[논문]변형 쌍극자배열법을 적용한 울릉도 나리 칼데라 주변 조면안산암 지역의 비저항분포 특성 분석

김기범; 김만일

doi:10.9720/kseg.2019.3.223

변형 쌍극자배열법을 적용한 울릉도 나리 칼데라 주변 조면안산암 지역의 비저항분포 특성 분석
Distribution of Resistivity Zones Near Nari Caldera, Ulleung-do, Korea, Inferred from Modified Dipole Arrays 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.29 no.3, 2019년, pp.223 - 236

김기범 (안동대학교 지구환경과학과) , 김만일 (산림조합중앙회 산림공학연구소)

초록
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전기비저항탐사는 지질 분포나 단층 파쇄대의 유무 등의 지질 구조, 지층의 풍화 및 변질 정도, 지하수 등을 파악하기 위하여 광범위하게 활용되는 탐사기법이다. 본 연구에서는 지하 전기비저항의 분포특성을 분석하기 위하여 총 6개 측선을 중심으로 울릉도 나리분지와 알봉분지 주변 지하 칼데라 퇴적층과 지질 구조를 파악하기 위하여 기존의 쌍극자배열법(A 방법과 C 방법)의 탐사결과와 함께 변형된 쌍극자배열법(D 방법)을 적용하여 연구를 수행하였다. 본 연구결과, 변형된 쌍극자배열법을 적용하여 최적의 지하 비저항 분포단면 분석을 통해 퇴적층과 연약대가 분포하는 구간인 500 ohm-m 이하의 저비저항대와 화산암체인 조면안산암질 암류가 분포하는 5,000 ohm-m 이상의 고비저항대의 경계를 명확하게 파악할 수 있었다. 알봉분지의 퇴적층은 평균 50~100m 내외, 나리분지의 퇴적층은 평균 약 100~200m 내외의 두께로 분포하는 것으로 추정되며, 칼데라 단층으로 추정되는 이상대는 지표부근에서 탐사심도 하부까지 500 ohm-m 이하의 저비저항대가 수직으로 연장성을 가지면서 암반 내 연약대와 구분되는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Resistivity surveys can identify the distribution of geological units and structures (including fragmented fault zones), the extent of weathered and modified geological strata, and the characteristics of groundwater. This study aims to analyze the underground sedimentary layers and geological structures near the Nari and Albong Basins of Ulleung-do, Korea, focusing on six survey lines to identify the spatial trends in subsurface resistivity. A modified dipole array method (D method) was employed, combining resistivity results obtained by existing dipole array methods (A and C methods). The modified method provides optimal analysis of the cross-section of underground resistivity, and shows a clear boundary between a low-resistivity zone (${\leq}500{\Omega}{\cdot}m$) of sedimentary layers and weak zones, and a high-resistivity zone (${\geq}5,000{\Omega}{\cdot}m$) of volcanic rock (trachyandesite). The estimated average thickness of the sedimentary layers is 50~100 m for the Albong Basin and 100~200 m for the Nari Basin. An anomaly zone, different from the weak zone in the bedrock, is identified as a caldera fault, and the low-resistivity zone extends from the surface down to the lowest survey depths.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Detailed geological map of the Nari and Albong Basing, Ulleung-do (modified after Kim and Kim, 1977;Kim and Lee, 2008; Hwang et al., 2012; Kim and Kim, 2018).
표 Table 1. Various types of dipole-dipole array and their expected effects
그림 Fig. 2. Map showing the electrical resistivity survey lines (Nari caldera).
표 Table 2. Details of the resistivity survey for each of the survey lines at Nari Basin, Ulleung-do
그림 Fig. 3. Analysis results for inverted resistivity section and anomaly zone of Line 1. The point at 620 m on Line 1 coincides in terms of horizontal distance with the point at 510 m on Line 5. The section of Line 1 from 460 to 540 m is a high-resistivity zone. Both sides have a low-resistivity zone at 400 m elevation or lower.
그림 Fig. 4. Analysis results for inverted resistivity section and anomaly zone of Line 2, showing 1000 m of the survey line. The point at 760 m on Line 2 crosses Line 4 at 300 m. Low-resistivity zones B, C, and D are inferred to be sedimentary layers and weathered bedrock;they extend to 150 m elevation.
그림 Fig. 5. Analysis results for inverted resistivity section and anomaly zone of Line 3, surveyed for 300 m, including borehole UN-1. Low-resistivity zones extend on both sides of the survey line, and there is a high-resistivity zone at the center.
그림 Fig. 6. Analysis results for inverted resistivity section and anomaly zone of Line 4, surveyed for 600 m. The high-resistivity zone (5000 Ω · m) shown as a solid line is assumed to correspond to volcanic products (trachyandesite or volcanic rocks). The low-resistivity zones C and D are assumed to be sedimentary layers and weathered bedrock.
그림 Fig. 7. Analysis results for inverted resistivity section and anomaly zone of Line 5, surveyed for 1600 m. The line appears divided into two sections about the point at 780 m. At 510 m it crosses Line 1, and at 1220 m it crosses Line 6. The section at survey distances of 30~780 m includes widely distributed low-resistivity zones attributed to layers of volcaniclastic sediment.
그림 Fig. 8. Analysis results for inverted resistivity section and anomaly zone of Line 6, surveyed at the 100 m distance point, where the line crosses Line 5. Ejected trachyandesite volcanic rocks occur near small-scale vents to create a low-resistivity zone. In particular, Zone D, which has low resistivity, is attributed to caldera sedimentary layers or caldera faults.
그림 Fig. 9. 3D fence diagram showing optimal analysis for the cross-sectional resistivity distribution. A survey was conducted along four survey lines crossing Line 1 for the Albong Basin and Line 2 for the Nari Basin. The survey revealed low-resistivity zones (500 Ω · m) comprising sedimentary layers or weak zones, and high-resistivity zones of trachyandesite.
그림 Fig. 10. Map showing the electrical resistivity survey lines with the inferred caldera fault and its anomaly zone.

