탄성파탐사

1. 굴절법 탄성파탐사

탐사법 개념도

(1) 원리

지표 부근에서 발파 등으로 탄성파(P파, S파)를 발생시켜 속도가 다른 지층 경계에서 굴절되어 돌아오는 굴절파를 지표에 설치한 측정 장치로 기록하여 지하의 속도구조를 알아내는 탐사법이다. 땅 속을 전파하는 탄성파에는 실체파인 P파와 S파가 있는데 굴절법에서는 P파 초동을 이용한 측정 방법이 일반적으로 사용된다. 반면에 S파 탐사는 토질지반을 대상으로 비교적 천부의 속도구조를 구하는 경우에 이용된다.

(2) 탐사 적용

탐사 대상별 적용은 크게 다음과 같이 구분한다.

1) 건설 중일 터널이나 시험굴착 중인 수평갱 안의 갱벽이나 바닥의 암반 속도 측정(갱내 탄성파탐사)

2) 수백 m~수 km의 탄성기반을 파악하는 대규모 굴절법 탄성파탐사

3) 주로 토질지반에서 실시하는 S파 굴절법 탄성파탐사

(3) 탐사심도

탐사심도를 깊게 하기 위해서는 측선을 길게 설정할 필요가 있다. 토목 분야에서 실시하는 굴절법 탄성파탐사의 탐사심도는 발생원으로 다이나마이트를 사용하는 경우에도 100~200m 정도에 불과하다.

비폭약 발생원을 사용하는 경우는 탐사심도가 수 m~30m 이다.

(4) 측정․해석으로부터 얻는 정보

자료처리로부터 지반의 속도분포를 구할 수 있다. 여기서 얻어진 속도 분포와 시추 결과 및 기존의 지질 자료 등을 서로 대비시켜 종합적으로 해석함으로써 다음과 같은 내용을 파악할 수 있다.

1) 암석의 종류, 강도, 균열의 정도, 풍화․변질

2) 단층 파쇄대의 존재 및 규모

3) 댐, 터널, 교량, 도로 건설, 산사태, 부지조성 등 많은 토목 구조물을 대상으로 하는 원지반 상태의 공학적인 평가와 기초지반의 선정

(5) 사용기기

측정 시스템은 수진기, 수신 케이블, 중계선, 자료기록 장치, 발파기로 구성된다(탐사법 개념도 참조)

(6) 조사방법

1) 탐사심도에 따른 최대 수진거리를 결정하여 측선을 충분히 길게 계획한다. 최대 수진거리를 충분히 확보할 수 없을 경우에는 원거리 발파점을 설치하는 것이 바람직하다.

2) 수진점 간격은 탐사심도가 얕은 경우에는 5m, 깊은 경우에는 10m로 하는 경우가 많다. 발파점은 일반적으로 30~60m 간격으로 설정하고, 특히 기복이 심하게 변화하는 지점 등에 발파점을 설정하면 해석의 정밀도가 향상된다. S파 탄성파탐사에서는 수진점 및 발파점의 간격 모두 P파 탄성파탐사보다 짧게 설정한다.

3) 발생원으로는 일반적으로 다이나마이트(폭약)을 사용한다.

4) 측정시에는 각 전개에 대한 측정을 끝낸 직후, 자료의 품질을 자세히 검토하고 필요하다면 재측정에 들어간다.

(7) 해석 방법

1) 획득한 자료는 수진점 및 발파점의 위치와 발파점의 심도 등에 대하여 정리한다.

2) 주시곡선의 작성은 해석의 기본이므로 초동의 읽기 오류나 그림 작성에서의 오류가 없도록 충분히 점검하고 조정하도록 한다. 작성된 주시곡선은 요구되는 정밀도 안에서 ① 왕복주시의 일치, ② 원점 주시의 일치, ③ 주시곡선의 평행성 등의 조건을 충족시키도록 한다.

3) 주시곡선을 식별하고, 적절하게 조정된 주시곡선에서 정해진 자료분석 방법에 따라 순서적으로 해석하여 측선 지하부의 속도층 해석단면을 작성한다.

4) 해석은 일반적으로 하기와라 방법과 이를 발전시킨 방법을 사용한다.

(8) 적용상의 문제점

1) 굴절법은 심부로 갈수록 탄성파 속도가 커진다는 층서구조를 가정하여 해석한다. 그러나 화산암 분포지역이나 일부 제3기 이후의 퇴적암, 심층 풍화나 파쇄를 받았던 연암 위에 치밀한 용암 등의 경암이 분포한 지역 등에서는 그 적용이 곤란한 경우가 있다.

