2012 Conductivity 年 Anomaly 研 究 会 論 文 集,31-36 漏 洩 電 流 の 影 響 の 大 きい MT 応 答 関 数 の 改 善 について(2) -Network-MT 電 場 データの 前 処 理 - 村 上 英 記 高 知 大 学 教 育 研 究 部 自 然 科 学 系 理 学 部 部 門 Improvement of MT response function contaminated by leake currents (2) -Preprocessing method of electric field data of Network MT- Hideki Murakami Natural Science Cluster-Science Unit, Research and Education Faculty, National University Corporation Kochi University Abstract We proposed a preprocessing method of Network-MT electric field data contaminated by railway leake currents using principal component analysis to improve MT response functions in the previous report. In this study we describe the properties of the method in detail. We merge two sets of Network-MT data, which contain common noise sources. Increasing the number of original variables in principal component analysis leads to increasing the number of principal components and a better effect on separating noise components. In the analysis of the central Japan Network-MT data, the first principal component contains the electrical current components of flowing in opposite directions from the common electrode of each Network-MT site. We remove the first principal component as a noise component and reconstruct electric field data. This procedure improves MT response functions. However, there is the difference in the degree of improvement in the two sites. It is necessary to investigate methods to reduce railway leake currents. 1. はじめに 広 域 の 地 下 電 気 伝 導 度 構 造 を 推 定 するために 開 発 された Network-MT 法 を 用 いて 日 本 列 島 スケール での 比 抵 抗 構 造 を 推 定 する 試 みが 実 施 されている( 例 えば,Uyeshima et al.,2002; 最 上 ほか,2009; 臼 井 ほか,2010) Network-MT 法 では,NTT の 専 用 回 線 を 利 用 した 長 基 線 での 電 位 差 計 測 をおこなう ため S/N 比 の 高 いインピーダンス 推 定 がおこなえることが 特 徴 になっている しかし, 都 市 近 傍 ではと りわけ 直 流 電 車 からの 漏 洩 電 流 のため S/N 比 が 悪 く 良 好 なインピーダンス 推 定 が 困 難 な 地 域 もある ま た, 表 層 の 比 抵 抗 値 が 大 きい 地 域 では, 直 流 電 車 の 路 線 から 離 れていても S/N 比 が 悪 くインピーダンス 推 定 が 良 好 でない 地 域 もある 村 上 ほか(2011)では, 最 上 ほか(2009)で 報 告 されている 中 部 地 方 の Network-MT 観 測 において 漏 洩 電 流 の 影 響 が 大 きく 解 析 に 不 適 切 として 解 析 から 除 かれた 観 測 点 の 電 場 データの 改 善 をするための 前 処 理 として 主 成 分 分 析 を 使 用 する 方 法 を 提 案 した 本 報 告 では, 主 成 分 分 析 を 前 処 理 として 使 用 することで 電 場 データがどのように 改 善 されているのか について 検 討 を 加 えたのでその 結 果 について 報 告 する 31
