서 론
2차원 전기비저항 탐사는 2차원적 전기비저항 분포를 영상화하는 탐사기법으로, 현장 작업이 용이하고 해석 기술이 잘 정립되어 있어 다양한 분야에 널리 적용되고 있다(Cho, 2020). 일반적으로 2차원 전기비저항 탐사는 직선 측선을 따라 같은 간격으로 설치된 여러 측점에서 수평 및 수직탐사를 병행하여, 측선 하부의 전기비저항 분포를 영상화한다. 그러나 측선 양단의 하부는 감도가 낮아 추정된 전기비저항의 신뢰도가 낮아지는 문제를 안고 있다. 이러한 이유로 대부분의 전기비저항 해석 프로그램에서는 측선 양단 하부의 전기비저항 영상을 제시하지 않는다. 따라서 측선 양단의 전기비저항 영상을 얻기 위해서는 측선의 길이를 연장해야만 한다. 그러나 측선 양단의 전기비저항 분포에 대한 정보가 필요해도 현장 여건상 측선의 연장이 불가능한 경우가 종종 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 측선의 양단에 시추공을 굴착하고, 시추공 탐사자료를 획득하여 지표 측점에서 얻어진 통상적인 전기비저항 탐사 자료와 함께 해석하면 효과적으로 측선 양단 하부의 전기비저항 분포를 영상화할 수 있다. 특히 시추공 자료는 지표 탐사의 가탐심도 향상에 도움이 되며, 시추공 주변의 분해능 향상을 기대할 수 있다(Cho et al., 2023). 필요에 따라서는 측선 양단에 각각 2개의 시추공을 굴착하고 시추공 자료를 얻어 해석 결과의 신뢰도를 높일 수 있다.
시추공을 이용하는 전기비저항 탐사는 단일 시추공(single hole) 탐사 (Asch and Morrison, 1989; Tsourlos et al., 2003; Tsourlos et al., 2011), 시추공-시추공 토모그래피(cross-hole tomography) 탐사(Daily and Owen, 1991; Sasaki, 1992; Slater et al., 2000) 등이 있으며, 국내의 경우 두 시추공 사이 영역의 정밀 영상화를 위한 시추공-시추공 토모그래피 탐사가 가장 널리 적용되고 있다. 시추공-시추공 토모그래피 탐사는 시추공-시추공 자료가 가장 중요하며, 분해능 향상을 위하여 동일시추공(inline) 자료를 획득한다. 지표 근처의 전기비저항 분포를 파악하기 위한 시추공-지표(hole-to-surface) 자료가 얻어지기도 하지만, 대개 수행되지 않는다. 그러나 지표 탐사를 통하여 측선 하부의 전반적인 전기비저항 영상화가 주된 목적이며, 가탐 영역을 확대하거나, 분해능 향상을 위하여 추가적인 시추공 탐사를 수행하는 경우에는 시추공-시추공 토모그래피 탐사와는 달리 시추공-지표 자료도 최종 전기비저항 역산 결과에 지대한 영향을 미친다. 특히 단일 시추공 탐사가 추가되는 경우에는 시추공-지표 자료는 더욱 중요하다.
이 연구에서는 측선의 양단에 시추공이 존재하고, 지표 탐사와 시추공 탐사를 동시에 수행할 경우 효율적인 자료획득, 처리 및 역산 방법을 제시하고자 하였다. 또한, 수치자료에 대한 역산실험을 통하여 지표 탐사와 시추공 탐사를 병행하면 효과적으로 측선 양단의 정밀 영상화가 가능하다는 것을 확인하였다. 마지막으로 현장 자료에 대한 역산을 통하여 제시된 지표와 시추공 탐사법의 적용성을 검토하였다.
