Possible Methods of Identifying Underground Cavities Using Seismic Waves

지진파를 이용한 지하 공동의 탐지 방법

The purpose of this study is to investigate the possibilities of identifying and detecting underground cavities using seismic waves recorded by the fixed and mobile stations. During 18 months of field work we recorded chemical explosions near the Bongdarn station. Seismic Stations were installed on the free surface and underground inside the Samba mine. The seismograms at the fixed(lorg-term) seismic station show abrupt change of polarization characteristics which can he associated with the appearance of P-to-S converted phase(PS) at 150 ~ 200 msec after the first P arrival. This result indicates that converted phases are generated very near to the Bongdarn station at a depth of 190m. Shear-wave splitting phenomena have also been observeci The time delay between fast shear(fS) and slow shear(sS) waves ranges between 30 and 60 msec(average is 42 msec). However, exact time delay between the fast and the slow shear waves can not be accurately measured because of the very short time delay and limitation of sampling rate. Chemical explosion experiments were recorded at stations along various paths to contrast the seismic response of areas with and without cavities. The seismograms recorded at the stations installed at cavity areas show an abrupt change of polarization characteristics but not on the other stations. Seismic waves propagating through the cavity are characterized by the attenuation of high frequency waves and predominantly low frequency seismic waves after the S wave arrivals.

본 연구는 이미 알려져 있는 공동 지역에서 1년 6개월에 걸친 고정점 관측 및 이동 관측망에 의한 실험을 통하여 지하 매질에 공동이 존재할 때에 나타나는 지진파의 이상 현상에 의하여 지하에 존재하는 공동을 탐지 및 식별할 수 있는 가능성을 찾는데 그 목적이 있다. 한양 대학교 지진 연구소에서는 경기도 화성군 봉담면에 위치한 삼보 광산에서 고정 지진 관측을 수행하였다. 이 자료의 대부분은 인근 골재 채취장에서의 화약류 발파에 의한 것이며 본 연구에서는 이 화약류 발파에 의한 자료를 이용하였다. 고정 관측소 관측의 경우 지상 관측과 삼보 광산의 갱도 안에서의 지하 관측을 수행하였다. 이 두 자료으 경우 종파의 초동 후 150 ~ 250 msec 후에 전환파(converted phase)의 출현에 의하여 편파 특성이 매우 급격하게 변하는 양상을 보여 준다. 전환파가 발생하는 깊이는 평균 약 190m 정도로서 삼보 광산의 갱도 깊이와 잘 일치되는 결과를 보여 준다. 또한 횡파 분열(Shear-wave Splitting) 현상이 관측되었다. 빠른 횡파(fS)와 느린횡파(sS)의 시간 차이는 약 30-60ms 정도의 차이(평균 42 ms)를 보인다. 이러한 결과는 다른 연구의 결과보다는 상당히 큰 값을 보여 주는데 이는 지하 공동에 의한 균열(Crack)이 상당히 발달해 있는 것을 나타내는 결과이다. 또한 화약 발파 실험에 의한 자료는 공동에 설칠한 지진계와 비공동 지역에 설피한 지진계를 비교 분석하였다. 공동 지역에서 설치한 지진계의 경우 고정 관측소의 경우와 같이 종파의 초동후에 편파 특성이 매우 급격하게 변하는 양상을 보이나 비공동 지역에 설치한 지진계의 경우는 편파 특성이 매우 안정적인 양상을 보인다. 또한 공동 지역을 지난 지진파의 특징은 현저한 고주파수 성분의 감쇄와 탁월한 저주파의 성질을 갖는 위상이 관측되었다.