쌍극자 지하수탐사에 관하여

우리나라의 지하수는 대부분 암반중에 발달하는 파쇄대 및 단층 등의 단열대를 따라 부존하는 간극수인 경우가 많으므로 파쇄대의 탐지는 국내 심층지하수탐사에 중요한 지침이다.

따라서 물리탐사는 지표지질조사 자료 및 원격탐사 선구조도를 기초로 하여 중․천부의 파쇄대 탐지 및 지하지질구조의 규명을 목적으로 전기비저항 탐사(쌍극자배열 및 Suhlumberger배열)가 이용되고 있다.

쌍극자 전기비저항탐사는 주 탐사지역의 예상 지질구조선에 가능한 한 직교하도록 측선을 설정하여야하고, 수직 전기비저항탐사는 쌍극자 탐사 결과를 참조하여 주요 목표지점(지하수부존 예상지점)에 대하여 실시하여야 한다.

 

전기비저항 탐사의 자료 해석은 모델링을 통한 역산법을 이용하며, 현장 자료의 정밀도 제고를 위하여 Booster기능이 있는 장비를 이용하며, 50㎝의 전극봉을 30㎝ 이상 지하에 설치하여 자료의 신뢰도를 높인다.

쌍극자 배역 전기비저항탐사의 경우 쌍극자 간격 a는 20m-30m, 가탐사 심도를 좌우하는 전극간격 전개수는 n은 10이며, 쌍극자 탐사의 측정자료 및 역산 결과는 각 측선에 대하여 현장 측정자료의 겉보기 비저항 가단면도, 계산된 이론자료의 겉보기 비저항 가단면도, 역산 결과 해석된 2차원 진비저항 분포도 순으로 나타낸다.

수직탐사는 쌍극자 탐사 결과 지하수부존 가능성이 높다고 판단되는 지역이나 쌍극자 탐사가 어려운 지역 등에 대하여 실시하며, 시추장비의 진입여부 등도 고려하여 시행한다.

1. 탐사방법 및 이론

물리탐사의 시행과정은 탐사자료의 획득, 획득된 탐사자료의 처리 및 자료의 해석으로 구분하게 된다. 통상 탐사자료의 획득은 탐사방법에 따라 자연발생적 또는 인공적으로 발생시킨 물리현상을 측정하는 과정으로 탐사 대상체의 물리적 특성으로 인하여 발생되는 이상반응 (anomaly)을 위치변화에 따라 측정하는 것을 말한다.

자료 획득 과정에서 측정된 반응치를 정리하여 자료해석을 보다 쉽고 편리하게, 그리고 정확하게 할 수 있도록 자료의 편집 및 각종 보정과 측정치의 잡음 (noise)을 줄이고 신호 (signal)의 질을 높이는 수치처리 작업 등을 자료처리라고 하고 주로 컴퓨터를 이용한다.

탐사자료의 해석은 자료처리 결과를 토대로하여 이론적 또는 경험적 분석을 통하여 탐사대상체 또는 지층의 위치, 크기 및 형태 등을 규명하는 것이다.

근래에는 수치해석법의 발달로 물리탐사 자료의 해석에 역해법 (inversion method)이 개발되어 탐사 대상체의 위치, 크기, 형태 및 물리적 특성 등을 역산 알고리즘을 이용하여 원하는 지하의 정보를 추출할 수 있게 되었다.

2. 전기비저항 쌍극자 탐사 (Dipole-Dipole Method)

탐사원리 : 도선의 전기저항 R은 그 길이 L에 비례하고 단면적 A에 반비례함은 잘 알려진 사실이다.

    즉,

결정질 암석내의 암반지하수가 배태되는 파쇄대의 탐지문제는 탐사대상이 2차원적 구조로 간주할 수 있으므로 1개 측선상에서 수평 수직탐사를 동시에 수행하는 2차원 탐사가 필요하며, 1차원 탐사 범주에 속하는 슐럼버저 또는 웨너 배열의 수직탐사의 경우에 비하여 쌍극자 배열 탐사는 연속적인 2차원 탐사이므로 국부적인 이상의 포착에 유력하다.

가) 자료처리 및 해석 (forward modelling과 inversion)

모델링이라 함은 측정된 현장자료와 지질적인 근거를 가지고 가상의 지하구조를 설정하고 이에 대한 이론적 측정치를 구하는 것을 말하며, 역산은 어떤 지하모형을 가정하였을 때 획득된 측정치와 현장자료를 비교하여 모형을 구성하는 변수들의 값을 도출해내어 지하구조를 계산함을 뜻한다.

따라서 모델링과 역산은 서로 대역의 관계에 놓여 있다. 이들을 실제 탐사과정에 비교한다면 모델링은 현장탐사에, 역산은 획득된 탐사자료를 해석함에 대응된다고 볼 수 있다.

본 탐사방법 자료의 정량적인 해석을 위해서는 forward modelling 에 의한 반복적 시행착오 방법 (trial-and-error)과 역산 (inversion)을 이용하는 방법으로 대별된다.

forward modelling을 이용하는 방법은 획득된 자료의 특성으로부터 해석자가 지하구조모형을 가상하고 가상의 지하구조에 대한 이론자료를 계산한다. 계산된 이론자료와 실제의 현장자료를 비교 검토함으로서 새로운 지하구조 모형을 가정하고 이에 대한 이론자료를 또 다시 계산한다.

역산을 이용하는 방법은 근본적으로 forward modelling을 통한 해석에서 해석자가 이론자료와 현장자료를 비교함으로서 새로운 지하구조를 가상하는 과정을 컴퓨터가 담당한다는 점에 그 차이가 있다.

즉 주어진 가상의 지하구조로부터 이론자료를 계산하고 그 이론자료와 현장탐사 자료간의 오차로부터 이 오차를 최대한도 줄일 수 있는 지하구조를 계산하며, 이러한 과정을 오차가 최소가 될 때까지 컴퓨터가 반복 수행한다.

역산을 이용하는 방법은 시간과 노력이 대단히 절약될 뿐 아니라 정확하다는 장점을 갖고 있다. 해석의 정확성을 유지하고, 지질적으로 의미가 있는 결과 도출을 위하여 평활화 제한을 가한 역산법과 forward modelling법을 병행 사용한다.

 

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