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문제 정의
- 이번 사례 연구는 물리탐사 자료를 통합한 3차원 지반 모델링의 적용 사례를 살펴봄으로써, 2차원 역산을 통해 획득된 물리탐사 결과에 대한 분석과 해석에 있어서의 3차원 지반 모델링 기법의 적용성을 검토하였다.
- 이와 같이 단층대 및 열수변질대의 발달에 의해 차별 풍화가 진행된 화강섬록암 지역에서 댐의 기초부 위치 선정이 전체구조물 설계에서 중요한 고려 항목으로 대두되었으며, 이를 위해 3차원 지반 모델링을 적용하여 댐 구조물의 기초를 설치할 수 있는 기반암의 3차원 정보를 추출하여 댐 기초부 위치선정에 활용하고자 하였다.
제안 방법
- 대상 지역의 기반암선에 대한 3차원 지반 모델링 구성을 위해서 수치지형도를 사용하여 지표면을 구성하였으며 (Fig. 6 (a)), 시추조사 결과와 시추조사 자료의 형태로 변환된 탄성파 굴절법 탐사 자료를 이용하여 각 지층의 경계면에 대한 3차원 위치 정보를 입력하였다(Fig. 6 (b)).
- 구정 75호 광구 일원에 대하여 전기비저항 탐사와 탄성파굴절법 탐사를 수행하였으며, 자료처리를 통해 도출된 전기비저항 단면과 탄성파속도 단면을 3차원 분석 프로그램에 입력하여 입체적인 분석을 수행하였다(Fig. 9).
- 2006). 기초조사는 댐 예정 지점에서 댐축을 따라 물리탐사 및 시추조사를 수행하였으며 (Fig. 2), 측선거리 850-950m 지점에서 전기비저항 탐사 및 탄성파굴절법 탐사 결과에서 급격한 풍화심도의 변화에 의한 물성 변화가 관찰되었다. 이러한 탐사 결과를 확인하기 위해 시추 조사를 수행하였으며(Fig.
- 5). 대상 지역의 기반암선에 대한 3차원 지반 모델링 구성을 위해서 수치지형도를 사용하여 지표면을 구성하였으며 (Fig. 6 (a)), 시추조사 결과와 시추조사 자료의 형태로 변환된 탄성파 굴절법 탐사 자료를 이용하여 각 지층의 경계면에 대한 3차원 위치 정보를 입력하였다(Fig.
- 3 km에 대한 격자형 탄성파 굴절법 탐사를 수행하였다. 또한 지표물리탐사 결과를 바탕으로 주요 구조물 하부에 46개소의 시추조사를 수행하였다.
- 최근 국내에서 고령토 광산에서 전기 비 저 항탐사, 유도분극탐사를 실시 하여 전기 비 저항 탐사의 적용가능성을 제시한 바 있으며(정현기 외, 2004), 2005년에 고령토, 석회석 등 비금속광에 대한 물리 탐사기법의 현장 적용 사례를 발표한 바 있다(정현기 외, 2005). 또한, 벤토나이트 광상 탐지에 전기 비저항탐사, 유도분극탐사, 소형 루프 전자 탐사, 자연전위탐사 등을 적용하였다(이유진 외, 2006).
- 3차원 지반 모델의 기본 지형 모델을 구축하기 위해 수치지형도의 3차원 정보 즉, 고도 정보가 포함된 등고선 자료를 사용하였으며, 지질 모델을 구축하기 위해 수치 지질도에 표시된 지질 경계를 입력 자료로 사용하였다. 또한, 산계 수계 분석에 활용하기 위해 인공위성 영상을 3차원 모델에 결합하여 조사 대상 지역을 가시화하는데 활용하였다(Fig. 13). 또한 3차원 위치 정보가 포함된 물리탐사 자료와 시추조사 자료를 지반 모델에 통합하여 (Fig.
