남양주시 화도읍 묵현2리지역 전기비저항탐사 보고서

[정창화]

남양주시 화도읍 묵현2리지역

전기비저항탐사 보고서

2011년 6월 10일

이학박사 한원석 (현장 조사 및 분석 결과)

자원공학 박사 운종렬 (종합 분석 및 보고서 작성)

목 차

1. 개 요 1

1.1 탐사목적 1

1.2 탐사위치 및 기간 1

1.3 탐사장비 및 해석 Software 1

1.4 탐사현황2

2. 탐 사 방 법 3

2.1 토질 및 암석의 전기비저항 3

2.2 2차원 전기비저항탐사 3

2.3 해석방법 6

3. 탐사 결 과 7

3.1 쌍극자-쌍극자 배열법에 의한 해석결과 7

3.2 혼합 배열법에 의한 해석결과 8

3.3 종합분석 9

1. 개 요

1.1 탐사목적

본 전기비저항탐사는 경기도 남양주시 화도읍 묵현2리 일원 공동 예상지역을 대상으로 2차원 전기비저항탐사기법을 적용하여 향후 Trench 및 시추 조사 위치를 선정하고, 공동의 분포 및 규모특성을 파악하기 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

1.2 탐사위치 및 기간

- 탐사 위치: 경기도 남양주시 화도읍 묵현2리 459-1번지 일원

- 현장 조사: 2011년 6월 7일

- 실내 작업: 2011년 6월 8일 ~ 2011년 6월 10일

1.3 탐사장비 및 해석 Software

- 탐사장비

· TERRAMETER SAS4000 (ABEM, Sweden)

· Cable

· Steel electrodes

· Switch box

SAS 4000(ABEM, Sweden)	부속 장비

- 해석 Software

DIPRO for Windows V.4.0 (지질자원연구원)

1.4 탐사현황

경기도 남양주시 화도읍 일원 공동 예상지역에 대하여 2차원 전기비저항탐사를 수행하였다. 본 탐사는 육상에서 실시되었으며 측선당 19개의 전극을 3.0m 간격으로 설치하였다. 전극 배열 방식은 쌍극자-쌍극자(dipole-dipole) 방법 및 Wenner-Schlumberger 배열법을 혼용한 혼합배열법을 동시에 적용하여 해석자료를 비교함으로써 자료의 신뢰도를 높이고자 하였다. 송신원은 최소 20mA에서 최대 1000mA의 직류 전류를 사용하였다. 탐사에 사용된 각종 파라미터는 아래표에 정리하였다.

비저항탐사에서 측정된 저항값은 (식 2)를 통해 겉보기비저항값으로 환산되었으며, 이 겉보기비저항값 분포를 야기하는 지하모델을 역산방법(inversion method)을 이용하여 계산하였다. 역산에 이용된 소프트웨어는 한국지질자원연구원(KIGAM)의 DIPRO for Windows V.4.0 이다.

항 목	내 용	비 고
탐사 구간	STA 0+000 ~ 0+054 (L=54.0 m)
측선 전개	1 측선 당 19개 전극 (a=3.0 m 간격)
전극분리계수	Nmax = 8
전극 배열법	쌍극자-쌍극자배열(dipole-dipole array) 쌍극자-베너-슐럼버져(Wenner Schlumberger) 혼합배열
송 신 원	최대 1000 mA의 직류 전원

2. 탐사방법

2.1 토질 및 암석의 전기비저항

지구의 내부를 이루고 있는 암석들은 암석의 공극률(porosity), 공극내의 유체의 성질, 유체의 포화도(saturation), 조암광물의 종류, 암석 구성 입자의 크기 및 성질, 암석의 고화도, 점토광물의 존재 여부 등 암석 자체의 성질과 파쇄대, 균열대, 단층 등의 외부적인 요인에 의해 각기 다른 전기비저항 값을 갖게 된다. 전기비저항탐사에서는 이러한 지하의 전기비저항 분포를 알아내서 지하구조를 규명하게 된다.

