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지질학 탐사 기법 중 Auto Televiewer 기법 활용을 통한 지질조사

Ⅰ. 서론ⅰ. 연구배경 및 목적지구물리검층이란 시추공 주변 지반에 대한 각종 물성을 원위치에서 측정하는 물리탐사 방법으로서 코어시료를 채취하지 못한 구간에서의 효과적인 조사방법이다. 실제 지반 상태에 대한 조사라는 점에서 의의가 크며 여러 가지 물성의 중복 적용과 동일한 물성 기준의 반복 적용에 의하여 일반적인 코어관찰에서 불가능한 미세한 암상의 변화까지 객관적으로 구분할 수 있는 지질조사 방법 (Pailet and Crowder, 1996; 이상규ㆍ황세호, 1999)이다. 또한 암석의 지층두께 및 풍화정도, 대수층의 연속성, 투수계수, 공극율, 밀도, 비저항, 지하수의 근원 및 이동 등을 알려줄 수 있는 조사방법이다.시추공 관찰 검층은 광학 텔레뷰어(Optical Televiewer, 이하 OPTV) 검층과 초음파 텔레뷰어(Acoustic Televiewer, 이하 ATV) 검층으로 나뉜다. 먼저 OPTV 검층은 시추공 속에 소형 카메라를 삽입하여 공벽을 촬영하고 이를 영상신호로 바꾸어 화면상으로 암상에 대한 정보를 사진으로 보듯이 나타낸다. 그리고 ATV 검층은 시추공벽면에서 반사되는 반사파의 주시 및 진폭을 측정하고 분석함으로써 지반 내에 발달한 단층 및 절리의 크기, 경사각 및 경사방향, 현지암반강도의 변화, 암석의 역학 상태까지 정량적으로 규명 할 수 있다는 점에서 불연속면 탐지에 가장 효과적인 조사방법으로 알려져 있다(김중열과 Schepers, 1995 ; 하회상 외, 1996 ; Schepers, 1996 ; 김중열, 1998a). 현재 국내에서는 다양한 정보를 내포하고 있는 ATV보다 암석의 색을 눈으로 직접 확인 가능하며 자료처리가 비교적 손쉬운 OPTV 검층을 선호하는 추세이다.이에 본 연구에서는 보다 다양한 물성정보의 획득이 가능한 ATV 검층을 수행하여 얻어진 주시값 및 진폭값을 통해 암종별 물리 특성을 확인해 보았다. 또한 OPTV 검층, 한팔 공경 검층 결과들과의 비교ㆍ분석을 통하여 절리의 방향성과 분포, 공경의 변화 양상을 확인하고 적인 암석강도변화를 정확하게 추출하게 하며, 주시변화는 바로 고분해능 공경검층 기능을 대변하게 되어 시추공 내벽상태 내지 암석의 응력장 분포를 쉽게 판단하는 것이다(김중열 1995).초음파가 지층경계면에 수직으로 입사되면 그에 따른 진폭은 그 경계면의 반사계수(R)에 의해 결정된다(그림 3). 반사계수는 일반적으로 입사각, 탄성파의 주파수, 매질의 흡수성에 따라 변화하게 되나 입사각이 임계각보다 작을 경우(약 6˚ 미만)에는 식 (1)이 일차근사로써 대변된다.그림 3. 지층면에 수직으로 입사되는 초음파``````````R= {rho _{2} V _{2} - rho _{1} V _{1}} over {rho _{1} V _{1} + rho _{2} V _{2}} = {I _{2} -I _{1}} over {I _{2} +I _{1}} ………………………………………………식 (1)V₁, V₂: 각 매질의 탄성파속도 (P파)ρ₁, ρ₂: 각 매질의 밀도I₁, I₂: 입사 및 굴절매질의 임피던스만약 이러한 빔이 바로 절리위에 입사된다면 반사되는 진폭의 크기는 산란(절리가 열려있을 경우) 내지 충진물질의 임피던스에 의해 상대적으로 극히 미약하게 관찰된다. 여기서 절리크기에 대한 분해능은 무엇보다 빔의 초점화와 상관되는 것이다(그림 4).그림 4. 