[논문]홍성 단층대에서의 전기, 전자 탐사 연구

권병두; 이희순; 박계순; 오석훈; 이춘기

홍성 단층대에서의 전기, 전자 탐사 연구
Electric and Electromagnetic Surveys of the Hongseong Fault Zone 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.24 no.4, 2003년, pp.361 - 368

권병두 (서울대학교 사범대학 지구과학교육과) , 이희순 (경인교육대학교 과학교육과) , 박계순 (서울대학교 사범대학 지구과학교육과) , 오석훈 (기상연구소 해양기상지진연구실) , 이춘기 (서울대학교 사범대학 지구과학교육과)

초록
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1978년에 규모 5.0의 지진이 발생한 홍성지역에 발달한 단층대의 전기, 전자적 특성을 조사하였다. 전기, 전자 탐사는 최근 토목공사현장에서 단층대 및 파쇄대 등의 연약지반을 확인하기 위한 수단으로 널리 쓰이고 있으며 이들 탐사로부터 얻어지는 전기비저항 구조는 연약대의 공간적 분포를 효과적으로 파악할 수 있는 정보를 제공한다. 홍성지역에 위치한 단층대를 가로질러 쌍극자배열 전기비저항탐사와 MT (Magnetotelluric) 탐사를 실시하였으며 역산을 통해 단층대의 전기비저항의 분포를 추정하였다. MT 탐사는 주단층대를 가로지르는 2.9 km의 측선상의 18측점에서 실시하였으며, 자기쌍극자를 인공 송신원으로 사용하였다 전기탐사는 단층대를 측선의 중앙으로 하여 전극간격이 50 m인 쌍극자배열전기비저항 탐사를 실시하였다. 두 탐사 결과는 예상단층선을 따라 좌우지역의 전기비저항이 서로 다른 양상으로 발달하고 있음을 보여주고 있으며, 특히 예상단층선을 따라서는 뚜렷한 저비저항대가 깊게 발달해 있음을 보여주고 있다. 홍성지역의 단층대에서 낮은 전기비저항분포를 보이는 부분이 수직으로 잘 발달해 있다는 것은 최근에 두 차례의 지진이 발생한 것처럼 이 지역 단층이 활동 중인 단층이라는 사실과 일치하는 결과를 보여주는 것이다. 본 연구 성과는 앞으로 홍성단층 뿐만이 아니라 우리나라에서 발생하는 지진들에 대한 연구에 기초 자료를 제공할 것이라 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated the electric resistivity structure of the fault zone located in the Hongseong area where a big earthquake with M 5.0 occurred in 1978. Usually, Electric and Electromagnetic methods are broadly operated in the field of engineering works since these methods are effective to understand the distribution of geological weak zones - fault or fracture zones. We have conducted the dipole-dipole array resistivity method and MT(magnetotelluric) method and interpreted the resistivity distribution of the fault zone with the aid of various inversion methods. An MT survey was performed at 18 points along a 2.9 km survey line perpendicular to the fault line and a magnetic dipole source was used to enhance the S/N ratio in the high frequency. A Electric dipole-dipole array resistivity survey with the dipole length of 50 meters was carried out perpendicular to the fault. In view of two survey results, the fault marks the boundary between two opposite resistivity structures, especially the low resistivity zone is exhibited deeply through the prospective fault line. The result that the low resistivity zone is located at the center of the fault zone corresponds with the fact that the fault zone of the Hongseong area is active. We expect these results to provide basic information about the physical properties of fault zones in Korea.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 단층대에서의 전기, 전자적 특성을 알아보기 위하여 실시되었다. 최근에 전기, 전자 탐사는 날로 증가하는 추세에 있으며, 특히 최근에 터널 공사 등을 위한 토목지질 분야에서는 전기, 전자탐사가 매우 중요한 역할을 하고 있다.
본 연구는 홍성에 위치한 단층대에서의 전기, 전자적 특성을 알아보기 위하여 수행되었다. 전기, 전자 탐사는 최근에 널리 사용범위를 넓히고 있다.
이러한 탐사가 다수 실시되면서 연약대나 단층의 특성을 규명하는데 전기, 전자탐사의 효용성이 부각되고 있으며 이에 대한 많은 연구 논문이 보고 되고 있다. 본 연구에서는 최근의 이러한 전기, 전자 탐사 분아의 연구 성과를 순수 지구물리학적인 입장에서 단층대의 구조 파악에 적용하기 위하여 단층대에서 전기비저항 탐사와 자기지 전류(MT) 탐사를 실시하고, 자료를 분석하였다.

가설 설정

6에서 보여지는 측점 HS_11 에서의 1차원 역산에서의 결과는 단층에 의한 파쇄대가 지하 30m 정도까지 발달한 것으로 보여지나 이는 측점하나만의 1차원 역산이므로 단지 추정만이 가능하다. 보다 자세한 역산 결과와 지하구조 해석은 2차원 또는 3차원 역산이 이루어져야 하나 본 연구에서는 단층대를 중심으로 2차원 구조를 가정하고 2차원 역산을 실시하였다.

