최근 도입된 지상 송신원 항공 전자탐사 시스템(grounded electrical-source airborne transient electromagnetic, GREATEM)은 신호가 강력하여 가탐심도 향상은 물론 잡음이 심한 지역에서도 적용 가능하다. 비록 GREATEM은 지상에 설치된 긴 전선을 송신원으로 사용하는 시간영역 전자탐사법이지만, 방대한 항공탐사 자료의 2차원 혹은 3차원 해석은 계산시간이 너무 많이 소요되어 실질적인 적용이 어렵기 때문에 GREATEM 탐사 자료는 주로 1차원 해석에 의존하고 있다. 일반적으로 방대한 항공 전자탐사 자료의 해석은 각 측점에서 얻어진 자료에 대한 1차원 역산 결과를 병합하여 전기비저항 2차원 단면을 작성하는 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 병합 단면은 전기비저항이 너무 급격하게 변하는 문제점을 보인다. 횡적 제한 역산법(laterally constrained inversion, LCI)은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발되었으며, 연속성이 뛰어난 역산 단면을 제공하게 된다. 이 연구에서는 우선 수치 모델링을 통하여 곡선 전류원에 대한 GREATEM 탐사 자료의 특성을 분석하였다. 또한 GREATEM 탐사 자료에 대한 횡적 제한 역산법을 개발하였다. 이 방법은 각 측점에서 획득된 모든 1차원 자료와 층서 모델을 하나의 역산 시스템에 병합하여 처리하므로 수평적 연속성이 뛰어난 역산 단면을 제공하게 된다. 개발된 역산 알고리듬을 GREATEM 탐사 자료에 적용한 결과, 해당 지역의 층서를 효과적으로 반영하는 역산 영상을 얻을 수 있었다.
최근 도입된 지상 송신원 항공 전자탐사 시스템(grounded electrical-source airborne transient electromagnetic, GREATEM)은 신호가 강력하여 가탐심도 향상은 물론 잡음이 심한 지역에서도 적용 가능하다. 비록 GREATEM은 지상에 설치된 긴 전선을 송신원으로 사용하는 시간영역 전자탐사법이지만, 방대한 항공탐사 자료의 2차원 혹은 3차원 해석은 계산시간이 너무 많이 소요되어 실질적인 적용이 어렵기 때문에 GREATEM 탐사 자료는 주로 1차원 해석에 의존하고 있다. 일반적으로 방대한 항공 전자탐사 자료의 해석은 각 측점에서 얻어진 자료에 대한 1차원 역산 결과를 병합하여 전기비저항 2차원 단면을 작성하는 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 병합 단면은 전기비저항이 너무 급격하게 변하는 문제점을 보인다. 횡적 제한 역산법(laterally constrained inversion, LCI)은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발되었으며, 연속성이 뛰어난 역산 단면을 제공하게 된다. 이 연구에서는 우선 수치 모델링을 통하여 곡선 전류원에 대한 GREATEM 탐사 자료의 특성을 분석하였다. 또한 GREATEM 탐사 자료에 대한 횡적 제한 역산법을 개발하였다. 이 방법은 각 측점에서 획득된 모든 1차원 자료와 층서 모델을 하나의 역산 시스템에 병합하여 처리하므로 수평적 연속성이 뛰어난 역산 단면을 제공하게 된다. 개발된 역산 알고리듬을 GREATEM 탐사 자료에 적용한 결과, 해당 지역의 층서를 효과적으로 반영하는 역산 영상을 얻을 수 있었다.
Recently, the grounded electrical-source airborne transient electromagnetic (GREATEM) system with high power source was introduced to achieve deeper investigation depth and to overcome high noise level. Although the GREATEM is a transient electromagnetic system using a long grounded wire as the tran...
Recently, the grounded electrical-source airborne transient electromagnetic (GREATEM) system with high power source was introduced to achieve deeper investigation depth and to overcome high noise level. Although the GREATEM is a transient electromagnetic system using a long grounded wire as the transmitter, GREATEM data have been interpreted with 1D earth models because 2D or 3D modeling and inversion of vast airborne data are complicated and expensive to calculate. Generally, 1D inversion is subsequently applied to every survey point and combining 1D images together forms the stitched conductivity-depth image. However, the stitched models often result in abrupt variations in neighboring models. To overcome this problem, laterally constrained inversion (LCI) has been developed in inversion of ATEM data, which can yield layered sections with lateral smooth transitions. In this study, we analysed the GREATEM data through 1D numerical modeling for a curved grounded wire source. Furthermore, we developed a laterally constrained inversion scheme for continuous GREATEM data based on a layered earth model. All 1D data sets and models are inverted as one system, producing layered sections with lateral smooth transitions. Applying the developed LCI technique to the GREATEM data, it was confirmed that the laterally constrained inversion can provide laterally smooth model sections that reflect the layering of the survey area effectively.
