충북 증평 지질학습장 시험부지에 대한 물리탐사 및 지질공학 자료의 해석

Interpretation of Geophysical and Engineering Geology Data from a Test Site for Geological Field Trip in Jeungpyung, Chungbuk

Abstract

지하 매질의 물리적인 성질을 정확히 평가하기 위한 가장 일반적인 방법은 해당 지점에서 시추하여 채취한 암편을 대상으로 해석한 지질공학적인 실내시험 결과와 시추공 안에 삽입한 탐사 기구를 통해 얻은 지구물리학적인 자료를 함께 복합적으로 해석하는 것이다. 이 연구에서는 충북 증평의 지질학습장으로 예정된 시험부지 중의 한 곳에서 시추공 탐사 대신 수집한 지표 탄성파탐사(굴절법 및 표면파법) 자료로부터 얻은 P파 및 S파 속도구조와 이를 토대로 작성된 포아송 비 단면을 통해 노두에 좁은 폭으로 드러난 암석 환경(적색퇴적암, 회색화산암, 풍화 화산암) 및 접촉선에서 관찰된 단열, 파쇄대가 확인되는지 알아보았다. 또한 탐사 지역에 주로 분포하는 회색 화산암과 적색 퇴적암을 대상으로 지표지질 조사와 실내 지질공학 실험을 수행하였다. 탐사자료에서 평가된 동적 탄성계수 영률은 지질공학 자료의 정적 탄성계수보다 높았다. 실내 시험에서 회색화산암에 비해 공극률이 작고 함수비가 작은 것으로 평가된 적색퇴적암은 추가적으로 건기와 우기에 실시한 전기탐사(비저항 및 자연전위) 결과에서 건우기와 관계없이 상대적으로 전기비저항이 높고 그 변화 폭이 매우 작은 영역으로 확인되었다. 특히 높은 함수비와 공극률을 갖는 풍화된 회색 화산암과 함께 접촉선에서 좁게 발달한 단열 파쇄대가 우기 때의 충전율을 높이는 열린 통로의 역할을 한 것으로 해석된다.

The best way of investigating the physical and mechanical properties of subsurface materials is the combined interpretation of data from borehole geophysical surveys and geotechnical experiments with rock samples. In this study two surface seismic surveys with refraction and surface-wave method are alternatively conducted for downhole seismic surveys in test site for geological field trip in Jeungpyung, Chungbuk. P- and S-wave velocity structures are delineated by refraction and MASW (multichannel analysis of shear waves) methods, respectively. Possion's ratio section, reconstructed from P- and S-wave velocities, is correlated to the outcrop geological features consisting of reddish sedimentary rock, gray volcanic rock, and joints/fractures. In addition, rock samples representative for reddish sedimentary and gray volcanic features are geotechnically analyzed to provide physical, mechanical properties, and elastic modulus. Dynamic elastic moduli estimated from geophysical data is found to be higher than the one from geotechnical data. Reddish sedimentary rock characterized with low porosity and moisture content corresponds to the zone of low electrical resistivities and their small variations in the resistivity sections between the rainy and dry days. This trend suggests that the weathered gray volcanic rock and the nearby fractures with higher low porosity and moisture content are interpreted to be good carrier especially in rainy season.

서 론

지하구조를 정확히 파악하기 위해서는 시추와 같은 파괴적인 방법으로 직접 지하를 굴착하는 것이지만 이 방법으로는 많은 시간과 비용을 투자하고서도 해당지점 직하부의 1차원적인 지하 정보만 얻게 되는 셈이다. 이러한 문제들을 극복하고자 비파괴 방법인 지표물리탐사를 이용해 짧은 시간에 적은 비용으로 넓은 지역의 지하구조를 파악한다(Telford et al., 1990; Reynolds, 1997). 이 중에서 탄성파굴절법 탐사는 굴절면의 깊이와 P파 속도를 비교적 간단히 알아내는 방법으로서 이 정보는 암석 강도, 암질 평가와 굴착 난이도(rippability) 등과 같은 지질공학적인 요소들을 평가하는데 중요한 자료가 된다(SjÖgren et al., 1979; New, 1985; Gardner, 1992). 또한 지반 강성에 매우 중요한 인자인 밀림 탄성률(전단계수, 강성률)은 S파 속도구조로부터 얻을 수 있는데 S파 탐사 자체는 일반적인 P파 탐사에 비해 자료취득과 해석상의 어려움으로 S파 속도 정보를 얻는데 한계가 있었다(Jones, 1962; Nazarian et al., 1983; Cho et al., 2006; KSEG, 2011). 그러나 최근 S파 정보는 1990년대 후반부터 발전하여 활발히 응용되고 있는 표면파 탐사기법 중의 하나인 S파 여러 채널 분석(MASW: multichannel analysis of shear waves)에서 쉽게 얻을 수 있는데(Park et al., 1999) 이렇게 얻어진 P파와 S파 속도 정보로부터 동적 탄성계수 값들이 구해진다(Danbon, 1985; Lee et al., 2004; Cho et al., 2006; Kim et al., 2014).