자료획득
2차원 전기비저항 탐사는 지표 측선을 따라 등간격으로 설치된 전극만을 이용하여 자료를 측정한다. 이때 전극 배열법은 배열의 분해능과 신호대 잡음비를 고려하여 선정되며, 일반적으로 국내의 경우 분해능이 높은 쌍극자-쌍극자(dipole-dipole) 배열이 가장 널리 사용되고 있다. 한편 2차원 전기비저항 탐사에서 측선 양단에 시추공이 존재할 경우, 시추공내 측점 간격은 지표 측점 간격을 고려하여 설정해야 한다. 측선의 양단에 시추공이 설치된 전기비저항 탐사의 경우에는 지표-지표 자료, 시추공-지표, 동일시추공 자료를 함께 역산하여 지하의 2차원 전기비저항 분포를 영상화한다. 따라서 시추공내 전극 간격은 지표 탐사의 모델링이나 역산에 사용되는 모델링 요소나 역산 블록(inversion block)의 크기를 고려하여 설정하는 것이 효과적이다. 시추공내 전극 간격이 지나치게 좁으면 자료의 수가 너무 많아져 자료획득에 불필요하게 많은 시간이 소요되며, 다른 영역에 비하여 시추공 주변의 전기비저항에 의해 역산결과가 좌우된다는 문제점이 있다. 일반적으로 지표에서의 측점 간격이 인 2차원 전기비저항 탐사 모델링에서는 요소의 수평방향 길이는 로, 수직방향 길이도 동일하게 설정된다. 따라서 시추공내의 측점 간격도 로 설정할 수 있다. 그러나 이 경우 시추공내 측점의 수가 지나치게 적어 시추공을 이용하는 의미가 퇴색되므로, 시추공내의 측점 간격은 가 적정한 것으로 판단된다. 일반적으로 지표 전기비저항 탐사의 가탐심도를 5라 하면, 시추공내에는 간격으로 10개의 전극이 설치된다. 만약 시추공이 5 보다 더 깊은 심도까지 굴착된 경우에는 지표탐사의 가탐심도 확보를 위하여 측점 간격이 2인 자료획득(double spacing measurement)이 필요하다.
우선 Fig. 1과 같이 측선의 양쪽 끝에 시추공이 굴착된 경우를 가정하자. 이 경우 시추공을 이용하여 시추공-지표, 동일시추공 자료 등을 얻을 수 있다. 시추공-지표 방식 자료획득에는 다양한 전극 배열을 적용할 수 있다. 그러나 시추공내의 전극은 지하에 위치하며, 측정 전위전극은 지표상에 위치하므로 전극 배열법에 따라서는 전위전극에서의 1차장이 너무 작아지는 문제가 생길 수 있다. 예들 들어 쌍극자-쌍극자 배열에서는 전류전극쌍과 전위전극쌍의 거리가 커지면, 이들이 모두 지표의 측선상에 위치하는 경우보다 거리에 따라 급격하게 신호의 크기가 작아져 안정적 자료획득이 어려워진다. 단극-쌍극자(pole-dipole) 배열을 적용하면 이러한 문제가 완화되지만 원거리 접지전극을 설치해야 하는 번거로움이 있다. 단극(pole-pole) 배열은 상대적으로 신호는 안정적이지만 분해능이 낮고, 원거리 접지의 어려움이 존재한다. 이러한 점을 고려할 때, 음의 전류전극(C2)을 측선의 반대편 끝에 설치하는 변형된 단극-쌍극자(modified pole-dipole) 배열이 효과적인 것으로 판단된다(Fig. 1). 변형된 단극-쌍극자 배열은 상대적으로 양호한 신호의 크기를 확보할 수 있으며, 분해능의 측면에서도 단극-쌍극자 배열과 유사하다는 장점이 있다.
Fig. 1
A schematic diagram of a hole-to-surface measurement when boreholes are drilled at either end of a survey line. A positive current electrode C1 is placed in one borehole and potential electrode pair is placed at the surface. A negative current electrode C2 is fixed at the opposite end of the survey line.
