서 론
탐사 분야별 대상체 물성 및 탐사 기법
광물 자원 탐사
환경오염 조사
지반 조사
이산화탄소 지중저장 및 모니터링
고준위방사성폐기물(HLW) 처분장 및 지하연구시설(URL)
분야별 탐사 적용 사례 분석
광물 자원 탐사
환경오염 조사
지반 조사
이산화탄소 지중저장 및 모니터링
고준위 방사성폐기물(HLW) 처분장 및 지하연구시설(URL)
토 의
결 론
서 론
지하 매질을 조사하는 방법은 크게 지하 매질을 채취하여 직접적으로 분석하는 방법과 간접적인 방법으로 지하 매질을 해석하는 방법으로 구분할 수 있다. 물리탐사 기법은 간접적인 방법으로 지하 매질을 교란시키지 않고 넓은 영역에 대한 물성 및 물성 변화를 파악할 수 있는 비파괴적 조사 방법으로 다양한 분야에서 활용되어 왔다. 물리탐사 기법은 과거 자원 탐사분야에서 주로 활용되며 연구 발전되어 왔으나, 최근에는 장비와 해석 기술의 다양화 및 발전으로 여러 분야로 그 적용 영역이 확장되고 있다(Reynolds, 2011). 다양한 물리탐사 기법 중 어떤 탐사기법을 선택하는 것은 탐사의 목적과 조사 대상체의 물성 특성에 따라 결정된다. 즉, 조사 대상체의 물성 특성에 가장 민감하게 반응하는 탐사기법을 선정하는 것이 바람직하다(Reynolds, 2011).
물리탐사 수행 시에는 또한 각 물리탐사 기법에 따른 가탐심도와 해상도, 신호 대 잡음비와 같은 획득 자료의 특성에 대한 이해도 필요로 한다(McCann and Foster, 1990). 한편, 물리탐사 자료에 대한 역산해의 비유일성(non-uniqness)으로 인해 일반적으로 하나의 물리탐사를 적용하는 것보다는 다수의 물리탐사기법을 수행하여 복합해석하는 것이 보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있으며(Reynolds, 2011), 해석 시 탐사 대상체 및 주변 지질에 대해 이미 알려진 여러 지질학적 또는 지질공학적 정보를 최대한 활용하면 보다 타당한 결과를 얻을 수 있다.
물리탐사 기법 중 전기/전자탐사에는 전기비저항 탐사 혹은 전기비저항 토모그래피(electrical resistivity tomography, ERT), 유도분극(induced polarization, IP) 탐사, 자연 전위(self/spontaneous potential, SP) 탐사, 전자(electromagnetic, EM) 탐사, 지표투과레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사와 자기지전류(magnetotelluric, MT) 탐사 등이 포함된다. 이 중 전자탐사는 진동수영역 전자탐사(frequency-domain EM, FEM)나 시간영역 전자탐사(time-domain /transient EM, TEM) 등 세부적으로 다양한 탐사기법을 포함하고 있으며, 넓게는 자기지전류 탐사나 GPR 탐사 등도 이에 포함시켜서 구분하기도 한다.
이러한 전기/전자탐사 탐사의 수행 목적은 크게 암상의 경계 및 파쇄대 등의 지질학적 구조에 대한 정보를 얻기 위한 경우와 주변과 다른 전자기적 물성을 지닌 탐사 대상체를 영상화하고 그 물성에 대한 정보를 얻기 위한 경우로 나눌 수 있다. 예를 들어, CO2 지중저장(carbon capture and storage, CCS), 고준위 방사성폐기물(high level radioactive waste, HLW) 처분장과 지하연구시설(underground research laboratory, URL) 등의 부지를 조사하는 분야에서는 심부 암반의 구조, 즉 암상의 변화와 균열의 유무에 대한 탐사를 목적으로 수행한다. 또한, 오염물이나 CO2 등의 누출 및 확산이 발생할 수 있는 지역에서는 오염물 및 CO2의 이동 가능성이 있는 균열 및 단층의 지질학적 구조에 대한 탐사를 중점적으로 수행한다.
대상체의 물성 평가를 목적으로 하는 분야에는 환경오염 조사, 광물 자원 탐사 등이 있는데, 이 경우에는 탐사 대상의 물성에 따라 적합한 탐사 기법을 선택하는 것이 무엇보다 중요하다. 예를 들어, 환경오염 조사에서 소수성액체(non-aqueous phase liquid, NAPL)가 탐사 대상인 경우에는 탐사 시기별로 전자기적 물성이 달라지므로 그에 맞는 적절한 탐사기법을 선택해야만 정확한 해석을 수행할 수 있다. 광물 자원 탐사의 경우에도 대상 광상 유형이나 광물에 따라서 각기 다른 광상학적 지질구조 및 물성 특성을 보이므로 보다 정확한 해석을 위해서 이를 고려한 탐사기법을 선택해야만 한다.
국내에서도 오랜 시간 동안 다양한 분야에서 전기/전자탐사 기법을 적용하여 왔으나, 탐사 대상체와 목적에 적합한 탐사기법을 체계적으로 활용하기 보다는 장비의 사용방법이나 해석 방법이 쉬운 탐사들이 주로 선택적으로 사용되는 경우가 많았다. 그러나 보다 효과적으로 전기/전자 탐사기법을 활용하기 위해서는 탐사 목적과 대상체에 따라서 어떠한 물성변화를 대상으로 탐사를 수행해야 하는 것과 그 목적에 적절한 탐사기법을 선정하는 것이 매우 중요하다. 이 논문에서는 전기/전자 탐사 기법을 대상으로 물리탐사가 적용되는 몇 개의 주요 분야에 대하여, 각각의 분야에서 탐사 대상체의 물성 변화를 야기하는 원인에 대해서 살펴본 후, 탐사 목적에 적합한 탐사기법의 선택과 그 대표적인 활용 사례에 대해 분석하였다.
탐사 분야별 대상체 물성 및 탐사 기법
광물 자원 탐사
광물 자원 탐사에서 물리탐사를 활용하는 과정은 일반적으로 항공탐사를 활용한 광역 탐사를 수행하여 목표 광물이 부존 가능한 영역을 확인한 후에(e.g., Perry and Wilson, 1994; Chiozzi et al., 2007; Martinez and Li, 2015; Bayowa et al., 2016; Singh, 2020; Alhumimidi et al., 2021; Mekkawi et al., 2021), 정밀 조사가 가능한 지표 탐사기법을 적용하여 대상체인 광화대의 심도, 규모 등을 파악하여 시추를 진행하기 위해 필요한 정보를 제공하는 방식으로 이루어진다(Bayowa et al., 2016; Mekkawi et al., 2021). 특히 최근의 광상 탐사에서는 비교적 쉽게 발견할 수 있는 지표면 부근의 광상은 개발이 현재 거의 완료되었기 때문에, 아직 발견되지 않은 심부 광화대 혹은 기존 광체의 지하 연장성을 조사하기 위한 목적으로 진행되는 경우가 많다(Fu et al., 2020; Yang et al., 2019). 광물 자원 탐사에서는 대상 광물의 물성이 주변 매질과 대비가 되는 경우에는(e.g., 금광, 흑연광 등) 광체를 직접적인 대상으로 탐사를 수행하게 되나(Beckitt, 2003; Youssef and Elkhodary, 2013), 일반적으로는 광화대의 위치를 파악하기 위한 목적으로 광상 단위 탐사를 수행한다(Golestan et al., 2013).
