소형루프 전자탐사의 가탐심도를 추정하기 위하여 주파수영역에서 2층구조에 대한 감도를 해석적으로 유도하였다. 이를 기초로 송수신 간격 2m 내외의 다중주파수 전자탐사 기기의 감도를 분석하고, 반응의 크기를 기준으로 가탐심도를 추정하였다. 먼저 감도 계산 결과는 하부층에 대한 감도는 동상성분이 이상성분에 비해 매우 높고 상부층의 두께가 20m에 이르더라도 저주파수 대역에서는 상부층의 감도에 비해 절대적으로 크다는 것을 나타낸 반면, 이상성분은 하부층에 대한 감도가 매우 약함을 보여준다. 따라서 다중 주파수를 이용한 소형루프 전자탐사에서는 동상성분의 정확한 측정이 가탐심도의 증대에 필수적임을 입증하였다. 전기비저항이 100ohm-m인 상부층 밑에 10ohm-m의 전기비저항을 갖는 하부층이 존재할 경우에는, 동상성분의 정확한 측정을 통하여 잡음 수준을 고려하더라도 10m까지의 가탐심도를 충분히 확보할 수 있으며 따라서 매립장의 침출수 분포 범위 영상화 등을 위해서 유용할 것으로 보인다. 그러나 전기비저항이 1,000ohm-m로 높은 기반암이 존재할 경우에는 비록 하부층의 감도는 상부층에 비해 매우 높으나 반응의 절대값이 매우 미약하여 탐지가 어려우며 이상성분 자료와의 복합적인 해석을 통해서도 기기의 정확도를 고려할 때, 가탐심도가 5 m를 넘기 힘든 것으로 나타났다. 따라서 전기비저항이 높은 지역에서는, 송수신 간격이 2m 내외로 짧은 다중주파수 소형루프 전자탐사법이 금속성 매설물의 탐지를 위해서는 유용하지만 기반암의 심도 규명에는 적절치 않다.
소형루프 전자탐사의 가탐심도를 추정하기 위하여 주파수영역에서 2층구조에 대한 감도를 해석적으로 유도하였다. 이를 기초로 송수신 간격 2m 내외의 다중주파수 전자탐사 기기의 감도를 분석하고, 반응의 크기를 기준으로 가탐심도를 추정하였다. 먼저 감도 계산 결과는 하부층에 대한 감도는 동상성분이 이상성분에 비해 매우 높고 상부층의 두께가 20m에 이르더라도 저주파수 대역에서는 상부층의 감도에 비해 절대적으로 크다는 것을 나타낸 반면, 이상성분은 하부층에 대한 감도가 매우 약함을 보여준다. 따라서 다중 주파수를 이용한 소형루프 전자탐사에서는 동상성분의 정확한 측정이 가탐심도의 증대에 필수적임을 입증하였다. 전기비저항이 100ohm-m인 상부층 밑에 10ohm-m의 전기비저항을 갖는 하부층이 존재할 경우에는, 동상성분의 정확한 측정을 통하여 잡음 수준을 고려하더라도 10m까지의 가탐심도를 충분히 확보할 수 있으며 따라서 매립장의 침출수 분포 범위 영상화 등을 위해서 유용할 것으로 보인다. 그러나 전기비저항이 1,000ohm-m로 높은 기반암이 존재할 경우에는 비록 하부층의 감도는 상부층에 비해 매우 높으나 반응의 절대값이 매우 미약하여 탐지가 어려우며 이상성분 자료와의 복합적인 해석을 통해서도 기기의 정확도를 고려할 때, 가탐심도가 5 m를 넘기 힘든 것으로 나타났다. 따라서 전기비저항이 높은 지역에서는, 송수신 간격이 2m 내외로 짧은 다중주파수 소형루프 전자탐사법이 금속성 매설물의 탐지를 위해서는 유용하지만 기반암의 심도 규명에는 적절치 않다.
We have derived an analytical expression for the sensitivity of the frequency domain small-loop electromagnetic (EM) surveys over a two-layer earth in order to estimate the depth of investigation with an instrument having the source-receiver separation of about 2 m. We analyzed the sensitivities to ...
We have derived an analytical expression for the sensitivity of the frequency domain small-loop electromagnetic (EM) surveys over a two-layer earth in order to estimate the depth of investigation with an instrument having the source-receiver separation of about 2 m. We analyzed the sensitivities to the lower layer normalized by those to the upper half-space and estimated the depth of investigation from the sensitivity analyses and the mutual impedance ratio. The computational results showed that the in-phase components of the sensitivity to the lower layer dominates those to the upper layer when the thickness of the upper layer is less than 20 m, while the quadrature components are not sensitive to the lower layer over the entire frequency range. Hence we confirmed that the accurate measurement of the in-phase component is essential to increase the depth of investigation in the multi-frequency small-loop EM survey. When conductive basement of 10 ohm-m underlies the upper layer of 100 ohm-m, an accurate measurement of the in-phase components ensures the depth of the investigation more than 10 m even accounting a noise effect, from which we conclude that the small-loop EM survey is quite effective in imaging the conductive plume down to a considerable depth. On the other hand, in the presence of the resistive basement of 1,000 ohm-m, the depth of investigation may not exceed 5 m considering the instrumental accuracy, which implies that the application of the small-loop EM survey is not recommended over the resistive environment other than detecting the buried conductor.
