지표면에 인접한 공동탐지를 위한 고정밀 중력탐사 연구

A Study on the Near-surface Sinkhole Detection by the Microgravity Survey

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(06):103-114

Publication date (electronic) : 2017 December 31

doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.103

Young-Cheol Lee ^*, Woo Sik Park, Soon Heon Hong ^***, Hyun Choi ^****, Chang Hwan Ahn ^*****, Joong Ho Lee ^******

이영철^*, 박우식, 홍순헌^***, 최현^****, 안창환^*****, 이중호^******

* Member, Researcher, The Center for High Energy Physics, Kyungpook National University

*** Member, Professor, Department of Civil Engineering, Pusan National University

**** Member, Professor, Department of Civil Engineering, Kunagnam University

***** CEO, MiRae Space Engineering Corp

****** Road Planning Division, Busan Metropolitan City

^**Corresponding Author, Member, Ph.D. Candidate, Dept. of Environmental and civil Engineering, Pusan National University. (Tel: +82-55-311-9150, Fax: +82-55-311-9151, E-mail: bakwoosik@daum.net)

Received 2017 October 16; Revised 2017 October 17; Accepted 2017 October 30.

Abstract

도심지에서 발생하고 있는 땅꺼짐은 자연적인 현상보다는 인공적인 현상에 가깝다. 발생 원인으로는 자연적 지반변화에 의하여 발생하기보다 지하시설물의 노후화나 굴착공사시 발생한 지중 공동현상에 따른 상부 지반의 지지력이 약화되어 지반이 침하하는 현상이 특징이다. 본 연구에서는 수십 μGal의 중력이상을 발생하는 공동 발생 상황을 가정하여, 1 ton 부피의 PE 물탱크를 연구지역에 매설하였다. GPR탐사와 중력탐사를 물탱크 매설 전⋅후로 수행하여 각각의 결과를 비교 검토하여 고정밀 중력탐사를 이용한 지하공동탐사 적용성 가능성을 검증하고자 하였다.

Trans Abstract

A road collapse occurring in urban areas is more close to an artificial cause than a natural cause. The road collapse is characterized by the phenomenon that weakening of ground support force affected by sinkhole caused by the aging of underground facilities or excavation work rather than the natural ground changes. Therefor in this study, we buried 1-ton volume of PE water tank in the study area assuming a sinkhole generating dozens μGal GPR survey and gravity survey were conducted before and after burying the water tank than each survey result was analyzed. With these results, we attempt to verify the applicatbility of sinkhole detection using microgravity survey.

Keywords: 공동; 지구물리탐사; GPR탐사; 중력탐사

Keywords: Sinkhole; Microgravity Survey; GPR Survey; Gravity Modelling

1. 서론

도심지에서 발생하는 지반 침하의 원인은 자연적인 지반변화에 의하여 발생하기보다는 지하시설물이 노후화하거나 굴착공사시 발생한 지중 공동현상이 상부 지반의 지지력을 약화시키기 때문이다. 도심에서의 지반침하는 원인 파악과 더불어 어느 지역에서 언제, 어떤 규모로 발생하는지 예측하는 것이 중요하다.

지하 구조파악에는 여러 가지 지구물리탐사방법이 사용되고 있으나 도심지의 지반침하 탐사에는 신속 탐사가 가능한 GPR(Ground Penetrating Radar)탐사 방법이 주로 사용된다. GPR탐사는 기록된 전자기파 시계열 신호는 적정한 신호처리를 거친 후 전자기파 단면도나 영상을 작성하여 지하 매설물의 위치와 지하구조 등을 추정하는 방법이다. GPR은 해상도가 높고 탐사속도가 빨라 도심지 도로함몰 탐사에 실질적으로 적용되고 있으며, 서울시는 2015년 차량형 GPR탐사장비를 제작구매 하고 탐사업무에 투입⋅운용하고 있다(Bea et al., 2016).

