[논문]소형 루프 전자탐사에서 기하학적 수직탐사와 주파수 수직탐사

조인기; 안경찬

doi:10.7582/gge.2020.23.4.223

소형 루프 전자탐사에서 기하학적 수직탐사와 주파수 수직탐사
Geometric and Frequency Soundings in Small-Loop Electromagnetic Surveys 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.23 no.4, 2020년, pp.223 - 229

조인기 (강원대학교 지질, 지구물리학부) , 안경찬 (강원대학교 지질, 지구물리학부)

초록
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소형 루프 전자탐사법은 효과적인 물리탐사법으로 다양한 목적으로 천부 조사에 널리 사용되고 있다. 소형 루프 전자탐사에서는 기하학적 수직탐사와 주파수 수직탐사가 적용되고 있으나, 주파수 수직탐사의 경우 그 유효성 대하여 논란이 지속되고 있다. 이 연구에서는 소형 루프 전자탐사에 대한 1차원 모델링을 통하여 기하학적 수직탐사와 주파수 수직탐사의 유효성을 검증하고자 하였다. 수치 실험 결과 기하학적 수직탐사는 효과적으로 지하의 심도에 따른 지하의 정보 해석이 가능한 것으로 나타났다. 반면 주파수 수직탐사는 송수신 간격이 비교적 클 경우, 즉 유도상수가 크다는 조건을 만족해야만 유효한 해석이 가능하며, 그렇지 못할 경우 하부 지층의 정보해석이 불가능한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Small-loop EM techniques have been used in many geophysical investigations, including shallow engineering and environmental surveys. Even though geometric and frequency soundings have been widely used, there is a debate regarding the effectiveness of frequency sounding, especially when the coil spacing is small. In this study, we analyzed the effectiveness of geometric as well as frequency soundings via the one-dimensional modeling of small-loop EM surveys. The numerical results reveal that geometric sounding can effectively provide underground information. Conversely, the frequency soundings are only effective when the loop spacing is relatively large, that is, when the induction number is large. On the contrary, the frequency soundings fail to provide any information concerning the subsurface layers if the loop spacing is not large.

주제어

표/그림 (3)

그림 Fig. 1. Quadrature component of the vertical magnetic field as a function of frequency when a vertical magnetic dipole is located at the surfaces of a 100 Ωm, 1000 Ωm half-spaces and a two-layered earth model. The induction number shown at the top is calculated for the 100 Ωm half-space.
그림 Fig. 2. Geometric sounding curves for a two-layered earth model as a function of the coil spacing. The conductivity and thickness of the first layer are 0.01 S/m and 10 m, respectively. The conductivity of the second layer is 0.001 S/m.
그림 Fig. 3. Quadrature component of a vertical magnetic field 100 m from a vertical magnetic dipole at the surface of a two-layered earth model. For comparison, the quadrature components of the vertical magnetic fields of a 100 Ωm and 1000 Ωm half-spaces are also displayed. Solid lines indicate negative values, while dashed lines indicate positive values.

AI 본문요약
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문제 정의

앞 절에서 기술한 바와 같이 제1층 및 제2층의 유도상수가 작을 경우에는 주파수를 조정해도 제2층의 정보를 얻어낼 수 없다. 따라서 유도상수가 충분히 큰 경우에 제2층의 정보 추출이 가능한가를 살펴보자. 유도상수는 신호원의 주파수, 매질 전기 전도도, 송수신 간격의 함수로 주어진다.
그러나 소형 루프 전자탐사의 경우, 앞서 기술한 바와 같이 주파수를 변화시켜도 심부의 정보를 얻어낼 수 없기 때문에 그 유효성에 대하여 많은 논란이 있어 왔다. 여기서는 소형 루프 전자탐사에서 주파수 수직탐사의 가능성을 분석하여 그 유효성을 검증하고자 한다.
이 연구에서는 1차원 수치 모델링을 통하여 주파수 수직탐사의 유효성을 분석하고자 하였다. 수치 모델링 결과 저 유도상수 대역의 경우 주파수 수직탐사는 그 의미가 없는 것으로 나타났다.
이 연구에서는 균질 반무한 공간 및 2층 구조 모델에 대한 수치 실험을 통하여 수평 동일면 배열(HCP) 소형 루프 전자탐사 반응 특성을 고찰하고, 기하학적 수직탐사와 주파수 수직탐사가 유효하기 위한 조건을 검토하였다.
이제 |u₁h₁|의 특성 및 그에 따른 전자기장의 거동 특성을 살펴보자. 앞 절에서 기술한 바와 같이 제1층 및 제2층의 유도상수가 작을 경우에는 주파수를 조정해도 제2층의 정보를 얻어낼 수 없다.
그러나 제2층의 정보를 해석하기 위해서는 |h₁/δ₁|이 거의 0에 수렴해야 하며, 유도상수가 충분히 커야 한다는 두 개의 조건을 동시에 만족해야 한다. 이제 소형 루프 전자탐사가 이러한 조건을 만족할 수 있는가를 실질적인 측면에서 살펴보자. 우선 현재 상용되고 있는 일체형 다중 주파수 소형 루프 전자탐사 기기의 주파수 범위는 수 10 Hz에서 100 kHz를 넘지 않는다.

