Research Article

Geophysics and Geophysical Exploration. 31 May 2026. 121-130
https://doi.org/10.7582/GGE.2026.29.2.121

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 3D전기비저항탐사에서 일반화된 기하학적 계수 유도

  •   균질매질에서 전기장

  •   전위차 측정 재정의

  •   1차 전기장 정렬 가상점

  •   1차 전기장 정렬 가상점 기반 일반화된 기하학적 계수

  • 일반화된 기하학적 계수의 검증

  • 결 론

  • 부록

서 론

겉보기비저항은 전기비저항탐사에서 가장 기본적인 개념이다. 이는 전극배열에 따라 달라지는 측정 전위차를 물리적으로 의미 있는 양으로 환산해 주며, 자료취득, 품질관리, 해석 및 역산을 연결하는 핵심 매개변수로 기능한다. Parasnis (1975)에 따르면, 겉보기비저항은 본질적으로 형식적 개념이며, 측정 가능한 물리량의 관점에서 보면 전위차를 표준화한 값으로 이해할 수 있다. 즉, 전위차를 표준화하는 방법은 겉보기비저항만이 유일한 것은 아닐 것이지만, 균질매질에서 진비저항과 일치한다는 성질 때문에, 실용적이고 유용한 표준화 방식으로 널리 사용되고 있다. 이 때문에 겉보기비저항은 현재까지도 자료처리와 해석에서 중심적인 역할을 수행하고 있다.

ERT는 천부지구물리탐사와 광물탐사 분야에서 널리 활용되어 왔으며, 대부분의 경우 2차원 모델과 직선형 측선, 그리고 공선형(collinear) 전극배열을 기반으로 수행되어 왔다. 이 경우 겉보기비저항 계산에 필요한 기하학적 계수의 정의도 비교적 단순하다. 그러나 탐사 대상 구조가 매우 불규칙한 형상을 가지거나 배경매질과의 전기전도도 차이가 큰 경우, 전류 흐름은 본질적으로 3차원적이 되며 지표에서의 전기장 방향도 더 이상 측선 방향과 일치한다고 보기 어렵다. 따라서 공선형 배열에서 측선방향 전위차만을 측정하는 기존 방식은 측정 위치에서의 수평 전기장 응답을 충분히 반영하지 못할 수 있다. 한편 실제 3차원 탐사에서는 지형 장애물이나 현장 접근성 문제로 인해 측선을 직선으로 유지하기 어려운 경우도 많으며, 그 결과 전위측정점의 배치가 비직선형이 되거나, 비공선형 전극배열이 사용될 수 있다. 이러한 조건에서는 측정된 전위차를 일관되게 표준화할 수 있는 일반화된 기하학적 계수를 정의할 필요가 있다.

Risk et al. (1970)Keller et al. (1975)는 bipole-dipole 계열 배열을 이용하여 전기장 성분 또는 전체장 크기를 측정하고, 이에 대응하는 겉보기비저항 정의를 제시하였다. 또한 Bibby (1977)는 겉보기비저항 텐서 개념을 도입하여 보다 형식적인 벡터형 해석 틀을 제시하였다. 그러나 이들 방법에서 사용된 겉보기비저항 또는 기하학적 계수의 정의는 대체로 특정 배열이나 특정 자료처리 방식에 한정되어 있었으며, 임의의 전극 방향에 대해 수평 벡터 측정에 적용할 수 있는 통일된 일반화 기하학적 계수로 정리되지는 못하였다. 한편 Szalai and Szarka (2008b, 2008c)는 지표 전기배열의 응답이 다차원적이며 배열 형상에 따라 크게 달라질 수 있음을 제시하였으나, 이들 역시 주로 배열 특성 분석과 탐사 설계에 초점을 둔 것이었다.

Jo and Cho (2025)는 3차원 전기비저항탐사를 위한 수평 전기장 성분 측정법과 전체장 기반 해석의 가능성을 제안한 바 있다. 그러나 그 연구는 측정 개념과 역산 활용 가능성에 초점을 둔 것이었으며, 전체장 크기에 대응하는 기하학적 계수는 충분한 이론적 배경 없이 가설적·잠정적인 형태로 제시되었다. 즉, 측선이 두 전류전극을 잇는 직선의 연장선상에 설정되는 통상적인 직선형 측선의 경우, 수평 전기장 크기에 기반한 겉보기비저항 계산에서도 기존 공선형 배열의 기하학적 계수를 그대로 적용할 수 있다고 가정하였다. 그러나 이러한 가정에 대한 물리적 정당화와 이론적 전개는 충분히 제시되지 못하였다. 따라서 비공선형 수평 측정에 대해 일관되게 적용 가능한 기하학적 계수를 어떻게 정의할 것인가는 여전히 남아 있는 핵심 문제였다.

