[논문]전기비저항 깊이분해능 및 감도분포: 풍화층 및 땅밀림 모델에 대한 적용

김정인; 김지수; 안영돈; 김원기

doi:10.9720/kseg.2022.1.157

전기비저항 깊이분해능 및 감도분포: 풍화층 및 땅밀림 모델에 대한 적용
Application of Depth Resolution and Sensitivity Distribution of Electrical Resistivity Tomography to Modeling Weathered Zones and Land Creeping 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.32 no.1, 2022년, pp.157 - 171

김정인 (충북대학교 지구환경과학과) , 김지수 (충북대학교 지구환경과학과) , 안영돈 (보민글로벌(주)) , 김원기 (국방과학연구소 해양기술연구원)

초록
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전기비저항 토모그래피는 지하의 토양이나 암석 매질의 전기비저항 분포를 결정하는 대표적인 지구물리탐사법이다. 전극 배열에 따른 비저항의 깊이 분해능과 감도분포를 수치모델 자료를 대상으로 계산하고 해석한 결과 균질 매질에서의 천부 분해능은 웨너, 슐럼버저, 쌍극자 배열순으로 감소하며 깊이에 따른 최대 탐지능은 그 역순으로서 0.11-0.19 L (L: 전극사이의 간격) 깊이범위에서 계산되어 쌍극자 배열이 가장 좋았다. 전극 배열에 따른 비저항의 깊이 분해능과 감도분포의 효과를 살펴보기 위해 땅밀림 파괴면의 두 가지 형태(평면, 곡선), 수직 파쇄대, 규장질 및 고철질 화성암의 풍화층에 대한 수치 모델링 자료를 사용하였다. 표토층 하부의 수직파쇄대와 땅밀림 특히 원호 파괴면의 영상화 결과에서는 쌍극자 배열법이 효과적이었으며 천부의 불연속면과 풍화층의 분해능은 웨너법에서 상대적으로 좋게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical resistivity tomography (ERT) is a traditional and representative geophysical method for determining the resistivity distributions of surrounding soil and rock volumes. Depth resolution profiles and sensitivity distribution sections of the resistivities with respect to various electrode configurations are calculated and investigated using numerical model data. Shallow vertical resolution decreases in the order of Wenner, Schlumberger, and dipole-dipole arrays. A high investigable depth in homogeneous medium is calculated to be 0.11-0.19 times the active electrode spacing, but is counterbalanced by a low vertical resolution. For the application of ERT depth resolution profiles and sensitivity distributions, we provide subsurface structure models for two types of land-creping failure (planar and curved), subvertical fracture, and weathered layer over felsic and mafic igneous rocks. The dipole-dipole configuration appears to be most effective for mapping land-creeping failure planes (especially for curved planes), whereas the Wenner array gives the best resolution of soil horizons and shallow structures in the weathered zone.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. (a) Vulnerability to weathering of igneous rock-forming minerals in Bowen's reaction series. (b) Standard classification of ignous rocks based on their silica content. The susceptibility of rocks to weathering and saprolite conductivity inversely increase with the quartz content.
그림 Fig. 2. Schematic geologic section of the weathered layer and its composition as a function of the underlying rock type (after Nabighian, 1994).
그림 Fig. 3. (a) Development of a complete weathering profile with respect to time or weathering intensity and (b) modification of the weathering profile due to declining water tables resulting from tectonic uplift (modified from Butt, 1982).
$Fig. 4. Schematic weathering profiles over felsic and mafic igneous rocks. The minerals most common to each horizon are labeled next to each column. The fresh rock and fractured rock zone have the same mineral content (after Palacky, 1986).$ 그림 Fig. 4. Schematic weathering profiles over felsic and mafic igneous rocks. The minerals most common to each horizon are labeled next to each column. The fresh rock and fractured rock zone have the same mineral content (after Palacky, 1986).
그림 Fig. 5. Electrode systems and definition of L for the investigation of the depth resolution characteristic (DRC) and sensitivity distribution (modified from Roy and Apparao, 1971).
그림 Fig. 6. Geometry of current and potential electrodes for computing the depth resolution characteristics (DRC).
그림 Fig. 7. Plane geometry of dipole-dipole arrangements (modified from Roy and Apparao, 1971).
그림 Fig. 8. Depth resolution characteristics (DRC) for the Wenner, Schlumberger, dipole-dipole (θ₁=0) arrays.
그림 Fig. 9. Sensitivity distribution of the (a) Wenner array, (b) Schlumberger array, and (c) dipole-dipole array. The Wenner array shows a high vertical resolution, whereas dipole-dipole array particularly sensitive to deep lateral resistivity variations.
표 Table 1. Absolute depths of investigation in homogeneous ground (L is the distance in any array between the two active electrodes)
$Fig. 10. (a) Soillayer and vertical fracture model (tension cracks), (b) inversion results with the Wenner array, (c) Schlumberger array, and (d) dipole-dipole array. The Wenner configuration provides the best resolution of shallow soil layer, whereas the dipole-dipole array identifies two vertical fracture zones.$ 그림 Fig. 10. (a) Soillayer and vertical fracture model (tension cracks), (b) inversion results with the Wenner array, (c) Schlumberger array, and (d) dipole-dipole array. The Wenner configuration provides the best resolution of shallow soil layer, whereas the dipole-dipole array identifies two vertical fracture zones.
그림 Fig. 11. (a) Felsic/Mafic model and (b) inverted resistivity structure with respect to the saturation degree (S) in the weathered layer.
그림 Fig. 12. (a) Three inclined layer model (80/30/1,000 Ωm) for mapping planar failure surface, and inversion results with the (b) Wenner array, and (c) dipole-dipole array. The dipole-dipole method recovers three parallel layers, whereas the Wenner method showing the upward convexed shape.
그림 Fig. 13. (a) Curved layer model for mapping the circular failure plane, (b) inversion results with the Wenner array, and (c) dipole-dipole array. The dipole-dipole method represents the natural toe abutment (indicated by the white arrow) of preventing the downward development of slip weak zone.

