경상북도 군위군 부계면 동산리에 위치한 팔공산 도립공원의 한 등산로에는 '북바위'라 불리는 화강암질 암체가 존재한다. 이 암체에서는 특정 부위를 타격했을 때 북과 같은 타악기에서 발생하는 공명음과 유사한 공명 현상이 발생한다. 이러한 소리를 발생시키는 공명 현상의 지질학적 원인으로는 화강암 생성 과정에서 내부 기체가 빠져나가면서 형성된 공동이 존재할 가능성과 생성 이후 지질학적으로 오랜 기간 동안 겪은 풍화 작용에 의한 박리 현상에 기인할 가능성이 있다. 이 연구에서는 북바위 화강암체에서 공명을 일으키는 내부구조를 보다 정밀하게 파악하기 위하여 비파괴 탐사기법인 지하투과레이더 탐사를 수행하였다. 지하투과레이더 탐사 기법은 수 MHz에서 수 GHz범위의 고주파 레이더 신호를 탐사 대상의 표면에서 내부로 투과시켜 물성의 변화 혹은 불연속면이 존재하는 곳에서 반사되는 반사파들의 진폭을 기록하여 해석한다. 화강암체 최외곽 표면에 존재할 것으로 추정되는 내부구조를 영상화하는 것이 연구 목표이므로 탐사 심도는 얕지만 고해상도 자료 획득이 가능한 1 GHz 레이더를 이용하였다. 3차원 내부구조 영상화를 위하여 암체 표면에 격자를 구성하여 탐사를 수행하였다. 탐사 자료 해석 결과 북소리와 같은 공명이 일어나는 지점들에서 강한 반사 레이더파가 관찰되었으며, 위치에 따라 균열과 공동에서의 반사파 특징이 모두 관찰되었다. 또한 공명이 가장 크게 일어나는 지점에서 두 불연속면이 교차하면서 만들어진 공동 구조가 관찰되었다. 주어진 균열 구조를 반영하는 수치 모델을 적용하여 계산한 결과, 공명 현상에는 화강암의 박리 작용에 의한 균열과 암석 생성 당시의 미아롤리틱 구조가 함께 기여한 것으로 보인다. 이와 같이 일반 대중의 흥미를 유발하는 지질 구조체에 대한 비파괴 탐사 기반의 영상화 연구 활동은 지구과학 대중화에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
경상북도 군위군 부계면 동산리에 위치한 팔공산 도립공원의 한 등산로에는 '북바위'라 불리는 화강암질 암체가 존재한다. 이 암체에서는 특정 부위를 타격했을 때 북과 같은 타악기에서 발생하는 공명음과 유사한 공명 현상이 발생한다. 이러한 소리를 발생시키는 공명 현상의 지질학적 원인으로는 화강암 생성 과정에서 내부 기체가 빠져나가면서 형성된 공동이 존재할 가능성과 생성 이후 지질학적으로 오랜 기간 동안 겪은 풍화 작용에 의한 박리 현상에 기인할 가능성이 있다. 이 연구에서는 북바위 화강암체에서 공명을 일으키는 내부구조를 보다 정밀하게 파악하기 위하여 비파괴 탐사기법인 지하투과레이더 탐사를 수행하였다. 지하투과레이더 탐사 기법은 수 MHz에서 수 GHz범위의 고주파 레이더 신호를 탐사 대상의 표면에서 내부로 투과시켜 물성의 변화 혹은 불연속면이 존재하는 곳에서 반사되는 반사파들의 진폭을 기록하여 해석한다. 화강암체 최외곽 표면에 존재할 것으로 추정되는 내부구조를 영상화하는 것이 연구 목표이므로 탐사 심도는 얕지만 고해상도 자료 획득이 가능한 1 GHz 레이더를 이용하였다. 3차원 내부구조 영상화를 위하여 암체 표면에 격자를 구성하여 탐사를 수행하였다. 탐사 자료 해석 결과 북소리와 같은 공명이 일어나는 지점들에서 강한 반사 레이더파가 관찰되었으며, 위치에 따라 균열과 공동에서의 반사파 특징이 모두 관찰되었다. 또한 공명이 가장 크게 일어나는 지점에서 두 불연속면이 교차하면서 만들어진 공동 구조가 관찰되었다. 주어진 균열 구조를 반영하는 수치 모델을 적용하여 계산한 결과, 공명 현상에는 화강암의 박리 작용에 의한 균열과 암석 생성 당시의 미아롤리틱 구조가 함께 기여한 것으로 보인다. 이와 같이 일반 대중의 흥미를 유발하는 지질 구조체에 대한 비파괴 탐사 기반의 영상화 연구 활동은 지구과학 대중화에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
A granite rock body, called 'Bukbawi', located on a mountaineering trail at Mt. Palgong Provincial Park is popular among the public because it resembles a percussion instrument. If someone hits the specific surface area of this rock body, people can hear drum-like sound. Such phenomenon may be geolo...