이러한 문제를 보다 근본적으로 보면, 기존의 기하학적 계수는 공선형 전극배열을 전제로 하며, 전위전극쌍의 방향이 균질매질에서 전기장 방향과 일치한다는 가정을 암묵적으로 포함하고 있다. 기존 기하학적 계수가 적용되는 비공선형 배열의 특수한 경우(예: equatorial dipole–dipole)가 있는데, 이는 그 배열에서 전기장 방향 자체가 기하학적 구조상 자연스럽게 전극 배열 방향과 일치하기 때문이다. 그러나 임의의 수평 방향에서 측정된 전위차에 대해서는 이러한 가정이 일반적으로 성립하지 않는다. 따라서 기하학적 계수 정의에 사용되는 기준점은 단순한 전극배열의 형상보다도, 측정 위치에서의 전기장 방향에 정렬되어야 한다고 보는 것이 더 타당하다.

본 연구의 목적은 기존의 기하학적 계수 정의를 전혀 새로운 체계로 대체하려는 데 있지 않다. 오히려 기존의 선형 배열용 기하학적 계수 유도 과정에 암묵적으로 가정되었던 전위차 측정 방향과 1차 전기장 방향의 일치라는 물리적 전제를 명시적으로 일반화하는 데 그 핵심이 있다. 이러한 일반화를 통해 선형 측선이라는 제약에서 벗어나 임의의 위치에서 측정된 수평 벡터 데이터를 물리적으로 일관된 겉보기 비저항 값으로 전환할 수 있는 이론적 근거를 제시하고자 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 1차 전기장 정렬 가상점(primary field-aligned virtual points) 개념을 도입하고, 이를 기반으로 비공선형 수평 측정에 대해서도 물리적으로 일관된 자료 정의와 표준화 체계를 제공하는 일반화된 기하학적 계수를 제안한다.

3D전기비저항탐사에서 일반화된 기하학적 계수 유도

균질매질에서 전기장

균질하고 등방적인 반무한 매질에서, 두 전류전극(A​: source, B​: sink)에 의해 점 P에서 형성되는 전위 V0는 다음과 같이 표현된다.

(1)
V0(P)=ρ0I2π1RPA-1RPB

여기서 I는 주입 전류, 𝜌0​는 매질의 비저항, RQS 는 두 점 QS 사이의 거리를 의미한다. 이에 대응하는 전기장은 다음식과 같이 정의된다.

(2)
E0(P)=-V0(P)

식 (1)식 (2)에서 알 수 있듯이, 균질 등방 매질에서는 비저항 𝜌0와 전류 𝐼가 단지 크기만을 조절하는 인자로 작용하며, 전기장의 방향은 오직 전류전극의 기하학적 배치에 의해 결정된다. 즉, 일단 전류전극쌍의 위치가 주어지면, 유도되는 전기장의 방향 패턴은 매질의 비저항 𝜌0나 전류 𝐼 값과 무관하게 불변이다. 본 연구에서는 균질매질에서 전류전극 배치에 의해 형성되는 전기장을 1차 전기장(primary field)이라 하고, 이후에는 그 방향을 기준으로 논의를 전개하고자 한다. 1차 전기장의 개념은 Fig. 1에 제시된 등전위선과 전기장 벡터를 통해 이해할 수 있다. Fig. 2의 확대도는, 공선형 배열에서처럼 전위전극 위치가 두 전류전극을 잇는 직선상에 위치하는 경우 전기장의 방향과 일치하지만, 전위전극 위치가 측선에서 벗어난 구역에서는 해당 위치의 등전위선에 수직한 방향으로 전기장이 달라짐을 보여준다.

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Fig. 1

Electric field generated by a current dipole in a homogeneous half-space model. The source and sink poles are located at (80, 50) and (70, 50), respectively. (a) Equipotential contours at the surface. (b) Vector plot of the electric field distribution.