일반적으로 광상은 화성(igneous) 광상, 열수(hydrothermal) 광상, 그리고 퇴적(sedimentary) 광상으로 구분되는데(Robb, 2005, Fig. 1), 화성 광상은 모암인 화성암의 영향을 받아 일반적으로 높은 자기 감수율(magnetic susceptibility)을 보이며, 열수 광상은 변성 전 모암의 특징을 보인다. 퇴적 광상은 풍화에 강한 물질의 퇴적으로 생성되는 경우가 많으며, 철이나 망간 등을 포함할 때는 상대적으로 자기 감수율이 높게 나타난다.
대표적 화성 광상인 페그마타이트 광상은 모암인 화강암과 편마암의 영향으로 전기비저항이 높은 편이나, 광상을 구성하고 있는 광물에 자철석이 포함되는 경우가 많아 일반적으로 전기비저항이 낮고 자기 감수율이 높은 편이다. 마찬가지로 니켈 광상의 Ni-Cu-PGE 황화물도 대체적으로 전기비저항이 낮고 자기 감수율이 높게 나타난다. 대표적인 열수 광상인 반암(porphyry) 광상에서는 광화대가 모암에 비해 전기비저항이 낮고 충전율(chargeability)이 높다는 특성이 있다. 퇴적광상 중 대표적인 망간 광상과 띠형 철층(banded iron formation, BIF) 광상은 각각 망간 산화물(manganese oxides; Moreira et al., 2016, Vieira et al., 2016)과 철광석(Oladunjoye et al., 2016; Saad et al., 2012)으로 구성되는데, 망간 산화물은 전기비저항과 충전율 값이 낮으며, 철광석은 적철석이 풍화된 경우를 제외하곤 자기 감수율이 높고 전기비저항은 낮다(Nogueira et al., 2016). 이와 같이 광상들의 물성은 광상의 성인과 광화대의 특성에 따라서 조금씩 차이가 있으므로 이러한 요인을 고려하여 적절한 탐사기법을 선택하여야 한다.
자원탐사 초기의 광역 탐사로는 광화대를 특정하기 위하여 중력 탐사 또는 가청 진동수 자기지전류(audio-frequency MT, AMT) 탐사를 수행하거나(Huang et al., 2020), 항공 자력 탐사를 수행해 광상의 높은 자기 이상대를 파악한 사례가 있다(Steinberger et al., 2013; Huang et al., 2020). 또한, 최근 장비의 지속적인 발전으로 장비의 효율성과 적용성이 개선된 시간영역 전자탐사법(time-domain electromagnetic, TEM)을 수행하여 심부 광상을 탐사하는 사례도 늘고 있다(Zhi et al., 2025; Guoqiang et al., 2018). 일반적으로 금속 광화대는 전기전도도가 높기 때문에 항공 시간영역 전자탐사가 효과적인데, Yang et al.(2019)은 지하 600 m 하부에 매장된 광물 자원탐사를 위해 여러 복합적인 전자탐사 방법을 적용하여 분석한 사례를 소개하면서 헬리콥터를 이용한 항공 시간영역 전자탐사(HELITEM)가 자연송신원에 의한 진동수영역 전자탐사(ZTEM)로 확인된 전도성 이상대 구간의 실제 전기전도도를 찾는데 도움을 주었다고 기술하였다.
이와 같이 광역탐사를 통해 주요 탐사 대상 지역이 확정되면 정밀 탐사를 수행하게 되는데, 지금까지는 상업용 소프트웨어를 이용 가능하여 비교적 해석이 용이한 전기비저항/유도분극 탐사를 주로 적용하여 왔다. 그러나 접지 저항이 좋지 않아 전기비저항과 유도분극 탐사를 진행하기 어려운 경우에는 이를 전자탐사를 수행하는 것이 유리할 때가 있다(Mekkawi et al., 2021). 한편, 일부 광화대 양상을 확인할 수 있고 모암의 암종을 판단할 수 있는 현장에서는 광역조사 단계를 건너뛰고 대상 광체의 위치와 크기 등을 조사할 수 있는 기법을 선정하여 정밀 탐사를 곧바로 수행하기도 한다(Mousa et al., 2020).
환경오염 조사
지중 오염에는 대표적으로 유류 즉 NAPL 등에 의한 유류오염, 쓰레기 매립장 혹은 가축 폐사물 매립지 주변에서 유출되는 침출수에 의한 오염, 공장 지역 및 광산 폐기물 처리장 주변에서 종종 발생하는 중금속 유출에 의한 오염 등이 있다. 대부분의 오염 물질은 물보다 비중이 낮아 지하수면 위 천부 토양층의 공극 내에 존재하지만, 중금속이나 물보다 비중이 높은(Dense) NAPL(DNAPL) 등은 파쇄대를 통해 심부 기반암까지 이동할 수 있다(Fig. 2, Longino and Kueper, 1999).
NAPL 오염지의 경우 시간에 따른 전기적 특성이 달라지는데, 유출된 직후에는 NAPL이 비전도성 물질이라 오염지의 전기비저항이 매우 높아지지만, 약 12주 정도의 시간이 지나면 전기전도도가 증가한다. 이 시간이 지나면 토양 내 유기물에 의한 생분해(biodegradation) 반응으로 유기산이 생성되어 pH가 낮아지고, 산과 주요 양이온 사이의 이온 교환으로 인해 지중 유체의 전기전도도가 증가할 뿐만 아니라(Kim et al., 2020) 생분해로 인해 발생한 탄산의 영향도 받게 된다.
유기물과 비유기물뿐만 아닌 중금속 등도 포함하고 있을 수 있는 침출수는 지하수와 비중이 거의 비슷해 지하수처럼 대수층을 따라 이동하기 때문에, 침출수에 포함되어 있는 다양한 이온들로 인해 오염지의 전기비저항이 낮아질 뿐만 아니라 유도분극 반응이 나타나는 경우도 있다(Seigel, 1959; Johansson et al., 2007; Leroux et al., 2010; Gazoty et al., 2012). 중금속 오염지에서도, 중금속의 높은 전기전도성으로 인해 오염지역의 전기비저항은 낮아지며 일부 환경에서 황화광물을 형성할 수도 있어 유도분극 반응이 나타날 수 있다. 이러한 중금속 오염은 중금속이 많이 포함되어 있는 공업지역 폐기물이 오염의 주된 원인이지만, 침출수에 포함된 마그네슘, 아연, 철 등과 같은 미량의 금속 물질들에 의해서도 발생할 수 있다.
이러한 지중 환경오염에 대한 정화 방법으로는 약품을 통해 오염물질을 중화하는 방법, 식생을 사용해 오염물질을 흡수 및 축적하는 방법, 미생물을 이용한 정화작업 등이 있는데, 그 중 미생물을 이용한 정화작업에서 미생물은 토양의 공극수 및 화학 작용을 통해 토양 표면에서 이온 교환이 일어나 전기적 물성의 변화를 야기하기 때문에 전기비저항 및 유도분극 탐사를 적용하여 변화를 모니터링 할 수 있다(Sparrenbom et al., 2017; Revil et al., 2011; Johnson et al., 2010).
오염원이 유출된 경우에는 전기적 물성의 변화가 뚜렷하게 나타나기 때문에, 전기적 물성의 변화를 파악할 수 있는 전기비저항/유도분극, 전자탐사, GPR 탐사 등을 활용하면 오염영역을 조사할 수 있는데 이 중 전기비저항 탐사법은 지하 매질의 영상화를 매우 효율적으로 수행할 수 있어 가장 많이 사용되고 있다. 유도분극 탐사는 오염원에 의한 매질 공극 유체의 화학적 변화와 미생물의 활성화 정도 및 오염물질 감소와 같은 생화학적 변화에 민감하게 반응하기 때문에 오염지 조사와 더불어 최근 미생물을 이용한 정화 작업 모니터링에 많이 사용되고 있다(e.g., Chen et al., 2012; Flores Orozco et al., 2011; Williams et al., 2009). GPR 탐사를 이용하면, LNAPL의 경우 유전율이 지하수보다 낮아 지하수면에서의 레이더파의 반사계수가 작아지므로 오염지역을 직접적으로 찾을 수도 있고, 시추조사를 통해 오염물의 위치를 파악한 후 그 오염물이 있는 층서의 구조를 파악하는 방법으로 중금속으로 오염된 지역을 찾기도 한다(e.g., Splajt et al., 2003; Santos Alexandre et al., 2018).
