전기비저항탐사(전기탐사)

1. 전기비저항 탐사법

2차원 전기비저항 탐사법은 최근에 개발되어 급격히 이용이 확대되고 있는 탐사기법으로서 수직탐사와 수평탐사를 조합, 병행하는 방법이며 지하의 구조를 영상화하여 고밀도의 해석을 가능하게 하는 탐사방법이다.

 

전기비저항 탐사는 두 개의 전류전극을 통해 지하매질에 전류를 흘려보내 준 후, 지하매질의 전기비저항값에 의해 형성된 전위분포를 두 개의 전위전극을 통해 측정하여 지하 매질의 전기비저항 단면을 구하는 물리탐사 방법이다.

 

전기비저항 탐사는 여타 물리탐사 방법에 비해 탐사가 용이하며, 시추 조사와 같이 특정 지점에 대한 정보만 주는 것이 아니라 측선 전 구간에 대한 전기비저항 단면을 제공해주고, 또한 자연 훼손 없이 비파괴적으로 탐사를 수행할 수 있으며, 전극 간격 조절을 통해 수백 m에 달하는 지하 매질에 대한 정보를 줄 수 있다.

 

전기비저항 탐사는 광물 및 지하자원 조사, 지하수 탐사, 지질 조사 등에 널리 사용되어 왔으며, 최근 들어서는 도로 및 철도 터널과 댐, 교량 등과 같은 대규모 구조물 등에 대한 지반 조사와 핵폐기물 처리장 후보지 선정, 오염 물질 분포 현황 및 확산 경로 추정 등과 같은 환경 문제에도 널리 적용되고 있다. 특히, 지하 매질의 전기비저항 값은 지하수 존재 및 그 함량과 밀접한 관계를 가지고 있어서 단층 및 파쇄대 탐지, 공동 탐지, 연약대 탐지 등에 탁월한 효능이 있다.

 

일반적으로 4개의 전극(전류전극 2개, 전위전극 2개)을 이용하는 전기비저항 탐사의 전극 배열법에는 단극 전극배열(Pole-pole array), 단극-쌍극자 전극배열(Pole-dipole array), 쌍극자 전극배열(Dipole-dipole array), 웨너 전극배열(Wenner array), 슐럼버저 전극배열(Schlumberger array) 등이 있다.

 

따라서 탐사목적 및 현장 여건에 따라 적정한 전극 배열과 전극 간격을 선택하여 수평탐사, 수직탐사, 또는 수평·수직 병행탐사를 실시한다. 각 전극은 금속 전극을 이용하는 경우에서처럼 모두 한 개의 점으로 이루어지는 점전극이며, 모든 전극들은 동일 선상에 배열된다.

 

쌍극자 배열법(dipole-dipole 배열)은 반응이 정밀하나 전극의 접지 상태 또는 천부 전기전도도 변화에 민감하며 지하의 전기비저항이 작을 경우 전위전극에서의 전위차가 적어 탐지가 곤란하나, 우리나라에서는 지층의 전기비저항이 높아 전기비저항 탐사에서 가장 널리 사용되는 배열 방법이다. 이 방법은 수직탐사가 일점 하부의 전기비저항의 1차원적인 변화양상을 해석하는데 비하여 전기비저항의 수직적 변화는 물론 수평적 변화까지도 해석해 낼 수 있는 2차원 탐사기법이다.

 

쌍극자 배열법은 한 쌍의 전위 전극을 다른 한 쌍의 전류 전극 밖에 설치하되, 전위전극(potential electrode) 사이나 전류전극(current electrode) 사이의 간격은 같은 거리인 a로 일정하게 고정하고 전류 전극과 전위 전극 사이를 a, 2a, 3a, ....., na 간격으로 단계적으로 이동하면서 전위차를 측정하여 겉보기 비저항값을 계산한다. 따라서 전류원은 전기적인 쌍극자로 취급할 수 있게 되므로 쌍극자 배열이라고 부른다.

 

여기서 전극 간격 a가 클수록 가탐심도는 커지나 상대적으로 천부의 정보를 얻어낼 수 없다는 단점이 있으므로 탐사목적, 정밀도 등을 고려하여 적절한 값을 채택해야 한다. 한편 전류 쌍극자와 전위 쌍극자간의 간격을 나타내는 전극전개수 n이 클수록 심부의 정보를 얻을 수 있으나 국내의 경우 n이 10보다 클 경우 장비의 측정한계로 측정이 어렵게 된다. 대개 전극전개수는 주변의 전기비저항 분포 및 흘려보내주는 전류의 크기에 좌우되며 7～8정도가 적당하다.