그러나 GPR탐사의 경우 전도성이 큰 도심지 충적층에서는 땅속으로 보내는 전자기파가 감쇄되어 깊은 공동을 탐지하는데 한계가 있다. 또한 GPR탐사에 의해 공동의 대략적인 위치와 깊이가 확인되더라도 그 특성상 공동의 정확한 규모와 넓이가 3차원적으로 명확히 정의될 수 없다.

한편, 1969년에 1μGal의 민감도를 가지는 LaCoste & Romberg Model-D가 개발되어 고정밀 중력탐사를 할 수 있게 되었다. 하지만 이 기기는 측정 속도가 상당히 느려 실질적으로 탐사에 사용할 수 없었으나, 이후 중력계의 성능이 지속적으로 향상되어 관측자의 숙련도와 상관없이 자동 반복측정으로 자료의 정밀도와 신뢰도가 높아졌다. 따라서 중력탐사를 통한 대상 지역의 중력장 변화를 탐지함으로써 지하공동의 3차원 위치, 규모 및 그 발달 가능성 해석이 가능하게 되었다. 공동작용에 의한 도로함몰의 경우 지표면 가까이 붙어 있어 주변과의 밀도 대비가 크기 때문에 고정밀 중력탐사로 탐사가 가능하고 이와 유사한 상황의 자연적인 지하 공동탐지의 연구 사례가 보고되었다(Kwon et al., 1998; Kim et al., 2005; Beres et al., 2001; Kim et al., 2017).

중력탐사 방법은 지하밀도 분포 상황을 파악하는 가장 직접적인 방법이나 규모가 작은 구조에 의한 중력이상은 매우 작아 탐사설계, 현장측정, 측량, 자료보정 등에서 목적에 부합하는 정밀도를 유지해야 한다. 또한 우리나라에서 고정밀 중력탐사가 토목, 환경문제 등에 효과적인 수단이 될 수 있다는 것에 대한 인식이 매우 부족하다.

본 연구는 지표면 가까이에 위치한 공동 탐지를 위한 고정밀 중력탐사 적용 가능성에 대한 연구로 다음과 같이 수행되었다. 첫째, 연구대상지에 대하여 중력탐사를 수행하여 연구지역의 이상체 매설 여부를 우선 확인하고, 둘째, 수십 μGal의 중력이상을 발생하는 공동 발생 상황을 가정하여 1ton 부피의 PE 물탱크를 연구지역에 매설한 후, 셋째, 탐사지역의 지표면에서 물탱크 매설 전⋅후로 GPR탐사와 중력계 두 대를 이용하여 중력탐사 수행하여 각각의 결과를 비교 검토하여 물리탐사방법의 가장 큰 문제점인 탐사심도를 극복하고 고정밀 중력탐사를 이용한 지하 공동탐사의 적용성을 검증하고자 한다.

2. 이론적 고찰

2.1 공동현상

자연적인 공동현상(Sinkhole)은 석회암이 분포하고 있는 지역에서 발생하며, 그 원인은 석회암의 주성분인 탄산칼슘이 탄산가스가 녹아있는 지하수에 의해 용해되어 공동이 발생되고, 이것이 지표부근까지 확대되어 상부 지층이 갑자기 침하되면서 생기는 구멍(hole)을 말한다.

자연적인 공동은 형태상으로는 침하, 함몰과 유사하며, 석회암 지반으로 구성되어 있는 해외에 그 사례가 많으며, 우리나라는 강원도 삼척, 영월 일부지역에 발생한 사례가 있으나 화강암, 편마암으로 이루어진 대부분의 다른 지역은 자연적인 공동의 발생 가능성은 거의 없는 것으로 볼 수 있다.

서울시에서 도로함몰의 연도별 발생 건수는 Fig. 1과 같으며, 발생 빈도가 해마다 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 도로함몰의 원인으로는 Fig. 2와 같이 터널굴착과 굴착공사 중 흙막이 배면토사 유실과 지하수 등에 의한 공동 및 도로 포장면 균열을 통한 빗물의 침투 그리고 상⋅하수관 누수로 포장층의 약화시켜 침하가 발생하는 것으로 조사되었다.