Recently, the grounded electrical-source airborne transient electromagnetic (GREATEM) system with high power source was introduced to achieve deeper investigation depth and to overcome high noise level. Although the GREATEM is a transient electromagnetic system using a long grounded wire as the transmitter, GREATEM data have been interpreted with 1D earth models because 2D or 3D modeling and inversion of vast airborne data are complicated and expensive to calculate. Generally, 1D inversion is subsequently applied to every survey point and combining 1D images together forms the stitched conductivity-depth image. However, the stitched models often result in abrupt variations in neighboring models. To overcome this problem, laterally constrained inversion (LCI) has been developed in inversion of ATEM data, which can yield layered sections with lateral smooth transitions. In this study, we analysed the GREATEM data through 1D numerical modeling for a curved grounded wire source. Furthermore, we developed a laterally constrained inversion scheme for continuous GREATEM data based on a layered earth model. All 1D data sets and models are inverted as one system, producing layered sections with lateral smooth transitions. Applying the developed LCI technique to the GREATEM data, it was confirmed that the laterally constrained inversion can provide laterally smooth model sections that reflect the layering of the survey area effectively.
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문제 정의
한편 국내의 경우 한국지질자원연구원에서 오스트리아 지질 조사소와 함께 주파수 영역 항공 전자탐사가 수행된 바 있으며, 최근에는 지상 송신원을 사용하는 GREATEM을 도입하여 시험탐사 및 자료 해석 기술을 개발하고 있다. 이 논문에서는 수치 모델링을 통하여 현재 한국지질자원연구원에서 운영 중인 GREATEM 탐사 자료의 특성을 분석하고, 효과적인 자료 해석을 위한 횡적 제한 역산 방법을 제시하였다.
그러나 국내의 경우에는 높은 잡음 수준으로 인하여 루프 송신원을 탑재한 일반적인 항공 전자탐사 적용에 한계가 있으며, 이를 극복하기 위하여 준 항공 전자탐사법인 지상 송신원 항공 전자탐사법이 도입되어 운영되고 있다. 이 연구에서는 현재 국내에 도입되어 운용되고 있는 GREATEM 탐사법의 특성을 고찰하고, 획득된 자료의 해석을 위한 횡적 제한 역산법을 개발하고 이를 현장 자료에 적용하였다.
가설 설정
이 경우 생성되는 1차장의 계산을 위해서는 전기 쌍극자원(electric current dipole)에 의한 1차장을 전선을 따라 선적분을 수행해야 한다. 지상 송신원 항공 전자탐사 모델링에서는 대개 송신 전류원을 직선으로 가정한다. 그러나 지형의 굴곡이 심한 지역에서는 송신원을 직선으로 설치하는 것은 비현실적이며, 대개는 평탄한 지형을 따라 곡선형으로 설치된다.
제안 방법
이러한 분할방법은 각 지층의 전기비저항이 급격하게 변화하지 않도록 하는 평활화 제한을 가할 수 있어 1차원 역산에 널리 사용된다. 본 연구에서도 지하를 여러 개의 지층으로 분할하고 각 층의 전기비저항만을 모델변수로 설정하였다. 한편 전자탐사는 심도가 증가함에 따라 감도가 급격하게 감소한다.
한편 GREATEM 현장자료는 각 측점에서의 최댓값으로 정규화한 자기장이다. 실제 측정은 수신코일에 유도된 유도 기전력, 즉 충격반응을 측정하고 이를 적분하여 자기장을 산출한다. 결과적으로 GREATEM 현장자료는 계단반응을 그 최댓값으로 정규화한 것을 의미한다.
횡적 모델 제한자의 크기를 λh, 수직방향 모델 제한자의 크기(라그랑지 곱수의 최대값)를 λv로 하고, 두 모델 제한자의 비인 α = λh/λv를 변화시키면서 횡적 제한 역산을 수행하였다.
개발된 횡적 제한 역산법을 한국지질자원연구원이 괴산 지역에서 획득된 GREATEM 현장자료에 대하여 적용하였다. 횡적 제한 역산을 수행하기 이전에 각 측점에 대한 1차원 역산을 수행하였다. 이는 각 측점에 획득된 모든 지연시간의 자료를 사용할 수 없기 때문에, 심하게 잡음에 오염된 자료 및 음의 값을 보이는 자료를 역산에서 배제하는 한편, 전반적인 자료의 질 평가를 위하여 필요한 사전 자료처리에 해당된다.