유도분극 탐사법 중 시간영역 유도분극 탐사는 전기비저항 탐사와 동일한 방식으로 자료를 얻으나, 추가적으로 지층의 전기적 특성인 충전율에 대한 정보를 얻을 수 있어, 전기비저항 탐사와 같이 자료를 얻어 복합해석을 수행하는 경우가 많다. 다수의 진동수에 대한 광대역 자료를 측정하는 광대역 유도분극(spectral IP, SIP) 탐사에서는 매질 입자의 크기나 형태, 표면의 화학적 특성 및 공극 통로의 크기와 같은 유도분극 특성을 해석할 수 있으며, 이는 유체투과도(permeability)와 높은 상관관계를 가지고 있어 오염지에서 유체 이동 경로를 예측하기 위한 목적으로 많은 연구가 이루어지고 있다(Kim et al., 2020).
지반 조사
지반 내에서는 여러 가지 요인으로 싱크홀, 지반 침하, 산사태 등이 발생할 수 있고 또는 지반의 상태변화에 의해 설치된 인공 시설물의 안정성 저하 등이 발생할 수 있는데, 이러한 지반의 안정성에 크게 영향을 미치는 요인에는 (1) 지질학적 구조, (2) 구성 물질의 종류, (3) 수분 함량 등이 있다(Kumar and Kumar, 2022; Stead and Wolter, 2015; Wei et al., 2024). 기반암은 상부 토양층과 비교하여 전기비저항이 상대적으로 매우 크며 유전율과 임피던스(impedance) 등의 물성도 차이가 있는 반면, 단층, 지하 공동, 지반 이완 영역에서는 이들의 공극을 채우고 있는 물질의 종류에 따라 물리적 물성 차이가 나타나며, 특히 지하수의 존재 유무에 따라 전기비저항 값에서 크게 차이가 난다.
지반 안정성을 저해하는 지반 구성물질로는 대표적으로 자연 발생 공동을 야기하는 석회암과 점토가 있다. 석회암의 경우, 지하수에 의해 용해되어 자연 공동이 발생하고 석회암 대비 전기비저항이 매우 낮은 물로 공동이 채워지면 전기비저항이 낮아진다. 한편 점토가 지반 내에 존재하면 팽창과 이완을 반복하여 지반 이완 영역을 형성하거나, 산사태 이동체(sliding mass) 내의 공극 수압을 증가시켜 부분적 혹은 완전한 액상화를 발생시켜 물질의 흐름을 야기하여 지반 안정성을 저해하기 때문에(Mainsant et al., 2012), 점토의 분포를 파악하는 것은 지반 안정성 조사에서 매우 중요하다. 이러한 점토질은 수분 보유력이 강하여 전기비저항은 낮고, 유전율은 크며, 충전율도 높다는 특징이 있다(Choi et al., 2008).
지하의 점토질에 의한 자연 발생 이완 영역의 탐사에는 기본적으로 전기비저항 탐사를 수행함과 동시에 유도분극 탐사를 함께 적용하거나(Cardarelli and Di Filippo, 2009), GPR 탐사를 수행하기도 한다(Akpan et al., 2015; Tábořík et al., 2017; Szokoli et al., 2018). 카르스트 지형, 즉 석회암에 의한 공동 조사의 경우 비교적 대규모로 물리탐사가 수행되며 얕은 심도를 대상으로 GPR 탐사를, 깊은 심도를 대상으로 AMT 탐사를 적용할 수 있으며 이외에도 전기비저항, 자연전위 탐사가 활용될 수 있다(Metwaly and AlFouzan, 2013; Artugyan et al., 2015; De Giorgi and Leucci, 2014).
도심지와 같은 영역에서 지반 침하와 공동 관측에 가장 많이 활용되는 물리탐사 기법은 전기비저항 탐사와 GPR 탐사 기법이다(Kim et al., 2007). 높은 전기비저항을 보이는 환경에서 얕은 심도에 위치하고 있는 공동 탐사에서는 GPR 탐사 기법이 효과적으로 적용될 수 있다(Benson 1995; Beres et al., 2002). 전기비저항 탐사 기법은 공동이 위치한 지층 해석에 효과적이며 얕은 심도에 위치하는 공동이 전도성이 있는 물질로 채워져 있는 경우 효과적으로 적용할 수 있다(e.g., Tejero et al., 2002; Van Schoor, 2002; Yi et al., 2002; Metwaly and AlFouzan, 2013).
인공 시설물의 안정성 평가를 위해서는 도심지에서의 공사 현장 부근 혹은 하수관 노후화로 인한 도로 함몰이나 지반 이완 영역 분석에 대해 물리탐사가 적용된 바 있는데(Boyd et al., 2021), 수리시설물이나 터널과 같은 특수 시설에서는 수리시설물의 누수와 관련하여 전기비저항 탐사, 자연전위 탐사, 자기 공명(magnetic resonance) 탐사 등이, 터널의 지반 변형과 관련해서는 전기비저항 탐사가 활용될 수 있다. 특히 사면에서의 탐사 시, 강우에 따른 함수비 변화를 확인하기에 가장 효과적인 탐사법은 전기비저항 탐사이며, 보다 정확한 사면 안정성 조사를 위해서는 활성화된 사면에서 지형정보 및 전극의 변경된 위치를 업데이트 하면서 함수비와 사면의 움직임을 모니터링 하여야 한다(e.g., Boyd et al., 2021).
구조물 건설 부지에 대하여 기반암 심도와 구조 파악을 위해서는 전기비저항 탐사나 전자탐사를 적용할 수 있으며, GPR 탐사는 가탐심도가 얕아 제한적으로 활용되고, 단층과 같은 지질 구조 파악에서 VLF(very low frequency) 탐사법이 활용된 바도 있다(e.g., Wightman et al., 2003). 지하 매질의 수리지질학적 특성에 대한 탐사 목적으로 전기비저항 탐사를 주로 사용하며(Travelletti et al., 2012), 간혹 자연전위 탐사를 수행하기도 하는데, 강우량에 따른 토양 함수비는 실시간으로 변동하는 특성을 가지기 때문에 수문학적 모델을 구성하여 탐사 결과를 활용한 실시간 모니터링을 수행하는 것이 바람직하다(Whiteley et al., 2020; Boyd et al., 2021).
이산화탄소 지중저장 및 모니터링
이산화탄소 지중저장 및 모니터링 분야에서의 물리탐사의 적용은 크게 부지 선정, 저장소 부지의 유체 이동경로 평가, 이산화탄소 이동 모니터링으로 나눌 수 있다. 이산화탄소 지중저장은 주로 유류, 가스 저류층 혹은 채굴을 마친 광산, 암염 구조와 같은 트랩구조가 발달한 지형(IPCC, 2005)에서 수행하기 때문에, 부지선정 단계에서는 이와 같은 구조에 대한 탐사를 수행하며 주로 탄성파 탐사를 많이 사용한다. 균열 및 단층, 연약대 등의 유체 이동경로가 되는 구조들은 지하수의 유무에 따라 전기적 특성이 다르게 나타나는데, 지하수가 포함되면 일반적으로 높은 상대유전율과 전기전도도를 보인다. 또한, 이산화탄소가 용해 및 해리되거나 저류층 공극내 이산화탄소의 포화도(saturation)가 변하면 지구물리적 물성에 변화가 일어나므로 주입된 이산화탄소 플룸(plume)의 이동 경로 모니터링에 물리탐사를 활용 가능하다(Fig. 3, Caesary et al., 2020).