Fig. 1

Number of Occurrence of Road Collapse in Seoul Metro City by Year

Fig. 2

Occurrence of Shikholes Caused by Brust of Water Pipes or the Connection that the Tunnel Due to Underground Construction

도심지의 상⋅하수도관의 파열 등의 원인으로 공동이 발생하였을 때 함몰부위의 깊이와 넓이는 평균 2~3 m 정도이나, 이 공동현상이 지하공사 등의 인위적으로 생긴 공동과 연계되었을 때 그 깊이와 넓이는 최대 10배까지 확대 될 수 있다는 점에서 도심지 땅꺼짐의 위험성은 자연적인 땅꺼짐 보다 높다고 할 수 있어 그 실태파악 및 예방조치가 긴급히 이루어져야 한다.

2.2 GPR탐사

GPR탐사(Ground Penetrating Radar, GPR)는 송신 안테나에서 발사된 전자기파가 지하의 불균질대에서 반사되거나 투과되어 수신안테나에 감지된 도달시간을 이용하여 지반의 구조 또는 지하 매설물 등을 영상화하는 물리탐사법이다(Fig. 3). GPR탐사는 10 MHz ~ 2.6 GHz 범위의 고주파 전자기파를 사용한다. 탐사방법은 송수신 안테나의 간격을 고정시키고 안테나를 측선 상에서 이동하면서 지반 구조 및 매설물 등을 탐사한다.

Fig. 3

GPR Line Survey

Fig. 4

Gravity Survey of a Shinkhole

GPR탐사는 주파수가 낮아지면 파장이 길어지고 영상의 분해능은 낮으나 탐사심도는 증가한다. 반면 주파수가 높아지면 파장이 짧아져 영상의 분해능은 높아지지만 탐사심도는 낮아지게 된다. 지하 수 m 이상 심도에 대해 탐사할 경우 100 MHz 이하의 낮은 중심 주파수의 안테나를 사용하나 전자기파의 감쇠현상 때문에 10m 이상의 심도까지 탐사가 가능한 경우는 암반이 지표에 노출되어 있는 지역을 제외하고는 어렵다.

GPR탐사에서 측정한 자료는 적절한 신호처리를 거친 후 파형의 형태와 흑백 또는 칼라의 명암도로 영상화 한다. 지하 단면 영상에서 나타나는 반사 패턴의 인식은 GPR탐사 자료의 해석에서 중요한 위치를 차지하며 안테나의 주파수, 조사목적, 탐사대상 등에 부합하도록 일련의 신호처리 과정을 구성하고 자료처리 변수를 설정하여야 한다.

그리고 연속파를 이용한 GPR탐사 자료는 푸리에 변환 등을 이용하여 시간영역 자료인 펄스 형태의 자료로 변환한 다음 탐사기에서 간단한 자료처리이루어지는 경우가 많으며, 탐사 후 내업에서 자료처리를 수행하여 좀 더 정밀한 영상의 획득과 정확한 해석이 가능하다. 또한 지층 경계면 역시 구조보정 처리에 의하여 실제의 부존 위치와 경사에 근접하는 영상의 획득이 가능하다.

GPR탐사를 적용할 때의 고려사항은 고주파수 전자기파에 발생할 수 있는 심한 감쇠 현상으로, 전자기파의 감쇠 정도는 지하 매질의 전기비저항에 반비례하며 사용 안테나의 주파수에 비례한다. 따라서 점토 함량이 높은 토양층과 같이 저비저항을 갖는 지반에서는 심한 감쇠 현상으로 GPR탐사의 가탐심도가 얕아지게 된다. 수신된 전자기파의 세기가 약하므로 상대적으로 주변 전자기파 잡음의 영향이 커지며 정밀도 역시 저하된다. 극단적으로 전기비저항이 낮은 갯벌과 같은 해수 지역에서는 GPR탐사는 불가능하며, 깊은 심도(3m 이상)에서는 탐사가 어렵다.

