Electrical Resistivity Survey on Paved Surface and Case Studies

포장된 지표에서의 전기비저항 탐사 및 사례 연구

Abstract

Urban development and the expansion of electrical resistivity surveying applications have increased the need for soil and underground structure investigations on paved surfaces. Traditional methods involved drilling through the pavement or surveying surrounding soil. Recently, non-invasive surveying techniques have been developed. This paper analyzes these methods, categorizing them into galvanic methods (including drilling and flat ground electrodes) and capacitive coupling methods. By examining case studies, it suggests selecting the appropriate method based on the pros and cons of each and the specific site characteristics. The paper also discusses the applicability and limitations of electrical resistivity surveying through various examples.

최근 도심지의 발달과 전기비저항 탐사 적용 분야 및 현장의 확대에 따라, 포장된 지표에서 토양이나 지하 구조를 조사하기 위한 탐사의 필요성이 증가하고 있다. 과거에는 포장된 표면에서의 탐사는 포장재를 천공하거나 그 주변의 토양에서의 탐사로 대체하였다. 최근 포장재를 손상하지 않고 포장된 지표에서 탐사하는 방법 및 연구 사례들이 늘어남에 따라, 이 논문에서는 이에 대해 분석하고자 한다. 포장 지표에서의 전기비저항 탐사 방법을 기존의 천공 후 전극 삽입 방법, 평판 접지 전극 사용을 포함한 갈바닉 방법과 용량성 결합 방식으로 나누어 각 방법의 적용 사례를 조사하였다. 이를 통해 각 탐사 방법의 장단점과 탐사 현장의 특성을 고려하여 적절한 탐사 방법을 선택할 수 있음을 시사하였다. 마지막으로, 전기비 저항 탐사의 적용 가능성과 한계를 다양한 사례를 통해 분석하였습니다.

서론

최근 도심지 안정성에 대한 문제와 관심이 늘어남에 따라 “도시 지구물리학(urban geophysics)”이라고 불릴 정도로 도심지에서 물리탐사 적용 사례가 증가하고 있으며, 이는 새로운 연구 분야가 되어 가고 있다(Papadopoulos and Sarris, 2011). 도시 지구물리학은 도시화된 환경, 즉 도시에 위치한 유적지나 건물들의 지반 안정성, 산업단지 지반 환경 등을 조사하고 특성화하는 것으로, 지표가 콘크리트나 아스팔트 등으로 포장된 표면에서 물리탐사가 진행되는 경우가 많다(Pan et al., 2015). 도심지에서 수행하는 물리탐사인 만큼, 도로 및 건물의 안정성을 위해 최대한 혹은 완전히 비파괴적(nondestructive)이어야 하면서도 도심지 내 인공 구조물 등의 존재로 인한 이질적인(heterogeneous) 상부층과 환경 소음(ambient noise)이 존재하기 때문에 탐사 및 자료 해석이 쉽지 않다는 어려움이 있다. 또한, 과거에 비해 전기비저항 탐사의 분야가 확대됨에 따라 탐사를 수행하는 지표면이 토양이 아라 포장된 경우가 증가하고 있다(Tsokas et al., 2008; Flageul et al., 2013). 과거 국내 탐사는 주로 농촌이나 도시 외곽의 토양을 중심으로 이루어졌지만, 최근에는 도시의 발전으로 도심지의 지하를 조사하거나 포장 도로에서의 탐사 중요성이 높아지고 있다(Chae, 2017). 수도권을 비롯한 주요 도시는 콘크리트나 아스팔트로 포장된 인프라가 잘 발달되어 있으며, 포장재 하부에는 다양한 지하 매설물이 얽혀 있다(Jun et al., 2015). 특히, 도시의 노후화로 인해 지하 시설에 대한 조사가 점점 더 요구되고 있으며, 도심지나 건물 하부에서 문화재가 발굴되거나 잠재적인 유물이 발견되는 경우가 빈번해지면서 포장재 상부에서의 문화재 조사가 필수적으로 이루어지고 있다.

포장도로는 일반적으로 평평하기 때문에 안테나의 지속적인 움직임을 보장하는 지표투과레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사법이 포장도로 탐사에 가장 적합하다고 할 수 있지만(Ranalli et al., 2004; García et al., 2007; Tsokas et al., 2007; Chae, 2017), GPR 탐사를 통해서는 지하에 위치한 여러 인공시설물에 의해 후방산란(backscatter)이 발생할 수 있고, 대상 구조물이 상대적으로 깊이 묻혀 있거나 상부에 전도성 층이 존재할 경우에는 유의미한 자료를 얻기 어렵다는 한계가 있다(Nuzzo, 2005). 전기비저항 탐사를 포장된 지표에 적용할 수 있다면 좋은 대안으로 적용할 수 있다(Negri et al., 2008; Tsokas et al., 2008).

포장재에서의 전기비저항 탐사로는 지표와의 갈바닉 접촉(galvanic contact)이 필요하지 않은 직류 전기비저항 방법의 일종으로 4개의 전극(quadrupole)을 이용하는 정전기(electrostatic, ES) 전기비저항 기술이 있다(Tabbagh et al., 1993). ES 탐사법은 유물 탐지에서 그 효율성이 확인된 바 있는 정전기(electrostatic, ES) 전기비저항 방법(ES 방법)이 있지만(Grard, 1990; Grard and Tabbagh, 1991; Tabbagh et al., 1993), 이 방법으로 갈바닉 방법과 동일한 결과를 산출하는 경우 사용되는 전류의 저항 및 진동수 범위의 한계와 관련된 단점이 있다. ES법 외에 얕은 깊이를 목표로 하거나 영구동토층을 탐사 대상으로 할 때 용량성 결합 방식(capacitively coupled systems)을 성공적으로 적용한 사례들이 있다(e.g., Yamashita et al., 2004; Kuras et al., 2006, 2012; Flageul et al., 2013). 특히 용량성 결합 방식은 다른 방법들에 비해상대적으로 탐사심도가 매우 얕다는 단점이 있지만(Yamashita et al., 2004), 완전히 비파괴적인 방법으로 운송장비를 이용하거나 사람이 끌면서 탐사할 수 있어 더 효율적이고 신속한 탐사를 수행할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점 덕분에 용량성 결합 방식에 대한 연구들이 많이 수행되었다(Kuras et al., 2007, 2012; Loke et al., 2013; Jinguuji and Yokota, 2022).

위 두 방법에 포장재에 적용할 수 있는 가장 일반적으로 방법으로는 도로 포장을 천공하여 즉 구멍을 뚫어, 전극을 직접 토양에 삽입하는 방법과, 포장 도로 천공 없이 평판 접지 전극(flat base electrode)을 사용하는 방법이 있다. 평판 접지 전극 사용은 도로 포장을 천공할 필요성이 없어 용량성 결합 방식과 함께 완전히 비파괴적이으로 전기비저항탐사를 적용할 수 있다는 장점이 있다(Carrara et al., 2001; Shevnin and Delgado, 2002; Athanasiou et al., 2007; Park et al., 2017). 특히 평판 접비 전극을 이용한 전기비저항탐사는 포장 도로외에서 건물 내벽의 손상된 영역 조사, 시멘트 댐에서의 탐사, 평평한 내벽과 바닥 내부 탐사 등에서도 적용될 수 있다는 것이 입증 사례들도 보고되었다(Tsourlos et al., 2006).

본 논문에서는 최근 그 중요성이 강조되고 있는 도시 지구물리 탐사법 중에서 포장 도로에서의 전기비저항 탐사 적용사례를 살펴봄으로써 이러한 사례 분석은 통해 향후 국내 도심지에서의 전기비저항탐사 연구의 기초를 다지고자 한다. 이를 위해 먼저 용량성 결합 방식과 갈바닉 결합(galvanic coupling) 방식의 이론과 방법 등에 대해 알아본 뒤, 이들의 현장 적용성을 분석하고 여러 적용 사례들을 소개하고자 한다.