A granite rock body, called 'Bukbawi', located on a mountaineering trail at Mt. Palgong Provincial Park is popular among the public because it resembles a percussion instrument. If someone hits the specific surface area of this rock body, people can hear drum-like sound. Such phenomenon may be geologically associated with exfoliation process of the granite body or miarolitic cavity developed after gasses escaped during formation of granite. To understand better the inner structure causing drum-like sound, we carried out a non-destructive ground-penetrating radar survey. In this study, as our primary target is very close to the surface, we utilized 1 GHz antennas to produce high-resolution near-surface images. In order to construct 3-D internal images, the measurements were conducted along a pre-defined grid. The processed radargrams revealed that the locations associated with 'drum' sound coincide with strong reflections. In addition, both reflection patterns of fracture and cavity were observed. To further quantify the observed reflections, we simulated GPR scans from a synthetic fracture in a granite body, filled with different materials. The simulated results suggest that both exfoliation process and miarolitic cavity may have contributed to the 'drum' phenomena. Furthermore, the radargrams showed a well-developed cavity signature where two major reflection planes were crossed. Thus, our study is an example of non-destructive geophysical studies that can promote Earth Science in the broader community by examining geological structures attracting the public.
A granite rock body, called 'Bukbawi', located on a mountaineering trail at Mt. Palgong Provincial Park is popular among the public because it resembles a percussion instrument. If someone hits the specific surface area of this rock body, people can hear drum-like sound. Such phenomenon may be geologically associated with exfoliation process of the granite body or miarolitic cavity developed after gasses escaped during formation of granite. To understand better the inner structure causing drum-like sound, we carried out a non-destructive ground-penetrating radar survey. In this study, as our primary target is very close to the surface, we utilized 1 GHz antennas to produce high-resolution near-surface images. In order to construct 3-D internal images, the measurements were conducted along a pre-defined grid. The processed radargrams revealed that the locations associated with 'drum' sound coincide with strong reflections. In addition, both reflection patterns of fracture and cavity were observed. To further quantify the observed reflections, we simulated GPR scans from a synthetic fracture in a granite body, filled with different materials. The simulated results suggest that both exfoliation process and miarolitic cavity may have contributed to the 'drum' phenomena. Furthermore, the radargrams showed a well-developed cavity signature where two major reflection planes were crossed. Thus, our study is an example of non-destructive geophysical studies that can promote Earth Science in the broader community by examining geological structures attracting the public.
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문제 정의
그러나, 소리의 원인이 공동 혹은 박리 작용에 의한 것으로 유추되었을 뿐, 소리의 원인을 파악하기 위한 구체적인 내부구조 연구는 수행되지 못하였다. 이 연구에서는 지하투과레이더(Ground Penetrating Radar; GPR)를 활용하여 북바위의 내부 구조를 영상화하여 소리가 일어나는 부분을 특정화 한 후, 소리가 발생하는 지질학적 원인을 살펴보고자 한다.
이러한 기작을 통하여 화강암 내부에는 광물화된 미아롤리틱 공동(miarolitic cavity) 이 생성될 수 있다(Peretyazhko, 2010). 따라서 이 연구에서는 지하투과레이더 자료를 활용하여 각기 다른 지질학적 과정을 통하여 생성된 균열 혹은 공동 구조가 어떻게 구분 지어 질 수 있는 지를 정량적으로 살펴보고자 하였다.
제안 방법
북바위가 외부 타격에 의한 소리를 일으키는 내부 구조를 영상화하기 위해 사용된 비파괴 탐사기법인 지하투과레이더 탐사는, 수 MHz에서 수 GHz범위의 고주파 레이더 신호를 탐사 대상의 표면에서 내부로 투과시켜 유전율(dielectric permittivity)의 변화가 일어나는 곳에서 반사되는 반사파들의 진폭을 기록하여 해석한다. 지하투과레이더 탐사기법은 다른 지구물리 조사기법과 같이 저주파 신호를 사용할 경우 탐사 심도는 깊어지지만 낮은 해상도의 자료를 얻게 되며, 고주파 레이더를 사용할 경우 탐사 심도는 얕아지지만 높은 해상도의 자료를 얻게 된다(Kim, 2000; Shin et al.
