전기·전자탐사

왜 배우는가: 전기·전자탐사는 시추 간격 사이의 지하 구조를 비저항이라는 하나의 물성으로 연속해서 보여주는 탐사법이다. 토목 구조물의 지반 조건과 암반을 평가하는 문제에서 여러 교시에 걸쳐 묻는 기본 개념이므로 원리와 적용 범위를 함께 알아야 한다.

출제 이력: 제95회 1교시 10번, 제92회 1교시 13번, 제89회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기·전자탐사는 지하 매질의 비저항 분포를 지표에서 측정하여 지질 구조를 추정하는 지구물리탐사이다.

전기·전자탐사(電氣·電磁探査)는 암석, 흙, 지하수가 지니는 전기비저항의 차이를 이용하여 지하 구조를 찾는 방법이다. 전기탐사는 인공 전류를 지반에 직접 흘려 보내는 방식이고, 전자탐사는 시간에 따라 변하는 전자기장을 이용하는 방식이다. 두 방법은 지표에서 얻은 측정값으로 지층 경계, 단층과 파쇄대, 공동, 지하수의 분포를 추정한다는 점에서 목적이 같다.

핵심 키워드

• 전기비저항: 매질이 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 고유 성질이며 단위는 Ω·m이다.
• 겉보기 비저항: 전극 배열과 지하 구조가 함께 반영된 측정값으로, 실제 층의 비저항과 구분하여 쓴다.
• 전극 배열: 전류 전극과 전위 전극의 위치 관계이며 웨너, 슐럼버저, 쌍극자 배열이 대표적이다.
• 전위차: 두 전위 전극 사이에서 측정되는 전위의 차이이다.
• 전자 유도: 시간에 따라 변하는 자기장이 전도성 매질에 전류를 만드는 현상이다.
• 와전류: 전자 유도로 지하 도체 안에 생기는 순환 전류이다.
• 시간영역 전자탐사: 송신 루프의 전류를 끊은 뒤 감쇠하는 2차 신호를 시간에 따라 측정하는 전자탐사이다.

2. 개념 풀이

전기탐사의 정식 정의는 지표에 두 개의 전류 전극을 설치하여 지반에 전류 I를 흘려 보내고, 두 개의 전위 전극 사이에 생기는 전위차 ΔV를 측정하여 지하의 비저항을 구하는 탐사이다. 측정으로 얻는 값은 실제 비저항이 아니라 겉보기 비저항이며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\rho_a = K\,\frac{\Delta V}{I}$

여기서 ρa는 겉보기 비저항(Ω·m), K는 전극 배열과 전극 간격으로 정해지는 기하인자(m), ΔV는 전위차(V), I는 전류(A)이다. 기하인자 K는 배열마다 다르므로 같은 지층이라도 배열이 바뀌면 측정값이 달라진다.

원리는 매질이 전류를 통과시키는 정도에 있다. 점토나 물을 많이 포함한 층은 비저항이 낮게 나타나고, 치밀하거나 건조한 암반은 비저항이 높게 나타난다. 단층과 파쇄대는 물을 많이 머금어 주변보다 낮은 비저항의 이상대로 구분된다.

탐사 깊이와 분해능은 전극 배열과 전극 간격에 따라 달라진다. 전극 간격을 넓히면 탐사 깊이가 깊어지지만, 분해능은 전극 부근에서 가장 높고 전극에서 멀어질수록 낮아진다.

전자탐사의 정식 정의는 시간에 따라 변하는 자기장을 송신하여 지하에 와전류를 유도하고, 그 결과 생기는 2차 자기장이나 전기장을 수신하여 지하의 전도도와 비저항 구조를 구하는 탐사이다. 송신 루프는 사각형이나 원형의 수평 루프가 일반적이며, 루프의 크기는 측정 기법과 원하는 탐사 깊이에 따라 수 m에서 수백 m까지 다르다.

원리는 패러데이의 전자유도 법칙에 있다. 송신 루프에 전기 펄스를 주면 주변에 자기장이 생기고, 이 자기장의 시간 변화가 지하 도체에 전자 유도를 일으켜 와전류를 만든다. 와전류가 만드는 2차장이 지하 비저항 구조를 반영하므로, 전자탐사는 지반에 전극을 꽂지 않고도 비저항 정보를 얻는다.

전기탐사는 겉보기 비저항을, 전자탐사는 유도된 와전류의 2차장을 측정하여 지하 구조를 추정한다.

3. 등장 배경과 필요성

지표지질조사와 시추는 지점 자료라는 한계가 있다. 1990년대 이전에는 토목 구조물 설계에서 미시추 구간의 지반정수와 암반평가를 주로 지표지질조사와 제한된 수의 시추 결과에 의존하였다. 시추 간격 사이에 놓인 단층, 파쇄대, 공동은 이 방식으로 확인하기 어려워, 지하 상태를 연속적으로 파악할 수단이 필요하였다.

이러한 문제를 극복하기 위하여 전기비저항탐사를 비롯한 다양한 물리탐사가 지반조사의 일환으로 수행되었다. 국내에서는 1990년대 중반 주요 사회간접자본 건설에 턴키 입찰제가 도입되면서 토목 분야의 물리탐사 적용이 확대되었고, 그중 전기비저항탐사는 가장 핵심적인 지반조사 기술로 부각되었다.