이 연구에서는 충청북도 증평군의 지질학습장으로 계획되어있는 도안면의 신설중인 도로인근 노두에 접해있는 80 × 80 m 가량 되는 작은 시험 부지에서 지구물리조사를 실시하여 깊이 약 20 m까지의 지질구조를 파악하고 여기서 해석된 물성과 동적 탄성계수(dynamic elastic moduli)들을 암편을 채취하여 실내에서 실시하는 재하시험(loading test)에 의해 변형력-변형 관계로부터 얻는 정적 탄성계수(static elastic moduli)와 상관해석 하였다. 이를 위해 현장에 분포하는 회색 화산암과 적색 퇴적암의 암석 시료를 채취하여 일축압축시험을 수행하였으며, 물성 및 P파 속도 측정 시험을 통해 암석의 물리적·역학적 특성을 분석하였다. 또한 암석의 일축압축시험으로부터 획득한 정적 탄성계수 산정 결과를 바탕으로 각종 경험식을 이용한 암반의 탄성계수를 산정하여 대상 지역 암반에 대한 역학적 특성을 분석하였다.

깊이에 따른 동적 탄성계수의 분포는 기본적으로 P파와 S파의 구간별 속도에 따른 탄성계수를 결정하는 시추공 내림식 탄성파탐사(downhole seismic survey), P파 및 S파 샘-수신기를 봉 안에 일체화시키고 탄성파 속도를 측정하는 SPS(Suspension PS) 검층, 3성분 지오폰을 이용한 S파 굴절법 탐사 등으로 얻는 것이 일반적이고 정확하다(Shon et al., 2003; Cho et al., 2006). 그러나 기반암이 노출된 시험부지의 특성과 또한 이미 도로 건설로 인해 곧 부지가 없어지는 점을 고려하여 시추공 탐사 대신 일반적으로 많이 쓰는 지표 탐사를 신속히 실시하여 속도 구조를 파악하고 이를 바탕으로 탄성 계수 등을 개략적으로 얻고자 하였다. 즉 탄성파 굴절법과 표면파 MASW법으로 각각 얻어진 P파와 S파의 속도구조를 토대로 기반암의 포아송 비, 밀도, 속도와 영의 탄성률, 밀림 탄성률을 계산하였다. 굴절법 및 표면파 탐사는 1차원 수직 시추공 자료가 아닌 파선의 경로에 따른 매질의 물성들이 연관되어 평균되어 나타나고 아울러 기반암이 노두에 분포한 점을 고려하여 몇 개의 대표적인 유형별 암석만을 대상으로 물성 및 탄성계수들을 분석 하였다.

지표 탐사자료 결과의 신뢰성을 위해 굴절법 탐사의 해석에 있어서 매우 다른 방법으로 접근하는 파면법(wavefront method) (Thornburgh, 1930; Song and Song, 1986), 일반 양방향 전파시간법(GRM: general reciprocal method) (Palmer, 1980), 토모그래피(tomography)(Dines and Lytle, 1979; Berryman, 1989)에 각각 해당하는 3가지 상용 프로그램을 불규칙한 굴절법의 모델자료에 적용시켰고(Kim et al., 2006) MASW는 간단한 경사구조 자료를 이용하여 그역산 결과를 살펴보았다. 또한 중앙부의 기반암에 분포하는 수직에 가까운 균열대 및 좁은 파쇄대는 그 규모가 작아 굴절법에서 분해능이 낮고 건우기에 노두 비탈면에서 항상 유출되는 지하수를 고려하여 전기비저항 및 자연전위 탐사를 추가로 실시하여 이들의 적용 효과도 알아보고자 하였다.

 

연구지역

광역지질

연구 지역은 충청북도 증평군 도안면 노암리 일대로 중생대 백악기에 형성된 음성분지의 남동부에 위치한다. 음성분지는 경기육괴와 옥천변성대의 경계를 따라 분포하는 육성 퇴적분지로 북동-남서 방향의 주향이동단층에 의해 형성된 인리형 분지(pull-apart basin)이다(Lee and Cheong, 2005). 주변 지질은 선캠브리아기의 편마암류와 이를 관입한 중생대 쥬라기의 화강암류, 분지 내의 백악기 퇴적암류와 이후 관입한 현무암 및 안산암 등의 화산암류로 구성되어 있다(Fig. 1; Lee and Kim, 1971; Cheong et al., 1976). 연구지역 주변의 편마암은 퇴적 기원의 호상편마암과 화강편마암으로 퇴적암과 부정합 관계를 보이며, 이를 관입한 동편의 화강암류와 점이적인 관계를 보이며 접하고 있다(Cheong et al., 1976). 쥬라기의 화강암류는 조직 및 암상에 따라 반암, 반상화강암, 중립화강암 등으로 구분되며, 수의 장석 반정을 함유한 반상 화강암의 경우 희미한 편마구조가 관찰되는 것이 특징적이다. 음성분지 내 초평층에 속하는 퇴적암은 주로 적색 및 회색의 셰일, 역암 등으로 구성되어 있으며, 분지의 남동쪽은 공주단층대를 따라 분출한 현무암과 안산암 등의 화산암류가 분포한다(Lee and Cheong, 2005).

Fig. 1.Geological map and location of study area (modified after Lee and Kim, 1971; Cheong et al., 1976).

지표지질조사

연구 지역에 분포하는 암반의 지질학적 산출상태를 분석하기 위해 물리탐사 측선(길이 80m)을 따라 노출되어 있는 비탈면을 대상으로 지표지질조사를 수행하였다(Fig. 2). 대상 비탈면은 연장 약 80m, 높이 약 20 m로 적색의 셰일과 회색의 안산암질암, 토사가 혼재되어 분포하며, 부분적으로 셰일과 안산암질암 내 화산쇄설성 물질 및 각력 등을 함유하고 있는 복잡한 지질로 구성되어 있다. 또한 비탈면 상부에는 역을 포함한 암회색 내지 암적색의 기질을 가지는 화산쇄설암이 국부적으로 나타나며, 고각의 층리로 인해 암상이 수직적인 변화보다 수평적인 변화를 보인다. 따라서 본 연구에서는 주로 셰일이 분포하는 구간(이하 적색 퇴적암)과 회색의 안산암질암(이하 회색 화산암)이 분포하는 구간으로 구분하여 지표지질조사를 수행하였다.

