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문제 정의
- 본 연구에서는 터널 건설 예정지구에서 전기비저항 탐사와 전자탐사에 의한 연약대 탐지에 대한 사례를 고찰하였다. 첫 번째로, 탄층이 분포하는 산악지형에서 전기비저항과 전자탐사를 적용하여 1 km 이상의심도에 대한 전기비저항 분포단면을 획득하였으며, 기반 암의 경계, 탄층에 의한 연약대의 분포범위와 심도를 규명하였다.
- 본 연구에서는 터널 건설 예정지구에서 전기비저항 탐사와 전자탐사의 적용을 통한 연약대의 탐지에 대한 사례를 보여주고자 한다. 먼저, 탄층이 분포하는 산악지형에서 탄층의 분포 범위 및 심도에 대한 사례를 고찰하였으며, 다음으로 석회암 분포 지역에서 3차원 전기비저항 탐사를 통한 석회암 공동 탐지 에 대한 사례를 고찰하였다.
제안 방법
- 본 조사에서는 석회암 공동이 절리, 단층과 파쇄대 등의 연약구간에서 주로 발달하므로 신속하고 경제적으로 이를 탐지할 수 있는 전기비저항 탐사를 적용하였다. 3차원 전기비저항 탐사의 측선은 터널 계획 노선을 중심으로 좌/우10 m, 30 m와 70 m 이격하여 터널 계획 노선과 수평하게 7개의 측선을 설정하였으며, 터널 계획 노선과 수직하게 20 m 간격으로 30개의 측선을 설정하였다. 탐사시 전 극간격은 가탐 심도와 분해능을 고려하여 10 m로 설정하였으며, 지하구조에 대한 분해능이 가장 높은 쌍극자 배열을 이용하여 자료를 획득하였다.
- 본 조사지역은 철도터널 건설 예정지역으로 호상흑운 모편마암과 규장질 편마암이 주로 분포하며, 여러 개의 단층이 군집을 이루어 분포하는 단층대이다. 경제적이고 안전한 터널 설계를 위해서는 지표에서 관찰되는 단층들이 터널 심도까지 발달하는지를 규명하여야 하며, 이를 위해 전기비저항 탐사를 실시하였다. 그림 5는 단층대 지역에서 쌍극자 배열법에 의해 획득된 전기비저항 분포단면으로 DIPROfWin을 이용하여 지형 보정과 역산을 실시하였다.
- 첫 번째로, 탄층이 분포하는 산악지형에서 전기비저항과 전자탐사를 적용하여 1 km 이상의심도에 대한 전기비저항 분포단면을 획득하였으며, 기반 암의 경계, 탄층에 의한 연약대의 분포범위와 심도를 규명하였다. 다음으로 석회암 지역에서의 3차원 전기비저항 탐사를 적용하였으며, 이를 통해 석회암 공동의 분포 범위와 심도 및 발달 방향을 알 수 있었다. 본 조사지역에서 석회암 공동은 지표의 돌리네 하부에 수직적으로 분포하고 있었으며, 돌리네 크기에 비례하여 심도가 증가하며 최대 30 m 심도까지 발달하고 있었다.
- 본 조사에서는 터널의 계획 심도가 최대 600 m에 달하는 지역에서 CSMT 탐사를 적용하여 약 1 km 심도의 전기 비 저항 분포단면을 구하였으며, 이를 통해 수백 m 하부 기반암의 분포양상과 구조대에 대한 정보를 획득하였다. 또한, 탄층이 분포할 것으로 예상되는 지역에 전기비저항과 CSMT 탐사를 적용하여 탄층의 분포 범위와 심도 등에 대한 정보를 획득할 수 있었다.