여기서 우리가 다시 생각해 보아야 하는 것은 식 (1)을 기반으로 하는 기존의 기하학적 계수의 유도는, 아주 중요한 부분을 명시적으로 드러내지 않고 있었다는 점이다. 즉 식 (1)을 기반으로 두 전위 전극에서 측정되는 전위차는 식 (1)로부터 직접 계산될 수 있으며, 형식적으로는 Δ𝑉 = (𝜌𝐼 / 2𝜋) 𝑓(R)와 같은 형태로 표현할 수 있다. 그러나 이 식이 성립한다고 해서, 이를 단순히 역으로 풀어 𝜌 = Δ𝑉(2𝜋) / (𝐼𝑓(R))가 항상 성립하는 것은 아니다. 이러한 역관계가 물리적으로 정당화되기 위해서는 𝑓(R)가 측정된 전위차를 일관되게 환산하는 함수로 작동하여야 하며, 그러기 위해서는 전위전극의 배치가 해당 위치에서 전기장 방향으로 정렬되어 있어야 한다. 공선형 직선측선에서는 이 조건이 자연스럽게 충족되므로 기존 기하학적 계수가 문제없이 사용되지만, 임의의 수평 방향 또는 비직선 측선 조건에서는 일반적으로 그렇지 않다. 따라서 기존 식을 단순한 대수적 역변환으로 사용하는 것은 올바르지 않으며, 비공선형 조건에 적용 가능한 일반화된 기하학적 계수를 별도로 정의할 필요가 있다.

본 연구에서는 기하학적 계수 유도에 사용되는 전위차가 단순한 측선 방향의 전극배열로 정의되는 것이 아니라, 해당 위치에서 전기장 방향에 의해 정의된 전극쌍 위치를 기준으로 이루어져야 한다는 점에 주목하였다. 이와 같은 관점에서, Fig. 2에 빈 마름모로 표시된 전기장 정렬 가상점은 일반화된 기하학적 계수를 구성하는 기준점 역할을 한다.

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Fig. 2

Enlarged view of the electric field directions from Fig. 1b. Blank diamonds denote the primary field-aligned virtual points used to define the generalized geometric factor. (a) At points along the line connecting the two current electrodes, the field direction coincides with this line. (b) At an off-line point, the field direction deviates and instead aligns perpendicularly to the local equipotential contours.

전위차 측정 재정의

이제 ERT에서의 전위차 측정 개념을 다시 생각해 보자. 현장에서 가장 널리 사용되고 있는 쌍극자 배열, 슐럼버저–웨너 배열 등 공선형 배열에서는 측선을 두 전류전극을 잇는 직선에 일치시켜 설정한다. 또한, 전기장 역시 그 방향만으로 정렬되어 있다고 가정하고 전위전극을 측선상에 설치하여 전위차를 측정한다. 따라서 전위차는 전극 간격이 𝑥인 경우 전위전극쌍의 중심에서 좌우로 𝑥 / 2만큼 떨어진 두 점 사이에서 측정된다.

일반적으로 지표면이 측정 평면인 경우 전기장은 두 개의 수평 성분을 가지므로, 그 크기와 방향을 결정하려면 서로 독립인 두 개의 전위차 측정쌍이 필요하다. 이를 위한 실용적인 방법은 전위차 측정 중심점을 기준으로 반지름 𝑥 / 2인 원을 설정하고, 그 위에 서로 직교하는 두 쌍의 전위전극을 배치하는 것이다(Fig. 3). 본 연구에서는 이 원을 전위차 측정원이라 정의한다. 이때, Fig. 3(b)에서 알 수 있듯이, 전위차 측정원 위에는 서로 직교하는 전위전극쌍의 조합을 무한히 설정할 수 있다. 다만, 주된 측선방향을 x 축으로 삼고, 이에 일치하는 측선방향 전위전극쌍(Fig. 3(a)MxNx)과 측선 횡방향 전위전극쌍(Fig. 3(a)에서 MyNy)을 사용하는 것이 실무 작업에서 편리할 수 있을 것이다.

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Fig. 3

(a) Definition of the potential-difference measurement circle with radius x / 2. Two mutually perpendicular potential-electrode pairs (MxNx and MyNy) are shown. (b) Rotated electrode pairs illustrate that any orthogonal configuration on the same circle (x / 2) can be used to resolve the field magnitude and direction.