2. Network-MT 電 場 データの 前 処 理 村 上 ほか(2011)では, 最 上 ほか(2009)で 報 告 されている Network-MT 観 測 電 場 データの 中 で 直 流 電 車 の 漏 洩 電 流 の 影 響 が 大 きい 飛 騨 萩 原 下 呂 飛 騨 竹 原 加 子 母 付 知 美 濃 福 岡 阿 木 について 検 討 を おこない, 特 に 漏 洩 電 流 の 影 響 の 大 きい 美 濃 福 岡 と 阿 木 について 検 討 結 果 を 報 告 した 美 濃 福 岡 と 阿 木 の 日 中 の 直 流 電 車 からの 漏 洩 電 流 の 影 響 が 大 きく, 美 濃 福 岡 では 600mV/km, 阿 木 で は 約 200mV/km である そのため, 比 較 的 ノイズの 小 さな 夜 間 (0 時 -5 時 )のデータを 用 いて 以 下 の 前 処 理 をおこなった; 1) 各 Network-MT 観 測 点 の 6ch から 8ch のデータについて 主 成 分 分 析 をおこなう 2) 次 に, 隣 接 する2 観 測 点 の 主 成 分 間 の 単 純 相 関 を 求 め, 第 1 主 成 分 の 相 関 係 数 が 0.9 以 上 であ れば 同 一 のソース 源 (とりわけノイズ)を 持 ったグループとする 飛 騨 萩 原 - 下 呂 : 第 1 主 成 分 (-0.63) 下 呂 - 飛 騨 竹 原 : 第 1 主 成 分 (0.65) 飛 騨 竹 原 - 加 子 母 : 第 1 主 成 分 (0.97), 第 2 主 成 分 (-0.55) 加 子 母 - 付 知 : 第 1 主 成 分 (0.99), 第 2 主 成 分 (0.95) 付 知 - 美 濃 福 岡 : 第 1 主 成 分 (0.59), 第 2 主 成 分 (-0.57) 美 濃 福 岡 - 阿 木 : 第 1 主 成 分 (0.96), 第 2 主 成 分 (0.69) 3)グループ 化 した2 観 測 点 のデータをマージしてあらためて 主 成 分 分 析 をおこなう 4) 第 1 主 成 分 をノイズとして 削 除 し, 各 測 線 の 計 測 データを 復 元 する 上 記 の 前 処 理 をおこなった 電 場 データ 30 日 分 と 柿 岡 地 磁 気 観 測 所 の 磁 場 データを 用 いて BIRRP (Chave and Thomson,2004)を 用 いて MT 応 答 関 数 を 計 算 した 村 上 ほか(2011)では, 全 日 の 生 データ を 30 日 分 使 用 した 場 合 と 夜 間 値 30 日 分 について 前 処 理 した 結 果 について 比 較 し, 前 処 理 をすることで 美 濃 福 岡 については MT 応 答 関 数 のバラツキや 推 定 誤 差 が 小 さくなることを 報 告 した 改 めて 前 処 理 の 効 果 を 見 るために, 夜 間 値 30 日 分 の 電 場 データ, 前 処 理 をした 夜 間 値 30 日 分, 夜 間 値 128 日 分 の3つのケースについて 求 めた 美 濃 福 岡 の MT 応 答 関 数 を 第 1 図 に 示 す ρyx ρxy θyx θxy Fig.1 MT response functions of Mino-fukuoka using 30-day night data (right), 30-day night data with the preprocessing (center), and 128-day night data (right). 32
夜 間 値 30 日 分 と 夜 間 値 128 日 分 を 用 いた 結 果 では,128 日 分 のほうが MT 応 答 関 数 のバラツキやエ ラーバーの 大 きさが 幾 分 改 善 される 傾 向 が 見 えるが 大 きな 改 善 は 見 られない 30 日 分 の 夜 間 値 に 前 処 理 をした 結 果 は,MT 応 答 関 数 のバラツキやエラーバー 伴 に 改 善 効 果 が 大 きいことがわかる 阿 木 の 夜 間 30 日, 前 処 理 をした 夜 間 30 日, 夜 間 128 日 のデータを 用 いて 計 算 した MT 応 答 関 数 を 第 2 図 に 示 す Fig.2 MT response functions of Agi using 30-day night data (right), 30-day night data with the preprocessing (center), and 128-day night data (right). 阿 木 については 30 日 分 から 128 日 分 にデータを 増 やすことで 見 掛 け 比 抵 抗 や 位 相 のバラツキが 小 さ くなる 傾 向 は 見 えるもののエラーバーはまだ 大 きい 前 処 理 を 施 した 結 果 は,128 日 分 のデータを 用 い た 結 果 よりもバラツキが 小 さくなっている 成 分 もあるが,バラツキやエラーバーの 大 きさはほぼ 同 程 度 であり 美 濃 福 岡 のように 大 きな 改 善 は 見 られない 3. 