가설 설정

제1층은 전기 비저항 100 Ωm, 두께 10 m, 제2층은 1000 Ωm, 송수신 코일 간격은 2 m로 설정하였으며, 송수신기는 모두 지표면에 위치하는 것으로 가정하였다.
우선 현재 상용되고 있는 일체형 다중 주파수 소형 루프 전자탐사 기기의 주파수 범위는 수 10 Hz에서 100 kHz를 넘지 않는다. 현장 자료 획득의 편의성을 위하여 송수신 루프 간격이 2 m로 고정되어 있고, 지하 매질의 전기 전도도는 0.1 S/m에서 0.001 S/m의 범위를 갖는다고 가정하자. 이 경우 표피심도는 5 m < δ < 5 × 10³ m, 유도상수는 0.

제안 방법

또한 제1층의 전기 비저항인 100 Ωm와 제2층의 전기 비저항인 1000 Ωm의 균질 반무한 공간에 대한 반응 양상도 비교를 위하여 함께 나타내었다.

성능/효과

따라서 #는 이상성분(quadrature component)만이 존재하며, 그 크기는 제1층의 전기 전도도와 주파수에 정비례하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 유도상수가 작은 대역의 경우에는 주파수를 변화시키는 주파수 수직탐사는 무의미하다는 것을 알 수 있다. 즉 주파수가 달라도 #는 주파수에 의한 변화만을 보이며, 1층의 두께나 2층의 전기 전도도에 관한 해석은 어렵게 된다.
이 연구에서는 1차원 수치 모델링을 통하여 주파수 수직탐사의 유효성을 분석하고자 하였다. 수치 모델링 결과 저 유도상수 대역의 경우 주파수 수직탐사는 그 의미가 없는 것으로 나타났다. 즉 저 유도상수 조건을 만족하는 범위 내에서 주파수를 변화시킬 경우, 측정되는 2차 자기장, 특히 해석에 주로 사용되는 이상성분은 단순히 주파수에 따라 선형적으로 변화하며, 지하 매질의 심도에 따른 물성 변화를 반영하지 못하는 것을 확인하였다.
수치 모델링 결과 저 유도상수 대역의 경우 주파수 수직탐사는 그 의미가 없는 것으로 나타났다. 즉 저 유도상수 조건을 만족하는 범위 내에서 주파수를 변화시킬 경우, 측정되는 2차 자기장, 특히 해석에 주로 사용되는 이상성분은 단순히 주파수에 따라 선형적으로 변화하며, 지하 매질의 심도에 따른 물성 변화를 반영하지 못하는 것을 확인하였다. 따라서 저 유도상수 대역 소형 루프 전자탐사에서는 주파수 수직탐사가 어려우며, 기하학적 수직탐사를 통하여 심도에 따른 정보를 해석하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 앞서 기술한 바와 같이 감도가 높은 제1층의 전기 전도도에 대한 정보는 충분히 해석 가능한 것으로 판단된다. 다만 기하학적 수직탐사에서와 같이 겉보기 전도도에 의한 해석법을 적용하기는 어려울 것으로 판단되며, 역산을 통한 해석이 가능할 것으로 보인다.
즉 표피심도와 유도상수는 서로 반비례하는 특성을 보이므로 송수신 간격이 작을 경우 주파수만을 조정하여 이 두 조건을 동시에 만족시킬 수는 없다. 따라서 송수신 간격을 크게 설정하여 표피심도가 클 경우에도 유도상수가 충분히 큰 값을 갖도록 해야만 주파수 수직탐사가 가능할 것으로 판단된다.
|의 함수로 주어진다. 따라서 유도상수가 크다는 조건하에서 |u₁h₁|가 매우 작은 값부터 큰 값을 갖도록 주파수를 조정할 수 있어야 주파수 수직탐사가 가능해 진다. 즉 낮은 주파수에서는 |u₁h₁|이 거의 0에 수렴하는 작은 값을 보이고, 주파수가 증가하면 이 매우 큰 값을 보여야 한다.
따라서 저 유도상수 대역 소형 루프 전자탐사에서는 주파수 수직탐사가 어려우며, 기하학적 수직탐사를 통하여 심도에 따른 정보를 해석하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 또한 기하학적 수직탐사도 저 유도상수 조건을 만족해야 겉보기 전도도를 통한 해석이 유효하며, 이 조건을 위배할 경우에는 역산 등의 해석법을 사용해야 할 것으로 판단된다.
송수신 간격이 좁은 저 유도상수 대역에서 현장 작업의 수월성만을 고집하여 주파수 수직탐사를 수행하게 되면, 천부 지층의 전기 전도도만을 해석할 수 있으며, 층의 두께나 하부 층에 대한 해석이 불가능하다. 또한 기하학적 수직탐사의 경우에도 하부 지층의 정보를 얻기 위해는 송수신 간격이 상부 층의 두께에 비하여 충분히 커야 하며, 저 유도상수 조건을 만족하는 범위내의 송수신 간격 및 주파수를 사용해야 할 것으로 판단된다.

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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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