이와 같은 정의에 따라, 전기비저항탐사에서 전위차 측정은, 전위차 측정 중심을 두고 전위전극 간격의 절반을 반지름으로 하는 전위차 측정원 위의 두 개의 직교 전위전극쌍에서 이루어지는 것으로 재정의될 수 있다. 이러한 정의는 수평 전기장의 크기와 방향을 함께 다룰 수 있게 하며, 공선형 배열과 비공선형 배열을 일관되게 다룰 수 있는 공통 기반을 제공한다.

1차 전기장 정렬 가상점

앞서 살펴 본 개념을 바탕으로, 임의의 전위차 측정 중심 P (xP, yP)에서 1차 전기장 방향을 유도한다. 양(+) 전류전극과 음(–) 전류전극의 위치를 각각 A (xA, yA), B (xB, yB)라 하고, r을 전위전극 간격의 절반, 즉 전위차 측정원의 반지름이라 하자. 이때 국지적 1차 전기장 성분을 측정하기 위해, 전위차 측정원 위에 이론적인 두 개의 직교 전위전극쌍(Fig. 3(a)에서 M0xN0xM0yN0y)을 배치할 수 있다(참고: 실제 현장 탐사에서는 편의상 이러한 이론적 위치들을 물리적인 전극 설치 위치인 MxNxMyNy로 사용할 수 있다). 이들의 좌표는 다음과 같이 정의될 수 있다.

(3)
M0x=xP-r,yP,N0x=xP+r,yP,M0y=xP,yP-r,N0y=xP,yP+r

이러한 배열에서 측정되는 전위차(균질매질에서 가상 전위차)는 다음과 같다.

(4)
V0Px=Iρ02π1RM0xA-1RM0xB-1RN0xA-1RN0xBV0Py=Iρ02π1RM0yA-1RM0yB-1RN0yA-1RN0yB

앞으로 논의를 위해 ERT에서 전위차 부호 정의를 다시 검토할 필요가 있다. 일반 적인 수리물리 표현으로 전기장의 변화는 dVx = V(x + dx) – V(x)과 같이 표시된다. 이를 지금 전위차 측정원의 전위전극쌍으로 표현하면, dVx =V(Nx) – V(Mx) 그리고 dVy = V(Ny) – V(My)로 표현하게 된다. 이 경우, 전기비저항탐사 현장에서 식 (4)로 정의되는 전기비저항 측정기준과 부호가 반대가 된다. 전기비저항탐사 실무 이론에서는 측정되는 전위차가 양의 부호를 지니게 하기 위해 편의상 수리물리적인 변화측정과 반대인 Vx = V(x) – V(x + dx)로 처리한다고 이해할 수 있다. 이러면 대응되는 거리계수도 양이 된다.

이상을 염두에 두면, P점에 형성되는 1차 전기장의 수평 성분을 다음과 같이 간격 2r에 대한 유한차분 근사로 나타낼 수 있다.

(5)
E0x=-dV0Px2rV0Px2r,E0y=-dV0Py2rV0Py2r

따라서, 점 𝑃에서 1차 전기장 방향각은 다음과 같이 계산된다.

(6)
θ0=atan2E0y,E0xatan2V0Py,V0Px

이와 같은 전개를 통해, 1차 전기장이라는 개념적 정의가 구체적인 전극배치와 수식적으로 연결된다.

한편 임의의 점 𝑃를 중심으로 하는 전위차 측정원 위에서 1차 전기장을 직선으로 가정하는 경우, 그 방향에 정렬된 대척점은 다음과 같이 주어진다.

(7)
Pv1=xP-rcosθ0,yP-rsinθ0,Pv2=xP+rcosθ0,yP+rsinθ0

본 연구에서는 이 대척점 𝑃𝑣1과 𝑃𝑣2를 점 𝑃에서의 1차 전기장 정렬 가상점이라 부르고자 한다. Fig. 4(a)에 1차 전기장 정렬 가상점을 나타내었다. 그런데 엄밀하게는 전기장은 연속적인 곡률을 지니고 있어, 유한한 크기의 반지름을 지닌 전위차 측정원 내부에서 정확히는 직선이 아니다(Fig. 4(b)). 1차 전기장 정렬 가상점은 전위차 측정 중심점에서 1차 전기장 방향을 직선으로 연장하여 전기장 측정원의 원주와 만나는 점으로 정의하므로 이러한 근사는 약간의 오차를 발생시킬 수 있다. 이러한 오차에 대하여는 본 연구 후반과 부록에서 다시 논의 하기로 한다. 한편, 현실 불균질 매질에서 전기장 E는 1차 전기장의 방향과 다르게 형성되며 측정된다(Fig. 4(c)).