AI 본문요약
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제안 방법

인장균열에 대한 특성을 파악하기 위해 Fig. 10a와 같이 20 m 두께의 풍화층이 존재하고 그 하부에 기반암이 존재하는 2층 구조에 심도 50 m까지 발달한 2개의 인장균열을 설정하여 웨너, 슐럼버저, 쌍극자 각 배열에 따른 분해능을 살펴보았다. 해당 모델은 22개의 전극을 19 m 간격으로 설정하여 n = 8까지 측정하였다.
이 연구에서는 국내에서 가장 많이 적용되는 웨너, 쌍극자, 슐럼버저 배열에 대한 깊이 분해능(depth resolution)을 Roy and Apparao(1971)와 Baker(1979)를 참조하여 전극거리에 대한 함수로 계산하고 이를 바탕으로 감도분포 단면 (sensitivity section)을 작성하였다. 깊이 분해능 프로파일 및 감도분포 단면에서 해석된 각 배열에 대한 반응 특성을 땅밀림(land-creeping) 모델자료에서 인장균열(tension cracks)과 관련된 수직 파쇄대, 조암 점토광물(rock-forming clay minerals)에 따른 산성(felsic)과 염기성(mafic) 화성암환경의 풍화층 구조, 평면/원호 파괴면(planar/circular failure plane)의 영상화를 통해 파악해 보았다.
전기비저항탐사는 현장조건, 분해능, 탐사 대상체의 폭과 깊이, 주변 매질과의 물성대비 등을 충분히 고려하여 목적에 맞는 적합한 배열법을 선정해야 한다. 따라서 대표적인 전극배열의 반응을 깊이분해능 특성(depth resolution characteristic, DRC)과 감도분포(sensitivity distribution)의 분석으로 알아보았다.
본 연구에서는 각 배열법에 따른 분해능 특성을 파악하기 위해 상용프로그램(Diprowin, 2000)을 이용하여 전기비저항 역산을 수행하였다. 먼저 파괴면의 지시자가 되는 인장균열(tension crack) 구조에 상응하는 표토층과 수직 파쇄대(vertical frac- ture)을 포함한 모델을 설정하여 각 배열에 따른 깊이 분해능을 살펴보았다. 아울러 규장질 화성암과 고철질 화성암의 조암점토광물 환경에 따라 달라지는 풍화층 모델에 대한 전기비저항 반응을 해석하고, 땅밀림 산사태에서 일반적으로 관찰되는 평면파괴(planar failure)와 원호파괴(circular failure) 모델에 대한 각 배열의 분해능을 비교하였다.
먼저 파괴면의 지시자가 되는 인장균열(tension crack) 구조에 상응하는 표토층과 수직 파쇄대(vertical frac- ture)을 포함한 모델을 설정하여 각 배열에 따른 깊이 분해능을 살펴보았다. 아울러 규장질 화성암과 고철질 화성암의 조암점토광물 환경에 따라 달라지는 풍화층 모델에 대한 전기비저항 반응을 해석하고, 땅밀림 산사태에서 일반적으로 관찰되는 평면파괴(planar failure)와 원호파괴(circular failure) 모델에 대한 각 배열의 분해능을 비교하였다.
