물리탐사

2. 물리탐사의 종류

물리탐사는 크게 탄성파 탐사, 전기 탐사, 전자기 탐사, 중력 탐사, 자력 탐사 등으로 나눌 수 있다.

• 탄성파 탐사: 지진 토모그래피, 반사법 탄성파 탐사, 굴절법 탄성파 탐사 등이 있다. 인공적으로 지진을 발생시켜 지반의 지진파 속도 구조나 음향 임피던스 구조를 파악한다.
• 전기 탐사: 전기 비저항 토모그래피, 유도 분극법 등이 있다. 인공적으로 전기를 흘려보내 비저항 구조를 파악한다.
• 전자기 탐사: 지자기 텐서법, 접지 침투 레이더, 과도/시간 영역 전자기법 등이 있다. 전자기파를 이용하여 비저항이나 유전율을 탐사한다.
• 중력 탐사: 중력의 크기를 측정하여 중력 이상을 해석하고, 광역·심부의 지질 구조를 파악한다.
• 자력 탐사: 대지가 가진 자력을 측정하여 자기적인 대지의 상황을 파악한다.

2. 1. 탄성파 탐사 (Seismic Survey)

• 지진 토모그래피는 지진의 위치를 파악하고 지진학을 지원하는 데 사용된다.
• 반사법 탄성파 탐사와 굴절법 탄성파 탐사는 지역의 표면 구조를 매핑하는 데 사용된다. (하위 섹션에서 상세히 다룬다.)
• 측지학 및 중력 기술, 중력 기울기 측정법 포함.
• 자기 기술, 항공 자기 탐사를 포함하여 자기 이상을 매핑한다.
• 전기 기술, 전기 비저항 토모그래피 및 유도 분극법 포함.
• 전자기 방법, 지자기 텐서법, 접지 침투 레이더, 과도/시간 영역 전자기법, SNMR 등.
• 시추공 지구물리학, 시추공 검층이라고도 한다.
• 원격 탐사 기술, 초분광 영상 포함.

• 직접파
• 직접 (굴절이나 반사하지 않는 파) 전파하는 파를 사용하여 전파 시간의 차이에 따라 지하 구조를 파악한다.
• 기진원 1점과 다수의 수진점 배열을 부채꼴 모양으로 배열 (거리를 동일하게 함으로써 전파 시간을 동일하게 한다) 하여 전파 시간차를 구조로 파악하는 탐사법이다.
• 표면파: 에너지의 큰 표면파를 이용하여, 주파수별 속도의 차이로부터 지반의 S파 속도 구조를 파악한다. 천층 탐사에 적합하다.
• P파 (Primary wave^영어): 종파(매질의 방향과 파의 진행 방향이 같은 파)를 사용한다.
• S파 (Secondary wave^영어): 횡파 (매질의 각 점의 진동의 방향이 파의 진행 방향에 직각인 파)를 사용한다.

2. 1. 1. 반사법 탄성파 탐사 (Seismic Reflection Survey)

• 표층 및 잔차에 관한 정적 보정
• 디컨볼루션 처리
• 표면파 제거
• 다중 반사파 제거
• 속도 해석
• 마이그레이션 처리
• (주파수, 파수 등에 의한) 필터링 처리

2. 1. 2. 굴절법 탄성파 탐사 (Seismic Refraction Survey)

2. 2. 전기 탐사 (Electrical Survey)

2. 2. 1. 비저항 탐사 (Resistivity Survey)

2. 2. 2. 유도 분극 탐사 (Induced Polarization Survey)

2. 3. 전자기 탐사 (Electromagnetic Survey)

2. 3. 1. 지자기 전파 탐사 (Magnetotelluric Survey, MT)

• 광의로는 전자기파를 이용하여 대상의 전기적 물성(비저항이나 유전율)을 탐사하는 방법이다. 협의의 전자기 탐사나 지중 레이더 탐사를 포함한다.
• 협의로는 직류에 가까운 저주파수에서 수~수십 MHz 정도까지의 전자기파를 이용하여, 전장(전위)이나 자장을 측정하고, 이를 해석함으로써 대상의 전기적 물성(일반적으로 비저항)을 해석하는 탐사법이다. 사용하는 전자기파의 주파수가 대략 100MHz를 초과하면 비저항이 아닌 유전율을 대상으로 하는 레이더 탐사로 간주된다.
• 대표적으로 사용되는 협의의 전자기 탐사 기법으로, 지자기 지전류법(MT법)이나 인공 전류원 전자기 탐사법(CSEM법), 시간 영역 전자기 탐사법(TEM/TDEM법) 등이 있다.

