탄성파탐사[개요, 굴절(refraction)법 탄성파탐사, 지층별 탄성파 속도, 반사법(reflection) 탄성파탐사, 표면파 탐사의 특징, 상시미진동 측정탐사]

탄성파 탐사는 지진탐사라고도 하며, 지반에 전파되는 탄성파를 이용하여 지하지반 매질의 밀도 및 탄성파 속도 등 물성 차이를 조사하는 대표적인 물리탐사법으로 굴절(refraction)법과 반사(reflection)법이 있다.

그 외에도 표면파탐사법(Rayleigh파 탐사)과, 전자파의 반사를 이용한 지표레이더(GPR), 음원․음향(acoustic or sonic) 방사의 ultrasonic acoustic radar까지, 전자파동의 전파현상이 탄성파와 유사하여 이 분야에 포함시키기도 한다.

4.2.1 굴절(refraction)법 탄성파탐사

굴절법 탄성파탐사는 지표나 시추공 내에서 화약발파나 spike로 소규모 인공지진을 일으키면, 발생된 탄성파가 지반내로 전파되어 탄성이 서로 다른 지층 경계면에서 반사․굴절․회절되는데, 이때 굴절되어 되돌아오는 모든 실체파 중 주로 P파를 지표의 측선에 배열된 수진기로 수진․측정한 탄성파 속도분포로, 지하의 지질구조와 지반의 역학성(암질) 등의 정보를 파악하는 탐사방식이다.

토목지반조사에서는 큰 에너지가 발생되는 발파법이 많이 활용되고는 있으나, 발파방식에 의한 제반 문제들을 고려하고, 또한 20m 이하의 얕은 심도에서는 비폭약진원인 weight drop․sledge hammer(중추낙하)․seis-gun 등 작은 에너지원의 stacking방식의 진동을 반복(중복) 발생시켜서 관측기록을 얻는 중합법이 많이 활용되는 경향이다.

이 stacking방식은 각 수진기에서 수진된 진동파형을 기억 가산한 평균 진동파형을 구하는 방법으로, 불규칙한 노이즈의 상승 효과로 동일시간 영역과 위상이 강조된 양호한 관측 기록을 얻을 수 있으며, 절토지․landsliding지역․시가지․철도 또는 도로와 같이 화약 사용이 곤란하거나, 사용이 제한되는 지역에서의 구조물 기초지반이나 노이즈가 많은 곳에서는 대단히 효과적인 방법이다. 그러나 적은 에너지원이므로 탄성파의 도달 거리가 짧아 긴 터널 등 깊은 심도 조사에는 부적당하며, 1매의 기록자료를 얻는 데에도 여러번 반복해서 기진해야 하므로 작업능률이 저하되어 관측비도 또한 증가하게 된다.

탄성파탐사의 해석은 관측결과 얻어진 기록에서, 초동전파 시간을 읽고 시간-거리의 주시 곡선을 작성하여, 탄성파 속도분포를 구하고 속도층 단면도로 표시하여, 표토나 풍화대층의 두께․기반암의 형상․암반내의 단층파쇄대 위치와 규모 등을 해석하고, 연관된 다른 조사 자료도 함께 검토하여, 지반의 탄성파 속도와 지질․지층의 역학성을 판정하게 된다.

4.2.1.1 지반 지층별 탄성파 속도

암반지층과 암석에서는 탄성파속도가 빠른 것은 단단하며 굳은 물체에서 탄성계수가 크고, 탄성파속도는 광물조성․입도․고결도․암석의 종류․2차절리․공극과 지하수의 유무․풍화변질 등에 의해 탄성파 속도의 변화폭이 결정되며 일반적으로 400～6,000m/s를 보인다.

4.2.1.2 일반적인 측선 계획

육상 지표탐사에서의 측선계획은 측선의 길이와 측선수 및 방향을, 조사목적에 알맞게 배치하여 해석 정밀도를 만족시킬 수 있도록 수진점과 음원의 간격 및 탐사심도를 설정하여야 하며, 이때 최대 수진거리는 심도의 7～10배정도 되도록 결정하고, 수진점 간격은 얕은심도와 깊은 심도를 고려하여 주로 5m․10m간격으로 하며, 기진점은 보통 수진점 6～12점마다(30～60m) 선정하게 된다.

측선상에 배열된 수진기(geophone)는 보통 12개 또는 24개를 사용하고, 설치된 일직선상의 수진기 들을 1spread로 하며, 계획된 측선은 여러 개의 spread로 분할하여 측정하고 주시곡선도를 작성한다.

지표의 수진기는 상하 진동성분의 속도형 geophone으로서, 고유주파수 10～40㎐ 정도가 일반적으로 사용되나, 물로 채워진 시추공 내부․물속․해상탐사에서는 hydrophone이 사용되며, 재래식의 downhole test에는 3성분 geophone이 사용된다.