Fig. 2.Photos of (a) outcrop geological features and (b-j) their close-up scenes.

비탈면 내에는 북동 내지 북서 방향의 주향과 50~85°의 경사를 가지는 소규모 단층들이 관찰되며, 폭이 약 1 m인 단층 F4는 비탈면 최상부에서 하부까지 긴 연장성을 보인다(Fig. 2a). 전반적으로 절리는 조밀하게 발달하고 있으며, 절리면은 약간 거친~거친 상태를 보인다. 간극은 1 mm 내외로 거의 밀착되어 있으나, 단층 주변의 절리면은 약 1 cm 내외의 간극 사이에 암편의 충전물이 관찰된다.

Zone I은 측선 0~33 m 구간으로 암회색의 화산암과 암적색 퇴적암, 토사 등이 혼재하여 분포하나 적색 퇴적암이 주를 이룬다(Fig. 2b). 이 구간 내 절리는 불규칙하게 발달하고 있으나 대체로 북동과 북서의 주향을 보인다. 측선 18 m의 회색 화산암과 적색 퇴적암의 경계면을 따라 33 m에서 관찰되는 단층(F1, F2)은 폭 30 cm 내외의 소규모 단층으로 N20W/80NE과 NS/70E의 방향성을 보인다. 이들 단층면 내에서는 관입과 단층 작용의 영향으로 절리면 내 단층활면과 단층조선이 관찰되며(Fig. 2c), 절리 간격은 단층의 영향으로 대부분 5~25 cm로 조밀하게 발달하고 있다. Zone II는 측선 33~40 m 구간으로 회색 화산암이 분포하며, 암석 내부분적으로 각력을 함유하고 있는 것이 특징적이다(Fig. 2d). 측선 40 m에서 관찰되는 단층(F3)은 Zone I의 단층과 달리 N30E/85NW의 방향성을 보이며, 파쇄 폭은 5~10 cm로 작은 편이다. 한편 Zone II의 측선 36~37 m에는 폭 30 cm의 응회암질로 추정되는 화산암류가 부분적으로 관찰된다(Fig. 2e). 측선 40~53 m 구간에 분포하는 Zone III는 회색 화산암과 적색 퇴적암이 혼재하여 분포하며, 이들 암석 모두 Zone II와 동일하게 부분적으로 각력을 함유하고 있다. 측선 53~60 m 구간에 분포하는 Zone IV는 주변 암반과는 달리 상대적으로 풍화를 받지 않은 안산암질암이 N20E/75NW 방향으로 관입되어 있으며, 30~40 cm의 간격의 절리들이 규칙적으로 발달하고 있다(Fig. 2f). 이 구간의 우측부에서 관찰되는 폭 1 m 내외의 단층(F4)은 대상 비탈면 내에서 가장 긴 연장성을 가지는 단층으로 비탈면 상부까지 연장되어 있으며, N40E/56NW의 방향성을 보인다. 이 단층 주변의 암반은 심하게 파쇄되거나 부분적으로 토사화되어 있고(Fig. 2 g), 이 단층의 우측부인 Zone V의 측선 60~70 m 구간은 지하수 유출이 관찰된다(Fig. 2h). Zone V의 암반은 매우 심한 풍화 상태를 보이며, 측선 80 m에서 F4와 동일한 방향을 가지는 단층(F5)이 85°의 고각으로 발달되어 있다(Fig. 2i). 한편 비탈면 상부에서는 Zone II와 Zone III에서 관찰된 역을 함유한 화산쇄설성 퇴적암이 관찰된다(Fig. 2j).

 

사용 소프트웨어의 특성 분석

암반 노두가 잘 관찰되는 현장 지역의 P파 속도와 S파 속도 구조를 신속히 파악하기 위해 굴절법 및 표면파 자료를 얻었다. 현장자료의 처리에 앞서 대표적인 굴절법 소프트웨어들의 적용성을 알아보기 위해 상부의 토층과 하부의 불규칙한 기반암 표면에 유사한 Palmer (1980)의 모델링 자료를 대상으로 시험하였다. 표면파 자료는 사용할 소프트웨어에 포함된 경사 2층 구조의 모델링 자료를 가지고 시험하였다.

굴절법 자료

처리 및 해석 방법이 매우 다른 방법으로 접근하는 파면법, 일반 양방향 전파시간법(GRM), 토모그래피에 각각 대표적으로 많이 쓰이는 Reflexw (Sandmeier-geo, 2014), IXrefraX (Interpex Ltd., 2004), MaxTomo (Geomax Co. Ltd., 2007) 소프트웨어들을 Palmer (1980)가 제시한 불규칙한 모델자료(Fig. 3a)에 적용해보았다. 모델 자료는 5 m 간격의 수신기 71개를 사용하였고 발파는 1번 수신기(0 m 지점)와 71번 수신기(350 m 지점)의 총 2곳에서 실시하여 얻었으며 고르기 간격(sampling rate)은 1 ms이다.

Fig. 3.Comparison of depth sections for the irregular refractor model using the three methods: (a) input model, (b) wavefront method, (c) GRM, and (d) tomography. Convex and concave structures at 125 m and 225 m, respectively, are distinctly identified with the velocities near to the input values of V2 (4000 m/s) and V3 (5000 m/s).