AI 본문요약
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문제 정의

알봉분지와 나리분지에서 실시한 쌍극자배열법 전기비저항탐사 Line 1과 Line 2를 이용하여 Table 1에서 제시한 전극배열과 전극 이동간격에 따른 4가지의 전기비저항 분포단면(A, B, C, D에 의한 방법)을 비교 분석하였다. 나리 칼데라의 지하 지질구조 파악을 목적으로 최적의 지하 비저항 분포단면을 분석하기 위하여 본 연구에서는 변형된 쌍극자배열법을 적용한 전기비저항탐사가 수행되었다. 그 결과 D 방법으로 역산된 지하 전기비저항 분포단면이 이외의 방법으로 분석된 전기비저항 분포단면에 비해 얕은 심도와 깊은 심도 모두에서 높은 해상도의 분석 결과를 보여주는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 지하 전기비저항의 수직 및 수평적인 분포 특성을 분석하여 울릉도 칼데라 퇴적층과 지질구조를 파악하기 위한 목적으로 전기비저항탐사 쌍극자배열법을 연구지역에 적용하였다. 탐사방법은 일반적으로 사용하는 쌍극자배열법으로 우선 측정하고 이 측정결과의 단점을 보완하기 위해 변형된 쌍극자배열법을 적용하여 중복 측정을 실시하여 울릉도 나리 칼데라 지역의 암석학적 성인과 지질구조를 분석하였다.

가설 설정

나리칼데라 퇴적분지는 알봉분지와 나리분지로 나누어지며 각 분지의 퇴적층과 퇴적층 하부 암반의 지질구조를 파악하기 위하여 총 6개 측선에 대해 Table 1에서 기술한 바와 같이 전기비저항탐사 배열법을 적용하여 실시하였다. 쌍극자배열 전기비저항탐사는 주향방향으로는 물성의 변화가 없는 지하구조를 2차원 구조로 가정하여 해석된다. 따라서 슐럼버저배열법 수직탐사와는 달리 측선이 주향에 수직하게 설정되어야 한다.