전기비저항은 암석시료에 전류 를 흘려 보내고 시료의 양단에 걸리는 전압차를 측정하여 다음 식에 의하여 계산된다.

(ohm-m) (식1)

따라서 전기비저항 는 물체의 모양, 크기에는 관계없는 물체의 전기적 특성을 나타내는 것으로 단위는 ohm-m가 된다.

암석의 전기비저항에 영향을 주는 요소는 (1) 암석내의 유체 함량 및 공극의 연결성, (2) 유체의 이온 농도, (3) 유체의 온도, (4) 점토광물의 함량 등이다. 이중 유체 함량 및 공극의 연결성은 암석의 종류 및 지질학적 변형에 크게 좌우되므로 전기비저항탐사에서 가장 중요하게 고려되어야 할 사항이다.

2.2 2차원 전기비저항탐사

전기비저항탐사기는 전원과 연결되어 있는 전류계를 통해 두 개의 전류전극에 전원을 공급해준 후, 두 개의 전위전극과 연결되어 있는 전위계를 통해 전위차를 측정하여 저항값을 읽게 된다.

이를 지하매질과 연관하여 고찰하면 다음과 같다. 그림 3(a)와 같이 전기비저항이 균일한 지하매질에 전류 전극 과 를 통해 일정한 전류를 흘려주면, 이 전류 경로에 수직하게 같은 값의 전위를 갖는 등전위선이 지표면까지 형성된다. 이때 지표의 전위전극 과 사이에 전위계를 설치하여 두 전극사이의 전위차를 측정하면, 균질한 지하 매질의 정확한 참 비저항값을 알 수 있게 된다. 그러나 그림 3-(b)와 같이 전기비저항이 이상체가 지하에 존재하게 되면 전류는 전기비저항이 낮은 물질 쪽으로 더 많이 흐르게 되어 결국 전류 경로에 수직인 등전위선에 변형을 일으키고 지표면에서 측정되는 전위차에도 영향을 미치게 된다. 이로부터 지표면에서 측정한 전위차를 이용하여 지하매질의 전기적인 이상대에 관한 정보를 가지고 있는 겉보기 비저항을 얻을 수 있다.

<(a) 전류 및 등전위선 분포. (b) 저비저항체 의한 등전위선 왜곡>

2차원 (2-D) 전기비저항 탐사법은 지하의 물성이 측선과 수직한 방향의 수평방향으로는 변하지 않는다는 가정 하에 이루어진다. 실제 지하 구조는 엄밀한 의미에서 3차원 구조이지만, 비용 대 성능을 고려하여 2차원 탐사가 광범위하게 사용되고 있다. 2-D 전기비저항탐사는 수직 탐사와 수평탐사를 조합, 병행하는 방법이며 지하의 구조를 영상화하여 고밀도의 해석을 가능하게 하는 탐사방법이다. 전기비저항탐사는 여러 전극 배열법을 통해 이루어지며, 조사현장의 조건에 따라 여러 배열법이 이용될 수 있다.

2-D 전기비저항탐사는 그림 3에 도시된 바와 같이 네 개의 전극을 이용하여 하나의 측정값을 획득하는 dipole-dipole, Wenner-Schlumberger, Wenner 배열 방법을 이용하여 주로 수행된다. 각 배열법의 특성에 대해 간략히 알아보기로 한다.

그림 4에는 24개의 전극에서 얻을 수 있는 각 배열법 당 측점들이 도시되어 있다. 편의상 dipole-dipole과 Wenner-Schlumberger 배열법에서는 전극 전개수 n이 1에서 6까지 변할 때의 측점을 도시하였고, Wenner 배열법에서는 기본 전극 간격 a가 1 에서 6 unit 까지 변할 때의 측점을 도시하였다. 그림 4에서 측정된 측점들은 그 지점을 대표하는 값은 아니며, 단지 표현상의 편의를 위해 그 위치에 표현된 것이다.