2.3 중력탐사

중력탐사는 탐사지역의 측점의 상대중력을 측정하는 것으로 측정 결과로부터 지하 밀도 분포 구조를 파악하는 물리탐사법이다. 지표에서 측정된 중력값은 지하에 분포하는 암석이나 암반의 크기와 깊이 등을 나타낼 수 있다. 중력 가속도 1 g는 980cm/s²이며, 중력 가속도의 cgs 단위는cm/s²으로 중력 가속도를 최초로 측정한 갈릴레오의 이름을 따서 1 Gal이라고도 한다. 또한 1 mGal = 1/1000Gal로 표현 할 수 있으며, 일반적으로 중력의 정밀도를 위해Gal보다는 mGal또는 μGal을 많이 쓴다.

탐사방법은 대상지역의 측정위치에 측선을 설정하거나, 탐사대상 지역 전체에 격자를 설정하고 중력계로 중력을 측정한다. 이때 중력계는 탐사용도에 따라 다르며 보통의 중력탐사에서는 측정 정밀도가 약 0.1 mGal 이상으로 지하 수백 ~ 수천 m까지 탐사가 가능하며, 고정밀 중력탐사에는 측정 정밀도가 수μGal이상인 중력계를 사용하여 수 m에서 수백 m까지 탐사가 가능하다. 또한 고정밀 중력탐사에서는 탐사대상지역에 중력 측정기준점을 설치하고, 탐사 중 2∼5시간마다 기준점에서 중력을 반복 측정한 다음 각 측정점에서 시간적인 기기변화를 보정하면서 탐사를 실시한다.

중력탐사시에 필요사항으로 탐사지역 또는 인접지역에 있는 중력 기준점과 각 측점간의 상대중력치를 측정해야 하며, 각 측점에서의 측정시간과 고도 및 위치를 같이 측정해야 한다. 그리고 중력탐사 동안의 중력의 시간적 변화 역시 확인 하여야 한다. 중력탐사로 측정된 중력값은 조석보정. 계기값변환, 계기고보정, 계기보정을 거쳐 관측중력을 계산하고, 고도보정, 대기 질량보정을 거쳐 고도이상을 계산한다. 지구조석 보정은 지구가 완전한 강체라는 가정 하에 계산하는 것으로 실제로 강체가 아닌 지구는 강성률 분포에 의해 실제 지구 조석과 차이가 발생하며, 이론 지구조석과 실제 지구조석의 비를 기조력 상수라 하며, 국내의 경우 Kim and Kwon(1998)에 의하여 기조력 상수에 대한 연구가 선행되어 제시한 기조력 상수 평균값인 1.18을 이용하였다.

중력이상은 관측된 중력값에 각종 보정을 한 다음 정규중력값과의 차이를 나타내는 것으로 보정 정도에 따라 고도이상, 부게이상 등으로 나눌 수 있다. 고도보정과 부게보정 후 산출되는 단순 부게이상에서 지형보정을 거치면 완전 부게이상이 산출된다. 부게이상은 지하밀도 구조를 해석하는 기본 자료가 되며, 해석 결과는 중력이상도와 지하구조도 등을 탐사지역 위에 중첩시켜 등중력 이상도로 표현 할 수 있어 광물질탐사, 유전탐사, 지하구조물탐사, 지하구조 안정성 및 활용가능성 등에 응용이 가능하다.

중력탐사 자료는 해석에 있어 단점으로 지적되는 해의 비유일성으로 인해 단일한 지하의 밀도와 분포를 구하는 것이 어려우나, 지질학적 정보 및 다른 탐사의 결과가 추가되면 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있다. 또한 중력자료 해석 기법이 개발됨에 따라 중력탐사 만으로도 신뢰도 높은 결과를 기대할 수 있다. 특히 본 연구의 목적이 되는 지표면 가까이의 대상체는 단파장의 형태로 탐지 될 것으로 기대되기 때문에 심부에 위치한 대상체 보다 탐지 가능성이 높을 것으로 사료된다.