2. 3. 2. 시간 영역 전자기 탐사 (Time Domain Electromagnetic Survey, TDEM)

• 광의로는 전자기파를 이용하여 대상의 전기 물성(비저항이나 유전율)을 탐사하는 방법이다. 협의의 전자기 탐사나 지중 레이더 탐사를 포함한다.
• 협의로는 직류에 가까운 저주파수에서 수~수십 MHz 정도까지의 전자기파를 이용하여, 전장(전위)이나 자장을 측정하고, 이를 해석함으로써 대상의 전기 물성(일반적으로 비저항)을 해석하는 탐사법이다. 사용하는 전자기파의 주파수가 대략 100MHz를 초과하면 비저항이 아닌 유전율을 대상으로 하는 레이더 탐사로 간주된다.
• 대표적으로 사용되는 협의의 전자기 탐사 기법으로, 지자기 지전류법(MT법)이나 인공 전류원 전자기 탐사법(CSEM법), 시간 영역 전자기 탐사법(TEM/TDEM법) 등이 있다.

2. 3. 3. 지표 투과 레이더 (Ground Penetrating Radar, GPR)

• 광의로는 전자기파를 이용하여 대상의 전기 물성(비저항이나 유전율)을 탐사하는 방법이다. 협의의 전자기 탐사나 지중 레이더 탐사(GPR)를 포함한다.
• 협의로는 직류에 가까운 저주파수에서 수~수십 MHz 정도까지의 전자기파를 이용하여, 전장(전위)이나 자장을 측정하고, 이를 해석함으로써 대상의 전기 물성(일반적으로 비저항)을 해석하는 탐사법이다. 사용하는 전자기파의 주파수가 대략 100MHz를 초과하면 비저항이 아닌 유전율을 대상으로 하는 레이더 탐사로 간주된다.
• 대표적으로 사용되는 협의의 전자기 탐사 기법으로, 지자기 지전류법(MT법)이나 인공 전류원 전자기 탐사법(CSEM법), 시간 영역 전자기 탐사법(TEM/TDEM법) 등이 있다.

2. 4. 중력 탐사 (Gravity Survey)

2. 5. 자력 탐사 (Magnetic Survey)

4. 물리탐사의 활용 분야

물리탐사는 광물이나 탄화수소 매장지를 찾는 데 사용되는 기술을 다양한 분야에 응용한다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.

• 자원 탐사: 석유, 천연가스와 같은 에너지 자원 및 광물 자원 탐사에 활용된다.
• 토목 및 건설: 지반 조사, 지하 시설물 탐지 등 토목 및 건설 현장에서 안전하고 효율적인 시공을 위해 사용된다.
• 환경: 지하수 오염 조사, 지반 침하 조사 등 환경 문제를 해결하고 예방하는 데 기여한다.
• 고고학 및 문화재: 유적 발굴, 문화재 보존 등 고고학 및 문화재 분야에서 유물을 탐색하고 보존하는 데 활용된다.
• 법의학: 범죄 현장 조사 등 법의학 분야에서 증거를 찾고 사건을 해결하는 데 도움을 준다.
• 불발탄 탐지: 불발탄을 탐지하여 안전하게 제거함으로써 인명 피해를 예방하고 사회 안전을 확보하는 데 기여한다.

4. 1. 자원 탐사

탐사 지구물리학은 광물 또는 탄화수소 매장지를 찾기 위해 고안된 방법을 활용하여, 환경 영향 모니터링, 지하 영상, 지하 고고학 유적지 영상, 지하수 조사 등 다양한 분야에 응용된다.

4. 1. 1. 석유 및 천연가스 탐사

탐사 지구물리학은 지역의 지하 구조를 매핑하고, 기본 구조를 명확히 하며, 암석 단위의 공간적 분포를 인식하고, 단층, 습곡 및 관입암과 같은 구조를 감지하는 데 사용된다. 이는 광상 또는 탄화수소 축적의 가능성을 평가하는 간접적인 방법이다.

탄성파 반사 및 탄성파 굴절 기술은 탄화수소 탐사에서 가장 널리 사용되는 지구물리 기술이다. 이 기술은 층서 및 구조의 지하 분포를 매핑하는 데 사용되며, 층서 및 구조적 퇴적물 또는 "트랩"을 포함한 잠재적인 탄화수소 축적을 식별하는 데 사용될 수 있다. 시추공 검층 또한 널리 사용되는 기술로, 수직 단면에서 암석 및 유체 특성에 대한 필요한 고해상도 정보를 제공하지만, 면적 범위가 제한적이다. 면적 범위가 제한적인 것이 탄성파 반사 기술이 매우 널리 사용되는 이유이다. 탄성파 반사 기술은 훨씬 더 넓은 지역에서 시추공 검층 정보를 보간하고 외삽하는 방법을 제공한다.