파면법은 지하 경계면의 굴절점들을 찾기 위하여 파면을 이용하는데 수평 또는 단순한 경사면에 적용하기 쉽고 비교적 간단한 굴절면의 윤곽을 그리는데 유용하다(Song and Song, 1986; Burger, 1992). GRM은 정방향과 역방향 발파로부터 얻어진 전파시간 자료를 이용하여 지하 굴절층의 기하학적인 구조를 그래프 해로 규명하는 역산 기법으로서 특히 아래층의 속도가 더 큰 속도가 뒤집히는 구조에서도 잘 적용된다(Palmer, 1981). 토모그래피는 얻고자 하는 속도 단면을 일정한 셀로 나누어 굴절파선 추적과 도달시간을 가지고 결정하는 방법이다(Lee, 1994; Lanz et al., 1998; Cho et al., 2002; Sheehan et al., 2005).

파면법과 GRM은 1층과 2층의 경계부분을 잘 나타내고(Fig. 3b and 3c) 토모그래피법은 앞선 두 방법에 비해 설계된 셀에 따라 속도가 결정되는 이유로 입력 모델(Fig. 3a)에 비해 잘못된 층 구조들이 처리결과에서 나올 수 있지만(Fig. 3d) 일반적으로 복잡한 지질환경을 갖는 천부 현장자료에서는 그 적용 효과가 클 것으로 보인다. 실제로 곡률이 큰 지하구조 125 m 지점과 225 m 지점에 각각 해당하는 ∧구조와 ∨구조가 각각 모델 속도 4000 m/s와 5000 m/s에 근접하여 잘 나타나고 155~195 m 구간의 평탄한 구조도 잘보였다(Fig. 3d). 특히 측선 왼쪽의 계단층과 오른쪽에서 원거리 발파를 수행하여 자료를 더 보충한다면 더 만족스러운 결과가 나올 것으로 보인다.

S파 여러채널 분석(MASW)

1층과 2층의 S파 속도가 각각 200 m/s, 1000 m/s이고 측선(길이 172.5 m)의 오른쪽 끝에서의 깊이가 10 m인 경사층 모델(Fig. 4a)에서 얻어진 발파자료(Fig. 4b) (Park, 2015)를 활용하여 이 연구에 사용한 소프트웨어 Parkseis (Park, 2014)의 특성을 알아보았다. 이때 사용된 자료수집 인자는 1 m 간격의 수신기 48개, 송신은 이동간격 1 m로 30회 이동하였고, 0.5 s의 기록시간, 1ms의 고르기 간격이다.

Fig. 4.Delineation of S-wave velocity structure using MASW: (a) the model with dipping refractor, (b) shot gather #7 including the events A (direct) and B (surface waves), (c) phase velocity curve, (d) 1D-Vs profile, and (e) 2D-Vs section. Thin arrows in (a) and (e) indicate the central point #7 of the spread.

발파자료 #7(거리 82.5 m)에 대한 분산 곡선(Fig. 4c)에서 직선으로 보이는 속도 200 m/s의 이벤트는 직접파이며 표면파의 주파수에 따른 위상속도 곡선은 기본모드로 설정하였다. Fig. 4d는 이 전개에 대한 역산 결과로서 1차원 Vs 프로파일을 보여준다. 10 m 깊이에서의 속도 1000 m/s는 입력 모델(Fig. 4a)에서의 정보와 일치한다. 이 양상은 배열 전개를 그 다음 위치로 이동시켜 얻은 다른 1차원 Vs 프로파일들을 엮어 작성된 2차원 단면도(Fig. 4e)와도 상관되는데 이것은 Fig. 4a의 경사층 모델과 잘 부합된다.

 

물리탐사 자료해석

굴절법 자료는 ABEM Terraloc Mark 6 (24 채널) 시스템, 샘(source)으로서 5 kg-해머 타격, 수신기로서는 4 m 간격으로 설치된 30 Hz의 지오폰을 사용하여 취득하였다. 표면파 탐사의 자료 수집은 2 kg-해머 타격과 4.5 Hz의 수신기가 1 m 간격으로 연결된 육상 스트리머(24 채널)를 이용하였다. 타격은 오른쪽 방향으로 1 m씩 이동시키며 수행하였다.

자료처리는 모델링 자료에 대한 적용 효과(Fig. 3)를 참고하여 시험 부지의 암석 환경(적색 퇴적암, 회색 화산암, 풍화된 화산암) 및 그 사이에 존재하는 단열 및 파쇄대의 천부 불규칙한 구조(Fig. 2)에 잘 적용되는 굴절법 토모그래피에 의한 P파 속도구조를 얻는데 초점을 두었다. 또한 같은 측선에서 표면파탐사에 의한 여러 채널 S파분석(MASW)을 거쳐 S파 속도단면을 얻어 지반 강성(stiffness)의 정보를 얻고자 하였다. 탐사결과 얻어진 P파와 S파 속도자료를 토대로 포아송 비 단면을 작성하여 동적인 물성 단면을 재건하였다.

P파 속도 구조

측선의 북쪽 부분은 원거리 타격할 공간이 부족해 남쪽 방향으로 더 이격시켜 1번 수신기를 설치하여 4번 수신기의 위치가 기준점 0 m가 되도록 설정하였다. 원거리 타격점은 양 끝 수신기에서 4 m 이격시켜 타격하였다.