측정기기는 24 channel 또는 48 channel 증폭기(amplifier)와 A/D(analog/digital)converter (변환기), 자료저장장치(magnetic tape recorder) 등의 일체형 기록장치로 관측한다.

4.2.1.4 탄성파 탐사의 기술업무

굴절탄성파탐사(발파법․중합법;stacking)의 기술업무로서, 굴절․반사․회절되는 탄성파 현상의 탄성파속도․반사계수로 지반지질 상황을 추정하는 대표적인 탄성파탐사에 적용하여 그 결과를 판정하는 고도의 전문지식과 경험이 복합된 물리 탐사의 기술업무이다.

4.2.2 반사법(reflection) 탄성파탐사

반사법은 지표부에서 발생된 탄성파가 음향impedance(탄성파속도×밀도)가, 서로 다른 지층경계면(반사면)에서 반사되어 되돌아오는 미약한 반사신호들의 전파시간 및 진폭변화 상황을 수진․기록해서, 지하 반사면의 심도분포로부터 복잡한 지질구조를 파악하는 것으로, 지하심부(수㎞)의 석유․천연가스 등 지하자원과, 대규모 지질구조를 탐사하기 위한 목적으로 발전되었다.

원리는 지표레이더(GPR)나 음향측심법(echo sounding)과도 유사하나, 반사법 탄성파탐사의 성과는 반사단면으로부터 지하구조를 시각적으로 판독할 수 있도록 이미지화 한 것이 굴절법과는 다소 다르다. 이는 CDP 또는 CMP(common depth 또는 mid point, 공심점 혹은 공통반사점) 중합(stacking)을 대상으로 하는 데이터 취득과, 전산기를 사용한 자료 처리가 3차원적인 자료획득 및 처리도 가능하게 하므로, 토목지반 지질분야에서는 천층 반사법과 시추공을 이용한 VSP(vertical seismic profiling) 및 토모그래피까지도 활용하고 있다.

4.2.2.1 천층반사법의 개요

천층반사법은 석유탐사에서의 심부 반사법과 구분하여, 지반조사와 같이 상대적으로 얕은 심도 탐사에 적용되는 것이며 육상․해상․수상탐사로 분류되나, 본편에서는 육상만을 취급하고 해양편에서 단일․다중 채널을 취급코자 한다.

반사파는 지층의 음향 impedance에 비례하여 반사의 강도가 결정되고, 속도의 역전층(고속도층 하의 저속도층)이 있는 경우에도 측정가능 하며, 왕복주시를 나타내는 반사시간 단면(반사의 pattern)으로부터 지질상황이나 지층의 연속성을 파악할 수 있으며, 단층과 같은 구조선의 낙차․규모․경사 등도 추정할 수 있다.

해석은 CDP중합 과정에서 얻어진 구간속도가 지층의 탄성파 속도와 근사하므로, 시간단면에서 반사면 해석으로 반사파의 초점을 찾게되고, 그 연속성과 패턴으로부터 음향적인 지층 구조로부터 심도추정이 가능해진다.

이에 더하여 시추공을 이용한 VSP와 이론적인 반사응답의 합성 반사파형을 사용하는 외에도, 주변의 기존지질조사 자료와 시추․물리검층 자료 등 지질 정보로부터 지질해석 단면을 작성하게 된다.

반사법은 조사지역의 환경조건과 지질구성 및 분해능에 적합한 자료 취득과 처리조건을 검토하여, 직선 또는 곡선으로 측선을 설정하고, 기진․수진 간격과 기진방법(폭약․비폭약)에 따른 기진 에너지와, 심도방향의 분해능 등에 관계되는 기진주파수는, 탐사심도까지 투과․반사되어 지표에 되돌아 올 수 있는 필요한 에너지 크기와, 작업 능률이나 비용 검토 ․수평 중합수․반사파의 S/N비 향상에 관계되는, 1회 기진에 대한 일련의 수진점 수 등의 검토를 거쳐 조사계획을 책정하고, 취득한 데이터에 포함된 미약한 반사신호는 강조하며, 잡음성분을 제거하는 기본처리와, 반사점의 위치를 보정하는 migration 처리도 할 수 있도록 해야 한다.

수진기는 1개소의 수진점에 복수로 설치하는 grouping 방식이 많이 채택되며, 이 수진기군의 중앙에서 기진하고, 측선 상에서 상대적인 위치 하에 측정 시스템을 이동하면서 데이터를 취득하는 반복전개와, 수진기군의 종단까지 그 연장상에서 기진하는 종단전개법이 있으나, 천층반사법탐사는 반복전개방식이 많이 쓰인다.

