탄성파 토모그래피

탄성파 토모그래피 탐사법

(1) 원리

지표, 시추공 및 수평 갱도 등을 이용하여 탐사 대상 영역을 둘러싸도록 발파점과 수진점들을 설치하고, 발파점에서 생성된 탄성파를 많은 수진점에서 측정하여 초동 주시를 이용하는 탐사법이다. 초동주시를 이용하여 지반의 속도 구조를 해석한다. 지표 굴절법 탄성파탐사와 비교하여 대상 지반 단면에 대한 속도 분포 해석에 높은 정밀도를 기대할 수 있다.

(2) 탐사 종류

탄성파 토모그래피는 이용되는 탄성파의 종류나 정보에 따라 다양하게 분류되고 있고, 그 일례를 들면 다음과 같다.

<표 6.6-1> 탄성파 토모그래피의 분류 표

사용한 탄성파	이용 목적
자연 지진	지진학 분야에서의 대규모 지반의 속도 구조 해석과 진원의 위치 규명
인공 탄성파	탄성파의 초동 주시 탄성파 초동 부분의 진폭 탄성파의 (완전)파형	지반의 자세한 속도 구조 해석 지반의 진폭 감쇠 매개변수 분포의 해석 지반의 속도 분포나 속도 경계 등의 추출

이 중에서 토목 분야에서 실용화가 되고 있는 기법은 인공 탄성파를 발생시키고, 초동 주시를 이용하여 지반의 자세한 속도 구조를 해석하는 탐사법이다. 근래에는 2차원적인 탐사법뿐만 아니라, 3차원적인 탐사도 시도하게 되었다. 또한 동일 단면에 대해 시간 간격을 두고 탐사를 실시함으로써 시간의 흐름에 따른 지반 상황의 변화를 추출하는 시도도 이루어지게 되었다. 특히 토질 지반에 있어서는 S파를 이용한 탄성파 토모그래피도 실시하게 되었다.

(3) 탐사심도 및 분해능

탄성파 토모그래피에서는 발파점이나 수진점으로 둘러싸인 영역을 탐사 범위(대상 영역)라 한다. 일반적으로 대상 영역 내의 분해능은 발파점이나 수진점을 배치한 부근이 가장 높고, 그것들로부터 멀어짐에 따라 분해능이 저하된다. 또한 탄성파 초동의 파선(ray path)은 속도가 높은 부분에서 집중되며, 속도가 낮은 부분에서는 파선 밀도가 저하된다. 4각형의 영역을 ‘ㄷ’자형으로 둘러싸는 경우는 발파점이나 수진점을 둘 수 없는 부분에서 파선 밀도가 저하될 뿐만 아니라 여러 방향에서의 파선이 통과할 수 없는 상황이 되기 때문에 왜곡(artifact)이 발생되기 쉽다. 따라서 탐사를 계획할 때에는 목적으로 하는 부분의 구조를 염두에 두어 중요한 부분에서 왜곡이 발생하지 않도록 발파점이나 수진점의 위치(즉, 시추공 등의 굴착 위치･심도)를 고려하여야 한다.

(4) 측정․해석으로부터 얻는 정보

해석 결과 얻게 되는 탄성파 속도 분포도에서는 지층의 분포, 단층 파쇄대나 변질대의 분포, 공동의 분포 등을 탄성파 속도와 연관하여 추정한다. 또한 시간을 두고 반복 측정하는 경우에는 속도의 변화에 중점을 두고 그의 변화량의 크기나 변화된 부분을 감안하여 지반 상태의 변화를 일으킨 지질공학적․토목공학적인 원인 등을 해석한다.

(5) 사용 기기

발생원, 수진기, 그리고 기록 장치를 이용한다. 하나의 발파점에 대해 다수의 수진점에서 측정할 수 있으면서, 발생원으로는 다음 발파점까지의 이동이나 발파 시간 간격이 짧은 것이 탐사의 효율화나 정밀도 향상의 측면에서 바람직하지만, 탐사 대상의 크기, 발파점･수진점이 배치될 지표나 시추공, 수평갱도의 상황(시추공 공경이나 지하수의 유무, 지하수의 심도) 등 다양한 요소를 고려하여 적절한 장치를 선택할 필요가 있다. 특히, 초동 주시가 가장 중요한 자료이기 때문에 각 발파점 마다 영점 주시의 검출법에 대해서는 신중하게 검토할 필요가 있다. 또 시추공에 물이 없는 부분에 수진점을 배치할 경우에는 공벽 압착형의 수진기를 이용할 필요가 있다.

(6) 조사 방법

측정은 탐사 계획에 따라 발파점이나 수진점을 이동하면서 수행한다. 현지에서는 반드시 탄성파 기록을 출력하여 초동 도달시각 추출이 가능한지, 영점 주시가 명료한지를 점검한다. 또한 발파점과 수진점의 위치가 서로 반대되는 기록을 획득하여 초동 주시에 어긋남이 없는지를 점검한다.

(7) 해석 방법

해석은 일반적으로 반복법에 의하여 수행된다. 초기 모델(속도 분포 모델 또는 느리기(slowness) 분포모델)을 설정하고, 이 모델에 대한 모든 발파점․수진점 쌍에 대한 이론 주시를 계산하여 측정 주시와의 잔여 오차를 최소화하도록 모델을 수정한다. 이 작업을 반복하여 이론 주시와 측정 주시와의 잔여 오차가 허용값보다 충분히 작아지고 수렵되었다고 판단되면 반복 계산을 종료한다. 이 최종 모델로부터 해석 결과인 속도 분포 단면도를 작성한다.

(8) 적용상의 문제점

최종 속도 단면도에는 발생원․수진기 배열에 제한이 있거나 탐사 대상 단면의 내부에 큰 속도차가 있는 경우, 또한 대상 단면이 너무 커서 단면의 외부를 통과한 파선을 이용하여 해석하는 경우에는 왜곡이 발생될 가능성이 높다. 이와 같은 점에 충분히 유의하여 지질공학적, 토목공학적인 해석을 할 필요가 있다.

 

결과도

 

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