θｍａｘとグラフ形状（２つの組み合わせ）、ｆｍａｘとθｍａｘとグラフ形状（３つの組み合わせ）、のいずれかによって地盤２の含水率を判別できることを確認できた。また、抵抗グラフの形状も図１５（ａ）〜（ｈ）で変化しているので、抵抗グラフの形状も併せて判断することで、より高精度の判別が可能であることを確認できた。
【実施例２】
【００８５】
周波数と位相差との関係に基づいて地盤２を高精度に判別できることを確認するために、実験を行った。実験には、泥岩試料と砂岩試料を使用した。比較のため、比抵抗についても測定した。
【００８６】
実験の結果を図１６に示す。図１６の（ａ）は泥岩試料、（ｂ）は粗粒砂岩試料である。泥岩試料と砂岩試料とを比較すると、比抵抗グラフ同士のよりも、位相差グラフ同士の差の方が大きいことがわかった。この結果、比抵抗グラフに基づいて判別を行うよりも位相差グラフに基づいて判別を行った方が、泥岩試料と砂岩試料との区別が容易であり、より高精度に判別できることを確認できた。また、比抵抗グラフについても泥岩試料と砂岩試料とでは差があるので、位相差グラフと比抵抗グラフの両者に基づいて判別を行うことで、さらに高精度に判別できることを確認できた。
【００８７】
図１６（ａ）は、直流比抵抗Ｒ０＝１９５．５、チャージアビリティｍ＝０．５６２０、緩和の時定数τ＝７．３４３０Ｅ−０３、周波数依存係数ｃ＝０．６３２４、（ｂ）は、直流比抵抗Ｒ０＝３７４．９、チャージアビリティｍ＝０．０９８４、緩和の時定数τ＝０．５７４７、周波数依存係数ｃ＝０．１５０５である。
【００８８】
なお、図１６の理論値のグラフは以下のように求めた。即ち、上述のCole-Coleモデルを表す数式１にはＩＰ現象の強度や性質を示す指標となる４つの未知数Ｒ０、ｍ、τ、ｃがあったが、数学的には最小二乗法により、観測した位相差、比抵抗データに最もよく整合する“解”として求めることができる。数学的に具体的な解法は、以下の通りである。
【００８９】
試料と等価な理論モデルのインピーダンスＺは、周波数ωとモデルパラメータＰ１，Ｐ２，・・・Ｐｎの関数であり、周波数ωｉにおける実測インピーダンスをとすれば数式２で表すことが出来る。
【００９０】
【数２】
【００９１】
Ｚは非線形関数であるので、多変数関数のテーラー展開を利用して線形化近似すると数式３が得られる。
【００９２】
【数３】
【００９３】
ここで、Ｐ０ｊは真の等価モデルのパラメータ値、Ｐｊは初期推測モデルとして与えたパラメータ値でありその差をΔＰｊとおけば数式４となる。
【００９４】
【数４】
【００９５】
いま、Ｚ０ｉ、Ｚｉは複素数であり、その絶対値｜Ｚ｜と位相角θとを用いて、数式５と表されることから、対数変換を行って絶対値と位相角とを分離して取扱う。すなわち、数式６であり、数式７，８となる。
【００９６】
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
【００９７】
このとき，データ数がｎ個、パラメータＰｊがｍ個の場合（ｎ≧ｍ）、Ａは２ｎ行ｍ列の行列を構成している。したがって、数式９，数式１０，数式１１とおけば、数式１２と表される。
【００９８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【００９９】
最小二乗法を用いてｂからｙを安定に求めるために、正則化一般逆行列を作用させた数式１３を用いる。
【０１００】
【数１３】
ここで、Ｉは恒等行列、λはダンピングファクタなどと呼ばれる正の定数である。
【０１０１】
Ｐ０ｊはｙｉとの数式１４の関係から求められ、計算はＲＭＳ残差が小さくなるまで反復して行う。
【数１４】
【０１０２】
なお、回帰分析の分散分析において、観測値(実験data)と理論値(数式による計算値)との残差の平方和（平方和sum of squares）を自由度で割ったものが平均平方 Mean Square、この√をとったものが、root mean square (RMS)となり、数式１５で表します。
【数１５】
ここで、ρａｉｆは測定値、ρａｉｃは計算値、Ｎは全測定データ数である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の電極切替装置を適用した地盤探査装置の実施形態の一例を示すブロック図である。
【図２】同地盤探査装置の測定部を示すブロック図である。
【図３】電流電極を設置した地盤の断面図である。
【図４】電位電極を設置した地盤の断面図である。
【図５】本発明の電極切替装置の実施形態の一例を示し、電流電極側の測線選択部と測点選択部のブロック図である。
【図６】本発明の電極切替装置の実施形態の一例を示し、電位電極側の測線選択部と測点選択部のブロック図である。
【図７】測点選択部のスイッチ回路を示す図である。
【図８】周波数と抵抗との関係及び周波数と位相差との関係を示す概念図である。
【図９】位相差グラフが地盤に含まれる粘土鉱物の量によって変化する様子を示す図である。
【図１０】位相差グラフが地盤の含水率等によって変化する様子を示す図である。
【図１１】電極切替装置の他の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】時間領域でみたＩＰ現象の概念を示し、（ａ）は送信電流波形を示す図、（ｂ）は受信電位波形を示す図である。
【図１３】スペクトルＩＰ法による測定の概念を示し、（ａ）は電流電極を固定して電位電極を順番に変化させながら測定を行う様子を示す概念図、(ｂ）は電流電極を変化させて（ａ）の測定を繰り返し行う様子を示す概念図である。
【図１４】地盤の周波数と位相差との関係を三次元的に求める概念を示す図である。
