[논문]비고결 퇴적물에서 다운홀 탄성파 탐사, MASW, SCPT로 구한 횡과 속도 단면과 시추결과 비교 연구

김현도; 김진후

문제 정의

표면파 분산곡선의 저주파 영역은 조사 심도와 직결되기 때문에 가능한 한 고유주파수가 낮은(10 Hz 이하) 수진기를 사용하는 것이 보통이다. 본 연구에서는 28 Hz의 고유주파수를 갖는 수진기를 사용하였는데, 이는 본 연구의 계획 조사심도가 낮을 뿐 아니라, 높은 고유 주파수의 수진기를 이용한 표면파 탐사의 가능성을 타진해 보기 위함이다. 음원 오프셋은 walkaway 식으로 획득한 자료로부터 굴절파나 반사파의 영향이 최소화 되도록 결정하는데, 본 연구에서는 10 m 오프셋의 자료를 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 미고결 퇴적물로 구성되어 있는 낙동강 델타지역을 대상으로 3가지 지구물리학적 탐사법을 이용하여 횡파 속도 단면을 구하고 이들을 시추 결과와 비교하고자 한다. 이를 통해서 미고결퇴적물의 경계를 가장 잘 분간할 수 있는 방법을 찾아보고, 퇴적물 특성에 따른 횡파 속도 단면의 변화 양상을 고찰해 보고자 한다.
본 연구에서는 미고결 퇴적물로 구성되어 있는 낙동강 델타지역을 대상으로 3가지 지구물리학적 탐사법을 이용하여 횡파 속도 단면을 구하고 이들을 시추 결과와 비교하고자 한다. 이를 통해서 미고결퇴적물의 경계를 가장 잘 분간할 수 있는 방법을 찾아보고, 퇴적물 특성에 따른 횡파 속도 단면의 변화 양상을 고찰해 보고자 한다. 이러한 비교연구는 각 탐사 결과의 신뢰성과 해상도를 밝혀주고 탐사 방법 및 자료처리에 관한 보다 좋은 방법을 찾는데 많은 기초 자료를 제공해 줄 것으로 생각된다.

제안 방법

다운홀 탄성파 탐사를 위하여 NX 크기(직경 76 mm)의 시추공을 굴착하였으며 PVC 파이프로 케이싱 처리하였다. 횡파 신호원은 양단에 철판을 부착한 목재 빔 (L1800XW200XH₂₀0mm)을 타격판으로 사용하였다.
본 연구에서는 미고결 퇴적물로 구성되어 있는 낙동강 델타지역을 대상으로 다운홀 탄성파 탐사, MASW, SCPT 등 세 가지 지구물리학적 탐사법을 이용하여 횡파 속도 단면을 구하고, 이들을 시추 주상도와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
분산곡선을 구하기 위하여 각 주파수 마다 위상 속도 변화에 따른 다중채널 신호의 에너지 강도를 계산하여 표현하고, 여기서 최대 에너지를 갖는 속도를 위상 속도로 결정하는 방법을 사용하였다. 이렇게 구한 분산곡선 중에서 S/N 비가 80% 이상인 10-50 Hz 구간의 분산곡선을 역산에 이용하였다.
횡파 신호원은 양단에 철판을 부착한 목재 빔 (L1800XW200XH₂₀0mm)을 타격판으로 사용하였다. 수신되는 파형에서 횡파를 효과적으로 분간하기 위하여 타격판의 양단을 번갈아 타격하여 180°의 위상 차이를 보이는 bow-type의 신호가 수신되도록 하였다. 탄성파의 수신은 공벽에 밀착되는 5 축 지오폰을 이용하였다.
본 연구에서는 28 Hz의 고유주파수를 갖는 수진기를 사용하였는데, 이는 본 연구의 계획 조사심도가 낮을 뿐 아니라, 높은 고유 주파수의 수진기를 이용한 표면파 탐사의 가능성을 타진해 보기 위함이다. 음원 오프셋은 walkaway 식으로 획득한 자료로부터 굴절파나 반사파의 영향이 최소화 되도록 결정하는데, 본 연구에서는 10 m 오프셋의 자료를 이용하여 분석하였다. 탄성파 음원으로는 무게 20 kg의 weight drop 형 현장 조립식 음원을 사용하여 가능한 한 낮은 주파수 영역의 탄성파가 많이 발생하도록 하였다.
이와 같이 낙동강 하구에 발달한 삼각주 지역 의미 고결 퇴적물을 대상으로 다운홀 탄성파 탐사, MASW 및 SCPT를 수행하였다. 각 탐사방법에 따른 자료획득과 자료처리 과정은 다음과 같다.
있다. 탄성파 기록에서 횡파 주시 발췌 후, 주시토모그래피 역산을 수행하였다. Fig.
6에서 보는 바와 같이 철제 빔으로 제작된 타격판을 콘 주입기를 탑재한 차량의 무게로 지면 방향으로 누른 상태에서 해머로 타격판의 측면을 타격하여 발생시켰다. 한 위치에서의 측정이 끝나면 콘 관입 시험기를 지하로 추가 관입하여 다음 위치에서의 측정을 하게 되는데, 매 0.5 m마다 이러한 과정을 되풀이 하면서 횡파 속도 단면을 구하였다.

