A Microgravity for Mapping and Monitoring the Subsurface Cavities

Karstic features and mining-related cavities not only lead to severe restrictions in land utilizations, but also constitute serious concern about geohazard and groundwater contamination. A microgravity survey was applied for detecting, mapping and monitoring karstic cavities in the test site at Muan prepared by KIGAM. The gravity data were collected using an AutoGrav CG-3 gravimeter at about 800 stations by 5 m interval along paddy paths. The density distribution beneath the profiles was drawn by two dimensional inversion based on the minimum support stabilizing functional, which generated better focused images of density discontinuities. We also imaged three dimensional density distribution by growing body inversion with solution from Euler deconvolution as a priori information. The density image showed that the cavities were dissolved, enlarged and connected into a cavity network system, which was supported by drill hole logs. A time-lapse microgravity was executed on the road in the test site for monitoring the change of the subsurface density distribution before and after grouting. The data were adjusted for reducing the effects due to the different condition of each survey, and inverted to density distributions. They show the change of density structure during the lapsed time, which implies the effects of grouting. This case history at the Muan test site showed that the microgravity with accuracy and precision of ${\mu}Gal$ is an effective and practical tool for detecting, mapping and monitoring the subsurface cavities.

지하 공동의 탐지와 모니터링을 위한 고정밀 중력탐사

지하 공동은 토지의 이용과 개발을 제한할 뿐 아니라 안전과 환경에 심각한 우려를 준다. 우리나라는 석회암이 널리 분포하고 폐광산이 많으며 도심이 확장되고 토지의 개발이 활발하여, 지하 공동에 의한 지반 안전과 환경 보존 문제를 안고 있다. 전남 무안군 덕보들에 한국지질자원연구원에서 마련한 물리탐사 실험장에서 지하 공동의 탐지와 모니터링을 위한 고정밀 중력탐사를 하였다. 중력은 약 30 m 간격의 논둑길을 따라 5 m 간격으로 모두 800여 측점에서 AutoGrav CG-3 중력계로 측정하였으며, 측점의 절대적 위치 오차는 수 mm 이하로 유지하였다. 중력 측선은 MS (minimum support) 역산으로 밀도 분포를 작성하였으며, 고분해능 3차원 중력 역해의 비유일성을 줄이기 위하여 Euler 디컨벌루션의 해를 제한 조건으로 이용하는 역산 방법을 고안하였다. 역산에 의하여 작성한 밀도 분포는 잔여 중력 분포와 전체적으로 잘 일치하였으며, 특히 공동과 관련된 것으로 예상되는 3곳의 중력 이상대의 밀도 분포 형태, 즉 공동의 위치 뿐 아니라 공동형태와 발달 양상을 잘 보여주었다. 이러한 해석 결과는 시추 주상도와 매우 잘 일치하였다. 탐사 실험장의 진입로에서 그라우팅을 전후하여 시간차 중력 모니터링을 하였다. 탐사 조건에 의한 불일치는 기준점의 관측 중력을 비교하여 조정하였다. MS 역산으로 작성한 그라우팅 전, 후의 밀도 분포를 비교하여 그라우팅의 효과를 검토하였다. 이 현장 사례를 통하여 ${\mu}Gal$ 수준의 정밀도와 정확도의 고정밀 중력탐사는 지하 공동을 탐지할 뿐 아니라 공동의 분포와 발달 양상을 확인하는 가장 직접적이고 효과적인 수단이 됨을 보여주었다. 또한, 시간차 중력 모니터링은, 여러 가지 오차 요인들이 있지만, 시간의 경과에 따른 지하 밀도 분포의 변화를 관측하는 데 효과적임을 보여주었다.