지하 공동은 토지의 이용과 개발을 제한할 뿐 아니라 안전과 환경에 심각한 우려를 준다. 우리나라는 석회암이 널리 분포하고 폐광산이 많으며 도심이 확장되고 토지의 개발이 활발하여, 지하 공동에 의한 지반 안전과 환경 보존 문제를 안고 있다. 전남 무안군 덕보들에 한국지질자원연구원에서 마련한 물리탐사 실험장에서 지하 공동의 탐지와 모니터링을 위한 고정밀 중력탐사를 하였다. 중력은 약 30 m 간격의 논둑길을 따라 5 m 간격으로 모두 800여 측점에서 AutoGrav CG-3 중력계로 측정하였으며, 측점의 절대적 위치 오차는 수 mm 이하로 유지하였다. 중력 측선은 MS (minimum support) 역산으로 밀도 분포를 작성하였으며, 고분해능 3차원 중력 역해의 비유일성을 줄이기 위하여 Euler 디컨벌루션의 해를 제한 조건으로 이용하는 역산 방법을 고안하였다. 역산에 의하여 작성한 밀도 분포는 잔여 중력 분포와 전체적으로 잘 일치하였으며, 특히 공동과 관련된 것으로 예상되는 3곳의 중력 이상대의 밀도 분포 형태, 즉 공동의 위치 뿐 아니라 공동형태와 발달 양상을 잘 보여주었다. 이러한 해석 결과는 시추 주상도와 매우 잘 일치하였다. 탐사 실험장의 진입로에서 그라우팅을 전후하여 시간차 중력 모니터링을 하였다. 탐사 조건에 의한 불일치는 기준점의 관측 중력을 비교하여 조정하였다. MS 역산으로 작성한 그라우팅 전, 후의 밀도 분포를 비교하여 그라우팅의 효과를 검토하였다. 이 현장 사례를 통하여 ${\mu}Gal$ 수준의 정밀도와 정확도의 고정밀 중력탐사는 지하 공동을 탐지할 뿐 아니라 공동의 분포와 발달 양상을 확인하는 가장 직접적이고 효과적인 수단이 됨을 보여주었다. 또한, 시간차 중력 모니터링은, 여러 가지 오차 요인들이 있지만, 시간의 경과에 따른 지하 밀도 분포의 변화를 관측하는 데 효과적임을 보여주었다.
지하 공동은 토지의 이용과 개발을 제한할 뿐 아니라 안전과 환경에 심각한 우려를 준다. 우리나라는 석회암이 널리 분포하고 폐광산이 많으며 도심이 확장되고 토지의 개발이 활발하여, 지하 공동에 의한 지반 안전과 환경 보존 문제를 안고 있다. 전남 무안군 덕보들에 한국지질자원연구원에서 마련한 물리탐사 실험장에서 지하 공동의 탐지와 모니터링을 위한 고정밀 중력탐사를 하였다. 중력은 약 30 m 간격의 논둑길을 따라 5 m 간격으로 모두 800여 측점에서 AutoGrav CG-3 중력계로 측정하였으며, 측점의 절대적 위치 오차는 수 mm 이하로 유지하였다. 중력 측선은 MS (minimum support) 역산으로 밀도 분포를 작성하였으며, 고분해능 3차원 중력 역해의 비유일성을 줄이기 위하여 Euler 디컨벌루션의 해를 제한 조건으로 이용하는 역산 방법을 고안하였다. 역산에 의하여 작성한 밀도 분포는 잔여 중력 분포와 전체적으로 잘 일치하였으며, 특히 공동과 관련된 것으로 예상되는 3곳의 중력 이상대의 밀도 분포 형태, 즉 공동의 위치 뿐 아니라 공동형태와 발달 양상을 잘 보여주었다. 이러한 해석 결과는 시추 주상도와 매우 잘 일치하였다. 탐사 실험장의 진입로에서 그라우팅을 전후하여 시간차 중력 모니터링을 하였다. 탐사 조건에 의한 불일치는 기준점의 관측 중력을 비교하여 조정하였다. MS 역산으로 작성한 그라우팅 전, 후의 밀도 분포를 비교하여 그라우팅의 효과를 검토하였다. 이 현장 사례를 통하여 ${\mu}Gal$ 수준의 정밀도와 정확도의 고정밀 중력탐사는 지하 공동을 탐지할 뿐 아니라 공동의 분포와 발달 양상을 확인하는 가장 직접적이고 효과적인 수단이 됨을 보여주었다. 또한, 시간차 중력 모니터링은, 여러 가지 오차 요인들이 있지만, 시간의 경과에 따른 지하 밀도 분포의 변화를 관측하는 데 효과적임을 보여주었다.