본 천층반사법은 지질구조탐사 이외에도, 퇴적구조 파악․복잡한 지질구조․활단층조사 등에 이용되고, 아주 얕은 천부를 대상으로 한 S파이용의 반사법으로, 지반개량 전후의 개량효과를 반사파의 진폭이나 속도 등을 이용하여, 물성을 해석․판정하는 수단으로 확대․활용되고도 있다.

4.2.3 표면파탐사

일명 Rayleigh파 탐사 또는 정상진동법이라고 하는 새로운 탄성파탐사 기법이며, 기본적인 이론적 배경이나 측정 시스템은 탄성파탐사와는 다르다.

이 탐사법은 지중에 전파되는 탄성파동(진동) 중 종파(P파) 및 횡파(S파)에 의해 합성된 표면파(Rayleigh파)는 큰 에너지를 지니고 있으며, 주파수에 따라 속도가 달라지는 분산현상의 속도분포에서, 지하구조와 지반의 역학적 성질을 추정하는 방법이다.

Rayleigh파의 구간속도가 횡파(S파)속도와 유사(0.92배)한 것에서 파장별로 표면파의 구간속도를 계산하여, 깊이 변화에 따른 횡파속도 변화를 유추해 낼 수 있으며, 또 Rayleigh파의 평균속도-심도곡선에서 불연속점을 찾아내어 지하의 이상 개소를 검출하여 지하 공동이나 매설물 조사와 S파 속도분포 단면을 얻는데 활용한다.

가. 표면파 탐사의 특징

∙비파괴적인 미진동 기진기(5kg부터) 진원이므로 안전하게 조사 가능하다. 

∙주파수 1Hz～10kHz 까지의 표면파를 1/1,000 간격으로 기진할 수 있어서 정밀도가 높고, 상세한 속도변화에 대응할 수 있다.

∙지반 중에 속도가 빠른 지층이 협재해 있어도 그 하부정보를 정확히 얻을 수 있다.

∙측정장치에 연산기(해석기)가 내장되어 있어서, 현장에서 즉시 탐사결과가 얻어진다.

∙좁은 스페이스(1점당 4～5m정도)에서도 직하의 지반상황 측정이 가능하다.

∙탐사심도 30～50m 정도면 일당 5점 정도의 측정이 가능하다.

나. 측정방법

기진기와 수진기를 직선상에 배치하고 측정심도 및 측정 대상층의 탄성속도에 알맞게 임의의 기진 주파수를 선정하여 단계적으로 지반에 진동을 주어, 각 주파수별로 전파되는 Rayleigh파 전파시간을 수신‧측정한다.

다. 이용분야와 탐사한계

Rayleigh파의 파동에 기초하여 평균 속도를 비파괴적으로 구하는 방법이므로, 심도와 광역 조사에는 한계가 있으나, landsliding․진동(지진)지반․성토․조성지반 등 매립층의 다짐도 판별 등 소규모 일반 지반조사와, 지하의 공동․매설물․유적․유구 조사에 효과적인 탐사법이다.

탐사한계는 기진기의 능력에 지배되고, 지반의 감쇠정수와 지형지세에도 영향을 받으므로, 산악지대나 광범위한 지역과 지하심부까지 조사하는 댐이나 터널의 광역조사에는 부적합하며, 전용의 휴대형 탐사기도 개발되어 있다.

4.2.4 상시미진동 측정

지반의 어느 곳에서도 어떤 원인에 의한 여러 성질의 미세한 진동이 발생되고 있으며, 그 중에서 0.5～20Hz 정도인 것을 상시미진동 또는 단주기 미진동․잡진동이라고 하며, 이는 지반내 실체파 중 S파(횡파)의 중복반사 현상이거나 표면파로부터의 영향이라고도 한다.

건물의 진동특성과 지진시의 지반거동 진동특성을 파악하여, 지진 방재대책을 수립하는데 이용되며, 측정기기는 지진시 지반의 특정주기와 상시미진동 특정주기가 비교적 상호 유사하기 때문에 고유주기 1초(주파수 1Hz) 정도의 수진기를 사용하나, 지반 진동성 중에 장주기 영역의 특성을 검출하기 위해서는 장주기 수진기(고유주기 10초 정도, 주파수 0.1Hz)를 사용하기도 한다.

측정은 보통 진동이 적을 때나 심야에 실시하고, 지반내의 측점에서 측정할 때에는 시추공 굴착과 시추기능사가 별도로 동원되어야 한다.

해석은 전산기를 이용해서 측정된 파형기록을 주파수 분석으로 해석하여, 지반 종별 판정(암반․사질․사력층 및 점토질)과 지반의 증폭특성 파악 등 지하구조 탐사에 이용되기도 한다.