온도검층에 대하여

1 개요

전기검층은 전극배열 방법에 따라 여러 측정 방법이 있으나 여기서는 토목지질 조상서 대표적으로 이용되고 있는 노말 전기비저항검층(normal resistivity logging) 방식에 대해서 기술한다.

전기검층은 시추공을 이용하는 물리검층 중 대표적인 방법으로 역사가 가장 오래되었으며 그 사용 빈도 역시 높은 물리검층법이다. 전기검층은 지표에서 수행하는 전기탐사법의 원리를 시추공에 적용하여 시추공 주변 지층의 겉보기 비저항과 시추공 내에서 발생하는 자연전위를 측정하는 방법으로 지표 전기탐사법과 마찬가지로 전극배열(전류전극과 전우전극의 조합)의 차이에 따라 여러 방법이 있다.

전기검층법은 <그림 6.2-1>과 같이 (a) 전류․전위전극을 각각 하나씩 시추공 내에 설치하는 2극법의 노말법, (b) 전류전극 하나와 전위전극 한 쌍을 시추공 내에 설치하는 3극법 래터럴(lateral)법, (c) 전류전극과 전위전극을 각각 한 쌍씩 시추공 내에 설치하는 4극법이 있으며 토목지질 조사에서는 노말 방식이 표준으로 이용되고 있다. 자연전위(SP)검층은 (d)와 같이 지표와 시추공 내에 위치하는 전위전극에 대한 전위차를 심도에 따라서 연속적으로 측정한다.

노말 검층은 전극간격이 수십에서 수백 cm 인 것과 수 cm 정도인 것이 있는데, 토목지질 조사에서는 전자를 노말 전기비저항검층(또는 노말 전기검층), 후자를 마이크로 전기검층(<그림 6.2-1>의 (e) 참조)이라고도 한다. 노말 검층에서 전극간격은 보통 16 in(약 41cm)와 64 in(약 163cm)로 전자를 단노말(short normal), 후자를 장노말(long normal) 전기검층이라 하며 동시에 자연전위를 측정할 수 있는 손데가 보급되고 있다. 따라서 전기검층에서는 장비 제조회사에 따라 전극 간격이 두 개 또는 그 이상이기 때문에 전극배열이 다른 겉보기 비저항은 지층수과 자연전위를 동시에 측정할 수 있다.

지층의 전기비저항은 지층수의 전기적 특성이나 포화도, 공극률 등에 따라 크게 달라지기 때문에 주로 대수층 구간의 추정 등 지하수 조사에 많이 이용되며, 사질토에 비해 점성토가 전기비저항이 낮고, 풍화가 진행되었거나 균열이 많은 지층의 전기비저항이 낮기 때문에 지층 대비나 암상 변화를 추정할 수 있다. 전기검층에서 측정된 지반의 전기비저항은 전극배열, 공내수의 특성 등의 영향을 받기 때문에 겉보기 비저항이라 하며 지반의 참 비저항으로 환산할 때는 전극간격이 다른 여러 개의 겉보기 비저항 측정값과 표준곡선 등을 이용한다. 이와 같은 방법으로 계산된 전기비저항을 겉보기 비저항과의 구분을 위해 참 비저항이라 한다. 또한 자연전위검층은 시추공 내에서 발생하는 전기화학적 요인에 의한 전위나 유동전위를 측정하는 것으로 자연전위는 주로 공내수(이수)와 지층수의 경계, 투수층과 불투수층 경계에서의 염분농도 차이에 따라 변하기 때문에 지층수의 평가나 암상 평가에 이용된다.

2 적용 대상

1) 전기검층은 지층의 겉보기 비저항을 측정하는 것으로 전도성 지층이라면 어떠한 지층에 대해서도 적용할 수 있으며, 구조물 기초, 성토, 사면, 터널, 댐 등 토목지질 조사의 모든 분야에 적용할 수 있다. 적용 단계는 개략조사 단계로부터 정밀조사 단계까지 폭 넓게 이용될 수 있다. 2) 지층의 전기비저항 및 자연전위는 지층수의 전기전도도 특성이나 함수 포화도 차이에 많은 영향을 받으므로 지하수 조사에 적용할 수 있다. 특히 온천이나 관정개발, 터널 조사, 절토면과 사면 조사에서 지하수 유출 등의 평가에 적용된다. 3) 사질토와 점토와의 차이, 지층을 구성하는 광물의 차이, 또는 동일한 지층에서 풍화도의 차이 등에 따라 지층의 전기비저항이 달라지기 때문에 지질 층서 확인이나 암상 파악에 이용된다. 특히 시추코아를 채취하기 어려운 구간의 지층 판정에도 유용하다. 4) 전기검층은 시추공을 이용하기 때문에 조사 심도에는 제한이 없으며, 심부로 갈수록 분해능이 떨어지는 지표 전기탐사법의 정밀도 향상이나 탐사자료의 해석에 보완 자료로도 이용된다. 5) 시추공 내에서 실시한 그라우팅에 의한 개량 효과를 그라우팅 전⋅후에 전기검층을 실시하여 파악할 수 있다.