We have derived an analytical expression for the sensitivity of the frequency domain small-loop electromagnetic (EM) surveys over a two-layer earth in order to estimate the depth of investigation with an instrument having the source-receiver separation of about 2 m. We analyzed the sensitivities to the lower layer normalized by those to the upper half-space and estimated the depth of investigation from the sensitivity analyses and the mutual impedance ratio. The computational results showed that the in-phase components of the sensitivity to the lower layer dominates those to the upper layer when the thickness of the upper layer is less than 20 m, while the quadrature components are not sensitive to the lower layer over the entire frequency range. Hence we confirmed that the accurate measurement of the in-phase component is essential to increase the depth of investigation in the multi-frequency small-loop EM survey. When conductive basement of 10 ohm-m underlies the upper layer of 100 ohm-m, an accurate measurement of the in-phase components ensures the depth of the investigation more than 10 m even accounting a noise effect, from which we conclude that the small-loop EM survey is quite effective in imaging the conductive plume down to a considerable depth. On the other hand, in the presence of the resistive basement of 1,000 ohm-m, the depth of investigation may not exceed 5 m considering the instrumental accuracy, which implies that the application of the small-loop EM survey is not recommended over the resistive environment other than detecting the buried conductor.
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문제 정의
그렇다면 현실적으로 소형루프 전자탐사법이 심부 탐사에 동원되지 못하는 원인 즉, 가탐심도를 제약하는 이유는 과연 무엇인가를 살펴보자. 가장 근본적인 원인으로서는 주파수가 감소함에 따라 동상성분 2차장 반응의 크기가 주파수의 3/2제 곱에 비례하여 감소하기 때문이다.
또 다른 예로, 하부층의 전기비저항이 높아 전자탐사 반응이 약해지는 경우에 대해서도 살펴보자. Fig.
이 연구는 과학기술부 지원 국가지정연구실 사업인 “전기 . 전자탐사를 이용한 지하구조의 3차원 진단기술 개발” 연구의 일환으로 수행되었다.
이제 동상성분을 이용했을 때의 반응을 가탐심도 면에서 고 찰해보자. 감도 비의 계산 결과인 Fig.
제안 방법
5차원 및 1차원 탐사에 대한 해석적인 감도 식을 유도하였으며, 지하 2층구조에 대한 수평 동일면 배열 및 수직 동일면 배열 탐사 반응의 상부층 및 하 부층의 전기전도도 변화에 대한 감도를 정리하였다. 감도 분석 은 상부층의 감도에 대한 하부층의 감도에 대한 비율을 계산 하여 수행되었으며, 최종적으로 실제 반응 값을 계산한 결과와 비교함으로써 실현 가능한 가탐심도를 추정하였다.
먼저 McGillivray et al. (1994)가 유도한 주파수 영역 전자 탐사 감도의 해석적 해로부터 2.5차원 및 1차원 탐사에 대한 해석적인 감도 식을 유도하였으며, 지하 2층구조에 대한 수평 동일면 배열 및 수직 동일면 배열 탐사 반응의 상부층 및 하 부층의 전기전도도 변화에 대한 감도를 정리하였다. 감도 분석 은 상부층의 감도에 대한 하부층의 감도에 대한 비율을 계산 하여 수행되었으며, 최종적으로 실제 반응 값을 계산한 결과와 비교함으로써 실현 가능한 가탐심도를 추정하였다.
이 경우, 자료처리 및 해석은 매우 빨라지게 되는데, 다만 짧은 송수신 간격으로 인해 탐사심도가 천부로 제한되는 단점이 있다. 앞절에서 유도된 1차원 구조에서의 감도의 표현 인 (7)식을 이용하여 이러한 소형루프 전자탐사 시스템의 감도 를 계산해보자.
가탐심도는 송수신 간격, 사용주파수 뿐만 아니라 지하의 전기 비저항 분포의 복합적인 함수이므로, 평면파를 송신원으로 이용하는 MT탐사와 달리 일률적인 기준을 정할 수는 없다. 이 연구에서는 소형루프 전자탐사 반응의 감도(sensitivity)를 정 량 적으로 분석함으로써 가탐심도를 추정하는 접근 방법을 시도 하였다.
