[논문]X-ray CT 이미지를 이용한 암석의 특성 평가 방안

김광염; 윤태섭

doi:10.7474/tus.2019.29.6.542

X-ray CT 이미지를 이용한 암석의 특성 평가 방안
Evaluation Method of Rock Characteristics using X-ray CT images 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.29 no.6, 2019년, pp.542 - 557

김광염 (한국해양대학교 해양과학기술대학 에너지자원공학과) , 윤태섭 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과)

초록
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암석의 성인과 변성에 따른 내부구조의 마이크로 특성은 암반의 거동 특성에 영향을 미친다. 본 연구에서는 암석 내부의 구성물질의 분포 특성을 반영하는 엑스레이 단층(X-ray CT) 이미지에 기초한 새로운 암석특성의 평가방안을 고찰하였다. 암석의 불균질 특성 및 이방성 특성의 정량화, 암석의 구성광물 입자의 크기분포 및 형상특성, 공극이미지를 이용한 유동해석, 암석내부의 노출되지 않은 절리면 거칠기 평가 등 전통적인 암석의 시험법으로 측정하기 어려웠던 중요한 암석의 특성들이 X-ray CT 이미지의 분석을 통하여 평가될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The behavior of rock mass is influenced by its microscopic feature of internal structure generating from forming and metamorphic process. This study investigated a new methodology for characterization of rock based on the X-ray CT (computed tomography) images reflecting the spatial distribution characteristics of internal constituent materials. The X-ray image based analysis is capable of quantification of heterogeneity and anisotropy of rock fabric, size distribution and shape parameter analysis of rock mineral grains, fluid flow simulation based on pore geometry image and roughness evaluation of unexposed joint surface which are hardly acquired by conventional rock testing methods.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic of typical X-ray CT imaging
그림 Fig. 2. Image calibration of raw 3D X-ray Computed Tomography images
표 Table 1. Representative applications in rock mechanics using X-ray CT images
그림 Fig. 3. 3D reconstruction of calibrated images
그림 Fig. 4. CTnumber histograms of XCT images of various rock types
그림 Fig. 5. Schematic illustration of Slicing Plane Method (Yun et al., 2013)
그림 Fig. 6. Stereonet results from SPM (Yun et al., 2013)
그림 Fig. 7. Schematic image of the distribution of randomly spread two point sets throughout the image and results from the granite and sandstone images
그림 Fig. 8. Image-based pore network modeling sequence
그림 Fig. 9. Lattice Boltzmann simulation based on X-ray CT image
그림 Fig. 10. Joint surface roughness characterization using X-ray CT

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 암석의 내부구조를 3차원으로 시각화하여 정성적으로 평가하는 사례뿐만 아니라, 공극률 평가, 공극크기분포 평가, 암석내 3차원 균열네트워크 모델을 이용한 유동해석, 재료내부에 존재하는 이방성 및 불균질성 특성평가, 암석 내 불연속면 평가 등에 X-ray CT 이미지를 활용하는 연구가 증가하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 X-ray CT 이미지를 활용하여 암석의 물리 역학적 특성 및 수리적 거동 특성을 평가하는 방법에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 전통적인 암석의 평가 방법의 한계를 극복하기 위한 방안으로 암석 내부의 특성화에 기반한 새로운 암석의 평가방안을 고찰하였다. 암석의 불균질 특성 및 이방성 특성의 정량화, 암석의 구성광물 입자의 크기분포 및 형상특성, 공극이미지를 이용한 유동해석, 암석내부의 노출되지 않은 절리면 거칠기 평가 등 전통적인 암석의 시험법으로 측정하기 어려웠던 중요한 암석의 특성들이 X-ray CT를 이용하여 평가 될 수 있음을 확인하였다.

가설 설정

일반적으로 시료 표면부보다 시료내부의 이미지 값이 낮게 나타나는 현상으로, Fig. 2(a) 이미지와 같이 중심부는 어둡고 주변부는 밝게 방사형으로 나타난다. 커핑결함이 존재하는 원본이미지에서는 중심부로 갈수록 어둡기 때문에 같은 재료라 하더라도 더 낮은 CT 값을 갖는 반면 주변부로 갈수록 더 높은 CT값을 갖는다.