포장도로에서의 전기비저항 탐사 방법

포장도로 전기비저항 탐사 시, 드릴 천공 후 전극 접지 방법은 토양에서 진행했을 때와 비교할 경우, 접촉 저항의 차이가 없지만 단단한 포장재를 일정 깊이 이상 천공해야 하므로 시간과 비용 많이 소요되며, 천공으로 인한 포장 도로 손상이 발생하기 때문에(Fig. 1a) 탐사 이후 뚫린 구멍을 즉각적으로 메울 수 있어야 한다(Samouëlian et al., 2005). 이와 달리 평판 접지 전극은 천공 과정 없이 포장도로 위에 전극을 올려두는 방식으로(Fig. 1b) 탐사가 비교적 간단함에 따라 시간과 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있으나, 전극과 포장도로 사이 접촉 저항이 클 수 있어(Millard and Wenner, 1991) 이를 줄일 수 있어야 한다. 이와 같이 접지 전극을 통해 전류를 주입하는 갈바닉 결합(Fig. 1)에 기초하는 기존의 직류(direct current, DC) 전기비저항 탐사와 달리, 용량성 결합(Fig. 2) 방식은 접지 저항 문제에서 자유로워 포장되어 있는 매질 특히, 아스팔트에서의 탐사가 용이하다(Kuras et al., 2007, 2012; Loke et al., 2013; Jinguuji and Yokota, 2022). 이러한 용량성 결합방식은 이동하며 탐사를 수행할 수 있어 넓은 지역에 대해 밀도 높은 자료를 얻을 수 있어, 비교적 손쉽게2D 및 3D 탐사를 수행할 수 있다(Yamashita et al., 2004).

Fig. 1. General schematic of (a) Metal spike electrode installation method using pneumatic drill for electrical resistivity survey (b) flat base copper electrode.

Fig. 2. A conceptual framework for measuring resistivity through capacitive coupling method.

갈바닉 결합 방법

드릴 천공 후 전극 접지(갈바닉 결합)

다른 탐사 방법이 마땅히 존재하지 않았을 때 빈번히 사용해 왔던 이 방법은 비파괴적 방법이라고 하기엔 부족함이 있지만 불구하고 포장도로에서 수행할 수 있는 여타 방법에 비해 접촉 저항이 낮고, 일반적인 탐사 시 주로 사용하는 금속 말뚝 전극(metal stake or spike electrode)을 사용하기 때문에 점송신을 가정하는 전통적인 해석법을 사용하기에 용이하다는 장점이 있다(Samouëlian et al., 2005). 천공 시에는 삽입해야 하는 전극의 길이나 구멍의 지름은 정해진 바 없지만 도로포장 고려하여 천공함으로써 전극이 토양에 접촉할 수 있도록 해야 한다(Fig. 1a).

평판 접지 전극

일반적으로 평평한 사각형금속판에 케이블을 연결할 수 있도록원통형금속재를 부착하는 형태인 평판 접지 전극을 이용하면 포장도로나 벽, 터널과 같은 구조물에서도 전기비저항 탐사를 완전히 비파괴적인 방법으로 수행할 수 있다(Fig. 1b). 이때, 금속판은 주로 구리를 사용하지만, 이외에도 알루미늄 재질의 전극판(Lee et al., 2014), 구리 황화물 용액으로 포화된 스펀지 전극(Karastathis et al., 2002) 등을 사용하기도 한다. 평판 접지 전극은 콘크리트, 대리석, 석회암 등과 같이 일반적으로 포장 도로를 구성하는 많은 재료에 걸쳐 성공적으로 적용될 수 있으며, 접촉 저항이 상대적으로 크지 않은 것을 실험을 통해 확인하였다(Table 1; Athanasiou et al., 2007). 이와 같은 대부분의 재료에서의 접촉 저항은 약 1~3 kohm-m으로 측정에 방해되지 않는 정도였으나 아스팔트의 경우, 절연성이 매우 높아 접촉 저항을 반복하여 측정하여도 일정한 값으로 수렴하지 않을 수 있다(Athanasiou et al., 2007).

Table 1. Arange of suitable surface materials for exploration using flat base electrodes

용량성 결합 방법

절연체가 도체 전극 아래에 있어 지면과 전극이 이 절연체에 의해 분리되어(Fig. 2) 절연체를 사이에 둔 두 개의 콘덴서 판으로 작동하게 된다(Fig. 2). 즉, 절연체가 축전기 역할을 하여, 전극에 교류 전류가 흐르면 이에 상응하여 지하 매질에도 전류가 흐르게 되며(Fig. 2), 이 때의 매질 내 전압을 동일한 원리에 기초하여 수신기 측정하여 지하 매질의 전기비저항 분포를 획득할 수 있다(Burton and Cannia, 2011).

포장도로에서의 전기비저항 현장 탐사 방법

갈바닉 결합 방법

평판 접지 전극은 문화재 탐사나 지하 공동 탐지와 같은 지반 안정성 탐사를 수행할 때 큰 위험 없이 수행할 수 있는 반면 천공 후 전극 삽입 방식은 드릴을 사용하여 구멍을 뚫기 때문에 지반의 안정성을 위협하거나 문화재에 해를 입힐 수 있기 때문에 이러한 문제가 발생할 위험이 적은 산업단지와 같은 복잡한 도심지나 터널과 같은 현장에서 적용하는 것이 적합하다. 현장에서 갈바닉 결합 방법을 사용하는 경우, 전극을 토양과 직접 접지하는 방법과 평판 접지 전극을 사용하는 방법 모두 접촉 저항이 탐사의 핵심적인 측면으로 여러 사례들에서 비교적 큰 접촉저항에 의해 토양에서 수행한 탐사에 비해 고비저항 영역이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다(Yamashita et al., 2004; Park et al., 2017). 따라서, 탐사마다 접촉 저항을 반복 측정하여 적당한 저항일 때 탐사를 수행하여야 한다.

드릴 천공 방법으로 탐사 수행 시에는 접촉 저항을 줄이기 위한 방법으로 토양에 전극을 삽입할 때와 유사하게 소금물이나 벤토나이트와 같은 점토를 전극 삽입 구멍에 첨가한다(Martel et al., 2018). 이때, 접촉 저항은 전극의 성질이나 형상과는 관계없이 전극과 지하 매질의 접촉 영역의 수분함량에 가장 밀접한 관련이 있는데(Athanasiou et al., 2007), 접촉 영역의 수분함량에 대한 정보는 알 수 없으므로 지하 매질과의 유효 접촉 면적이 넓을수록 수분이 부존하는 곳에 접촉할 확률이 높기 때문에 접촉 저항은 유효 접촉 면적에 밀접한 영향을 받게 된다(예를 들어, 평판 전극에 사용된 금속판의 크기 즉, 유효 접촉 면적이 7 cm × 7cm = 49 cm²라면 이는 직경 1.5 cm의 전극을 지면에 약 10 cm 삽입하는 것과 비슷함). 즉, 금속 말뚝형태의 전극보다 접촉 면적이 큰 평판 접지 전극의 경우 접촉 저항이 클 확률이 높아 측정에 영향을 미치게 되기 때문에(Millard and Wenner, 1991), 평판 전극을 이용할 경우 접촉 저항을 줄이기 위한 노력을 포장재 천공 후 전극을 접지하는 경우보다 더 많이 기울여야 한다.