30 m 지점의 발파점에 대한 주시곡선의 굴절파 초동이 양단의 곡선에 비해 다른 발파점 자료에 비해 상대적으로 빠른 점으로 보아 (Fig. 5a) 굴절면에 해당하는 기반암 표면이 측선의 중앙부에서 더 얕게 분포하는 것으로 해석된다. 이러한 예상은 실제로 1 m ×1m 크기의 셀로 연산된 토모그래피 속도단면(Fig. 5b)에서 속도가 낮은 영역(~1700 m/s)이 중앙 부분에 비해 양단에서 깊게 분포하는 양상으로 잘 설명되는데 이 저속도대는 양 쪽의 절벽부에서 흘러내려 집중적으로 쌓인 상태로 관찰된 폐석과 성토로 인한 것으로 해석된다. 토모그래피를 통해 계산된 P파 속도 단면도에서 적색퇴적암이 주로 분포하는 구간의 속도는 기반암을 기준으로 1210~4590 m/s (평균속도 2840 m/s)로서 회색화산암이 분포하는 34~40 m 구간과 53 m 이후 구간의 속도는 각각 1100~3990 m/s (평균속도 2580 m/s)와 910~3570 m/s (평균속도 2230 m/s)보다 높게 나타나는데 이는 적색퇴적암의 속도가 더 높게 측정된 실내 지질공학실험 결과와 부합한다. 최대 4500 m/s의 속도는 지표까지 올라온 기반암의 영향이고 검은 화살표로 표시한 18 m와 33 m, 그리고 55 m 부근의 좁은 폭의 저속도 계곡들은 파쇄대 구간으로 해석된다.

Fig. 5.(a) First arrivals for all shot gathers. (b) Tomographic velocity section. Three arrows indicate the surface positions of the three fault zones F1, F2, and F4, observed in geological mapping(see Fig. 2a). Central portion of the section shows the higher velocities and the fault zones are characterized by the low velocity valleys.

S파 속도 구조

MASW 자료는 일반적으로 배열전개된 수신기들의 중앙 위치에 대한 대표 속도로 표시된다. 즉 수신기 간격이 1 m인 24개 채널의 경우 MASW법으로 얻은 1차원 S파의 역산결과는 거리 11.5 m의 위치에 대응된다. 따라서 단순히 수신기 배열의 중앙점에 표현함으로서 나타나는 이상대의 왜곡 및 단일 겹수에 의한 낮은 S/N이 문제가 되어 최근에는 MASW- CMPCC (CMP cross correlation)을 이용하여 마치 반사법의 CMP기법과 같이 공통 위치에 대한 자료를 겹수(coverage) 만큼 배가시켜 분해능을 높이는 개량된 방법이 활용되고 있다(Hayasi and Suzuki, 2004; Tatsunori et al., 2013). 그러나 이 연구에서는 기반암이 위로 올라온 단순한 모형임을 감안하여 단순히 전통적인 MASW 방법으로 얻은 자료를 역산시켜 얻은 1차원 S파 속도 프로파일을 늘어놓아 2차원 S파 속도 단면을 재건하였다.

현장 여건상 측선 동쪽으로 더 이상 스트리머를 이동시킬 수 없어 75 m 지점까지만 측정하였다. Fig. 6a는 발파자료 #12 자료로서 P 직접파와 속도 115 m/s 이하로서 분산되는 표면파를 보이고 있다. 모든 발파자료에 대한 역산 결과 작성된 S파 단면도(Fig. 6b)는 굴절법 단면도(Fig. 5b)와 마찬가지로 측선의 남쪽 부분은 속도가 상대적으로 작고 S 파의 속도가 1000 m/s를 넘기는 2층의 경계면이 거리 약 12 m에서 시작되는 점으로 보아 P파 속도구조와 잘 부합되는 것을 알 수 있다.

Fig. 6.(a) Shot gather #12, showing the dispersion of surface waves. (b) 2D-Vs section, and (c) Poisson’s ratio section. Major faults indicated by the arrows are well identified in (C).

포아송 비 단면도

굴절법 토모그래피와 표면파 MASW법으로 각각 얻어진 P파와 S파의 속도구조를 토대로 기반암의 포아송 비(μ)를 계산하여(식 (1)) 2차원 단면도(Fig. 6c)로 나타냈다.

단면도에서 성토 구간과 관계없이 적색 퇴적암 구간이 회색 화산암 구간에 비해 값이 이례적으로 높은 이유는 풍화 정도, 공극의 분포, 투수율, 물의 충진, 이방성 등의 여러 원인으로 P파에 비해 S파 속도가 급격히 작아진 것으로 해석할 수도 있으나, 실내 시험 결과와 비교했을 때 적색 퇴적암이 주로 실트와 진흙으로 된 이질 역암으로 이루어져 회색 화산암을 구성하는 안산암질 역암보다 공극률과 함수비가 낮고 일반적인 이질암의 경우 화강암을 비롯한 다른 암석들에 비해 P파의 속도가 S파 속도에 비해 약 3~4배 높기 때문에(화강암의 경우 약 1.5~2배)(Chang et al., 1999) 그 비가 이례적으로 크게 나온 것으로 해석할 수 있다. 물론 추출된 속도들이 한 단위의 시추공 탐사에서 이루어진 것이 아니고 서로 다른 독립적인 지표 탐사자료에서 해석된 것이므로 일반적으로 제시되는 지표 값에 큰 의미를 둘 수 없다.

