[논문]지하의 빈 공간에 의한 지자기의 자속밀도분포

이문호

doi:10.4283/jkms.2009.19.2.067

[국내논문] 지하의 빈 공간에 의한 지자기의 자속밀도분포
Effects of Underground Empty Spaces on the Geomagnetic Flux Density Distribution 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.19 no.2, 2009년, pp.67 - 73

초록
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지하에 존재하는 빈 공간이 지상에서의 자속밀도 변화에 미치는 영향을 땅의 밀도와 측정높이에 따른 변화의 차이로 분석하였다. 밀도가 다른 지표면과 함몰지 및 지하터널이 있는 지표면에 대한 지자기의 자속밀도 분포를 플럭스게이트형 마그네토미터를 사용하여 조사하였다. 지하의 밀도가 감소하거나 빈 공간이 존재하면 지상에서의 자속밀도가 감소하는데, 경계에서부터 서서히 감소하여 중심부에서 가장 낮은 자속밀도를 나타낸다. 빈 공간에 의한 자속밀도의 감소는 지하 80m에 위치한 터널에 의해서도 관찰된다. 이러한 자속밀도 감소현상을 이용하면 지하의 천부에 존재하는 빈 공간, 저밀도 지역, 파쇄대 및 함몰지를 탐사할 수 있을 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

The changes of geomagnetic flux density distribution on the ground surface by underground empty spaces had been investigated through the variations of the soil density and measuring heights. The geomagnetic flux density distributions were monitored for the surfaces of different density, sink-hole and tunnel by fluxgate-type magnetometer. The underground empty space and low soil density decreased the geomagnetic flux densities, which were decreased from the boundary of raw and low-density (empty) grounds, and showed the lowest value at the center of low-density (empty) ground. The decreases of geomagnetic flux density by underground empty spaces could be found at the surface with the tunnel located at 80 m underground. And, the underground defects of empty spaces, low density zone, fracture zone and sink holes could be monitored by the phenomena of this decreasing flux density.

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문제 정의

본 연구에서는 밀도차가 발생한 곳, 성토지에 발생한 지하의 빈 공간 및 지하 터널이 지표면 가까이의 지자기장 분포에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 작은 규모의 성 토지와 구조적 결함을 야외의 평지에 조성하여 그 위에서 자력분포를 조사하였으며, 채광중인 금광의 지하터널이 있는 지표면에서 자력분포를 조사하였다.
도로의 연장에 놓인 지하 터널이나 지하의 수로 혹은 지하자원 채취를 위한 지하 갱도와 같은 인위적인 지하의 빈 공간인 지하 터널이 지상의 자력분포에 미치는 영향을 조사하기 위해서 전남 해남의 은산 금광에 있는 지하 터널에 대한 자력분포를 조사하였다. Fig.

가설 설정

그런데, 파낸 후에 다시 덮은 곳과 그렇지 않은 곳의 경계인 박스 A는 자속밀도 분포에서 명확하게 구분되지 않으며, Fig. 7(b)의 가로와 세로로 미분한 자속밀도 분포에서도 명확하지 않다.
즉 Fig. 10에서 주위에 비하여 자속밀도가 낮은 곳은 빈 공간이나 밀도가 낮은 곳을 의미하는데, (a) 지역은 빈 공간으로 나타났으며, (b) 지역도 빈 공간이거나 밀도가 낮은 곳으로 추측된다. (c) 지역은 ±피크(peak)가 존재하는 것으로 미루어 자기적 쌍극(magnetic dipole)을 나타내는 강자성체나 이런 현상을 나타내는 다른 원인에 기인한 것으로 보인다.