한편 동일시추공 자료는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 전류전극쌍과 전위전극쌍이 같은 시추공내에 위치하는 측정방법이다. 이 방법은 지표 탐사에서도 동일한 방식으로 이루어지며, 분해능을 고려할 때 쌍극자-쌍극자 배열이 효과적이다. 대개 시추공은 전기비저항이 낮은 공내수(borehole fluid)로 채워져 있으며, 이 경우 동일시추공 자료는 전류집중(current channeling)에 의한 공내수 효과(borehole fluid effect)에 의해 왜곡된다(Cho et al., 1997). 공내수 효과는 공내수와 주변 매질과의 전기비저항 대비가 클수록 증가하며, 전류원과 전위전극의 간격이 작을 때 큰 왜곡이 나타난다. 따라서 동일시추공 자료는 역산 이전에 공내수 효과에 의한 자료를 미리 제거하는 편집과정이 필요하다. 그러나 시추공이 주변 모암과 전기비저항 대비가 크지 않은 토사로 채워진 경우 공내수 효과는 크지 않으므로 별도의 편집 없이 역산해도 무방하다.
Fig. 3과 같이 측선의 좌우 양 끝에 각각 두 개의 시추공이 쌍을 이루어 설치된 경우, 자료획득은 시추공-지표, 동일시추공 방식과 시추공-시추공 방식으로 이루어진다. 시추공-지표, 동일시추공 방식의 자료획득은 하나의 시추공이 존재할 경우와 같은 방식으로 이루어진다. 시추공-시추공 방식은 하나의 시추공에 전류원을 고정하고, 다른 시추공에서 전위전극을 이동시키면서 측정을 수행한다. 다음 송신 시추공내의 전류원을 이동하고 앞의 과정을 반복한다. 이때 전극배열은 단극 배열이나 단극-쌍극자 배열이 주로 사용되며, 드물게 쌍극자-쌍극자 배열이 사용되기도 한다. 그러나 단극 배열은 분해능이 낮고 원거리 접지전극을 설치해야 하는 번거로움이 있다. 반면 단극-쌍극자와 쌍극자-쌍극자 배열은 1차 전위차가 0이 되는 무결합(null coupling) 문제(Lee et al., 2016)로 인하여 겉보기 전기비저항이 발산하는 어려움이 있으며, 자료편집이 복잡해진다. 이러한 문제를 회피하기 위하여 변형된 단극-쌍극자 배열이 고안되었다(Fig. 3). 변형된 단극-쌍극자 배열은 음의 전류전극(C2)을 두 시추공 사이의 지표 측점에 고정하고, 단극-쌍극자 배열로 자료를 획득하는 방법이다. 이 방법은 원거리 접지전극을 설치하지 않아도 되며, 무결합 문제도 효과적으로 완화할 수 있고 단극-쌍극자 배열과 같은 수준의 분해능을 보여 전기비저항 토모그래피 탐사에서 널리 사용되고 있다. 음의 전류전극(C2)은 Fig. 3에서와 같이 전위전극이 위치하는 시추공 직상부 측점이나 그 근처의 지표 측점에 고정한다. 한편 변형된 단극-쌍극자 배열은 대칭성이 없으므로 전류원과 전위전극이 위치한 시추공을 바꾸어 측정하는 역 시추공(reverse hole) 방식의 자료획득이 필요하다.
이상에서 기술한 바와 같이 측선의 양 끝에 시추공이 각각 2개이면 지표-지표, 시추공-지표, 동일시추공, 시추공-시추공 자료를 얻을 수 있다. 이 경우 자료의 수가 많기 때문에 측정시간이 길어지고, 불량한 자료를 제거하는 자료편집이 어려워지는 문제점이 있다. 그러나 측선 양단 하부의 전기비저항을 매우 정밀하게 영상화할 수 있다는 장점이 있다.
역산실험
2차원 전기비저항 탐사에서 시추공을 추가적으로 이용할 경우 그 효과를 알아보기 위하여 수치 모델링 및 수치자료에 대한 역산실험을 수행하였다. 우선 수치 모델링을 통하여 층서 구조내에 이상체가 발달한 단순한 모델에 대한 모델링 자료를 계산하고, 이들 수치자료에 대한 역산실험을 수행하여 시추공 자료가 역산결과에 미치는 영향을 분석하였다.
