고심도 지하수조사

1. 전자기탐사의 원리

전자기탐사는 0.001～20,000Hz에 이르는 광대역 주파수의 자연전자장(자연장)을 에너지원으로 하며, 그 탐사심도가 수십Km에 달하기 때문에 심부금속광상, 지하수탐사, 지열탐사, 석유탐사, 지각구조의 연구 등에 널리 이용되어 온 방법이다. 깊은 가탐심도 때문에 본 탐사는 국부적인 이상대의 파악보다는 광역적인 구조 파악에 더욱 큰 비중을 두는 물리탐사 방법으로 이용되고 있다.

본 탐사는 자연장을 이용하므로 탐사를 위한 별도의 에너지원이 필요 없다는 장점이 있다. 또한 평면파로의 가정이 가능하므로 비교적 해석이 용이하다. 이에 반해 자연장을 이용하므로 신호가 대단히 미약하므로, 잡음에 약하고 시간적으로 그 방향 및 세기가 변한다는 약점이 있다.

그러나 광의의 의미에서는 자연장이지만 실제로는 대상지역을 중심으로 인공적인 신호로 해석될 수 있으므로 본 보고서에서는 인공적인 송신원이라고 판단하여 CSMT(Controlled Sources Magneto Telluric)탐사로 정의하였다. 실제로 약 1～2년 전에는 대잠수함용 송신원으로 극저주파의 인공 송신원이 존재하여 광역적인 수리지질구조 파악에 유용하게 이용되었으나 최근에는 송신 중단으로 극저주파를 이용한 탐사는 현실적으로 불가능하게 되었다.

본 CSMT탐사는 전술한 전기탐사와 마찬가지로 주파수를 이용하여 얻어지는 전기비저항값을 이용하여 수리지질구조를 파악하는 탐사법으로 본 탐사에서의 겉보기비저항은 지표면에 서로 수직 방향으로 측정된 전기장과 자기장의 비인 임피던스 Z를 사용하며, 겉보기비저항은 동일한 임피던스 Z를 보여주는 반무한공간의 진비저항으로 정의된다. 즉 주파수 f에 대한 겉보기비저항 ρa 및 위상차 φ 는 지표에서 측정한 서로 수직 방향의 전기장 E, 자기장 H의 비를 이용하여 다음식으로 계산될 수 있다.

ρa = 1/ µ ω⋅| Z |2 = 1/5f⋅| E/B |

φ = φE - φH

여기서, B : Magnetic flux density

µ : Magnetic permeability in vacuum

ω : Angular frequency

φE : E-field phase

φH : H-field phase 이다.

 

지하구조가 균질 1차원 구조인 경우 즉, 수평층서인 경우에 지표면에 수직으로 입사한 전자장에 대한 반응에 있어서 임피던스 Z는 항상 일정하며 전기 및 자기장의 측정방향에 관계없이 겉보기비저항은 동일하게 나타난다.

그러나 수평방향으로 전기전도도의 분포가 달라지는 2차원 또는 3차원의 경우에는 측정하는 방향에 따라 임피던스 Z와 겉보기비저항이 달라진다. 이와 같은 사실은 CSMT탐사자료 해석을 복잡하게 하지만 전장과 자장을 서로 수직되게 하면 지하 전기전도도 분포의 이방성(Anisotropy) 및 주향 방향을 얻을 수 있다.

조사에서는 전기비저항탐사의 보완적인 개념으로 전기탐사결과에 따라 지하 대수층의 발달상태 파악 가능성이 상대적으로 큰 측선에 대하여 심부지질구조 파악을 위한 CSMT탐사를 실시하였다. 이때 측정간격은 30m로 하였고, S/N(신호 대 잡음)비를 향상시키기 위하여 전, 자장의 배열을 바꾸어 가며 측정하였다.

2. CSMT 탐사자료의 해석

CSMT탐사는 주파수 영역 수직탐사에 속하므로, 저주파의 겉보기비저항은 심부 자료에, 고주파의 겉보기비저항은 천부 자료에 해당된다. 그러므로 슐럼버저배열 전기비저항수직탐사와 비슷한 방법으로 겉보기비저항을 도시하여 해석한다. 세로축은 겉보기비저항을 나타내며, 가로축은 주파수를 나타낸다. CSMT탐사가 쌍극자배열 전기비저항탐사와 같이 1개의 측선상에서 수행되었을 경우에는 2차원적인 해석을 위하여 겉보기비저항 가단면도를 작성한다. 이때 CSMT탐사자료의 가단면도상에서 가로축은 측점, 세로축은 깊이를 나타낸다.

탐사방법과 측선설계는 사업지구 전반에 걸친 세부지질조사 결과 및 Landsat과 Spot 위성 영상자료처리에 의한 선구조(Lineament)자료를 기초로 하였고 조사지역내에 체계적으로 배열되도록 측선을 설계한다.