) 프로그램을 이용하여 후처리 보정 작업을 수행하였다. 먼저 획득된 자료는 Dewow필터를 적용하여 송신기와 수신기 사이의 거리가 가깝고 매질의 전기적 특성으로 인해 생성되는 잡음을 제거하였다. 그리고 Background Average Subtraction (BAS) 필터를 활용하여 매질의 표면에서 반사되는 강한 반사파를 제거하였다.
먼저 획득된 자료는 Dewow필터를 적용하여 송신기와 수신기 사이의 거리가 가깝고 매질의 전기적 특성으로 인해 생성되는 잡음을 제거하였다. 그리고 Background Average Subtraction (BAS) 필터를 활용하여 매질의 표면에서 반사되는 강한 반사파를 제거하였다. 지하에 선형 구조가 아닌 공동과 같은 원형의 구조가 존재할 경우, 지하투과레이더 자료에서는 쌍곡선 형태의 반사파가 생성되는데, 이는 내부로 투과된 레이더파가 구면파의 형태로 모든 방향으로 전달되는 과정에서 측정 지점 직하부에 위치한 구조체에 의한 반사파보다 측정 지점에서 떨어진 위치에 존재하며 더 얕은 깊이에 위치한 원형 구조에서 발생한 반사파가 먼저 측정되기 때문이다.
이 속도는 일반적인 화강암이 가지는 레이더파의 속도와 일치한다(Reynolds, 2011).이후 측정자료에서 결정된 레이더파의 속도를 활용하여 Stolt 구조보정(Stolt migration)을 수행하였다(Stolt, 1978).
보정 이후 대역 필터(Bandpass filter)를 적용하여 매질 내에서 일어난 반사파의 주요 진동수 범위 이외의 낮고 높은 진동수 대역의 신호를 제거하였다. 대역 필터는 중심 진동수를 1000 MHz에 두고 저역 통과(low-pass) 진동수는 800 MHz에 고역 통과(high-pass)진동수는 1200 MHz에 위치하도록 설정하였다.
대역 필터는 중심 진동수를 1000 MHz에 두고 저역 통과(low-pass) 진동수는 800 MHz에 고역 통과(high-pass)진동수는 1200 MHz에 위치하도록 설정하였다. 최종적으로 파형의 시간에 따른 감쇠 효과를 보상하기 위하여 이득 필터(SEC2 gain filter)를 적용하였다. 각 측선별 자료의 영상화를 위해서 최초 이득 값(start gain) 15 dB/m, 최대 이득 값(maximum gain) 100 dB/m, 감쇠율(attenuation rate) 20 dB/m를 적용하였으며, 3차원 자료의 영상화를 위해서는 최초 이득 값 20 dB/m, 최대이득 값 200 dB/m, 감쇠율 20 dB/m를 적용하였다.
최종적으로 파형의 시간에 따른 감쇠 효과를 보상하기 위하여 이득 필터(SEC2 gain filter)를 적용하였다. 각 측선별 자료의 영상화를 위해서 최초 이득 값(start gain) 15 dB/m, 최대 이득 값(maximum gain) 100 dB/m, 감쇠율(attenuation rate) 20 dB/m를 적용하였으며, 3차원 자료의 영상화를 위해서는 최초 이득 값 20 dB/m, 최대이득 값 200 dB/m, 감쇠율 20 dB/m를 적용하였다.
7a와 같이 구성하였다. 화강암 내부에 0.006 m 의 두께를 가지는 균열대가 표면으로부터 0.07 m 떨어진 곳에 위치하도록 설정하였고, 앞서 고려한 균열대 내부의 구성 물질이 달라질 수 있으므로 수치모델에서는 균열대 내부가 공기(Fig. 7b), 물(Fig. 7c), 그리고 석영맥(Fig. 7d)으로 채워진 경우를 각기 고려하였다. 이 수치모델에서 사용된 상대 유전율 값은 화강암 8, 공기 1, 물 81, 석영 4가 각기 적용되었다(Martinez and Byrnes, 2001).
이 수치모델에서 사용된 상대 유전율 값은 화강암 8, 공기 1, 물 81, 석영 4가 각기 적용되었다(Martinez and Byrnes, 2001). 그리고 GprMax2d 프로그램(Giannopoulos, 2005)에서 1 GHz의 Ricker waveform을 가지는 가상의 레이더 신호를 생성하여 주어진 수치 모델(Fig. 7a)을 대상으로 지하투과레이더 반사파를 계산 하였다. 이때, 균열대 사이에 최소한 10개의 셀(cell)이 계산에 포함될 수 있도록 0.
