Delineation of a fault zone beneath a riverbed by an electrical resistivity survey using a floating streamer cable

Recently, the imaging of geological structures beneath water-covered areas has been in great demand because of numerous tunnel and bridge construction projects on river or lake sites. An electrical resistivity survey can be effective in such a situation because it provides a subsurface image of faults or weak zones beneath the water layer. Even though conventional resistivity surveys in water-covered areas, in which electrodes are installed on the water bottom, do give high-resolution subsurface images, much time and effort is required to install electrodes. Therefore, an easier and more convenient method is sought to find the strike direction of the main zones of weakness, especially for reconnaissance surveys. In this paper, we investigate the applicability of the streamer resistivity survey method, which uses electrodes in a streamer cable towed by ship or boat, for delineating a fault zone. We do this through numerical experiments with models of water-covered areas. We demonstrate that the fault zone can be imaged, not only by installing electrodes on the water bottom, but also by using floating electrodes, when the depth of water is less than twice the electrode spacing. In addition, we compare the signal-to-noise ratio and resolving power of four kinds of electrode arrays that can be adapted to the streamer resistivity method. Following this numerical study, we carried out both conventional and streamer resistivity surveys for the planned tunnel construction site located at the Han River in Seoul, Korea. To obtain high-resolution resistivity images we used the conventional method, and installed electrodes on the water bottom along the planned route of the tunnel beneath the river. Applying a two-dimensional inversion scheme to the measured data, we found three distinctive low-resistivity anomalies, which we interpreted as associated with fault zones. To determine the strike direction of these three fault zones, we used the quick and convenient streamer resistivity.

스트리머 전기비저항 탐사에 의한 하저 단층 탐지

하저지반은 단층대의 분포가능성이 매우 높으나 수층으로 인해 지표지질조사가 불가능하여 단층대를 파악하기가 쉽지 않다. 하상 전기비저항 탐사는 하저지반에 대한 연속적인 영상을 제공하여 주므로 단층이나 연약대의 위치를 파악하는데 매우 효과적인 탐사법이다. 하저터널의 설계에서는 단층대의 위치뿐만 아니라 단층대의 주향방향이 매우 중요한 요소이다. 단층대의 주향방향을 파악하는 방법으로는 격자형의 측선에 대한 광대역 조사가 매우 효과적이다. 하지만. 종래의 하상 전기비저항 탐사는 케이블을 하저에 설치하여야 하므로 광대역 조사에 적합하지 않다. 이에 이 연구에서는 소형보트에 스트리머 케이블을 설치하여 신속하게 광대역의 하저지반을 영상화하는 스트리머 전기비저항 탐사의 적용성에 대해 고찰하였다. 스트리머 전기비저항 탐사에 의한 단층대의 분해능을 고찰하기 위하여, 수직단층이 수층 하부의 퇴적층에 피복되어 있는 모형을 설정하여 수치모형실험을 수행하였다. 전극의 설치위치와 수심의 변화에 따른 수직단층의 분해능에 대해 살펴보았으며, 그 결과 수층의 두께가 전극간격의 2 배 이내인 경우에는 전극을 수층 표면에 설치하는 방식으로도 단층을 영상화할 수 있음을 보였다. 또한, 스트리머 전기비저항 탐사에 적합한 4 가지의 전극배열법을 설정하여 신호대 잡음비와 수직 단층의 분해능을 비교 검토하였다. 수치모형실험을 기초로 하여 한국 서울에 위치한 한강의 하저터널 예정부지에서 하상 전기비저항 탐사를 수행하였다. 하저터널 예정노선에서는 고분해능의 영상이 요구되므로 하저에 전극을 설치하여 자료를 획득하였으며, 2차원 역산을 적용하여 강 양단에서 단층대로 추정되는 3개의 저비저항 이상대를 탐지하였다. 저비저항 이상대의 윈인을 규명하기 위하여 시추조사를 수행하였으며, 그 결과 수 m 이상의 폭을 가지는 다수의 단층이 관측되었다. 단층대의 주향방향을 탐지하기 위하여 확인된 저비저항 이상대를 중심으로 격자형의 측선을 설정하여 스트리머 전기비저항 탐사를 수행하였다. 이를 통해 하저에 케이블을 설치하는 방식에 비해 매우 신속하고 경제적으로 하저에 분포하는 이상대의 분포범위와 발달방향을 규명할 수 있었다.