Fig. 3.
Monitoring properties based on reaction of CO2 within shallow subsurface for geophysical methods (Caesary et al., 2020).
이산화탄소 지중저장에서 포집된 CO2를 초임계 상태로 600–3000 m의 심도(주로 1000 m 전후 심도)에 높은 압력으로 주입하는데, 주입되는 저류층 매질과 공극을 채우고 있는 유체의 전기비저항에 비해 주입된 CO2의 전기비저항이 높기 때문에 주입된 영역은 전기비저항이 높아지며, 주입된 CO2의 양이 많아지는 경우 자연 전위도 발생한다(Dafflon et al., 2013; Moore and Glaser, 2007). 천부로 CO2가 누출되는 경우에는 지하수 대수층에서 탄산을 형성하여 산성 환경을 야기한다. 즉, CO2의 용해와 해리에 의한 산성 환경에서는 광물 입자가 쉽게 용해되며, 완충 조건(buffering condition)에서 이온 교환을 통해 양성자를 소모한다(Börner et al., 2013; Dafflon et al., 2013; Doetsch et al., 2015). 광물 용해에서 이온 교환으로 표면 전기전도도를 변화시키며, 탄산에 의해 형성된 전기적 이중층(electrical double layer, EDL)이 유기산을 발생시켜 화학적 풍화작용을 일으키기 때문에 전기비저항이 낮아진다(Yu et al., 2019). CO2 용해로 CO2의 포화도가 감소하면 전자기파(electromagnetic wave)의 속도는 작아지는 반면, 기체 상태의 CO2에 의해서는 CO2 포화도가 증가하여 전자기파의 속도는 커진다.
이 분야에서 활용가능한 물리탐사 기법 중에서 전자탐사는 고전도성 매질에서는 해상도가 높고, 고저항성 매질에서는 가탐심도가 크므로, 단층 및 균열대의 위치를 파악하거나 대수층 점토 분포 및 지하수 매핑의 목적으로 활용이 가능하며(Sheets and Hendrickx, 1995), 이산화탄소 지중 저장에서 적절한 지질 구조를 파악하기 위한 목적으로 적용할 수 있다. 심부 CO2 플룸 분포 모니터링을 위한 탐사 기법으로 시간영역 및 진동수영역 전자탐사 기법의 적용에 대한 시도가 다수 있었으며(e.g., Bacci et al., 2017; Bergmann et al., 2016; Dodds et al., 2013; Ringrose et al., 2013), 천부 누출 가능성에 대한 모니터링에도 전기/전자 탐사법에 대한 적용성이 활발히 연구되고 있다(e.g, Auken et al., 2014; Lamert et al., 2012; Jun et al., 2017).
특히, CO2 누출 모니터링의 경우에는 누출된 CO2가 지하수에 용해되면서 매질의 전기비저항이 바뀌기 때문에 불포화대보다는 포화대에서 더 민감한 반응이 나타나므로 지표 혹은 시추공을 활용한 전기비저항탐사로 모니터링할 수 있다. 암석물리학적으로 암반의 공극 내 유체 종류의 변화는 전기비저항과 전자기파의 속도 변화가 나타나므로 전기비저항 탐사를 활용하며, GPR 탐사를 통해서 얻을 수 있는 유전율과 복소굴절률(complex refractive index) 모델을 이용해 공극률을 추정함으로써 CO2의 이동을 해석할 수도 있다. 한편, 주입과정에서 주입정 주변의 누출이나 주입되는 상태를 모니터링하기 위해, 주입된 기체에 의해 발생한 전위차를 이용한 지표 자연전위 탐사를 수행할 수도 있다(e.g., Nishi and Ishido, 2022).
고준위방사성폐기물(HLW) 처분장 및 지하연구시설(URL)
고준위방사성폐기물 처분장(방폐장) 및 URL 분야에서의 물리탐사의 적용은 크게 부지 선정 단계, 건설 단계, 처분 상황 모사 실험 모니터링 및 처분 후 모니터링 단계로 나눌 수 있다. HLW 방폐장 및 URL은 지질구조판(tectonic plate)이 움직이지 않고 큰 단층이나 파쇄대가 잘 발생하지 않는 부지여야 한다. 단층이나 파쇄대 등의 유체 이동경로를 통해 방사성 물질이 유출될 수 있으므로 이에 대한 모니터링이 중점적으로 이루어지며, 열에 의한 지하수 및 주변 암반의 변화 또한 모니터링해야 한다. 즉, 유체 이동경로의 물성은 지하수의 유무에 따라 전기적 특성이 다르게 나타나는데, 고준위방사성폐기물에서 방사성 물질이 붕괴되며 열이 발생하게 되면 Archie 식에 따르면 온도가 높아질수록 지하수의 전기비저항은 낮아지지만(Archie, 1947) 열에 의해 지하수가 증발하여 전기비저항이 높아지기도 하므로, 이 두 영향을 잘 고려하여 시간에 따른 전기비저항의 변화를 모니터링 할 수 있어야 한다.
최초 고준위 방폐장을 건설을 위한 지하 암반 굴착과정에서 발생하는 굴착 손상 영역(excavation-damaged zone, EDZ)의 경우, 균열이 외부로 이어지지 않아 지하수가 유입되지 않을 때에는 균열 내부가 기체로 포화되어 있기 때문에 다른 영역에 비해 높은 비저항을 가진다. 지하수 유동의 경우, 공극 내의 유체 흐름에 의해 발생하는 자연 전위인 흐름전위가 발생하는 것을 통해 파악할 수 있다(Chambers et al., 2010; Song et al., 2021). EDZ 특성화 및 모니터링을 위해 비파괴적 방법인 GPR 탐사를 주로 수행하며(Walton et al., 2015), 이 외에도 전기비저항 탐사(Gibert et al., 2006)를 수행하기도 한다. 지하수 유동의 경우 주로 자연전위 탐사를 수행하며(Tokuyasu et al., 2012; Lim et al., 2010; Maineult et al., 2013; Ozaki et al., 2015), 전기비저항 모니터링을 함께 수행하기도 한다(Tokuyasu et al., 2012). MT 탐사의 경우, 심부 전기비저항 분포 파악을 통해 지하 매질에서 단층대 위치를 규명하거나 지하수 조사 등에 주로 활용하고 있으며, 방폐장 대상 심도가 1 km 전후임을 감안하여 일반적인 MT 탐사보다 진동수 대역이 높은 AMT 탐사를 보다 많이 이용한다(Jeong et al., 2023).
분야별 탐사 적용 사례 분석
광물 자원 탐사
광물자원 탐사 분야에서는 점차 탐사 목표 심도가 깊어지면서 심부 광역탐사를 목적으로 시간영역 전자탐사, MT 탐사, 자력탐사를 활용하고 있으며, 기존 금속 광산 근처에 미 발견된 광체를 찾고 평가하기 위한 목적으로 탐사가 많이 수행되고 있다. 중국 안산의 벤시(Benxi) BIF 광상에서는 자력탐사를 통해 부지에 대한 특성화를 수행한 후, 시간영역 전자탐사와 MT 탐사로 상세 탐사를 진행하였다(Fu et al., 2020). 시간영역 전자탐사자료 해석을 통해서 10–150 m 깊이의 저비저항 이상대를 확인할 수 있었으며, MT 탐사는 TEM 탐사에 비해 천부 해상도는 낮으나 보다 심부를 탐사할 수 있어 MT 자료의 해석을 통해서 저비저항 이상대로 나타나는 광체의 위치와 깊이를 추정하였다.