이와 같은 해석은 적색 퇴적암과 같은 무른 암석이 회색 화산암과 같은 상대적으로 치밀한 암석보다 포아송 비가 크다는 현상과 잘 부합한다(KSEG, 2011; Kim et al., 2014). 미고결층에서는 일부 포화된 물로 인해 포아송 비 값이 큰것이 일반적이지만 적색 퇴적암에서는 그 양상이 크게 나타나지 않고 회색 화산암, 단층으로 경계된 적색 퇴적암 특히 풍화된 회색 화산암에서 부각되는 것은 적색 퇴적암과 화색 화산암 및 풍화대에서 높게 분석된 공극률과 투수율과 관계되는데 이것은 건기와 우기에 각각 수행한 전기탐사 결과에서 뒷받침될 수 있다.

전기비저항 구조

노두에서 관찰되는 암석변화 및 단층 균열에 따른 수평적인 변화를 효과적으로 파악하기 위해 지하수의 주요 통로가 될 수 있는 파쇄대를 대상으로 전기비저항 쌍극자배열 탐사를 건기와 우기 때 각각 실시하였다. 자료는 ABEM SAS4000 시스템을 이용하여 전극수 25개, 전극간격 4 m, 전극 전개수 8, 투입전류 25 mA로 얻었고 자료처리는 Diprowin (Heesong Ltd., 2000)을 사용하였다.

우기에 수행한 탐사 단면도(Fig. 7a)의 남쪽 부분은 투수성이 적은 적색퇴적암의 영향으로 전기 비저항이 높았고 중간에 거리 18 m와 33 m, 그리고 55 m 지점 부근에 각각 분포하는 단층의 영향으로 전기비저항 값이 작게 나온 것으로 해석된다. 또한 거리 50 m부터 오른쪽까지 상대적으로 전기비저항이 작게 나타나는 것은 해당 구간이 회색화산암의 풍화정도가 심하기 때문으로 추정한다. 그러나 중간에 54~60 m 범위의 돌출된 고비저항대는 지표조사에서 관찰된 비교적 신선한 암반에 해당하는 구역으로 해석된다. 한편 건기에서 다시 한 번 수행한 탐사결과 큰 범위의 저비저항대가 좁은 범위로 좁혀져있음을 볼 때(Fig. 7b) 풍화된 회색 화산암이 투수율이 높은 공극이 큰 열린 파쇄대로 이어져있음을 생각할 수 있다. 강수량이 많은 날과 한동안 비가오지 않은 날 모두 현장에서 답사하였을 때 측선 오른쪽은 물의 양 차이일 뿐 이틀 모두 물이 흘러나왔다. 측선 오른쪽 부분에서 물이 흘러나와 절리를 따라 하부로 침투 했을 것으로 추정한다. 우기와 건기에 실시한 탐사결과 적색퇴적암은 공극률이 낮기 때문에 투수성이 적고 회색화산암은 공극률이 크기 때문에 투수성이 좋아 단층부에 흘러 들어간 유체들이 투수성이 좋은 회색화산암으로 흘러 들어간 것으로 해석된다.

Fig. 7.Electric resistivity sections for (a) wet and (b) dry conditions. (c) SP(self potential) profile. Higher resistivities at the southern part is probably caused by the low porosities and water saturation of the reddish sedimentary rock in dry and wet ground conditions. The major faults are identified by low electrical resistivities and high SP anomaly. Note high resistivity zone at 53-60 m, which is interpreted to be fresh volcanic rock.

추가로 실시한 자연전위(Self potential: SP)탐사에서도 전기비저항 탐사의 결과와 유사한 경향을 나타냈다(Fig. 7c). 18 m 구간까지 고비저항대가 나타나 SP값이 낮은 값을 나타내고 18m 지점에서는 단층의 영향으로 SP값이 상승한다. 20~33 m 구간에서는 SP값이 다시 작아지다가 33 m 부근의 단층에서 SP값이 높아진다. 42 m 지점에서는 적색퇴적암으로 인해 높지 않은 SP값을 보이며 측선 오른쪽에는 노두에서 흘러나오는 물의 영향으로 폐광부지에서 SP값이 상승하는 경우와 같은 경향(Sim et al., 2014)을 보였다.

 

지질공학 자료 해석

물리적·역학적 특성을 분석하기 위해 연구지역에 분포하는 회색 화산암과 적색 퇴적암을 대상으로 실내시험을 수행하였다. 암석 시료는 ASTM (2007)에서 제시한 방법을 준용하여 원주형으로 제작하였으며, 직경과 길이의 비가 약 1:2가 되도록 약 55 × 107 mm (직경 × 높이)로 제작하였다. 물성 시험과 역학 시험에 동일한 시료를 사용하였으며, 회색 화산암 시료와 적색 퇴적암 시료 각각 3개를 제작하여 실내시험을 수행하였다. 또한 실내시험의 결과를 바탕으로 다양한 경험식을 이용한 암반의 탄성계수를 산정하여 비교·분석하였다.

암석의 물리적 특성 분석

암석의 물리적 특성은 ISRM (1979)에서 제시한 방법을 준용하였으며, 단위중량 및 함수비, 공극률, 공극비, 비중을 산정하였다. Table 1은 물리적 특성의 산정 결과로 평균 건조단위중량과 평균 포화단위중량은 적색 퇴적암이 각각 27.1 kN/m3, 27.2 kN/m3로 25.5 kN/m3, 25.8 kN/m3로 산정된 회색 화산암보다 큰 값을 보이며, 평균 비중도 적색 퇴적암은 2.74, 회색 화산암은 2.63으로 적색 퇴적암이 회색 화산암보다 상대적으로 큰 값을 보인다. 반면 평균 공극률과 공극비는 각각 3.05%, 0.03으로 회색 화산암이 적색 퇴적암보다 크게 산정되었다. 이는 적색 퇴적암이 대부분 셰일로 구성되어 있어 화산쇄설물을 많이 함유한 회색 화산암보다 상대적으로 입도의 분포가 양호하고 세립질이기 때문에 나타난 결과로 판단된다.