제안 방법

다공성 암석 시편의 CT 이미지에서 해석을 수행하고자 하는 관심영역(Volume of interest)를 추출하고 공극복셀(Pore voxel)과 고체복셀(Solid voxel)로 이진화 한다. 단상 유동 해석의 경우 압력 차이를 이용한 유동 해석과 중력을 이용한 유동 해석을 주로 수행하며 압력 차이를 이용한 해석은 유입부와 유출부에 각각 압력 경계를 적용하고 유동 방향과 평행한 경계 면들은 고체 벽으로 감싸 불투수영역으로 모사한다.
동일한 normal vector를 갖는 평면들을 3차원 이미지에 가상으로 끼워 넣은 후, 서로 다른 면적을 갖는 해당 면이 교차하는 이미지의 CT값들의 평균값을 계산한다. 이후 해당 평면의 중첩면적을 구한 후 식(1)과 같이 가중평균(Weighted arithmetic mean)과 가중표준편차(Weighted standard deviation), 그리고 변동계수(Coefficient of variation)를 산출한다.
Two–point correlation 기법은 일반적으로 이진화된 재료(즉, 암석의 경우에는 광물과 공극이 명확히 분리되는 경우)에 널리 이용되어 왔으나(Torquato, 1988), 공극률이 낮고 광물간의 분리가 어려운 경우에는 적용이 어렵다. 이를 위해 재료 분리(segmentation) 과정 없이, 3차원 X-ray 원본 이미지를 그대로 이용하여 내부 구조의 대표크기를 산출하는 분석기법인 Modified two-point correlation을 소개한다. Fig.
동일한 normal vector를 갖는 평면들을 3차원 이미지에 가상으로 끼워 넣은 후, 서로 다른 면적을 갖는 해당 면이 교차하는 이미지의 CT값들의 평균값을 계산한다. 이후 해당 평면의 중첩면적을 구한 후 식(1)과 같이 가중평균(Weighted arithmetic mean)과 가중표준편차(Weighted standard deviation), 그리고 변동계수(Coefficient of variation)를 산출한다.
도메인의 구성, 경계 조건, 초기 조건 적용이 완료되면 격자 볼츠만 해석을 수행하게 되며 정해진 반복 횟수에서 모든 공극복셀에서의 밀도, 속도, 압력 등을 저장하게 된다. 이후 후처리 과정을 통해 결과들을 시각화하고 분석한다.
재료의 3차원 X-ray CT 이미지로부터 해석을 수행하고자 하는 관심영역(Region of interest, ROI)을 추출하고, 이를 이진화(Binarization) 처리하여 공극 구조를 추출한다. 이진 공극 영상에 세선화알고리즘(Thinning algorithm)을 적용하여 공극 스켈레톤(Pore skeleton)을 획득할 수 있으며, 이는 위상학적으로 연속된 공극 단면의 도심을 연결한 곡선과 동일하다.

대상 데이터

공극 네트워크 모델을 통한 다상 유체 시뮬레이션은 비압축성 유체를 대상으로 하며, 정상 상태 하에서의 침투해석이 주를 이룬다. 이는 특정 유체로 포화된 육면체 형태의 공극 네트워크 내에서 침투 방향을 결정하고, 그에 수직인 하나의 평면(침투 평면)에 침투 유체를 주입하여 기존 유체를 그에 평행한 나머지 평면(배수 평면)을 통해 배수시키는 해석 방법을 의미한다.