팔공산 화강암의 전석인 북바위에서 나타나는 공명 현상과 관련된 내부 구조를 정밀하게 파악하기 위하여 비파괴 탐사기법인 지하투과레이더 탐사를 수행하였다. 탐사 자료 해석 결과, 탐사 영역 중 Y = 0.
화강암질 암체에서 타격에 의한 공명이 날 수 있는 빈 공간이 내부에 생성되기 위해서는 박리 작용에 의한 암체와 최외곽층이 분리되거나 암석 생성 당시에 기체가 빠져나가면서 생성되는 미아롤리틱 공동 (miarolitic cavity)구조가 필요하다. 이러한 구조의 차이점을 정량적으로 살펴보기 위하여 가상 균열대에 대한 수치 모델 계산을 수행하였다. 수치 모델 결과, 어느특정 기작을 북바위 현상과 연결시킬 수는 없었지만 암체 내부에서 발견된 불연속면들은 화강암 박리 현상에 의한 균열 구조와 암석 생성 당시에 만들어진 미아롤리틱 공동(miarolitic cavity) 구조의 조합인 것으로 추정할 수 있었다.
이 연구에서는 공명현상이 발생하는 곳은 북바위의 표면에 근접할 것으로 예상되므로 천부의 자료를 고해상도로 얻을 수 있는 1 GHz의 고주파 안테나를 선택하였다(pulseEKKO Pro, Sensors & Software Inc.).
주로 이 중앙부의 흰 선 부근에서 공명음이 발생함을 특정할 수 있었다. 지하투과레이더를 이용하여 북바위에서 공명음이 발생하는 원인을 확인하기 위하여 공명현상이 발생하는 부분을 포함하는 상대적으로 평평한 면을 탐사 구역으로 선정하였다. 암석 표면에서의 탐사를 고려하여 격자 구조선을 미리 구성한 후 표면 위에 고정하는 방식으로 탐사 측선을 정의 하였다(Fig.
지하투과레이더를 이용하여 북바위에서 공명음이 발생하는 원인을 확인하기 위하여 공명현상이 발생하는 부분을 포함하는 상대적으로 평평한 면을 탐사 구역으로 선정하였다. 암석 표면에서의 탐사를 고려하여 격자 구조선을 미리 구성한 후 표면 위에 고정하는 방식으로 탐사 측선을 정의 하였다(Fig. 2b). 이 격자의 전체 크기는 폭 1.
).이 때 고주파 전자기파 신호를 송수신하는 과정에서 발생할 수 있는 주변 잡음의 간섭 효과를 방지하기 위하여 안테나 상부로부터 유입되는 전자기 에너지를 차폐하도록 하였다. 송신기와 수신기 사이의 간격은 제조사의 기본 설정값을 적용하여 0.
대상 데이터
팔공산 화강암은 지질도 상에 두 구역으로 나타나며 본체는 우측에 발달 해 있다.연구 대상인 북바위는 팔공산 화강암지역 내부에 위치하고 있으며 육안으로 관찰 시에도 화강암의 특징을 뚜렷이 보이고 있으므로, 팔공산 화강암의 전석으로 판단된다(Fig. 2).
이 때 고주파 전자기파 신호를 송수신하는 과정에서 발생할 수 있는 주변 잡음의 간섭 효과를 방지하기 위하여 안테나 상부로부터 유입되는 전자기 에너지를 차폐하도록 하였다. 송신기와 수신기 사이의 간격은 제조사의 기본 설정값을 적용하여 0.15 m로 고정하였고, 격자로 구성된 각 측선의 간격은 0.1 m로, 각 측선상 측정 간격은 0.01 m로 설정하여 Y축에 평행하게 측정한 13개의 X-측선과 X축에 평행하게 측정한 9개의 Y-측선 자료를 획득하였다(Fig. 2).
데이터처리
현장에서 취득한 탐사 자료는 EKKO_Project V3 R2(Sensors & Software Inc.) 프로그램을 이용하여 후처리 보정 작업을 수행하였다.
성능/효과
3, 4는 각 측선 별로 획득된 지하투과레이더 영상을 보여준다. 보정 후 신호의 세기가 양수 방향으로 증가할수록 흰 색, 음수 방향으로 증가할수록 검은색에 가깝다. 우선 X축에 평행하게 획득된 Y-측선의 지하투과레이더 자료 중 Y = 0 ~ 0.
