전자탐사(원리, 종류, 탐사심도, 조사방법)에 관하여

1. 원리

지하에 입사한 전자기파의 반응을 지표, 공중 또는 시추공 등에 설치한 센서로 측정하는 방법이다. 측정한 반응의 크기로부터 지하 구조를 해석하는 유도영역 전자탐사(induction EM)와 전자기파가 지하 매질을 전파하는 시간으로부터 지하 구조를 해석하는 레이다탐사(Ground Penetrating Radar, GPR)로 구별된다.

유도영역 전자탐사에서는 자기장 또는 전기장을 측정한다. 이들 자기장 및 전기장의 강도 및 위상은 주로 전기비저항이라고 하는 지하의 전기적 물성에 따라 달라진다. 전자기파가 지하 매질을 전파하다가 전자기적 물성이 다른 이상체를 만나게 되면, 이상체 내에는 산란전류가 유도된다. 이 유도전류에 의하여 발생하는 2차장의 강도 및 위상을 측정하여 지하 이상체 및 지질 구조에 대한 정보를 얻어내는 방법을 전자탐사라 한다. 전기비저항탐사에 비하여 점토층이나 암반 내의 대수층과 같이 전기전도도가 높은 이상대의 탐지에 높은 해상도를 보인다.

2. 탐사종류

다양한 측정 방법이 개발되어 있으며, 지반조사에서는 다음의 방법이 많이 사용된다.

1) CSAMT 법(Controlled Source Audio-frequency Magneto-Telluric method) 또는 CSMT 법(Controlled Source Magneto-Telluric method)

2) 시간영역 전자탐사법(TEM : Transient EM 또는 TDEM: Time Domain EM)

3) 소형루프 전자탐사법(Small loop EM)

4) VLF 전자탐사법(VLF_EM)

5) 항공 전자탐사법(AEM: Airborne EM 또는 HEM: Helicopter borne EM)

3. 탐사심도

CSAMT 법의 탐사심도는 약 30~1000m 이다. TEM 법의 탐사심도는 전기 양극자(bipole) 송신원의 경우에 약 200~1500m, 루프 송신원의 경우 약 10~500m이다. 또 항공 전자탐사의 경우에는 약 10~100m이며, 소형루프 전자탐사법의 경우에는 대략 50m 이내의 탐사심도를 갖는다.

TEM 법 이외의 전자탐사의 가탐심도는 표피심도(skin depth)와 연관된다. 송신주파수가 낮을수록, 지반의 전기비저항이 높을수록 가탐심도는 깊어진다. TEM법의 경우, 전류 차단 후의 지연시간이 클수록 가탐심도가 깊어진다.

소형루프 전자탐사법의 경우에는 송수신 루프의 간격 및 송신 주파수에 의해 가탐심도가 결정된다. 송수신 루프의 간격이 클수록, 송신주파수가 낮을수록 가탐심도는 증가한다. 단, 모든 전자탐사에서 가탐심도가 깊어지면, 분해능 및 해석 결과의 정밀도가 떨어진다.

4. 측정․해석으로부터 얻는 정보

측정 자료로부터 전기비저항 분포를 해석하여 지하의 정보를 얻어낸다. 항공 전자탐사법의 경우에는 심도 약 10m 이내의 천부 지하수 분포 및 표토층, 사면층 규모나 두께를 CSAMT 법이나 TEM 법으로는 깊이 수십 내지 수백 m 내에 있는 단층, 파쇄대, 변질대 및 대수층의 위치나 규모에 관한 정보를 얻어낸다. 소형루프 전자탐사법의 경우 심도 약 50m 이내의 표토층 두께, 단층 파쇄대의 위치 파악에 사용된다.

5. 사용 기기

개념도에 나타낸 바와 같이 측정 장비는 크게 송신부와 수신부로 구성되며, 이들은 컴퓨터 시스템에 의해 제어된다. 송수신부는 서로 분리되어 있거나 동일한 코일을 사용하는 방법이 있으며, 이중 조사 목적에 적합한 방법을 사용한다.

