탄성파탐사

1. 탄성파탐사의 개요

지표에서 인위적으로 발생시킨 탄성파는 지하매질을 주행하다 속도가 다른 두 매질의 경계면에서 그 에너지의 일부는 반사되고 일부는 하부 매질로 굴절되는데, 이때 반사 또는 굴절되어 지표로 되돌아오는 신호를 감지․분석하여 지하구조를 조사하는 것이 탄성파탐사의 기본원리이다. 이러한 반사 또는 굴절의 진행경로는 스넬의 법칙(Snell's Law)을 기초로 하고 있다.

탄성파 굴절법탐사는 지하매질의 탄성특성에 의해 전파되는 탄성파에너지 가운데 하부의 속도가 상부의 속도보다 큰 지층 경계면에서 임계 굴절되어 지표에 도달하는 굴절파와 표토층으로 전파되는 직접파를 기록하고 이를 해석함으로써 지층의 심도 및 지하의 속도구조에 대한 정보를 얻는 물리탐사 기법의 하나이다.

탄성파 탐사는 토목, 건설, 자원개발 및 지구과학 등 넓은 범위에서 실용적으로 중요한 역할을 담당하고 있다. 지하물질에 대한 탄성파 속도 측정의 궁극적인 목적은 지하구조의 형태와 그 지역의 물성을 정확히 파악하는데 있다. 물성치 중 밀도, 포아송비, 강도, 탄성계수 등은 일반적으로 직접실험을 통해 측정되지만 이들 물성치가 직·간접으로 탄성파 속도에 영향을 미치므로 탄성파 속도의 측정은 지반 자체를 구성하는 물질의 견고성과 파쇄, 균열의 다소, 풍화정도 등 지하물질의 물성을 추정하는데 중요한 자료가 된다.

탄성파 속도의 측정에는 굴절법, 반사법, 표면파법, 직접파법, 공간속도 측정법(CHT; Cross Hole Test), 공내속도 측정법(Sonic Log), 하향식 공내 속도 측정법(DHT; Down Hole Test), 실내 시료 측정법 등이 있으나 현장의 상황, 탐사의 심도 범위, 기기 여건에 따라 굴절법을 가장 많이 이용된다.

굴절법 탐사는 적용규모로 볼 때 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 즉, 지진파를 이용한 지구 내부 구조의 규명, 발파를 이용한 심부 지각 조사, 그리고 공학적인 적용으로서 천부 지층조사가 있다. 굴절법탐사의 장점은 굴절면의 깊이와 속도의 수평적인 변화를 비교적 쉽게 파악할 수 있다는 데 있다. 특히 지층의 속도는 가장 일반적으로 얻어지는 물성으로서 이 정보는 암석강도, 굴착난이도(rippability), 유체 함량과 같은 많은 지반공학적인 요소들을 평가하는 데 중요한 자료가 된다.

2. 굴절법 탄성파 탐사의 원리 및 방법

굴절법 탄성파 탐사는 탄성파의 전파 과정에서 임계굴절(Critical Refraction)이 일어날 수 있는 경우에만 사용될 수 있다. 즉, 속도가 낮은 상부층에서 속도가 높은 하부층에 임계각으로 입사한 파는 층의 경계면에 평행하게 굴절된다. 이때 에너지는 경계면을 따라 하부층의 속도로 전파하며, 에너지의 일부는 연속적으로 상부층으로 재굴절하여 지표면에 도달하게 된다.

처음에는 직접파가 먼저 도달되지만 거리가 멀어지면서 속도가 빠른 하부층에서 굴전된 굴절파가 초동(First Arrival)으로 도착되며, 이들을 선두파(Head Wave)라고 한다. 이들 선두파를 획득하여, 이를 해석함으로서 지층 구조 및 탄성파 속도를 획득한다.

탄성파 탐사기록으로부터 직접파와 굴절파 및 반사파의 도달시간을 읽어 작성된 주시곡선(Time-Distance Curve)으로서 진원으로부터 지표면에서 최초의 굴절파가 감지되는 거리를 임계거리(Critical Distance)라고 하며, 굴절파가 직접파를 앞질러 처음 초동으로 나타나는 지점까지의 거리를 교차거리(Cross-Over Distance)라고 한다. 또한 굴절파의 주시를 나타내는 직선을 원점거리까지 임의로 연장하였을 때 시간 축과 만나는 점을 시간절편(Intercept Time)이라고 한다.

굴절법 탄성파 탐사에서는 일반적으로 각 Geophone에 도달하는 초동만을 읽어 주시곡선을 작성하고, 주시곡선 상에 나타나는 각 직선들의 기울기로부터 지층의 속도를 결정한 후 각층의 심도를 계산할 수 있다.

음파의 총 도달시간을 측정함으로서 각 층의 속도는 파행의 기하학적 형태를 알고 있으므로 주시곡선도에서 계산할 수 있다. 그리고 단지 미지수는 고속도 굴절체의 심도이다. 이들 해석 공식은 다음과 같은 가정을 근거로 한다.

    (1) 층 사이의 경계면은 일정한 각으로 경사져 있거나 수평면이다.

    (2) 지표면의 굴곡이 없다.

    (3) 각 층은 동질성이고 등방성이다.

    (4) 층의 속도는 심도에 따라 증가한다.