3. 연구적용

본 연구는 2017년 1월 11일부터 1월 21일까지 경상남도 함안군 칠원읍 무기리에 위치한 밭에서 수행되었다. 연구대상지역을 6×6 m의 격자를 설정한 후 0.5 m 간격의 측선을 표시한 다음 이상체 존재 여부 및 지반 상황을 파악하기 위하여 지표면에서 GPR탐사와 중력탐사를 수행하고, 수십 μGal의 중력이상을 발생하는 공동 발생 상황을 가정하여 1 ton 부피의 PE물탱크를 매설 하였다. 물탱크는 총 두 개를 매설하였다. 한 개의 물탱크 매설이 완료되면 중력탐사를 수행하고, 또 한 개의 물탱크를 매설하고 중력탐사를 반복하였다. GPR탐사는 첫 번째 물탱크 매설 전⋅후 각각 수행하였다. Fig. 5는 탐사 대상지의 모습, 물탱크 매설을 위한 터파기 및 물탱크 매설후의 모습과 물탱크가 매설된 단면도를 나타내고 있다.

Fig. 5

Sectionlal Configuration of the Study Area

3.1 GPR탐사

GPR탐사는 IDS사의 Detector DUO GPR탐사계로 250 MHz 주파수의 안테나를 사용하여 탐사를 수행하였으며, 송신기와 수신기의 간격은 60 cm 병렬로 설정하고, 0.1 m 간격으로 측정하도록 구성하여 횡단방향으로 자료를 획득하였다. 그리고 총 14개 측선 중 세로 방향(아래 ￫ 위) 7개 측선(LO1~LO7)과, 가로 방향(좌 ￫ 우) 7개 측선(LA1~LA7)을 지장물 매설 전~후로 획득하였다(Fig. 6).

Fig. 6

GPR Survey

3.2 중력탐사

중력탐사는 Scintrex사의 상대중력계(Fig. 7(a))로 1 μGal민감도를 가지는 CG5 두 대를 이용하여 설정된 6×6 m의 격자 내 0.5 m 간격으로 탐사를 실시하였다(Fig. 7). 물탱크 매설시 물탱크의 위치와 중력 측점의 위치는 Trimble GPS R8를 이용하였고, 대상 지역 주변에 중력기준점(Fig. 7(c))을 설치한 다음 측점 169개소에 대한 상대중력탐사를 실시하였다.

Fig. 7

Gravity Survey

4. 결과 및 토의

4.1 GPR탐사

GPR탐사의 관측자료는 Time Domain Migration과 Bandpass Filter를 2회 수행하여 레이더파의 반사단면도를 작성하였다. 반사단면도의 지층구조의 구분은 지장물을 포함하는 1) 수평층, 2) 교란된 지층, 3) 침하지반 지층, 4) 융기지반으로 구분하고 지층의 특성에 따른 지장물의 반사단면을 해석하고 이를 반영하였으며, 수평층은 Ⓗ-Horizontal layer, 교란된 지층은 Ⓓ-Disturbed layer, 침하된 부분은 Ⓢ-subsidence layer, 융기된 구조는 Ⓐ-Arching, 지장물은 Ⓟ-Pipe로 표기 하였다.

세로 방향 탐사결과의 반사단면(Fig. 8(a))을 살펴보면 LO1는 매설 전⋅후에 걸쳐 지층이 느슨해지는 경향을 보이고, LO2는 터파기 지점으로 매설지점 부근의 반사파가 교란되었다. LO3은 지장물 상부와 하부가 부분적으로 매우 교란된 형태를 보이고, LO4은 지장물이 매설된 지점이 일부 교란되고 하부지층이 부분적으로 느슨함을 보인다. LO5는 지장물을 중심으로 지층이 교란된 형태를 보이면서 지장물 주변으로 지층이 느슨해지는 경향을 나타냈으며, LO6은 지장물이 매설된 지점이 일부 교란되고 하부지층이 느슨해 보인다. 그리고 LO7은 부분적으로 지층이 교란되고 하부층이 느슨해진 경향을 나타냈었다.