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Fig. 4

(a) The virtual points (Pv1 and Pv2), aligned with the (approximated) primary field, used to define the generalized geometric factor. (b) Schematic illustration of field curvature within the potential-difference measurement circle. The straight line connecting the virtual points represents the approximated field direction, whereas the curved arrows indicate the theoretical field direction. (c) The horizontal electric field in heterogeneous media can be measured using any two mutually perpendicular potential-electrode pairs, as shown in Fig. 3(b). In this example, the same electrode pairs that define the virtual points are used for the field measurement.

1차 전기장 정렬 가상점 기반 일반화된 기하학적 계수

이상의 정의를 바탕으로, 임의의 전위차 측정 중심점 P에서 1차 전기장 정렬 가상점(𝑃𝑣1, 𝑃𝑣2)을 이용한 일반화된 기하학적 계수 G는 다음과 같이 정의된다.

(8)
G=2π1RPv1A-1RPv1B-1RPv2A-1RPv2B-1

이 정의는 𝑃𝑣1 과 𝑃𝑣2 가 전류전극 A, B 를 잇는 직선 측선 위에 놓이는 경우, 기존의 공선형 배열용 기하학적 계수 정의로 자연스럽게 환원된다. 스퀘어 또는 적도 배열과 같이 기존 식으로는 특수한 형태로 적용되던 경우 역시 본 연구의 일반화된 개념 안에서 해석될 수 있다.

본 연구에서 제안한 기하학적 계수의 주된 가치는 가상점 𝑃𝑣1과 𝑃𝑣2가 특정 전극 배치에 고정된 점이 아니라, 측정 위치에서의 1차 전기장 방향에 따라 유동적으로 그러나 해석적으로 결정된다는 점에 있다. 따라서 어떠한 비공선형 배열이나 불규칙한 측선 구조에서도 이론적으로 일관된 정규화 기준을 제공할 수 있다. 이러한 일반화된 기하학적 계수는 Jo and Cho (2025)가 제안한 수평 벡터 측정 기반 자료처리 체계와도 물리적으로 일관되게 결합될 수 있으며, 공선형 및 비공선형 배열의 겉보기 비저항 표현을 위한 해석적 기반으로 기능할 수 있다.

또한 본 연구에서 정의한 일반화된 기하학적 계수 G는 단순한 정규화 상수를 넘어, 탐사 설계 단계에서 측정 신호의 크기를 예측하는 핵심 지표로 활용될 수있다. 겉보기 비저항(ρa)은 수평 전위차 벡터의 크기와 1차 전기장 정렬 가상점 기반 기하학적 계수를 사용하여 다음과 같이 계산된다.

(9)
ρa=2πIVtotalG

여기서 Vtotal=Vx2+Vy2이다. 기하학적 계수와 측정 전위차 사이의 관계식

(10)
Vtotal=ρI2πG

에 따르면, 측정되는 신호강도는 G값에 반비례한다. 이는 3차원 탐사에서 전극을 비공선형으로 자유롭게 배치할 때, 특정 전극 조합의 G값이 과도하게 크다면 해당 위치에서 얻을 수 있는 전위차 신호가 장비의 노이즈 레벨(noise floor) 이하로 낮아질 수 있음을 의미한다. 따라서 제안된 일반화된 계수 산출법을 통해 설계 단계에서 각 전극 조합의 G값을 사전에 검토함으로써, 유의미한 신호 대 잡음비(SNR) 확보가 가능한 최적의 전극 배치를 수치적으로 예상할 수 있다.

일반화된 기하학적 계수의 검증

본 절에서는 1차 전기장 정렬 가상점 프레임워크로부터 유도된 일반화된 기하학적 계수의 타당성을 검토하였다. 식 (9)와 해석적으로 계산된 전기장 값을 이용하여 균질한 반무한 공간의 비저항이 정확하게 재현되는지 평가하였다.