2) 하부로 갈수록 탄성파 속도가 증가하는 층서구조인 경우에도 하부가 얇은 층(thin layer)인 경우에는 숨은층(blind layer)이 되어 굴절파가 초동으로 나타나지 않음으로써 얇은 층이 규명되지 않는 경우가 있다.

3) 측선에 평행 또는 예각으로 고속도층이 분포하는 경우 측선에 직교하는 측선을 추가하여 해석의 정밀도를 높일 필요가 있다.

2. 천부 반사법 탄성파탐사

(1) 원리

지표 부근에서 인공적으로 발생시킨 탄성파(P파, S파)가 땅 속에 전파되어 음향 임피던스의 경계에 이르면 굴절, 투과, 반사하여 그 일부가 지표에 반사파로 돌아온다. 반사법은 되돌아오는 미약한 반사 신호를 지표에 설치한 여러 개의 수진기로 측정․처리하여 지하구조를 해석하는 방법이다.

(2) 탐사 종류

천부 반사법 탄성파 탐사법에는 적용 장소에 따라 육상 천부 반사법 탄성파탐사와 해상․하천 호수 등에서 실시하는 수상 천부 반사법 탄성파탐사(단일채널 해상 탄성파탐사, 다중채널 해상 탄성파탐사 참조)가 있다. 여기서는 육상 천부 반사법 탄성파탐사를 다룬다.

(3) 탐사심도

탐사심도는 수십~수백 m를 대상으로 한다. 측선 길이, 수진기 간격, 음원의 선택에 따라 탐사심도가 달라지는데 심도가 싶어질수록 해석 분해능은 떨어진다.

(4) 측정․해석으로부터 얻는 정보

자료측정․처리의 결과로 얻어진 반사심도 단면도를 해석하여 다음과 같은 내용을 파악할 수 있다.

1) 지반의 지질구조 및 층두께, 단층(특히 숨은 단층)의 규모․위치․심도․방향성

2) 지반의 물성 정보(P파 속도 또는 S파 속도)

(5) 사용 기기

개념도에서 보는 바와 같이 측정 시스템은 크게 나누어 발생원, 수진기, 수신 케이블, 롤얼롱(roll along)스위치, 자료기록 장치, 모니터 등으로 구성되는데 이들은 모두 컴퓨터에 의해 제어된다.

(6) 조사 방법

천부반사법 탄성파탐사는 공통중간점(발파점과 수진점의 중점)에서의 반사파에 대하여 동보점(NMO보정)과 중합(stacking)을 수행하는 공통중간점(CMP) 중합법을 기본으로 측정한다.

(7) 해석 방법

자료처리는 미약한 반사 신호를 강조하기 위해 CMP 중합법을 기본으로 한 자료처리․해석용 반사법 소프트웨어를 사용하여 실행한다. 우선 획득한 자료들은 소프트웨어 환경에 적합한 포맷으로 변환한다. 이렇게 변환된 자료들로부터 반사파를 강조시키기 위해 CMP 편집, 이득 보정(gain recovery), 각종 필터 처리, 정보정(static correction), NMO 보정, 속도 분석(velocity analysis), 뮤트(mute), CMP 중합, 구조보정(migration)등의 다양한 자료처리 단계를 거쳐 반사시간 단면도(time section)를 작성한다. 반사시간 단면도는 속도 정보를 고려하여 반사심도 단면도(depth section)로 변환되는데 반사심도 단면도로부터 지질도와 시추 주상도 등의 기존 지질 자료를 대비시켜 최종 해석단면도를 작성한다.

(8) 적용상의 문제점

① 천부 반사법 탄성파탐사는 수평층에 근거한 CMP 중합을 기본으로 하는 방법이기 때문에 가파른 지형이나 굴곡이 심한 지형에서는 그 적용이 어렵다.

② 반사법에서는 음향 임피던스(탄성파 속도×밀도)경계를 반사면으로 하기 때문에 상부 지층의 탄성파 속도와 하부 지층의 탄성파 속도의 차이가 별로 없는 지반에서는 그 층의 경계를 파악하기 어렵다(지하수위 이하의 연약 지반처럼 P파 속도의 차이가 거의 없는 경우일지라도 S파 속도의 차이를 기대할 수 있는 경우에는 S파 탐사의 적용 가능성을 검토한다).

③ 반사법 탐사의 분해능은 수평 방향으로는 프레넬대(fresnel zone)의 반경, 심도 방향으로는 탄성파파장의 1/4이 기준이 되기 때문에 층두께가 1/4 파장보다 얇은 경우에는 그 지층을 규명하기 어렵다.

