[논문]표면파 탐사 방법을 이용하여 구한 S파 속도와 시추결과의 비교 연구

정희옥

표면파 탐사 방법을 이용하여 구한 S파 속도와 시추결과의 비교 연구
A Study of the Comparison of the Shear Wave Velocity Profiles Obtained by a Surface Wave Exploration Method with Borehole Measurements 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.24 no.6, 2003년, pp.549 - 557

초록
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표면파 탐사는 탄성파를 이용한 여러 가지 다른 탐사 방법과 비교하여 독특한 장점들을 가지고 있다. 그러나 이 방법은 최근에 개발되기 시작하여 아직 연구 결과가 많이 축적되지 않은 분야이다. 이 연구에서는 지반 공학적 성질이 서로 다를 것으로 예상되는 여러 지역에서 표면파 탐사자료를 획득하여 그 분산곡선의 특징을 찾아보았다. 또한 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 이를 시추조사 결과와 비교하였다. 그 결과 퇴적물상이나 암석상의 변화가 S파속도의 급격한 변화와 관련되어 있음을 확인하였다. 이것은 표면파 탐사법을 이용하여 퇴적물이나 암석의 물리적 성질이 급격하게 변화하는 경계면을 구별할 수 있는 가능성을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Surface wave exploration method has many advantages over other conventional exploration methods. Only limited accumulation of the study results has been made due to the recent development of the method. In this study the characteristics of the phase dispersion curves of four sites with different geo-technical properties have been identified. A generalized inversion method was used to obtain the shear wave velocity profiles of the study areas. The shear wave velocity profiles were compared with the columnar sections of the boreholes at the sites. This study shows that the rapid changes in the shear wave velocities are consistent with the changes in the sedimentary or lithologic faces found in the borehole measurements. This implicates that the surface wave exploration method could be used to identify changes in the physical properties of sediments or rocks.

주제어

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문제 정의

그러므로 이 연구에서는 지반 공학적 성질이 서로 다를 것으로 예상되는 여러 지역에서 표면파 탐사자료를 획득하여 그 분산곡선의 특징을 찾아보고자 한다. 또한 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 이를 시추공 검사 결과와 비교하여 보고자 한다.
그러므로 이 연구에서는 지반 공학적 성질이 서로 다를 것으로 예상되는 여러 지역에서 표면파 탐사자료를 획득하여 그 분산곡선의 특징을 찾아보고자 한다. 또한 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 이를 시추공 검사 결과와 비교하여 보고자 한다. 시추공 검사와의 비교 연구는 표면파 탐사의 신뢰성과 해상도를 밝혀주고 그리고 표면파 탐사로 퇴적물이나 암석의 물리적 성질이 급격히 변하는 경계면을 분별할 수 있는 방법을 제공해 줄 것이다.
본 연구에서는 S파 속도구조가 뚜렷하게 다를 것으로 예상되는 4개 지역의 표면파 자료를 획득하여, 분산곡선을 구하고 역산하여 이를 비교하고, 이것을 그 지역의 시추 자료와 비교하였다.
본 연구에서는 지질공학적 성질이 서로 다른 4 지역에서 표면파 탐사를 실시하여 분산곡선을 구하여 그 특징을 살펴보았다. 그리고 이 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 시추결과와 비교하였다.

가설 설정

분산 곡선 획득, 3) 분산곡선의 역산, 4) 역산 결과의 신뢰도 해석을 하여야한다.
5Hz이고, 위상속도가 200m/ sec일 때, 이에 해당하는 파장의 60%인 약 26m를 half space 깊이로 정하였다. 초기 S 파 속도는 주파수-위상속도 관계에서 각 주파수에 해당하는 파장을 구해 그 파장의 1/2 깊이에 위상속도가 존재하는 것으로 정하였다.