- 11)이므로 조사 대상 지역에서의 풍화대 하부 경계를 탄성파 속도 1, 500 m/sec를 기준으로 설정하였다. 시추조사 결과와 탄성파 속도 자료를 기준으로 산출한 풍화대 하부 경계를 입력 변수로 하여 지구통계학적 분석을 수행하였으며, 그 결과를 3차원 지반 모델에 통합하였다. 지구 통계 학적 분석을 통해 산출한 풍화대 하부 경계와 시추조사 결과를 비교분석 하였으며(Fig.
- 16 (b)). 앞서 설명한 바와 같이, 시추조사에 확인된 풍화대의 평균 심도는 17.1 m이며, 심도별 평균 탄성파 속도 분포에서 1, 500 m/sec인 지점은 약 16.6 m (Fig. 11)이므로 조사 대상 지역에서의 풍화대 하부 경계를 탄성파 속도 1, 500 m/sec를 기준으로 설정하였다. 시추조사 결과와 탄성파 속도 자료를 기준으로 산출한 풍화대 하부 경계를 입력 변수로 하여 지구통계학적 분석을 수행하였으며, 그 결과를 3차원 지반 모델에 통합하였다.
- 이 사례 연구에서는 점토광물에 대한 물리탐사기법의 적용성 검토에 대한 기존의 연구결과를 바탕으로 회장암 지역에 존재하는 고령토 광상의 분포 특성 파악을 위해 전기비저항탐사와 탄성파 굴절법 탐사를 이용하여 풍화대 심도 및 주요 지질구조를 확인하였으며, 수치지형도, 지질구조, 시추조사 결과 등과 물리탐사 결과를 통합하는 3차원 지반 모델링을 수행하여 고령토 광상의 매장량 산출에 적용하였다.
- 필수적이다. 이 사례에서는 단층 및 파쇄대의 분포 특성 확인을 위해 7개 측선 총연장 5.2 km에 대한 전기비저항 탐사를 수행하였으며, 기반암선의 심도 분포를 확인하기 위해서 11개 측선 총연장 4.3 km에 대한 격자형 탄성파 굴절법 탐사를 수행하였다. 또한 지표물리탐사 결과를 바탕으로 주요 구조물 하부에 46개소의 시추조사를 수행하였다.
- 풍화대의 체적 산출을 위해서는 풍화대의 경계를 주줄하는 과정이 필수적이다. 이를 위해서 탄성파 굴절법 탐사 결과와 시추자료를 비교하여 탄성파 속도를 기준으로 풍화대 경계면을 추출하였다. 이번 연구에서 구성된 3차원 모델에는 시추공 위치와 각 시추공에서의 풍화대 심도가 포함되어 있으므로, 시추공 주변의 풍화대 영역의 탄성파 속도를 추출하여 (Fig.
- 이번 사례 연구에서는 Genicom Software 사의 GEMS를 사용하였으며, GEMS는 광업 분야에서 3차원 지질 모델링 및 광산설겨】, 채굴계획 수립 등에 이용되어온 3차원 지반모델링 프로그램이다(Fig. 1). GEMS는 데이터베이스 기반의 프로그램으로 사용자가 원하는 항목의 특성들을 다양하게 편집하여 분석할 수 있으며 복잡한 지형 및 지질을 모사하는데 있어서 여타의 3차원 지반모델링 프로그램에 비해 우수한 성능을 발휘한다.
- 이를 위해서 탄성파 굴절법 탐사 결과와 시추자료를 비교하여 탄성파 속도를 기준으로 풍화대 경계면을 추출하였다. 이번 연구에서 구성된 3차원 모델에는 시추공 위치와 각 시추공에서의 풍화대 심도가 포함되어 있으므로, 시추공 주변의 풍화대 영역의 탄성파 속도를 추출하여 (Fig. 15) 이를 분석하였다. 시추조사에서 확인된 풍화대 주변 영역의 탄성파 속도는 300-2, 000 m/sec 구간에 대부분 존재하고 탄성파 속도 1, 500 m/sec 이내에 95% 이상이 분포한다(Fig.