일반적으로 dipole-dipole 배열법은 분해능이 가장 뛰어나며 수평적인 변화에 민감하고, Wenner 배열법은 수직적인 변화에 민감하다는 것이 알려져 있다. 그러므로, 수직단층 같은 구조 인지에는 dipole-dipole 배열법이 유용하며 수평구조 탐사에는 Wenner 배열법이 유용하다. Wenner-Schlumberger 방법은 위의 두 방법의 중간 정도의 민감도를 갖기 때문에, 수평․수직적인 변화 감지에 어느 정도 적절하게 이용될 수 있다.

또한 동일한 측선길이에서 측정되는 관측값의 밀집도면에서는 dipole-dipole이 가장 우수하며 Wenner-Schlumberger, Wenner 순으로 좋은 특성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 그 이유는 그림 4에서 보듯 Wenner 배열법의 경우에 순차적으로 전극 간격을 늘릴 경우 측점의 수가 그 위 측점의 수보다 3씩 적어지는 반면에, Wenner-Schlumberger와 dipole-dipole에서는 그 수가 각각 2, 1씩 적어지기 때문이다. 그러므로 같은 길이의 측선에서 위의 세 배열 방법으로 탐사를 수행하였을 경우, dipole-dipole 방법이 가장 넓은 수평 범위를 제공하며 Wenner 방법이 가장 좁은 수평 범위를 제공함을 알 수 있다. 특히, Wenner 배열법은 적은 수의 전극을 이용하여 측점의 수가 적을 때에는, 문제가 될 수 있다.

따라서 본 탐사에서는 위에서 언급한 수평․수직 구조에 대한 민감성, 분해능, 측정 자료의 밀집도 등을 고려하고, 조사 지역의 시추조사 결과 하부의 비저항값이 비교적 높을 것으로 예상하여 쌍극자-쌍극자 배열법 및 Wenner-Schlumberger 배열법을 혼용한 혼합배열법을 동시에 적용하였다.

<24개의 전극을 이용한 각 배열법에서 측정되는 측점들. Dipole-dipole: a=1 unit, n=1～6. Wenner-Schlumberger: a=1 unit, n=1～6. Wenner: a=1～6 unit.>

모든 전기비저항탐사 자료의 해석은 실제 탐사 자료에 의해서 얻어진 겉보기비저항값을 나타나게 하는 비저항구조를 찾는 과정으로 이해될 수 있으며 쌍극자-쌍극자 배열에 의한 겉보기 비저항 ( )은 다음과 같은 식으로 표현된다

. (식 2)

2차원의 경우에는 해석자가 모델을 결정하고 그 모델로부터 얻은 겉보기비저항값을 측정값과 비교하면서 모델을 수정해가는 해석 방식인 전진계산방법 (forward modeling)으로는 해석이 어려우므로 자동화된 알고리듬에 의해 측정값과 계산된 겉보기비저항값의 차이를 줄여가는 역산 (inversion) 방법이 많이 사용된다. 본 조사에서는 자원연구소에서 개발된 DIPRO for Windows V.4.0을 이용하여 해석을 수행하였다.

2.3 해석방법

전기비저항탐사 결과로 얻어지는 자료는 지하의 참 비저항값이 아닌 겉보기비저항값이므로 지하의 참비저항 값을 알아내기 위해서는 적절한 해석과정이 반드시 필요하다.

2-D 전기비저항탐사 측정자료는 2차원 가단면도로 표현된다. 탐사 현장에서의 정성적인 해석은 이 가단면도에 의존하며, 경험이 풍부한 전문가의 경우에는 대략적인 지하 지질구조의 해석이 가능하다. 그러나 측정 자료로부터 정확한 지하 비저항 분포를 알기 위해서는 컴퓨터에 의한 역산과정이 필요하다. 역산을 이용하는 방법은 주어진 가상 지하구조로부터 이론 자료를 계산하고, 그 이론 자료와 현장 탐사자료간의 오차로부터 그 오차를 최소화할 수 있는 지하구조를 계산하며 이러한 과정을 오차가 원하는 값 이하가 될 때까지 컴퓨터가 반복 수행한다. 일반적으로 역산 수행 시, 육상 구간에서는 지형에 의한 등전위선의 왜곡이 발생하므로 이를 보정할 수 있는 해석 방법이 적용되나 본 측선의 경우 고도차가 없어 지형보정은 생략하였다.