이 연구에서는 국내에서 가장 많이 적용되는 웨너, 쌍극자, 슐럼버저 배열에 대한 깊이 분해능(depth resolution)을 Roy and Apparao(1971)와 Baker(1979)를 참조하여 전극거리에 대한 함수로 계산하고 이를 바탕으로 감도분포 단면 (sensitivity section)을 작성하였다. 깊이 분해능 프로파일 및 감도분포 단면에서 해석된 각 배열에 대한 반응 특성을 땅밀림(land-creeping) 모델자료에서 인장균열(tension cracks)과 관련된 수직 파쇄대, 조암 점토광물(rock-forming clay minerals)에 따른 산성(felsic)과 염기성(mafic) 화성암환경의 풍화층 구조, 평면/원호 파괴면(planar/circular failure plane)의 영상화를 통해 파악해 보았다.
이 연구에서는 웨너 배열, 슐럼버저 배열, 쌍극자 배열의 깊이분해능과 감도를 계산하여 각각 프로파일과 단면으로 작성하여 비교하였다.
토층 사면 및 파쇄가 심하고 뚜렷한 구조적 특징이 없는 풍화암반에서 발생하는 원호파괴면(circular failure surface)을파악하기 위한 각 배열의 적용 효과를 알아보았다. 수치모델링 및 역산은 실제로 지표에서 관찰된 인장균열(tension crack)의 흔적을 포함시켜 원호파괴면을 추정할 수 있었던 경남 하동의 땅밀림 지역에 대한 전기비저항 단면(Lee et al.

대상 데이터

2) 일라이트와 스멕타이트 등의 조암광물로 전기전도도가 크다는 점이 특징이다. 화성암 환경의 규장질(felsic)-고철질(mafic) 전이구간에 대한 반응 효과를 보다 자세히 관찰하기 위해 간격이 10 m인 전극을 총 101개 사용하여 측선거리 총 1 km가 되도록 최대한 멀리 전개하였다. 지하수면 상부에 위치한 풍화층의 포화도를 20%, 40%로 변화시켜가며 설정하여 수집된 자료의 역산을 거친 단면에서 지하수위 하부의 사프로라이트층의 저비저항대는 고철질 환경에서 두꺼워지고 있다(Fig.

이론/모형

땅밀림 산사태 지역의 탐사에서는 지하매질과 배열의 특성과 분해능을 고려하여 적절한 배열법을 선택해야한다. 본 연구에서는 각 배열법에 따른 분해능 특성을 파악하기 위해 상용프로그램(Diprowin, 2000)을 이용하여 전기비저항 역산을 수행하였다. 먼저 파괴면의 지시자가 되는 인장균열(tension crack) 구조에 상응하는 표토층과 수직 파쇄대(vertical frac- ture)을 포함한 모델을 설정하여 각 배열에 따른 깊이 분해능을 살펴보았다.
토층 사면 및 파쇄가 심하고 뚜렷한 구조적 특징이 없는 풍화암반에서 발생하는 원호파괴면(circular failure surface)을파악하기 위한 각 배열의 적용 효과를 알아보았다. 수치모델링 및 역산은 실제로 지표에서 관찰된 인장균열(tension crack)의 흔적을 포함시켜 원호파괴면을 추정할 수 있었던 경남 하동의 땅밀림 지역에 대한 전기비저항 단면(Lee et al., 2020)을 참조하여 수행하였다. 붕적층 없이 풍화암반이 직접 노출된 지표 환경을 고려하여, 입력모델은 인장균열의 왼쪽에 깊숙이 분포하는 100 Ωm의 풍화암, 미끄럼이 발생한 점토를 포함한 30 Ωm의 풍화층과 그 하부 2, 000 Ωm의 기반암으로 설정하였다(Fig.
웨너, 슐럼버저 배열에 대한 감도의 계산은 Roy and Apparao(1971)의 식을 사용하였다.