- 이상 설명한 바와 같이, 물리탐사 결과를 이용하여 지층 분포에 대한 3차원 지반 모델링을 수행함으로써, 기존의 지층 분포에 대한 2차원 단면 정보와 기술자의 경험적 판단에 의존하였던 평면적 설계의 한계를 극복하고, 지층의 심도별 등고선 도를 작성함으로써 댐기초 위치선정 및 굴착심도 결정 등의 구조물 설계에 활용하였고, 3차원 지반 모델 위에 구조물의 수치 모형을 삽입하여 지층과 구조물의 3차원적인 접촉관계 등을 검토함으로써 구조물의 안정성 검토에 활용하였다.
- 전기비저항 탐사는 구정 75호 광구 서측을 중심으로 총 15 개 측선에 대하여 총 연장 6.8 km에 대하여 수행하였다. 현장 여건 상 2차원 전기비저항 탐사를 수행하였으며, 2차원 역산 결과의 해석 상의 단점을 보완하기 위해 탐사 측선을 격자형으로 설정하였다.
- 8 km에 대하여 수행하였다. 현장 여건 상 2차원 전기비저항 탐사를 수행하였으며, 2차원 역산 결과의 해석 상의 단점을 보완하기 위해 탐사 측선을 격자형으로 설정하였다. 측정된 전기비저항 자료는 한국지질자원연구원에서 개발된 DIPRO를 이용하여 역산을 수행하였다(Fig.
- 현장 여건이나 기술적 경제적 여건 등의 한계로 인하여 조사 대상 지역에 대한 3차원 물리탐사를 수행할 수 없을 경우, 격자형 측선에서 획득된 물리탐사 결과에 대한 3차원 지반 모델링 기법을 적용함으로써 탐사 자료의 다양한 분석과 통합적 해석이 가능하며, 해석 결과를 3차원 공간에서의 정보로 도출할 수 있기 때문에 탐사 결과의 활용성도 향상되었음을 토목 분야와 자원개발 분야에서의 사례 연구를 통해 확인하였다.
- 6 km 구간에서 현장 자료를 획득하였다. 현장에서 측정된 탄성파 굴절법 탐사 결과에 대한 초동 발췌를 수행하고, 발췌된 초동 주시를 입력 변수로 사용하는 셀 매개 변수 법을 적용한 역산을 이용하여 지하 매질의 속도분포를 산출하였다. 역산을 통해 획득한 탄성파 속도 분포는 심도가 증가함에 따라 평균속도가 증가하는 양상을 보이며, 탄성 파속도 값의 분산 또한 심도가 깊어질수록 증가하는 양상을 확인할 수 있는데 (Fig.
대상 데이터
- 3차원 지반 모델의 기본 지형 모델을 구축하기 위해 수치지형도의 3차원 정보 즉, 고도 정보가 포함된 등고선 자료를 사용하였으며, 지질 모델을 구축하기 위해 수치 지질도에 표시된 지질 경계를 입력 자료로 사용하였다. 또한, 산계 수계 분석에 활용하기 위해 인공위성 영상을 3차원 모델에 결합하여 조사 대상 지역을 가시화하는데 활용하였다(Fig.
- 구정 75호 광구 일원에 대한 3차원 지반 모델을 구축하기 위해 수치지형도, 수치지질도 및 위성 영상을 입력 자료로 사용하였다. 3차원 지반 모델의 기본 지형 모델을 구축하기 위해 수치지형도의 3차원 정보 즉, 고도 정보가 포함된 등고선 자료를 사용하였으며, 지질 모델을 구축하기 위해 수치 지질도에 표시된 지질 경계를 입력 자료로 사용하였다.
- 대상 지역은 광역적으로 선캠브리아기의 화강편마암을 기반암으로 중생대의 화강섬록암과 백악기 복운모 화강암 등이 관입하였고, 중생대 쥬라기 이후 이들을 관입한 염기성 암맥이 분포하는 지역이다(한국동력자원연구소, 1989). 이 지역의 화강섬록암은 중생대에 관입한 화강암류로 입자크기가 2~5 mm 정도의 극조립질이며, 석영, 장석(주로 사장석) 및 흑운모로 구성되어 있다.