제안 방법

지질이나 그 구조를 해석하기 위해서는 지하구조의 모델로 부터 자기이상을 계산한 결과와 실제로 측정한 결과를 비교하거나, 측정한 자기이상으로부터 계산한 일정한 깊이의 자기력분포와 측정한 분포를 비교한다.
본 연구에서는 밀도차가 발생한 곳, 성토지에 발생한 지하의 빈 공간 및 지하 터널이 지표면 가까이의 지자기장 분포에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 작은 규모의 성 토지와 구조적 결함을 야외의 평지에 조성하여 그 위에서 자력분포를 조사하였으며, 채광중인 금광의 지하터널이 있는 지표면에서 자력분포를 조사하였다. 일변화 보정을 위하여 자력이 안정된 곳에 기준 자력계를 설치하여 획득한 기준자력으로 측정 자력값을 보정하였다[5-8].
이를 위하여 작은 규모의 성 토지와 구조적 결함을 야외의 평지에 조성하여 그 위에서 자력분포를 조사하였으며, 채광중인 금광의 지하터널이 있는 지표면에서 자력분포를 조사하였다. 일변화 보정을 위하여 자력이 안정된 곳에 기준 자력계를 설치하여 획득한 기준자력으로 측정 자력값을 보정하였다[5-8]. 공간분해능과 데이터 취득시간이 대단히 짧은 마그네토미터 자력계를 사용하여 자력 분포를 조사하였다.
일변화 보정을 위하여 자력이 안정된 곳에 기준 자력계를 설치하여 획득한 기준자력으로 측정 자력값을 보정하였다[5-8]. 공간분해능과 데이터 취득시간이 대단히 짧은 마그네토미터 자력계를 사용하여 자력 분포를 조사하였다. 나타난 자기이상(magnetic anomaly)을 해석하기 위해서 맥스웰 방정식을 사용한 시뮬레이션 프로그램으로 모사실험을 행한 결과와 실제로 측정한 자기이상을 비교분석하였다[9].
공간분해능과 데이터 취득시간이 대단히 짧은 마그네토미터 자력계를 사용하여 자력 분포를 조사하였다. 나타난 자기이상(magnetic anomaly)을 해석하기 위해서 맥스웰 방정식을 사용한 시뮬레이션 프로그램으로 모사실험을 행한 결과와 실제로 측정한 자기이상을 비교분석하였다[9].
이때 흙을 파내기 전과 다시 메운 후의 밀도 차이를 측정하지 않았으나, 다시 메우고 남은 흙의 양이 약 10 % 정도 되었으므로 다시 메운 바닥의 밀도는 원래의 바닥에 비해 밀도가 낮을 것으로 추측되었다. 이렇게 조성한 지표면으로부터 20 cm 높은 곳에서의 자속밀도분포를 조사하였다.
야외 실험 장소에 가로 10 m, 세로 10 m, 깊이 4m의 구덩이를 파내고 다시 메운 표면에 6개월 경과 후에 함몰이 발생한 곳에 대하여 자속밀도 분포를 조사한 후에, 함몰지의 깊이와 폭을 조사하였다.
지하의 터널이 지상의 자력분포에 미치는 영향을 조사하기 위하여 현재 금을 채굴하고 있는 전남 해남군 황산면에 소재한 순신개발의 은산광산의 터널 위에서 자속밀도분포를 측정하였다. 터널의 위치는 지하 41~85 m이며, 그 크기는 폭 2~5 m, 높이 2~5 m이다.
터널의 위치는 지하 41~85 m이며, 그 크기는 폭 2~5 m, 높이 2~5 m이다. 터널의 규모와 분포 및 형태는 은산 광산에서 토목측량하여 작성한 결과를 활용하였다.
, model FGM4DTAM)와 스캐닝 마그네토미터(FTK, model GeoMag-101) 및 24채널 마그네토미터(FTK, model GeoMag-Strata)를 사용하였다. 일변화 보정을 위하여 자력이 안정된 곳에 기준 자력계인 FGM-4DTAM을 설치하였는데, 이로부터 획득한 자속밀도를 기준 자력으로 설정하였다.
지반의 밀도차이가 자력분포에 미치는 영향을 조사하기 위해서 가로, 세로, 깊이가 1 m, 1.5 m, 1 m인 직육면체형 구덩이를 파낸 후에 다시 파낸 흙으로 덮은 후에, 이곳과 그 주위에 대하여 20 cm 높이에서 자속밀도분포를 조사하였다. Fig.
지하의 빈 공간에 의한 자기소거효과를 확인하기 위하여 Fig. 2와 같이 표토를 파내어 가로, 세로, 깊이가 1 m, 1.5 m, 1 m가 되도록 직육면체형 빈 공간을 만든 후에, 스티로폼으로 만든 원통(직경 50 cm, 길이 50 cm)과 정육면체(50 cm × 50 cm × 50 cm)를 바닥에 안치시킨 후에 파낸 흙으로 덮고, 그 표면 위 20 cm에서 자력분포를 조사하였는데, 그 결과는 Fig. 8과 같다.
야외에 조성한 가로 10 m, 세로 10 m, 깊이 4m의 성토지에 발생한 Fig. 9의 (1)과 (2)와 같은 2개의 구덩이를 다시 메운 표면에 대하여 지표면에서 20 cm 높은 곳에서의 자속밀도 분포를 조사하였는데, 그 결과는 Fig. 10과 같다. 그림에서 점선의 타원으로 나타낸 (a)와 (b)는 주변에 비하여 자속밀도가 낮은 곳이며, 실선의 원으로 나타낸 (c)는 ±피크(peak)를 보이는 곳이다.
지하에 존재하는 빈 공간이나 터널 혹은 밀도차이가 있는 것이 지상에서의 자력분포에 미치는 영향과 높이에 따른 변화의 차이를 조사하였다. 지하의 밀도가 감소하거나 빈 공간이 존재하면 지상에서의 자속밀도는 감소하며, 경계에서부터 서서히 감소하여 중심부에서 가장 낮은 자속밀도를 나타낸다.