Fig. 4는 수치 모델링에 사용된 지하 모델과 전극 위치를 나타낸 것이다. 지표 측선은 길이 200 m, 측점 간격 5 m, 측점수 41개이다. 측선의 양단에 15 m 간격으로 깊이 50 m인 시추공을 가정하고, 시추공내에 2.5 m 간격으로 20개의 전극이 위치하는 것으로 설정하였다. 따라서 총 측점수는 121개이다. 지표-지표 측정에서는 최대 전극 전개수는 10인 쌍극자-쌍극자 배열을 적용하였으며, 가탐심도 확보를 위하여 측점 간격이 10 m인 2배 간격의 자료도 계산하였다. 각 시추공에서 위에서 설명한 전극배열을 각각 이용하여 시추공-지표, 동일시추공 및 시추공-시추공 방식의 자료를 계산하였다. 제1층은 두께 5 m, 200 Ωm인 건조한 표토층, 제2층은 중심점토의 영향을 고려하여 두께 5 m, 100 Ωm인 상대적 저비저항층, 마지막으로 500 Ωm의 기반암이 분포하는 것으로 가정하였다. 이상체는 수평방향 55~65 m, 깊이 10~25 m 구간과 수평방향 135~145 m, 깊이 5~10 m 구간에 10 Ωm의 전도성 이상체가 발달한 것으로 설정하였다. 또한, 측선 좌측에 수평방향 0~10 m, 깊이 17.5~27.5 m 구간과 측선 우측에 수평방향 185~200 m, 깊이 27.5~40 m 구간에 10 Ωm의 이상체를 가정하였다.
Fig. 5는 모델링을 통하여 계산된 지표 탐사 자료의 겉보기 전기비저항 가단면도이다. 우선 Fig. 5에 나타낸 측점 간격 5 m 자료는 측선 중앙부에 발달한 두 개의 전도성 이상체를 중심으로 저비저항 이상대가 잘 나타나고 있다. Fig. 5(b)의 측점 간격 10 m 가단면도에서도 이들 이상체에 의한 저비저항대가 이상체 근처에 발달하고 있다. 문제는 측선의 양단에 위치한 이상체에 의한 반응이 가단면도상에 뚜렷하게 나타나지 않는다는 점이다. 결과적으로 이들 자료만의 역산으로는 측선 양단에 위치한 이상대의 영상화는 기대하기 어렵다.
지표 전기비저항 탐사의 한계를 파악하기 위하여 지표에서 얻어진 단일 및 2배 간격의 쌍극자 배열 자료에 대한 역산을 수행하였다. 역산법은 ACB(active constraint balancing) 평활화 제한을 가한 최소제곱역산법(Yi et al., 2003)을 적용하였으며, 라그랑지 곱수는 0.05~1.0, 최대 반복계산횟수는 5회로 제한하였다. 최종 평균제곱근(root mean square; RMS) 오차는 1.0% 이하로 나타났다. Fig. 6은 역산을 통하여 추정된 지하 모델을 나타낸 것이다. 역산결과는 상부의 표토층, 상대적 저비저항 층인 제2층, 측선 내부에 발달한 저비저항대를 잘 영상화하고 있다. 그러나 예상한 바와 같이 측선의 양단에 발달한 저비저항대는 탐지할 수 없다. 측선 양단의 이상체를 영상화하지 못하는 것은 지표 자료만의 역산 결과에서 측선 양쪽 끝부분을 여백으로 처리하기 때문이 아니라, 이들 이상체가 탐사 측선의 가탐범위를 벗어나 있기 때문이다.
측선 양단의 전기비저항 분포 양상 파악이 어려운 지표 탐사의 문제점을 극복하기 위하여 제안된 시추공을 이용하는 방법에 대한 역산실험을 수행하였다. 우선 Fig. 4에서 측선의 좌, 우 끝에 시추공 H1과 H4만이 굴착된 것으로 가정하였다. 시추공의 깊이는 50 m이며, 공내 측점 간격은 2.5 m, 측점수는 20개다. 기본적으로 단일 및 2배 측점 간격의 지표 자료에 각 시추공에서 획득된 시추공-지표, 동일시추공 자료를 병합하여 역산하였다.