- 보고되었다(노진환, 2007). 따라서 고령토 광상의 매장량산정을 위한 기초 자료로 풍화대의 체적을 산출하는 것이 필요하며 이를 위해서 3차원 지반 모델에 통합된 탄성파 속도자료를 사용하였다. 풍화대의 체적 산출을 위해서는 풍화대의 경계를 주줄하는 과정이 필수적이다.
- 및 매장량 산출 등을 수행하였다(도정록 외, 2007). 이번 사례연구는 일반광 정밀조사 대상 광구 중 구정 75호 지역을 대상으로 한다. 정밀 조사의 일환으로 구정 75호 광구 일원에서 총 10공에 대한 탐광시추조사를 수행하였으며, 그 결과 풍화심도 는 7.
- 이번 사례연구는 일반광 정밀조사 대상 광구 중 구정 75호 지역을 대상으로 한다. 정밀 조사의 일환으로 구정 75호 광구 일원에서 총 10공에 대한 탐광시추조사를 수행하였으며, 그 결과 풍화심도 는 7.5 ~ 24.5 m(평균 17.1 m)의 분포를 보인다. 특히 07-6 호공의 경우, 고품위 고령토 광상이 착맥되었다.
- 조사 대상 지역은 영남육괴의 서측에 해당하는 지역으로, 비교적 변성도가 높은 선캠브리아기의 지리산편마암복합체가 기저를 형성하고 있으며, 후기에 시대미상의 회장암과 중생대의 해인사 화강암이 북북동-남남서 방향으로 관입분포하고 있다. 이 지역의 회장암은 약 16 ~ 17억 년 전에 생성된 고기 심성암 (김동학 외, 1998)으로서, 반려암질마그마의 마그마 분화 작용에 의한 결정분화작용에 의해 생성된 암석 중 사장석의 함량이 90% 이상일 경우에 이를 회장암(anorthosite)이라 하고, 유색광물(각섬석, 휘석, 감람석, 흑운모 등)의 함량이 20% 이상일 경우에 반려암(gabbro)으로 분류한다.
- 조사 대상 지역의 전기비저항 분포 특성과 탄성파 속도 분포 특성을 비교 검토할 수 있도록 탄성파 굴절법 탐사의 측선을 전기비저항탐사 측선과 동일하게 설정하였으며, 총 16개 측선에 대하여 총연장 6.6 km 구간에서 현장 자료를 획득하였다. 현장에서 측정된 탄성파 굴절법 탐사 결과에 대한 초동 발췌를 수행하고, 발췌된 초동 주시를 입력 변수로 사용하는 셀 매개 변수 법을 적용한 역산을 이용하여 지하 매질의 속도분포를 산출하였다.
데이터처리
- 기반암선의 심도 분포 확인을 위해 시추조사 결과와 탄성파굴절법 탐사 결과를 토대로 풍화심도와 사면 경사각, 지표 표고, 지형상의 위치, 구조선과의 관계 등에 대한 다중 회귀분석을 수행하였다. 다중 회귀 분석 결과, 분석에 사용된 변수에 따라 분산도의 차이는 있으나, 풍화심도는 사면경사각, 지표표고, 구조선 밀도 등과 상대적으로 높은 상관관계를 가짐을 확인하였다(Fig.
- 현장 여건 상 2차원 전기비저항 탐사를 수행하였으며, 2차원 역산 결과의 해석 상의 단점을 보완하기 위해 탐사 측선을 격자형으로 설정하였다. 측정된 전기비저항 자료는 한국지질자원연구원에서 개발된 DIPRO를 이용하여 역산을 수행하였다(Fig. 9 (a)).
이론/모형
- 6 (b)). 입력 자료를 바탕으로 GEMS의 Laplace gridding 기법을 이용하여 각 지층경계면에 삼각망을 구성하였으며(Fig. 7), 각 지층면에 대한 삼각망을 이용하여 지증 경계면에 대한 3차원 등고선도를 작성하였다(Fig. 8).