검증작업에는 현장에서 가장 널리 활용되는 쌍극자–쌍극자 배열과, 슐럼버저 배열을 고려하였다. 이때 본 연구에서 제시하는 배열의 기하학적 일반성을 살펴보기 위해 이들 전극 배열의 확장형을 고안하였다. 하나는 Szalai and Szarka (2008a)가 외부 전위 전극 쌍(exterior-potential pair) 이라고 분류한 배열에 해당하는 확장된 쌍극자-쌍극자(extended dipole-dipole) 배열(Fig. 5(a))로, 전극배열 순서는 B–A–M–N이다. 다른 하나는 내부 전위 전극 쌍(interior-potential pair) 구성에 해당하는 확장된 슐럼버저(extended Schlumberger) 배열(Fig. 5(b))로, 전극배열 순서는 A–M–N–B이다. 이때, 명확성과 보편성을 위해, 모든 배열은 전위전극 간격 a를 기본단위로 하여 표현하였다. 전위차 측정원의 직경은 a이며, 두 전류전극을 지나는 직선상에 위치한 주 측선으로부터의 오프셋(offset)은 a의 정수배, 즉 ma (m = 0, 1, ... , 10)로 설정하였다. Fig. 5에서 표시된 오프셋 라벨(OFF0, OFF1, OFF2, ...)은 각각 0a, 1a, 2a, ...의 오프셋 거리를 나타내며, 이는 다양한 비공선형 환경에서 본 연구의 일반화된 이론이 지닌 강건함을 검증하는 기준이 된다.

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Fig. 5

(a) Extended dipole–dipole (exterior-potential) configuration (B–A–M–N). (b) Extended Schlumberger (interior-potential) configuration (A–M–N–B). Squares represent current electrodes, and dotted segments indicate the ranges of potential-electrode positions used to evaluate the generalized geometric factor.

식 (9)를 사용하여 두 배열 유형에 대한 해석적 겉보기 비저항 값을 산출하였으며, 그 정규화된 결과 (ρa/ρ0) 를 Table 1(a)1(b)에 나타내었다. Table 1(a)1(b)에 제시된 OFF0, OFF1, OFF2, ... 배열표기는 앞에서 언급한 표기법과 일치한다. Table 1(a)는 확장된 쌍극자–쌍극자 배열(쌍극자 길이 a, 쌍극자 간격 n = 1 – 10)에 해당하며, Table 1(b)는 전위차 측정원 중심이 1.5a – 8.5a에 위치한 확장된 슐럼버저 배열의 결과를 나타낸다.

검증결과, 본 연구에서 제안한 일반화된 기하학적 계수는 공선형 배열에서는 기존 정의로 환원되면서도, 임의의 비공선형 배열에 대해서도 유효함을 보였다. 해석적 검증을 통해 계산된 겉보기비저항은 대부분의 영역에서 모델의 진비저항과 거의 일치하였으며, 오차는 대체로 1% 이내에 머물렀다. 본 검증에서 나타난 최대 편차(13%)는 확장된 쌍극자배열 오프셋 단위 1의 n = 1에서만 발생하였다. 약 10% 수준의 편차 역시 전류전극 근방의 국소적인 영역, 즉 가장 가까운 전류전극으로부터 거리가 대략 2a 이내인 영역에서만 관찰되었다. 이와 같은 오차 발생 구간의 정량적 근거는 부록 A에 제시하였다.

통상적인 FDM 또는 FEM 수치모델링의 정확도 검증에서도 균질모델에 대해 공선형 배열에서, 모델 중앙부는 1–5%, 모델 경계부는 8–10% 수준의 수치오차가 나타날 수 있다. 따라서 본 연구에서 관찰된 10% 내외의 편차는 전류전극 인접 영역에 국한된 국소적 편차라는 점에서 실무적으로 허용 가능한 범위로 볼 수 있다. 특히 전기비저항 역산은 일반적으로 로그 변환된 자료 공간에서 최적화를 수행하므로, 이러한 국소적 편차가 전체 해의 수렴성이나 지층 구조 재현성에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 판단한다.

Table 1(a)

Normalized apparent resistivity ρa/ρ0 for extended dipole-dipole arrays.

n OFF0 OFF1 OFF2 OFF3 OFF4 OFF5 OFF6 OFF7 OFF8 OFF9 OFF10
1 1.00 0.87 0.96 1.01 1.02 1.01 1.01 1.01 1.00 1.00 1.00
2 1.00 0.96 0.95 0.98 1.00 1.01 1.01 1.01 1.01 1.00 1.00
3 1.00 0.99 0.97 0.98 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
4 1.00 0.99 0.98 0.98 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
5 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00
6 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00
7 1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00
8 1.00 1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00
9 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
10 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
Table 1(b)

Normalized apparent resistivity ρa/ρ0 for extended Schlumberger arrays.