시추공-지표 자료는 시추공에 양의 전류전극을 위치시키고, 지표에서 인접 측점 사이의 전위를 측정하여 겉보기 전기비저항으로 변환한 자료이다. 이때 음의 전류전극은 시추공에서 가장 먼 지표 측점에 위치한다. Fig. 7은 시추공 H1에서 측정된 시추공-지표 자료를 나타낸 것이다. 우선 H1의 시추공 자료에서 전류전극이 천부에 위치할 경우에는 비교적 높은 겉보기 전기비저항값을 보이다가, 전도성 이상체의 영향으로 17.5 m 이상의 심도에서 약간 감소한다. 이후 전류전극이 심부에 위치할 경우에는 상대적으로 높은 겉보기 전기비저항을 보인다. 이러한 양상은 지표에 위치한 전위전극쌍이 시추공에서 가까운 경우에 뚜렷하며, 시추공에서 멀어지면 뚜렷한 변화를 보이지 않는다. 따라서 시추공-지표 자료는 역산에서 시추공 주변의 전기비저항을 보다 정확히 추정하는데 기여하며, 영역이 시추공 주변으로 국한되지만 가탐심도를 증가시키는데도 도움이 되는 것으로 판단된다.
Fig. 8은 H1 시추공에서 획득된 쌍극자 배열 동일시추공 자료의 겉보기 전기비저항 가단면도로, 측점 번호는 지표 측점 번호를 연결해서 부여하였다. 따라서 42번 측점은 시추공내 1번 측점에 해당한다. 얕은 깊이에 해당되는 가단면도 좌측에서는 제1층과 2층의 전기비저항인 100~200 Ωm를 보이며, 심도 22.5 m(측점 번호 50)에 저비저항 이상대의 발달을 의미하는 팔자 형태의 낮은 겉보기 전기비저항 이상대가 나타나고 있다. 이후 심부를 나타내는 측선 우측에서는 기반암을 의미하는 500 Ωm 이상의 겉보기 전기비저항을 보인다. 동일시추공 자료는 시추공 주변의 전기비저항 추정에 앞서 기술한 시추공-지표 자료에 비하여 더 큰 영향을 미치는 것으로 보인다.
단일 및 2배 측점 간격의 지표 자료, 시추공-지표 및 동일시추공 수치자료를 병합하여 역산실험을 수행하였다. 역산 변수는 지표 자료의 경우와 동일하게 설정하였으며, 사용된 자료의 수는 1055개, 최종 평균제곱근 오차는 1.9%로 나타났다. Fig. 9에 나타낸 역산단면은 제1층, 2층, 기반암의 층서구조는 물론 측선 내부에 발달한 전도성 이상대와 측선의 양단에 위치한 저비저항 이상대 등을 모두 잘 영상화하고 있다. 특히 측선의 양단에서는 시추공-지표 및 동일시추공 자료로 인하여 측선 내부보다 정밀하게 전기비저항을 추정하고 있다. 이는 시추공을 이용하는 방법이 측선의 양단에 위치한 이상대의 영상화에 상당히 효과적임을 의미한다. 그러나 수평방향 20~50 m 구간, 깊이 35 m 이상의 심부에 상대적 저비저항대가 출현하고 있다. 이 저비저항 이상대는 시추공 자료의 대칭효과(Tsourlos et al., 2011)에 기인한 역산잡음으로 해석된다.
한편 필요에 따라서는 측선 양단에 각각 2개의 시추공을 설치할 수 있다. 이 경우 독립적으로 시추공-시추공 토모그래피 탐사가 가능하므로 시추공 사이의 영역을 보다 정밀하게 영상화할 수 있다는 장점이 있다. 물론 앞서 기술한 바와 같이 측선의 양단에 1개의 시추공만을 사용해도 효과적으로 측선 양단의 전기비저항 분포양상을 파악할 수 있지만, 2개의 시추공이 있는 경우 더욱 정밀한 탐사가 가능하다. 여기서는 2개의 시추공이 굴착된 경우에 대한 수치실험 결과를 기술한다.