Karstic features and mining-related cavities not only lead to severe restrictions in land utilizations, but also constitute serious concern about geohazard and groundwater contamination. A microgravity survey was applied for detecting, mapping and monitoring karstic cavities in the test site at Muan...
Karstic features and mining-related cavities not only lead to severe restrictions in land utilizations, but also constitute serious concern about geohazard and groundwater contamination. A microgravity survey was applied for detecting, mapping and monitoring karstic cavities in the test site at Muan prepared by KIGAM. The gravity data were collected using an AutoGrav CG-3 gravimeter at about 800 stations by 5 m interval along paddy paths. The density distribution beneath the profiles was drawn by two dimensional inversion based on the minimum support stabilizing functional, which generated better focused images of density discontinuities. We also imaged three dimensional density distribution by growing body inversion with solution from Euler deconvolution as a priori information. The density image showed that the cavities were dissolved, enlarged and connected into a cavity network system, which was supported by drill hole logs. A time-lapse microgravity was executed on the road in the test site for monitoring the change of the subsurface density distribution before and after grouting. The data were adjusted for reducing the effects due to the different condition of each survey, and inverted to density distributions. They show the change of density structure during the lapsed time, which implies the effects of grouting. This case history at the Muan test site showed that the microgravity with accuracy and precision of ${\mu}Gal$ is an effective and practical tool for detecting, mapping and monitoring the subsurface cavities.
Karstic features and mining-related cavities not only lead to severe restrictions in land utilizations, but also constitute serious concern about geohazard and groundwater contamination. A microgravity survey was applied for detecting, mapping and monitoring karstic cavities in the test site at Muan prepared by KIGAM. The gravity data were collected using an AutoGrav CG-3 gravimeter at about 800 stations by 5 m interval along paddy paths. The density distribution beneath the profiles was drawn by two dimensional inversion based on the minimum support stabilizing functional, which generated better focused images of density discontinuities. We also imaged three dimensional density distribution by growing body inversion with solution from Euler deconvolution as a priori information. The density image showed that the cavities were dissolved, enlarged and connected into a cavity network system, which was supported by drill hole logs. A time-lapse microgravity was executed on the road in the test site for monitoring the change of the subsurface density distribution before and after grouting. The data were adjusted for reducing the effects due to the different condition of each survey, and inverted to density distributions. They show the change of density structure during the lapsed time, which implies the effects of grouting. This case history at the Muan test site showed that the microgravity with accuracy and precision of ${\mu}Gal$ is an effective and practical tool for detecting, mapping and monitoring the subsurface cavities.
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문제 정의
이 논문은 지하 공동 탐지를 위한 물리탐사 기술 개발을 위하여 전남 무안군 용월리 덕보들에 마련한 현장 실험장에서 지하 석회암 공동의 탐지와 구조 파악을 위한 고정밀 중력탐사와 지반 침하 방지를 위한 그라우팅 전, 후의 시간차 중력 모니터링에 관한 현장 사례 연구이다.
제안 방법
중력 측선은 지하 공동 같이 작은 이상 구조의 물성 경계부를 명확하게 분해하는 효과가 우수한 MS 역산을 하였다. 고분해능 3차원 중력 역해의 비유일성 문제를 완화하기 위하여 Euler 디컨벌루션으로 구한 이상체의 위치 정보를 제한 조건으로 이용하는 역산 방법을 고안하였다.
용월리 시험 탐사장을 가로지르는 마을 진입로를 확장하면서 지반침하를 예방하기 위한 그라우팅을 하였다. 그라우팅 전과 후의 지하 밀도 분포의 변화를 관측하기 위하여 2005년 10월 10일과 2006년 9월 7일 두 차례에 걸쳐 고정밀 중력 측정을 하였다. 도로 북쪽 가녘을 따라 설정한 탐사 측선은 그 길이가 270 m이며, 측점 간격은 2 m로 하였다.