대상 데이터

밀도가 다른 곳과 성토지에 발생하는 지하 빈 공간을 일본 이바라키현 츠쿠바시 카리마515-1에 소재한 (주)하자마(間組)의 기술연구소 야외 실험장에 조성하였다. 밀도차이를 주기 위해서 Fig.
지하에 있는 빈 공간이 자력분포에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Fig. 2와 같이 발포 스티로폼(styrofoam)으로 만든 가로 0.5 m, 세로 0.5 m, 높이 0.5 m인 정육면체와 직경 0.5 m, 길이 0.5 m인 원통을 배치하고 흙으로 묻었다. 발포 스티로폼은 밀도가 낮고 투자율이 작아서 공기의 투자율과 거의 같을 것으로 예상된다.
지하의 터널이 지상의 자력분포에 미치는 영향을 조사하기 위하여 현재 금을 채굴하고 있는 전남 해남군 황산면에 소재한 순신개발의 은산광산의 터널 위에서 자속밀도분포를 측정하였다. 터널의 위치는 지하 41~85 m이며, 그 크기는 폭 2~5 m, 높이 2~5 m이다. 터널의 규모와 분포 및 형태는 은산 광산에서 토목측량하여 작성한 결과를 활용하였다.
터널 위에서의 자력분포는 플럭스게이트 센서가 5 cm 간격으로 배열된 24채널 선형 어레이를 사용하여 조사되었는데, 센서의 위치는 지면으로 부터 39 cm와 118 cm의 2종의 높이로 하였다. 이 때 센서의 스캔 스피드를 일정하게 유지하기 위하여 Fig.
18 m에서 측정한 자속밀도분포를 나타낸 것이다. 24개의 센서를 5 cm 간격으로 직선 배열한 선형 어레이 형태의 센서를 사용하여 측정하였는데, 1개 센서의 데이터간 거리는 5 mm로 조정하였다.
지표면에서의 자속밀도분포를 조사하기 위해서 3축 플럭스 게이트(fluxgate)형 마그네토미터(Le USA Inc., model FGM4DTAM)와 스캐닝 마그네토미터(FTK, model GeoMag-101) 및 24채널 마그네토미터(FTK, model GeoMag-Strata)를 사용하였다.