- 85 km의 거리에 대한 CSMT 탐사 결과로 60 ~ 100 m 간격으로 자료를 획득하였으며, 수직으로 3배 확대하여 전기 비저항 분포단면을 작성하였다. 또한, 해석의 편의를 위해 전기비저항 분포의 해석으로 확인되는 단층, 암상 경계, 습곡 등의 구조, 시추공과 터널의 위치도 함께 도시하였다. 본 조사에서는 자연장 송 신원과 10 Hz ~ 75 kHz 사이의 광대역 전자기장을 평면파 송신원으로 사용하여 전자기장을 함께 측정하였으며, 이를 통해 수 m ~ 1 km 심도에 대한 전기비저항 분포단면을 획득하였다.
- 먼저, 탄층이 분포하는 산악지형에서 탄층의 분포 범위 및 심도에 대한 사례를 고찰하였으며, 다음으로 석회암 분포 지역에서 3차원 전기비저항 탐사를 통한 석회암 공동 탐지 에 대한 사례를 고찰하였다. 마지막으로 다수의 단층이 지표에서 관찰되는 편마암 분포지역에서 전기비저항 탐사를 통한 단층 및 파쇄대의 위치를 탐지하는 사례를 고찰하였다.
- 본 연구에서는 터널 건설 예정지구에서 전기비저항 탐사와 전자탐사의 적용을 통한 연약대의 탐지에 대한 사례를 보여주고자 한다. 먼저, 탄층이 분포하는 산악지형에서 탄층의 분포 범위 및 심도에 대한 사례를 고찰하였으며, 다음으로 석회암 분포 지역에서 3차원 전기비저항 탐사를 통한 석회암 공동 탐지 에 대한 사례를 고찰하였다. 마지막으로 다수의 단층이 지표에서 관찰되는 편마암 분포지역에서 전기비저항 탐사를 통한 단층 및 파쇄대의 위치를 탐지하는 사례를 고찰하였다.
- 또한, 지표에 다수의 돌리네들이 군집을 이루어 분포하고 있으며, 지하 구조 또한 복잡한 3차원 구조를 보일 것으로 예상되는 바, 석회암 공동의 분포 양상 규명을 위해서는 3차원 탐사의 적용이 필요하였다. 본 조사에서는 석회암 공동이 절리, 단층과 파쇄대 등의 연약구간에서 주로 발달하므로 신속하고 경제적으로 이를 탐지할 수 있는 전기비저항 탐사를 적용하였다. 3차원 전기비저항 탐사의 측선은 터널 계획 노선을 중심으로 좌/우10 m, 30 m와 70 m 이격하여 터널 계획 노선과 수평하게 7개의 측선을 설정하였으며, 터널 계획 노선과 수직하게 20 m 간격으로 30개의 측선을 설정하였다.
- 또한, 해석의 편의를 위해 전기비저항 분포의 해석으로 확인되는 단층, 암상 경계, 습곡 등의 구조, 시추공과 터널의 위치도 함께 도시하였다. 본 조사에서는 자연장 송 신원과 10 Hz ~ 75 kHz 사이의 광대역 전자기장을 평면파 송신원으로 사용하여 전자기장을 함께 측정하였으며, 이를 통해 수 m ~ 1 km 심도에 대한 전기비저항 분포단면을 획득하였다. 그림 1을 보면, 97.
- 시추공 BH-14에서 측정된 물리검층과 텔레뷰어 영상. 왼쪽에서부터 순서대로 공경검층, 전기비저항 검층, 자연감마검층, 밀도검층과 텔레뷰어 영상을 도시하였다. 그림에서 A는 대표적인 탄층에 의한 반응을 B는 셰일에 의한 반응을 나타낸다.
- 따라서 경제적이며 안전한 터널 설계를 위해서는 최대 600 m에 달하는 터널 계획 심도에서의 암반 상태와 탄층의 분포 범위 및 심도에 대한 정보가 요구된다. 이를 위하여 터널 계획 노선 상부에서 심부나 전도성 매질이 존재하는 지역에서 탁월한 효능을 발휘하는 CSMT (Controlled-Source Magnetotelluric) 탐사를 수행하였으며, 탄층에 대한 보다 정밀한 영상 획득을 위해 탄층 분포 지역에서 전기비저항 탐사를 수행하였다.
