[논문]3차원 탄성파 토모그래피의 현장 적용 (II);댐 예정지에서의 3차원 토모그래피 적용 사례

문윤섭; 하희상; 고광범; 김지수

문제 정의

3. Source-receiver array configuration for 3D tomography in this study. Three parallel hole to surface array was deployed along the stream coffer dam, dam crest and the down stream coffer dam line.
수신 배열을 적용한다면 3차원 탄성파 토모그래피는 충분히 현장 적용성을 가지고 있다고 판단된다. 이연구에서는 개발된 3차원 탄성파 토모그래피 알고리즘의 현장 적용성을 검토하기 위하여 댐 건설 예정부지에서 현장자료를 획득하고 자료처리를 수행하였다. 연구지역은 댐 제체의 중앙부(약 200 mx200 m)이며 현장자료의 획득을 위한 측선배열은 시추공-시추공Qmole to hole) 및 시추공-지표(hole to surface) 송수신 배열의 조합으로 설정하였으며 해석의 주된 방향은 자료처리를 통해얻어진 탄성파 속도 입방체로부터 댐 제체가 건설될 지역의 기반암 출현 심도의 입체적인 확인 및 댐 제체의안정성에 영향을 줄 수 있는 단층 등 주요 지질구조선의 규명에 있으며, 이것을 지표지질 및 시추 조사에서확인된 지질구조 정보와 상관시켜 신뢰성을 높였다 또한 탄성파 속도와 균열, 파쇄대 등 지반 상태의 상관관계 (신희순 등 2000)를 고려하여 탄성파 속도 자료와 RMR (Rock Mass Rating) 자료와의 상관분석으로 미 시추구간을 포함한 전체 영역의 RMR 입방체를 신정하여암반등급 분류를 위한 적용성을 살펴보았다.

제안 방법

이 이상대는 해당영역 내의 시추공 MDB-3의 시추 결과, 충적층 및 풍화대층이깊게 분포하는 것으로 확인되었는 바, 영역 Ie 국부적으로 발달하는 풍회대로 해석하였디. 또한 영역 I의 범위 및 심도 연장 파악과 더불어 3차원 영상의 특성상발생하는 사각지역에 대한 결과를 확인하기 위해 고도 140 m을 기준으로 절단하여 단면 영상을 구현하였다.(Fig.
이연구에서는 개발된 3차원 탄성파 토모그래피 알고리즘의 현장 적용성을 검토하기 위하여 댐 건설 예정부지에서 현장자료를 획득하고 자료처리를 수행하였다. 연구지역은 댐 제체의 중앙부(약 200 mx200 m)이며 현장자료의 획득을 위한 측선배열은 시추공-시추공Qmole to hole) 및 시추공-지표(hole to surface) 송수신 배열의 조합으로 설정하였으며 해석의 주된 방향은 자료처리를 통해얻어진 탄성파 속도 입방체로부터 댐 제체가 건설될 지역의 기반암 출현 심도의 입체적인 확인 및 댐 제체의안정성에 영향을 줄 수 있는 단층 등 주요 지질구조선의 규명에 있으며, 이것을 지표지질 및 시추 조사에서확인된 지질구조 정보와 상관시켜 신뢰성을 높였다 또한 탄성파 속도와 균열, 파쇄대 등 지반 상태의 상관관계 (신희순 등 2000)를 고려하여 탄성파 속도 자료와 RMR (Rock Mass Rating) 자료와의 상관분석으로 미 시추구간을 포함한 전체 영역의 RMR 입방체를 신정하여암반등급 분류를 위한 적용성을 살펴보았다.
5에서 일차적으로 획-인되는 것은 주변에 비해 낮은 탄성파 속도 Receiver hole(1,000-2,000 m/sec) 분포를 보이는 영역(영역 I, 풍화대 두께 약 25 m 내외)이다. 이 이상대는 해당영역 내의 시추공 MDB-3의 시추 결과, 충적층 및 풍화대층이깊게 분포하는 것으로 확인되었는 바, 영역 Ie 국부적으로 발달하는 풍회대로 해석하였디. 또한 영역 I의 범위 및 심도 연장 파악과 더불어 3차원 영상의 특성상발생하는 사각지역에 대한 결과를 확인하기 위해 고도 140 m을 기준으로 절단하여 단면 영상을 구현하였다.
초동주시 계산에는 지표의 지형적인 변화를 고려하였고, 프레넬 볼륨 알고리즘을 이용하여 총 10회의 역산을 반복하여 수행하였으며, 최종적으로 300-4, 500 m/sec 범위의 탄성파 속도 분포를 가지는 3차원 탄성 파속도 입방체를 도출하였다(Fig. 5). Fig.
총 12개의 시추공을 이용하여 3차원 탄성파 토모그래피를 수행하였고 자료의 처리에 앞서 주 주파수 대역을 이용한 현장자료의 프레넬 볼륨의 커버리지를 영상으로 구성해 보았다Wig. 4), 12개의 시추공을 기준으로 프레넬 볼륨의 중합 가중치는 0.
3은 3차원 탄성파 토모그래피 자료획득 배열 모식도를 나타낸 것으로서 조사영역 내에 위치하는 12개 시추공에 대한 시추공대 시추공 및 지표 대 시추공 배열을 적용, 총 296개의 공통 송신원에 대해 120채널의 현장자료를 획득하였으며 자료획득 변수를 Table 3에 정리하였다. 현장자료의 획득에는 시추공의 위치를 고려하여 Set A~L(총 12개 Set)으로 영역을 분할하여 탐사를 수행하였으며 이를 Table 4에 요약하였다.