 

쌍극자 배열법으로 얻어진 측정값은 그림에서 볼 수 있듯이 전류전극의 중심과 전위전극의 중심에서 45°로 비스듬히 선을 그어 만나는 점에 기록한다. 현장에서 측정된 값은 저항(resistance)이므로 거리계수 K를 곱하여 겉보기 비저항단면을 얻을 수 있다. 이것은 수평, 수직탐사법을 혼합시킨 2차원적인 겉보기 비저항 도면을 제공하여 주는데, 이 겉보기 비저항 도면을 가단면도(pseudo-section)이라 한다. 이 가단면도를 이용하여 조사 대상지역의 전기비저항 분포에 대한 정량적 해석이 가능하다. 그러나 가단면도에 기록되는 값은 실제의 참 비저항 값도 아니며, 기록되는 위치가 실제 그 위치도 아니므로 정량적 결과를 얻어내기 위해서는 적절한 해석과정을 거쳐야 한다.

 

 

2. 조사자료의 처리 및 분석

전기비저항탐사를 통해 취득한 자료를 겉보기 비저항이라 하는데, 겉보기 비저항치값과 겉보기 비저항치가 측정된 심도는 암석의 전기 비저항치와 비저항값을 야기시키는 진짜 심도를 표시하는 것이 아니다. 따라서 얻어진 겉보기 비저항 값을 이용하여 지하의 참비저항 값을 알아내기 위해서는 적절한 해석과정이 반드시 필요하다.

 

탐사를 통해 얻어지는 겉보기비저항 자료는 유한요소법(FEM) 및 유한차분법(FDM)을 이용한 역산(inversion)을 실시하여 2차원 비저항 단면을 계산하게 된다. 이러한 비저항탐사법은 비저항 영상법, 고밀도 전기탐사법, 또는 2차원 전기비저항 영상법이라고도 불린다. 비저항 역산 모델링에 의하여 2차원 영상처리가 되며 지질구조 및 지반의 특성에 의해 고비저항 혹은 저비저항의 이상대가 나타나게 된다. 역산을 이용하는 방법은 주어진 가상 지하구조로부터 이론 자료를 계산하고, 그 이론 자료와 현장 탐사자료간의 오차로부터 그 오차를 최소화할 수 있는 지하구조를 계산하며 이러한 과정을 오차가 원하는 값 이하가 될 때까지 컴퓨터가 반복 수행한다.

 

전기비저항 탐사에서 지하에 공급된 전류에 의한 지하 매질내의 전위 분포 양상은 주로 지하 매질의 전기비저항 분포에 좌우된다. 그러나 전위 분포는 지하 매질의 물성뿐 아니라 지형구조(Topography Structure)에도 영향을 받게 된다. 따라서 지형이 험한 지형조건에서 획득한 탐사 자료는 지형효과를 보정하여 사용해야 한다.

 

색채 단면에서 색상은 역산된 지하의 전기비저항값을 나타낸다. 푸른색의 상대적 저비저항에서 녹색과 노란색을 거쳐 주황색과 빨간색으로 갈수록 고 비저항값을 나타낸다. 통상 전기비저항의 가탐심도는 전극 간격으로 계산할 수 있으며, 예로써 쌍극자 탐사의 경우 전극간격의 약 5배 정도로 가정된다. 즉 쌍극자 간격이 3m 라면 최대 가탐심도는 15m 라고 가정한다.

 

3. 기본원리

비저항(단위체적인 물질의 전기저항) 측정은 지반에 한 쌍의 전류전극을 설치하고 전위를 한 쌍의 전위전극에 의해 측정하여 지반의 비저항분포를 측정한다.

 

지구의 내부를 이루고 있는 암석들은 암석의 공극률, 공극내의 유체의 성질, 유체의 포화도(saturation), 조암광물의 종류, 암석 구성 입자의 크기 및 성질, 암석의 고화도, 점토광물의 존재 여부 등 암석 자체의 성질과 파쇄대, 균열대, 단층 등의 외부적인 요인에 의해 각기 다른 전기비저항 값을 갖게 된다. 전기비저항 탐사에서는 이러한 지하의 전기비저항 분포를 알아내서 지하구조를 규명하게 된다.

 

전기비저항은 암석시료에 전류 I 를 흘려보내고 시료의 양단에 걸리는 전압차를 측정하여 다음 식에 의하여 계산된다.

 

따라서 전기비저항 ρ는 물체의 모양, 크기에는 관계없는 물체의 전기적 특성을 나타내는 것으로 단위는 ohm-m가 된다.

암석의 전기비저항에 영향을 주는 요소는 (1) 암석내의 유체 함량 및 공극의 연결성, (2) 유체의 이온 농도, (3) 유체의 온도, (4) 점토광물의 함량 등이다. 이중 유체 함량 및 공극의 연결성은 암석의 종류 및 지질학적 변형에 크게 좌우되므로 전기비저항 탐사에서 가장 중요하게 고려되어야 할 사항이다.

 

 

전기비저항 탐사기는 전원과 연결되어 있는 전류계를 통해 두 개의 전류전극에 전원을 공급해준 후, 두 개의 전위전극과 연결되어 있는 전위계를 통해 전위차를 측정하여, 이를 흘려준 전류로 나눈 값 즉 저항값을 읽게 된다.