PoDiM
Center
OFF0 OFF1 OFF2 OFF3 OFF4 OFF5 OFF6 OFF7 OFF8 OFF9 OFF10
1.5a 1.00 0.92 0.96 0.98 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
2.5a 1.00 0.98 0.98 0.98 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
3.5a 1.00 1.00 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
4.5a 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
5.5a 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
6.5a 1.00 1.00 0.99 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
7.5a 1.00 0.98 0.98 0.98 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
8.5a 1.00 0.92 0.96 0.98 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

결 론

본 연구에서는 3차원 ERT에서 기하학적 계수를 정의하기 위한 일반화된 틀을 제안하였으며, 그 핵심 개념으로 1차 전기장 정렬 가상점을 도입하였다. 이 가상점들은 균질 매질에서의 1차 전기장 방향을 기반으로 정의되며, 이를 통해 비공선형 전극배열에서도 물리적으로 일관된 겉보기비저항을 산출할 수 있는 이론적 토대를 마련하였다.

본 연구에서 제안한 일반화된 기하학적 계수는 다음과 같은 의의를 갖는다.

(1) 이론적 보편성: 제안된 일반화된 기하학적 계수는 기존의 공선형 배열에서는 표준적인 정의로 자연스럽게 환원되는 동시에, 임의의 기하학적 배치를 지닌 비공선형 배열에 대해서도 명확한 물리적 정당성을 부여한다.

(2) 자료 품질관리: 해석적 검증 결과, 제안된 계수를 통해 계산된 겉보기 비저항은 대부분의 영역에서 모델의 진비저항과 1% 이내의 오차로 일치하였다. 현대의 역산 알고리즘 내에서 기하학적 계수가 수학적으로 상쇄될지라도, 역산 전단계에서 원시 데이터를 겉보기 비저항으로 변환하는 과정은 불량 데이터를 식별하고 제거하는 데 큰 도움이 된다.

(3) 탐사 설계의 효율성: 제안된 계수를 통해 임의의 전극 배치에서 기대되는 신호 강도를 사전에 검토함으로써, 복잡한 3차원 지형이나 비직선 측선 조건에서도 최적화된 전극망을 구성할 수 있는 기반이 된다.

본 연구에서 정립한 1차 전기장 정렬 가상점 기반의 기하학적 계수 유도체계는 3차원 ERT의 이론적 완결성을 높이고, 실제 현장에서도 측정자료 신뢰도 확보 및 유연한 탐사 설계를 위한 핵심적인 도구로 활용될 수 있을 것이다.

부록

A. 1차 전기장 정렬 가상점 직선 근사에 따른 오차의 스케일링 해석

본 부록에서는 본문(Table 1)에서 관찰된 편차의 원인을 정리하고, 1차 전기장 정렬 가상점의 직선 근사로 인해 발생하는 구조적 근사 오차(systematic approximation error)의 주된 스케일링 관계를 제시한다.

본문 식 (7)에서 1차 전기장 정렬 가상점은 전위차 측정 중심점 P에서 추정된 1차 전기장 방향을 따라 직선으로 거리 r만큼 연장하여 정의된다. 그러나 실제 전기력선은 연속적으로 곡률을 가지므로, 전기력선이 전위차 측정원과 만나는 실제위치와 직선 근사로 정의된 가상점 사이에는 체계적 위치 오차가 발생한다. 이 오차는 전위차 측정원의 반지름 r 이 클수록, 그리고 측정점이 전류전극에 가까워 전기력선 곡률이 커질수록 증가한다. 따라서, 오차의 대표적인 크기는 다음과 같은 무차원 비에 지배된다고 볼 수 있다.

(A-1)
rdmin

여기서 dmin는 전위차 측정 중심점에서 가장 가까운 전류전극까지의 거리이다.

전기력선의 곡률 반지름을 Rc라 하면, 직선 근사에 의한 위치 오차 δ는 사지타(sagitta) 관계에 의해 대표적으로 다음과 같은 스케일을 갖는다.

(A-2)
δr2Rc

ERT 조건에서 전류전극 근방의 대표적 길이 척도는 dmin이므로 Rc~dmin로 볼 수 있다. 따라서 식 (A-2)

(A-3)
δr2dmin

이 된다.