지금까지 McGillivray et al. (1994)이 정리한 전자탐사 반응 의 감도에 대한 해석적 해에서 출발하여 2.5차원 및 1차원 전 자탐사의 감도를 해석적으로 유도하였고, 이를 기초로 소형루 프 전자탐사 반응의 감도를 정리하였으며, 최근에 국내에서 사 용되기 시작하는 다중주파수 전자탐사 기기인 GEM-2 시스템의 규격에 맞게 감도를 분석하고, 반응의 크기를 기준으로 가 탐심도를 추정하였다.
성능/효과
따라서 동상성 분의 측정만으로 천부에 위치하는 고비저항 기반암의 탐지에는 부적절하며, 이상성분의 감도가 두께 5 m 이내에서는 상부 층에 비해 1/5 이상이며 반응값도 커지므로 탐지가능성이 오 히려 높다. 따라서 100ohm-m 표토층 하부에 있는 비저항 l, 000ohm-m의 기반암의 가탐심도는 최대 5 m 이내로 보는 것이 타당할 것이다.
이를 Mz 송신원에 대해 예를 들면, 전기장은 y의 우함수인 반면, 만약 측정 성분이 %, 라면 y 방향의 자기쌍극자(My)를 가상 송신원으로 한 전기장은 y 의 기함수이다. 따라서 Mz 송신원에 대해 2차원 구조의 주향 방향에 직교하는 측선상 의 Hy측정은 지하구조에 대한 감도가 없음을 말하며 이는 Mz 송신원이 TE(Transverse Electric) 모드 송신원이라는 점에서도 확인된다. 반면 Hx의 측정은 이를 가상 송신원으로 한 전기장 또한 y의 우함수이므로 (3)식의 적분 값이 사라지지 않아 지 하구조에 대해 감도가 있음을, 즉 지하구조에 대한 정보를 제 공함을 말해준다.
먼저 감도분석을 통하여 하부층에 대한 감도는 동상성분이 이상성분에 비해 매우 높고 상부층의 두께가 20 m에 이르더라 도 저주파수 대역에서는 상부층의 감도에 비해 절대적으로 크 다는 것을 보임으로써, 다중주파수를 이용한 소형루프 전자탐 사에서는 동상성분의 정확한 측정이 가탐심도의 증대에 필수 적임을 입증하였다.
전기비저항이 100 ohm-m인 상부층 밑에 10 ohm-m의 전기 비저항을 갖는 하부층이 존재할 경우 GEM-2 기기에서 사용 가능한 주파수 대역인 330Hz에서 24kHz에 걸쳐 흐}부층에 대한 감도는 두께가 10m 이내인 상부층에 대한 감도에 비해 최소 1/5 이상, 저주파수 대역에서는 2배 이상으로 충분한 분 해능을 가지고 있으며, 상호 임피던스 반응의 크기도 100 ppm 이상으로 나타났다. 따라서 동상성분을 정확하게 측정하고자 노력한다면, 잡음 수준을 고려하더라도 전기전도성 하부층(예를 들어 매립장의 침출수 등)에 대해서는 10이까지의 가탐심 도를 확보할 수 있을 것이다.
2에 비해 저주파수 대역에서 감도 비가 더 큰 결과를 보여주어 적어도 감도분석 결과만으로는 하부층에 대한 탐지 가능성이 더 높음을 보여준다. 특히 상부 충의 두께가 10m일 경우에도 10kHz 보다 낮은 주파수에서 ;s 는 상부층의 감도 보다 하부층의 감도가 더 커서 충분히 탐지 가 가능함을 알 수 있으며, 이에 반해 이상성분은 상부층의 두 께가 중가할수록 감도가 많이 떨어짐을 보여준다. 이러한 양상 은 VCP 배열의 결과인 Fig.
한편 전기비저항이 1,000 ohm-m로 높은 기반암이 존재할 경우에는 비록 하부층이 감도는 상부층에 비해 매우 높으나 반응의 절대값이 매우 미약하여 탐지가 어려우며 이상성분 자 료와의 복합적인 해석을 통해서도 최대 5 m 이내로 가탐심도 가 제약되는 것으로 나타났다. 따라서 송수신 간격이 2m 내 외로 짧은 다중주파수 소형루프 전자탐사는 전기비저항이 높은 지역에서는 금속성 매설물의 탐지를 위해서는 유용하지만 기반암의 심도 규명에는 적절치 않다.
후속연구
이 연구를 통하여 최근에 급증하는 환경오염범위 조사에서 와 같이 심도 10m 내외의 전기전도성 침출수의 분포 범위 규 명 등을 위해서 다중주파수 소형루프 탐사기기가 신속한 지하 영상화 도구로서 매우 유용히 사용될 수 있음을 보였으며 , 가 탐심도의 좀 더 명확한 규명을 위해서는 다양한 현장에 대한 적용을 통한 잡음 수준 분석과 기기의 정밀도 한계 규명 등이 뒤 따라야 할 것이다.
참고문헌 (10)
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