Table 1.Physical properties of rock samples.

암석의 역학적 특성 분석

암석의 역학적 특성을 분석하기 위해 물리적 특성의 분석에 이용된 코어 시료를 대상으로 P파 속도 측정 및 일축압축시험을 수행하였다. P파 속도는 Marui 사에서 개발한 Ultra sonic tester를 이용하여 측정하였으며, ISRM (1978)과 ASTM (2008)의 방법을 준용하여 시험을 수행하였다. 측정 결과, 회색 화산암에서 측정된 평균 P파 속도는 4130 m/s, 적색 퇴적암의 평균 P파 속도는 4710 m/s로 적색 퇴적암이 회색의 화산암보다 높은 값을 보인다(Table 2).

Table 2.P-wave velocity (Vp) of rock samples.

P파 속도를 측정한 각 암석 시료를 대상으로 ASTM(2002)에서 제시한 방법을 준용하여 일축압축시험을 수행하였다(Fig. 8). Table 3은 각 시료의 일축압축시험 결과를 나타낸 것으로 평균 일축압축강도는 회색 화산암이 98.44 MPa, 적색 퇴적암이 70.51MPa로 회색 화산암이 크게 산정되었으며, 포아송비는 회색 화산암이 0.22, 적색 퇴적암이 0.28로 산정되었다. 또한 일축압축시험에서 획득한 Fig. 9의 응력과 변형률의 관계로부터 탄성계수를 산정한 결과, 평균 탄성계수는 회색 화산암이 각각 10.84 GPa, 적색 퇴적암이 6.33 GPa로 화산암이 퇴적암보다 높은 값을 보인다(Table 3). 이는 회색 화산암이 적색 퇴적암에 비해 상대적으로 높은 강도를 가지기 때문이며, 화산암이 퇴적암에 비해 상대적으로 각력을 많이 함유하고 있어 각력의 영향도 고려된 것으로 판단된다.

Fig. 8.Specimens used for unconfined compression test for (a) gray volcanic rock (No. 2) and (b) reddish sedimentary rock (No. 3).

Table 3.Notations: qu = uniaxial strength; Ei = Young’s modulus and μ = Poisson’s ratio.

Fig. 9.Stress-strain curves from uniaxial compression tests performed on (a) gray volcanic rock and (b) reddish sedimentary rock. The higher elastic modulus for gray volcanic rock is suggested by the analysis that gray volcanic rock has the higher strength and more breccia, compared to the reddish sedimentary rock.

암반의 탄성계수 산정

실내에서 수행한 암석의 탄성계수는 시료의 크기가 작고 무결암 시료를 대상으로 하기 때문에 현장에 분포하는 암반의 이방성 및 불연속성을 고려하지 못하는 단점이 있다. 따라서 암반의 역학적 특성을 보다 상세히 분석하기 위해서는 현장에 분포하는 암반을 대상으로 시험을 수행하여야 하지만 시간과 공간, 경제적 제약 등의 이유로 현장시험을 수행하는 데 많은 어려움이 따른다. 이런 이유로 여러 연구자들은 암석의 탄성계수 및 RQD, 탄성파 속도 등을 이용하여 암반의 탄성계수를 산정할 수 있는 경험적 방법들을 제안하였다. Heuze (1980)와 Bieniawski (1984)는 여러 연구자들이 다양한 암반에서 수행한 현장시험과 실내 시험결과를 분석하여 계수감소비(modulus reduction ratio, Esitu/Elab 또는 E/Ei)는 0.2에서 0.6 사이의 값을 보인다고 주장하였으며, 평균적으로 암석의 탄성계수가 암반의 탄성계수보다 약 2.5배 크다는 결론을 얻었다. 또한 Kulhawy and Goodman (1980)은 불연속면의 평균 간격을 이용하여 암반의 탄성계수를 산정하는 방법을 제안하였고, Zhang and Einstein (2004)는 RQD에 따른 계수감소비와의 관계식을 제안한 바 있다(Table 4). 따라서 본 절에서는 각 암석의 평균 탄성계수 결과를 바탕으로 다양한 경험식을 이용하여 암반의 탄성계수를 산정하였다. 분석에 이용된 절리의 평균 간격은 회색 화산암과 적색 퇴적암이 분포하는 구간에서의 지표지질조사 결과를 통해 획득하였으며, RQD는 이들 구간에서의 Jv (체적절리계수)를 산정하여 Palmstrom (2005)이 제안한 식을 이용하였다(식 (2)).

여기서 Si는 i번째 절리군의 평균 간격이고, J는 방향성이 없는 절리를 제외한 절리군의 총 개수이다.

Table 4.Notations: E = rock mass deformation modulus; Ei = intact rock modulus; j = Average joint spacing.

Fig. 10a는 Table 4에서 제시한 상관식을 통해 암반의 탄성계수를 산정한 결과로 회색 화산암의 암반 탄성계수는 2.72~4.34 GPa이며, 적색 퇴적암의 암반 탄성계수는 1.13~2.53 GPa로 산정되었다. 암반의 탄성계수는 Heuze (1980)와 Bieniawski (1984)를 이용한 방법이 가장 크게 산정되었으며, 절리의 평균과 RQD를 이용한 Kulhawy and Goodman(1980)와 Zhang and Einstein (2004)의 방법은 거의 비슷한 값을 보인다. 이 식들을 이용한 계수감소비는 0.18에서 0.40으로 0.2에서 0.6 사이의 값을 보인다는 Heuze (1980)와 Bieniawski (1984)의 연구결과와 거의 일치하는 것으로 나타났다(Fig. 10b).