- 지표 및 시추 조사에서 다수의 돌리네와 석회암 공동이 관찰되는 지역에서 3차원 전기비저항 탐사를 실시하였으며, 전기비저항 분포단면을 통해 석회암 공동의 분포범위, 심도와 발달방향 등에 대한 정보를 획득할 수 있었다. 본 조사지역에서는 석회암 공동이 지표의 돌리네직하부에서 수직적으로 분포하고 있었으며, 대규모 돌리네직하부에서는 30 m 이상의심도까지 발달하고 있음을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 터널 건설 예정지구에서 전기비저항 탐사와 전자탐사에 의한 연약대 탐지에 대한 사례를 고찰하였다. 첫 번째로, 탄층이 분포하는 산악지형에서 전기비저항과 전자탐사를 적용하여 1 km 이상의심도에 대한 전기비저항 분포단면을 획득하였으며, 기반 암의 경계, 탄층에 의한 연약대의 분포범위와 심도를 규명하였다. 다음으로 석회암 지역에서의 3차원 전기비저항 탐사를 적용하였으며, 이를 통해 석회암 공동의 분포 범위와 심도 및 발달 방향을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 그림 1에서 아래 그림은 97.90 ~ 109.75 km 구간의 11.85 km의 거리에 대한 CSMT 탐사 결과로 60 ~ 100 m 간격으로 자료를 획득하였으며, 수직으로 3배 확대하여 전기 비저항 분포단면을 작성하였다. 또한, 해석의 편의를 위해 전기비저항 분포의 해석으로 확인되는 단층, 암상 경계, 습곡 등의 구조, 시추공과 터널의 위치도 함께 도시하였다.
- 그림 1에서 위의 그림은 105.8 ~ 108.8 km 구간에서의 전기비저항 탐사에 의한 전기비저항 분포단면으로 쌍극자 배열을 이용하여 자료를 획득하였으며 전극간격은 50 m이다. 전기비저항 탐사 결과를 보면, CSMT 탐사에서와 마찬가지로 106.
- 본 조사에서는 터널의 계획 심도가 최대 600 m에 달하는 지역에서 CSMT 탐사를 적용하여 약 1 km 심도의 전기 비 저항 분포단면을 구하였으며, 이를 통해 수백 m 하부 기반암의 분포양상과 구조대에 대한 정보를 획득하였다. 또한, 탄층이 분포할 것으로 예상되는 지역에 전기비저항과 CSMT 탐사를 적용하여 탄층의 분포 범위와 심도 등에 대한 정보를 획득할 수 있었다.
- 본 조사지역은 철도터널 건설 예정지역으로 호상흑운 모편마암과 규장질 편마암이 주로 분포하며, 여러 개의 단층이 군집을 이루어 분포하는 단층대이다. 경제적이고 안전한 터널 설계를 위해서는 지표에서 관찰되는 단층들이 터널 심도까지 발달하는지를 규명하여야 하며, 이를 위해 전기비저항 탐사를 실시하였다.
- 본 조사지역은 터널 건설 예정지역으로 고도차가 600 m 이상으로 매우 험준하고, 터널의 계획 심도 또한 평균 200 ~ 400 m, 최대 600 m로 매우 깊을 뿐만 아니라 그 차이도 매우 크다. 주요 암종은 고생대 ~중생대의 사암, 석회암, 유문암과 역암이며, 이 중 중생대의 사암과 석회암은 석탄층과 탄질셰일을 함유하고 있다.
