전기탐사

박상주 박사 연락처 : 010-3816-1998

지구물리탐사란 지표아래 구성물질의 물리적 성질의 차이에 의하여 발생하는 여러 물리적 현상들을 측정하고 해석함으로써 지하지질구조 및 지층의 성질을 파악하는 방법으로 토목지질이나 각종 지반 지질조사의 중요한 조사방법이다.

물리탐사는 일반적으로 자료획득, 자료처리, 해석의 과정을 거치며 조사를 수행하고 탐사의 규모, 심도, 측정기의 정밀도, 잡음의 정도 등에 따라 탐사결과에 큰 영향을 미치므로 이를 고려하여야 한다.

전기탐사에는 여러 종류가 있지만, 토목 분야에서는 전기비저항탐사가 일반적으로 사용되고 있다. 전기비저항탐사의 방법에는 수평 탐사, 수직 탐사, 2차원 탐사가 있지만, 현재는 2차원 탐사가 주로 사용되고 있다. 여기에서는 전기비저항탐사의 일반적인 방법에 대해서 기술한다.

전기탐사에는 전기비저항탐사, 자연전위(SP)탐사, 유도분극(IP)탐사 등 여러 가지 방법이 있다. 자연전위탐사는 자연 현상 또는 인위적인 작용에 의해 지하에서 발생되는 전위의 분포를 측정함으로써, 주로 지하수 유동과 황화광물을 탐사하는 방법으로 최근 우리나라에서는 전기역학적 효과에 의해 발생되는 유동전위를 측정함으로써 각종 양수시험과 저수지 제당 및 방조제의 누수 부위 탐사에 적용하고 있다. 자연전위탐사에서는 인공적으로 지하에 전류를 흘려줄 필요가 없지만, 일반적으로 전기비저항탐사는 인공적으로 지하에 전류를 흘려보내, 이때, 발생하는 전위 분포로부터 전기비저항을 구하여 지하정보를 얻는 방법이다. 유도분극탐사는 지하에 흘려보낸 일정한 전류를 갑자기 차단할 때 발생하는 2차 전위를 측정함으로써 지반 상태를 파악하는 방법이다.

전기탐사는 지반의 전기적 성질을 조사하는 탐사법이기 때문에, 지층이 다를지라도 전기적 성질이 같으면 이를 구별하는 것은 어렵다. 반면, 같은 지층일지라도 물을 함유하고 있는 상태에 따라 전기적 성질이 달라진다면 이를 구별하는 것은 가능하다. 일본의 경우, 토목을 대상으로 하는 전기탐사 중에서는 전기비저항탐사가 가장 많이 이용되고 있으며, 이는 굴절법 탄성파탐사 다음으로 많이 이용되고 있다. 그러나 우리나라의 경우 사회간접자본(SOC)에 의한 도로, 터널, 댐 등의 건설을 위한 지반조사가 흔히 산악 지형에서 많이 이루어지고 있어 탐사의 효율성 측면에서 뿐만 아니라 비용면에서도 저렴하여 전기비저항탐사가 굴절법 탄성파탐사보다 더 많이 적용되고 있다.

전기비저항탐사의 탐사 방법에는 수평 탐사, 수직 탐사(1차원 탐사), 2차원 탐사, 3차원 탐사가 있지만 현재는 2차원 탐사가 주류를 이루고 있다. 따라서 여기에서는 2차원 전기비저항탐사를 중심으로 일반적인 방법에 대해 기술한다.

1. 적용대상

1) 전기탐사(전기비저항탐사)는 토목 분야에서 지하수, 산사태, 터널, 공동, 댐, 지질구조 조사 등을 대상으로 많은 조사에 광범위하게 적용할 수 있다. 또, 예비․개략 조사 단계에서부터 보통의 일반조사 단계, 유지관리 단계까지 여러 단계에서 이용 가능하다.

2) 대상이 되는 지질 상황은, 지질 분포나 단층 파쇄대의 유무 등의 지질 구조, 지층의 풍화․변질 정도, 지하수 상황 등이 있으며, 이들을 판단할 목적으로 이용한다.