성능/효과

이상의 결과로부터 중간 매질의 투자율에 차이가 있을 경우에는 지표에서의 자속밀도에 변화가 발생하며, 중간매질의 투자율이 같을지라도 밀도차이가 있을 경우에는 밀도감소로 인한 소자효과에 의해서 지표에서의 자속밀도분포에 차이가 발생함을 알 수 있다.

후속연구

이는 흙에 비하여 투자율이 낮은 스티로폼의 두께가 원통의 경우에는 중심부분의 50 cm로부터 점차로 감소하여 0 cm가 되지만, 직육면체는 일정하게 50 cm를 유지하기 때문에 스티로폼의 부피가 서로 다르기 때문인 것으로 추측된다. 이를 확인하기 위해서 흙과 스티로폼의 투자율을 조사할 필요가 있으나 본 연구에서는 수행하지 않았다.
이러한 빈 공간에 의한 자속밀도의 감소는 지하 80 m에 위치한 터널에 의해서도 관찰된다. 이러한 자속밀도 감소현상을 이용하면 지하의 천부에 존재하는 빈 공간, 밀도가 다른 곳, 파쇄대, 함몰지 및 연약지반을 탐사할 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구자기장은 무엇에 따라 변하는가?	지구의 외부전류와 내부전류로 설명되는 지구자기장(지자기장)은 지구 표면의 위치에 따라 변하는데, 서울을 중심으로 한 한반도의 지자기장은 약 50 µT 정도이다. 지표면으로 부터 50 cm 이하의 높이에서는 지하의 지질과 지층의 구조에 따라 지자기장의 강도가 변하는데, 이러한 지자기장의 국지적인 변화로부터 지질이나 지층의 구조 및 지층의 구조적 결함을 찾아낼 수 있다.
	자력탐사는 어떤 방법인가?	지표면으로 부터 50 cm 이하의 높이에서는 지하의 지질과 지층의 구조에 따라 지자기장의 강도가 변하는데, 이러한 지자기장의 국지적인 변화로부터 지질이나 지층의 구조 및 지층의 구조적 결함을 찾아낼 수 있다. 이러한 물리탐사방법을 자력탐사라고 하는데, 암석의 자화율이나 잔류자기 등에 의거한 자력분포로부터 지하 암석의 자기적 성질, 자성물질의 존재 여부, 지질구조 등을 조사하는 방법을 말한다[1]. 따라서 자성의 차이가 거의 없는 지하에서는 자력탐사가 용이하지 않다.
	자성의 차이가 거의 없는 지하에서는 자력탐사가 용이하지 않은 이유는 무엇인가?	지구의 외부전류와 내부전류로 설명되는 지구자기장(지자기장)은 지구 표면의 위치에 따라 변하는데, 서울을 중심으로 한 한반도의 지자기장은 약 50 µT 정도이다. 지표면으로 부터 50 cm 이하의 높이에서는 지하의 지질과 지층의 구조에 따라 지자기장의 강도가 변하는데, 이러한 지자기장의 국지적인 변화로부터 지질이나 지층의 구조 및 지층의 구조적 결함을 찾아낼 수 있다. 이러한 물리탐사방법을 자력탐사라고 하는데, 암석의 자화율이나 잔류자기 등에 의거한 자력분포로부터 지하 암석의 자기적 성질, 자성물질의 존재 여부, 지질구조 등을 조사하는 방법을 말한다[1].

참고문헌 (9)

손호웅 외, 지반환경물리탐사, 시그마프레스, 501 (2000)
G. Backus, R. Parker, and C. Constable, Foundations of Geomagnetism, Cambridge Univ. Press, 125 (2005)
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M. N. Nabighian and R. O. Hansen, Geophys., 66, 1805 (2001)

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A. B. Reid, J. M. Allsop, H. Granser, A. J. Milleti, and I. W. Somerton, Geophys., 55, 80 (1990)

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A. Selem and T. Hamada, J. K. Asahina, and K. Ushijima, Geophys., 136, 97 (2005)
D. K. Butler, Leading Edge, 20(8), 890 (2001)

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표제어: PCR

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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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