제안 방법

MT 탐사는 10Hz~70kHz까지의 주파수대역을 측정범위로 갖는 미국 EM[의 IMAGEM 장비를 사용하여 가청주파수(audio-frequency) 대역에서 측정하였다. 통상적인 MT 탐사보다 높은 주파수 대역을 가지는 AMT(audio-frequency magnetotellurics) 방법은 보통 가청주파수인 10Hz-10kHz의 주파수대역의 자연 전자기장을 측정하는 방법이며, 서로 직각인 두 쌍의 전기장 및 자기장을 측정한다.
보여야 할 것이다. MT 탐사측선은 비교적 단층대를 중심으로 길게 설정하였으며 그 측선의 중심부에서 MT 탐사 측점과 동일한 위치에 전극이 오도록 쌍극자 배열 전기비저항 탐사를 실시하였다. Fig.
탐사지역의 표층이 10-100 Ohm-m의 전기비저항을 나타내므로 인공송신원에 의한 근거리장 효과는 크지 않은 것으로 생각된다. 그러나 10-200HZ 대역에서는 주변 전력선의 영향으로 겉보기 비저항과 위상의 왜곡이 발생하여 코히어런스등을 고려하여 선별된 자료만을 역산 과정에 적용하였다.
깊이에 따른 전기비저항의 양상을 살펴보기 위하여 HS_11 측점의 자료를 이용하여 1차원 역산을 수행하였다(Fig. 6), 10~30m 깊이에서 뚜렷한 경계를 보여주고 있으며 표층은 10ohm-m이하의 매우 낮은 비저항이 나타나며, 그 하부는 l, 000ohm-m 이상의 높은 비저항이 나타난다. 그러나 이러한 역산 결과에는 겉보기비저항이나 위상에서도 나타나듯이 근거리장의 영향이 부분적으로 작용하고 있는 것으로 생각된다.
가장 빠른 방법인 RRI 알고리즘은 전자기장의 수평적인 변화를 근사적으로 적용함으로써, 1차원 역산과 같은 방식으로 근사적인 2차원 역산을 수행하는 방, 법이다(Smith and Booker, 1991). 본 연구에서는 MT 탐사자료에 RRI 역산과 NLCG 역산을 적용하였다(Fig. 7). RRI 역산은 빠른 계산 속도가 장점이긴 하지만 경우에 따라서 해에 정확히 수렴하지 못하는 단점도 가지고 있다.
쌍극자배열 전기비저항탐사와 MT 탐사를 실시하여 역산을 통해 지하의 전기비저항의 분포를 추정하였다. 두 탐사 결과를 바탕으로 측선의 중심 부근 단층의 존재함을 확인할 수 있으며, 단층의 위치는 동쪽의 고비저항대와 서쪽의 저비저항대의 경계를 따라 연장되어 있을 것으로 생각된다.
표층의 전기전도도를 정밀하게 측정하기 위하여 단층을 가로지르는 1km의 측선을 따라 전극간격 50m 의 쌍극자 배열(dipole-dipole array) 전기비저항 탐사를 실시하였다. MT 탐사는 단층을 가로지르는 2.

대상 데이터

연구지역은 충남 홍성군 서면의 일부지역으로 위도 36° 35' 20", 경도 126° 31' 11" 지점을 중심으로 반경 2km 이내의 지역이다(Fig. 2). 지형효과나 지표의 불균일성으로 인한 MT 자료의 정적효과를 최소화하기 위해 평야지대를 탐사지역으로 선정하였다.
본 연구에서 조사지역으로 선정된 홍성지역은 과거 큰 지진이 발생하였던 지역으로 최근에도 상당한 규모의 지진이 발생하는 등 지진학 분야에서는 중요한 관심의 대상이다. 따라서 본 연구를 통해 밝혀진 홍성지역 단층대에서의 전기, 전자적 특성은 그 자체의 연구 성과로서뿐 만이 아니라 향후 지진의 발생 메커니즘이나 지진의 예지 등의 연구를 위한 기본 물성 제공 등에 기여하리라 생각된다.
2). 지형효과나 지표의 불균일성으로 인한 MT 자료의 정적효과를 최소화하기 위해 평야지대를 탐사지역으로 선정하였다. 탐사 측선의 중심은 충적층으로 이루어져 있으며, 하부에는 선캠브리아기의 편암류로 이루어진 월현리 층(단층동쪽)과 평촌층(단층 서쪽)이 기반암을 이루고 있다.
지형효과나 지표의 불균일성으로 인한 MT 자료의 정적효과를 최소화하기 위해 평야지대를 탐사지역으로 선정하였다. 탐사 측선의 중심은 충적층으로 이루어져 있으며, 하부에는 선캠브리아기의 편암류로 이루어진 월현리 층(단층동쪽)과 평촌층(단층 서쪽)이 기반암을 이루고 있다.
이러한 근거리장 효과는 겉보기전기비저항과 위상을 왜곡시켜 저주파영역 자료의 질을 떨어뜨리고 겉보기비저항 값을 증가시키므로 자료해석을 주의를 기울여야 한다. 탐사에 사용된 인공송신원의 주파수 대역은 lkHz-64kHz이며, 이격거리가 300-400m가 되도록 자기쌍극자를 설치하였다. 탐사지역의 표층이 10-100 Ohm-m의 전기비저항을 나타내므로 인공송신원에 의한 근거리장 효과는 크지 않은 것으로 생각된다.