전기검층은 시추공 주변 지층의 겉보기 비저항을 심도에 따라서 연속적으로 측정하는 검층법으로 측정이 비교적 간단하고 비용도 저렴하며 천부에서 1,000m 정도의 심부까지도 쉽게 적용할 수 있어 토목지질 조사에서 모든 지반에 적용할 수 있다.

그림6.2-2은 다양한 지질의 전기비저항 분포를 나타낸 것으로 전기비저항은 지층을 구성하는 광물과 지층수의 전기비저항에 영향을 받는다. 일반적으로 광물의 전기비저항은 지층수의 전기비저항에 비하여 매우 높기 때문에 지층의 전기비저항은 지층의 공극률과 지층수의 전기전도도 특성에 주로 의존한다. 따라서 전기비저항은 공극의 크기나 형상, 분포 상태를 반영하는 암석 고유의 물성이므로 전기검층은 지층 대비나 지하수와 관련된 조사에 효과적인 방법이며 토질･지반조사, 지하수 개발, 터널 조사, 사면안정 조사 등에 많이 이용된다. 또한 터널 조사에서는 심도에 따른 암상의 변화, 풍화나 변질의 정도 파악, 지하수 용출 등의 지하수 상태 파악, 시공 기초의 암반평가 자료로 활용된다. 사면안정성 조사에서는 문제가 되는 파쇄대나 점토의 분포를 파악하는데 이용되며 주로 이들의 전기비저항이 작다는 점에 착안하여 검토한다.

전기검층은 개략조사 단계로부터 정밀조사 단계까지 적용하며 다른 물리검층과 원위치 시험을 함께 적용하는 경우가 많다. 유지, 관리단계에서는 <그림 6.2-2>와 같이 그라우팅에 의한 지반개량 효과 판정에 적용하는 경우도 있으며 이는 지층수의 전기비저항과 그라우팅 재료와의 전기비저항 차이가 크다는 점을 이용한 것이다.

3 탐사 계획 수립

가. 자료 검토

1) 검층을 계획할 때는 기존 자료를 충분히 검토하고 지층 구성이나 지하수, 굴착 상황 등을 파악하여 조사 목적과의 적합성 여부를 확인하고 적용성을 검토한다. 특히 전기검층은 지층․토층의 대비와 판정, 암상 변화 등의 정성적 평가가 주 목적이다. 2) 조사 목적에 따라서 공내수의 온도검층과 전기전도도검층, 음파검층 등의 각종 물리검층이나 전기탐사 등을 수행하고, 노두에 대한 전기비저항 측정, 코아 실에 대한 실내 시험(전기비저항이나 공극률, 함수비 등)들을 계획하는 것이 바람직하다.

 

현재 전기검층 자료의 해석은 심도에 따라 측정된 겉보기 비저항과 자연전위 곡선의 변화에 대한 정성적인 해석으로 조사 목적이나 대상 지반, 측정 조건을 파악할 필요가 있다. 특히 전기검층법만으로는 지질의 구분, 대수층의 투수계수, 용수량, 지반의 강도 특성 등의 정량 평가는 어려우므로 정량적인 평가를 위해서는 다른 조사 방법을 병행하여 수행해야 한다.

전기검층은 공내수가 없으면 실시할 수 없으며 지층의 함수 상태 등의 차이에 따라 지층의 전기비저항이 크게 달라지기 때문에 계획을 세울 때 공내 수위와 자연 지하수위 등의 기존 자료를 이용하여 추정해 둘 필요가 있다. 또한 지하수나 시추이수의 전기전도도 특성에 따라 측정 자료가 크게 영향 받거나 경우에 따라서는 측정할 수 없는 경우도 있다. 따라서 시추이수로 폴리머 계열의 첨가제를 사용하는지를 확인해야 한다.

조사 위치가 발전소나 변전소, 공장 등 고압 전류가 있는 부근에서는 지반 내로 흐르는 전류가 발생하는 일이 있으며, 측정 자료 중 특히 자연전위가 많은 영향을 받는 경우가 있기 때문에 이러한 장소에서 전기검층을 실시할 때는 사전 검토가 필요하다.