이론/모형

재료의 3차원 X-ray CT 이미지로부터 해석을 수행하고자 하는 관심영역(Region of interest, ROI)을 추출하고, 이를 이진화(Binarization) 처리하여 공극 구조를 추출한다. 이진 공극 영상에 세선화알고리즘(Thinning algorithm)을 적용하여 공극 스켈레톤(Pore skeleton)을 획득할 수 있으며, 이는 위상학적으로 연속된 공극 단면의 도심을 연결한 곡선과 동일하다. 일반적으로 공극 스켈레톤을 구성하는 하나의 복셀과 연결된 인접복셀수를 평가하여, 그 개수가 3개 이상일 경우 이를 공극 관망의 합류점으로 판단해 공극방으로써 정의한다.

성능/효과

본 연구에서는 전통적인 암석의 평가 방법의 한계를 극복하기 위한 방안으로 암석 내부의 특성화에 기반한 새로운 암석의 평가방안을 고찰하였다. 암석의 불균질 특성 및 이방성 특성의 정량화, 암석의 구성광물 입자의 크기분포 및 형상특성, 공극이미지를 이용한 유동해석, 암석내부의 노출되지 않은 절리면 거칠기 평가 등 전통적인 암석의 시험법으로 측정하기 어려웠던 중요한 암석의 특성들이 X-ray CT를 이용하여 평가 될 수 있음을 확인하였다. 현재 의료분야 이외의 다른 산업분야에서 X-ray 활용이 급증하고 있으며, CT 장비의 제조사들은 여러 산업분야의 요구도에 맞추어 장비를 개발하고 있다.

후속연구

암석, 콘크리트 등 건설산업분야에서도 이러한 활용도가 급증하고 있으며, X-ray 기반의 재료 평가방안을 표준화하려는 노력이 계속되고 있다. 암석역학 분야에서도 향후 추가 적인 관련 연구들을 통해 X-ray 기반 분석의 활용성과 신뢰도가 확보된다면 새로운 표준시험법으로 제안될 수 있을 것이다.
하지만, 앞서 언급하였듯이 암석의 물성 및 거동특성은 암석 내부구조에서 기인하기 때문에 이러한 내부구조를 평가하여 암석의 마이크로 물성을 산출 할 수 있다면, 매크로 물성 평가시 이러한 마이크로 물성을 적극적으로 활용하여 보다 신뢰도 있는 평가가 가능하다. 마이크로 스케일에서의 암석 특성이 매크로 스케일에서의 암석 거동에 미치는 영향이 지속적으로 보고되고 있으며(Brace, 1965, Lo et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암석의 특성은 무엇인가?	지구내부 지각(crust)의 대부분을 구성하고 있는 물질인 암석은 성인 및 오랜시간의 변성과정에서 결정되어지는 구성광물의 성분, 입자의 배열 및 크기, 공극 또는 균열의 크기 및 분포 양상 등에 의해 다양한 내부구조와 거동 특성을 나타낸다. 암반을 대상으로 하는 대표적인 전통적 산업분야인 석유와 가스 생산, 터널, 지하 유류 비축기지 건설 외에도 최근에 심부지열발전, 이산화탄소 지중 저장, 방사성폐기물 처분장 등 환경과 에너지 측면에서 큰 관심을 받고 있는 다양한 산업분야에서 암반의 거동에 대한 평가는 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.
	기존의 실내 실험을 통한 암석의 물성 평가의 문제점은 무엇인가?	이러한 실내 시험을 통한 암석의 물성 평가는 국제암반역학위원회(ISRM)에서 제안된 방법이 주로 활용된다. 기존에 제안되어 사용되고 있는 대부분의 실내실험을 통한 물성평가 방법은 암석의 내부구조를 별도로 고려하지 하지 않고 결과를 도출한다. 이 경우 불균질성 과 이방성이 매우 강한 암석의 경우에는 실험값의 오차가 커지기 때문에 통계적으로 유의한 결과값을 확보하기 위해 많은 실험이 필요하다.
	암석의 내부구조를 시각화하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?	암석의 내부구조를 시각화하는 가장 일반적인 방법은 편광현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경 등을 활용한 2차원 단면 관찰이다. 이러한 2차원 단면 이미지를 통해 암석을 구성하고 있는 입자들의 크기, 형상, 미세균열 등의 관찰이 가능하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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