간척지를 대상으로 시간영역 전자 탐사를 수행하였다. 간척에 사용한 준설 토양은 인접 바다에서 채취한 해양 퇴적물 점토로서, 현재 준설층은 상부의 일부분만 고결된 상태이고, 그 하부는 점토와 해수가 혼재된 미고결 상태이다. 해양기원 퇴적 점토는 일반적으로 0.3 S/m 이상의 매우 높은 전기전도도를 갖는다. 연구지역은 암반 상부에 전도성 표토층이 두껍게 존재하는 환경으로서, TEM 탐사를 실시하여 전도성 표토층 하부에 존재하는 기반암의 공간적 분포를 파악하였다. TEM 탐사에서 사용된 송수신 배열은 $30m{\times}30$ m 동위치 송수신 배열이고, SIROTEM MK3의 이른 지연 시간대(0.050~20.575 ms)에서 TEM 반응을 측정하였다. TEM 자료에 대한 역산 결과를 시추 자료와 비교한 결과, 해성 점토로 구성된 준설층과 원지반 퇴적층의 전기비저항 값은 약 2 ${\Omega}$-m 이하로 해석된다. 퇴적층 하부에 존재하는 풍화암은 약 $10{\sim}20\;{\Omega}-m$ 범위의 전기비저항 값을 보이며, 연암은 약 70 ${\Omega}$-m 이상의 값을 갖는다. 지표로부터 풍화암까지의 심도는 26~58 m 범위이며, 풍화암의 하부에 분포한 연암의 심도는 지표로부터 46~75 m 범위를 보였다.
간척지를 대상으로 시간영역 전자 탐사를 수행하였다. 간척에 사용한 준설 토양은 인접 바다에서 채취한 해양 퇴적물 점토로서, 현재 준설층은 상부의 일부분만 고결된 상태이고, 그 하부는 점토와 해수가 혼재된 미고결 상태이다. 해양기원 퇴적 점토는 일반적으로 0.3 S/m 이상의 매우 높은 전기전도도를 갖는다. 연구지역은 암반 상부에 전도성 표토층이 두껍게 존재하는 환경으로서, TEM 탐사를 실시하여 전도성 표토층 하부에 존재하는 기반암의 공간적 분포를 파악하였다. TEM 탐사에서 사용된 송수신 배열은 $30m{\times}30$ m 동위치 송수신 배열이고, SIROTEM MK3의 이른 지연 시간대(0.050~20.575 ms)에서 TEM 반응을 측정하였다. TEM 자료에 대한 역산 결과를 시추 자료와 비교한 결과, 해성 점토로 구성된 준설층과 원지반 퇴적층의 전기비저항 값은 약 2 ${\Omega}$-m 이하로 해석된다. 퇴적층 하부에 존재하는 풍화암은 약 $10{\sim}20\;{\Omega}-m$ 범위의 전기비저항 값을 보이며, 연암은 약 70 ${\Omega}$-m 이상의 값을 갖는다. 지표로부터 풍화암까지의 심도는 26~58 m 범위이며, 풍화암의 하부에 분포한 연암의 심도는 지표로부터 46~75 m 범위를 보였다.
Transient/time-domain electromagnetic (TEM) soundings were carried out on reclaimed land, since the TEM sounding has good resolution of a conductive and thin overburden. The reclamation material is marine clay dredged from the seafloor, which is currently undergoing consolidation in the upper part o...
Transient/time-domain electromagnetic (TEM) soundings were carried out on reclaimed land, since the TEM sounding has good resolution of a conductive and thin overburden. The reclamation material is marine clay dredged from the seafloor, which is currently undergoing consolidation in the upper part of the dredged layer. The conductivity of the marine-origin clay is generally more than 0.3 S/m. The aim of the TEM sounding was to determine the depths of weathered and soft rocks overlain by thick and conductive overburden. The TEM responses were measured at delay times of 0.050-20.575 ms with a $30{\times}30$ m coincident loop array. Data from the TEM inversion and core logging indicate that the resistivities of the conductive overburden are less than 2 ${\Omega}$-m, while those of the weathered and soft rocks are 10-20 and 70 ${\Omega}$-m, respectively. The depth to weathered rock is 26-58 m and the depth to soft rock is 46-75 m.
