방조제는 간척사업을 위한 중요한 시설물로서 방조제 내측의 담수 확보를 위한 중요한 기능을 담당한다. 정밀안전진단 과정에서는 전기비저항 탐사, 자연전위 탐사 등 지구물리학적 방법들이 일부 반영되고 있지만, 그 중요성에 비하여 적용방법과 획득된 자료의 해석기술에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 현재 진행되고 있는 육안조사 위주의 방조제 안전점검, 정밀안전진단 등 유지 관리 체계의 문제점을 파악한 후, 정밀안전진단의 조사방법에 대한 개선방안으로 지구물리학적 방법들에 대해 고찰하였다. 한편 주변 환경적 변화에 의한 제한적 요소들(조위변화에 따른 제체의 압력변화, 성토재의 다짐 특성, 제체 표면의 피복상태)을 고려하여 방조제 환경에 따른 맞춤형 지구물리학적 방법들을 제시하였다.
물리탐사 자료의 복합해석은 탐사 대상체에 대해 단일자료 해석보다 신뢰도가 높은 정보를 제공할 수 있다는 점에서 지속적으로 적용되고 있다. 특히, 지구통계학적 복합해석은 탐사 자료의 물성 뿐만 아니라 공간적 특성을 확률적으로 다룰 수 있다는 점과 탐사자료의 복합과정이 명확하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 물리탐사 자료의 복합해석을 위해 기존에 개발된 지구통계학적 역산 기법을 확장하여, 다중 탐사 자료가 같은 위치에 존재하지 않는 경우의 해석 방안을 제시하였다. 각 탐사자료의 크리깅 분산은 측정 자료의 공간적 배치에 의존한다. 즉, 측정 자료가 가까울수록 분산값은 작아지며 반대의 경우 그 값은 커진다. 다중 물리탐사 자료를 이용하여 임의의 지점에서 물성을 추정할 때, 이러한 공간적 특성을 가중값으로 반영하여 지구통계학적 역산에 의한 해석을 수행하였다. 이 방법을 이용하여 서로 다른 위치에서 다른 탐사 방법으로 측정한 자료를 복합적으로 해석할 수 있는 객관적인 절차를 제공하게 된다.
한반도 남서쪽에 위치한 산동저수지에 대하여 저수지 누수문제 파악을 위해 다양한 수리지질학적 방법과 지구물리 방법이 적용되었다. 이 연구에서 적용한 방법은 추적자 시험, 배수에 따른 시추공 수위 변화 및 누수량 변화 측정, 쌍극자배열 전기비저항탐사, 온도 검층 및 자연전위법 등이다. 수리지질학적 방법 적용 결과 누수형태는 댐체 측벽부를 통한 누수로 밝혀졌으며, 지구물리 방법 적용 결과 이러한 누수구간 및 누수로가 확인되었다. 또한 연구결과로서 지구물리방법 중 전기비저항탐사는 누수구간 규명에 효과적이며, 유동전위를 대상으로 한 자연전위법은 누수 지점 및 누수 유로 확인에 매우 높은 적용성을 확인하였다. 특히 자연번위법 적용 결과 누수가 합쳐져 유출되는 지점 근처에서 측정된 자연전위가 상대적으로 강한 음의 값을 나타냄에 따라 누수량의 증가와 자연전위값의 변화는 상관성이 큰 것으로 나타났다.
본 연구에서는 지구물리 자료의 베이지안 역산을 효과적으로 수행하는 방법에 관해 논의하였다. 베이지안 처리에서 가장 문제가 되는 사전확률분포를 구하기 위해 지구통계학적 방법을 적용하였으며, 사후확률분포의 추정을 위해 MCMC(Markov Chain Monte Carlo) 방법을 적용하였다. 쌍극자배열 전기비저항 탐사 자료의 2차원 역산을 위해 슐럼버저배열 전기비저항탐사 자료와 시추공 자료를 사전 정보로 이용하였으며, 이들 사전정보에 대해 지구통계학적 방법을 적용하여 사전확률분포를 작성하였다. 쌍극자배열 전기비저항 탐사 자료를 최대 우도함수로 하는 사후확률분포는 차원이 매우 높은 적분을 요구하므로, 이를 추정하기 위해 MCMC기술을 적용하였으며, 보다 효율적인 접근을 위해 Gibbs샘플링 방법을 이용하였다. 그 결과 비모수적 방식으로 사후확률분포를 분석함으로써 보다 신뢰성 있는 해를 구할 수 있었으며, 주변화(marginalization)된 사후확률분포를 이용하여 다양한 분석을 적용할 수 있었다.
