JP3836933B2

JP3836933B2 - ノイズを除去する地震観測方法

Info

Publication number: JP3836933B2
Application number: JP7272097A
Authority: JP
Inventors: 海平高見沢; 匡浩百瀬
Original assignee: 株式会社高見沢サイバネティックス
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2017-03-10
Also published as: JPH10253766A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地震の観測に用いられる地震観測方法に関し、特に、地質調査、探鉱、活断層の調査等に用いられる人工地震、あるいは地滑りの原因や地震活動度を調査する微小地震観測に用いられる地震観測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ダイナマイトによる人工地震や、微小地震の振動を計測するのに、地震計による地震観測が行われてきた。その場合、１式の地震計、１個のセンサが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、人工地震はダイナマイトの発破により生じさせるが、かなり大量のダイナマイトを用いてもそれによる振動レベルはあまり高いものではなく、車両の走行や人間の歩行等の生活振動によるノイズの影響を受けやすかった。また、自然の地震であっても微小地震の振動の観測では、やはりノイズの影響を受けやすく、正確な観測が阻害されていた。
【０００４】
さらには、微小地震の観測では一定振動レベル以上の振動をトリガとして、地震計内の遅延回路によりトリガ作動の数秒前からの波形を記録するように工夫し、記録紙等の経済を図っているが、ノイズをトリガとして記録を開始してしまうことがよくあり、観測経済性が阻害されていた。
【０００５】
したがって本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、地震計で観測される振動のうちノイズ振動を確実に判別し、真の地震による振動のみを取り出すことのできる地震観測方法の提供を、その目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による地震観測方法は、地震計で計測される振動を周波数成分に対する強度レベルに分解し、該振動の所定周波数ｙ１ヘルツ成分の振動レベルをａｙ１デシベル、前記振動が地震による振動かノイズの振動かを判別する基準となる基準レベルをａｎデシベル、前記振動のピークを与える振動周波数ｆｐヘルツにおける振動レベルをａｐデシベルとしたとき、次式ｒｙ１＝（ａｙ１−ａｎ）／（ａｐ−ａｎ）×１００で与えられる、ｒｙ１パーセントが所定の値ｒ１パーセントを越える場合に、その振動をノイズと判別する。このとき、請求項２の方法のように、前記所定周波数ｙ１ヘルツが１５〜２５ヘルツの範囲内のいずれかの周波数、例えば２０ヘルツであってもよい。このとき、請求項３の方法のように、前記所定の値ｒ１パーセントが、５５〜６５パーセントのいずれかの値、例えば６０パーセントであってもよい。
【０００７】
このような方法では、振動の所定周波数ｙ１ヘルツ成分、例えば２０ヘルツの振動レベルと基準レベルとの差と、振動のピークの振動レベルと基準レベルとの差の比が、所定の値例えば６０パーセントを越えるか否かでノイズを判別し排除できる。
【０００８】