Fig. 8

B-scan Data (250MHz) of the Status That Before Burying the Water Tank and That After Burying

가로방향 탐사결과의 반사단면(Fig. 8(b))에서 LA1은 매설 전-후에 걸쳐 지층이 느슨해지고 끊어진 형태를 보이고, LA2는 매설 전-후에 걸쳐 지층이 느슨해지고 매설 구간을 중심으로 지층이 끊어지면서 함몰구조가 관찰되었다. LA3은 지장물 상부지층이 교란 및 침하가 나타났으며, 하부는 교란된 양상을 보였다. LA4는 지장물이 위치한 지층이 교란되고 주변 지층이 외곽으로 밀려난 경향이 나타났으며, LA5는 지장물을 중심으로 지층이 교란되고 지장물 주변으로 지층이 느슨해지는 경향이다. LA6은 터파기 지점 전체에 걸쳐 지층이 느슨해지면서 교란된 형태를 보이며, LA7은 전체 구간에 걸쳐 지층이 느슨해지면서 교란이 나타났다.

세로방향과 가로방향 모두 매설 전-후의 차이를 보이고 있으나 이러한 차이로 물탱크의 위치를 파악하는 것은 어려운 것으로 판단된다. GPR탐사에 의하여 물탱크의 위치가 파악되지 않은 것은 GPR의 전자파가 유전율이 낮은 점토층을 진행할 때 에너지 감쇠가 심하게 발생되어 반사면이 형성되지 않는 것으로 파악이 된다. 또한 지하동공의 경우에도 반사면이 형성되지 않으면 동공의 위치 및 크기의 파악이 어려워진다.

4.2 중력탐사

본 연구에서는 Scintrex사의 민감도 1 μGal인 2개의 중력계(편의상 중력계 두 대를 A-meter, B-meter로 칭한다)를 사용하여 탐사를 실시하였다. 탐사 방법은 1) 두 대의 중력계 를 이용하여 연구지역에 대한 사전 중력탐사를 실시하였다. 2) 물탱크 한 개를 먼저 매설하고 중력탐사를 실시하여 물탱크 한 개의 중력효과를 측정한다. 3) 물탱크 한 개를 더 매설하고 중력탐사를 실시하여 물탱크 두 개의 중력효과를 측정한다. 측정된 기계값은 조석보정, 기계변위보정, 망조정을 거쳐 절대중력값으로 환산하였다. 환산된 절대중력값으로 고도보정, 부게보정을 거쳐 부게이상도를 작성하고 부게이상값을 평균하고 그 값을 빼주어 잔류 부게이상도를 작성하였다.

Fig. 9는 물탱크 매설전의 잔류 부게이상을 나타낸다. B-meter가 A-meter에 비하여 중력값의 변화폭이 크게 나타나며 A-meter에는 나타나지 않는 잔류효과가 잔류이상도 중간에 보인다. 저 지점은 물탱크를 매설할 지점으로 물탱크를 매설하기 위하여 팠을 때 특별히 이상한 것이 없었다. 이는 B-meter가 A-meter에 비해 오차 폭이 큰 것으로 사료된다.