Fig. 4에 나타낸 전기비저항 모델에 대하여 측선의 양단에 각각 2개의 시추공이 15 m 간격으로 굴착되어 있다고 가정하고 모델링을 수행하였다. 지표 측점 간격은 5 m, 시추공내의 전극 간격은 2.5 m로 설정하고, 모델링을 통하여 단일 및 2배 전극 간격 지표 자료, 시추공-지표 자료, 동일시추공 자료와 시추공-시추공 자료를 계산하였다. Fig. 10은 H1과 H2 시추공내 측점에서 얻어진 시추공-시추공 자료를 나타낸 것으로, 가로축은 수신 시추공내 전위전극쌍 위치, 세로축은 송신 시추공내 전류전극 위치이다. 따라서 도면의 좌상부는 천부, 우하부는 심부의 겉보기 전기비저항을 나타낸다. Fig. 10에서 빨간색으로 표시된 자료는 무결합에 의해 왜곡된 것으로 판단되어 역산에 사용하지 않은 자료이며, 대개 도면의 우하부에 집중된다. 즉 전류전극보다 깊은 심도에 전위전극쌍이 위치할 경우에 무결합 문제가 빈번히 발생한다. 이 영역에서는 지표에 위치한 C2의 영향이 작아 1차 전기장이 수신 시추공에 거의 수직한 방향을 보이기 때문이다. 무결합 영역에서는 거리계수가 너무 커서 겉보기 전기비저항이 발산하는 경향을 보인다. 이러한 겉보기 전기비저항의 거동 특성은 역산결과의 신뢰도를 저하시킬 뿐 아니라 역산을 불안정하게 한다. 따라서 이들 자료는 역산 이전의 자료편집 과정에서 제거해야 한다. 이 연구에서는 1차 전위가 매우 낮고, 측정전위가 일정값 이하인 자료를 자동으로 제거하는 방법을 통하여 무결합에 의해 왜곡된 자료를 편집하는 방법을 채택하였다.
단일 및 2배 측점 간격 지표 자료, 시추공-지표 및 동일시추공, 시추공-시추공 자료를 통합하여 역산실험을 수행하였다. 역산 변수는 지표 자료의 경우와 동일하게 설정하였으며, 사용된 자료의 수는 2303개, 최종 평균제곱근 오차는 1.6%로 나타났다. Fig. 11에 나타낸 역산 단면에서 제1층, 2층, 기반암의 층서구조는 물론 측선 내에 발달한 전도성 이상대와 측선의 양단에 위치한 저비저항 이상대가 모두 잘 영상화되고 있다. 특히 측선의 양단에서는 시추공-지표 및 동일시추공 자료로 인하여 측선 중앙부보다 정밀하게 전기비저항을 추정하고 있다. 이는 시추공을 이용하는 방법이 측선의 양단에 위치한 이상대의 발달 여부 파악에 효과적임을 의미한다. Fig. 9에 나타낸 측선 양단에 각각 1개의 시추공이 있을 때 수평방향 20~50 m 구간, 깊이 35 m 이상의 심부에 나타나던 상대적 저비저항대도 Fig. 11에서는 나타나지 않고 있다. 이는 H2 시추공에서 얻어진 동일시추공 및 시추공-지표 자료에 의한 영향으로 해석된다.
시추공내의 전극 간격은 탐사의 효율성과 직결된다. 전극 간격이 좁을수록 분해능이 향상된다는 장점이 있으나, 자료의 수가 급격히 증가하고 시추공-시추공 자료획득 시 측정 신호의 크기가 작아지는 문제점이 발생한다. 또한, 전극 간격이 좁을 경우 모델링과 역산에서 요소의 개수가 지나치게 많아져 계산시간이 증가한다는 문제점이 있다. 더욱이 시추공-시추공 자료의 경우 무결합에 의해 왜곡된 자료가 많아져 자료편집도 어려워진다. 물론 전극 간격을 너무 넓게 설정하면 시추공 탐사를 수행하는 의미가 훼손되므로 전극 간격의 최적화는 시추공을 이용하는 전기비저항 탐사에서 매우 중요하다. 수치실험 결과 시추공내 전극 간격은 지표 측점 간격의 1/2 정도면 충분하며, 전극 간격을 더 좁게 설정한다 해도 역산 영상이 더 정밀해지지는 않은 것으로 나타났다. 물론 이러한 결과는 지표 자료 및 시추공 자료의 통합역산에 국한되며, 시추공간 토모그래피 탐사를 독립적으로 수행할 경우에는 별도의 분석이 필요하다.