물에서 암반으로 입사하는 초음파빔그림 5-(a) 와 같이 ATV 검층기록은 원통형의 시추공벽에서의 구조가 북쪽 지점을 기준으로 펼쳐진 것을 알 수 있다. 즉, ATV 검층 기록은 시추공을 동-서 방향으로 자르는 경사진 절리의 존재를 나타낸다. 또한, 그림 5-(b) 에서 표시된 바와 같이 최저점이 서쪽 방향을 향하는 붉은 사인 곡선의 형태로 나타난다.시추공벽에서 절리와 공동의 존재는 트랜스듀서로 되돌아오는 신호의 양이 크게 줄어들게 하므로 어둡게 나타난다. 즉, 시추공벽에서 절리와 공동은 시추공경의 증가를 의미하며, 시추공경의 증가는 음파신호가 더 멀리 이동해야 함을 의미하므로 그만큼 음파 신호는 경로상의 시추공 이수에 의해 더 많으로 4 mm 선회한다면4 mm × 20 회/sec × 60 sec/min? 4.8 m/min로 분당 약 4.8 m 시추공연장에 대한 검층이 가능하게 되는 것이다.그림 6. ATV 응용 시 초음파 빔이 방사되는 상태우리가 사용한 ATV sonde인 HIRAT는 송신기와 수신기 모두 1.5 MHz 의 트랜스듀서를 사용한다. 압전 트랜스듀서가 5 ~ 20 r/s 의 속도로 회전하면서 약 800 t/s 의 펄스를 내보낸다. 이 고주파수 음파 에너지는 시추공벽에 수직으로 주사된 신호가 반사되어 같은 경로를 통해 트랜스듀서로 되돌아오도록 설계되어 있다. 트랜스듀서가 자북을 통과할 때마다 플럭스게이트자력계가 작동펄스를 지표에 있는 기록 장비로 보내며 이 펄스가 오실로스코프를 작동시킨다. 이 원리에 따라 시추공벽을 360° 로 스캔하면 방향성을 가진 지질정보를 얻을 수 있다. 오실로스코프 트레이스의 밝기는 반사된 음파신호의 진폭에 비례한다. 깊이 정보는 깊이측정도르래에 의하여 얻어진 신호로 결정된다. 만약 1.5 m/min 보다 빠른 속도로 검층을 실시한다면 작은 수평 구조는 발견하지 못할 것이다. ATV 시스템은 적어도 4선 검층케이블을 사용해야 한다.Ⅲ. ATV 자료ⅰ. 자료 획득 환경풍암분지 내에 위치한 PABH-1 시추공에서 ATV 검층 sonde를 이용하여 자료를 획득하였다. ATV 검층은 공내수가 존재해야 자료획득이 가능 하므로 지하수면이 존재하는 22.7 m 에서부터 자료를 획득하였으며, ATV sonde가 시추공의 중앙에 위치하도록 centralizer를 설치하였다.주시 및 진폭 이미지는 2.0 mm 간격으로 rotating mirror가 360° 회전하면서 자료를 획득하였다. 초기 데이터는 22.7 ~ 136.1 m 까지 자료를 획득하였으며, 본 연구에는 퇴적암이 호층을 이루고 있는 22.7 ~ 70.0 m 까지 데이터를 분석하였다.ii. 기초 처리된 자료그림 7은 22.7 ~ 70.0 m 구간에서 획득된 자료로 왼쪽에서부터 주시이미지(Travel Time다.더 나아가 진폭값을 이용해 암종구분이 가능한지 분석해 보았다. 진폭값은 공내 매질과 공벽의 반사계수에 따라 달라진다. 이는 공내 매질의 물성과 연관되므로 암종에 따라 차이를 보일 것으로 예상하였다. 따라서 선행된 OPTV 검층을 사용한 암종구분의 결과를 바탕으로 각 층의 진폭값의 평균을 계산하였다. 먼저 각 암종별 전체구간에서 진폭값과 층의 두께에 대한 가중치를 두었을 때 진폭값을 비교하였다. 이때 전체 구간에는 풍화 받은 구간이 포함되어 있어 암종구분을 대변할 수 있는 진폭값이 될 수 없다고 판단하여 암종별 신선한 구간의 데이터를 선정하였다. 각 암종별 신선한 구간의 데이터를 사용해 진폭값, 두께의 영향을 고려한 진폭값을 계산하여 각 값들을 암종에 따라 비교하였다.ⅱ. 분석 결과1. 