 

토질․암석 종류별 전기비저항 분포를 나타낸 도표이다. 지반의 전기비저항은 암석의 종류, 공극률과 포화도, 지하수의 전기비저항, 풍화나 변질에 수반되는 점토 광물의 함유량, 온도 등에 의해 변화한다<표 4.3-1참조>. 일반적으로 점토 광물의 함유량이 많을수록, 체적 함수율(포화도×공극률)이 높을수록 전기비저항은 낮아진다. 전기탐사에서는 이러한 지반의 성질을 이용하여 지반 상황을 파악한다. 그러나 전기탐사에서 구한 지반의 전기비저항은 공학적으로 필요한 지반의 강도나 변형성을 나타내는 물리량과는 다르기 때문에, 탐사 결과의 이용은 정성적 단계에 머물고 있다. 최근에는 전기비저항값을 이용하여 암반 등급을 분류하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.

토목 분야에 있어서 전기비저항탐사(전기탐사)는 지하수를 시작으로 산사태(사면의 안정성), 구조물기초, 댐, 터널, 공동, 제방, 지질 구조의 조사에 적용되고 있으며, 일본의 경우 굴절법 탄성파탐사 다음으로 폭 넓게 이용되고 있는 탐사법이다. 최근에 들어 방재, 환경 분야에서도 활발히 적용되고 있다. 특히 2차원 탐사는 토양의 두께가 큰 터널 조사에 있어서는 굴절법 탄성파탐사를 보조하는 탐사로 사용되는 경우가 많다. 또 평지뿐만 아니라 산악 지역에서도 실시할 수 있고, 적용 탐사심도도 비교적 크기 때문에, 실시면에서도 범용성이 높은 탐사법이다. 이런 측면에서 볼 대 조사 대상지역이 산악 지역이 많은 우리나라에서는 비용면이나 작업의 효율성 면에서 오히려 전기비저항탐사가 굴절법 탄성파탐사보다 토목 분야에 더 많이 사용되고 있는 탐사법이라 할 수 있다. 전기비저항탐사의 장점으로서는 적용 분야가 넓고 지표에서 탐사를 수행하여 폭약 등의 위험물을 사용하지 않는다는 점 등이 있다. 또한 전기비저항탐사 가능심도는 사용 측정기기, 지질 조건 등에 의해 달라지지만 대개 300m 정도이다. 탐사 대상의 심도가 300~400m 이상인 경우는 전자탐사 등의 다른 탐사법을 계획하는 것도 바람직하다.

2. 계획수립

가. 자료 검토 및 탐사 계획 입안

1) 탐사 계획을 세울 때는 기존 자료를 기초로 조사 지역의 지형, 지질 및 지질 구조에 대해 파악하는 것이 중요하다. 또 전기탐사, 전기검층 등 이미 전기비저항을 측정한 기존 조사 사례가 있는 경우에는 그 자료를 검토한다.

2) 탐사 계획은 ① 조사 단계․목적의 검토, ② 측선의 설정, ③ 탐사방법과 전극 배열의 결정, ④ 탐사심도와 전극 간격, ⑤ 다른 방법과의 병용 검토 등의 항목에 따라서 입안한다.

계획을 세울 때는 사전에 기존의 지질조사 자료를 검토하여 탐사 목적에 비추어서 전기비저항 탐사가 적용 가능한 지형․지질 조건인가를 검토한다. 복잡한 지층 경계, 선구조나 단층(저속도대) 등이 존재하는 복잡한 지형․지질 조건이라고 판단되는 경우, 목적에 따라 나중에 설명하는 2차원 탐사나 토모그래피 해석을 고려하여 자료를 정리한다.

전기비저항 탐사는 변질대나 단층 파쇄대의 탐지에는 유리한 탐사법이나 지표 부근에 매우 전기비저항이 낮은 지층이 분포하고 있는 경우 심부 탐사․해석에 적지 않은 오차가 들어갈 가능성이 있다. 이와 같은 경우, 시추공 내 전기검층 자료가 있으면 자료처리 및 해석에 유용한 자료가 된다.

