[P-PS09] 月の科学と探査

[PPS09-P15] マルチオフセット地下レーダー観測による月地下浅部地下構造定量推定手法の検討

*神田 恵太朗¹、熊本 篤志¹、石山 謙²、春山 純一³、加藤 雄人¹ (1.東北大学、2.東京国際工科専門職大学、3.JAXA)

キーワード：月、地下レーダー、地下探査、FDTDシミュレーション

月の表面では，flood basalt fillingと呼ばれる噴火様式で形成された，海領域で典型的に見られるような厚さ数十メートルの溶岩層に加えて，basaltic plain type volcanismと呼ばれる，flood basalt fillingの後に起きる比較的小規模で断続的な噴火で形成された，厚さ数メートル程度の薄い溶岩層も残されている[Greely, 1975; Gifford and El-Baz, 1981]．これらの溶岩層の厚さと時間的な発達は、光学カメラ[Hiesinger et al, 2002; Robinson et al, 2012]、地中サウンダー[Oshigami et al, 2014]、地中レーダー[Yuan et al, 2021; Feng et al, 2023]による観測によって調査されてきた。地下レーダ観測は，露頭になっていない地下に埋没した溶岩層を探査できる利点がある．一方で，これまで月探査で用いられてきたような送信アンテナと受信アンテナをどちらも同じ探査機に搭載し，送受信点間距離を一定に保ったまま探査機が移動する，common offset観測では，原理的に電波伝搬速度を定量決定できないため，地下構造の深さの推定値が仮定する誘電率によって変わってくる問題があった．一方，地球上で用いられる地中レーダでは，送信アンテナと受信アンテナを別々の場所に配置し，異なる送受信点間距離でmulti offset観測を行うことで地下媒質の電波伝搬速度を推定することができている．[Daniels, 2004]．
本研究の目的は，地下レーダーアレイ観測に基づいて月地下構造を定量的に推定する手法を開発することである．我々はFDTDシミュレーションによる模擬観測データの作成と，模擬観測データの解析による地下構造モデルの電波伝搬速度構造の推定を行った．FDTDシミュレーションの計算にはgprMax [Warren et al., 2016]を利用した．5 m程度の数層の薄い溶岩層の上にレゴリスが堆積した領域の探査を想定し，地下構造モデルを作成した．観測点は21点で，アンテナ設置間隔は0.5m，1m，2mの３ケースで計算し比較した．今回はNMO方程式[Dix, 1955]を利用して，得られた模擬観測データから往復伝搬時間t₀と伝搬中の平均伝搬速度V_rmsを推定した．また，推定されたt₀とV_rmsから溶岩層の埋没深さと溶岩層中の誘電率を推定し，地下構造モデルの設定と比較した．その結果，アンテナ間隔1m, 2 mのケースでは地下10~35mまで地下構造モデルと整合的な深さ（誤差10%程度以内）が得られた．一方アンテナ間隔0.5 mのケースでは地下10～25mでは地下構造モデルと整合的な深さが決定されたが，より深い領域では誤差30%以上の深さが決定された．これらの結果から，深い地下構造まで高精度で決定するためには，長いアレイ基線を要することが示唆される．一方で，誤差10%以内で深さの推定に成功している溶岩層でも，伝搬速度，誘電率の決定誤差はそれぞれ10%～30%，20~50%程度の推定結果になった．これは，深い層ほどV_rmsの誤差が大きくなっていくため，各層までのV_rmsの相違からDixの式で求めた各層の速度ではさらに誤差が拡大することによるものと考えられ，NMO方程式による速度構造解析は地下境界面の深さを定量推定する方法として有効 だが，より高精度の伝搬速度，誘電率推定のためには別手法の適用も検討していく必要がある．