중력 이상 및 항공 자기 탐사 역시 석유 및 가스 탐사에 상당히 자주 사용된다. 이들은 주변 암석에 비해 독특한 밀도 및 자화율 특성으로 인해 융기, 침강 분지, 단층, 습곡, 화성암 관입 및 염 암맥을 포함한 덮인 지질 구조의 기하학적 형태와 깊이를 결정하는 데 사용될 수 있다.

원격 탐사 기술, 특히 초분광 영상은 지화학적으로 변형된 토양 및 식생의 분광학적 특성을 사용하여 탄화수소 미세 누출을 감지하는 데 사용되어 왔다.

특히 해상에서는 두 가지 방법이 사용된다. 해양 탄성파 반사 및 전자기 해저 검층(SBL)이다. 해양 지자기 전파 탐사 (mMT) 또는 해양 제어 전원 전자기(mCSEM)는 탄화수소의 비저항 변화를 감지하여 탄화수소를 유사 직접적으로 감지할 수 있다. (탄성파 탐사에 의해 신호가 감지된다.)

4. 1. 2. 광물 탐사

자력 탐사는 광상(직접 탐지)을 나타내는 자성 이상대를 정의하거나, 광상과 관련된 맥석 광물을 정의하는 데 유용하다(간접 또는 추론적 탐지). 자성을 통한 광석 탐지의 가장 직접적인 방법은 철광석 광물을 탐지하는 것으로, 일반적으로 일정 비율의 자철석을 포함하는 줄무늬 철광층과 관련된 자성 이상대를 매핑한다. 스카른 광화 작용은 자철석을 포함하는 경우가 많지만, 광석 광물 자체는 비자성이므로 탐지될 수 없다. 자철석, 적철석, 자류철석은 열수 변질과 관련된 흔한 광물이며, 이는 어떤 광화 열수 사건이 암석에 영향을 미쳤는지 추론하기 위해 탐지될 수 있다.^[1]

중력 탐사는 덜 조밀한 주변 암반 내에 있는 조밀한 암석 덩어리를 탐지하는 데 사용될 수 있다. 이는 미시시피 밸리형 광상, IOCG 광상, 철광석 광상, 스카른 광상, 그리고 석유 및 가스 트랩을 형성할 수 있는 염암 돔을 직접 탐지하는 데 사용될 수 있다.^[1]

전자기 (EM) 탐사는 다양한 광물 광상을 탐지하는 데 도움이 되며, 특히 지하의 황화물 덩어리 주변에서 생성될 수 있는 전도성 이상대를 탐지하여 유색 금속 황화물을 탐지하는 데 유용하다. EM 탐사는 다이아몬드 탐사(킴벌라이트 파이프가 주변 암석보다 저항이 낮은 경향이 있음), 흑연 탐사, 고대 하도형 우라늄 광상(얕은 대수층과 관련되어 있으며, 종종 전도성 복토에서 EM 탐사에 반응함)에도 사용된다. 이는 탐지하려는 상품이 직접적으로 전도성이 없거나 측정할 수 있을 만큼 충분히 전도성이 없기 때문에 광물화를 탐지하는 간접적인 추론적 방법이다. EM 탐사는 불발탄, 고고학 및 지반 공학 조사에도 사용된다.^[1]

지역 EM 탐사는 고정익 항공기 또는 헬기 탑재 EM 장비를 사용하여 항공 방법으로 수행된다. 지표 EM 방법은 표면 수신기가 있는 표면 루프를 사용하거나, 광물화 덩어리를 가로지르는 시추공에 삽입된 천공 도구를 사용하는 과도 EM 방법을 기반으로 한다. 이러한 방법은 지구 내의 황화물 덩어리를 3차원으로 매핑할 수 있으며, 지질학자에게 알려진 광물화에 대한 추가적인 탐사 시추를 지시하는 정보를 제공한다. 표면 루프 탐사는 지역 탐사에는 거의 사용되지 않지만, 어떤 경우에는 이러한 탐사가 성공적으로 사용될 수 있다(예: 니켈 광체에 대한 SQUID 탐사).^[1]