이론/모형

6. The 1-D MT inversion result of HS_[] site using Marquardt-Levenberg method. Initial values are derived from the decimated model of Bostick inversion results.
보인다. 전기비저항 탐사 해석 프로그램인 DIPRO를 이용하여 지형이 고려된 유한요소법과 ACB(active constraint balancing) 방법 (Yi and Kim, 1998)旧로 역산을 수행하였다(Fig. 4).

성능/효과

두 탐사 결과를 바탕으로 측선의 중심 부근 단층의 존재함을 확인할 수 있으며, 단층의 위치는 동쪽의 고비저항대와 서쪽의 저비저항대의 경계를 따라 연장되어 있을 것으로 생각된다. 해석 결과는 본 탐사에서 조사지역으로 선정된 홍성단층이 예상 단층 지역을 따라 뚜렷한 저비저항대가 있음이 밝혀졌다.
측선의 중앙부근에서부터 하부로 내려갈수록 서쪽 방향으로 발달하는 저비저항대 역시 두 탐사 결과에서 동일하게 나타나고 있다. 두 탐사 결과를 바탕으로 측선의 중앙 부근에 단층이 존재함을 확인할 수 있으며, 단층의 위치는 동쪽의 고비저항대와 서쪽의 저비저항대의 경계를 따라 연장되어 있을 것으로 생각된다. 이러한 결과는 홍성단층이 현재까지도 활동하고 있는 단층이라는 지진분석 결과와도 일치하는 것이다.
지형 효과는 거의 나타나지 않는다. 역산 결과, 표층은 1000hm-m 이하의 매우 낮은 전기비저항을 보이고 있으며, 하부는 수 천 Ohm-m 이상의 고비 저항도 나타난다. 측선의 중앙에 위치한 단층을 중심으로 서쪽지역에서는 약 50m까지 1000hm-m 이하의 전기비저항을 보이며, 동쪽 지역에서는 약 20-30m 깊이까지 1000hm-m 이하의 전기비저항을 나타낸다.
두 탐사 결과를 바탕으로 측선의 중심 부근 단층의 존재함을 확인할 수 있으며, 단층의 위치는 동쪽의 고비저항대와 서쪽의 저비저항대의 경계를 따라 연장되어 있을 것으로 생각된다. 해석 결과는 본 탐사에서 조사지역으로 선정된 홍성단층이 예상 단층 지역을 따라 뚜렷한 저비저항대가 있음이 밝혀졌다. 이러한 결과는 홍성단층이 과거의 비교적 큰 지진뿐만 아니라 최근까지도 지진을 일으키는 활동 중인 단층이라는 추정과 상호 일치하는 결과를 보여주는 것이다.

후속연구

대상이다. 따라서 본 연구를 통해 밝혀진 홍성지역 단층대에서의 전기, 전자적 특성은 그 자체의 연구 성과로서뿐 만이 아니라 향후 지진의 발생 메커니즘이나 지진의 예지 등의 연구를 위한 기본 물성 제공 등에 기여하리라 생각된다. 또한 향후 다른 단층에 대해서도 전기 및 전자기적 탐사가 수행되어서, 한반도에서의 지진과 관련 있는 단층들에 대한구조 및 지질특성 파악에 폭넓은 자료가 축적되기를 기대한다.
따라서 본 연구를 통해 밝혀진 홍성지역 단층대에서의 전기, 전자적 특성은 그 자체의 연구 성과로서뿐 만이 아니라 향후 지진의 발생 메커니즘이나 지진의 예지 등의 연구를 위한 기본 물성 제공 등에 기여하리라 생각된다. 또한 향후 다른 단층에 대해서도 전기 및 전자기적 탐사가 수행되어서, 한반도에서의 지진과 관련 있는 단층들에 대한구조 및 지질특성 파악에 폭넓은 자료가 축적되기를 기대한다.
0의 비교적 큰 지진이 발생하였으며 2002년에는 규모 2의 지진이 다시 발생하기도 하였다. 이 지역은 많은 단층이 발달되어 있으며, 중력, 자력, 방사능 등 지구물리 탐사를 통해 단층대의 조사가 이루어졌으며(Lee and Chung, 1985; Lee et al., 1986), 이러한 연구 성과들과 함께 본 연구의 결과는 향후 한국에서의 지진활동연구에도 유용한 정보를 제공할 것으로 예상된다.
그러나 우리나라에서는 지진과 관련된 전기, 전자기 계측에 의한 모니터링은 거의 이루어지고 있지 않는 실정이다. 지진이 발생하는 지역에 대한 전기, 전자기적 반응을 통한 지하 구조의 연구는 향후에 모니터링이 실시될 때 매우 중요한 기초 자료를 제공하게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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