- 본 조사지역은 터널 건설 예정지역으로 석회암용식작용에 의해 지표가 함몰되어 생성되는 돌리네 가지표에서 수 m ~수십 m 폭으로 여러 개 관찰되었으며, 시추 조사 중 다수의 석회암 공동이 발견되었다. 석회암 공동은 용식이 진행됨에 따라 서로 연결되어 채널 형태로 발달하므로, 시추조사에서 발견된 석회암 공동들에 대한 정보만으로는 지하에서의 석회암 공동의 분포양상을 예측할 수 없다.
- 그림 2. 시추공 BH-14에서 측정된 물리검층과 텔레뷰어 영상. 왼쪽에서부터 순서대로 공경검층, 전기비저항 검층, 자연감마검층, 밀도검층과 텔레뷰어 영상을 도시하였다.
- 3차원 전기비저항 탐사의 측선은 터널 계획 노선을 중심으로 좌/우10 m, 30 m와 70 m 이격하여 터널 계획 노선과 수평하게 7개의 측선을 설정하였으며, 터널 계획 노선과 수직하게 20 m 간격으로 30개의 측선을 설정하였다. 탐사시 전 극간격은 가탐 심도와 분해능을 고려하여 10 m로 설정하였으며, 지하구조에 대한 분해능이 가장 높은 쌍극자 배열을 이용하여 자료를 획득하였다.
이론/모형
- 그림 5는 단층대 지역에서 쌍극자 배열법에 의해 획득된 전기비저항 분포단면으로 DIPROfWin을 이용하여 지형 보정과 역산을 실시하였다. 역산 방법은 공간적인 분해능에 따라 라그랑지 안 상수를 달리 적용하는 ACB(Active Balancing Constraint)법 (3, Yi et al., 1998)을 적용하였으며, 이를 통해 심부 자료에 대한 분해능을 높일 수 있었다. 그림 5에서 실선은 지표지질조사에 의해 관찰된 단층을 도시한 것이며, 암맥과 터널의 위치도 함께 도시하였다.
성능/효과
- 다수의 단층이 존재하는 단층 대 지역에서 전기비저항 탐사를 실시하였으며, 이를 통해 전기비저항 탐사가 절리, 단층과 파쇄대 등의 연약구간 탐지에 효과적임을 확인하였다. 특히, 전기비저항 탐사는 지표에 노두가 존재하지 않거나 단층이 지하에 존재하여 지표지질조사에서는 확인이 불가능한 경우에 매우 효과적이며, 단층의 발달심도 추정에도 유용함을 알 수 있었다.
- 전기비저항 분포단면을 시추조사 결과와 비교하면, 공동 출현 위치는 저비저항 이상대와 저비저항/고비저항 영역의 경계부에 해당하며, 100 cm 이상의 공동은 주로 저 비저항 이상대 위치에서 발견되고, 40 ~ 50 cm 정도의 공동들은 저비저항/고비저항 경계부에서 발견되었다. 또한, 시추조사 결과 높은 전기비저항을 보이는 지역에서도 20 cm 미만의 공동이 일부 출현하나 공동구간 이외의 구간에서는 매우 신선한 암반 상태를 보여 고비저항 영역에서 존재할 수 있는 공동의 크기나 빈도는 크지 않음을 알 수 있었다.
- 본 조사지역에서 석회암 공동은 지표의 돌리네 하부에 수직적으로 분포하고 있었으며, 돌리네 크기에 비례하여 심도가 증가하며 최대 30 m 심도까지 발달하고 있었다. 마지막으로 다수의 단층이 지표 및 시추공에 관찰되는 편마암 분포지역에서 전기비저항 탐사를 적용하여 단층의 예상 발달심도와 파쇄정도에 대한 정보를 획득하였으며, 전기비저항 탐사가 지표에 노두가 존재하지 않는 지역에서 단층 및 파쇄대 탐지에 효과적임을 확인하였다.