시추공 내에서 지하수의 유입․유출이 있는 위치에서는 공내수의 온도가 변하거나 공내수의 전기비저항 특성이 변하기 때문에 지하수 조사나 온천 조사에 있어서 전기검층은 대수층과 지층수 평가, 스트레너(strainer)를 설치할 경우에는 공내수의 온도검층이나 전기전도도검층을 함께 실시하는 것이 바람직하다. 또한 염수나 해수침투 우려가 있는 조사 지역에서는 전기검층 자료를 정확하게 평가하는 것이 어렵기 때문에 해수침투 위치나 지층수의 전기비저항 변화를 파악하기 위해 공내수의 전기전도도를 측정하는 것이 좋다.

터널 조사에서는 고밀도 전기탐사, 전기비저항 영상법 등으로 불리는 2차원 전기비저항 지표탐사법이 많이 적용되는데 지표탐사 측선 위에 시추공이 있는 경우, 탐사의 정밀도 향상 및 전기비저항과 지반 특성을 대비하기 위해서 전기검층을 가능한 한 지표탐사 전에 실시하는 것이 좋다. 또한 전기검층을 이용하여 암반의 풍화 상태 등을 파악하는 경우에는 역학적 특성을 평가할 수 있는 음파검층 등을 함께 적용하는 것이 좋다.

 

나. 검층 계획

3) 검층 계획은 결과의 신뢰성, 정밀도 또는 해석과 평가로 직접 연결되기 때문에 기존 자료들을 기초로 적용 조건을 정리하여 조사 목적에 일치하도록 해야 한다. 전기검층의 종류는 다른 물리탐사에 비해 적지만 전극 간격과 전극 배치, 시추공 환경(케이싱 유무, 공내수의 수위, 공경 등)에 대해 적용 가능한가를 검토한다.

노말 방식의 전기검층 계획을 세울 때 전극 간격이 일반적인 것이 좋은지 아니면 짧게 할 것인지, 또는 원거리 전위 및 전류 전극의 위치 선정과 측정 환경 등을 검토한다. 전극 간격은 보통 16 in(약 41 cm)와 64 in(약 163 cm)를 이용하며 장비 제조회사에 따라서 다른 전극 간격을 채택하기도 하나 활용할 수 있는 기존 자료가 많이 때문에 16 in와 64 in의 전극 간격을 많이 이용하며 얇은 층이나 지층 경계의 정확한 위치 파악 등을 목적으로 한 조사에서는 전극 간격이 2.5cm나 5.0cm 인 마이크로 전기검층을 이용한다. 또한 측정 환경으로서 시추공 조건인 공경, 공내수의 성질, 공내수의 온도(지온), 심도등에 대하여 적용가능한지를 검토한다. 특히 전기 검층은 나공에서 실시하는 것이 기본이므로 연약지반, 산사태 지대, 암반 파쇄대 등 시추 공벽의 붕괴 위치에서는 케이싱을 뽑아내면서 측정하거나 개구율 약 5% 이상의 스트레너를 설치한 PVC 케이싱을 대신 삽입해 측정하도록 한다.

4 자료획득

가. 측정장비

1) 전기검층의 측정장비는 일반적으로 손데, 케이블 윈치, 심도기록기, 지표의 제어장비, 지표 전극, 전원 등으로 구성된다. 이들 장비의 작동 상황은 사전에 확인한다.

노말 방식의 전기검층 장비는 ① 연속적으로 측정하면서 자동적으로 겉보기 비저항을 계산하는 장비와 ② 전기탐사용 장비를 이용하여 시추공 내 일정한 심도에서 측정하는 장비가 있다. 일반적으로는 전자가 이용되며 기본적인 장비 구성은 <그림6.2-4>와 같다.

손데는 시추공 내에 삽입하는 전극을 장치한 것으로 전류전극과 여러 종류의 전극 간격을 갖고 있는 전위전극이 배열되어 있다. 케이블 윈치는 지표의 제어 장비로부터 전류나 손데로부터의 전기 신호를 송신하는 케이블과 이것을 감는 윈치로 구성된다. 심도기록기는 케이블이 잘 감길 수 있도록 길잡이 역할을 하는 도르래에 부착되어 있으며 손데의 심도는 회전수를 이용하여 측정한다. 또한 지상 제어장비는 검층시스템의 본체로, 주로 손데로 송신하는 전류 발생 회로와 전위 측정 회로(겉보기 비저항이 자동적으로 환산됨)와 저장 장치(아날로그 기록계, 디지털 기록계)로 구성된다. 최근에는 디지털 방식의 측정 장치가 많이 이용되고 있으며 손데 내의 회로에서 겉보기 비저항을 계산하고 A/D 변환이 된 신호를 지상의 제어장비로 전송한다.

마이크로 전기검층 장비는 전극 간격이 2~10 cm 정도로 매우 짧으며 전동식 팔(arm)이나 활 모양의 스프링을 이용하여 고무패드(pad)에 설치된 전극을 공벽에 밀착시켜 측정한다.