성능/효과
- 수행하였다. 다중 회귀 분석 결과, 분석에 사용된 변수에 따라 분산도의 차이는 있으나, 풍화심도는 사면경사각, 지표표고, 구조선 밀도 등과 상대적으로 높은 상관관계를 가짐을 확인하였다(Fig. 5). 대상 지역의 기반암선에 대한 3차원 지반 모델링 구성을 위해서 수치지형도를 사용하여 지표면을 구성하였으며 (Fig.
- 5 m 이상으로 확인되었다. 또한 댐 예정 지역에 대한 풍화 민감도 분석을 수행한 결과, 급격한 기반암선 변화가 확인된 지역에서 상대적으로 풍화민감도가 높게 분석되었으며 (Fig. 4) 이는 시추조사 및 물리탐사 결과와 일치하였다.
- 16 (a)). 또한, 풍화대 구간에서 심도의 증가에 따라 탄성파 속도도 증가하는 일반적 인 양상이 확인되었으며 , 속도의 급격한 변화는 관찰되지 않았다(Fig. 16 (b)).
- 현장에서 측정된 탄성파 굴절법 탐사 결과에 대한 초동 발췌를 수행하고, 발췌된 초동 주시를 입력 변수로 사용하는 셀 매개 변수 법을 적용한 역산을 이용하여 지하 매질의 속도분포를 산출하였다. 역산을 통해 획득한 탄성파 속도 분포는 심도가 증가함에 따라 평균속도가 증가하는 양상을 보이며, 탄성 파속도 값의 분산 또한 심도가 깊어질수록 증가하는 양상을 확인할 수 있는데 (Fig. 11), 이는 심도가 깊을수록 속도 분포의 다양성이 증가하는 현상과 역산결과의 오차가 커지는 특징에 의한 영향으로 판단된다.
- 2), 측선거리 850-950m 지점에서 전기비저항 탐사 및 탄성파굴절법 탐사 결과에서 급격한 풍화심도의 변화에 의한 물성 변화가 관찰되었다. 이러한 탐사 결과를 확인하기 위해 시추 조사를 수행하였으며(Fig. 3), 조사 결과 수평거리로 13.5 m 이격된 두 시추공 사이에서 경암층의 수평적 심도 변화가 최소 20.5 m 이상으로 확인되었다. 또한 댐 예정 지역에 대한 풍화 민감도 분석을 수행한 결과, 급격한 기반암선 변화가 확인된 지역에서 상대적으로 풍화민감도가 높게 분석되었으며 (Fig.
- 시추조사 결과와 탄성파 속도 자료를 기준으로 산출한 풍화대 하부 경계를 입력 변수로 하여 지구통계학적 분석을 수행하였으며, 그 결과를 3차원 지반 모델에 통합하였다. 지구 통계 학적 분석을 통해 산출한 풍화대 하부 경계와 시추조사 결과를 비교분석 하였으며(Fig. 17), 탄성파 속도에 의한 풍화대 경계가 시추 조사 결과와 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있다.
- 탄성파 굴절법 탐사 자료처리를 통해 획득한 탄성파속도 단면을 3차원 분석 프로그램에 입력하여 입체적 분석을 수행한 결과, 상호 교차하는 측선에서 속도 분포 특성이 대체적으로일치하는 것을 확인하였으며, 전기비저항 단면 분석에 확인된 지질구조와 기반암의 저속도 구간이 일정한 연관성을 보임을 확인할 수 있었다(Fig. 12).
후속연구
- 최근의 컴퓨터 성능 향상과 기술 발달에 따라 3차원 역산기술의 발전과 함께 3차원 분석 도구의 필요성이 증대되고 있으며 , 다양한 분야에서 물리탐사 결과에 활용이 요구되고 있는 상황을 고려할 때, 물리탐사 결과에 대한 분석과 해석 및 활용에 필요한 효과적인 도구로서 3차원 지반 모델링 기법의 적용 범위와 활용이 더욱 활발해질 것으로 기대된다.
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