정밀 탐사를 목적으로는 소형루프형 전자탐사, 전기비저항 탐사, 유도분극 탐사, GPR탐사를 활용한다. 금-페그마타이트 광맥의 구조를 파악하고자 600 m 길이의 측선 15개를 사용해 넓은 영역에 대한 전기비저항, 유도분극 탐사를 수행한 사례도 있다(Fig. 4, Gouet et al., 2016). 전기비저항 탐사만으로는 파쇄대 혹은 단층대, 전단영역에 의한 저비저항 이상대와 금속 광물에 의한 저비저항 이상대를 구분하는 데 어려움이 있기 때문에, 유도분극 탐사 결과를 동시에 활용하여 높은 충전율을 보이는 영역을 금속 광물 광화대로 특정 지을 수 있다. 반암형(porphyry) 구리-금 광상에서의 전기비저항/유도분극 탐사 사례에서 또한 전기비저항 탐사 해석 결과만으로 구분하기 어려운 광화대에 대해서는 유도분극 탐사에선 높은 충전율로 나타나 광화대에 대한 정밀조사가 가능하였다(Golestan et al., 2013).
Fig. 4.
Comparison of electrical resistivity and chargeability sections: zones where low resistivity and high chargeability coincide indicate areas with high concentrations of metallic minerals and pegmatite dikes (Gouet et al., 2016).
개발이 진행되거나 완료된 광산에서의 광물 잔존 지역 및 광물 분포에 대한 조사를 목적으로 추가적인 탐사가 수행되기도 한다. 브라질의 페그마타이트 광산지역에서는 잔존 지역 및 광물분포 확인을 위해 GPR 탐사를 수행하였다(Aranha et al., 2018). 이 지역은 고품질의 전기석(tourmaline) 채광이 이루어지는 페그마타이트 광산으로 GPR 탐사를 통해서 8 m 두께의 암맥을 추정하였다. 광산에서 GPR 탐사는 총 9개의 측선에 대해 100 MHz와 200 MHz의 진동수의 안테나를 사용하여 광산 터널 벽면에서 탐사를 수행하였으며, 획득한 자료에 대하여 일반적인 자료처리 과정을 진행하였다. GPR 탐사자료의 해석을 통해서 페그마타이트와 모암의 경계와 포물선 형태로 나타나는 내부 전기석의 위치를 확인할 수 있었다.
환경오염 조사
주거 지역의 DNAPL에 의한 지하수 오염조사에서 전기비저항 탐사에서 오염되지 않은 영역이 30 ohm-m 이상의 전기비저항 값을 보이는 것과는 달리 오염 영역에서는 20 ohm-m 이하의 값을 보였으며, 3D 역산 결과를 해석한 결과 DNAPL이 지하수의 흐름에 따라 주거지 방향으로 이동함을 확인하였다(Fig. 5, Naudet et al., 2011). 고농도의 테트라-클로로-에틸렌(Tetrachloroethylene/Perchloroethylene, PCE) 또는 트리-클로로-에틸렌(Trichloroethylene, TCE)으로 오염된 지역에서 전기비저항/유도분극 탐사를 수행한 사례에서는 분석 결과를 검증하기 위해 시추 조사 결과를 사용하였다(Johansson et al., 2015). 심도가 얕을수록 점토층의 낮은 전기비저항 값과 위상의 구분이 명확하게 나타난다. PCE 유출지에서는 높은 비저항 값이 나타나는데, 위상과 정규화된 위상은 PCE가 존재하는 중간 영역에서 생분해로 인해 비정상적으로 나타나며, 토탄(peat)에 의한 높은 정규화 위상값과는 시추공 자료를 활용하여 구분할 수 있었다.
Fig. 5.
(a) Electrical-resistivity distribution at depths of 20–30 m obtained via three-dimensional (3D) interpolation of two-dimensional inverted data acquired in 2006 and 2008. (b) Electrical resistivity distributed at depths of 20–30 m obtained using 3D inverted data acquired in October 2010 (Naudet et al., 2011).
침출수로 오염된 영역을 구분하기 위한 탐사에 전기비저항 탐사를 적용한 사례로는 주거용 쓰레기 매립지에서 침출수 유출 모니터링이 국내에서 보고된 바 있는데(Park et al., 2016), 모니터링 자료의 2차원 역산 결과에서 지표면 부근에서 오염 영역으로 해석되는 저비저항 구역이 확인되었다. 강우에 따른 변화로 장마철의 탐사자료에서 저비저항 이상대가 더 넓게 관측되었으며, 측정자료의 3차원 역산 결과에서 더 뚜렷한 값의 차이를 보인다. 한편, 전기비저항 탐사자료 해석의 보완을 위해 유도분극 탐사를 같이 활용하여 1차원 역산과 시추공 조사를 함께 사용한 사례에서는 침출수가 존재하는 심도(약 3–7 m)를 규명하였다(Gazoty et al., 2012). 침출수가 확인되는 지역에서는 전기비저항 값은 낮게, 충전율은 높게 나타났으며 2차원 역산 단면에서도 동일한 양상이 확인되었다. 이 오염 영역에 대해 계산된 유도분극 변수(시간 상수, 진동수 지수 등)는 높게 나타났으며, 전기비저항으로 해석된 영역에 비해 유도분극 변수들이 좀 더 국부적인 침출수 영역을 확인할 수 있었다.
지반 조사
자연 발생 공동 및 지반 이완 영역
자연발생 공동을 찾기 위한 대규모 탐사 사례로 AMT 탐사기법을 활용하여 약 400 m 심도까지 지하수로 채워진 저비저항 값을 보이는 이완 영역을 해석한 사례가 있다(Tarabees et al., 2017). 또한 카르스트 지형에서 소규모 공동 및 싱크홀을 관측하기 위해 전기비저항 탐사와 GPR 탐사를 함께 수행하여 약 5 m 심도까지의 빈 공동들로 인한 GPR신호 반사 및 고비저항 이상을 관측하였다(Fig. 6, Gómez-Ortiz and Martín-Crespo, 2012).
Fig. 6.
Processed and interpreted radargrams showing different features of study area. (a) Boundary between Quaternary detrital materials and Cretaceous dolostones. (b) Strong reflections below contact between Quaternary detrital materials and Cretacetous dolostones, interpreted as occurrence of shallow cavities. (c) Strong arched reflections showing Cretaceous dolostones structure that vanished laterally due to dissolution of carbonate rocks and infilling of Quaternary detrital materials. (d) Strong reflection into Cretaceous dolostones unit interpreted as small cavity whose beginning appeared at sinkhole edge (Gómez-Ortiz and Martín-Crespo, 2012).
도심지에서는 지하 공동이 존재할 것으로 예측되는 도로 위 균열 발생 위치에서 GPR 탐사를 수행하고, 굴절법 탐사 결과와 비교하여 공동 및 침강 상태를 평가하기도 하였다(De Giorgi and Leucci, 2014). 또한 Kim et al.(2007)은 지표 및 시추공 전기비저항, 인공송신원 MT(controlled source MT, CSMT), 자력 탐사, GPR 탐사 등의 다수의 물리탐사 기법을 활용하여 도시 지반 안정성 분석을 수행하였다. 시추공 전기비저항 탐사 결과와 암석 공학 수치 시뮬레이션 결과를 함께 비교하여 복합 해석함으로써 불안정 영역을 제시하였다. 지하 공동이 있는 공사현장에서 전기비저항 탐사를 수행한 연구에서는 다양한 배열법을 적용하여 획득한 자료에 대한 해석결과와 실제 공동 위치와 비교하는 연구를 진행하기도 하였다(Ungureanu et al., 2017).