6. 조사 방법

CSAMT 법은 송신원으로 1 Hz에서 수 kHz까지의 교류전류를 사용하여 전자기파를 발생시키고, 송신원으로부터 4~10 km 정도 떨어진 지역에서 20~50m 간격으로 설치한 전극간의 전위차, 즉 송신원과 평행한 전기장의 수평성분과, 송신원에 수직한 자기장의 수평성분을 수신코일로 측정한다. 전기저항이 높은 암반이 지표부근까지 분포하는 경우에는, 되도록 송신원을 먼 거리에 설치해야 한다. TEM법은 송신원에 전류를 흘려주다가 차단한 다음, 측정점에서 코일이나 루프를 사용하여 지연시간에 따른 2차 자기장의 감쇠양상을 측정한다. 탐사심도가 수백 m 이하인 경우에는 루프 송신원을, 수 백 m 이상인 경우에는 전기 양극자를 송신원으로 사용한다. 일반적으로 수신부에서는 유도코일을 사용하여 자기장의 수직성분을 측정하지만, 단층이 탐사 대상체인 경우에는 자기장의 수평성분을 측정하는 것이 유리할 수도 있다. 유도코일 대신 루프를 이용할 수도 있다. 송신루프와 수신코일의 배열 방법은 매우 다양하므로 탐사 목적에 따라 적절한 배열방법을 선택해야 한다.

한편 최근에는 루프 송신원을 사용하고 수신부에서는 서로 수직한 전기장과 자기장의 수평성분을 측정하는 인공송신원 MT(CSMT) 탐사법이 도입되어 활발히 적용되고 있다. 이 방법은 10 Hz~100 kHz의 고주파수 대역의 자료를 획득하므로 고심도 지반조사 및 지하수 조사 등에 적합한 방법이다. 또한 신호원이 평면파라는 가정을 만족하므로 근거리장 보정(near field correction)을 수행하지 않아도 된다는 장점이 있다.

항공 전자탐사법은 송신코일과 수신코일을 버드(bird)라고 부르는 작은 통에 장착하고 이를 항공기나 헬리콥터에 매달아 일정 고도와 속도를 유지하면서, 일정한 시간간격으로 송신한 전자기파와 동일한 주파수의 전자기파를 수신루프에서 측정한다. 일반적으로 헬리콥터를 이용하여 30~80 km/h로 비행하며 버드의 고도는 지상 30~60m를 유지한다. 지형이 가파른 경우는 15km/h 로 비행 속도가 늦어질 수도 있다. 일반적으로 다양한 송수신 코일 배열 및 여러 개의 주파수에 대한 측정을 동시에 수행한다.

소형루프 전자탐사는 주파수 영역 전자탐사(frequency domain EM)로, 일정 주파수를 갖는 교류전류를 코일 등의 송신원에 공급하여 1차장을 생성시킨 후 이로 인해 발생되는 이상체에서의 2차 자기장을 수신기에 측정하여 지하의 수리지질 구조를 해석한다. 이 방법은 특정 주파수를 사용하므로 필터링 기법을 통해 신호대 잡음비를 높일 수 있는 장점이 있다.

전자기파는 사용 주파수 및 지하 매질의 전기비저항 값에 따라 침투할 수 있는 침투심도 또는 표피심도(skin depth)가 달라지며, 이는 아래 식 (1)과 같다. 이때, r는 ㅈ전기비저항, f는 주파수(Hz)이다.

위 식에 의하면 전기전도도가 일정하다고 가정하는 경우 주파수가 높아짐에 따라 침투심도가 작아지며, 이와 반대로 주파수가 낮아지면 침투심도가 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 원리로부터 고주파수의 자료는 천부의 정보를, 저주파수의 자료는 심부의 정보를 지시한다. 현재 국내에서 많이 이용되는 전자 탐사 장비는 미국 Geonics사에서 제작된 EM-series와 미국 Geophex사의 GEM-series가 대표적이다. 이 중 GEM-2는 330~20,010 Hz 사이의 상대적으로 광대역의 주파수 대역을 사용하지만, 탐사의 편의를 위하여 송수신기 사이의 거리가 1.66 m로 고정되어 있다. 따라서 가탐심도가 10 m 이내의 천부에 한정되는 제한이 있지만 10 개 내외의 다수의 주파수를 사용하므로, 고분해능의 영상을 제공하여 주는 특징이 있다<그림 4.4-1>.

 

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