유도 분극법과 같은 전기 저항 방법은 황화물 덩어리, 석탄, 소금, 탄산염과 같은 저항성 암석을 직접 탐지하는 데 유용할 수 있다.^[1]

지진 방법은 광물 광상을 포함하는 지질 구조에 대한 고해상도 이미지를 제공할 수 있으므로, 광물 탐사에도 사용할 수 있다. 표면 지진 탐사뿐만 아니라 시추공 지진 방법도 사용된다. 전반적으로 광물 탐사에 대한 지진 방법의 사용은 꾸준히 증가하고 있다.^[1]

4. 1. 3. 지하수 탐사

탐사 지구물리학은 광물 또는 탄화수소 매장지를 찾기 위해 고안되었으며, 환경 영향 모니터링, 지하 영상, 지하 고고학 유적지 영상, 지하수 조사, 지하 염분 매핑, 토목 공학 부지 조사 및 행성 간 영상과 같은 다른 분야에서도 사용할 수 있다.

4. 2. 토목 및 건설

지표 투과 레이더는 토목 건설 및 엔지니어링 분야에서 지하 매설물 감지, 연약 지반 매핑, 지반 공학 특성 파악 등 다양한 용도로 사용되는 비파괴 기술이다.^[5] 표면파 스펙트럼 분석(SASW) 방법은 토양의 전단파 속도 프로파일을 감지하는 데 널리 사용되는 또 다른 비파괴 기술이다.

4. 2. 1. 지반 조사

탐사 지구물리학은 광상이나 탄화수소 축적 가능성을 평가하는 간접적인 방법으로, 지역의 지하 구조를 매핑하고, 기본 구조를 명확히 하며, 암석 단위의 공간적 분포를 인식하고, 단층, 습곡 및 관입암과 같은 구조를 감지하는 데 사용된다.

광물 또는 탄화수소 매장지를 찾기 위해 고안된 방법은 환경 영향 모니터링, 지하 영상, 지하 고고학 유적지 영상, 지하수 조사, 지하 염분 매핑, 토목 공학 부지 조사 등 다른 분야에서도 사용할 수 있다.

표면파 스펙트럼 분석(SASW) 방법은 토양의 전단파 속도 프로파일을 감지하기 위해 널리 사용되는 비파괴 기술이다. SASW 방법은 층상 매질에서 레일리파의 분산 특성, 즉 파동 속도가 하중의 주파수에 따라 달라진다는 점에 의존한다. SASW 방법을 기반으로 한 재료 프로파일은 다음과 같이 얻어진다.

a) 현장 실험을 수행하여 실험 분산 곡선을 구성하고, 각기 다른 하중 주파수를 사용할 때마다 각 주파수에 대한 표면파 속도를 측정한다.

b) 층상 프로파일의 재료 특성에 대한 시험 분포를 가정하여 이론 분산 곡선을 구성한다.

c) 층상 프로파일의 재료 특성을 변경하고 이전 단계를 반복하여 실험 분산 곡선과 이론 분산 곡선이 일치할 때까지 반복한다.

SASW 방법은 토양에 대한 층상(1차원) 전단파 속도 프로파일을 제공한다.

4. 2. 2. 지하 시설물 탐지

지표 투과 레이더는 비파괴적인 기술로, 토목 건설 및 엔지니어링 분야에서 다양하게 사용된다. 여기에는 지하 매설물(수도관, 가스관, 하수관, 전선 및 통신 케이블) 감지, 연약 지반 매핑, 지반 공학 특성을 위한 표토 매핑 등이 포함된다.^[5]

4. 3. 환경

탐사 지구물리학은 광상이나 탄화수소 축적 가능성을 평가하는 간접적인 방법으로, 지역의 지하 구조를 매핑하고 기본 구조를 명확히 하며, 암석 단위의 공간적 분포를 인식하고 단층, 습곡 및 관입암과 같은 구조를 감지하는 데 사용된다.

광물 또는 탄화수소 매장지를 찾기 위해 고안된 방법은 환경 영향 모니터링, 지하 영상, 지하 고고학 유적지 영상, 지하수 조사, 지하 염분 매핑, 토목 공학 부지 조사 및 행성 간 영상과 같은 다른 분야에서도 사용할 수 있다.^[1]

4. 3. 1. 지하수 오염 조사

탐사 지구물리학은 광물이나 탄화수소 매장지를 찾기 위해 고안된 방법을 사용하여 환경 영향 모니터링, 지하 영상, 지하 고고학 유적지 영상, 지하수 조사, 지하 염분 매핑, 토목 공학 부지 조사 등에 활용된다.