인공적 시설물의 안정성 평가
건설공사를 위한 굴착 현장에서도 주변의 지반 안정성을 모니터링하기 위한 연구들도 수행되었다(Orfanos and Apostolopoulos., 2012; Snapp et al., 2017; Shin et al., 2019). 해당 연구에서는 굴착 영역을 시험 조사지역으로 구성하고 전기비저항 탐사, 미소 중력 탐사, 자력 탐사, MASW(multichannel analysis of surface waves) 탐사, GPR 탐사를 사용하여 저비저항 이상대로 나타나는 지반 이완 영역 혹은 매설된 터널을 해석하였다(Shin et al., 2019). Snapp et al.(2017)은 공사 현장에서 품질 보정을 위한 업무 과정에서 전기비저항 탐사 결과를 활용하여 공사 현장에서의 비파괴 탐사 기법의 효용성을 보여주었다.
도로뿐만 아니라 터널이나 수리 시설물에서도 다양한 전기/전자 탐사 방법을 활용하여 안정성 평가를 수행하였는데, Orfanos and Apostolopoulos(2012)는 터널 굴착을 가정한 시험장에서 전기비저항, 미소 중력탐사, MASW 탐사, 자력탐사를 함께 수행하여 터널 및 터널 주변 개구부의 영상화 능력을 비교하였다. 전기비저항 탐사의 경우 터널 및 터널 주변 지질 구조에 대한 정보 제공에 효과적이었으며 쌍극자(dipole-dipole)배열과 단극-쌍극자(pole-dipole)를 정방향(c1-p1p2)과 역방향(p1p2-c1)으로 함께 사용한 배열이 공동 영상화에 다른 배열들보다 적합하다고 주장하였다. 또한 여러 배열을 이용한 전기비저항 탐사 자료를 얻었을 경우 모든 배열 자료를 모두 동시에 사용하여 역산하는 것보다 동일 크기의 역산블록을 갖는 역산모델에 대해 각자 역산한 후 중합(staking)하는 편이 역산 결과도 좋아지고 이상치(artifact)도 줄일 수 있어 효과적인 방법이다.
한편, 댐과 같은 수리 시설물에서도 전기비저항 및 전자 탐사와 SP 탐사가 많이 수행되었는데, Himi et al.(2018)은 흙댐에서의 누수 영역 파악 및 보강재인 모르타르(mortar) 주입 전후의 모니터링을 위해서 전기비저항 탐사, 탄성파 굴절법 탐사, 진동수영역 전자 탐사를 수행하였다. 전기비저항 탐사가 누수 및 모르타르 주입 영향을 가장 잘 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 국내에서도 최근 새만금 방조제의 해측 사면의 건정성 평가를 위해 진동수영역 전자탐사를 적용하여 해수에 의한 파이핑(piping) 현상이 일어난 부분을 성공적으로 영상화할 수 있었다(e.g., Kang et al., 2025). 또한 수리시설 누수 모니터링에서 IP 탐사의 적용성을 파악하기 위해 댐 모사 현장에서 누수 영역에 대한 충전율을 분석하거나(Abdulsamad et al., 2019) SP 탐사를 많이 수행하였는데, 정성적 해석(Bolève et al., 2011)뿐 만 아니라 정량적 해석(Rittgers et al., 2015)도 가능하며 정량적 해석을 위해서는 전기 비저항 구조 정보가 필요해 전기비저항 탐사와 함께 수행하여 해석하였다(Song et al., 2021).
사면 안정성 평가
Dahlin et al.(2013)과 Akpan et al.(2015)은 사면의 안정성 평가를 위한 조사에서 확인된 저비저항 영역에서 점토질을 구분하기 위해 유도분극 탐사를 함께 수행하였다. Dahlin et al.(2013)은 스웨덴의 Fråstad 지역에서 점토질은 낮은 전기비저항 값과 높은 충전율 값을 가진다는 것에 기초하여 전단강도가 거의 0에 가까워 산사태의 주요 원인이 되는 퀵(quick) 클레이의 분포를 파악하였다. 즉, 전기비저항 탐사를 수행하여 저비저항대를 파악한 후, 이 저비저항 영역 중 유도분극 탐사에서 0.077 이상의 높은 정규화된 충전율 값을 가지는 지역을 퀵 클레이가 존재하는 영역으로 나머지는 지하수로 인한 저비저항대로 구분하였다(Fig. 7).
Fig. 7.
(a) Resistivity section and (b) normalized chargeability section for Line 6 based on L1-norm (robust) inversion at Göta River, Fråstad, Sweden (Dahlin et al., 2013).
산사태의 위험성은 강우량에 따른 토양 함수비 변화에 의해 실시간으로 변동하게 되어 최근에는 모니터링의 중요성이 부각되고 있는데, 이러한 함수비 모니터링에 가장 효과적인 물리탐사 기법은 전기비저항 탐사이지만 활성화된 사면에서 전기비저항 모니터링 수행 시에는 설치한 전극의 위치가 사면과 함께 이동할 수 있다는 점에 유념하여야 한다(Boyd et al., 2021). 이를 해결하기 위해 GPS 말뚝을 사용하여 전극의 좌표를 측정하였으며, 지형의 정보 또한 함께 업데이트하여 보다 정확한 모니터링을 가능하게 하였다(Boyd et al., 2021; Fig. 8).
Fig. 8.
Comparison of time-lapse inversion in March 2017 for (a) updated inversion (both electrode coordinates and topography are updated), (b) partially updated inversion (only electrode coordinates are updated) and (c) non-updated inversion (neither topography nor electrode positions are updated) (Boyd et al., 2021).
이산화탄소 지중저장 및 모니터링
CO2 지중저장 평가 및 관리 시 단순히 전기비저항 자료만을 이용해서 CO2의 거동을 분석할 수도 있지만 탄성파 탐사 결과를 기반으로 구조적 정보를 해석하여 해상도를 높이기도 한다(Bergmann et al., 2016). 미국 Cranfield에서 수행된 CO2 지중 저장 실험은 3000 m 깊이의 천연가스 저류층에 임계상태의 100만톤의 CO2를 주입하여 복잡한 지질 구조에서 CO2의 움직임과 시간경과에 따른 분포를 확인하고, 압력 변화를 관찰하여 모암 손상을 관리하고자 1년 이상 전기비저항 모니터링을 수행하였다(Carrigan et al., 2013). Archie 식(Archie, 1942)을 이용해 해석된 전기비저항 값을 CO2 포화도로 계산하였으며, 이를 통해 CO2로 대체된 공극 유체의 이동 양상을 볼 수 있었다(Fig. 9).
Fig. 9.
Results from cross-well ERT showing increase in CO2 saturation derived from changes in electricity resistivity (Carrigan et al., 2013).
전기비저항 탐사는 포화대에 CO2를 주입했을 때 나타나는 확산현상이나 주입된 CO2에 의해 지하수의 오염 가능성에 대한 연구를 위해 적용된 지구물리적 모니터링 방법 중 가장 많이 사용된 방법 중 하나이다. 덴마크에서는 실험부지의 지하 얕은 5 m와 10 m에 CO2를 주입한 뒤 실시간 지표 전기비저항탐사 모니터링을 통해 지하수의 오염 위험을 평가하였다(Auken et al., 2014). 주입된 기체상의 CO2는 주입초기에는 주입 압력이 용해 속도에 비하여 높기 때문에 모두 즉시 용해되지 못하여 주입정 근처의 지표로 CO2가 빠져 나가면서 주변 수분포화도가 증가되어 지표까지 비저항의 감소가 관측 된다(Fig. 10(a)의 위의 그림). 그러나 시간이 경과하면 이러한 현상이 없어져 CO2가 용해되어 비저항이 감소되는 부분만 저비저항으로 영상화 된다(Fig. 10(a)의 아래 그림).
Fig. 10.