대상 데이터

3차원 탄성파 토모그래피 현장자료의 획득을 위하여 총 46공의 시추공 중 하천 주변에 위치하는 12개 시추공을 이용하였다. Fig.
이용하였다. Fig. 3은 3차원 탄성파 토모그래피 자료획득 배열 모식도를 나타낸 것으로서 조사영역 내에 위치하는 12개 시추공에 대한 시추공대 시추공 및 지표 대 시추공 배열을 적용, 총 296개의 공통 송신원에 대해 120채널의 현장자료를 획득하였으며 자료획득 변수를 Table 3에 정리하였다. 현장자료의 획득에는 시추공의 위치를 고려하여 Set A~L(총 12개 Set)으로 영역을 분할하여 탐사를 수행하였으며 이를 Table 4에 요약하였다.
예정지역이다. 댐 설계 시 기본적으로 요구되는 댐 제 체 하부의 지질구조 파악을 목적으로 상세 지표 지질조사 및 총 141공의 시추 조사가 수행 되었으며 이 중에서 연구지역 주변에는 46 공의 시추조사가 수행 되었다(Fig. 1). 조사 결과 주 분포 암종은 중생대 쥬라기의복운모 화강암, 각섬석 화강암 내지 화강 섬록암이며 일부 중생대 백악기의 소규모 염기성 암맥인 관입 임의존재를 확인할 수 있었다.
연구 지역은 광역적으로 옥천대와 경상분지 사이에위치한 영남육괴 소백산 변성암 복합체에 속하며 북동및 북북동 방향으로 수조의 단층선 계곡과 선구조(호남전단대) 등이 형성되어 있다. 북동 방향의 호남 전단대영향권 내에 있으며, 북서쪽에는 영동 단층대, 북쪽에는예천 전단대, 북동쪽에는 김평 단층대가 분포한다(권성택과 이진한, 1997).
연구 지역은 하천의 홍수 조절을 목적으로 댐이 신설될 예정지역이다. 댐 설계 시 기본적으로 요구되는 댐 제 체 하부의 지질구조 파악을 목적으로 상세 지표 지질조사 및 총 141공의 시추 조사가 수행 되었으며 이 중에서 연구지역 주변에는 46 공의 시추조사가 수행 되었다(Fig.
지층의 분포 정보와 더불어 총 5개 조(F5 ~F9)의 단층 파쇄대가 확인되었다(Fig. 2). 지표 및 시추 코어 (core)에서 확인된 대부분의 단층은 폭 1 m 미만의 소규모 단층이며 대부분이 인장단열(tension fracture)0] 발달하였고, 단층면 안쪽으로 단층 점토(fault gouge)가소규모(10 cm 미만)로 분포하며 단층대(fault zone)를 주변으로 파쇄대가 분포하는 것으로 파악 되었다(Table 2).
지역 II 와 Ⅲ의 경우 시추공 MDB-7, 26, 31 구간에서 충적층과 풍화대가 비교적 깊은 심도까지 분포하는 시추 결과와 잘 일치함을 알 수 있으며, 지역 IV 역시 MDB-11 시추공에서 확인된 결과와 잘 부합한다. 확인된 I, Ⅱ, Ⅲ 및 IV의 저속도대가 어느 심도까지 분포하는가를알아보기 위해 크로스라인 20 m, 100 m 및 인라인 30 m, 115 m 지점의 수직 슬* 라이스 lice)들을 Fig. 6에 도시하였다.