제안 방법

그리고 이들 세 가지 방법의 쌍극자배열법들은 각각 지하 전기비저항 분포단면으로 분석하여 장단점을 파악하였고, 높은 해상도의 지하 전기비저항 분포단면의 분석을 위해 이들 세 가지 방법에 의한 전기비저항 자료 중 일부를 한꺼번에 역산하는 방법을 시도하였다.
나리칼데라 내에서 칼데라 단층과 분지 퇴적층의 심도 및 지질구조 분석을 목적으로 총 6개 측선인 총 4.76 km에 대해쌍극자배열법 전기비저항탐사를 실시하여 분석하였다. 본 연구에서 실시한 쌍극자배열법은 일반적인 쌍극자 배열법을 기본으로 적용하였고, 추가로 전극간격을 기본 쌍극자배열법의 2배로 하고 4개 전극 이동시에는 전극간격의 1/2로 이동하여 측점 간격을 좁히고 측점수를 증가시켜 가탐심도 하부의 정밀도를 높이는 변형된 쌍극자배열법을 적용하여 최적의 지하 비저항 분포단면을 선택하여 분석하였다(Table 1).
이들의 변화 양상을 통해 자연 전위에 의한 효과를 제거하면서 측정의 정확도를 향상시키는 방법을 사용하였다. 따라서 매 1회 측정 시의 값은 양, 음, 양, 음의 4회의 전극교대를 통해 측정되는 값의 평균치를 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 나리칼데라의 퇴적구조에 대한 쌍극자배열법 전기비저항탐사의 다양한 해석을 위해 같은 측선에서 좁은 전극간격으로 측정한 후, 전극간격을 2배로 넓혀 중복 측정하였다. 또한, 넓은 전극간격으로 측정한 쌍극자배열법을 변형하여 전류전극 1쌍과 전위전극 1쌍을 동시에 이동할 경우 전극간격의 1/2만 이동하는 쌍극자배열법을 적용하여 깊은 심도에 분포하는 작은 규모의 전기비저항 이상체가 감지될 수 있도록 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 나리칼데라의 퇴적구조에 대한 쌍극자배열법 전기비저항탐사의 다양한 해석을 위해 같은 측선에서 좁은 전극간격으로 측정한 후, 전극간격을 2배로 넓혀 중복 측정하였다. 또한, 넓은 전극간격으로 측정한 쌍극자배열법을 변형하여 전류전극 1쌍과 전위전극 1쌍을 동시에 이동할 경우 전극간격의 1/2만 이동하는 쌍극자배열법을 적용하여 깊은 심도에 분포하는 작은 규모의 전기비저항 이상체가 감지될 수 있도록 측정하였다. 이렇게 세 가지 방법의 쌍극자배열법을 적용한 것은 전극간격에 따라 지하 전기비저항 이상대의 규모와 심도가 어떻게 변화하는지 분석하기 위해서이다.
76 km에 대해쌍극자배열법 전기비저항탐사를 실시하여 분석하였다. 본 연구에서 실시한 쌍극자배열법은 일반적인 쌍극자 배열법을 기본으로 적용하였고, 추가로 전극간격을 기본 쌍극자배열법의 2배로 하고 4개 전극 이동시에는 전극간격의 1/2로 이동하여 측점 간격을 좁히고 측점수를 증가시켜 가탐심도 하부의 정밀도를 높이는 변형된 쌍극자배열법을 적용하여 최적의 지하 비저항 분포단면을 선택하여 분석하였다(Table 1).
본 연구에서도 가능한 나리칼데라 단층이 예상되는 주향방향의 수직으로 측선을 설정하였고, 기본 측선의 직각방향으로도 측선을 설정하여 비교하였다. 각 측선은 알봉분지에서 Line 1과 Line 3을 설정하였고, 나리분지에서 Line 2와 Line 4를 설정하였다.
따라서 본 연구에서는 Table 1의 A와 C 방법에 의한 지하 전기비저항 분포 해석의 단점을 보완하기 위해서 D 방법을 활용하여 지하 전기비저항 분포를 해석하였다. 실제 본 연구결과 분석에 적용된 D 방법은 얕은 심도와 작은 규모의 전기비저항 이상체 파악에 유리한 A 방법과 깊은 심도와 작은 규모의 전기비저항 이상체 파악에 유리한 B 방법에 의해 측정된 지하 전기비저항치를 복합적으로 분석한 것으로 얕은 심도와 깊은 심도의 정밀한 전기비저항 측정 자료를 동시에 해석함으로써 보다 높은 해상도의 지하 전기비저항이 분석이 가능한 장점을 가진다.
알봉분지와 나리분지에서 실시한 쌍극자배열법 전기비저항탐사 Line 1과 Line 2를 이용하여 Table 1에서 제시한 전극배열과 전극 이동간격에 따른 4가지의 전기비저항 분포단면(A, B, C, D에 의한 방법)을 비교 분석하였다. 나리 칼데라의 지하 지질구조 파악을 목적으로 최적의 지하 비저항 분포단면을 분석하기 위하여 본 연구에서는 변형된 쌍극자배열법을 적용한 전기비저항탐사가 수행되었다.
본 연구에서는 지하 전기비저항의 수직 및 수평적인 분포 특성을 분석하여 울릉도 칼데라 퇴적층과 지질구조를 파악하기 위한 목적으로 전기비저항탐사 쌍극자배열법을 연구지역에 적용하였다. 탐사방법은 일반적으로 사용하는 쌍극자배열법으로 우선 측정하고 이 측정결과의 단점을 보완하기 위해 변형된 쌍극자배열법을 적용하여 중복 측정을 실시하여 울릉도 나리 칼데라 지역의 암석학적 성인과 지질구조를 분석하였다.