탐사 실험장의 진입로에서 그라우팅 전과 후에 시간차 중력 모니터링을 하였다. 시간 간격과 중력계 등의 탐사 조건에 의한 불일치는 중력 기준점과 현장 기준점을 이용하여 조정해 주었다. 중력 프로파일로부터 MS 역산으로 밀도 분포를 작성하여 비교해 보았다.
용월리 시험 탐사장을 가로지르는 마을 진입로를 확장하면서 지반침하를 예방하기 위한 그라우팅을 하였다. 그라우팅 전과 후의 지하 밀도 분포의 변화를 관측하기 위하여 2005년 10월 10일과 2006년 9월 7일 두 차례에 걸쳐 고정밀 중력 측정을 하였다.
이 문제를 해결하는 한 가지 방안으로서 파라미터의 개수를 줄이는 방법을 고안하였다. 즉, Euler 디컨벌루션으로 이상체의 위치 정보를 먼저 얻고, 이를 바탕으로 Euler 해 주위의 일정 반경 이내의 공간만을 추려서 역산 모델 공간을 구성하는 것이다(Rim et al.
전남 무안군 용월리 덕보들의 탐사 실험장에서 석회암 공동의 탐지와 분포 양상을 확인하기 위한 고정밀 중력탐사와 그라우팅 전, 후의 지하 밀도 분포의 변화를 확인하기 위한 시간차 중력 모니터링을 하였다.
중력 이상은 2차원 및 3차원 역산 해석을 하였으며, Euler 디컨벌루션을 보조적으로 이용하였다. 중력 측선은 지하 공동 같이 작은 이상 구조의 물성 경계부를 명확하게 분해하는 효과가 우수한 MS 역산을 하였다.
시간 간격과 중력계 등의 탐사 조건에 의한 불일치는 중력 기준점과 현장 기준점을 이용하여 조정해 주었다. 중력 프로파일로부터 MS 역산으로 밀도 분포를 작성하여 비교해 보았다. 그라우팅 후의 밀도 분포는 일부 낮은 밀도대의 크기가 줄어들어 어느 정도 그라우팅의 효과를 보여주었다.
마을 진입로와 대략 30 m 간격의 논둑길을 따라 5 m 간격으로 모두 800여 측점에서 중력을 측정하였다. 중력계는 측정 정밀도 5 μGal의 Scintrex AutoGrav CG-3를 사용하였으며, 측점의 위치는 Trimble 5700을 이용한 DGPS로 측량 기준점의 절대 좌표를 설정하고, 이 기준점으로부터 Leica Total Station 1100 광파 측량기를 이용하여 각 측점의 절대 위치 좌표를 결정하였다. 이 경우, 측점의 절대적 위치 오차는 약 5 mm 정도이지만, 측점 사이의 상대적인 위치 오차는 거의 무시할 수 있는 수준으로 정확하게 결정된다.
중력계의 계기 오차 보정을 위하여 약 2시간 간격으로 현장에 마련된 기준점을 되돌이 측정하였다. 관측 중력은 프리에어 보정, 대기질량 보정, 부게 보정을 통하여 부게 이상을 산출하였는데, 통상 이용되는 간략식이 아닌 완전한 보정식을 이용하였다(박영수 등, 2006).
중력은 대략 30 m 간격의 논둑길을 따라 5 m 간격으로 측정되었으므로 3차원 격자 측정이라고 할 수는 없지만, 논둑길의 간격이 거의 일정하고 측점이 전체적으로 고르게 분포하여 격자에 준한다고 간주하여, 2차원 탐사 측선 해석과 3차원 평면 해석을 하였다.
측선 L1과 L2에 대하여 2차원 Euler 디컨벌루션을 적용해 보았다. 측선 L1 (Fig.
탐사 실험장의 진입로에서 그라우팅 전과 후에 시간차 중력 모니터링을 하였다. 시간 간격과 중력계 등의 탐사 조건에 의한 불일치는 중력 기준점과 현장 기준점을 이용하여 조정해 주었다.
한국지질자원연구원에서는 지하 공동 탐지를 위한 복합 물리탐사 기술을 개발하기 위하여 무안읍 북쪽 약 3 km에 위치한 전남 무안군 무안읍 용월리 덕보들에 물리탐사 실험장을 마련하여 고정밀 중력탐사를 비롯한 다양한 방법의 물리탐사를 시험, 적용해 보았다. 이곳은 시추 관정에서 석회암 공동들이 확인되었고, 일부 논에서는 침하도 보고되었다.