Transient/time-domain electromagnetic (TEM) soundings were carried out on reclaimed land, since the TEM sounding has good resolution of a conductive and thin overburden. The reclamation material is marine clay dredged from the seafloor, which is currently undergoing consolidation in the upper part of the dredged layer. The conductivity of the marine-origin clay is generally more than 0.3 S/m. The aim of the TEM sounding was to determine the depths of weathered and soft rocks overlain by thick and conductive overburden. The TEM responses were measured at delay times of 0.050-20.575 ms with a $30{\times}30$ m coincident loop array. Data from the TEM inversion and core logging indicate that the resistivities of the conductive overburden are less than 2 ${\Omega}$-m, while those of the weathered and soft rocks are 10-20 and 70 ${\Omega}$-m, respectively. The depth to weathered rock is 26-58 m and the depth to soft rock is 46-75 m.
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문제 정의
이 연구는 우리나라 간척지대 중 하나로서 현재 부산 신항만 건설을 위한 토목공사가 진행 중인 지역을 대상으로 표토층 하부의 풍화암 및 연암의 심도를 파악하기 위해 TEM 탐사법을 적용하였으며, 해성기원 점토가 두껍게 피복되어 지표 가까이에 전도성 표토층이 존재하는 탐사환경 하에서 TEM 탐사법의 적용성을 검토하였다.
제안 방법
측정 시 송신 루프에 주입한 전류 세기와 수신 입력단의 이득(gain)은 각각 약 6A와 10이고, 양질의 자료 획득을 위해 최대 중합수(stack)를 1,024로 하였다. TEM 탐사의 신뢰성 검증을 위하여, TEM 반응을 측정한 측점 인근의 시추 자료를 비교 검토하였다.
측선들의 방향은 계획된 해상 교량의 방향과 일치한다. 각 측선(SK-n, SK-c, SK-s)마다 북서-남동 방향으로 30 m 간격을 갖고 6개의 측점(SK-n00~ SK-n05, SK-c00~SK-c05, SK-s00~SK-s05)을 설정하였다. 측점의 순서는 모든 측선에서 동일하게 북서 방향으로부터 시작하여 남동 방향에서 마무리 되도록 설정하였다.
각 측점에서 송수신 루프의 크기가 30 m × 30 m인 동위치 송수신 배열(coincident loop array)을 사용하여 TEM 반응을 측정하였다.
그러므로 TEM 탐사의 목적 심도를 50 m로 설정하고, 현장에서 총 2개의 루프 크기 20 m × 20 m, 30 m × 30 m를 사용한 TEM 반응 측정 및 역산 해석을 통하여 루프 크기를 30 m × 30 m로 결정하였다.
자료 측정을 위한 TEM 측선(SK-n, SK-c, SK-s)은 모두 3개 이며, N30o W 방향으로 평행하게 30 m 간격으로 설정하였다(Fig. 1). 측선들의 방향은 계획된 해상 교량의 방향과 일치한다.
측선 하부의 지질구조를 보다 정량적으로 해석하기 위하여 각 측점별 1차원 TEM 역산을 수행하였다(Fig. 4, Fig. 5). 역산에 사용된 프로그램은 호주 CSIRO에서 개발한 GRENDL (Raiche et al.
대상 데이터
그러므로 TEM 탐사의 목적 심도를 50 m로 설정하고, 현장에서 총 2개의 루프 크기 20 m × 20 m, 30 m × 30 m를 사용한 TEM 반응 측정 및 역산 해석을 통하여 루프 크기를 30 m × 30 m로 결정하였다. 측정에 사용한 기기는 호주 MCI(Mineral Control Instrument)사에서 개발한 SIROTEM MK3이다. 각 측점에서 TEM 반응이 측정된 지연시간은 SIROTEM MK3의 이른 지연 시간대(early delay time series) 중 0.
성능/효과
(1) 연구지역과 같이 전도성 표토층이 암반을 두껍게 피복한 탐사 환경에서의 TEM 탐사 결과는 전도성 표토층, 풍화암 및 연암에 대한 분해능이 매우 높은 것으로 나타났으며, 향후 우리나라 간척지에서의 TEM 탐사 적용 가능성이 매우 높음을 지시한다.
(2) TEM 역산 결과와 시추 자료 비교 결과, 연구지역에서 해성 점토로 구성된 준설층과 원지반 퇴적층의 전기비저항 값은 약 2 Ω-m 이하의 값을 보였다.
(3) 연구지역에서 퇴적 점토층 하부에 분포하는 풍화암은 10~20 Ω-m 범위의 전기비저항 값을 보였으며, 풍화암이 산출되는 경계 심도는 전체적으로 26~58 m범위로서, 연구지역 남동 방향으로 갈수록 그 경계 심도가 급격히 증가하였다.