평판 전극의 접촉 저항을 줄이는 재료로는 주로 벤토나이트나 전도성 겔을 사용하며, 그 예로 전극과 접지면 사이에 물, 소금 및 산업용 증점제(thickener)의 일환인 셀룰로오스 분말로 구성된 겔(Athanasiou et al., 2007), 의료용 전도성 겔과 제과용(confectionery) 겔을 사용하기도 한다. 최근에는 전극 또는 케이블의 표면에 카보머(carbomer) 기반의 두꺼운 겔을 도포한 후 지면에 접촉하게 한 경우, 접촉 저항이 약 200~1,000 ohm으로 제조업체의 저항 권장 범위인 1,800~5,000 ohm미만을 달성하였다는 보고도 있다(Vásconez-Maza et al., 2020). 이는 전극과 지면 사이에 남아 있는 열린 공간(voids)을 채워 접촉을 용이하게 하는 데에도 중요하게 작용하며, 저항이 큰 경우 소금물을 더하기도 한다(Athanasiou, 2004). 일부 사례(Tsourlos et al., 2006)에서는 케이블에 연결된 전극을 벤토나이트에 직접 삽입하여 사용할 수 있음을 발견한 바도 있다(Fig. 3).

Fig. 3. General schematic of bentonite electrode installation method for electrical resistivity survey.

용량성 결합 방법

용량성 결합 방식에 가장 많이 사용되는 장비로는 Geometrics사의 OhmMapper가 있으며(Geometrics, 2001; Schicht et al., 2013), 수신기는 “다이폴케이블”에 의해 서로 연결하고 송신기는 비전도성 밧줄(rope)에 의해 수신기 배열에 연결하여 사용하는 장비이다. 이 장비는 사람 또는 차량으로 견인하며 탐사를 수행할 수 있는데(Fig. 4a), 이 방식을 사용하는 경우, 탐사 깊이가 1~20 m로 갈바닉(galvanic) 결합 방법의 일렬로 배치한 쌍극자 배열(inline dipole array)과 탐사 깊이가 유사하다(Møller, 2001). 또한, 접촉 저항을 줄여 고품질 데이터를 얻기 위해서는 전극 간의 충분한 케이블길이(2.5~5 m)가 필요한데(Jinguuji and Yokota, 2022), 케이블 기반 선형 전극을 통해 얻은 자료는 일반적인 DC 전기비저항 이론의 점송신 가정을 충족하지 않기 때문에 자료를 해석할 때 특히 주의해야 하며, 케이블 길이에 따라 깊이가 약 0.5~2 m인 얕은 지역의 조사에는 적합하지 않다는 단점이 있다(Neukirch and Klitzsch, 2010; Elis et al., 2022).

Fig. 4. (a) (b) Another representative type of electrode and schematic view of the moveout operation used by capacitive ciupling method (modified from Burton and Cannia, 2011; Jinguuji and Yokota, 2022).

두 번째로 현장에서 많이 사용하는 정전기 사중극(electrostatic quadripole) 방식의 시스템은 평평한 금속성 전도체를 쌍극자로 사용하여 최대 탐사 깊이는 수 미터 정도로 얕은 편이지만, 2D 및 3D 탐사를 비파괴적이고 빠르게 수행할 수 있다는 장점이 있다(Kuras et al., 2007). 이외에도 유사한 구성으로 이루어진 카펫 형태의 시스템도 개발되었는데(Rejkjær et al., 2021), 이 시스템은 주변금속물체의 영향을 쉽게받아 매립된 금속물체, 가드레일과 같은 인공물, 자동차 등이 많은 도심 지역에서는 사용이 어렵다.

최근에는 용량성 결합 방식을 기반으로 매우 낮은 진동수(very low frequency, VLF) 대역의 교류(alternating current, AC)를 사용하는 방법을 개발하였다(Jinguuji and Yokota, 2022). 이 방법은 유연성이 높고, 수분 흡수 및 유지 용량(retention capacities)이 높은 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 스펀지를 전극으로 사용한다(Fig. 4b). 이러한 전극을 사용하면 접촉 저항이 매우 낮아 아스팔트와 같은 절연된 포장도로에서도 전류를 흘려보낼 수 있다. 이 기법은 수도관 매설 깊이에 해당하는 1.5~2 m의 비교적 얕은 깊이에서 토양의 전기비저항을 측정하는 데 적합하기 때문에, 대상체의 깊이가 얕으면서도 높은 분해능이 요구될 때 유용하다(Jinguuji and Yokota, 2022).

현장 탐사 사례

적용성 분석 사례

평판 접지 전극의 적용성을 확인하기 위해 수행한 지하 공동 현장 모사 실험(Park et al., 2017)에서는 38 mm 길이의 강철못을 사용한 PEM과 5 mm 폭의 구리판으로 구성된 평판 접지 전극을 사용하여, 5.8 m 길이 측선의 정중앙에 16.5 m 길이에 두께가 3 cm안 콘크리트 하부에 3 × 3 × 3 cm 크기로 구성된 인공(artificial) 공동을 탐사하였다(Fig. 5). 총 30개의 전극을 2 cm 간격으로 설치하고 쌍극자 배열, 최대 수신 전극 개수를 7로 하여 측정한 결과를 상용프로그램인 DIPRO(Windows V.4.01용)로 역산한 결과 두 방법 모두 동일한 위치에서 공동에 해당하는 1,000~3,000 ohm-m의 고비저항 영역을 확인할 수 있었다(Fig. 6). 평판 접지 전극을 이용한 탐사결과를 해석한 공동 영역은 막대 전극을 사용하여 얻은 것보다 크게 나타났는데, 이는 점접촉을 사용하는 막대 전극 방법에 비해 평판 접지 전극의 접촉 면적이 넓어 전류가 널리 퍼진 현상에 의해 발생한 것으로 판단하였다.

Fig. 5. Schematic diagram of electrical resistivity survey over an 16.5 cm-long and 3 cm-thock concrete block with an artificial cavity (3 × 3 × 3cm) below (park et al., 2017).

Fig. 6. Contour 2D resistivity sections for a model of concrete pavement with a void (shown in Fig. 5) : (s) spike electrode installation method (b) flat base electrode (Park et al., 2017).

또 다른 평판 접지 전극 적용성 평가 탐사(Athanasiou et al., 2007)에서는 일반적인 스파이크 전극과 평판 접지 전극의 성능을 비교하기 위해 마당(garden)과 0.6 m 떨어진 포장 도로에 평행한 측선을 깔아 전기비저항 탐사를 수행하였다(Fig. 7a and b). 마당에서는 45개의 스파이크 전극을 그리고 포장 도로에서는 48개의 평판 접지 전극을 사용하여 쌍극자, 쌍극단극자, 웨너, 웨너-슐렘버져배열 등 다양한 배열의 자료를 측정한 결과(전극 간격은 5 m, 최대 수신 전극 개수는 7), 쌍극단극자 배열의 결과가 기존의 스파이크 전극 결과와 가장 비슷하였다. 평판과 스파이크 두 종류의 전극을 사용한 결과 모두에서 측면의 변화가 잘 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 역산 결과뿐 아니라 측정 당시의 접촉 저항도 역시 매우 유사하였기 때문에(Fig. 7c and d), 평판 접지 전극의 유용성 혹은 신뢰성을 높게 평가할 수 있었다.

Fig. 7. (a) Common exploration method of inserting electrodes into the soil in the yard (b) utilizing flat base electrodes on pavement located not more than 1 m away from the yard (c) inversion results in the yard (d) inversion results on the pavement (Athanasious et al., 2007).