また、請求項４に記載の地震観測方法は、地震計で計測される振動を周波数成分に対する強度レベルに分解し、該振動が地震による振動かノイズの振動かを判別する基準となる基準レベルをａｎデシベル、前記振動のピークを与える振動周波数ｆｐヘルツにおける振動レベルをａｐデシベル、所定の比をｘパーセントとしたとき、式ａｘ＝ａｎ＋（ａｐ−ａｎ）×（ｘ／１００）で与えられる、ａｘデシベルにおける帯域幅Ｗヘルツが所定の周波数幅Ｗ１ヘルツを越える場合に、その振動をノイズと判別する。ここで、請求項５に記載のように、前記ｘパーセントが、６５〜７５パーセントの範囲内のいずれかの比であってもよく、請求項６に記載のように、前記所定の周波数幅Ｗ１ヘルツが、１０〜２０ヘルツのいずれかの値であってもよい。
【０００９】
このような方法では、振動の基準レベルと振動のピークにおける振動レベルとの間の所定の比、例えば７０パーセントの振動レベルにおける帯域幅ＷがＷ１例えば１５ヘルツを越えるか否かでノイズを判別し除去できる。
【００１０】
請求項７に係る発明による地震観測方法は、地震計で計測される振動を周波数成分に対する強度レベルに分解し、該振動の所定周波数ｙ１ヘルツ成分の振動レベルをａｙ１デシベル、前記振動が地震による振動かノイズの振動かを判別する基準となる基準レベルをａｎデシベル、前記振動のピークを与える振動周波数ｆｐヘルツにおける振動レベルをａｐデシベルとしたとき、式ｒｙ１＝（ａｙ１−ａｎ）／（ａｐ−ａｎ）×１００で与えられる、ｒｙ１パーセントが所定の値ｒ１パーセントを越える場合に、その振動をノイズと判別し、さらに、所定の比をｘパーセントとしたとき、式ａｘ＝ａｎ＋（ａｐ−ａｎ）×（ｘ／１００）で与えられる、ａｘデシベルにおける帯域幅Ｗヘルツが所定の周波数幅Ｗ１ヘルツを越える場合に、その振動をノイズと判別する。
【００１１】
このとき、請求項８に記載のように、前記所定周波数ｙ１ヘルツが１５〜２５ヘルツの範囲内のいずれかの周波数であり、前記所定の値ｒ１パーセントが、５５〜６５パーセントのいずれかの値であり、前記ｘパーセントが、６５〜７５パーセントの範囲内のいずれかの比であり、前記所定の周波数幅Ｗ１ヘルツが、１０〜２０ヘルツのいずれかの値であってもよい。
【００１２】
このような場合、２つの条件の重畳的な判別になるので、判別の精度が上がる。
【００１３】
また、請求項９に記載のように、さらに、ピーク周波数ｆｐヘルツが所定の周波数ｆ１を越える場合に、その振動をノイズと判定し、次式ａｄ＝ａｐ−ａｎで与えられる振動レベル差ａｄデシベルが、所定の値ａ１を越えない場合に、その振動をノイズと判定してもよい。
【００１４】
この場合、ピーク周波数ｆｐと、振動レベル差を判定条件に加えるので、さらに判定精度が上がる。
【００１５】
また、請求項１０に記載の地震観測方法のように、地震計で計測される前記振動を、水平方向について直交する２方向、その２方向に垂直な１方向の各々について計測するようにしてもよく、この場合サンプルが３倍でしかも振動方向が異なるデータに基づく判定が可能となり、さらに判定の精度が上がる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の発明者は、地震とノイズそれぞれの振動が有する特性を研究し、真の地震の振動とノイズの振動には特性上の差があることを見出した。即ち、（ａ）約２０ヘルツ前後の周波数の振動レベルがピークの振動レベルの６０％前後を境にして、真の地震とノイズの振動とが区別できること、（ｂ）真の地震の周波数は比較的低い領域例えば、チリ等遠方の地震は１ヘルツ前後、国内の地震の周波数は３ヘルツ前後にあり、一般的には３〜１０ヘルツが多く、ノイズは比較的高い周波数領域例えば１０〜２０ヘルツにあることが多いこと、（ｃ）７０％前後のレベルの帯域幅Ｗヘルツが、真の地震では比較的狭く例えば７ヘルツ前後が多いこと、ノイズでは１７ヘルツ前後が多いこと、（ｄ）振動のピーク値と基準レベルの差で、真の地震とノイズとを区別できる場合が多いこと、を見出した。このような知見に基づいて本発明はなされた。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、説明する。図８は、本発明に用いられる地震計システムの概要を示す図である。地震を観測したい地点に設置されるセンサ１と地震計本体２の間は、信号リード線４により接続されている。図中では、リード線は長いので途中で省略して示されている。地震計本体と計測されたデータを処理するコンピュータ３とは、電気的に接続されている。コンピュータ３は、観測された振動を周波数分析すること、また観測され又は分析された数値を設定値と比較して、所定の判定をすることができるように構成されている。