Results from ERT monitoring of CO2 injection into saturated zone. (a) Surface ERT inversion result of resistivity-change ration for day 22 (upper) and day 114 (lower) after beginning of CO2 injection in Denmark (from Auken et al., 2014); (b) downhole resistivity in Norway (Denchik et al., 2014). Decrease in resistivity or increase in conductivity was observed above injection depth due to CO2 buoyancy.
한편, 그 외의 경우에서는 단일 혹은 시추공 사이 전기비저항 토모그래피를 사용하여 수직 해상도를 향상시킬 수도 있다. 지표 천부 18 m에 주입된 CO2를 시추공 전기비저항탐사법으로 모니터링한 결과 시간에 따라 주로 주입 깊이 윗부분에서 7–30% 범위의 전기비저항의 감소를 보였는데, 이는 부력에 의해 주입된 CO2가 상향 이동한 것으로 해석된다(Denchik et al., 2014). 몇몇 현장에서는 지표 시간영역 유도분극 탐사(time domain IP, TDIP)와 시추공 사이의 시추공 레이다(borehole radar) 측정도 추가로 수행하였는데 이는 시간영역 유도분극 탐사는 광물 함량과 관련된 추가적인 정보를 얻을 수 있고, 시추공 레이다는 전기비저항 탐사로 확인하기 힘든 기체상의 CO2 함량을 감지하는 데 민감하기 때문에 적용되었다.
일반적으로 기체상의 CO2를 불포화대에 주입하면 주입 직후에는 전기비저항이 최대 약 50%까지 증가하지만(Fig. 11(a) top) 시간이 지나면 CO2가 용해되면서 전기비저항이 감소되게 된다는(Fig. 11(a) bottom) 특징이 있다(Jun et al., 2017). 프랑스 폐석회암 채석장내 석회암 불포화대에 주입된 시험장에서 획득한 결과(Fig. 11(b)를 보면, 불포화대 상부에 높은 점토 함량으로 인해 CO2의 이동이 차단되어 CO2가 공극수에 용해됨으로 인하여 비저항이 감소하였다(Le Roux et al., 2013).
Fig. 11.
Results from surface ERT monitoring of CO2 injection into unsaturated zone in (a) South Korea (from Jun et al., 2017) and France (from Le Roux et al., 2013). Various resistivity results are obtained due to geological heterogeneity of South-Korea site, while the existence of clay layer at upper depth of unsaturated zone serves as barrier to gaseous CO2 movement, thus forcing CO2 dissolution and decreasing resistivity.
시간영역 유도분극 탐사를 통해 해석된 정규화된 충전율을 분석하여 CO2 주입 모니터링이 시도된 사례도 있는데(Doetsch et al., 2015), 모니터링 결과에서는 유도분극 탐사에는 나타나지만, 지표 전기비저항 탐사에서는 구분할 수 없는 실트로 구성된 불균질한 구조로 인한 포화대에서 다양한 충전율 이상대를 확인할 수 있었다. 시간 경과 역산에서 나타난 주입 시간에 따른 충전율의 증가는 부지 내에 CO2 용해성 알루미늄 광물로 인한 양이온 교환 용량의 증가로 인해서 발생한 것으로 해석되었다. GPR 탐사로는 CO2 기체로 포화되는 경우 해당 영역에서 공극 내 물이 기체로 대체되면서 유전율이 감소하는 것을 통해 CO2의 이동을 감지할 수 있다(Fig. 12). GPR 탐사 결과로 파악한 기체상의 물질은 주입한 CO2가 수평으로 이동하기 전에 주입 과정 중에서 공극수에 완전히 용해되지 않았다는 것을 뜻하며 충전율의 증가는 대부분 투과성 대수층을 따라 주입 초기에 측정되었으며 주입 시간 동안 감소하였다(Lassen et al., 2015).
Fig. 12.
Results from GPR indicating presence of gaseous CO2 at the beginning of injection, which decreased as injection progressed (Lassen et al., 2015).
고준위 방사성폐기물(HLW) 처분장 및 지하연구시설(URL)
HLW 방폐장 및 URL에서의 물리탐사는 주로 EDZ 평가 및 모니터링, 암반 균열 매핑, 공극 유체 변화 평가 및 모니터링, 열유압 반응 모니터링, 벤토나이트 모니터링 등에 사용된다. 스웨덴 Äspö HRL(Walton et al., 2015)과 핀란드 Onkalo URL(Heikkinen et al., 2021)에서는 전기비저항, 유도분극, GPR 탐사를 수행하여 EDZ에 대한 특성화를 수행하고자 하였으며, Onkalo URL에서는 AE(acoustic emission) 센서를 이용하여 탄성파 탐사를 함께 수행하였다. 다중 그래디언트 배열(multi-gradient array)을 사용하여 전기비저항 탐사를 수행하였는데, 1 m 이내의 얕은 심도에서 나타난 저비저항 이상대를 EDZ로 해석하였으며, 유도분극 탐사를 통해 전기비저항이 낮은 영역과 충전율이 높은 영역이 공간적으로 일치함을 확인하여 탐사의 신뢰성을 더하였다. GPR 탐사의 경우 핀란드 Onkalo URL에서는 1.6 GHz 안테나를 이용하여 EDZ의 깊이 및 두께를 약 0.1–0.3 m로 정량화하였으며(Heikkinen et al., 2021), Äspö HRL에서는 더 깊은 균열 영역을 추적하고자 저주파 안테나(600–2,600 MHz)로 탐사를 수행해 높은 손상 영역(highly damaged zone, HDZ)의 두께는 약 5–10 cm, EDZ는 굴착면 아래 15–35 cm까지 확장된 것을 확인하였다(Fig. 13, Walton et al., 2015). 핀란드 Onkalo URL에서의 ONK-TKU-3620 갱도에서는 AE 센서를 활용한 탄성파 탐사를 통해 0.6 m 깊이까지의 고해상도 속도 단면을 얻었으며, 북측 벽면 부근에서 일정한 저속도대가 관찰되어 손상대의 존재를 지시하였다(Heikkinen et al., 2021).
Fig. 13.
(a) Inversion of resistivity model; (b) fractures observed from boreholes; (c) GPR section; (d) GPR traces at locations of boreholes A, B, and C (Walton et al., 2015).
스위스 Mont Terri URL에서는 원형 측선을 설치하여 EDZ 두께 변화에 따라 시간에 따른 전기비저항 변화를 정량적으로 추적하였다(Gibert et al., 2006). 시간 경과에 따른 겉보기비저항 가단면도에서는 원형 측선 1과 2에서 7월과 9월(굴착 재개 시점) 사이에 눈에 띄는 변화를 확인할 수 있다(Fig. 14). 프랑스 Tournemire URL에서는 공학적 방벽(engineered barrier system, EBS)의 열·유압 반응을 모니터링하기 위한 최적의 전기비저항 탐사 프로토콜을 개발하고자 실험 EBS 설치 및 모니터링을 수행하였다(Lopes et al., 2019). 갱도에 벤토나이트와 시멘트 플러그를 설치하고, 수분 주입 및 히터를 이용한 열·수리 자극을 가하여 전기비저항 탐사로 모니터링한 결과, 벤토나이트 내 수분 침투에 따라 전기비저항이 점진적으로 감소하며 약 5.4 m 깊이까지 수분이 이동한 것으로 해석하였으며, 벤토나이트와 시멘트 플러그의 확실한 전기비저항 대비를 확인하였다(Fig. 15).
Fig. 14.
Pseudo-sections for differences of 2 months each during exploration period (Gibert et al., 2006).
Fig. 15.
Crosshole resistivity section of separating cement plug and bentonite area (Lopes et al., 2019).