용량성 결합 방식의 실제 적용성을 파악하기 위해 다채널 OhmMapper TR5 장비를 사용하여 일본 이바라키현 쓰쿠바시(Tsukuba city in Ibaraki Pref.)에서 표면이 잔디인 토양에 250 m 길이의 측선을 설치하였다(Yamashita et al., 2004). 측선을 따라 5 m 쌍극자 케이블을 사용하여 송-수신기 쌍극자 사이의 거리는 최소 5 m에서 최대 35 m로 설정하여 탐사를 수행하였다. 용량성 결합 방식을 이용한 탐사 결과와의 비교를 위해 수행한 DC 전기비저항 탐사에서는 전극 배열을 단극자 배열로 최소 전극 간격은 1 m, 최대 전극 간격은 15 m로 하였다. OhmMapper로 얻은 자료는 Geotomo 소프트웨어로 자료처리를 수행한 뒤 RES2DINV로 역산하였고 DC 전기비저항 자료는 OYO사의 Elec Imager로 처리하였는데, 그 결과, 약 140 ohm-m 이상의 저항층 아래 60 ohm-m 미만의 저비저항층이 존재하는 등 전반적인 결과가 대체로 유사한 것으로 판단할 수 있었다. 비록 표면에서 두 층 사이의 차이가 존재하였으나 이는 전극 배열의 차이에 의한 것으로 볼 수도 있다.

토양에서의 탐사와 포장 도로에서의 탐사 결과를 비교하기 위해, 토양과 포장 도로가 맞닿아 있는 지점에서 두 개의 약 8m 간격의 평행한 125m을 따라 탐사하였다(Yamashita et al., 2004); 두께 50 mm의 포장 도로 아래에 파쇄층이 측선을 따라 0~40 m까지 200 mm, 40 m 지점에서 측선의 끝까지 350 mm 까지 분포한다. 2.5 m 쌍극자 케이블을 사용하여 송-수신기 사이의 최소 쌍극자 간격은 5 m 그리고 최대 20 m로 하여 탐사한 결과, 각기 다른 측선에서의 역산 단면 결과가 매우 유사함을 확인하였으며 표면 근처의 파쇄층 두께 차이의 영향은 거의 없다고 해석하였다.

이와 같은 용량성 결합 방식에 기초한 전기비저항 탐사의 적용성 실험들을 통해 응집력 있는 토양 및 제방뿐 아니라 측선이 매우 긴 경우에도 이 방식이 유용함을 알 수 있었다. 결과적으로 용량성 결합 방식은 전도성 토양이나 지하에 사회 기반 시설이 많은 도시 지역에서는 적용이 어려울 수 있지만 접촉저항이 높은 영구 동토층과 같은 고비저항 매질에서는 기존의 전극 이용보다 효과적일 수도 있을 것으로 기대해볼 수 있다.

지하매설물 및 지하공동 탐사

도심지에서 지하 공동 탐지나 지반 안정성을 파악하기 위해 전기비저항 탐사를 적용할 수 있다(e.g., Ungureanu et al., 2017; Martel et al., 2018; Rejkjær et al., 2021). 수많은 지하매설물 중 난방 및 수로의 용도로 사용하는 배관은 교체가 어려운 반면 시간이 흘러 부식이 진행되더라도 이를 파악하는 것은 어렵다(Malm et al., 2011). 그러나, 배관 및 그 주변 환경의 부식성에 영향을 미치는 여러 요인 중 토양의 pH와 이온 및 수분 함량은 낮은 전기비저항과 연관이 있기 때문에 전기비저항 탐사를 통해 부식성을 평가할 수 있다(Hornbostel et al., 2013).

스웨덴 남부에 위치한 스카니아(Scania)주의 여러 지역에서 포장도로에서 배관의 부식성 및 안정성을 평가하기 위해 갈바닉 결합을 사용한 전기비저항 탐사와 용량 결합을 사용하는 정전기적 탐사를 모두 수행하였다(Rejkjær et al., 2021). 갈바닉 결합 탐사에서는 포장 도로에 전극 보다 약간 큰 구멍을 뚫어 전극을 삽입한 후 녹말 겔(starch gel)을 사용하여 접촉 저항을 낮춰 탐사를 수행하고자 하였으며, 1~2 m 전극 간격으로 81개의 전극을 다중 기울기(multiple array) 배열로 탐사를 실시하였다(Fig. 8a). 한편, 정전기적 탐사는 구리 와이어 격자를 전극으로 사용하여, 지면 위에 펼친 플라스틱 카펫에 고정 후 카펫을 당겨가며 각 4개의 채널에서 연속적인 측정을 동시에 수행하였는데(Fig. 8b), 이 탐사 방법은 200 m 길이의 측선을 양방향으로 10분 이내에 측정이 가능할 정도로 탐사 속도가 빠르지만 탐사 심도가 얕다는 단점이 있었다.

Fig. 8. (a) Sketch illustrating part of the ERT layout alongside a photo of a drilled hole with an electrode and blue starch gel utilized for minimizing cintact resistance. (b) Schematic representation of pole positions and an image depicting the sliding carpet in a street. (c) Photo captured duting excavation, revealing pipes and cables in the sybsurface (Rejkjær et al., 2021).

포장도로 아래 위치한 배관의 부식성을 파악하기 위해 총4곳에서 두 가지 방법의 전기비저항 탐사를 각각 수행한 결과, 탐사 결과는 어느 정도 서로 유사함을 보였지만 측선에 따라 큰 차이를 보일 때도 있었는데, 이는 서로 다른 역산 격자(grid), 자료처리 방법, 탐사 배치(layout)의 차이나 잡음의 영향 등 다양한 변수에 의한 것으로 해석할 수 있었다. 두 탐사 결과의 상관성을 확인한 결과, 상관 계수가 일반적으로 0.5 이상으로 일부 영역에서는 거의 1의 값을 보이는 것을 통해 비슷한 결과를 얻은 것으로 해석할 수 있었다.

카르스트 지형 위에 도시 공공시설이 존재하는 경우, 수리화학적 침식에 의한 붕괴 위험이 높아 동굴 매핑과 지반 안정성을 모니터링하는 것이 중요한데, 지하에 카르스트 동굴이 있는 캐나다 퀘벡시 곳곳에서 싱크홀이 나타났으며, 건물 외벽에도 균열이 나타나 이를 조사하기 위해 아스팔트 도로 위에서 전기비저항 탐사와 GPR 탐사를 복합 수행하여 해석했다(Martel et al., 2018). GPR 탐사는 100 MHz의 안테나를 사용하여 샘플링 간격을 0.5 s로 하여 자료를 얻었으며, Syscal Pro를 사용한 전기비저항 탐사는 포장도로 아래 토양과 전극의 접지를 위해 드릴을 사용하여 구멍을 뚫은 뒤 20 cm가량 전극을 삽입하여 수행하였다. 각 탐사를 통해 얻은 자료를 역산한 결과, 전기비저항 역산 단면에서 고비저항 이상체가 나타났으며, 이는 동굴의 빈 공간에 의한 영향으로 해석할 수 있었다. GPR 단면의 반사체는 심부 이상체와 관계가 있으며, 전기비저항 역산 단면의 고비저항 영역과 GPR 이상이 나타나는 단면의 10.8 m 영역은 알려진 동굴 부분과 일치하였다. 이와 비슷한 사례로 연구 지역이 건설 잔해로 구성되어 있는 루마니아 부쿠레슈티 지역에 위치한 광장에서 드릴을 사용하여 미리 뚫은 구멍(6 mm × 20 cm)에 전극을 설치하였으며, 염수를 뿌려 접촉 저항을 개선하도록 한 바 있다(Ungureanu et al., 2017).