【００１８】
センサ１は、地面に水平な面上の直交する座標、東西方向Ｅ−Ｗ、南北方向Ｎ−Ｓ、地面に垂直な鉛直方向Ｕ−Ｄの合計３方向について、それぞれ振動を計測することができるように構成されている。また、検知する量は、振動加速度であるが、振動速度であってもよい。
【００１９】
地震計本体２は遅延回路を備えており、トリガとなる振動を検知し、その振動の検知された時刻の数秒前からの振動を記録できるように構成されている。
【００２０】
本発明の実施の形態では、地震計で計測された振動を周波数分析し、次の４項目について設定値と比較して、真の地震による振動か、ノイズの振動かを判別する。特に（３）の所定周波数例えば２０Ｈｚ前後の振動レベルｒ２０が設定値以上であるか以下であるかによる判別が最も顕著な判別法である。
【００２１】
さらに、４項目全てをＡＮＤ条件で充足した場合を真の地震とすると、信頼性は非常に高くなる。真の地震であるための条件を与える、４項目は以下の通りである。
【００２２】
（１）ピーク周波数が設定値以内であること。
【００２３】
（２）所定振動レベル％の帯域幅が設定値内であること。
【００２４】
（３）所定周波数における振動レベルが設定値以内であること。
【００２５】
（４）ピーク振動レベル値と基準レベル値の差が設定値以上であること。
【００２６】
このような項目の条件をはずれる振動はノイズによるものであるとして、除去し記録対称からはずすことができ、観測精度が上がると共に、記録の経済性も高めることができる。
【００２７】
また、各項目毎にノイズか地震かの判定はできるが、重畳的に用いることもできる。即ち、上記項目の条件を１つでもはずれる振動はノイズとして除去すればよい。あるいは、上記項目の条件を全て充足する振動を真の地震として、選び出せばよい。
【００２８】
次に、図１以下を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、地震計で計測された振動を周波数分析した結果を、横軸を周波数Ｈｚ（ヘルツ）、縦軸を振動レベルｄＢ（デシベル）で示す図である。本実施例では、センサ１で検知された、トリガ振動の時刻以前の３秒（３００サンプル）及びトリガの時刻以後の約７秒（７２３サンプル）分のデータを取り出して、コンピュータ３中の高速ＣＰＵによりフーリエ変換を行った。
【００２９】
図１中、ｆｐはピークの振動を与える周波数Ｈｚ、ａｐはピーク周波数ｆｐヘルツにおける振動レベル、ａｎは４０〜５０ヘルツの周波数成分に於ける振動レベルの平均値デシベルであり、これを基準レベルとする。ａ７０デシベルはピーク値ａｐと基準レベルａｎとの差の７０％を基準レベルに加えた値、即ちａ７０＝ａｎ＋（ａｐ−ａｎ）×（７０／１００）、ｒ２０パーセントは基準レベルａｎを０％、ピーク値ａｐを１００％としたときの、周波数成分２０Ｈｚでのレベル、即ちｒ２０＝（ａ２０−ａｎ）／（ａｐ−ａｎ）×１００、Ｗヘルツはａ７０以上の振動レベルを有する周波数の帯域幅、ａｄデシベルはピークレベルと基準レベルとの差、即ちａｄ＝ａｐ−ａｎ、である。
【００３０】
ここで各パラメータの性質を説明する。
【００３１】
ピーク周波数ｆｐヘルツ：地震のピーク周波数は、ほとんどの場合１〜１５ヘルツの間に分布している。計測した振動がこの条件を充足しているか否かを調べるため、ピーク周波数について、下限ｆｌｗヘルツと上限ｆｈｉ（本発明のｆ１）ヘルツを設定する。