 

굴절법 탄성파탐사에서 구한 것은 지반의 역학적 물성의 하나인 탄성파 속도이며, 각종 암반분류 등을 적용하여 현지 지반 등급 판정에 이용할 수 있다. 이에 비해 전기비저항탐사에서 구한 것은 지반의 전기적 성질인 전기비저항이므로 지반의 역학적 성질과 직접 연관시킬 수 있는 물리량이 아니다. 이 때문에 전기비저항만으로 현지 지반 등급을 판정하는 것을 일반적으로 어렵다. 전기비저항으로부터 지반등급 판정이 가능한 경우는 지질 조건 및 지하수 조건이 단순하여 시추 조사 등에 의해 지반 상황과 전기비저항의 대응 관계가 정립되기 쉬운 경우에 한한다. 따라서 전기비저항탐사와 굴절법 탄성파탐사를 병행하는 경우, 굴절법 탄성파탐사를 실시하여 목적을 명확히 한 다음 탐사 계획을 수립하는 것이 바람직하다.

또, 표토층의 심도가 깊어 굴절법 탄성파탐사로는 탐사의 목적을 충분히 달성할 수 없다고 판단되는 경우나 지질․지하수 조건이 복잡하고 탄성파 속도의 분포만으로는 충분히 지반 상황을 파악할 수 없다고 판단되는 경우에 주로 전기비저항탐사(2차원 탐사)를 계획하는 것이 좋다.

공동 탐사에서는 조사 지역의 지질 조건, 공동의 규모나 형상 및 충전물의 상황에 따라 탐사 결과를 해석할 필요가 있다. 지표에서 탐사할 수 있는 공동의 크기는 지형․지질 조건에 따라 달라지지만, 문헌에 의하면 공동의 직경이 표토 두께의 대략 0.5~1m이상이면 탐지 가능하다. 이 때문에 반사법 탄성파탐사 등의 다른 조사를 병행하는 것이 바람직하다. 탐사 목적에 따라서는 지하수의 전기비저항, 시추공내 전기검층, 시추 코아의 전기비저항을 측정하는 것이 필요하다고 판단되는 경우도 있다.

계획․입안에 관한 검토 후 시방서의 내용, 조사 목적에 대해 재검토하고 문제가 있으면 전문가와 협의한다.

나. 측선설정

3) 측선을 설정할 때는 ① 조사 단계․목적, ② 지형⋅지질조건, ③ 탐사심도와 분해능, ④ 측정상의 장애 요인, ⑤ 경제성과 작업성 등을 고려하며 필요에 따라서는 주측선 외에 보조측선을 설정하여 효과를 높인다. 측선 설정시 아래 사항을 유의한다.

4) 측선은 기복이 적은 동일한 사면에 두며 가능한 한 굴곡이 심하지 않는 위치에 설정하도록 한다.

5) 측선은 측선상 또는 측선에 인접하여 시설구조물 등의 장애물이 존재하지 않도록 설정한다.

6) 단층 파쇄대의 상태를 파악하고자 하는 경우에는 그 방향과 가능한 수직 방향으로 측선을 설정하는 것이 효과적이다. 주측선으로 이와 같은 측선 설정이 불가능한 경우는 보조측선을 위와 같이 설정하도록 한다.

7) 측선의 설정시 <4.3.3-마. 탐사심도와 측선 길이>에 대해 고려하여야만 한다.