【図１５】周波数と位相差との関係に基づいて地盤を判別できること確認する実験の結果を示し、（ａ）は含水率２％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｂ）は含水率６％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｃ）は含水率１０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｄ）は含水率１５％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｅ）は含水率２０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｆ）は含水率３０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｇ）は含水率４０％の試料を使用した結果を示すグラフ、（ｈ）は含水率５０％の試料を使用した結果を示すグラフである。
【図１６】周波数と位相差との関係に基づいて地盤を高精度に判別できることを確認する実験の結果を示し、（ａ）は泥岩試料を使用した結果を示すグラフ、（ｂ）は粗粒砂岩試料を使用した結果を示すグラフである。
【図１７】従来の電極切替装置の原理を示す図である。
【図１８】従来の電極切替装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
【０１０４】
７ 測線
８ 測点
３ 電流電極
４ 電位電極
１３ 送信装置
１４ 受信装置
９ 電極切替装置
１０ 接続端子
１９ 測線選択部
２０ 測点選択部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測線上の複数の測点にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択し、選択した電流電極に通じる導線を送信装置に接続すると共に、選択した電位電極に通じる導線を受信装置に接続する電極切替装置において、前記導線を接続する接続端子を複数の測線に対応する数だけ設けて複数の測線の電極を接続可能とし、複数の測線の中から測定に使用する１本の測線を選択して接続を切替える測線選択部と、測定に使用する測点を選択して接続を切替える測点選択部を備えることを特徴とする電極切替装置。
【請求項２】
前記測点には電流電極と電位電極を兼用する兼用電極が設置されており、前記測線選択部と前記測点選択部は、前記兼用電極を前記送信装置又は前記受信装置に接続する経路の途中に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電極切替装置。
【請求項３】
前記測点には電流電極と電位電極が別々に設置されており、前記測線選択部と前記測点選択部は、前記電流電極を前記送信装置に接続する経路の途中と前記電位電極を前記受信装置に接続する経路の途中のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項１記載の電極切替装置。
【請求項４】
前記測点選択部は前記測点の中から遠電極とする測点を選択し、選択した遠電極測点の接続状態を維持することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電極切替装置。
【請求項５】
前記測点選択部は、全ての測点を順番に選択して接続を切替えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電極切替装置。
【請求項１】
測線上の複数の測点にそれぞれ設置された電極の中から測定に使用する電流電極と電位電極を選択し、選択した電流電極に通じる導線を送信装置に接続すると共に、選択した電位電極に通じる導線を受信装置に接続する電極切替装置において、前記導線を接続する接続端子を複数の測線に対応する数だけ設けて複数の測線の電極を接続可能とし、複数の測線の中から測定に使用する１本の測線を選択して接続を切替える測線選択部と、測定に使用する測点を選択して接続を切替える測点選択部を備えることを特徴とする電極切替装置。
【請求項２】
前記測点には電流電極と電位電極を兼用する兼用電極が設置されており、前記測線選択部と前記測点選択部は、前記兼用電極を前記送信装置又は前記受信装置に接続する経路の途中に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電極切替装置。
【請求項３】
前記測点には電流電極と電位電極が別々に設置されており、前記測線選択部と前記測点選択部は、前記電流電極を前記送信装置に接続する経路の途中と前記電位電極を前記受信装置に接続する経路の途中のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項１記載の電極切替装置。
【請求項４】
前記測点選択部は前記測点の中から遠電極とする測点を選択し、選択した遠電極測点の接続状態を維持することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電極切替装置。
【請求項５】
前記測点選択部は、全ての測点を順番に選択して接続を切替えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電極切替装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１４】
【公開番号】特開２００６−１７７８０７（Ｐ２００６−１７７８０７Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７２１１６（Ｐ２００４−３７２１１６）
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
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