제안 방법

대상지역은 현생퇴적층을 매립한 지역, 풍화암 아래 연암이 있는 지역, 삼각주 지역과 조간대 지역 등으로 구성되었다. Weight drop식 음원과 4.5Hz 수진기를 이용하여 획득한 표면파 자료의 분산곡선을 구하고 일반화된 역산이론으로 S파 속도를 구하였다. 이렇게 구한 S파 속도구조와 시추결과를 비교하여 다음과 같은 것을 알 수 있었다.
특징을 살펴보았다. 그리고 이 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 시추결과와 비교하였다. 대상지역은 현생퇴적층을 매립한 지역, 풍화암 아래 연암이 있는 지역, 삼각주 지역과 조간대 지역 등으로 구성되었다.
그러나 이때 공간적 해상도는 급격히 떨어져 층을 얇게 나눈 의미가 없어진다. 여기서는 분산곡선의 일치와 공간적 해상도를 같이 고려하여 분산곡선이 거의 일치하면서도 공간적 해상도가 좋은 깊이 까지 S파 속도를 구하였다. 표면파 역산과 해상도에 관해서는 정희옥 (2001a)에 자세하게 기술되어있다.
한다. 이 연구에서는 전주 지역(지역 B)를 제외하고는 모든 지역의 지하 수위가 지표면 또는 지표면 아래 Im 이내에 위치하기 때문에 P파의 속도를 1500m/sec로 고정하였다. 전주 지역에서는 이 지역의 굴절파 탐사자료를 이용하여 지하 6m까지는 1500m/sec, 12m까지는 2300m/sec, 그 하부는 3700 m/sec의 P파 속도 값을 이용하였다(굴절파 탐사는 같은 지역에서 3m 간격으로 24개의 수진기를 설치하여 총 69m의 탐사측선을 설치하여 굴절파 자료를 구하였다.
5Hz 부근에서 150- 200m/sec의 위상속도가 7-8Hz에서 40m/sec로 감소한다. 이 지역의 분산곡산은 3개의 분리된 분산 곡선처럼 보여 이를 확인하기 위하여 먼저 뚜렷하게 연속성을 가지고 나타나는 15Hz 이하의 자료를 이용하여 S 파 속도구조를 구한 다음 이 모델에 대한 기본 모드와 고차 모드의 분산곡선을 구하여 보았다. 이를 그림 3-a 와 비교한 결과 분리된 것처럼 보이는 분산곡선은 고차 모드가 될 수 없음을 확인하였다.
자료획득 과정에서는 수진기의 고유 주파수, 음원의 종류, 음원-수진기간거리 (shot offset), 자료획득간격 (sampling interval), 기록 시간(record length)등을 결정하여야 한다. 이러한 실험 변수를 정하기 위해 먼저 walkaway 식으로 탄성파 자료를 획득하여 표면파가 굴절파나 반사파와 간섭을 일으키지 않는 탄성파 자료를 얻을 수 있도록 음원-수진기간 거리, 자료획득간격, 기록시간 등을 결정한다. 수진기는 표면파의 분산곡선의 저주파 영역이 지반의 심부 층에 대한 정보를 포함하므로 가능하면 고유주파수가 낮은 수진기를 사용하는 것이 좋다.

대상 데이터

그리고 이 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 시추결과와 비교하였다. 대상지역은 현생퇴적층을 매립한 지역, 풍화암 아래 연암이 있는 지역, 삼각주 지역과 조간대 지역 등으로 구성되었다. Weight drop식 음원과 4.
4-a)을 살펴보면 30Hz 이하에 에너지가 집중되어 있는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 15Hz 이하의 분산곡선을 역산에 이용하였다.
표면파 에너지는 60Hz 이하에 분포하고 있다. 분산곡선에서 40Hz에서 6아Iz 사이의 자료를 역산에 이용하였다.
수진기는 표면파의 분산곡선의 저주파 영역이 지반의 심부 층에 대한 정보를 포함하므로 가능하면 고유주파수가 낮은 수진기를 사용하는 것이 좋다. 이 연구에서는 4.5Hz 수진기를 사용하였다. 탄성파 음원으로는 전기모터를 이용한 weight drop 형태의 현장 조립식 음원(정희옥, 2001b)을 사용하였다.
자료획득은 금강하구의 천해성 퇴적층 매립지역(지역 A), 전주근교의 풍화암 지역(지역 B), 낙동강 하구 삼각주 지역(지역 C), 그리고 새만금 조간대 지역 (지역 D)의 4장소에서 이루어졌다. Fig.
탄성파 음원으로는 전기모터를 이용한 weight drop 형태의 현장 조립식 음원(정희옥, 2001b)을 사용하였다. 탄성파 기록은 24채널 탄성파 탐사기를 사용하여 이루어졌다. 각 지역에서 자료 획득에 사용한 변수들이 Table 1에 나타나 있다.
5Hz 수진기를 사용하였다. 탄성파 음원으로는 전기모터를 이용한 weight drop 형태의 현장 조립식 음원(정희옥, 2001b)을 사용하였다. 탄성파 기록은 24채널 탄성파 탐사기를 사용하여 이루어졌다.