측선을 설정할 지형은 굴곡이 심하지 않는 것이 좋다. 또 측선상 및 측선에 인접하여 시설구조물(특히 강철재 지보 등 전기전도도가 높은 것), 송전 철탑, 철도, 도로, 철조망(fence) 등의 장애물이 있으면 측정 오차를 발생시키기 때문에 가능한 한 이들 장애물을 피하여 측선을 설정할 필요가 있다. 부득이 구조물을 횡단하는 경우, 통과 길이를 짧게 할 수 있는 방법을 강구해야 한다. 경우에 따라서는 측선을 나누는 것도 고려한다. 측선이 구조물의 옆으로 지나가는 경우도 구조물의 길이 이상 그리고 탐사심도 이상 측선을 떨어뜨리는 것이 좋다<그림 참조>

다. 탐사 방법의 결정

8) 탐사 방법을 선택할 때는 ① 조사 단계⋅목적 ② 지형․지질 조건, ③ 경제성과 작업성 등을 고려하여 수직 탐사, 수평 탐사, 2차원 탐사 또는 어떤 다른 방법을 쓸 것인가를 결정한다.

전기비저항 탐사 방법에는 수직 탐사, 수평 탐사, 2차원 탐사법이 있다<(그림 4.3-5참조>.

수직 탐사는 지층 구조가 수평 층서구조에 가까운 경우 심도 방향의 전기비저항 분포를 탐사하는 경제적인 방법이다. 수평 탐사는 수평 방향의 전기비저항 분포를 조사하여 비교적 지표 근처의 지질의 불연속성, 매설물, 지하수 상황 등을 파악하는데 사용된다. 2차원 탐사는 수직 탐사와 수평 탐사를 통합한 탐사 방법으로, 측선 하부 단면의 2차원 전기비저항 분포를 조사하는 것이다. 복잡한 지형․지질 조건의 경우는 수직 탐사 또는 수평 탐사를 계획하는 것은 적절하지 않으며 이 경우 2차원 탐사가 효과적이다. 우리나라의 경우는 수직 탐사를 1차원 탐사로, 수직+수평 탐사를 실시하여 2차원적으로 자료를 획득하여 해석하는 2차원 탐사, 격자망으로 측선을 설정하여 3차원적으로 자료를 획득하여 해석하는 3차원 탐사로 분류하기도 한다.

한편 수직 탐사의 해석은 수평 층서구조를 전제로 하며, 2차원 탐사의 해석은 지형․지하구조가 2차원적이다(측선의 수직 방향으로는 변화하지 않는다)라는 것을 전제로 한다. 그렇기 때문에 측선의 수직방향으로 지형․지하구조가 현저하게 변하는 경우에는 보조측선을 설정하여 양자의 결과를 비교․평가하든가, 아니면 3차원 탐사를 수행함으로써 보다 정확하게 지형변화에 의한 반응을 정할 수 있다. 수치실험에 의하면 2차원적인 지형변화보다 3차원적인 지형변화가 측정 자료에 더 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 측선이 지형변화가 심한 쪽으로 설정되어 있으면 어느 정도 믿을만한 지형보정이 가능하겠지만, 측선 방향보다 측선 방향에 수직인 방향으로 지형의 기복이 더욱 심하다면 2차원 탐사자료의 지형보정 결과는 적절하다고 볼 수 없으며, 이러한 경우에는 3차원 탐사를 통한 3차원적인 접근으로써 지형효과를 해결함이 바람직할 것이다.

다. 전극배열

9) 전극배열을 선택할 때는 ① 탐사 방법의 특징, ② 지형․지질 조건, ③ 측선 주변상황, ④ 성과도 등을 고려하여 결정한다.

10) 수직 탐사에서는 슐럼버저 배열, 웨너 배열이 일반적으로 사용된다.

11) 수평 탐사에서는 웨너 배열, Eltran 배열, 쌍극자 배열 등이 일반적으로 사용된다.

12) 2차원 탐사에서는 웨너 배열, Eltran 배열, 쌍극자 배열, 단극․쌍극자 배열, 단극 배열 등이 일반적으로 사용되고 있다.

전기비저항탐사에 사용되고 있는 대표적인 전극배열에는 웨너 배열, 슐럼버져 배열, 쌍극자 배열, Eltran 배열, 단극-쌍극자 배열, 단극 배열 등이 있다<그림 4.3-6참조>. 수직 탐사에서는 웨너 배열과 슐럼버저 배열이 일반적으로 사용된다. 수평 탐사에서는 웨너 배열, Eltran 배열, 쌍극자 배열 등이 많이 사용된다. 2차원 탐사에서는 웨너 배열, Eltran 배열, 쌍극자 배열, 단극-쌍극자 배열, 단극 배열 등의 전극 배열 또는 이들 전극 배열을 복합하여 사용하는 경우도 있다.