본 용역에서의 물리탐사는 전기비저항탐사를 위주로 하였으나 가탐심도가 약 200m 내외이고 지표하 천부에 전도도가 높은 대수층이 존재하는 경우 그 이하 심도에 발달하는 대수층에 대한 해석에 오류가 나타나는 masking effect를 알아내기 위하여 이상대 발달이 크게 나타나는 쌍극자탐사 측선들에 대해 CSMT 방식의 전자기탐사를 병행하여 수행하면 된다.

이때 쌍극자배열 전기비저항탐사와 전가기탐사의 측선배열은 지하수의 유동통로로서의 지질구조대를 인지할 목적으로 가급적 인공위성 자료에 의한 선구조 방향에 수직되게 배열하였고, 전기비저항 수직탐사의 전극배열은 해당지점에 대한 1차원 깊이에 따른 진비저항값을 얻기 위하여 선구조 방향에 평행하도록 배열하면 된다.

3. 전자기탐사 이용

전자기탐사는 지표하 수 m 깊이부터 수 km까지 심도 변화에 따른 전기비저항 분포 특성을 거시적으로 관찰할 수 있는 탐사방법으로, 본 용역에서는 에너지원이 자연장인 MT탐사를 이용하였는데, 광의의 의미에서는 자연장이지만 실제로는 대상지역을 중심으로한 인공적인 신호로 해석될 수 있다.

본 탐사는 쌍극자배열 전기비저항탐사 및 수직탐사 결과에 대한 보완탐사의 개념으로 실시하고, 측선은 이상대의 발달에 크게 나타나는 쌍극자탐사 측선과 동일하게 배열한다.

CSMT탐사는 주파수 영역 수직탐사에 속하는데 사용주파수를 0～100,000Hz, 비저항값을 1～10,000ohm-m로 설정하였으며, 저주파의 겉보기비저항은 심부 자료에, 고주파의 겉보기비저항은 천부 자료에 해당된다.

대상지역의 대수층 특성 등과 연관된 수리지질학적 구조해석을 수행할 때에는 주로 제한된 관정 자료를 기초하여 기반암 심도, 대수층 심도 및 지하수 유동 방향등을 추정하여 이용하는 실정이다.

또한 지구물리탐사자료를 이용하는 경우에도 수리지질조사 결과와의 연관성에 대한 고려없이 탐사결과만을 별도로 제시하여 해석함으로써 조사자료를 이용한 객관적인 해석에는 제한성이 있어 왔다 (김강주, 1999).

물리탐사의 기법을 이용한 지하지질구조 파악은 지하 구성물질의 각기 다른 물성의 차이를 효과적으로 파악할 수 있는 방법을 이용함으로써 그 정확도를 높일 수 있는데, 지하수와 관련되어서는 지하의 전기적인 물성 차이에 의한 반응을 지표 또는 토모그래피 등의 기법을 이용 자하에서 측정하여 지하구조를 영상화 시키는 방법으로 전기비저항 탐사가 많이 이용되고 있다 (이기화 등, 1996; 정연문 등, 1998; 권일룡 등, 1999; 김건영 등, 1999).

우리나라와 같이 대수층이 불규칙한 파쇄대로 구성된 경우 지하수 물수지 분석을 위한 수리지질학적 수치모델을 구축하는데 기반암 심도 및 대수층의 구조 등이 가능한 한 정량적으로 제시되어야 함이 필수적이다.

주파수영역 전자탐사의 일종인 CSMT (controllde-source magnetotelluric)탐사를 쌍극자배열 전기비저항탐사 1개 측선에 대하여 복합적으로 실시하여 자료의 신뢰도를 높이고자 하였다. 현장에서 얻어진 전기비저항 탐사 및 CSMT탐사 자료는 역산처리하여, 시추공에 대한 전기비저항검층 자료와의 비교 해석을 통하여 시추공 및 그 주변의 심도별 전기비저항 값을 추출하였다.

수직탐사에 속하는 전자탐사로, 저주파수의 겉보기 비저항은 심부 자료에, 고주파수의 겉보기 비저항은 천부 자료에 해당된다. 본 탐사는 기본적으로 1차원 지하구조를 가정한 수직탐사를 목적으로 개발되었으나, 결정질암과 같은 경우 지질조건을 대상으로 한 1차원 구조를 찾기가 어려워 여러 측점의 수직탐사를 수행한 결과를 토대로 각 측선에 대한 2차원적 단면을 작성하여 해석한다.

전기비저항 탐사 결과 얻어진 비저항값의 상호비교를 위하여 C-4 측선에 대하여 복합탐사를 실시하였다. 사용된 IMAGEM 장비는 10Hz ~ 1kHz, 500Hz ~ 3 kHz 그리고 750Hz ~ 92 kHz의 세 부분의 주파수 대역을 이용하도록 되어있어, MT-1 측선의 6개 측점에 대해 이들 주파수 대역을 이용 각각 탐사를 실시할수 있다. 측선에 대한 2차원 비저항단면도 작성을 하기 전 단계로 1차원 탐사자료 중 주변의 잡음 (noise)에 의한 자료와 coherency가 매우 나쁜 자료는 편집과정을 통하여 제거하였고, Bostick inversion을 통해 1차원 MT sounding의 참비저항값을 계산하였다.

 

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