토 의
물리탐사를 효과적으로 수행하기 위해서는 조사 대상체의 물성에 가장 민감하게 반응하며 탐사 목적에 맞는 가탐심도나 분해능을 갖는 기법을 선택하기 위해 가장 먼저 대상체의 심도를 분석하여 이에 맞는 물리탐사 기법들을 선택하고, 필요한 분해능을 가진 탐사 기법을 선택해야 한다(Fig. 16). 즉, 광물 자원 광역 탐사, 이산화탄소 지중저장과 고준위 방폐장 부지선정 단계의 광역 탐사 시에는 분해능이 높지 않더라도 가탐심도는 큰 탐사법들을 선택해야 하고, 단시간에 광역적인 탐사를 수행해야 하기 때문에 지형의 제약이 적으며 가탐심도가 큰 항공 탐사를 주로 수행한다. 반면 지중환경오염, 지반 안정성 분야의 경우 대부분 기반암 상부까지의 탐사를 수행하기 때문에 가탐심도는 약 50 m 정도로 크지 않아도 되지만, 오염 구간을 특정하거나 지반의 불안정한 영역을 특정하기 위해서는 고분해능인 탐사법을 이용해야 하기 때문에 주로 전기비저항, 유도분극, 자연전위, GPR 탐사를 수행한다. 또한 이산화탄소 지중저장, 고준위 방폐장 건설 및 운영 시와 같이 수백 미터 이상의 대심도 탐사를 고분해능으로 수행해야 하는 경우에는 시추공 전기비저항, 시추공 유도분극, 시추공 레이다 등의 시추공 탐사법들을 수행하는 것이 좋다. 지중환경오염 분야에서도 고분해능의 탐사를 수행하기 위해 100 m 이내의 심도에서도 시추공 탐사를 수행하기도 하며, 지반 안정성 분야에서도 지하 인공구조물 건설 시의 주변 지반 상황 모니터링 등 고분해능 탐사가 필요할 때에는 시추공 탐사를 수행하기도 한다.
지중환경오염은 지하수 유동이 오염 물질을 확산시키는 주경로이며, 지반의 불안정성은 대부분 토양층의 특성에 좌우되기 때문에 두 분야에서는 지하수가 분포하는 기반암까지 탐사를 수행한다. 환경오염 조사의 경우 오염 분포를 특정하기 위해서는 고분해능의 해석이 필요해 주로 전기비저항 탐사, 시간영역 및 광대역 유도분극 탐사, 자연 전위 탐사를 수행한다. 지반 안정성 조사의 경우 앞서 말했듯 토양층뿐만 아니라 지표에 노출된 암반층의 균열도 안정성에 영향을 미치게 되는데, 이 경우 대부분 GPR 탐사를 수행하며 때때로 전기비저항 탐사를 수행하기도 한다. 토양층의 경우 전기비저항 탐사, 유도분극 탐사, 자연전위 탐사, GPR 탐사, AMT 탐사, VLF 탐사를 주로 사용한다.
광물 자원 탐사, 이산화탄소 지중저장, 고준위 방폐장의 경우 광역 탐사를 통해 광상 및 시설 건설 부지를 개략적으로 선택한 후, 부지가 결정되면 정밀 탐사를 수행한다. 광물 자원 탐사의 경우, 최근의 광상 탐사에서는 비교적 쉽게 발견할 수 있는 지표면 부근의 광상은 개발이 현재 거의 완료되었기 때문에, 아직 발견되지 않은 약 300 m 이하의 심부 광화대 혹은 기존 광체의 지하 연장성을 조사하기 위한 목적으로 진행되는 경우가 많다(e.g., Fu et al., 2020; Yang et al., 2019). 광역 탐사에서는 주로 AMT 탐사, 항공 자력 탐사, 항공 시간영역 전자탐사를 수행하며, 정밀 탐사 시에는 전기비저항 탐사, 유도분극 탐사, 전자탐사를 주로 수행한다. 찾고자 하는 광체에 따라 다른 탐사법을 적용하게 되는데, 금속 광물 탐사의 경우 대부분 전기비저항 값이 낮아 전기비저항 탐사, 전자 탐사가 효과적이다. 하지만 똑같이 저비저항 영역으로 나타나더라도 이 영역이 광체일지, 혹은 다른 저비저항 이상대일지 또한 구분해야 하기 때문에 다른 탐사를 복합적으로 수행해야 한다. 페그마타이트 광상의 경우 전기비저항이 낮고 자기 감수율은 높은 특성이 있기 때문에 전기비저항 탐사, 전자탐사와 더불어 MT 탐사를 이용할 수 있다.
이산화탄소 지중저장 및 고준위방사성폐기물 처분장의 부지 선정 시에는 대부분 먼저 광역 탐사를 수행한 뒤, 지표에서 정밀 탐사를 수행한다. 광역 탐사 시에는 AMT 탐사, 항공 자력 탐사, 항공 시간영역 전자탐사 등 항공 탐사를 주로 수행하며, 지표에서는 지층 구분을 위한 전기비저항 탐사, 전자탐사, GPR 탐사 등을 수행하거나, 지하수 유동에 대해 파악하기 위해 자연 전위 탐사를 수행한다. 정밀 탐사 단계에서는 이산화탄소 지중저장 및 모니터링의 경우, 이산화탄소의 저장 및 이동의 모니터링을 위해 대부분 관측 시추공을 통해 모니터링을 수행하며, 이 때 전기비저항 탐사, 시간영역 및 진동수영역 전자탐사, GPR 탐사 및 자연전위 탐사를 수행한다. 고준위방사성폐기물 처분장 및 지하연구시설의 경우, 굴착 손상 영역에 대한 탐사 시에는 GPR 탐사와 전기비저항 탐사가 주를 이루지만 이후에는 전기비저항 탐사, GPR 탐사, 자연전위 탐사, AMT 탐사 등을 수행하게 된다.
결 론
물리탐사는 자원 탐사분야를 위주로 수행되던 과거와는 다르게 최근에는 다양한 분야에 적용되고 있으며 점차적으로 그 활용 분야가 확대되어, 자원 탐사 분야 이외에 환경오염조사, 지반 조사 등 다양한 분야에서 활용성이 높아지고 있는 전기/전자 탐사기법을 효과적으로 활용하기 위하여 분야별로 수행되었던 연구 사례들을 바탕으로 탐사 대상별 물성 특성을 정의하고, 적용 가능한 탐사기법을 정리하였다. 먼저 광물 자원 탐사 분야에서는 최근 넓은 범위, 깊은 심도에 대한 탐사를 수행하고 있었으며, 대상 광물의 특성에 따라서 특징적인 물성을 가진 광체를 탐사의 목적으로 하는 경우와 광체가 속해있는 지층의 물성에 대해서 탐사를 진행하는 경우로 구분하여 탐사가 진행된다. 환경오염 분야에서는 광물 탐사에 비해 비교적 좁은 영역에 대해 탐사를 수행하며, 오염원의 전기적 물성이 명확하기 때문에 전기/전자 탐사를 적용하기 용이하나 오염 이후 경과 시간에 따라 물성이 변화하므로 이를 고려하여야 한다. 지반 안정성 평가와 사면 안정성 평가를 위한 탐사의 경우 지하수의 변화에 따라 안정성이 크게 변동하기 때문에, 지하수의 변화에 초점을 둔 모니터링을 수행하는 것이 필요하다. CO2 지중저장 모니터링의 경우 저장 단계와 누출 모니터링 단계로 나누어 탐사를 수행하게 되는데, 저장 단계에서는 깊은 심도에 대한 모니터링이 가능한 시추공 전기/전자 탐사가 효과적이다. 반면 누출 모니터링은 대개 천부에서 이루어지므로 전기비저항 탐사와 같이 천부를 대상으로 하는 탐사 기법이 적용된다. 이러한 정리가 향후 관련분야의 탐사에서 조사 대상에 따른 적절한 전기/전자 탐사 방법의 선택과 탐사 설계에 도움이 될 수 있기를 기대된다.