【００３２】
７０％の帯域幅Ｗヘルツ：地震及びノイズ波形の周波数解析を行うと、地震の場合はＷが１５ヘルツ以下、ノイズの場合はＷが１０ヘルツ以上となっている場合が多い。計測した振動がこの条件を充足しているか否かを調べるため、Ｗの上限Ｗｍａｘ（本発明のＷ１）ヘルツを設定する。
【００３３】
２０ヘルツのレベルｒ２０：車などのノイズの場合、ｒ２０が６０％を越えることが多い。計測した振動がこの条件を充足しているか否かを調べるため、ｒ２０の上限ｒ２０ｍａｘデシベル（本発明のｒ１）を設定する。
【００３４】
ピーク値ａｐと基準レベルａｎとの差：計測された振動のピーク周波数の振動レベルが基準レベルの何倍に相当するかを調べるため、レベル差の下限ａｍｉｎ（本発明のａ１）デシベルを設定する。
【００３５】
以下、本発明の実施例である試験結果を示し説明する。本試験では、パラメータは以下のように設定した。
【００３６】
ｆｌｗ＝１ヘルツ
ｆｈｉ＝１５ヘルツ
Ｗｍａｘ＝１５ヘルツ
ｒ２０ｍａｘ＝６０％
ａｍｉｎ＝１０デシベル（基準レベルの約３倍）
サンプル数は、７６件（地震２４件、ノイズ４８件、不明４件）であった。試験の結果、地震と判定されたのは、３１件であり、ノイズと判定されたのは、４５件であった。即ち、実際のノイズ４８件中、４５件をノイズと判定しており、ノイズ判別精度は、本実施例の場合９２％であり、ノイズ除去の効果はかなり高かった。
【００３７】
本実施例では、ノイズが周波数の低域から高域まで（５〜２０ヘルツ）広く分布していることを利用しており、特に、比較的センサの近くで発生した車のノイズや衝撃性のノイズに対しては判別精度は高かった。
【００３８】
図２〜図７を参照して、具体的な試験結果を説明する。
【００３９】
図２は、周波数２０ヘルツの振動レベルｒ２０％と度数の関係を示す。横軸がｒ２０％であり、縦軸が各％幅に入るサンプルの度数である。図２で（ａ）は地震の場合、（ｂ）はノイズの場合を示す。（ａ）から分かるように、本実施例では、地震の場合ｒ２０は６０％より下であり、ノイズは５０％を越えていることが分かる。したがって、この条件だけでかなりの確率で判別できることが分かる。
【００４０】
図３は、ピーク周波数ｆｐと度数の関係を示す。横軸がｆｐヘルツであり、縦軸が各周波数幅に入るサンプルの度数である。図３で（ａ）は地震の場合、（ｂ）はノイズの場合を示す。（ａ）から分かるように、本実施例では、地震の場合ｆｐは１５ヘルツより下、またほとんどのサンプルは１２ヘルツより下であり、ノイズの場合は３ヘルツより上、多くのサンプルは９ヘルツを越えていることが分かる。したがって、この条件だけでは正確な判別はできないが、他の条件と組み合わせることで精度を高めることができることが分かる。
【００４１】
図４は、７０％帯域幅Ｗと度数の関係を示す。横軸がＷヘルツであり、縦軸が各周波数幅に入るサンプルの度数である。図４で（ａ）は地震の場合、（ｂ）はノイズの場合を示す。（ａ）から分かるように、本実施例では、地震の場合Ｗは１５ヘルツより下、また多くのサンプルは１２ヘルツより下であり、ノイズの場合は６ヘルツより上、多くのサンプルは１２ヘルツを越えていることが分かる。したがって、この条件だけでもある程度の判別が可能であり、さらに他の条件と組み合わせることで精度を高めることができることが分かる。
【００４２】
図５は、判定結果を示す。左欄のｓ０１４〜ｓ４２３はデータ番号であり、サンプル７６件に対応する。中央欄に人によるチェック結果、右欄にシミュレータによる判定結果を示す。図中、０がノイズと判定されたものであり、１が地震と判定されたもの、２が不明と判定されたものである。例えば、データ番号ｓ１１３では人によるチェック結果は地震かノイズか不明であるのに対して、シミュレータは地震と判定、データ番号ｓ４０５では人によるチェック結果はノイズであるのに対して、シミュレータは地震と判定している、等の僅かな差は認められるものの、ほとんどは一致しており、シミュレータの精度の高さについて、先に述べた結果が読みとれる。