멕시코 분지에서는 지하수의 과다 사용에 의해 생긴 지하 공동 조사를 위해 포장 도로에서 수행한 전기비저항탐사는 20인치 길이의 구리 전극 18개, 24채널 자동 케이블과 더불어 AGI사의 console Sting R1 Swift-IP unit 장비를 사용하여 수행하였다(Arango-Galván et al., 2011). 전극을 삽입할 때 점토가 포함된 흙으로 접촉 저항을 줄이는 데 도움을 주었으며, 토양과 전극 접촉성을 향상시키기 위하여 각각의 전극을 염수 용액으로 포화시킨 결과, 포장도로임에도 불구하고 데이터 품질은 상당히 양호하였다. 일부 측정에서 발생한 5 % 미만의 잡음은 제거한 후 역산 결과를 통해 고비저항으로 나타난 지하의 공동을 확인할 수 있었다.

전형적인 3차원 전기비저항 탐사 방법은 측선을 평행하게배치하는 데 반해 도시에서의 탐사 시 건물과 같은 장애물에 의해 제한될 수 있기 때문에, 이러한 한계를 보완하여 도시에서의 인공 구조물 아래의 토양을 특성화하기 위한 방법으로 L자형배열 또는 말굽(horseshoe-shaped) 모양 배열(Fig. 9a)의 적용성을 확인하고자 균열이 다수 발생한 도심지에서 탐사를 수행한 바 있다(Chávez et al., 2014, 2015). 이 때 포장 도로의 두께 및 탐사 심도 등의 부지 특성을 고려하여 48개 채널이 있는 Syscal-Pro 측정 장비(IRIS Instruments)를 사용하였으며, 자연적인 토양(natural soil)과 접촉할 수 있을 정도인 ~0.6 m 깊이로 삽입하고 전극 간격을 4 m로 하였다(Chávez et al., 2014, 2015). 역산 결과 1,000 ohm-m 이상의 높은 전기 비저항이 나타나 이를 지하의 손상부분이 공기로 채워지기 때문에 나타나는 것으로 판단하였고 고비저항이 나타나는 NE-SW영역은 지표에서의 도로가 갈라진 부분과 일치하기 때문에 지하의 파쇄대로 해석할 수 있었다(Fig. 9b).

Fig. 9. (a) The working cube is viewed form above, with the Google image overaid onto the resistivity anomalies. Notice the fracture in the NE-SW direction. (b) 3D inverted image where high resistivity values may indicate a fracture (Chávez et al., 2014).

테살로니키(Thessaloniki)에 위치한 아리스토텔레스 대학교 근처에 위치한 인도 아래의 기반암 깊이를 규명하기 위해 평판 접지 전극을 사용하여 탐사를 수행하였다(Athanasiou et al., 2007). 연구지역의 기반암은 편마암이고, 그 위는 점토, 모래, 충적토 등으로 덮여 있을 뿐만 아니라 파이프와 같은 인간에 의한 전도성 물체도 존재하여 측정에 오류가 많을 것으로 예상되었으나 시추 자료와 평판 전극을 사용하여 얻은 역산 단면에서 해석된 고비저항 이상체의 깊이가 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

또한 제방과 그 아래 놓인 매질의 전기적 특성을 이해하고 특성화하기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였는데, 해당 제방의 특성상 전류 주입 방식을 사용하기 어려워 차량 뒤에 용량 결합 전기비저항 탐사 장비인 OhmMapper TR5를 사용하였다(Burton and Cannia, 2011). 이 시스템은 쌍극자 배열로 5개의 수신쌍과 1개의 송신기로 구성된다. 수신기 사이는 5 m 케이블로 연결하였고 배열의 가장 뒤쪽에 위치한(비전도성 밧줄로 수신기에 부착되어 있는) 송신기에서 16.5 kHz 진동수의 교류를 송신하여 탐사한 결과, 약10 m 깊이까지 10~100 ohm-m 범위의 전기비저항 변화를 확인할 수 있었다. 이 결과는 토양 시추(boring) 결과와 비교되지 않은 예비 결과로 지질학적인 해석이 이루어지지 않았지만, 물의 포화보다는 암석학적인 변화들에 의한 것으로 판단하였다. 역산 결과에서 저비저항 영역은 실트 및 점토와 같은 미세한 충적물로, 고비저항 영역은 모래 및 자갈과 같은 거친 입자의 충적물로 구분하였다. 하천 범람원에 존재하는 거친 입자 충적물은 미세한 입자보다 물을 전달하는 용량이 크므로 고비저항 영역을 누출 가능성이 큰 영역으로 해석하였다.

포장 도로 환경에서 보다 정확한 측정을 기대하며 다중 독립폴 방식(multi-pôles indépendants, MPI)이라는 새로운 방식(Flageul et al., 2013)을 이용하여 프랑스 엥드루에루아르(Indre et Loire)에 위치한 Tours시에서, SECR-1 시스템을 사용하여 평균 속도 1.4 m/s 측선 간 거리 1 m, 입력 전압196.5 V, 주파수 31 kHz로 설정하여 탐사를 수행하였다(Flageul et al., 2013, Fig. 10a). 탐사의 목적은 새로운 트램(tram) 노선 설정으로 포장 도로 아래의 지하 매질 특성을 평가하기 위해 약7 m 깊이의 전기비저항 분포를 파악하고자 하는 것이었고, 탐사에서는 3 m, 5 m, 7 m, 10 m 등 4개의 서로 다른 간격을 갖는 Wenner β 배열을 사용하였다. 그 결과로 얻은 단면 중 찰레스 길(Charles Gille) 거리의 220~240 m 사이에 위치한 건물의 잔해에 의한 고비저항이 나타났고 동쪽의 전도성 영역에서는 지하 구조물이 없는 것으로 해석하였다. 반면, 서쪽부분은 이전의 건물 지하실과 같은 시설과 관련하여 높은 전기비저항 값이 나타나는 것을 확인할 수 있다(Fig. 10b).

Fig. 10. (a) Multi-pôles indépendants (MPI) sliding independent pole array deplyed on 'nationale' street in France. (b) Pseudosection displaying apparent resisticity measurements obtained via SECR1 at 15 kHz, utilizing inter-pole distances of 3 m, 5 m, 7 m, and 10 m along 'Charles Gille' street (Flageul et al., 2013).

비행장과 항공기 활주로는 안전상의 이유로 균열 및 결함을 방지하고 유지 관리를 위한 포장 상태 모니터링을 상시 수행해야 하는데, 활주로는 일반적으로 아스팔트로 이루어져 있어 주로 GPR 탐사를 수행하지만 보다 정확하고 신뢰성 높은 해석을 위해 이탈리아 중앙 공항에서는 전기비저항 탐사, 낮은 진동수 EM 탐사, 탄성파 굴절법 탐사 등을 수행하여 활주로 결함에 대한 해석을 수행하였다(Orlando et al., 2017). 포장도로에서의 전기비저항 탐사가 용이하게 진행될 수 있도록 한 면이 10 cm인 정사각형형태의 구리 평판 접지 전극을 제작하여 5개 측선에 30 cm 간격으로 배치하여 2D 탐사를 수행하였고(Fig. 11a), 48개로 제한적인 전극의 개수를 고려하여 0.3 m 간격의 16 × 3 배열을 11번 반복측정하여 4.5 × 6.6m²의 전역 탐사를 꾀하였다(Fig. 11b). 탄성파 굴절법 탐사 역시 포장도로에서의 탐사 용이성을 고려하여 마모 방지(abrasion-resistant) 강철삼각 평판으로 구성된 지오폰을 사용하였으며, P파 기록 시 40 Hz의 지오폰(Fig. 11c)을 사용하고 SH파 기록 시 14 Hz의 수평 지오폰을 사용하였다(Fig. 11d). GPR 탐사는 200, 600와 900 MHz 안테나를 사용하여 수행하였으며, 낮은 진동수 EM 탐사는 2, 8 그리고 16 kHz의 진동수를 사용하여 이차장과 일차 자기장 사이의 복소 상호 결합비(complex mutual coupling ratio)를 측정하였다.