성능/효과

땅밀림에 수반되는 파괴면의 지시자가 되는 인장균열(tension crack) 구조에 상응하는 수직 파쇄대 모델을 설정하여 각 배열에 따른 깊이 분해능을 살펴본 결과 웨너법은 천부의 토층, 심부에서는 쌍극자배열이 파쇄대를 잘 보여주었다. 규장질 화성암과 고철질 화성암의 점토광물의 분포에 따라 달라지는 풍화층 모델에 대한 전기비저항 반응은 고철질 환경으로 갈수록 저비저항대의 사프로라이트가 두꺼워지는데 이와 같은 현상은 풍화층의 수분 포화도 증가 및 일라이트, 스멕타이트, 버미큘라이트와 같은 점토광물의 비표면적과 양이온교환능력의 증대 효과로 해석된다.
2 L)보다 깊은 곳에서는 분해능이 현저히 떨어진 것으로 나타났다. 깊이분해능 곡선에서 쌍극자 배열의 S/N은 웨너 배열에 비해 수직분해능은 다소 떨어지지만 최대 전극간격의 약 0.2배(0.2 L) 이상의 깊이에서는 수직 및 수평 분해능이 더 양호한 것으로 나타났다.
땅밀림 산사태에서 일반적으로 관찰되는 평면파괴와 원호파괴 모델에 대한 미끌림면(sliding surface)의 분해능은 쌍극자 배열에서 효과적으로 나타났다. 따라서 평면파괴뿐만 아니라 원호파괴면의 2차원 영상을 다루고 있는 이 연구에서는 전극 배열의 효율성 측면, 신호대잡음비, 수직 및 수평 분해능 등을 고려할 때 쌍극자 배열이 점토광물이 많이 분포하는 풍화층 및 풍화암 하부의 불연속면들을 파악하는데 적합한 방법으로 평가된다.
땅밀림 산사태에서 일반적으로 관찰되는 평면파괴와 원호파괴 모델에 대한 미끌림면(sliding surface)의 분해능은 쌍극자 배열에서 효과적으로 나타났다. 따라서 평면파괴뿐만 아니라 원호파괴면의 2차원 영상을 다루고 있는 이 연구에서는 전극 배열의 효율성 측면, 신호대잡음비, 수직 및 수평 분해능 등을 고려할 때 쌍극자 배열이 점토광물이 많이 분포하는 풍화층 및 풍화암 하부의 불연속면들을 파악하는데 적합한 방법으로 평가된다.
땅밀림에 수반되는 파괴면의 지시자가 되는 인장균열(tension crack) 구조에 상응하는 수직 파쇄대 모델을 설정하여 각 배열에 따른 깊이 분해능을 살펴본 결과 웨너법은 천부의 토층, 심부에서는 쌍극자배열이 파쇄대를 잘 보여주었다. 규장질 화성암과 고철질 화성암의 점토광물의 분포에 따라 달라지는 풍화층 모델에 대한 전기비저항 반응은 고철질 환경으로 갈수록 저비저항대의 사프로라이트가 두꺼워지는데 이와 같은 현상은 풍화층의 수분 포화도 증가 및 일라이트, 스멕타이트, 버미큘라이트와 같은 점토광물의 비표면적과 양이온교환능력의 증대 효과로 해석된다.
웨너 배열은 신호대잡음비(S/N)가 높은 장점이 있으나 전류전극 간격의 0.2배(0.2 L)보다 깊은 곳에서는 분해능이 현저히 떨어진 것으로 나타났다. 깊이분해능 곡선에서 쌍극자 배열의 S/N은 웨너 배열에 비해 수직분해능은 다소 떨어지지만 최대 전극간격의 약 0.

참고문헌 (24)

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상세보기
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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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