대상 데이터

분산곡선을 구하기 위하여 각 주파수 마다 위상 속도 변화에 따른 다중채널 신호의 에너지 강도를 계산하여 표현하고, 여기서 최대 에너지를 갖는 속도를 위상 속도로 결정하는 방법을 사용하였다. 이렇게 구한 분산곡선 중에서 S/N 비가 80% 이상인 10-50 Hz 구간의 분산곡선을 역산에 이용하였다. 12 채널의 자료를 이용해 얻은 분산곡선은 Fig.
2에서 보는 바와 같이 1개의 수직성분과 4개의 수평 성분을 감지할 수 있도록 설계되어 있어 타격방향과 지 오폰 축 방향과의 차이를 최소화시킴으로써 3축 지오폰을 사용했을 경우보다 횡파의 주시를 정확하게 발췌할 수 있는 장점을 지니고 있다(김진후와 김현도, 2002). 타격판과 시추공간의 거리는 2 m로 하였으며, 깊이 16m부터 매 Im씩 지오폰을 이동시키면서 탄성파 자료를 획득하였다. 샘플링 간격은 0.
수신되는 파형에서 횡파를 효과적으로 분간하기 위하여 타격판의 양단을 번갈아 타격하여 180°의 위상 차이를 보이는 bow-type의 신호가 수신되도록 하였다. 탄성파의 수신은 공벽에 밀착되는 5 축 지오폰을 이용하였다. 5축 지오폰은 Fig.
처리하였다. 횡파 신호원은 양단에 철판을 부착한 목재 빔 (L1800XW200XH₂₀0mm)을 타격판으로 사용하였다. 수신되는 파형에서 횡파를 효과적으로 분간하기 위하여 타격판의 양단을 번갈아 타격하여 180°의 위상 차이를 보이는 bow-type의 신호가 수신되도록 하였다.

데이터처리

MASW를 이용한 표면파 탐사자료 분석을 위하여 SURFSEIS 프로그램 (Kansas Geological Survey, 2002)을 이용하여 분산곡선을 구하고 이의 역산을 수행하였다. 분산곡선을 구하기 위하여 각 주파수 마다 위상 속도 변화에 따른 다중채널 신호의 에너지 강도를 계산하여 표현하고, 여기서 최대 에너지를 갖는 속도를 위상 속도로 결정하는 방법을 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 MASW 방식을 이용한 표면파 탐사가 수행되었으며, 이는 자료획득, 분산곡선 산출 및 분산 곡선의 역산으로 이루어진다.