(4) 연구지역에서 연암은 약 70Ω-m 이상의 전기비저항 값을 가지며, 지표로부터 연암까지의 경계 심도는 46~75 m 범위이다. 전체적인 심도는 남동 방향에서 그 변화의 폭이 크고, 북서 방향으로는 점진적으로 증가함을 보였다.
(5) 풍화암과 연암의 심도 분포를 고려해 볼 때, 탐사 측선의 남동단에 해당되는 매립지대 경계 부근에서는 해상 교량 설치 등 토목공사에서 주의가 요구되는 것으로 나타났다.
측점 SK-c04에서의 TEM 역산 결과에 의하면, 이 측점 하부의 지전기적 층서는 총 5개로서 서로 다른 전기전도도를 갖는 층들로 구성되었다. TEM 역산 결과를 인접 시추공(BE-4)의 코아 검층 자료와 비교 해석해 본 결과, 2Ω-m 이하의 낮은 전기비저항 값을 갖는 제1층, 제2층 제3층은 준설 점토층과 원지반 점토층으로 구성된 해양 퇴적층에 해당되며, 약 10 Ω-m 내외의 전기비저항 값을 갖는 제4층은 풍화암층, 그리고 약 70 Ω-m의 값을 갖는 제5층은 연암층으로 해석된다. 따라서, 이번 연구지역과 같이 전도성 표토층이 암반을 두껍게 피복한 탐사 환경에서 TEM 탐사는 전도성 표토층과 암반 그리고 암반 내의 풍화암 및 연암을 고분해능으로 규명할 수 있는 것으로 나타났다.
측점 SK-c04의 결과와 동일하게 5개의 층으로 구성된 지전기적 층서를 갖고 있으며, 각 층에 대한 전기비저항 값도 매우 유사하다. 다른 모든 측점(측선SK-s의 5개 측점, 측선 SK-n의 5개 측점, SK-n02, n03, n05)들에 대한 TEM 역산 결과를 종합해 보면, 연구지역의 지전기적 층서구조는 총 5개의 층으로 구성되었다. 제1층~제3층은 해성기원 점토층(제 1~2층 준설 점토층, 제3층 원지반 점토층)으로서 2 Ω-m 이내의 전기비저항 값을 갖는다.
TEM 역산 결과를 인접 시추공(BE-4)의 코아 검층 자료와 비교 해석해 본 결과, 2Ω-m 이하의 낮은 전기비저항 값을 갖는 제1층, 제2층 제3층은 준설 점토층과 원지반 점토층으로 구성된 해양 퇴적층에 해당되며, 약 10 Ω-m 내외의 전기비저항 값을 갖는 제4층은 풍화암층, 그리고 약 70 Ω-m의 값을 갖는 제5층은 연암층으로 해석된다. 따라서, 이번 연구지역과 같이 전도성 표토층이 암반을 두껍게 피복한 탐사 환경에서 TEM 탐사는 전도성 표토층과 암반 그리고 암반 내의 풍화암 및 연암을 고분해능으로 규명할 수 있는 것으로 나타났다.
(4) 연구지역에서 연암은 약 70Ω-m 이상의 전기비저항 값을 가지며, 지표로부터 연암까지의 경계 심도는 46~75 m 범위이다. 전체적인 심도는 남동 방향에서 그 변화의 폭이 크고, 북서 방향으로는 점진적으로 증가함을 보였다.
6은 총 16개의 측점에 대해 TEM 역산에서 얻어진 제4층(10~20 Ω-m), 즉 풍화암층에 대한 경계 심도의 분포이다. 풍화암의 경계 심도는 전체적으로 지표로부터 26~58 m 범위를 보이며, 북서쪽에서 남동 방향으로 갈수록 경계 심도가 급격히 증가하는 반면에, 남서쪽에서 북동 방향으로는 경계 심도가 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 풍화암의 경계 심도가 깊어진다는 것은 준설 점토층과 원지반 점토층으로 구성된 해양 퇴적층의 두께가 상대적으로 두껍다는 것을 의미하는 것으로서, TEM 탐사 측선 남동단에 위치하는 매립지대의 경계선 부근에서는 해상 교량 설치 시 주의가 요구됨을 의미한다.
후속연구
이러한 환경에서 암반의 공간적 분포를 파악하기 위하여 기존에 주로 사용한 전기비저항법과 탄성파굴절법은 현장 탐사의 적용성 및 효율성에서 한계에 도달한다. 전도성이 매우 높은 점토층과 같은 연약지반의 공간적 분포 파악을 목적으로 이 연구에서 확인된 TEM 탐사법의 적용성을 고려할 때TEM 탐사법은 차후 표토층이 미고결 점토층으로 형성된 지역, 둘째, GPR(Ground Penetration Radar) 탐사의 효율성이 현저하게 제한되는 물이 혼탁하고 전도성이 높은 하상지역, 수심 약 20 m 내외의 해상지역 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시간영역 전자 탐사는 무엇인가?