한편, 일반화된 기하학적 계수는 거리 함수 1/R 에 의해 구성되므로, 가상점 위치오차는 각 거리항의 변화를 통해 최종 기하학적 계수 오차로 전달된다. 대표 거리척도를 dmin으로 두면, 위치 오차 δ에 의한 상대 오차의 크기는 대략 δ/dmin의 차수를 갖는다. 따라서 식 (A-3)을 대입하면,

(A-4)
GG~δdminC(rdmin)2

여기서 C는 배열 형상 및 전류전극 상대 위치에 따라 달라지는 무차원 계수이다. Table 1의 해석적 검증 결과를 이용하여 C의 대표적인 범위를 추정해 보자. 식 (A-4)C에 대하여 정리하면 다음과 같다.

(A-5)
CG/G(r/dmin)2

먼저 확장된 쌍극자 배열에서 전류전극과 가장 가까운 오프라인 측정점은 n = 1, OFF1 경우이다. 이때 dmin=(1.5a)2+(1a)2=1.80a이고, r/dmin2=(0.5/1.80)2=0.077이다. Table 1(a)의 해석적 편차는 약 13% 이므로 C = 1.69 가 된다. 다음으로 확장된 슐럼버저 배열에서 전류전극과 가장 가까운 오프라인 측정점은, 전위차 측정 중심이 1.5a, OFF1 경우이다. 이 경우에도 dmin=(1.5a)2+(1a)2=1.80a이고 r/dmin2=(0.5/1.80)20.077이 된다. Table 1(b)의 해석적 편차는 약 8% 이므로 C = 1.04가 된다. 이로부터 본 연구에서 검토한 대표적인 전류전극 인접 비공선형 배열에서 C는 대략 1.0~1.7 범위의 값을 갖는다고 볼 수 있다.

본문에서 논의한 바와 같이, 약 10% 이내의 국소적 편차는 일반적인 FDM 또는 FEM 균질모델 검증에서 나타나는 수치오차 범위와 유사하며, 로그 기반 전기비저항 역산에서 전체 해석 결과에 미치는 영향은 제한적이다. 따라서 여기서는 10%를 하나의 실용적 기준값으로 두고, 이 수준을 초과할 가능성이 있는 영역을 정량화하였다. 식 (A-4)에서 G/G=0.1 로 두고 dmin에 대하여 정리하면

(A-6)
dmin=rC0.1=a2C0.1

이다. Table 1에서 전류전극 인접 영역의 비교적 큰 편차를 보이는 대표적 비공선형 배열에 대해 C = 1.0~1.7을 적용하면

(A-7)
dmin=1.58a~2.06a

을 얻는다. 따라서 10%를 초과할 가능성이 있는 근사 오차는 대체로 전위차 측정 중심점이 가장 가까운 전류전극으로부터 약 2a 이내에 위치하는 국소 영역에 한정된다. 이보다 먼 영역에서는 (r/dmin)2 항이 빠르게 감소하므로, 직선 근사에 따른 편차는 본문에서 언급한 실용적 허용 범위 이하로 감소한다.

References

1

Bibby, H. M., 1977, The apparent resistivity tensor, Geophysics, 42(6), 1258-1261.

10.1190/1.1440791
2

Jo, C. H. and Cho, I.-K., 2025, 3D electrical resistivity tomography via horizontal electric field component, Geophys. and Geophys. Explor., 28(3), 97-104 (in Korean with English abstract).

3

Keller, G. V., Furgerson, R., Lee, C. Y., Harthill, N., and Jacobson, J. J., 1975, The dipole mapping method, Geophysics, 40(3), 451-472.

10.1190/1.1440539
4

Parasnis, D.S., 1975, Mining Geophysics, Elsevier, 174 p.

5

Risk, G. F., Macdonald, W. J. P., Dawson, G. B., 1970, D.C. resistivity surveys of the Broadlands geothermal region, New Zealand, Geothermics, 2(1), 287-294.

10.1016/0375-6505(70)90027-1
6

Szalai, S. and Szarka, L., 2008a, On the classification of surface geoelectric arrays, Geophys. Prospect., 56(2), 159-175.

10.1111/j.1365-2478.2007.00673.x
7

Szalai, S. and Szarka, L., 2008b, Parameter sensitivity maps of surface geoelectric arrays I. Linear arrays, Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica, 43(4), 419-437

10.1556/AGeod.43.2008.4.4
8

Szalai, S. and Szarka, L., 2008c, Parameter sensitivity maps of surface geoelectric arrays II. Nonlinear and focussed arrays, Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica, 43(4), 439-447.

10.1556/AGeod.43.2008.4.5
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