4. 3. 2. 지반 침하 조사

탐사 지구물리학은 광상이나 탄화수소 축적 가능성을 평가하는 간접적인 방법으로, 지역의 지하 구조를 매핑하고, 기본 구조를 명확히 하며, 암석 단위의 공간적 분포를 인식하고, 단층, 습곡 및 관입암과 같은 구조를 감지하는 데 사용된다.

광물 또는 탄화수소 매장지를 찾기 위해 고안된 방법은 환경 영향 모니터링, 지하 영상, 지하 고고학 유적지 영상, 지하수 조사, 지하 염분 매핑, 토목 공학 부지 조사 등 다른 분야에서도 사용할 수 있다.

4. 4. 고고학 및 문화재

지표 투과 레이더는 무덤, 영안실, 난파선, 기타 얕게 매장된 유물 등을 탐사하는 데 사용될 수 있다.^[11] 지상 자력계 탐사는 매장된 철 금속을 감지하여 난파선, 금속 잔해로 덮인 현대 전장, 대규모 고대 유적과 같은 미세한 교란을 조사하는 데 유용하다. 소나 시스템은 난파선을 감지하는 데 사용될 수 있다.^[12] 능동 소나 시스템은 물속으로 음파를 방출하고 물체에 반사되어 돌아오는 음파를 통해 거리를 측정하며, 수동 소나 시스템은 해양 물체나 동물의 소리를 감지한다.^[12]

4. 4. 1. 유적 발굴

지표 투과 레이더는 무덤, 영안실, 난파선, 기타 얕게 매장된 유물 등을 탐사하는 데 사용될 수 있다.^[11]

지상 자력계 탐사는 매장된 철 금속을 감지하여 난파선, 금속 잔해로 덮인 현대 전장, 대규모 고대 유적과 같은 미세한 교란을 조사하는 데 유용하다.

소나 시스템은 난파선을 감지하는 데 사용될 수 있다.^[12] 능동 소나 시스템은 물속으로 음파를 방출하고 물체에 반사되어 돌아오는 음파를 통해 거리를 측정한다.^[12] 수동 소나 시스템은 해양 물체나 동물의 소리를 감지하며, 자체적으로 음파를 방출하지 않고 해양의 음원을 감지한다.^[12]

4. 4. 2. 문화재 보존

광물 또는 탄화수소 매장지를 찾기 위해 고안된 방법은 환경 영향 모니터링, 지하 영상, 지하 고고학 유적지 영상, 지하수 조사, 지하 염분 매핑, 토목 공학 부지 조사 및 행성 간 영상과 같은 다른 분야에서도 사용할 수 있다.^[4]

4. 5. 법의학

물리탐사는 광물 또는 탄화수소 매장지를 찾는 데 사용되는 방법을 응용하여 법의학 분야에서도 활용된다.

4. 5. 1. 범죄 현장 조사

지표 투과 레이더는 묘지를 탐지하는 데 사용될 수 있다.^[13] 이러한 탐지는 피해 가족들이 책임자들을 법적으로 처벌하고 사랑하는 사람의 죽음에 대한 슬픔을 극복할 기회를 제공하기 때문에 법적 및 문화적으로 중요하다.^[13]

4. 6. 불발탄 탐지

불발탄 (UXO)은 군사용 폭발물 중 불발된 것을 의미하며, 폭탄, 조명탄, 수류탄 등이 이에 해당한다.^[14] 불발탄과의 접촉은 부상이나 사망으로 이어질 수 있으므로, 이를 찾아 격리하는 것이 중요하다.^[14]

불발탄 문제는 크림 전쟁 (1853-1856)을 계기로 대두되었다.^[15] 이전에는 불발탄이 소규모로 관리되어 큰 문제가 되지 않았으나, 전쟁이 광범위해지면서 불발탄의 양이 증가하여 추적 및 관리가 어려워졌다.^[15] Hooper & Hambric의 논문 "불발탄(UXO): 문제"에 따르면, 분쟁 해결 방식으로 전쟁을 계속하는 한 이 문제는 악화될 것이며, 해결에는 1세기 이상이 걸릴 수 있다.^[15]

전쟁을 통해 분쟁을 해결하는 방식 때문에, 불발탄 탐지에는 자기 및 전자기 탐사와 같은 방법이 사용된다.^[16] 불발탄과 주변 토양, 암석 등의 자기 감수성 및/또는 전기 전도도 차이를 이용하여 불발탄을 탐지하고 격리한다.^[16]