(1) 원리

바다나 호수의 수심을 측정할 때 음향측심기가 사용된다. 음향측심기는 수면 근처에서 수백 kHz의 음파를 연속적으로 발사하고, 해저면이나 호수 바닥으로부터 반사한 반사파가 수신되기까지의 왕복시간을 측정한다. 해상 탄성파탐사는 원리적으로 음향측심과 같으나 음향측심보다 낮은 주파수의 음원을 사용한다. 수면 부근에서 발생하여 해저에 도달한 파의 일부는 지층으로 투과한다. 투과한 탄성파는 해저 지층의 음향 임피던스(지층의 P파 속도×밀도) 경계면에서 반사되어 온다. 파의 에너지가 크면 보다 심부의 경계면에서 반사한다. 탐사선을 이동하면서 일정한 간격으로 음파를 발생시키고 매 발파마다 반사파를 수신함으로써 해저면 하부의 지질구조를 왕복시간 단면으로서 나타낼 수 있다. 해상 탄성파탐사에는 수 kHz로부터 수 Hz의 파를 이용한다. 주파수가 높은 음원은 파장이 짧아 해상도는 높지만 에너지 감쇠가 커서 탐사심도는 얕다. 반면에 주파수가 낮은 음원은 탐사심도는 깊지만 해상도는 낮다.

(2) 탐사 종류

해상 탄성파탐사에는 단일 채널과 다중 채널의 두 가지 방법이 있다. 단일채널 탄성파탐사에는 수신한 반사파의 강약을 흑백으로 기록지에 표시하는 아날로그 방식과 신호를 디지털로 수록하는 방법이 있다. 한편, 다중채널 탄성파탐사는 탐사선의 선미에 여러 개의 수진기가 달려 있는 스트리머 케이블을 인하며 수행하는 스트리머 방식과, 해저에 여러 개의 수진기가 달려있는 케이블을 설치하고 수신하는 베이케이블(bay cable)방식이 있다.

(3) 탐사심도

탐사심도는 사용하는 음원, 수신 방법 및 분포하는 지층에 따라 다르다. 단일채널 탄성파탐사는 해저의 다중반사(수심의 2배 깊이)가 1차적인 기준이 된다. 한편 다중채널 탄성파탐사는 퇴적층이 두꺼운 곳에서는 2000~3000m 까지 가능하다. 단, 탐사심도가 깊어지면 해상도가 저하된다.

(4) 측정․해석으로부터 얻는 정보

취득한 탄성파탐사 기록으로부터 기반암층의 분포 및 심도 그리고 퇴적층의 구조와 단층, 습곡 등의 지질구조를 파악할 수 있다.

(5) 사용 기기

개념도에 나타낸 바와 같이 탐사선에는 배 위치측정 장치(GPS 수신기 등), 발파를 위한 음원 발생장치(발전기나 고압공기압축기), 자료기록 장치를 탑재한다. 선미에서 음원 및 하이드로폰이나 스트리머 케이블을 예인한다.

(6) 조사 방법

탐사선에 장비를 탑재하고, 3~4knot의 속력으로 일정 간격으로 음파를 발생시키면서 계획된 측선상을 항해하며 조사한다. 베이케이블 방식은 해저에 케이블을 설치하고, 케이블의 바로 위로 음파를 발생시키면서 이동하고, 관측선으로 반사파를 관측 기록한다. 해저면 하부로부터의 미약한 반사신호를 관측하기 때문에, 탐사선의 엔진 잡음, 스크루 잡음, 파랑, 조류 등에 의하여 생기는 잡음과 전기 잡음을 얼마만큼 최소화하느냐에 따라 기록의 품질이 좌우된다.

(7) 적용상의 문제점

탄성파탐사의 기록은 왕복시간 단면이므로 지층의 P파의 전파속도를 이용하여 심도 단면으로 변환할 필요가 있다. 다중체널 탄성파탐사로는 속도를 산출할 수 있지만 단일채널 탄성파탐사로는 속도를 구할 수 없다. 음파검층 자료(P 파 속도)가 있는 경우는 이 값을 이용하여 심도 단면을 작성하지만, 없는 경우는 해수 중의 전파속도를 유추하여 심도 단면도를 작성하는 방법이 있다. 해역에 따라서는 해저면 하부로 음파가 투과되기 어렵다. 이때는 해저면 하부의 정상적인 반사기록을 얻을 수 없다. 그 대책으로서 투과할 수 있는 큰 에너지의 음원을 사용하면 되지만 에너지가 큰 음원은 주파수가 낮아져 해상도가 저하되는 단점이 있다. 탄성파탐사 기록에는 해저면과 수면 사이에서 다중반사가 발생하거나 음원 및 수진기가 방향성이 없는 경우 등, 지질 정보 이외의 신호가 포함되는 경우가 있다. 다중채널 탄성파탐사는 자료처리시에 이러한 잡음을 줄이는 것이 가능하지만, 단일채널 탄성파탐사의 아날로그 방식으로는 어렵다.

 

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