6의 적색 파선으로 표시된 위치를 따라서 X축에 평행하게 발달된 반사면 혹은 균열 구조가 신호처리 과정을 통해 증폭되어 보다 분명하게 표시되는 것을 확인할 수 있다. 특히 이 북바위 균열 구조는 표면에 매우 근접하여 위치하고 있으므로(깊이 0.2 m 내외), 표면에서 최초로 일어나는 반사 파형의 제거 과정(BAS 필터)이 주요했음을 확인할 수 있다.
7c 의 경우처럼 균열대의 유전율이 주변 화강암보다 높은 경우에는 신호의 음과 양이 서로 바뀌게 된다. 또 한반사파의 세기는 유전율의 차이에 의해서도 영향을 받게 되어 비록 반사파의 극성이 바뀐 경우이지만, 화강암과 물 사이의 상대 유전율 차이가 가장 크기 때문에 반사파의 세기도 가장 크게 나타났다. 일반적으로 지하 투과레이더는 유전율이 낮은 곳에서 높은 곳으로 신호가 전파되는 경우 반사된 신호의 극성이 바뀌게 된다.
관측 자료에서의 반사파 파형(Fig. 6)과 수치 모델결과의 반사파 파형(Fig. 7)의 유사성을 바탕으로 유추 하면, 북바위의 공명은 화강암의 박리 현상과 암석 생 성 당시에 만들어진 미아롤리틱 공동(miarolitic cavity) 구조가 함께 기여한 것으로 보여진다. 반사파의 세기및 파형만으로는 이 두 기작 사이의 기여도를 정량적으로 구분 짓기 쉽지 않았다.
팔공산 화강암의 전석인 북바위에서 나타나는 공명 현상과 관련된 내부 구조를 정밀하게 파악하기 위하여 비파괴 탐사기법인 지하투과레이더 탐사를 수행하였다. 탐사 자료 해석 결과, 탐사 영역 중 Y = 0.5 m 측선과 X = 0.8 ~ 1.2 m 측선 구간에 불연속면들이 존재하며, 이 불연속면들이 교차하는 지점에서 공동 구조가 존재함을 확인하였다. 그리고 이 불연속면은 ‘북소리’ 와 같은 공명이 일어나는 지점과 일치하였다.
이러한 구조의 차이점을 정량적으로 살펴보기 위하여 가상 균열대에 대한 수치 모델 계산을 수행하였다. 수치 모델 결과, 어느특정 기작을 북바위 현상과 연결시킬 수는 없었지만 암체 내부에서 발견된 불연속면들은 화강암 박리 현상에 의한 균열 구조와 암석 생성 당시에 만들어진 미아롤리틱 공동(miarolitic cavity) 구조의 조합인 것으로 추정할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
북바위에서 타악기에서 발생하는 공명음이 나타나는 원인은?
이 암체에서는 특정 부위를 타격했을 때 북과 같은 타악기에서 발생하는 공명음과 유사한 공명 현상이 발생한다. 이러한 소리를 발생시키는 공명 현상의 지질학적 원인으로는 화강암 생성 과정에서 내부 기체가 빠져나가면서 형성된 공동이 존재할 가능성과 생성 이후 지질학적으로 오랜 기간 동안 겪은 풍화 작용에 의한 박리 현상에 기인할 가능성이 있다. 이 연구에서는 북바위 화강암체에서 공명을 일으키는 내부구조를 보다 정밀하게 파악하기 위하여 비파괴 탐사기법인 지하투과레이더 탐사를 수행하였다.
북바위의 위치는?
경상북도 군위군 부계면 동산리에 위치한 팔공산 도립공원의 한 등산로에는 '북바위'라 불리는 화강암질 암체가 존재한다. 이 암체에서는 특정 부위를 타격했을 때 북과 같은 타악기에서 발생하는 공명음과 유사한 공명 현상이 발생한다.
북바위의 특징은?
경상북도 군위군 부계면 동산리에 위치한 팔공산 도립공원의 한 등산로에는 '북바위'라 불리는 화강암질 암체가 존재한다. 이 암체에서는 특정 부위를 타격했을 때 북과 같은 타악기에서 발생하는 공명음과 유사한 공명 현상이 발생한다. 이러한 소리를 발생시키는 공명 현상의 지질학적 원인으로는 화강암 생성 과정에서 내부 기체가 빠져나가면서 형성된 공동이 존재할 가능성과 생성 이후 지질학적으로 오랜 기간 동안 겪은 풍화 작용에 의한 박리 현상에 기인할 가능성이 있다.
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