대상 데이터
개발된 횡적 제한 역산법을 한국지질자원연구원이 괴산 지역에서 획득된 GREATEM 현장자료에 대하여 적용하였다. 횡적 제한 역산을 수행하기 이전에 각 측점에 대한 1차원 역산을 수행하였다.
이때 횡적 모델 제한자의 크기는 λv와 α값에 의해 결정된다. 사용된 측점의 수는 51개, 총 자료의 수는 1146개이며, 최종 rms 오차는 횡적 모델 제한자의 크기에 따라 다르지만 대략 8.5%로 나타났다. λh =0인 Fig.
이론/모형
따라서 각 층의 두께는 깊이가 깊어질수록 증가하도록 설정하였다(Table 1). 역산방법은 감쇠최소자승법을 적용하였으며, 분해능을 높이고 안정성을 확보하기 위하여 ACB (active constraint balancing) 모델 제한자를 적용하였다(Yi et al., 2003).
성능/효과
의 변환된 자료를 만들 수 있다. (5)식에 주어진 변환된 자료는 거의 원시자료와 유사한 형태를 보이지만, 지연시간 즉 원시자료의 최초 지연시간은 아는 값이므로 href을 계산할 수 있다. 이 방법은 원시자료에 큰 변화를 주지 않으며, 간단하게 계산할 수 있다.
실제 측정은 수신코일에 유도된 유도 기전력, 즉 충격반응을 측정하고 이를 적분하여 자기장을 산출한다. 결과적으로 GREATEM 현장자료는 계단반응을 그 최댓값으로 정규화한 것을 의미한다. 이와 같이 정규화된 자료는 일반적인 항공 전자탐사 자료와는 다른 특성을 가진다.
특히 전기비저항이 낮은 지역의 경우에는 후기 시간대에서 조차도 자기장의 수직성분이 지하 매질의 전기비저항에 따라 크게 변하지 않는다. 결과적으로 GREATEM의 경우 송신 전류원에서 거리가 멀어지면 신호의 크기가 작아지며, 정확한 측정이 이루어져도 지하 매질의 전기비저항을 해석하기 어려워지며, 이러한 현상은 송신 전류원으로부터의 거리가 증가할수록 심화된다. 물론 전기비저항이 높은 경우에는 송신 전류원에서 상당한 거리에 있는 측점의 경우에도 해석이 가능할 것이다.
횡적 제한 역산에서 감도행렬은 각 측점에 해당하는 모델변수에만 좌우되며, 다른 측점에서의 모델변수와는 무관하다. 결과적으로 감도행렬의 대부분 요소는 0이 되며, 각 측점에 해당하는 모델변수에 관련된 행렬 요소만 0이 아닌 값을 가지므로 역행렬(inverse matrix)의 계산에 유리한 측면이 있다.
4는 길이 3 km인 직선 전류원 중심으로부터 수직으로 100 m 떨어진 지점의 30 m 상공에서 서로 다른 전기비저항을 갖는 균질 반무한 공간에 대하여 계산된 자기장의 수직성분 및 그 최댓값으로 정규화된 자기장의 지연시간에 따른 감쇠곡선을 나타낸 것이다. 예상한 바와 같이 전기비저항이 증가할수록 자기장의 크기가 작아지며, 초기 시간대의 경우 감쇠가 서서히 일어나는 것을 확인할 수 있다. 물론 후기 시간대에서는 대부분의 TEM 반응과 같이 t −3/2에 비례하여 감소하는 양상을 보이게 될 것이다.
반면 횡적 제한 역산 영상에서는 이러한 현상이 사라지고 수평방향으로의 연속성이 뛰어난 역산 영상을 보인다. 횡적 모델 제한자가 커질수록 수평방향으로의 연속성이 더욱 강화되며, 각 지층의 전기비저항 대비로 뚜렷해지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
또한 송신 전류원에서 먼 거리에 위치한 측점에서는 신호의 크기가 작은 것은 물론, 전기비저항이 낮을 경우 정규화된 자기장이 지연시간에 따라 거의 변화를 보이지 않아, 지하의 전기비저항 분포를 추정하기 어렵게 된다. 결과적으로 GREATEM 탐사는 송신 전류원에 매우 가까운 영역 혹은 지나치게 먼 거리에서는 자료획득은 물론 해석이 어려워 질 것으로 우려되므로, 탐사 계획 수립시 유의해야 할 것으로 판단된다.