【００４３】
図６と図７は、先の４項目即ち、（１）ピーク周波数、（２）所定振動レベル％の帯域幅、（３）周波数２０Ｈｚにおける振動レベル、（４）ピーク振動レベル値と基準レベル値の差、をそれぞれＥ−Ｗ、Ｎ−Ｓ、Ｕ−Ｄの３方向について判定した結果である。総合判定は、先の判定について地震であるとの判定をＡＮＤ条件でまとめたものである。図７は図６の続きの一覧表を示す図である。例えば、データ番号ｓ４０６では、最も信頼性の高い周波数２０Ｈｚにおける振動レベル３方向を含めてほとんどが地震の判定であるが、レベル値差Ｎ−Ｓがノイズの判定であり、そのため総合判定はノイズとなり、図５に示されるように、人のチェック結果と同じ結果になっている。
【００４４】
このように、前記４項目の条件をＡＮＤで処理することにより、正しい判定を得る可能性を高めている。
【００４５】
以上の実施例では、所定周波数ｙ１ヘルツを２０ヘルツとしたが、ｙ１は一つの基準であって、地震の種類、ノイズの種類によって適切に選定すればよく、またこのｙ１に応じて、適切なｒｙ１の判定用のｒｍａｘ（あるいはｒ１）を定めればよい。但し一般的には、１５〜２５ヘルツの範囲内のいずれかの周波数が望ましく、さらに望ましくは１７〜２３ヘルツ程度とする。
【００４６】
また、所定の値ｒ１パーセントは６０パーセントとしたが、これもｙ１に応じて適切な値を設定すればよく、６０％にはこだわらない。地震の種類、ノイズの種類によって適切に選定すればよい。但し一般的には、５５〜６５パーセントが望ましく、さらに望ましくは５７〜６３％程度とする。
【００４７】
また所定の比ｘは、７０％としたが、比ｘは一つの基準であって、地震の種類、ノイズの種類によって適切に選定すればよく、またこのｘに応じて、適切なＷｍａｘ（あるいはＷ１）を定めればよい。但し一般的には、６５〜７５％の範囲内のいずれかの比が望ましく、さらに望ましくは６７〜７３％程度とする。
【００４８】
また、所定の周波数幅Ｗ１は１５Ｈｚとしたが、Ｗ１は一つの基準であって、地震の種類、ノイズの種類によって適切に選定すればよい。但し一般的には、１０〜２０Ｈｚの範囲内のいずれかの周波数が望ましく、さらに望ましくは１２〜１８ヘルツ程度とする。
【００４９】
また、所定の周波数ｆ１は、１５Ｈｚとしたが、ｆ１は一つの基準であって、地震の種類、ノイズの種類によって適切に選定すればよい。但し一般的には、１０〜２０Ｈｚの範囲内のいずれかの周波数が望ましく、さらに望ましくは１２〜１８ヘルツ程度とする。
【００５０】
また所定の値ａ１は、１０ｄＢとしたが、ａ１は一つの基準であって、地震の種類、ノイズの種類によって適切に選定すればよい。但し一般的には、５〜１５Ｈｚの範囲内のいずれかの周波数が望ましく、さらに望ましくは８〜１３ｄＢ程度とする。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、地震計で計測される振動を周波数成分に対する振動レベルに分解し、該振動の所定周波数について、ピーク周波数、振動レベル％の帯域幅、振動レベル、ピーク振動レベル値と基準レベル値の差、に基づき地震による振動か、ノイズかを判断するので、地震計で観測される振動のうちノイズ振動を確実に判別し、真の地震による振動のみを取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる周波数分析の典型例を示す図である。
【図２】本発明の実施例のサンプルについて、２０Ｈｚでのレベル％と度数の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例のサンプルについて、ピーク周波数と度数の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例のサンプルについて、７０％帯域幅と度数の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例の総合判定結果を示す図である。