시간영역 전자(time-domain/transient electromagnetic: TEM) 탐사는 지하 매질의 전자적 반응을 시간 영역에서 측정하는 방법으로서, 과거에는 주로 전도성 광물자원 탐사에 사용해 왔다. 그러나 1980년대 후반 이후로는 노트북 컴퓨터, AD 변환기(analog-to-digital converter) 등의 고성능 소형 전자제품 개발에 의해 자료 측정의 효율성이 향상되고 해석 기술이 상용화됨으로써, 지질구조 조사, 지하수자원 탐사, 지열자원 조사, 지하수/지질오염 조사 등의 분야로 그 활용 범위를 넓혀가고 있다(Keller et al.
본 논문에서 TEM 역산 결과와 시추 결과를 비교 검토해 본 결과 도출한 결과는 무엇인가?
(1) 연구지역과 같이 전도성 표토층이 암반을 두껍게 피복한 탐사 환경에서의 TEM 탐사 결과는 전도성 표토층, 풍화암 및 연암에 대한 분해능이 매우 높은 것으로 나타났으며, 향후 우리나라 간척지에서의 TEM 탐사 적용 가능성이 매우 높음을 지시한다.
(2) TEM 역산 결과와 시추 자료 비교 결과, 연구지역에서 해성 점토로 구성된 준설층과 원지반 퇴적층의 전기비저항 값은 약 2 Ω-m 이하의 값을 보였다.
(3) 연구지역에서 퇴적 점토층 하부에 분포하는 풍화암은 10~20 Ω-m 범위의 전기비저항 값을 보였으며, 풍화암이 산출되는 경계 심도는 전체적으로 26~58 m범위로서, 연구지역 남동 방향으로 갈수록 그 경계 심도가 급격히 증가하였다.
(4) 연구지역에서 연암은 약 70Ω-m 이상의 전기비저항값을 가지며, 지표로부터 연암까지의 경계 심도는 46~75 m 범위이다. 전체적인 심도는 남동 방향에서 그 변화의 폭이 크고, 북서 방향으로는 점진적으로 증가함을 보였다.
(5) 풍화암과 연암의 심도 분포를 고려해 볼 때, 탐사 측선의 남동단에 해당되는 매립지대 경계 부근에서는 해상 교량 설치 등 토목공사에서 주의가 요구되는 것으로 나타났다.
전기비저항 탐사의 단점은 무엇인가?
이러한 탐사 환경에서는 기존에 주로 사용한 전기비저항 탐사와 탄성파 탐사의 적용성과 효율성에 있어 많은 제한을 받게 된다. 전기비저항 탐사는 송신 신호의 무한 증가에 대한 전기전자적 한계에 도달하며, 전극간 전위차가 매우 작기 때문에 양질의 측정 자료를 획득하기 어렵다. 탄성파 탐사 또한 준설 점토층의 상부 교결층에서 발생하는 표면파 잡음(ground roll)에 의하여 탐사 목적에 타당한 자료 획득이 매우 어려울 것이다.
참고문헌 (15)
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Grant, F.S., and West, G.F., 1965, Interpretation theory in applied geophysics, McGraw-Hill Book Co., 584p.
Hoekstra, P., and Blohm, M.W., 1990, Case histories of time-domain electromagnetic soundings in environmental geophysics, Geotechnical and Environmental Geophysics, SEG, Tulsa, 2, 1-15.
Hwang, H.S., 1997, Application of geophysical methods to detection of a preferred groundwater flow channel at a Pyrite tailings dam, Econ. Environ. Geol., 30(2), 137-142.
McNeill, J.D., 1990, Use of electromagnetic methods for groundwater studies, Geotechnical and Environmental Geophysics, SEG, Tulsa, 1, 191-218.
Mills, T., Hoekstra, P., Blohm, M., and Evans, L., 1988, Time domain electromagnetic soundings for mapping sea water intrusion in Monterey Country, CA, Ground Water, 26(4), 771-782.
Raiche, A.O., Jupp, D.L.B., Rutters, H., and Vozoff, K., 1985, The joint use of coincident loop transient electromagnetic and Schlumberger soundings to resolve layered structures, Geophysics, 50(10), 1618-1627.
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