이론/모형

그 후 Stokoe et a/. (1994)와 여러 연구자들 (Tbkimasu et al, 1992a, b; Luke and Stokoe, 1998) 이 표면파의 스펙트럼 분석 (Spectral Analysis of Surface Wave) 방법을 도로공학적 면에서 이용하였다. 표면파 스펙트럼분석 방법은 두 개의 수진기를 이동시키며 각 주파수에 대한 분산속도를 구하는 과정이 복잡하여 지반의 S파 속도구조를 연구하는 데에는 적합하지 못하였다.

성능/효과

각 층의 두께는 lm로 일정하게 유지하였고, half space까지 깊이는 분산곡선에서 뚜렷하게 연속적으로 에너지의 peak가 나타나는 주파수중 가장 낮은 주파수의 파장에 해당하는 값의 60%를 취하였다. 예를 들어 금강하구지역(지역 A)에서 역산에 이용한 분산 곡선의 최저 주파수가 4.
넷째, 지역 C의 결과에서 보듯이 표면파 분산 곡선을 역산하여 탄성파 굴절법으로 찾아내기 어려운 저 속도 층을 밝혀 낼 수 있었다. 이 지역의 표면파 분산 곡선은 위상속도가 주파수에 따라 단순히 감소하지 않고 감소, 증가, 감소를 반복하는데 이는 저 속도 층과 관련된 분산곡선의 특징으로 보인다.
둘째, 지반이 아주 약한 조간대, 매립지, 삼각주에서는 약 5Hz에서 30Hz까지 분산곡선을 이용하였고, 단단한 암반지대에서는 40Hz에서 60Hz까지 분산 곡선을 이용할 수 있었다.
셋째, 역산으로 구한 S파 속도구조와 시추 결과를 비교하여 보아 퇴적물이나 암의 상이 크게 변하는 경계 면에서 S파 속도가 급격히 변하는 것을 알 수 있었다. 이러한 예는 지역 A에서 실트층에서 사질 역 층으로 바뀔 때, 지역 B에서 풍화대에서 신선한 암으로 바뀔 때, 지역 D에서 실트질 모래 층에서 사질 역층으로 바뀔 때 나타난다.
실트질 점토층 하부에는 전체적으로 조개껍질을 함유한 약간 조밀한 실트질 모래 (N치 10-20)층이 존재한다. 이 시추 결과와 S파 속도를 비교하여 보면 지표 층인 실트 질 모래층에서 약 60m/sec의 S파 속도가 매우 연약한 점토가 나오는 지하 Im에서 40m/sec로 감소하였다가 증가하기 시작하여 지하 약 2.5m에서 약 80m/sec 에 달한다. 여기서 S파 속도는 다시 감소하여 약 6 m 깊이에 있는 실트질 점토층에서 30血sec를 나타내고 그 하부에서 다시 증가하기 시작하여 실트질 모래층에서 80m/sec에 이른다.
이 지역은 아주 얇은 풍화암이 연암(화강 편마암)을 덮고 있는 곳으로 매립지나 삼각주에 비해 높은 S파 속도가 예상되는 곳이다. 이 지역의 S파 속도와 시추결과를 비교하여 보면 풍화암이 끝나고 연암이 시작되는 지하 약 2m에서 S파 속도가 크게 증가하기 시작하여 지하 약 8m 깊이에서는 약 1600m/sec에 달하는 것을 알 수 있다.
첫째, 지반공학적 성질이 서로 다른 지역에서 4.5 Hz 수진기와 weight drop식 음원을 이용하여 표면 파 분산 곡선을 역산하여 약 10m 깊이까지 S파 속도구조를 구할 수 있었다.

후속연구

또한 실트 질 모래층에 끼어있는 실트질 점토층이 저속도층으로 나타나는데 이것은 표면파 탐사에 의해 모래층과 점토층의 구별이 가능함을 보여준다. 그러나 이에 대한 확실한 결론을 얻기 위해서는 더 많은 지역의 표면파 탐사와 시추결과와의 비교가 필요하다.
또한 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 이를 시추공 검사 결과와 비교하여 보고자 한다. 시추공 검사와의 비교 연구는 표면파 탐사의 신뢰성과 해상도를 밝혀주고 그리고 표면파 탐사로 퇴적물이나 암석의 물리적 성질이 급격히 변하는 경계면을 분별할 수 있는 방법을 제공해 줄 것이다.

참고문헌 (14)

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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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