 

나. 측정 준비

2) 지표에 설치하는 전극 중, 전위전극은 시추공 부근에, 전류전극은 시추공에서 20m이상 떨어진 적당히 습한 장소에 설치한다.

지표에 설치하는 접지 전류전극(B)과 전위전극(N)은 다른 전극으로부터 무한히 먼 곳에 배치하는 것을 원칙으로 하지만 그 영향을 무시할 수 있는 거리는 20m 정도가 된다. 따라서 이 거리를 기준으로 전극 B와 전극 N을 설치한다. 또한 설치 지점이 건조하면 접지저항이 매우 높아져 측정 자료에 오차가 발생하기 쉬워지므로 각각의 전극을 충분히 습한 곳에 설치하든가 건조한 곳에서는 물이나 소금물을 충분히 뿌린 후에 접지한다. 이때 전극을 연결하는 전선의 단락 여부와 전극의 접지저항을 확인하는 것이 좋다. 더욱이 물이 흐르는 하천과 같이 유동전위의 영향이 있거나, 고압선 바로 아래와 같이 전기 잡음이 예상되는 장소는 피해야 한다.

또한 armed cable을 사용하는 경우에는 전극 B 또는 전극 N을 시추공 내에 설치하는데, 일반적으로 시추공에 삽입되는 손데의 상부에서 약 10m정도의 케이블을 고무 등으로 절연시키고 이를 N 전극으로 이용한다.

 

다. 측정

3) 손데를 시추공에 넣은 후 케이싱이나 지표 등을 기준으로 심도를 설정하고 손데를 시추공 바닥까지 내린 후 손데의 작동 상태를 확인한다. 손데를 올리면서 측정하며 중요 구간이나 자료의 질이 나쁜 구간은 반복 측정하여 자료의 반복성을 확인한다. 4) 측정 상황을 야장에 기록한다. 이수의 종류와 순환 후의 경과 시간, 이수의 전기비저항을 측정한 경우는 측정값과 온도, 시추공경, 공내수의 수위, 시추 심도, 케이싱의 종류와 설치 심도, 검층 속도, 시추공과 지표 전극과의 위치 관계 등을 기재한다.

전기검층은 지표에서 손데의 작동 여부를 확인한 후 손데를 내리거나 올리면서 측정하는데 대부분의 경우 손데를 올리면서 측정한다. 먼저 손데를 시추공에 삽입하고 시추공이나 지표 등을 기준으로 심도를 설정하고 시추공 상황을 확인하면서 손데를 내린다. 시추공 바닥에서 손데의 작동 상태를 다시 확인한 후에 손데를 올리면서 측정을 한다. 예를 들어, 충적부 하부에 화강암이 있어 전기비저항의 변화가 큰 경우는 측정값을 상용로그를 취하여 나타내는 것이 좋다. 전 구간에 대한 측정이 끝나면 중요한 구간이나 자료의 질이 낮은 구간에 대하여 반복 측정을 하며 전기검층의 전기비저항 자료와 동시에 측정되는 자연전위검층 자료의 반복성을 검토한다. 지층의 전기비저항과 자연전위 곡선은 다음과 같은 특징이 있다.

① 점토 지반은 사질토 지반보다 전기비저항이 낮다.

② 불포화 부분은 전기비저항이 높다.

③ 암반에서는 균열이 많고 풍화가 진행되고 있으면 전기비저항이 낮다.

④ 공내수에 해수가 혼합된 경우 지층의 전기비저항이 현저하게 낮아진다.

⑤ 철재 케이싱 구간에서 측정된 겉보기 비저항은 매우 낮다.

⑥사질토와 점토에 대한 전기검층에서 전극 간격이 다른 겉보기 비저항 곡선을 보면 사질토에서는 차이가 크지만 점토에서는 차이가 거의 없다.

⑦점토와 모래에서는 자연전위가 일정치 않고 다른 값을 나타내는 일이 많다.

 

자료 해석에 이용하기 위해 각종 측정 조건을 야장에 기록한다. 기록할 내용은 이수의 종류와 순환 후의 경과 시간, 이수의 전기비저항을 측정한 경우에는 측정값과 온도, 시추공의 공경, 케이싱의 종류와 설치 깊이, 시추 심도, 공내수의 수위, 검층 속도, 시추공과 지표 전극과의 위치 관계등이다. 이 중에서 이수의 전기전도도와 시추공경은 겉보기 비저항 곡선의 해석에 이용하며 공내수의 수위, 시추 심도, 케이싱의 종류와 설치 깊이, 검층 속도, 시추공과 지표 전극과의 위치 관계 등은 측정 자료의 품질 관리에 이용한다.

 

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