시추공에서 떨어진 지점에서의 암반등급 (RMR)을 물리탐사 자료를 통하여 간접적으로 추정하기 위해, 지구통계학적 복합 역산 기법을 적용하였다. 지금까지 지구통계학적 기법은 두 가지 이상의 자료의 특성을 잘 반영하는 변수를 추정하는데 주로 이용되었으나, 본 연구에서는 역산 기법에 의한 접근 방법을 사용하였다. 시추공에서 확보한 암반 등급 값을 이용하여, 미리 지정된 격자점상에 지구통계학적 시뮬레이션을 수행하여 다수의 추정값을 확보한다. 이 값은 임의의 상관성이 있는 물리탐사 자료와 비교하여 가장 오차가 작은 값을 채택하게 되고, 이와 같은 비교는 모든 격자점에 대해 수행된다. 이러한 절차는 암반등급의 공간적 분포를 준수하면서, 물리탐사 자료와의 비교를 통해 두 자료의 상관성을 최대한 확보한 결과를 얻을 수 있다. 또한 동일한 과정을 다수 수행하여, 추정한 결과의 신뢰도를 분석할 수 있는 정보를 제공할 수 있다.
한반도 중부에 위치한 대전 지진관측소(TJN) 하부의 세부 지각구조를 밝혀내기 위하여 수신함수를 이용한 선형화된 역산(linearized inversion) 방법을 적용하였다. 본 방법의 비단일해(nonuniqueness)와 초기 모델 의존성의 문제를 해결하기 위해 근사 초기 속도 모델로부터 72개의 서로 다른 초기 모델을 구하여 역산을 수행한 후 결과모델들의 평균 속도 모델을 제시하는 방법을 사용하였다. 역산 결과 총 72개의 모델 중 뚜렷한 지각-맨틀 경계를 보이는 43개의 모델만이 조건에 만족하는 결과를 나타내었다. 모든 모델에서 속도 구조는 전체적으로 깊이에 따라 속도의 불연속면이나 급격한 증가없이 연속적인 변화를 하며, 모호면의 깊이는 30~32.5 km의 범위로 나타났다. 평균적인 하부 지각의 속도는 6.5 km/s, 상부 맨틀의 속도는 7.8 km/s로 뚜렷한 속도 변화를 보였다. 결과 모델 군은 중부지각(mid-crust)에서의 속도를 기준으로 약한 저속도층을 나타내는 군과 상대적으로 일정한 속도를 가지는 군으로 구분되었다. 단지 지진파형의 비교만으로 두 모델군 중 합당한 모델군의 선택은 불가능하였다. 따라서 수신 함수를 이용하여 연구 지역의 신뢰할 만한 지각 구조를 구하기 위해서는 그 지역에 대한 지질학적, 지구물리학적 추가정보와의 동반 해석이 요구된다.
경주의 월성에 대한 발굴 작업 없이도 고고학적인 호기심을 충족시킬 수 있도록 비파괴 조사방법의 일환인 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사법을 적용하여 지하유구의 존재 상황을 조사하였다. 이는 현대고고학과 지구물리학을 접목하여 향후 발굴계획이나 고고학적 연구에 과학적이고 체계적인 접근 전기를 마련하고자 하는 의미도 있다. GPR 탐사는 석빙고 앞 및 성의 동편 끝 지역에서 실시되었으며 향후 3차원 자료처리 및 해석을 위해 조사대상지 전체에 대해 조밀한 측선을 설정하였다. 구성된 3차원 볼륨 자료를 고고학적으로 해석한 결과, 대형 건물지 7채와 담장 및 성의 출입시설, 수많은 초석들, 도로,그리고 원지 등을 추정할 수 있었다.
해안지역 대수층을 통한 해수침투 현상의 규명은 지하수 분석법이 가장 효율적이지만, 관정수의 제한이나 시료 분석의 어려움으로 염분 농도의 지속적인 변화를 위한 모니터링에 제한이 있다. 따라서 이 연구에서는 해수침투 관측망이 위치한 전라북도 부안군 해안지역의 소유역에 대하여 전기비저항 수직탐사를 수행한 후 역산결과를 지구통계학적 방법을 이용하여 층별 등고선도를 작성하였으며, 각 층별 전기비저항 변화를 분석하여 해수쐐기의 공간분포를 확인코자 하였다. 수직탐사 자료의 1차원 역산 결과를 토대로 지구통계방법인 베리오그램을 이용하여 분석한 결과 기존의 수리지질학적 방법에서 얻어진 해수쐐기와 담수체의 경계부 확인에 유용한 것으로 밝혀졌다. 따라서 향후 이 연구결과를 기존의 광역지역에 대한 등가염분농도분포도 작성 방법에 적용할 경우 해수침투의 범위 확인 및 예측을 위한 정량적인 평가에 활용될 것으로 판단된다.
터널 설계를 위한 조사 있어서, 요사이 시추공 조사는 물론 탄성파 탐사, 전기 비저항 탐사 등의 물리탐사가 빈번히 행해지고 있는 실정이다. 따라서 최적의 지반평가(암반 등급 등)를 위해 조사에서 얻어지는 모든 자료를 체계적으로 최대한 활용할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있다. 많은 연구자들이 정량적 데이터가 부족한 경우에 대처하기 위해 정상적 데이터의 이용을 적극 제안해 왔다. 본 연구에서는 신뢰도가 다른 두 종류의 자료, 즉 시추공자료와 물리탐사 자료를 활용하여 시추가 되지 않은 구간의 암반등급을 추정하는 방법을 지구통계학적 이론에 근거하여 소개하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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