현장 적용 사례
저수지 안전진단에서는 대개 제체의 마루부에서 2차원 전기비저항 탐사가 수행되고 있다 (Johansson and Dahlin, 1996; Park et al., 2005; Song et al., 2005). 저수지 양안의 접합부는 서로 다른 물성을 갖는 원지반과 제체가 연결된 부위로 누수 가능성이 큰 것으로 알려져 있다. 그러나 제체와 평행하게 설정된 전기비저항 탐사 측선은 급격한 지형 변화, 도로 및 여수로와 같은 구조물로 인하여 제체 내부에 국한되며, 결과적으로 접합부의 전기비저항 분포에 관한 충분한 정보를 제공하지 못한다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 경기도 파주에 위치한 미장 저수지에서 지표 및 시추공 전기비저항 탐사를 수행하였다. 지표 측선의 길이는 132 m, 측점 간격은 3 m, 지표 측점수는 35개이다. 제체 양 끝에 12 m 간격으로 2개의 시추공을 굴착하였다. 이들 시추공은 깊이 14 m이며, 각 시추공에 2 m 간격으로 7개의 전극을 설치하였다(Fig. 12).
지표 측선에서는 쌍극자-쌍극자 배열을 적용하여 단일 및 2배 전극 간격의 자료를 획득하였다. Fig. 13(a)는 단일 전극 간격, (b)는 2배 전극간격 겉보기 전기비저항 가단면도이다. 각 시추공에서는 동일시추공, 시추공-시추공, 시추공-지표 자료를 각각 획득하였다. 동일시추공 탐사는 쌍극자-쌍극자 배열을, 시추공-시추공과 역 시추공 및 시추공-지표 자료는 변형된 단극-쌍극자 배열을 적용하였다. Fig. 14는 H1 시추공에서 여러 방식으로 얻어진 자료의 일부를 나타낸 것이다.
마장 저수지에서 획득된 지표 자료와 시추공 자료를 병합하여 역산을 수행하였다. 역산법은 앞선 수치자료에 대한 역산실험에서와 마찬가지로 ACB 평활화 제한을 가한 최소제곱역산법을 적용하였으며, 라그랑지 곱수는 0.05~1.0, 최대 반복계산횟수는 5회로 제한하였다. Fig. 15(a)는 지표 자료만을 사용한 역산결과이며, (b)는 지표와 시추공 자료를 병합한 자료의 역산결과이다. 지표 자료만을 역산할 경우, 비록 역산에서는 측선 양단 하부 영역의 전기비저항도 추정하지만, 그 신뢰도가 현격히 떨어지므로 역산 영상에 제시하지 않는다. 반면 시추공 자료를 포함한 역산 단면은 측선의 양단까지 영상화하고 있다. 따라서 시추공을 이용한 전기비저항 탐사법은 측선 양단의 전기비저항 분포에 관한 정보를 제공해 준다는 절대적 장점이 있다. Fig. 15(a)와 (b)는 측선 중앙부의 전기비저항 분포는 비슷하나, 시추공이 위치한 측선의 양쪽 끝부분은 확연한 차 이를 보인다. 측선 양단에서 수행된 시추조사 결과, 12 m 이상의 깊이에서 단단한 풍화암이 나타난 점을 고려할 때 시추공 자료를 함께 사용한 역산결과가 실제 상황에 더 부합하는 결과를 제시하는 것으로 해석된다.