주시이미지 분석 결과측정 심도에 따른 주시변화의 평균치를 하나의 공경곡선(이하 ATV-Caliper)으로 작성하여 본 연구지역에서 선행된 한팔 공경검층 자료와 비교하였고, 두 자료 모두 공경의 변화가 있는 구간에서 데이터가 변화는 것을 확인할 수 있었다.이때 그림 8 ~ 10 의 (a) 에 ATV-Caliper 와 한팔 공경검층 그래프는 두 가지 모두 공경의 변화에 있어 반응한다는 사실을 서로 다른 스케일을 통해 보여주고 있다. 반면 그림 8 ~ 10 의 (b) 에 ATV-Caliper와 한팔 공경검층 그래프는 같은 스케일에서 두 검층을 비교했을 때 ATV 검층을 이용한 공경검층이 더 민감하게 반응하는 것을 보여준다. 그림 8-(b)에서 한팔 공경검층은 다른 구간과 비슷한 공경 변화를 보이나, ATV-Caliper에서는 절리가 있는 밝은 색 부근에서 더 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있다. 그림 9-(b)에서 정량적으로 공경의 크기를 비교하였을 때 ATV-Caliper는 170 mm 의 공경 크기를 보이는 반면 한팔 공경검층에서는 74 mm 의 공경 크기를 보인다.주시이미지에서 방향에 따른 공경변화의 방향성을 공경 단면도를 이용해 분석하였다. 그림 8에 나타난 절리는 18에 OPTV 검층 자료를 사용해 암종구분한 주상도와, 암종별 신선한 구간을 선정한 주상도를 나타내었다.그림 15. OPTV 검층을 이용한 암종구분과 각 암종별 신선한 구간 선정(22.0 ~ 47.0 m)그림 15. OPTV 검층을 이용한 암종구분과 각 암종별 신선한 구간 선정(47.0 ~ 72.0 m)다음의 표 1, 표 2, 표 3, 에 각 암종별 전체 구간에 대한 구간 평균 진폭값과, 구간 평균 진폭값에 두께에 대한 가중치를 부여한 진폭값을 정리하였다. 진폭값이 두께에 대한 영향을 받을 것이라 생각하여 구간 평균 진폭값에 해당 구간의 두께를 곱하여 가중치를 부여하였다.표 1. 이암 전체구간에 대한 진폭값 계산이암 ? 전체구간 진폭값시작 깊이(m)바닥 깊이(m)두께(m)구간 평균가중평균24.2124.520.311013125.7234.598.87121107536.438.151.7512521938.4139.511.112413640.0641.511.4511817141.8542.270.421074542.6243.130.51884546.1349.072.9412637251.8554.452.612532455.5557.211.6612520857.2958.641.3512516958.7359.861.1313114861.16620.8412310462.5164.251.7413223066.72703.28130426합계29.95평균120124표 2. 사암 전체구간에 대한 진폭값 계산사암 ? 전체구간 진폭값시작 깊이(m)바닥 깊이(m)두께(m)구간 평균가중평균24.5225.721.210312442.2742.410.14841245.3446.130.791149049.7351.591.8612322859.8660.220.36712664.2566.722.47113280합계6.82평균102111표 3. 역암 전체구간에 대한 진폭값 계산역암 ? 전체구간 진폭값시작 깊이(m)바닥 깊이(m)두께(m)구간 평균가중평균22.7224.211.498512734.5936.41.8111621038.1538.410다.

자연과학| 2014.03.18| 36페이지| 3,500원| 조회(271)

토목, 지질, ATV, 지구물리, 검층, 텔레뷰어

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