Fig. 11. (a) 2D ERT and (b) 3D ERT arrays, by using non-invasive 10 cm square copper plates. (c) P-Wave acquisition and (d) SH-Wave acquisition on line L1 in Fig. 1a, by using a geophone streamer (three-legged steel plate) and lightweight sources (Orlando et al., 2017).

GPR의 경우, 전도성 증가로 인해 신호가 감쇠하여 상대적으로 깊은 지하 매질 층을 감지하기 어려웠지만 슬래브(slab) 포장 물질과 노반(base)를 구별해 낼 수 있었으며(Fig. 12a), 더 깊은 깊이의 노반과 노상(subgrade)의 경계는 전기비저항탐사 역산 결과를 통해 해석할 수 있었다(Fig. 12b). 지층의 경계뿐 아니라 아스팔트 포장 표면에 연결부 결함도 전기비저항 역산 단면에서 고비저항 이상체가 나타났으며(Fig. 12c), GPR 단면에서도 반사 에너지가 큰 것을 확인할 수 있다(Fig. 12e). 더 깊은 깊이에서 나타나는 고비저항 영역과 반사 에너지가 큰 영역이 중첩되는 것은 콘크리트 슬래브와 노반 경계의 불균질성에 의해 나타나는 것으로 해석할 수 있었다(Fig. 12d, f).

Fig. 12. (a) GPR vertical profile on L1 line for the 600 MHz antenna. The layers are marked in yellow (slabs), orange (base), green (subbase) and purple (subgrade). (b) Inverted model of ERT line L1. The layers are marked in black. Slab joints are indicated by dashed lines. Horizontal sections drawn at a depth of 15 (c) and 40 cm (d) from 3D ERT. GPR time-slice at a depth of 0~30 cm (e) and 25~55 cm (f) on the same area of 3D ERT (Orlando et al., 2017).

교량의 안정성을 평가하기 위한 교각(pier)과 지하 매질의 특성 조사에도 포장된 도로에서의 탐사가 빈번하게 이루어지는데, 튀르키예 앙카라(Ankara city)에 위치한 파티흐(Fatih) 다리에서도 조사하기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였다(Gündoğdu et al., 2020). 전기비저항 측선9개 중 4개는 교량을 중심으로 북서, 동남쪽 방향의 토양에 위치하게 하였으며, 이 외의 측선은 교량 아래 위치한 차량 및 보행자의 통행을 위해 개방되어 있는 아스팔트 도로에 설치하였다. 따라서, 측정지점의 아스팔트에 구멍을 뚫어 전극을 삽입하였으며, 전극 간격은 2.5 m, 쌍극자 배열로 자료를 얻었다. 포장 도로 및 토양에서의 모든측선에 대한 3D 역산을 수행한 결과, 표면에서 약3.4~13 m 깊이에 부분적으로 낮은 전기비저항이 나타났으며, 이는 시추 조사 결과 연약한 점토층이 존재하는 위치와 동일한 것을 확인할 수 있었다. 역산 단면의 지표 근처에서 교각과 아스팔트 표면에 의한 고비저항이 부분적으로 나타났지만 점토 연약대를 해석하는 데 영향을 미치지 않았으며, 토양에서의 결과 및 시추 조사를 통해 얻은 암석학적 정보가 일치하였다.

문화재 탐사

문화재가 묻혀 있을 것으로 예상되는 노르웨이 오슬로의 비요르비카(Bjørvika)에 위치한 항구 주차장 부지는 타맥(tarmac)으로 덮여 있고, 일부는 자갈과 돌에 덮혀 있어 드릴을 사용하여 구멍을 뚫어 전극을 삽입하는 형태로 탐사를 진행하였다(Lysdahl et al., 2017). 1차 탐사에서 Q1, Q2 2개의 측선에 대한 자료를 얻었으며, 2차 탐사는 1차 탐사에서 6주가 지난 뒤에 측선Q3, Q4에 대해 탐사를 수행하였다. 지면과의 전기적 접촉을 개선하기 위해 벤토나이트, 소금물 및 동결방지를 위한 알코올인 에틸렌글라이콜(ethylene glycol)을 섞은 점성 점토를 전극 구멍에 채워넣었으며, 이에 따른 접촉저항은 Q1, Q2에서 10~40 kohm, Q3, Q4에서 6 kohm 이하로 측정할 수 있었다. 아스팔트/자갈 표면에 의해 자료 수집에 어려움이 있었지만 전극 접촉을 개선하고, 잡음을 제거 후 역산하여 시추조사 및 발굴 결과와 유사한 전기비저항 단면을 얻었다.

그리스 아테네에 위치한 카프니카레아 교회는 11세기에 지어진 건축물로 내부에 우물이 존재한다. 최근 교회의 아래 약 17 m 지점에서 동-서 방향을 가로지르는 아테네 지하철 건설 당시 우물을 통해 시추 및 굴착을 위한 유압 해머 소리가 들렸으며, 이는 교회 아래 또 다른 우물이 존재할 수 있다는 의혹과 함께 지하철 건설로 인한 교회의 안정성을 조사하기 위해 교회실내와 근처의 보도블럭까지로 전기비저항 탐사를 수행하였는데, 고대 문화재임을 고려하여 비파괴적 탐사를 수행하고자 구리 평판 전극을 사용하였다(Tsokas et al., 2008). 이때, 더 나은 전기 결합(electrical coupling)을 위해 제과에서 사용하는 설탕을 혼합한 젤을 사용하였으며, 전극 간격은 0.6 m, 탐사 장비는 S.A.S. 4000 ABEM로 탐사를 수행하여 얻은 자료를 역산한 결과 대체로 4~15 %의 낮은 RMS의 신뢰할만한 역산 결과를 얻을 수 있었다. 잡음은 바닥재에 의해 발생한 것으로 특히, 야외의 울퉁불퉁한 바닥의 재질에 의해 전류 전도에서 가짜 효과(spurious effect)를 발생시킨 것으로 판단하였다. 전기비저항 탐사 이전에 뚫어 놓은 시추공 검층 자료를 통해 깊이 4 m까지 주로 점토와 고대 건설 잔해로 이루어진 성층 물질로 이루어짐을 확인하였다. 또한, 경사 시추공을 통해 교회 아래에 위치한 공동을 파악하고, 전기비저항 단면에서의 고비저항 영역과 일치하는 것을 확인하였다.

카보머(carbomer)를 기반으로 한 겔을 사용했을 때의 지면 및 전극 간의 전기적 접촉을 양적으로 평가함에 따라 평판 전극까지도 필요하지 않다는 연구 결과가 보고된 바가 있어(Vásconez-Maza et al., 2020) 카보머 기반의 겔을 평가하기 위해 스페인 카르타헤나(Cartagena)에 위치한 푸닉벽(punic wall) 박물관에서 4개의 케이블과 56개 전극을 사용한 탐사를 수행하였다(Fig. 10c). 이 박물관의 경우, 과거에 묘지로 쓰이던 교회 지하실(crypt)로 점토를 사용할 경우, 타일을 더럽히기 때문에 사용할 수 없었지만 카보머 기반의 상업용 겔은 얼룩이 전혀 남지 않고 깨끗이 제거된다는 특징(Vásconez-Maza et al., 2020)이 있어 이를 사용하였는데카보머의 전도도는 0.186 S/m로 열에 대해 안정성 우수하고 점도도 높다는 특징이 있어, 일반적으로 MRI 의료용 겔로 사용되어 왔다(Patro et al., 2015). 접촉 저항을 평가하기 위해 초기에 케이블의 전도성 부분 즉, 활성 전극 표면에 두꺼운 겔 층을 추가한(Fig. 13a) 후, 금속판을 이용하여 각 전극에 약간에 무게를 두어 접촉을 더 향상시켰다(Fig. 13b).