대상 데이터
그라우팅 전과 후의 지하 밀도 분포의 변화를 관측하기 위하여 2005년 10월 10일과 2006년 9월 7일 두 차례에 걸쳐 고정밀 중력 측정을 하였다. 도로 북쪽 가녘을 따라 설정한 탐사 측선은 그 길이가 270 m이며, 측점 간격은 2 m로 하였다. 중력계는 처음 탐사에서는 측정 정밀도 5 μGal의 Scintrex AutoGrav CG-3, 나중 탐사에서는 측정 정밀도 1 μGal의 ZLS Burris 중력계를 사용하였다.
이곳은 시추 관정에서 석회암 공동들이 확인되었고, 일부 논에서는 침하도 보고되었다. 실험장은 대략 400 m × 200 m 정도의 사각형 모양의 경사가 완만한 벼논으로서 경지 정리가 잘 되어 거의 일정한 간격의 논둑길이 있어 탐사 조건은 양호하였다.
이론/모형
중력계의 계기 오차 보정을 위하여 약 2시간 간격으로 현장에 마련된 기준점을 되돌이 측정하였다. 관측 중력은 프리에어 보정, 대기질량 보정, 부게 보정을 통하여 부게 이상을 산출하였는데, 통상 이용되는 간략식이 아닌 완전한 보정식을 이용하였다(박영수 등, 2006). 또한, 보다 정확한 지형 효과를 계산하기 위하여 탐사 현장에서 5 km 이내의 범위는 수치지형도로부터 30 m × 30 m 격자의 DEM을 직접 구성하여 삼각요소법을 이용하여 계산하였다(임형래 등, 2003).
관측 중력은 프리에어 보정, 대기질량 보정, 부게 보정을 통하여 부게 이상을 산출하였는데, 통상 이용되는 간략식이 아닌 완전한 보정식을 이용하였다(박영수 등, 2006). 또한, 보다 정확한 지형 효과를 계산하기 위하여 탐사 현장에서 5 km 이내의 범위는 수치지형도로부터 30 m × 30 m 격자의 DEM을 직접 구성하여 삼각요소법을 이용하여 계산하였다(임형래 등, 2003).
역산은 Camacho et al. (2000)이 제안한 growing body inversion을 이용하였다. 이 역산법은 중력 자료가 3차원 지형에서 불규칙한 형태로 측정되더라도 적용이 가능하고, 최종적으로 찾아갈 이상체의 개수를 미리 정하지 않고 시작함으로 다수의 이상체를 동시에 역산 해석할 수 있다는 장점이 있다.
성능/효과
2차원 및 3차원 역산에 의하여 작성한 밀도 분포는 잔여 중력 분포와 전체적으로 잘 일치하였으며, 특히 공동과 관련된 것으로 예상되는 3 곳의 중력 이상대의 밀도 분포 형태, 즉 공동의 발달 양상을 잘 보여주었다. 이러한 해석 결과는 시추 주상도와 매우 잘 일치하였다.
μGal 수준의 정밀도와 정확도의 고정밀 중력탐사는 지하 공동을 탐지할 뿐 아니라 공동의 분포와 발달 양상을 확인하는 가장 직접적이고 효과적인 수단이 됨을 보여주었다. 또한, 시간차 중력 모니터링은, 여러 가지 오차 요인들이 있지만, 시간의 경과에 따른 지하 구조의 밀도 분포의 변화를 관측하는 데 효과적임을 보여주었다.
또한, 그라우팅 주입공의 위치와 그라우팅의 양을 보면 전측선에 걸쳐서 약 10 m 이하의 촘촘한 간격으로 상당히 많은 양을 주입하였다. 그라우팅 전에도 공동이 매우 복잡하게 발달, 분포하고 있었는데, 압력을 가하는 그라우팅이 전 측선에 걸쳐서 수행되었으므로 지하 구조를 더욱 복잡하게 하고 부분적으로는 압력에 의한 파쇄도 수반되었을 가능성도 있다.
μGal 수준의 정밀도와 정확도의 고정밀 중력탐사는 지하 공동을 탐지할 뿐 아니라 공동의 분포와 발달 양상을 확인하는 가장 직접적이고 효과적인 수단이 됨을 보여주었다. 또한, 시간차 중력 모니터링은, 여러 가지 오차 요인들이 있지만, 시간의 경과에 따른 지하 구조의 밀도 분포의 변화를 관측하는 데 효과적임을 보여주었다.