성능/효과

Xia et al.(2(XX))은 표면파 분산곡선을 역산하여 구한 횡파 속도구조와 시추공을 이용하여 구한 횡파 속도구조를 비교한 결과 약 9-15% 오차 내에서 속도구조가 일치함을 보였다.
8에서 보는 바와 같으며, 위상속도는 50 Hz에서 113 m/sec 의 속도가 30 Hz에서 109 m/sec로 다소 감소하다가 10昭|서 138 m/sec로 다시 증가하는 양상을 보인다. 깊이에 따른 S파 속도의 변화에 따라 위상속도는 10 Hz 이하에서 많은 변화가 있을 것으로 예상되나 본 연구에서는 높은 고유주파수를 갖는 지오폰을 사용한 관계로 10 Hz 이하의 낮은 주파수 영역에서는 신뢰성 높은 분산곡선은 얻을 수 없었다. 표면파 탐사에서 얻은 횡파 속도 단면을 살펴보면, 지표 부근에 약 120 m/sec의 속도 층인 제1층이 나타나고 그 하부에 100~110m/sec의 속도 층인 제2층이 약 2.
넷째, 본 연구를 통하여 다운홀 탄성파 탐사, MASW 및 SCPT 등은 저속도층이 협재되어 있는 지층에서 횡파 속도 단면을 얻는데 효과적으로 사용될 수 있음을 알았다. 또한 지층 내 점토의 함유가 횡파 속도에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 판단되는데, 이에 대한 효과를 정확히 분석하기 위해서는 더 많은 자료 수집과 분석이 필요한 실정이다.
4의 탄성파 자료에 대한 진폭스펙트럼을 보여준다. 높은 고유 주파수의 수진기를 사용한 관계로 10 Hz 이하의 신호는 거의 얻을 수 없었으나 10~60Hz의 신호는 표면파 분석에 이용할 수 있을 것으로 보인다. MASW를 위한 자료취득 인자는 Table 1에 나타내었다.
점토질 모래층 하부에 다시 실트질 모래층이 분포하고 있으며 횡파 속도는 다시 증가하고 있다. 다운홀 탐사를 통하여 주위 지층에 비해 상대적으로 저속도층인 점토질 실트층이 협재되어 있음을 알 수 있었으며, 지층 내 점토의 분포가 횡파 속도를 저하시키고, 결국 지반의 강성을 저하시키는 요인으로 작용하고 있는 것으로 판단된다.
둘째, 높은 고유주파수(28Hz>를 갖는 지오폰과 저주파를 발생시킬 수 있는 중추식 음원(20 kg)을 이용하여 표면파 탐사를 수행한 결과 10~50Hz 대역의 분산 곡선을 얻을 수 있었으며, 역산을 통하여 약 5 m 깊이까지 횡파 속도 단면을 얻을 수 있었다. 지층의 매질에 따라 다소 차이는 있을 것으로 예상되나 약 5 m 이내의 얕은 지층에 대한 표면파 탐사에서는 높은 고유주파수를 갖는 지오폰의 사용도 가능할 것으로 보인다.
셋째, SCPT를 이용하여 얻은 미고결 퇴적물의 횡파 속도 단면으로부터 지층을 4개의 층으로 구분할 수 있었으며, 다운홀 탄성파 탐사결과와 마찬가지로 점토질 모래층에서 횡파 속도가 감소하는 경향을 보이고 있다. SCPT는 역산 과정을 거치지 않기 때문에 유일 해를 얻을 수 있으며, 퇴적물상의 변화에도 가장 민감하게 반응하는 것으로 보인다.
대부분의 퇴적물은 낙동강에 의해 뜬짐, 도약 이동, 그리고 밑짐의 형태로 운반되었으며, 해침과 해퇴에 따른 퇴적상의 변화가 관찰되고 있다. 시추조사 결과에서도 퇴적층의 상부는 주로 실트질 모래와 점토질 모래로 구성되어 있고, 하부는 실트질 점토와 자갈질 모래로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다.
제2층 하부에는 120~140m /sec 의 제3층이 나타난다. 이를 시추 주상도와 비교하여 보면 3개의 층은 모두 실트질 모래로 구성되어 있음을 알 수 있으며, 이를 다운흘 탄성파 탐사결과와 비교하여 보면 저]1층 및 제2층은 다운흘 탄성파 탐사 결과의 제1층과 대비되고, 저13층은 다운홀 탄성파 탐사 결과의 제2층과 대비된다. 저】3층의 횡파 속도가 다운 홀 탄성파 탐사결과나 SCPT 탐사 결과에 비해 약 20-30 m/sec 정도 작게 나타나고 있는데, 이는 다운 홀 탄성파 탐사나 SCPT에서의 주시결정 오차, MASW에서의 분산곡선 산출 및 역산 알고리즘의 다양성, 그리고 고주파수의 고유 진동수를 갖는 지오폰을 사용하여 결정한 반무한 공간의 횡파 속도의 정확성 등 여러가지 요인을 고려해 볼 수 있으나, 이에 대한 원인을 정확히 분석하기 위해서는 더 .
한편, 점토질 모래층에서 표준 관입시험을 통해 N = 3~5값을 얻었는데, 이는 실트 질 모래층에서의 N치인 8~15에 비하여 상대적으로 낮은 값을 보이고 있다. 이상의 결과로 볼 때, 저)3층에 나타나는 저속도층은 실트질 모래층에 협재되어 있는 점토질 모래층에 기인한 것으로 보이며, 본 연구지역에 분포하고 있는 점토질 모래층은 실트질 모래층에 비해 강성이 떨어져 N치의 변화와도 잘 대비가 되는 것으로 판단된다. 저속도층이 포함되어 있는 지층의 다운흘 탄성파탐사 주시곡선의 특징은 기울기의 값이 큰 값에서 작은 값으로, 다시 큰 값으로 변하는 복잡한 양상을 띤다.
첫째, 다운홀 탐사에서 5 성분 지오폰을 사용함으로써 매질의 운동 방향과 지오폰의 운동 방향의 차이를 최소화 시킬 수 있었으며, 축 변환 알고리즘을 이용하여 횡파 주시결정의 정확도를 높일 수 있었다. 깊이 16 m까지 실시한 다운홀 탐사 결과 지층은 4개의 층으로 구분되어 있으며, 제2층은 실트질 모래층으로 횡파 속도 범위는 약 140~170m/sec이다.

후속연구

이를 통해서 미고결퇴적물의 경계를 가장 잘 분간할 수 있는 방법을 찾아보고, 퇴적물 특성에 따른 횡파 속도 단면의 변화 양상을 고찰해 보고자 한다. 이러한 비교연구는 각 탐사 결과의 신뢰성과 해상도를 밝혀주고 탐사 방법 및 자료처리에 관한 보다 좋은 방법을 찾는데 많은 기초 자료를 제공해 줄 것으로 생각된다.

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