Fig. 9

Residual Bouguer Anomalies Before Burying the Water Tank

Fig. 10은 첫 번째 물탱크를 매설한 후 측정한 잔류 부게이상도이다. 첫 번째 물탱크를 매설한 후 A-meter의 부게이상도의 경우 물탱크가 위치한 부분을 특정하는 것은 가능하지만 B-meter의 경우는 물탱크 위치를 특정하기가 쉽지 않아 두 개의 중력계의 성능에 차이가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 10

Residual Bouguer Anomalies After Burying the First Water Tank

Fig. 11은 물탱크 두 개를 모두 매설한 후 측정한 잔류 부게이상도이다. A-meter가 측정한 중력효과는 변화폭이 약 40 μGal (약 -20~40μGal)임에 반해 B-meter는 변화폭이 약 90 μGal (약 -45~45μGal)에 이른다. 물탱크가 매설된 지점의 중력효과 역시 A-meter는 단파장의 형태로 특정할 수 있는 것에 비하여 B-meter는 특정하기가 쉽지 않다. 이는 같은 제조사의 같은 기종의 중력계를 사용하였으나 두 기기의 성능 차이가 나는 것으로 판단된다. 현재 국내 중력계에 대한 성능검사 기준이 마련되지 않고 있어 성능검사에 대한 규정이 필요할 것으로 사료된다. 실무에서는 고정밀 중력탐사를 할 경우 시범지역을 선정하여 성능의 검증과정을 거칠 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 11

Residual Bouguer Anomalies After Burying the Two Water Tanks

4.2.1 중력 모델링

물탱크가 매설된 지점의 좌표를 이용하여 매설된 것과 거의 유사한 형태의 중력효과를 계산하였다. 흙의 밀도는 1.9 g/cm³로 하고 터파기에 의하여 교란된 시료는 0.2 g/cm³로 하였다. 계산간격은 중력측정간격과 동일한 0.5m 간격(Fig. 12)과 추가로 0.25 m 간격(Fig. 13)으로 두 가지로 조건으로 계산하였다.

Fig. 12

Gravity Effects Caused by Water Tanks Only and Water Tanks and Ground Disturbance (calculated by 0.25 m span)

Fig. 13

Gravity Effects Caused by Water Tanks Only and Water Tanks and Ground Disturbance (calculated by 0.5 m span)

물탱크의 영향만을 나타내는 Figs. 12 (a)와 13 (a)는 물탱크 축 방향의 중력효과가 나타나는 반면, 지반교란 효과를 포함시킨 Figs. 12 (b)와 13 (b)는 터파기 한 경계 부근에서 중력효과의 경계가 형성되는 것을 알 수 있다. 물탱크에 의해서 발생되는 중력효과는 0.25 m와 0.5 m 간격 둘 다 약 10 μGal 효과가 나타나는 것으로 계산되고, 터파기한 후 교란된 지반의 효과를 포함하면 약 20 μGal의 효과가 나타나는 것으로 계산되었다.

실측되어 작성된 잔류부게이상도에서 물탱크 주변의 잔류부게이상값의 변화 폭은 A-meter(Fig. 11 (a))는 약 30 μGal, B-meter(Fig. 11 (b))는 약 45 μGal로 나타났다. 계산에 의한 중력효과 보다 실측값이 크게 나타나는 것은 중력 측정시 포함되는 불확도의 영향인 것으로 판단되며, 같은 제조사의 중력계 임에도 불구하고 두 중력계의 불확도가 다르게 나타나는 것으로 판단된다.

4.2.2 random Noise가 포함된 중력모델링

중력측정시 포함되는 불확도 혹은 오차에 기인하는 효과를 분석하기 위하여 이론적인 중력효과에 random noise를 포함시켜 계산하였다. Ranodom noise는 Intel Fortran의 ranodm 변수 발생 서브루틴을 이용하여 발생시켰으며, Random noise를 5 μGal에서 10 μGal까지는 1 μGal간격으로 증가시키고 이후 15 μGal, 20 μGalNoise를 넣고 모델링 실시하였다. 중력모델링은 0.25 m와 0.5 m 두 가지에 대하여 실시하였다. 0.25 m 간격으로 모델링한 결과는 실측자료와는 다르게 Noise의 파장이 단파장으로 나타나는 것을 관찰 할 수 있었으며, 약 10 μGal까지는 지하 매설물의 영향을 구분해 낼 수 있는 것으로 판단된다(Fig. 14).