0 g/cm3일 때, 구 모델과 원통 모델의 반지름과 깊이에 따른 최대 중력 이상값이다. 중력계의 분해능 뿐 아니라 현장 잡음, 측량 오차 등을 포함하는 실질적인 현장 탐사의 정확도를 감안하여 탐지할 수 있는 최소 중력값이 10 μGal라고 할 때, 밀폐형 공동의 경우에는 그 깊이가 10 m이면 공동의 지름이 5 m 이상이어야 탐지 가능하나, 터널형 공동의 경우에는 지름이 3 m 정도이면 탐지 가능하다. 이것은 Pattreson et al.
후속연구
이것은 원래 공동이 광범위하게 발달해 있었는데 시추와 그라우팅으로 지하의 압력 변화를 일으켜 밀도 분포에 변화가 생겼거나, 그라우트가 아직 덜 안정된 상태에서 지하수에 의한 유실 때문이 아닐까 추측할 수 있을 것이다. 또한, 3차원 공동 구조를 2차원 측선 탐사로 해석하는 한계라고 볼 수도 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 전남 무안군 용월리 덕보들의 탐사 실험장에서 석회암 공동의 탐지와 분포 양상을 확인하기 위해서 고정밀 중력탐사와 그라우팅 전, 후의 지하 밀도 분포의 변화를 확인하기 위한 시간차 중력 모니터링을 한 결과는 어떠한가?
2차원 및 3차원 역산에 의하여 작성한 밀도 분포는 잔여 중력 분포와 전체적으로 잘 일치하였으며, 특히 공동과 관련된 것으로 예상되는 3 곳의 중력 이상대의 밀도 분포 형태, 즉 공동의 발달 양상을 잘 보여주었다. 이러한 해석 결과는 시추 주상도와 매우 잘 일치하였다.
탐사 실험장의 진입로에서 그라우팅 전과 후에 시간차 중력 모니터링을 하였다. 시간 간격과 중력계 등의 탐사 조건에 의한 불일치는 중력 기준점과 현장 기준점을 이용하여 조정해 주었다. 중력 프로파일로부터 MS 역산으로 밀도 분포를 작성하여 비교해 보았다. 그라우팅 후의 밀도 분포는 일부 낮은 밀도대의 크기가 줄어들어 어느 정도 그라우팅의 효과를 보여주었다. 그러나 부분적으로는 밀도가 더 낮아진 부분도 있는데, 이것은 지하 공동의 발달, 지하 압력의 변화 또는 2차원 해석의 한계 등 여러 가지 해석이 가능할 것이다.
μGal 수준의 정밀도와 정확도의 고정밀 중력탐사는 지하 공동을 탐지할 뿐 아니라 공동의 분포와 발달 양상을 확인하는 가장 직접적이고 효과적인 수단이 됨을 보여주었다. 또한, 시간차 중력 모니터링은, 여러 가지 오차 요인들이 있지만, 시간의 경과에 따른 지하 구조의 밀도 분포의 변화를 관측하는 데 효과적임을 보여주었다.
우리나라는 어떤 이유로 지하 공동에 의한 지반 안전과 환경 보존 문제를 갖고 있는가?
지하 공동은 토지의 이용과 개발을 제한할 뿐 아니라 안전과 환경에 심각한 우려를 준다. 우리나라는 석회암이 널리 분포하고 폐광산이 많으며 도심이 확장되고 토지의 개발이 활발하여, 지하 공동에 의한 지반 안전과 환경 보존 문제를 안고 있다. 전남 무안군 덕보들에 한국지질자원연구원에서 마련한 물리탐사 실험장에서 지하 공동의 탐지와 모니터링을 위한 고정밀 중력탐사를 하였다.
지하 공동은 어떤 해를 가하는가?
지하 공동은 토지의 이용과 개발을 제한할 뿐 아니라 안전과 환경에 심각한 우려를 준다. 우리나라는 석회암이 널리 분포하고 폐광산이 많으며 도심이 확장되고 토지의 개발이 활발하여, 지하 공동에 의한 지반 안전과 환경 보존 문제를 안고 있다.
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