슐럼버저 배열 또는 웨너 배열은 파쇄대 등의 수직적인 구조를 갖는 지역보다는 층서구조를 가지는 지하구조의 탐사에 적합하므로 이들 배열은 주로 수직 탐사에 이용되고 있다. 웨너 배열은 천부 탐사에 적합한 전극배열이며, 슐럼버저 배열은 심부 탐사에 적합한 전극배열이다. 웨너 배열은 슐럼버저 배열에 비하여 측정 전위치가 매우 높으므로(즉 S/N비가 매우 높다) 지하 매질이 전기를 잘 통하는 미국 등지에서 주로 사용된다. 그러나 웨너 배열은 매 측정마다 전위전극의 위치가 이동되므로 지표의 국부적인 이상에 의하여 측정 곡선이 왜곡될 우려가 매우 높으며 분해능이 매우 낮은 단점이 있다. 따라서 우리나라와 같이 비교적 전기비저항이 높은 환경에서는 웨너 배열보다 슐럼버저 배열이 주로 사용되고 있다.

쌍극자 배열은 다양한 전극배열법 중 가장 분해능이 뛰어난 배열로 수평 및 수직 방향의 전기비저항 변화를 파악하기 위해 사용되는 아주 유용한 전극배열이지만, 측정 자료의 질을 의미하는 S/N비가 낮아 잡음의 영향을 받기 쉬운 단점이 있다. 우리나라에서는 지하 매질의 전기비저항이 외국에 비해 매우 높아 측정 전위차가 매우 큰 관계로 지하수 탐사, 지반조사 등의 전기비저항탐사에 가장 많이 사용 되고 있다. 단극 배열은 주로 일본 등지에서 2차원 탐사에 많이 사용되는 배열로 S/N비는 가장 높으나 분해능은 낮은 배열이다. 단극-쌍극자 배열은 단극 배열보다 정밀한 측정을 위해서 고안된 전극배열이나, 비대칭성 전극배열이므로 지하구조가 대칭인 경우에도 그 영상은 비대칭적으로 나타난다. 이러한 비대칭성은 Bristow 법을 통하여 극복할 수 있다.

한편, 단극 배열 및 단극-쌍극자 배열에서는, 측선상에 설치하는 전극 외에, 측선으로부터 상당히 떨어진 위치에(최대 전극간격의 10배 이상 또는 측선 연장의 3~5배가 바람직하다) 원거리 전극을 설치하고 전선을 부설하여야 한다. 이 때문에 사전에 지형 조건이나 용지 상황을 검토해 둘 필요가 있다.

현장 탐사의 효율성 측면에서 볼 때 단극 배열의 가장 큰 문제는 원거리 접지전극의 문제이다. 예를 들어 측점 간격이 50m 이상인 경우, 측선 연장이 1km 이상에 달하는 경우가 대부분이며 원거리 접지는 최소한 3km 이상 떨어진 지점에 위치해야 한다. 또한 접지한 지역에서의 전기잡음이 심할 경우에는 획득된 자료 전체의 신뢰도가 문제될 수 있다. 이러한 점에서 단극 배열이 현장 탐사의 효율성이 가장 낮다고 볼 수 있다. 이러한 단극 배열법의 비효율성을 보완하기 위하여 음의 전류 및 전위 전극을 측선의 양단에 각각 고정시킨 변형된 단극 배열이 제시되었다. 이러한 변형된 전극배열의 또 다른 예로서, 낮은 측정값에 의한 낮은 S/N비를 개선하기 위하여 높은 측정값을 획득할 수 있도록 설계한 변형된 쌍극자 배열과 변형된 단극-쌍극자 배열도 제시되었다. 따라서 전기전도도가 높은 지역, 전기잡음이 심한 지역 또는 공간적인 제약으로 원거리 접지가 어려운 지역에서 고분해능 영상을 획득하고자 할 경우 이와 같은 변형된 전극배열을 유용하게 활용할 수 있을 것이다.