Fig. 13. (a) Detail about added cabomer-based gel on the passive electrode surface, (b) flat-basd metal weight placed on the passive electrode, and (c) Three-dimensional ERT layout on the Saint Joseph Crypt floor (Vasconez-Maza et al., 2020).

측정 결과, 겔을 첨가하지 않고 활성 전극을 바닥에 직접 접촉시키는 경우, 저항값이 약 8,000~140,000 ohm임을 확인할 수 있다(Fig. 14, red star symbols). 이는 과도한 저항으로 측정된 전기비저항 품질에 대해 논할 수 없는 것으로 평가된다. 카보머 기반의 겔이 추가된 경우, 쌍극자 배열(측정 #1, Fig. 14, blue symbols) 및 단극-쌍극자(측정 #2, Fig. 14, cyan symbols) 결과는 AGI SuperSting R1 제조업체의 저항 권장 범위 이하인 200~1,000 ohm으로 매우 낮은 접촉 저항 값을 보였다. 즉, 쌍극자 또는 단극-쌍극자 배열 등의 배열법과 무관하게 겔을 사용한 경우 접촉 저항이 상당히 낮아졌을 뿐 아니라 바닥 타일에 얼룩이 남지 않는다는 장점이 있어, 활성 전극 표면에 카보머 기반 겔을 추가하면 지면과 겔의 교환 표면을 증가시키기 위한 금속 중량 외에 평판 전극 또는 다른 비전통적 전극을 사용할 필요가 없어진다고 할 수 있다.

Fig. 14. Ground-electrode resistance values at each passive electrode, in which values labelled with a red star symbol are from checking measurements, before using gel, and those values, represented by blue and cyan symbols, are form measurements #1 and #2, after using gel (Vásconez-Maza et al., 2020).

GPR 탐사는 문화재 탐사시 거의 완전한 비파괴 탐사 방법으로 전기비저항 탐사법과 결합하여 해석하는 것은 각 탐사법의 단점을 보완할 수 있는 좋은 전략으로 간주될 수 있다(Evangelista et al., 2017). 전기비저항 탐사와 GPR 탐사 모두 수행하여 복합 해석을 수행한 대표적인 사례로 폰타넬레(Fontanelle) 공동 묘지와 카민 종탑(Carmine bell tower)에서 두 탐사의 복합 해석을 통해 암석의 깊이와 탑의 토대 기하학(foundation geometry)에 대해 조사하고자 하였다(Evangelista et al., 2017). 두 유적지 모두 인간이 만든 석조 블록(masonry block)과 채움재 등으로 덮혀 있어 전기비저항 탐사 시 석조 바닥재에 구멍을 뚫은 후 전극을 삽입하였다. 전기비저항 탐사는 48개의 전극을 사용하여 수직 및 수평 해상도가 좋은 웨너-슐렘버져배열로 수행하여 10 m까지 보고자 하였으며, Iris사의 Syscal pro 장비를 사용하였다. GPR 탐사는 GSSI사의 SIR-300과 중앙 진동수가 270 MHz인 안테나를 사용하여 5 m 탐사 심도를 목표로 하였다. 전기비저항 역산 단면에서의 100~500 ohm-m의 전기비저항은 거친 충전재에 의한 것으로 해석하였다. 그 아래 2~3 m (남쪽)와 2~4 m (북쪽) 사이의 중간 깊이는 상당히 층화되어 있고, 모래와 점토로 이루어진 층에서 전기비저항이 낮은 10~100 ohm-m의 규칙적인 층으로 전환되며(Fig. 15a), GPR 탐사 결과에서도 강한 반사를 확인할 수 있다. GPR 탐사 결과, 상부 2 m 깊이까지 젖은 물질과 거친(coarse) 재료로 인한 전형적인 감쇠와 산란이 특징적으로 나타났다(Fig. 15b). 절단부(cutting part) 아래에 묻혀 있는 손상되지 않은 응회암층의 현재 깊이에 대한 일부 불확실성이 여전히 남아 있다.

Fig. 15. (a) It is possible to interpret stratified subsurface media with electrical resistivity as inverse of electrical resistiviry cross-section. (b) Ground Penetrating Radar (GPR) cross-section corresponding to the electrical resistivity cross-section (Evangelista et al., 2017).

그리스 중부 루트라키(Loutraki)에 위치한 성 안드레아스 교회는 알키노이스(Alkyonis) 지진에 의해 훼손되어 GPR과 전기비저항 탐사 복합 탐사를 통해 교회 하부 및 주변의 물리적 변화와 균열 존재 여부를 파악하고자 하였다(Papadopoulos et al., 2009). 전기비저항 탐사는 건물과 그 근처에서 총8개의 길이가 다른 측선에서 2D 측정을 수행하였으며, 건물 내부에서는 3D 측정을 수행하였다. 3D 탐사를 위해 X와 Y 방향으로 각각 1 m와 0.75 m마다 총84개의 벤토나이트 접촉 전극을 배치하였다. 벤토나이트 접촉 전극을 사용하면 금속 전극을 삽입할 필요가 없으므로 문화재 탐사에 적용 가능한 완전히 비파괴적인 방법으로 간주될 수 있다(Athanasiou et al., 2007). GPR탐사는 교회 내부 및 주변에서 250 MHz 안테나와 Noggin Plus unit 장비를 사용하여 약75개의 측선에서 탐사를 수행하였으며, 교회 내부 벽을 따라 500 MHz 안테나를 사용하여 탐사하였다. 건물 내부의 GPR 탐사 결과, 수분 함량에 의해 깊이가 깊어질수록 에너지가 흡수되어 정확한 해석이 힘든 것을 알 수 있다. 지표면에서 최대 2 m 아래 깊이에서는 남서쪽에 일부 강한 반사를 보이며, 이로부터 기반암의 갈라진 빈 공간이 남쪽으로 계속되는 것으로 해석할 수 있었다. 3D 전기비저항 결과에서는 지표에서 1.5 m 깊이까지 매우 고비저항이 나타나며, 더 깊은 층에서는 물로 포화되어 있어 낮은 전기비저항 값인 것을 확인할 수 있었다.

그리스 크레타섬의 최대 도시 이라클리온(Heraklion) 북부 해안에 위치한 세이트 페트로스 교회의 보도 공사 중 비잔티움 제국 초기에 지어진 것으로 추정되는 교회의 일부가 발굴되어 조사를 위해 GPR 탐사를 수행하였으며, 검증을 위해 일부분에서 전기비저항 탐사를 수행하였다(Papadopoulos et al., 2009). 탐사지역은 매우 붐비는 도로 중 하나로 현장조사는 야간에 이루어졌다. GPR 탐사는 0.5 m 간격의 횡단면을 따라 측정되었으며, 250 MHz 및 450 MHz 안테나를 갖춘 NOGINPLUS 장비를 사용하여 자료를 측정하였다. 전기비저항은 60 m와 35 m 길이의 측선을 5개씩총10개의 측선에서 단극-쌍극자 배열을 사용하여 수행하였으며, 측선과 전극 사이의 거리는 1 m로 하였다. 전기비저항 탐사는 GPR 탐사와 마찬가지로 포장도로에서 진행됨에 따라 전기적 접촉을 높여줄 점토에 케이블을 연결하는 방식으로 자료를 측정하였으며, 강철 시멘트 구조와 교차하는 3개의 측선에 의한 잡음으로 인해 비정상적으로 높거나 낮은 값이 나타나 측정 자료의 약4 %를 제거하였다. GPR 탐사 결과, 강한 반사가 나타나는 영역과 전기비저항 깊이별 단면에서 일관되게 나타나고, 일정한 방향의 연속성을 보이는 고비저항 이상체를 매장된 유적과 관련이 있을 것으로 해석하였다.