主 成 分 分 析 によるノイズ 軽 減 効 果 前 処 理 においてポイントになるのはグルーピングと, 主 成 分 分 析 による 第 1 主 成 分 の 除 去 である こ れらがどのようにノイズ 軽 減 に 結 びついているのかについて 検 討 する 表 1に 美 濃 福 岡 と 阿 木 の 観 測 点 について 主 成 分 分 析 した 結 果 を, 表 2に 美 濃 福 岡 と 阿 木 のデータをまとめて 主 成 分 分 析 をした 際 の 結 果 を 示 す 表 に 示 す 数 値 は, 主 成 分 (zi)の 線 形 結 合 として 観 測 値 ( 標 準 化 された 電 場 E i)を 表 す 際 の 係 数 aij であり 次 式 の 係 数 である ' ' ' i i1 1 i2 2 i16 16 z a E a E a E i 1,,16 ' i 1i 1 2i 2 16i 16 E a z a z a z i 1,,16 表 1に 示 す 美 濃 福 岡 の 第 1 主 成 分 の 係 数 を 見 ると ch1( 北 側 - 中 心 局 -)と ch3( 南 側 - 中 心 局 -)の 係 数 は 異 符 号 であるが,ch2( 東 側 - 中 心 局 -)と ch4( 西 側 - 中 心 局 -)の 係 数 は 同 符 号 になっている 第 1 主 成 分 の 東 西 方 向 については, 中 心 局 に 電 流 が 流 れるあるいは 中 心 局 から 東 西 に 電 流 が 流 れ 出 しているという 状 33
Table 1. Principal component analysis results of Mino-fukuoka data and Agi data PCA1 PCA2 PCA3 mino(ch1:n) 0.372 0.015-0.210 mino(ch2:e;n53e) 0.352-0.369 0.368 mino(ch3:s) -0.371 0.035-0.263 mino(ch4:w) 0.317 0.610 0.105 mino(ch5) 0.357 0.302-0.626 mino(ch6) 0.320-0.585-0.462 mino(ch7) 0.369-0.134 0.297 mino(ch8) 0.366 0.198 0.216 agi(ch1:n) 0.386-0.108-0.884 agi(ch2:e) 0.182-0.630 0.027 agi(ch3:s) -0.411-0.020-0.328 agi(ch4:w) 0.385 0.256-0.028 agi(ch5:n-s) 0.413 0.003 0.174 agi(ch6:e-w) -0.176-0.635 0.042 agi(ch7) 0.366-0.322 0.229 Table 2. Principal component analysis result of Mino-fukuoka-Agi data PCA1 PCA2 PCA3 mino(ch1:n) 0.277-0.040 0.039 mino(ch2:e;n53e) 0.257-0.183 0.429 mino(ch3:s) -0.276 0.037-0.168 mino(ch4:w) 0.246 0.241-0.410 mino(ch5) 0.270 0.070-0.257 mino(ch6) 0.228-0.310 0.477 mino(ch7) 0.273-0.080 0.247 mino(ch8) 0.276 0.062-0.035 agi(ch1:n) -0.250-0.150 0.061 agi(ch2:e) -0.102-0.579-0.253 agi(ch3:s) 0.276 0.041-0.096 agi(ch4:w) -0.265 0.172 0.200 agi(ch5:n-s) -0.276-0.056 0.093 agi(ch6:e-w) 0.137-0.534-0.331 agi(ch7) -0.235-0.335-0.072 agi(ch8) -0.275 0.062 0.148 34
況 を 表 している そのため 磁 場 による 誘 導 電 場 を 表 す 成 分 とは 考 えにくくノイズ 項 と 考 えられる 他 の 主 要 成 分 である 第 2 主 成 分 および 第 3 主 成 分 についても 南 北 あるいは 東 西 で 係 数 が 同 符 号 になってい る 組 み 合 わせがあり 期 待 される 電 場 を 表 現 しているとは 言 えない 阿 木 についても 第 1 主 成 分 の 東 西 成 分 の 係 数 は 同 符 号 であるためノイズ 項 と 考 えることができる 阿 木 の 第 2 主 成 分 および 第 3 主 成 分 につ いても 美 濃 福 岡 と 同 様 である 表 2は 美 濃 福 岡 と 阿 木 のデータをまとめて 主 成 分 分 析 した 結 果 である 第 1 主 成 分 について 見 ると 美 濃 福 岡 でも 阿 木 でも 南 北 方 向 の 成 分 は 異 符 号 で 東 西 成 分 は 同 符 号 になっている しかし, 第 2 主 成 分 と 第 3 主 成 分 に 関 しては, 個 別 に 主 成 分 分 析 をおこなった 表 1の 結 果 と 異 なり, 南 北 方 向 および 東 西 成 分 の 係 数 はいずれも 異 符 号 になっている これらより 第 1 主 成 分 にノイズ 成 分 が 集 約 される 結 果 となって いると 考 えられる ノイズ 成 分 の 集 約 している 第 1 主 成 分 を 除 去 して 観 測 電 場 を 復 元 することで,ノイズの 軽 減 になった と 考 えられる しかし, 美 濃 福 岡 の MT 応 答 関 数 はかなり 改 善 されたが, 阿 木 の MT 応 答 関 数 の 改 善 は 不 十 分 である 前 処 理 をした 30 日 分 の 夜 間 値 を 用 いて MT 応 答 関 数 を 計 算 したさいの 美 濃 福 岡 と 阿 木 についての prediction square coherence と zero coherence( 点 線 )そして 位 相 を 第 3 図 に 示 す Ex Ey coh 2 phase Fig.3 Prediction coherences and Phases using the preprocessing data. Mino-fukuoka (left) and Agi (right). The dashed lines on upper graphs show zero coherences. 