- 다음으로 석회암 지역에서의 3차원 전기비저항 탐사를 적용하였으며, 이를 통해 석회암 공동의 분포 범위와 심도 및 발달 방향을 알 수 있었다. 본 조사지역에서 석회암 공동은 지표의 돌리네 하부에 수직적으로 분포하고 있었으며, 돌리네 크기에 비례하여 심도가 증가하며 최대 30 m 심도까지 발달하고 있었다. 마지막으로 다수의 단층이 지표 및 시추공에 관찰되는 편마암 분포지역에서 전기비저항 탐사를 적용하여 단층의 예상 발달심도와 파쇄정도에 대한 정보를 획득하였으며, 전기비저항 탐사가 지표에 노두가 존재하지 않는 지역에서 단층 및 파쇄대 탐지에 효과적임을 확인하였다.
- 지표 및 시추 조사에서 다수의 돌리네와 석회암 공동이 관찰되는 지역에서 3차원 전기비저항 탐사를 실시하였으며, 전기비저항 분포단면을 통해 석회암 공동의 분포범위, 심도와 발달방향 등에 대한 정보를 획득할 수 있었다. 본 조사지역에서는 석회암 공동이 지표의 돌리네직하부에서 수직적으로 분포하고 있었으며, 대규모 돌리네직하부에서는 30 m 이상의심도까지 발달하고 있음을 알 수 있었다.
- 이 구간은 지표에 100 m 이상의 길이를 가지는 대규모 돌리네가 위치한 곳으로, 지표의 돌리네가 터널 계획 심도까지 발달하고 있음을 알 수 있다. 전기비저항 분포단면을 시추조사 결과와 비교하면, 공동 출현 위치는 저비저항 이상대와 저비저항/고비저항 영역의 경계부에 해당하며, 100 cm 이상의 공동은 주로 저 비저항 이상대 위치에서 발견되고, 40 ~ 50 cm 정도의 공동들은 저비저항/고비저항 경계부에서 발견되었다. 또한, 시추조사 결과 높은 전기비저항을 보이는 지역에서도 20 cm 미만의 공동이 일부 출현하나 공동구간 이외의 구간에서는 매우 신선한 암반 상태를 보여 고비저항 영역에서 존재할 수 있는 공동의 크기나 빈도는 크지 않음을 알 수 있었다.
- 8 km 구간에서의 전기비저항 탐사에 의한 전기비저항 분포단면으로 쌍극자 배열을 이용하여 자료를 획득하였으며 전극간격은 50 m이다. 전기비저항 탐사 결과를 보면, CSMT 탐사에서와 마찬가지로 106.2 ~ 107.1 km 구간과 108.5 km 이후 구간의 200 m 이내 심도에서 수십 ohm-m 이하의 낮은 전기비저항을 보여 탄층이 분포함을 암시하고 있다.
- 다수의 단층이 존재하는 단층 대 지역에서 전기비저항 탐사를 실시하였으며, 이를 통해 전기비저항 탐사가 절리, 단층과 파쇄대 등의 연약구간 탐지에 효과적임을 확인하였다. 특히, 전기비저항 탐사는 지표에 노두가 존재하지 않거나 단층이 지하에 존재하여 지표지질조사에서는 확인이 불가능한 경우에 매우 효과적이며, 단층의 발달심도 추정에도 유용함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이중 터널에 대한 설계를 위해서는 터널 구간과 터널 상하부 구간에 대한 물성이 요구되는데, 시추 조사나 실내실험을 통해서는 시추공 사 이 의 지 반에 대한 물성 정보를 유추하기가 힘들다. 또한, 산악지형에서는 시추조사의 비용도 증대할 뿐만 아니라 시추조사를 수행할 수 없는 지역이 증대되어 지표에서 연속적인 지반에 대한 정보를 제공해주는 물리탐사를 이용한 지 반물성의 산출이 요구된다.
- 향후 전기 비저항 및 전자탐사에 의한 전기비저항값과 시추 및 여타 조사에 의한 물성의 상관관계에 대한 연구가 지속적으로 진행되면, 연약대 탐지와 함께 암반 물성에 대한 정보도 얻을 수 있을 것이다.
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