앞서 기술한 사례와 유사하게 안전성을 파악하기 위하여 전라남도 곡성군에 위치한 수곡 저수지의 제체 마루부에서 얻어진 전기비저항 탐사자료를 역산하였다. Fig. 16(a)는 지표 자료, (b)는 지표 자료와 시추공 자료를 함께 역산하여 얻어진 전기비저항 단면이다. 이 조사에서도 2배 전극 간격의 자료가 획득되었으므로 가탐심도는 측점 간격의 10배인 30 m로 설정하였다. 시추공은 4번, 8번, 47번과 측선의 우측 끝인 51번 측점에 위치한다. 시추공의 깊이는 모두 12 m, 시추공내 측점 간격은 2 m이다. 시추공이 측선의 가장자리가 아니라 측선 내부인 4번과 8번 측점에 위치하므로 측선 좌측의 영상화 영역은 지표 탐사만을 수행한 경우와 같다. 반면 측선 우측에서는 시추공이 측선의 우측 끝에 위치하므로 51번 측점 하부까지 확장된 영상을 나타내었다. 지표 자료만의 역산결과(a)와 지표와 시추공 자료 역산결과(b)는 전반적으로 유사한 전기비저항 분포양상을 보이지만, 시추공 인접 영역에서는 상당한 차이를 나타내고 있다. 이는 시추공 주변의 영역은 시추공을 이용한 자료의 모델 분해능이 지표자료에 비하여 월등히 높기 때문으로 해석된다.
결론 및 토의
2차원 전기비저항 탐사는 측선 하부의 전기비저항 분포를 영상화하는 탐사기법으로, 현장 작업이 용이하고 해석 기술이 잘 정립되어 있어 다양한 분야에 널리 적용되고 있다. 그러나 측선 양단의 하부 영역은 지표 탐사 자료의 가탐영역을 벗어나기 때문에 전기비저항 영상화가 제한되며, 대부분의 전기비저항 해석 프로그램에서는 이 부분의 영상을 제시하지 않는다. 이러한 문제점의 근본적인 해결방안은 측선의 길이를 연장하는 것이지만, 현장 여건상 측선 연장이 불가능한 경우도 종종 발생한다. 이 연구에서는 이러한 문제점의 해결방안으로 측선의 양단에 시추공을 굴착하고, 시추공-지표, 동일시추공 자료를 획득하여 지표 탐사 자료와 함께 해석하는 방법을 제시하였다.
지표 자료와 시추공 자료를 함께 획득할 경우, 시추공내 측점 간격은 지표 측점 간격을 고려하여 설정해야 한다. 시추공내 전극 간격이 지나치게 좁으면 자료의 수가 너무 많아져 자료획득에 불필요하게 많은 시간이 소요되며, 다른 영역에 비하여 시추공 주변의 전기비저항에 의해 역산결과가 좌우된다. 시추심도를 지표 전기비저항 탐사의 가탐심도인 5로 가정하면, 시추공내에는 측점간격 로 10개의 전극을 설치하는 방법이 추천된다. 동일시추공 자료는 쌍극자-쌍극자 배열을 적용하는 것이 효과적인 것으로 판단된다. 다만 공내수와 시추공 주변 모암과의 전기비저항 대비가 큰 경우에는 공내수 효과가 발생하므로 유의해야 한다. 시추공-지표 자료획득에는 변형된 단극-쌍극자배열이 추천된다. 이 배열법에서 전위전극은 지표에, 양의 전류전극은 시추공에, 음의 전류전극은 측선의 끝에 위치한다. 측선의 양단에 각각 2개의 시추공이 존재하는 경우에는 시추공-시추공 자료가 추가된다. 이 경우에는 변형된 단극-쌍극자 배열이 추천되며, 배열의 비대칭성 때문에 역 시추공 자료도 추가되어야 한다. 특히 시추공-시추공 자료는 무결합 문제가 발생하므로 자료획득 및 편집과정에 세심한 주의가 요구된다.
측선 양단 하부에 위치한 이상대의 파악을 위해서는 양단에 위치한 시추공을 이용하는 것이 효과적이다. 측선의 양단에 각각 하나의 시추공만 있어도 이상대의 위치와 범위는 물론 전기비저항 값을 비교적 정확히 추정 가능하며. 측선 양단에 각각 2개의 시추공이 있다면 보다 정밀한 해석이 가능한 것으로 나타났다. 한편 시추공을 이용한 탐사는 시추공 굴착 및 전극 설치 비용, 자료의 수 증가에 따른 자료획득 및 해석에 소요되는 시간 증가, 자료편집의 어려움을 감수해야 하므로 탐사 목적과 주어진 예산 범위를 고려하여 적절하게 대처하는 지혜가 필요하다.