4. まとめ 本 報 告 では, 村 上 ほか(2011)にて 報 告 した 漏 洩 電 流 の 影 響 の 大 きい Network-MT 法 電 場 データのノイ ズ 軽 減 のための 主 成 分 分 析 を 用 いた 前 処 理 手 法 の 効 果 についての 詳 細 を 検 討 した 隣 接 する 2 箇 所 の Network-MT 観 測 データを 一 緒 にして 主 成 分 分 析 をおこなうことで, 分 解 する 成 分 数 を 増 やすことでノ イズ 成 分 を 第 1 主 成 分 に 集 約 していることが 明 らかになった ただし,ここでノイズ 成 分 としているの は 中 心 局 に 流 れ 込 むあるいは 湧 き 出 すような 電 場 成 分 ( 東 西 方 向 )であり, 直 流 電 車 からの 漏 洩 電 流 そ のものではない 現 状 では 一 律 に 第 1 主 成 分 を 除 去 した 結 果, 漏 洩 電 流 のより 大 きな 美 濃 福 岡 の MT 応 答 関 数 の 改 善 は 35
進 んでいるが 阿 木 の MT 応 答 関 数 はあまり 改 善 されていない 美 濃 福 岡 と 阿 木 は JR 中 央 線 を 挟 んで 南 北 に 位 置 するという 特 性 を 考 慮 して 第 1 主 成 分 の 捨 て 方 や 第 2 主 成 分 や 第 3 主 成 分 についても 検 討 する 必 用 がある MT 応 答 関 数 の 計 算 には BIRRP(Chave and Thomson,2004)を 使 用 させていただいた 一 部 の 作 成 には GMT(Wessel and Smith,1998)を 利 用 させていただいた また, 解 析 用 の 地 磁 気 データとして 気 象 庁 柿 岡 地 磁 気 観 測 所 のデータを 利 用 させていただいたことを 感 謝 いたします 参 考 文 献 Chave,A.D., and D.J.Thomson, Bounded Influence estimation of magnetotelluric response functions. Geophysical Journal International, 157, 988-1006, 2004. 最 上 巴 恵 山 口 覚 上 嶋 誠 小 河 勉 臼 井 嘉 哉 村 上 英 記 丹 保 俊 哉 藤 浩 明 大 志 万 直 人 吉 村 令 慧 小 山 茂 望 月 裕, 中 部 地 方 新 潟 - 神 戸 歪 み 集 中 帯 周 辺 のネットワーク MT 観 測 - 石 川 高 松 - 阿 木 測 線 の 序 報 -. Conductivity Anomaly 研 究 会 論 文 集,44-51,2009. 村 上 英 記 最 上 巴 恵 山 口 覚 小 河 勉, 漏 洩 電 流 の 影 響 の 大 きい MT 応 答 関 数 の 改 善 について- Network-MT 電 場 データの 前 処 理 -. Conductivity Anomaly 研 究 会 論 文 集,45-52,2011. 臼 井 嘉 哉 上 嶋 誠 小 河 勉 吉 村 令 慧 大 志 万 直 人 山 口 覚 藤 浩 明 村 上 英 記 宇 都 智 史 兼 崎 弘 憲 望 戸 裕 司 相 澤 広 記 丹 保 俊 哉 最 上 巴 恵 小 川 康 雄 西 谷 忠 師 坂 中 伸 也 三 品 正 明 佐 藤 秀 幸 後 藤 忠 徳 笠 谷 貴 史 茂 木 透 山 谷 祐 介 原 田 誠 塩 崎 一 郎 本 蔵 義 守 小 山 茂 望 月 裕 峰 中 尾 節 郎 和 田 安 男 藤 田 安 良, 新 潟 - 神 戸 ひずみ 集 中 帯 における 深 部 比 抵 抗 構 造. Conductivity Anomaly 研 究 会 論 文 集,41-47,2010. Uyeshima,M., M.Ichiki, I.Fuji, H.Utada, Y.Nishida, H.Satoh, M.Mishina, T.Nishitani, S.Yamaguchi, I.Shiozaki, H.Murakami and N.Oshiman, Network-MT survey in Japan to determine nation-wide deep electrical conductivity structure. In:Y.Fujinawa and A.Yoshida(Eds.), Seismotectonics in Convergent Plate Boundary, pp.107-121, TERRAPUB,Tokyo,2002. Wessel, P., and W. H. F. Smith, New improved version of the Generic Mapping Tools released. EOS Trans. AGU, 79, 579, 1998. 36