터널에서의 적용

다양한 이유로 터널에서 전기비저항 탐사를 수행하며, 평판 접지 전극은 터널면에 고정하기 어렵기 때문에 주로 드릴로 천공하여 여러 형태의 전극을 삽입하는 형식으로 진행된다. 대표적인 사례로 방사성폐기물 처리장 건설 중 터널 주변의 굴착 손상 영역(excavated damaged zone, EDZ)의 존재 및 범위를 모니터링하는 데 전기비저항 탐사를 수행한 바 있다(Walton et al., 2015). 이때, 단단한 터널 암반에 측정 시스템을 연결하기 위해 원하는 전극 위치에 드릴을 이용하여 지름 8 mm, 깊이 1 cm의 작은 구멍을 뚫었다. 그 후 금속 앵커(anchor)를 구멍에 삽입하고, 앵커 안에 나사를 조립하여 전극으로 사용하였다(Fig. 16). 탐사는 ABEM Terrameter 시스템을 이용하여 다중 기울기 배열로 수행하였으며, 손상 영역의 규모가 일반적으로 작다는 것을 고려하여 높은 해상도를 달성하기 위해 6 cm의 전극 간격을 사용하였다. 전극 삽입의 영향을 최소화하기 위해 앵커를 구멍에 고정시켜펼친 후, 나사를 조립하는 형식의 전극을 사용하였으며, 전극 간격에 비해 비교적 전극 크기가 커 잠재적 잡음의 원인이 될 것이라 여겨졌지만 그럼에도 불구하고 합리적인 결과를 얻었다고 판단하였다. 전기비저항 탐사 결과, 저비저항 이상대 영역을 염수가 침투한 열린 균열로 해석하였으며(Fig. 17a), 이 후 더 정확한 평가 및 판단을 위해 시추공 탐사를 추가로 진행하여 결과를 비교하였다. 탐사 결과를 종합해본 결과 EDZ는 굴착면 아래 7~20 cm까지 확장되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 17b). 스위스 몬테리(Mont Terri) 지하연구실에서 수행한 또 다른 EDZ 모니터링 탐사에서도 터널면을 따라 원형으로 측선을 위치시키기 위해 전극을 박는 형식을 채택하였으며, 전류 샘(electrical shortcut)을 방지하기 위해 철근이 아닌 플라스틱 섬유(plastic fiber) 형태의 전극을 사용하였다(Kruschwitz and Yaramanci, 2004; Gibert et al., 2006; Lesparre et al., 2013).

Fig. 16. A resistivity line has been set up using a combination of anchor and screw electrodes, and the configuration of the installed electrodes is illustrated (Walton et al., 2015).

Fig. 17. (a) Very low electrical resistivity located between high electrical resistivity zones can be interpreted as zones of saline intrusion into permeable areas. (b) Zone of Excavation Damaged Zone (EDZ) exhibiting low electrical resistivity beneath excavation (Walton et al., 2015).

중국 칭다오시에 위치한 지하철 노선(R3) 부지에서는 방사성폐기물 처분장과 비교했을 때 상대적으로 얕게 위치한 터널에서 탐사를 위해 터널면 및 시추공 전기비저항 탐사(tunnel-face & borehole ERI)를 수행하였다(Li et al., 2018). 탐사를 위해 총18개의 전류 주입 전극은 시추공 내부에 1 m 간격으로 위치하게 하였으며, 측정 전극은 터널 면을 따라 드릴로 천공하여 총 16개의 구멍을 낸 뒤, 8개씩 2중으로 배치하였다. 원격 전극 B, N은 각각 터널 면에서 250 m, 100 m 떨어진 지점에 배치하고, 단극자 배열로 전위를 측정하였다. 그 결과, R3 지하철 계획 노선에서 위험 요인으로 작용할 수 있는 지하수 분포를 파악하기 위해 저비저항 영역, 중간 영역, 고비저항 영역으로 나누어 해석하였다. 터널의 중앙부는 토양으로 이루어져 있기 때문에 전극을 삽입하여 자료를 측정하고, 이를 해석하는 데 큰 어려움이 따르지 않았다.

결론

이 논문에서는 콘크리트나 아스팔트로 포장된 지표에서 수행할 수 있는 전기비저항 탐사 방법에 대한 사례들을 제시하였다. 도심 등의 포장된 지표에서 적용할 수 있는 다양한 전기비저항 탐사 방법들을 적용하기 이전에는 드릴을 사용하여 포장 도로를 천공한 후 전극을 토양에 접지하는 비교적 단순한 방법을 사용해 왔으나 이러한 기존의 방식에는 단단한 포장재를 일정 깊이 이상 천공해야 하므로 시간과 비용 많이 소요된다. 또한, 전극 삽입으로 인한 포장 도로 손상이 발생하기 때문에 탐사 이후 뚫린 구멍을 즉각적으로 메워야 하는 문제가 발생하는데, 이러한 문제는 지반 안정성을 파악할 때나 문화재 조사를 수행할 때 특히 더 심각해진다. 포장된 지표에서 완전히 비파괴적으로 전기비저항 탐사를 수행하기 위해 평판 접지 전극을 사용하거나 용량성 결합 방식이 있다.

평판 접지 전극을 사용하면, 콘크리트 내지 여타 다른 포장재로 덮여 있는 구조물에서도 전기비저항 탐사를 완전히 비파괴적인 방법으로 수행할 수 있으며, 전극을 천공하거나 박을 필요가 없기 때문에 시간 및 비용면에서 효과적이지만, 토양에 삽입하는 금속 말뚝형태의 전극에 비해 접촉 면적이 크고, 상대적으로 건조한 포장재 위에 올려놓는 형태이기 때문에 접촉 저항이 커실제 전기비저항 보다 높게측정되어 해석에 어려움이 있을 수 있다. 접촉 저항을 줄이기 위해서는 벤토나이트나 전도성 겔 등 전도성 재료를 사용하여야 하며 어떤 재료가 효과적인지에 대한 연구가 요구된다. 용량성 결합 방식을 사용하면 비교적 넓은 지역의 2D 및 3D 탐사를 비파괴적이고, 빠르게 수행할 수 있지만 탐사 심도가 얕고, 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는 신호대잡음비를 높이기 위해 22 mA 이상의 전류를 주입해야 한다는 어려움이 있다. 강한 전류의 주입은 장비적 한계 등이 있을 수 있기 때문에, 용량성 결합 방식을 현실적으로 적용하기 위해서는 탐사와 해석 방법 등을 보다 체계적으로 확립하기 위해 더 많은 연구가 진행되어야 한다.

국내에서는 평판 전극을 소금물이나 충분한 전도성 겔, 벤토나이트 등으로 도포하여 포장된 지표에서의 전기비저항을 비파괴적으로 수행할 수 있을 것으로 판단되지만, 용량성 결합 방식에서 신호대잡음비를 높이기 위해 전류를 다량 주입할 때는 주변 전기선, 철재 구조물 등의 간섭 때문에 잡음이 발생할 것으로 예상되며, 그로 인해 데이터 해석에 어려움을 겪을 수 있을 것으로 예상된다. 최근 지하안전특별법 제정 등으로 도심지에서의 탐사가 더욱활발히 진행될 것을 감안하면, 이 논문에서 분석한 도심지 전기비저항 탐사 방법 및 국외 사례에 기초하여, 국내에서도 포장된 지표에서 전기비저항 탐사에 대한 연구와 현장 적용이 보다 활발히 수행될 수 있기를 기대해 본다.