성능/효과

3차원 초동주시 계산에 필요한 높은 정밀도와 머]른 수치 계산을 위해 유한차분법에 기초한 Fast Marching Method 를 이용하여 획득한 3차원 탄성파 속도 입방체는 실제 지층 구조와 매우 유사한 속도분포를 보였으며, 이로부터 3차원 구조에 대한 탄성파 속도 분포를 정량적으로 파악할 수 있었다 또한 시추 시료의 RMR 자료와 탄성파 속도의 상관관계 분석을 수행하여 얻어진 RMR 입방체는 미 시추 구간 대한 신뢰도 높은 암반분류 정보를 제공할 수 있었다. 이와 더불어 3차원 탄성파 토모 그래 피의 효과를 극대화하기 위해서는 탐사의 목적을 분명히 하고 이에 부합하는 최적의 송수신 배열 설계가 중요하다.
구성해 보았다Wig. 4), 12개의 시추공을 기준으로 프레넬 볼륨의 중합 가중치는 0.7257~187의 범위를 가지며 커버리지가 집중적으로 분포하는 영역은 심도 30 m 미만의 천부에 집중되어 있다. 이는 댐 제체의 주된 안정성 조사 심도가 시추심도까지의 천부 영역임을감안하여 배열을 설계한 것에 기인한다.
0m)의 영향으로 주변에 비해 동일 심도 상의 탄성파 속도가 비교적 낮게 (2, 000 m/sec 미만) 분포하며 분포 심도 역시 고도 140 m 내외로 확인된다. 이와 더불어 지표지질 조사 및 시추 조사 결과에서 확인된 F7 단층으로 추정되는 이상대를 확인할 수 있었는데 F7 단층의 연장과 규모가 매우작아 프레넬 볼륨이 밀집된 구간에서만 파악할 수 있었다 그러나 기타의 단층(F5, F6, F8 및 F9) 역시 규모및 연장이 매우 소규모인 까닭에 3차원 탄성파 토모그램에서는 확인되지 않았다. 확인된 단층 F7의 영향 및 MDB-31 주변의 충적층 및 풍화대의 분포가 구간 Ⅱ, Ⅲ의 저속도 구간과 인접하여 나타난다.
1). 조사 결과 주 분포 암종은 중생대 쥬라기의복운모 화강암, 각섬석 화강암 내지 화강 섬록암이며 일부 중생대 백악기의 소규모 염기성 암맥인 관입 임의존재를 확인할 수 있었다. 지층의 분포는 Table 1과 같다.
2). 지표 및 시추 코어 (core)에서 확인된 대부분의 단층은 폭 1 m 미만의 소규모 단층이며 대부분이 인장단열(tension fracture)0] 발달하였고, 단층면 안쪽으로 단층 점토(fault gouge)가소규모(10 cm 미만)로 분포하며 단층대(fault zone)를 주변으로 파쇄대가 분포하는 것으로 파악 되었다(Table 2).

후속연구

이와 더불어 3차원 탄성파 토모 그래 피의 효과를 극대화하기 위해서는 탐사의 목적을 분명히 하고 이에 부합하는 최적의 송수신 배열 설계가 중요하다. 이번 연구에서 3차원 탄성파 토모 그래 피의 현장 적용성을 확인함으로써 앞으로 보다 많은 사례연구를 촉진시키는 역할을 할 것으로 기대되며, 계속되는 사례연구로서 3차원 송수신 배열 설계기법, 초동 주시 계산 및 역해 알고리즘의 개선으로 보다 경제적인 탐사로 나아갈 것으로 기대된다.

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