 

이를 지하매질과 연관하여 고찰하면 다음과 같다. 전기비저항이 균일한 지하매질에 전류 전극을 통해 일정한 전류를 흘려주면 이 전류는 전류 경로(path)를 통해 흘러간다. 이때 이 전류 경로에 수직하게 같은 값의 전위를 갖는 등전위선이 형성되는데 이 등전위선은 지면까지 이어지게 된다. 지표의 전위전극 사이에 전위계를 설치하여 두 전극사이의 전위차를 측정한다. 전류전극과 전위전극의 위치, 흘려준 전류량과 측정된 전위차를 이용하면 균질한 지하 매질의 정확한 참 비저항 값을 알 수 있게 된다.

 

그러나 전기비저항이 이상체가 지하에 존재하게 되면 전류는 전기비저항이 낮은 물질 쪽으로 더 많이 흐르게 되어 결국 전류 경로에 수직인 등전위선에 변형을 일으키고 지표면에서 측정되는 전위차에도 영향을 미치게 된다. 이로부터 지표면에서 측정한 전위차를 이용하여 지하매질의 전기적인 이상대에 관한 정보를 가지고 있는 겉보기 비저항을 얻을 수 있다. 전기비저항 탐사는 지하에 일정한 전류를 흘려보낸 후, 전위차를 측정하여 겉보기 비저항을 구하고 이를 해석하여 지하의 지질구조, 파쇄대나 균열대, 지하수 등의 분포를 파악하는 탐사방법이다.

 

 

 

지층 및 암석은 각각 다른 전기적 성질을 가지고 있다. 전기비저항 탐사는 이러한 지층 및 암석의 성질, 특히 전기적 성질을 이용하여 지층의 구조, 암석의 분포상태 등을 파악하는데 이용되고 있다. 전기비저항 탐사는 전도율이 서로 상이한 지층 혹은 암석에 대하여 대지에서 인위적으로 전류를 흐르게 하여 전위차(ΔV)를 측정함으로써 지층의 비저항 분포와 층후 등을 계산하는 탐사방법이다.

 

암석을 구성하는 광물 그 자체는 일반적으로 전기부도체로 볼 수 있다. 따라서 전기전도도는 암석의 구성광물보다는 암석내의 공극 중에 함유되어 있는 수분에 의해 좌우되는 경향이 많다. 일반적으로 미고결물인 충적층 및 풍화작용을 받은 풍화대는 공극율(porosity)이 큰 만큼 고결암에 비하여 같은 조건하에서는 수분을 함유할 수 있는 조건이 좋으므로 전기전도도가 크다. 반면 sand, gravel, conglomerate, mud 등의 경우는 공극이 액체상태로 되어 있어 액체의 농도에 따라 비저항치가 좌우된다.

 

전류는 대체로 심부보다 천부에서 더 세밀하게 흐르며 전극간격이 크면 클수록 심부까지 영향을 미치게 된다. 이때 길이(L), 단면적(S)의 물체를 통과하는 전류가 균일하면 비저항(ρ)과 저항(R)은 다음 식으로 표시된다.

 

 

상기 식에서 ρ는 지하매질의 고유한 성질로서 비저항(resistivity)이라고 부르며 단위는 Ω-m로 표시한다. 현장에서 주로 적용되는 전기탐사 배열법에 대한 모식도 및 겉보기비저항 계산식은 다음과 같다.

 

 

 

4. 탐사흐름도

1) 조사 지역에 대한 고찰을 통해 측선 설정

2) 해석하고자 하는 심도에 따라 적절하게 측선별로 전극 간격 선정

3) 현장 탐사

① 측량 자료 및 줄자 등을 통한 측점 위치 선정

② 측점 위치에 전극 설치

③ 전선을 각 전극에 연결

④ 전선을 배전반에 연결

⑤ Multimeter(Tester)를 통해 각 측점의 접촉 저항 측정

⑥ 접촉 저항이 불량한 곳에 대해서 염수 주입 또는 측점 위치 조정

⑦ 배전반과 탐사기를 전선으로 연결하여 전류 전극에 전류를 보내준 후 전위 전극을 통해전위차 측정

⑧ 가단면도에 측정값 기입

⑨ 전류 전극과 전위 전극의 위치를 달리하여 ⑦, ⑧ 과정 반복

⑩ 해당 측선에 대한 최종적인 가단면도 작성

4) 자료 처리 및 해석

① 현장 측정값을 자료처리 프로그램에 입력

② 측점별로 측점 좌표 및 지형값 입력

③ 지형 보정

④ 자료의 질에 따라 적절한 역산 변수를 설정하여 역산 수행

⑤ 지하 매질의 전기비저항 단면도 작성

⑥ 정밀지표지질 조사 및 시추 자료 검토

⑦ 이용 가능한 모든 자료를 분석하여 종합 해석

 

5. 분석 결과

위의 그림에서 붉은색은 높은 전기 비저항치의의 분포를 푸른색은 낮은 전기 비저항치의 분포를 나타내고 있으며, 전기 비저항치가 낮다는 것은 지하수, 광체 등 전기 전도도가 양호한 지질 구조가 분포한다는 의미이며, 지하수를 수반한다는 것은 절리, 파쇄대 단층 등 구조적으로 취약한 암반의 분포가 예상되는 구간을 의미한다.