3. 탐 사 결 과

3.1 쌍극자-쌍극자 배열법에 의한 해석결과

관측 겉보기비저항 가단면

계산 겉보기비저항 가단면

비저항 역산단면

분석결과

• 측선상의 고도차가 존재하지 않으므로 지표면을 기준으로 한 심도별 비저항 역산단면을 작성하였음.

• 전체적인 비저항값은 60~1,050 Ωm로 비교적 낮은 분포를 보임.

• 측선구간의 지표 근처에서는 60~100 Ωm 내외의 저비저항대가 심도 3.0 m 까지 나타나나 지질 이상대라기보다는 천부의 습윤상태에 의한 국부적인 이상대로 판단됨.

• 전반적으로 9.0 m 심도 이하에서는 비저항값이 감소하는 것으로 나타나며 이는 지하수와 연관된 것으로 판단됨.

• 측선 9~45 m 구간의 3~6 m 심도에서는 수평적 연속성이 우수한 고비저항이상대 나타남.

3.2 혼합 배열법에 의한 해석결과

관측 겉보기비저항 가단면

계산 겉보기비저항 가단면

비저항 역산단면

분석결과

• 측선상의 고도차가 존재하지 않으므로 지표면을 기준으로 한 심도별 비저항 역산단면을 작성하였음.

• 전체적인 비저항값은 60~980 Ωm로 쌍극자 배열 자료와 매우 유사한 분포를 보임.

• 측선구간의 지표 근처에서는 60~100 Ωm 내외의 저비저항대가 심도 2.0 m 까지 나타나나 지질 이상대라기보다는 천부의 습윤상태에 의한 국부적인 이상대로 판단됨.

• 전반적으로 9.0 m 심도 이하에서는 비저항값이 감소하는 것으로 나타나며 이는 지하수와 연관된 것으로 판단됨. 그러나 36~45 m 구간에서는 고비저항대의 심도가 쌍극자 배열 자료에 비해 증가하는 양상을 보이며 이는 지하 공동과 연관된 가능성이 높음.

• 측선 9~45 m 구간의 3~6 m 심도에서는 수평적 연속성이 우수한 고비저항 이상대가 나타남.

3.3 종합분석

• 쌍극자 배열 및 혼합 배열 해석 자료상의 비저항값 범위나 비저항 구조가 유사하게 나타나므로 탐사자료 및 해석 자료의 신뢰성은 높은 것으로 판단됨.

• 전체적인 비저항값은 60~1,000 Ωm내외로 비교적 낮은 분포를 보임. 이는 매립층의 영향 및 전극간격이 좁아 가탐심도가 낮기 때문인 것으로 판단됨.

• 두 가지 배열법 모두 측선 9~45 m 구간의 3~6 m 심도에서는 연속적인 고비저항 이상대가 나타남. 이러한 고비저항 이상대는 수평적 연속성이 우수하며 심도도 6.0 m 이하로 낮아 지하동공과 연관된 것으로 판단됨.

• 혼합배열 자료에서는 36~45 m 구간 하부의 고비저항대 규모가 증가하는 양상을 보임. 이는 지하공동과 연관된 것으로 볼 수도 있으나 예상되는 공동의 규모에 비해 고비저항대의 규모가 크고 심도도 낮으므로 동공내 불균질체의 영향일 가능성이 높음. 따라서 시추조사와 같은 추가 조사 자료와의 상호보완적인 해석이 필요하다고 판단됨.