대상 데이터

나리칼데라 내에서 설정된 측선은 총 6개 line이며, 총 연장 4.76 km를 수행하여 지하 전기비저항 분포를 측정하였다. 각 측선에서 전극간격이 10 m인 경우에는 10 m 간격(A 방법)과 20 m 간격(B, C 방법)으로 측정하였고 전극간격이 20 m인 경우에는 20 m 간격(A 방법)과 40 m 간격(B, C 방법)으로 측정하였다.
본 연구에 사용된 전기비저항 탐사장비는 현재, 국내에서 가장 많이 이용되고 있는 스웨덴 ABEM사의 SAS4000이다. 본 장비의 최대 출력 전압은 특별한 부가 장치의 부착이 없는 경우, ±400 V의 순간 출력 전압을 생성할 수 있다.

이론/모형

나리칼데라 퇴적분지는 알봉분지와 나리분지로 나누어지며 각 분지의 퇴적층과 퇴적층 하부 암반의 지질구조를 파악하기 위하여 총 6개 측선에 대해 Table 1에서 기술한 바와 같이 전기비저항탐사 배열법을 적용하여 실시하였다. 쌍극자배열 전기비저항탐사는 주향방향으로는 물성의 변화가 없는 지하구조를 2차원 구조로 가정하여 해석된다.
따라서 본 연구에서는 Table 1의 A와 C 방법에 의한 지하 전기비저항 분포 해석의 단점을 보완하기 위해서 D 방법을 활용하여 지하 전기비저항 분포를 해석하였다. 실제 본 연구결과 분석에 적용된 D 방법은 얕은 심도와 작은 규모의 전기비저항 이상체 파악에 유리한 A 방법과 깊은 심도와 작은 규모의 전기비저항 이상체 파악에 유리한 B 방법에 의해 측정된 지하 전기비저항치를 복합적으로 분석한 것으로 얕은 심도와 깊은 심도의 정밀한 전기비저항 측정 자료를 동시에 해석함으로써 보다 높은 해상도의 지하 전기비저항이 분석이 가능한 장점을 가진다.

성능/효과

나리 칼데라의 지하 지질구조 파악을 목적으로 최적의 지하 비저항 분포단면을 분석하기 위하여 본 연구에서는 변형된 쌍극자배열법을 적용한 전기비저항탐사가 수행되었다. 그 결과 D 방법으로 역산된 지하 전기비저항 분포단면이 이외의 방법으로 분석된 전기비저항 분포단면에 비해 얕은 심도와 깊은 심도 모두에서 높은 해상도의 분석 결과를 보여주는 것으로 나타났다.
이러한 분석 결과로 알봉분지와 나리분지 주변부에서 측정된 500 ohm-m 이하의 퇴적층 내지 연약대로 이루어진 저비저항대와 화산암체인 조면안산암질로 이루어진 5,000 ohm-m 이상 고비저항대의 경계를 명료하게 파악되었다. 따라서 정밀하고 효율적인 쌍극자배열법 적용방법은 Table 1의 기본 전극간격의 쌍극자배열법인 A 방법과 넓은 전극간격이면서 조밀하게 측정하는 변형된 쌍극자배열법인 C 방법을 합친 D 방법인 것으로 판단되며, 이들 분석 결과를 통해 나리 칼데라 내에서의 퇴적층과 지질구조를 세부적으로 파악할 수 있었다.
이러한 분석 결과로 알봉분지와 나리분지 주변부에서 측정된 500 ohm-m 이하의 퇴적층 내지 연약대로 이루어진 저비저항대와 화산암체인 조면안산암질로 이루어진 5,000 ohm-m 이상 고비저항대의 경계를 명료하게 파악되었다. 따라서 정밀하고 효율적인 쌍극자배열법 적용방법은 Table 1의 기본 전극간격의 쌍극자배열법인 A 방법과 넓은 전극간격이면서 조밀하게 측정하는 변형된 쌍극자배열법인 C 방법을 합친 D 방법인 것으로 판단되며, 이들 분석 결과를 통해 나리 칼데라 내에서의 퇴적층과 지질구조를 세부적으로 파악할 수 있었다.

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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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