Fig. 10.(a) Deformation modulus and (b) modulus reduction ratio of gray volcanic rock mass and reddish sedimentary rock mass calculated by several equations. Of the three methods, Heuze and Bieniawski’s methods provide the largest deformation modulus and it’s reduction ratio. For the modulus ratio with Heuze and Bieniawski’s methods, the value of gray volcanic rock mass and reddish sedimentary rock mass is pretty much the same.

동적 탄성계수와의 비교

지구물리탐사를 실시하여 파악한 속도구조 및 동탄성계수(dynamic elastic moduli)를 암편을 채취하여 실내시험을 통해 얻은 물성 및 정탄성계수(static elastic moduli)와 비교해석 하였다. 동탄성계수(영률, 밀림탄성률)는 탄성파 굴절법 탐사에서 얻은 P파 속도구조와 표면파 탐사에서 얻은 S파속도구조를 이용하여 식 (3), (4)를 통해 계산하였다(Matthews, 1996). 밀도는 표면파 자료처리 프로그램에서 분석되었다.

여기서 E는 영률이고 ρ는 밀도, μ는 포아송 비, G는 밀림 탄성률(전단계수, 강성률)이다.

P파 및 S파 속도구조를 통해 결정한 적색퇴적암과 회색 화산암의 P파 평균 속도는 각각 2840 m/s와 2400 m/s, S파 평균 속도는 각각 1170 m/s와 1740 m/s이다. MASW로부터 결정된 전체 암석의 평균 밀도 2 g/cm3를 이용할 때 영률은 적색퇴적암이 약 7.65 GPa, 회색화산암이 11.45 GPa이다. 이 값들은 실내시험을 통해 얻어진 적색퇴적암과 회색화산암의 영률인 6.33 GPa와 10.84 GPa (Table 3)보다 큰 것으로서, 일반적으로 탄성파가 지속되는 시간이 아주 짧고 응력의 크기가 미약하여 풍화나 변질이 진행될수록 동탄성계수가 정탄성계수보다 높게 측정되는 사실과 부합하는 결과이다(Cheng and Jhonston, 1981; King, 1983; Lee and Lee, 2004; Ryu and Chang, 2006). 밀림 탄성률의 경우 적색퇴적암은 약 2.74 GPa, 회색화산암은 6.06 GPa가 계산되었다.

적색퇴적암의 동탄성계수 및 정탄성계수가 물리탐사 자료와 실내시험 자료 모두에서 회색화산암에 비해 작게 계산된 것은 포아송 비 단면도에서 관찰된 바와 같이 이질역암의 P파와 S파 속도차이가 안산암질역암보다 크기 때문에 비롯된 결과라고 할 수 있다. 또한 실내시험에서 적색퇴적암의 공극률과 함수비가 회색화산암에 비해 작게 산출되는 이유도 이질역암의 특성으로 볼 수 있으며, 풍화가 진행된 회색 화산암 또한 중요한 원인으로 작용했다고 할 수 있다.

 

결 론

탄성파 굴절법탐사의 대표적인 세 가지의 해석기법(파면법, GRM법, 토모그래피법)을 현장 조건과 유사한 모형 자료에 적용하여 적합한 것으로 선택한 토모그래피법을 지질 학습장으로 계획된 충북 증평군의 한 부지에서 얻은 굴절법 자료에 적용시켰다. 특히 속도가 수직수평으로 불규칙하게 변하는 얕은 구조는 토모그래피법이 효과적이었다.

노두에서 관찰된 적색퇴적암, 회색화산암, 풍화된 암석의 변화는 굴절법자료에 의한 Vp 속도구조, 표면파탐사에서 얻은 Vs 속도구조에서 확인되었으며 특히 이로부터 계산된 포아송 비는 암상의 변화 외에 단열/파쇄대 등을 효과적으로 나타냈다. S파의 직접적인 탐사대신 표면파 탐사 해석방법인 MASW법을 사용하는데 있어서 지하 반응점의 정확한 위치 및 S/N을 높이는 목적으로 개발된 공중점 교차상관기법(common midpoint cross-correlation, CMPCC)을 사용한다면 더 좋은 해석 자료를 얻을 것으로 기대된다.

탐사에서 얻은 동탄성계수는 지질공학 자료의 실내시험을 통하여 얻은 정탄성계수보다 높은 것으로 나타났는데 이것은 탄성파의 지속시간이 매우 작고 응력이 미약하기 때문에 일반적으로 나타나는 양상과 부합한다. 또한 실내 시험 자료에서 회색화산암이나 풍화 화산암에 비해 공극률과 함수비가 현저히 작게 평가된 적색퇴적암은 건기와 우기에 얻은 전기탐사자료에서의 비저항 값이 높고 그 변화 폭이 작은 양상과 부합한다. 실내시험에서 적색퇴적암의 공극률과 함수비가 회색화산암에 비해 작게 산출되는 이유는 이질역암의 특성과 풍화 화산암의 존재가 주된 원인이며, 적색퇴적암의 동탄성계수 및 정탄성계수가 물리탐사 자료와 실내시험 자료 모두에서 회색화산암에 비해 작게 계산된 것은 포아송 비 단면도에서도 볼 수 있듯 이질역암의 P파와 S파 속도차이가 안산암질역암보다 크기 때문에 비롯된 결과이다.