특히 일반적으로 1차원 역산 결과를 병합하는 기존의 영상화 기법에 비하여 수평방향으로 연속성이 뛰어난 2차원 영상을 제공할 수 있으므로, 층서 구조를 보이는 지역에서 획득된 항공 전자탐사 자료 해석에 널리 사용될 수 있을 것으로 보인다. 또한 이 개념을 확장하면 준 3차원 지하 영상화도 가능할 것으로 기대된다.
이 역산법은 1차원 역산에 기반하고 있기 때문에 계산시간이 짧으면서도 2차원적 역산영상을 제시할 수 있으므로 방대한 항공 전자탐사 자료 해석에 효과적인 것으로 판단된다. 특히 일반적으로 1차원 역산 결과를 병합하는 기존의 영상화 기법에 비하여 수평방향으로 연속성이 뛰어난 2차원 영상을 제공할 수 있으므로, 층서 구조를 보이는 지역에서 획득된 항공 전자탐사 자료 해석에 널리 사용될 수 있을 것으로 보인다. 또한 이 개념을 확장하면 준 3차원 지하 영상화도 가능할 것으로 기대된다.
한편 횡적 제한 역산은 GREATEM 탐사 자료의 해석에 유용할 것으로 기대된다. 이 역산법은 1차원 역산에 기반하고 있기 때문에 계산시간이 짧으면서도 2차원적 역산영상을 제시할 수 있으므로 방대한 항공 전자탐사 자료 해석에 효과적인 것으로 판단된다.
특히 층서구조가 발달한 지역의 경우에도 1차원 역산 결과는 지층의 수평적 연속성이 확보되지 못한다는 단점이 있다. 횡적 제한 역산은 이와 같이 1차원 역산 결과를 병합하는 과정에서 발생하는 문제를 역산 단계에서 사전에 방지할 수 있는 효과적인 역산 방법으로, 계산시간을 현저히 절약할 수 있는 1차원 역산을 통하여 수평적인 연속성이 뛰어나고, 지질학적 층서 구조의 해석이 가능한 영상을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지상 송신원 항공 전자탐사 시스템의 한계는?
최근 도입된 지상 송신원 항공 전자탐사 시스템(grounded electrical-source airborne transient electromagnetic, GREATEM)은 신호가 강력하여 가탐심도 향상은 물론 잡음이 심한 지역에서도 적용 가능하다. 비록 GREATEM은 지상에 설치된 긴 전선을 송신원으로 사용하는 시간영역 전자탐사법이지만, 방대한 항공탐사 자료의 2차원 혹은 3차원 해석은 계산시간이 너무 많이 소요되어 실질적인 적용이 어렵기 때문에 GREATEM 탐사 자료는 주로 1차원 해석에 의존하고 있다. 일반적으로 방대한 항공 전자탐사 자료의 해석은 각 측점에서 얻어진 자료에 대한 1차원 역산 결과를 병합하여 전기비저항 2차원 단면을 작성하는 방법이 널리 사용되고 있다.
GREATEM이란?
최근 도입된 지상 송신원 항공 전자탐사 시스템(grounded electrical-source airborne transient electromagnetic, GREATEM)은 신호가 강력하여 가탐심도 향상은 물론 잡음이 심한 지역에서도 적용 가능하다. 비록 GREATEM은 지상에 설치된 긴 전선을 송신원으로 사용하는 시간영역 전자탐사법이지만, 방대한 항공탐사 자료의 2차원 혹은 3차원 해석은 계산시간이 너무 많이 소요되어 실질적인 적용이 어렵기 때문에 GREATEM 탐사 자료는 주로 1차원 해석에 의존하고 있다. 일반적으로 방대한 항공 전자탐사 자료의 해석은 각 측점에서 얻어진 자료에 대한 1차원 역산 결과를 병합하여 전기비저항 2차원 단면을 작성하는 방법이 널리 사용되고 있다.
지상 송신원 항공 전자탐사 시스템의 특징은?
최근 도입된 지상 송신원 항공 전자탐사 시스템(grounded electrical-source airborne transient electromagnetic, GREATEM)은 신호가 강력하여 가탐심도 향상은 물론 잡음이 심한 지역에서도 적용 가능하다. 비록 GREATEM은 지상에 설치된 긴 전선을 송신원으로 사용하는 시간영역 전자탐사법이지만, 방대한 항공탐사 자료의 2차원 혹은 3차원 해석은 계산시간이 너무 많이 소요되어 실질적인 적용이 어렵기 때문에 GREATEM 탐사 자료는 주로 1차원 해석에 의존하고 있다.
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