【図６】本発明の各データ番号で示されるサンプルの、個別判定結果と総合判定結果を示す図である。
【図７】図６の続きを示す図である。
【図８】本発明に用いられる地震計システムの概要を示す図である。
【符号の説明】
１センサ
２地震計本体
３コンピュータ

Claims

地震計で計測される振動を周波数成分に対する強度レベルに分解し、該振動の所定周波数ｙ１ヘルツ成分の振動レベルをａｙ１デシベル、前記振動が地震による振動かノイズの振動かを判別する基準となる基準レベルをａｎデシベル、前記振動のピークを与える振動周波数ｆｐヘルツにおける振動レベルをａｐデシベルとしたとき、次式
ｒｙ１＝（ａｙ１−ａｎ）／（ａｐ−ａｎ）×１００
で与えられる、ｒｙ１パーセントが所定の値ｒ１パーセントを越える場合に、その振動をノイズと判別する、地震観測方法。
前記所定周波数ｙ１ヘルツが１５〜２５ヘルツの範囲内のいずれかの周波数である、請求項１に記載の、地震観測方法。
前記所定の値ｒ１パーセントが、５５〜６５パーセントのいずれかの値である、請求項１または請求項２に記載の、地震観測方法。
地震計で計測される振動を周波数成分に対する強度レベルに分解し、該振動が地震による振動かノイズの振動かを判別する基準となる基準レベルをａｎデシベル、前記振動のピークを与える振動周波数ｆｐヘルツにおける振動レベルをａｐデシベル、所定の比をｘパーセントとしたとき、次式
ａｘ＝ａｎ＋（ａｐ−ａｎ）×（ｘ／１００）
で与えられる、ａｘデシベルにおける帯域幅Ｗヘルツが所定の周波数幅Ｗ１ヘルツを越える場合に、その振動をノイズと判別する、地震観測方法。
前記所定の比ｘパーセントが、６５〜７５パーセントの範囲内のいずれかの値である、請求項４に記載の、地震観測方法。
前記所定の周波数幅Ｗ１ヘルツが、１０〜２０ヘルツのいずれかの値である、請求項４または請求項５に記載の、地震観測方法。
地震計で計測される振動を周波数成分に対する強度レベルに分解し、該振動の所定周波数ｙ１ヘルツ成分の振動レベルをａｙ１デシベル、前記振動が地震による振動かノイズの振動かを判別する基準となる基準レベルをａｎデシベル、前記振動のピークを与える振動周波数ｆｐヘルツにおける振動レベルをａｐデシベルとしたとき、次式
ｒｙ１＝（ａｙ１−ａｎ）／（ａｐ−ａｎ）×１００
で与えられる、ｒｙ１パーセントが所定の値ｒ１パーセントを越える場合に、その振動をノイズと判別し、さらに、
所定の比をｘパーセントとしたとき、次式
ａｘ＝ａｎ＋（ａｐ−ａｎ）×（ｘ／１００）で与えられる、ａｘデシベルにおける帯域幅Ｗヘルツが所定の周波数幅Ｗ１ヘルツを越える場合に、その振動をノイズと判別する、地震観測方法。
前記所定周波数ｙ１ヘルツが１５〜２５ヘルツの範囲内のいずれかの周波数であり、前記所定の値ｒ１パーセントが、５５〜６５パーセントのいずれかの値であり、前記ｘパーセントが、６５〜７５パーセントの範囲内のいずれかの比であり、前記所定の周波数幅Ｗ１ヘルツが、１０〜２０ヘルツのいずれかの値である、請求項７に記載の、地震観測方法。
さらに、ピーク周波数ｆｐヘルツが所定の周波数ｆ１を越える場合に、その振動をノイズと判定し、次式
ａｄ＝ａｐ−ａｎ
で与えられる振動レベル差ａｄデシベルが、所定の値ａ１を越えない場合に、その振動をノイズと判定する、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の、地震観測方法。
地震計で計測される前記振動を、水平方向について直交する２方向、その２方向に垂直な１方向の各々について計測する、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の、地震観測方法。