Fig. 14

Gravity Effects Caused by Water Tanks, Ground Disturbance Adding Random Noise (calculated by 0.25 m span)

Fig. 15

Gravity Effects Caused by Water Tanks, Ground Disturbance Adding Random Noise (calculated by 0.25 m span)

0.5 m 간격 모델링 역시 random noise를 5 μGal에서 10μGal까지는 1 μGal 간격으로 증가시키고 이후 15 μGal, 20 μGalnoise를 넣고 모델링하였다.노이즈가 포함된 중력효과의 양상이 실측자료와 비슷하게 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 약 9 μGal까지는 지하 매설물의 영향이 왜곡 없이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과로 약 9~10 μGal의 오차가 포함되어도 지하매설물을 구분해 낼 수 있는 것을 알 수 있었다.

5. 결론

본 연구에서는 수십μGal의 중력이상을 발생하는 공동 발생 상황을 가정하여 1ton 부피의 PE 물탱크를 매설하였고 PE 물탱크를 매설하기 전 중력탐사를 수행하여 탐사지역의 이상체 매설 여부를 우선 확인 하였다. 물탱크 매설 전⋅후 지표면에서 GPR탐사와 1 μGal 민감도를 가지는 중력계 두 대를 이용하여 중력탐사 수행하여 각각의 결과를 비교 검토하여 물리탐사방법의 가장 큰 문제점인 탐사심도를 극복하고 고정밀 중력탐사를 이용한 지하 공동탐사의 적용성을 검증하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, GPR탐사에 의하여 물탱크의 위치가 파악되지 않았으며, 실험 지반이 점토층인 밭으로 유전율이 낮아 GPR의 에너지 감쇠가 심하게 발생되어 반사면이 형성되지 않는 것으로 파악이 된다.

둘째, 흙의 밀도를 1.9 g/cm³로 하고 터파기에 의하여 교란된 시료는 0.2 g/cm³로 하여 계산한 중력효과는 약 22 μGal로 계산되었고, 지반교란의 효과가 나타나는 것을 확인하였다.

셋째, 물탱크와 지반교란 효과에 random noise를 변화시키며 더하여 모델링한 결과 약 9 μGal까지 물탱크의 위치를 파악할 수 있는 것으로 나타났다. 여기서 9 μGal은 실제 탐사에서 중력계가 발휘하는 실제 성능으로 고려될 수 있을 것으로 판단된다.

넷째, 실제 탐사한 결과는 두 중력계가 다른 측정치를 보였다. A-meter는 대상체 주변에서 약 30 μGal의 중력이상을 탐지하고 물탱크의 위치를 특정할 수 있는 것에 반해, B-meter는 약 45 μGal의 중력이상을 보이며 대상체의 위치를 특정하기가 어려운 것으로 나타났다. 이러한 결과는 중력계 두 대의 성능차이에 기인한 것으로 판단되며, 모델링 결과에 비추어보면 A-meter는 약 9 μGal에 가까운 성능을 보이는 반면, B-meter는 9 μGal에 미치지 못 하는 성능을 가지고 있는 것으로 판단된다.

다섯째, GPR 탐사의 경우 탐사장비의 성능 시험을 위한 테스트 베드가 경상북도 안동 한국건설기술연구원 안동하천실험센터에 구축(Kim et al., 2016)이 되어있는 반면, 고정밀 중력탐사에 대한 테스트 베드는 아직 없는 실정이다.

여섯째, 중력탐사는 GPR 탐사에 비하여 탐사속도가 느릴 뿐 아니라 해상도도 낮다. 그럼에도 불구하고 GPR 탐사를 보완할 수 있는 탐사 방법으로 사료된다. 고정밀 중력탐사 기술 개발 및 중력계의 성능 검사를 위한 테스트 베드가 필요할 것으로 사료된다.

감사의 글

이 연구는 기상청 지진기술개발사업(KMIPA 2015-7060)의 지원 및 2016년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. NRF-2016R1A6A3A11935995).

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