마. 탐사심도와 측선 길이

13) 탐사심도 및 측선 길이는 서로 밀접한 연관이 있기 때문에 ① 조사 단계․목적, ② 지형․지질 조건, ③ 측선 주변 상황 등을 고려하여 탐사대상 영역을 충분히 포함할 수 있도록 설정한다.

수직 탐사 및 2차원 탐사에서 최대 탐사심도는 탐사대상 심도의 1.5~2 배 정도, 측선 길이의 1/4~1/3 배를 목표로 설정한다. 측선 양 끝부분 부근에서는 탐사 가능심도가 낮기 때문에 탐사 심도의 0.5배 정도를 양 끝부분에 더하여 측선 길이를 정하는 것이 좋다<그림 4.3-7>. 측선을 분할하는 경우도 같은 방법으로 한다.

전기비저항탐사에서의 탐사심도는 근본적으로 전류가 지하를 통과할 수 있는 깊이에 좌우되며 이는 전극간격에 비례하므로 전극사이의 거리만 멀어진다면 이론적으로는 무한하다고 할 수 있다. 그러나 통상 500 m를 경제적 탐사심도의 한계로 간주하고 있다. 쌍극자 배열을 예로 든다면 탐사심도는 전극간격(또는 쌍극자 길이)의 5배로 보는 것이 타당하다. 한편 탐지 가능한 최소 이상 값, 즉 분해능은 쌍극자 길이로 본다. 따라서 50m 의 전극간격을 사용하였다면 심도 250m까지, 수평적으로 50m 간격으로 지하구조를 영상화 할 수 있다.

하부층과 비교하여 전기비저항이 매우 낮은 저비저항 지층이 지표 부근에 분포하는 경우, 심부의 분해능은 저하되고 해석 결과도 부정확한 것이 될 경우가 있다. 이러한 경우, 최대 전극간격이나 측선을 길게 설정하는 것 등을 고려하지 않으면 안 된다.

바. 측점(전극) 간격

14) 측점(전극) 간격은 ① 탐사 목적과 요구되는 정밀도(분해능), ② 탐사심도와 측선 길이, ③ 탐사 방법과 전극배열, ④ 지형․지질 조건, ⑤ 작업성 등을 고려하여 결정한다.

탐사 정밀도(분해능)는 전극간격(최소 전극간격), 탐사심도의 증가에 따라 낮아지기 때문에 탐사 목적, 탐사심도, 측선 길이에 맞추어 전극간격을 적절히 설정한다. 최대 전극간격은 탐사심도를 목표로 설정한다. 그리고 최소 전극간격 이하의 이상체를 탐지하는 것은 곤란하다.

수직 탐사에서는 탐사한 지점을 중심으로 순차적으로 전극간격을 넓혀감으로써 탐사심도가 깊어지도록 전극을 배치한다. 이 경우 전극간격은 예를 들면 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0 m 등과 같이 대수적으로 증가 시켜가는 것이 일반적이다.

수평 탐사 및 2차원 탐사에서는, 전극간격을 등간격으로 설정한다. 일반적으로 측선 길이가 100m 전후인 경우 최소 전극간격은 2m, 측선 길이가 200~500m에서는 최소 전극 간격이 5m, 측선 길이가 500~1000m 에서는 최서 전극 간격은 10m가 자주 사용되고 있다. 측선 길이가 1000m 이상에서는 20~25m의 최소 전극간격이 설정되고 있다.

2차원 탐사에서는 전극간격을 작게 하면 측정수가 증가하여 측정 시간이 길어지므로 측정 결과를 효율적으로 해석하기 곤란해지기도 한다. 뒤에 설명하는 해석 정밀도를 고려하면, 최소 전극간격은 최대 탐사심도의 1/10~1/20정도가 적당하다.

 

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