전기비저항탐사는 제방 등의 수리시설물 안전 관리를 위해 널리 사용되는 방법이다. 본 연구에서는 서해안에 위치한 제방에서 해수측 조석 변화가 전기비저항 모니터링 자료의 해석에 어떤 영향을 미치는지 분석하고자 하였다. 이러한 연구를 위해 조석 변화가 많이 발생하는 제방에서 3일 동안 3시간 간격으로 전기비저항 변화를 모니터링 하였다. 전기비저항 모니터링 자료는 시간에 따라 특정 구간에서 비저항 분포 변화를 나타냈으며, 이러한 결과는 조석 변화와 상관성이 있는 것으로 파악하였다. 따라서 조석 변화가 큰 제방에서의 전기비저항 탐사는 이에 따른 고려를 필히 해줘야 한다. 향후 연구를 위해 보다 장기간에 걸친 전기비저항 모니터링 및 조석 변화의 분석이 필요할 것으로 사료된다.

콘크리트 도로 하부의 이상대를 찾기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였다. 콘크리트의 접지저항효과를 줄이기 위해 전기전도성이 좋은 매질과 평판 전극을 이용하였다. 전기비저항 탐사 결과를 분석하고 같은 장소에서 수행한 지하투과레이더 탐사, 충격응답기법, 다중채널 표면파 탐사 결과와 비교하였다. 전기비저항 탐사 결과는 함몰과 포장 구간에서 높은 비저항 분포를 보였으며, 지하투과레이더 탐사 결과는 보강으로 인한 형태를 보였다. 또한 충격응답기법과 전기비저항 탐사 결과의 비교를 통하여 보강 구간에서의 높은 동적강성도가 높은 비저항 분포의 원인임을 확인하였다. 동일한 장소에서 수행한 전기비저항 탐사와 다중채널 표면파 탐사 결과를 공동 크리깅한 결과, 지구통계학적 복합 해석이 각 지구물리 탐사결과에 대한 개별적인 분석보다 더 명확하게 이상대를 확인 할 수 있었다. 이 연구는 지구물리 탐사에 기초한 의사결정 과정에서 지구통계학을 이용한 복합 해석 결과의 활용 가능성을 제시한다.

지형 자료는 지구과학 여러 분야에서 중요한 기초 자료 중 하나이다. 최근 들어, 상세한 분해능을 가지는 DEM 자료가 활용가능하며 따라서 방대한 양의 자료를 효율적으로 다루는 방법이 필요하다. 본 연구에서는 방대한 DEM 자료의 무손실 압축 및 효율적인 복원에 대해 알아보았다. 이를 위해 정수웨이블릿 변환과, 엔트로피 부호화의 개념을 이용하여, 웨이블릿 계수의 부호화 및 일부 영역의 지형복원 방법을 고안하였다. 또한, 정밀 중력 지형보정 과정에서 이러한 연구 결과의 활용성을 검토하였다. DEM의 압축률이 가장 좋은 웨이블릿은 CDF3.5이며, CDF3.1 또는 CDF3.5 웨이블릿을 사용하여 3단계 정도로 분해를 하는 것이 최적의 선택이다 (약 45.4%의 압축률). 또한 웨이블릿변환의 다중단계분석 특성을 활용하여 웨이블릿계수의 일부만을 추출하여 지형의 일부만을 복원할 수 있었다.

제주도는 한반도 남부에 위치한 화산섬으로서, 화산활동 및 한반도와의 지체구조적 연결성과 관련된 중요성 때문에 오랫동안 지질학적/지구물리학적 연구의 대상이었다. 최근 제주도에서 심부지열자원 조사를 위한 다수의 저주파수 MT 자료가 획득됨에 따라 제주도 심부구조에 대한 접근이 가능해졌다. 그러나 제주도와 같은 섬환경에서는 주변 해양의 영향으로 저주파수 MT 자료가 왜곡되며, 이는 섬의 심부구조 규명을 어렵게 만드는 요인이다. 이 연구에서는 기존에 획득된 총 102 측점의 MT 자료에 대해 해양효과 보정을 실시하였다. 해양효과 보정은 1 Hz 이하에서 XY 모드와 YX 모드 전기비저항과 위상을 매우 유사하게 만들며, 전도성 하부지각의 존재를 명확하게 보여주었다. 제주도 남쪽 및 북쪽 측선의 보정된 MT 자료에 대해 2차원 역산을 수행한 결과, 평균적으로 깊이 20 km에서 고비저항 상부지각과 저비저항 하부지각의 경계를 명확히 확인할 수 있었다.

의성소분지 화산칼데라 지역에서 3차원 복합 지구물리탐사를 수행하였다. 2차원적인 해석이 주를 이루었던 선행 연구의 제한점을 극복하기 위하여 간격이 조밀한 자기지전류탐사와 중력탐사를 수행하였다. 자기지전류탐사와 중력탐사 자료로부터 각기 해석된 역산 결과들에 대해 역산 자료간의 상관관계 및 새로 제안된 구조해석 방법을 이용하여 복합 해석하였으며, 이를 각 구조별로 3차원 지질구조로 영상화하였다. 이 연구에서 제안하는 구조화 지수(Structure Index; SI) 기법은 물성간의 공간적 상관관계와 물성 값의 이상 정도를 이용하여 계산되는 구조화 각도(Type Angle; TA) 및 구조화 강도(Type Intensity; TI) 값의 분포를 이용하는데, 이 기법을 통한 3차원 구조 해석을 수행하였다. 제안 기법을 화산칼데라에 적용한 결과 1) 화산칼데라 중앙부에서 심도 1 km 부근까지 연장되는 낮은 밀도와 전기비저항을 갖는 화산쇄설성 퇴적암류, 2) 높은 밀도와 전기비저항을 갖는 ring fault 주변의 관입 화성암류, 3) 3-5 km 심도의 상대적으로 낮은 전기비저항과 높은 밀도를 갖는 기반암을 3차원으로 영상화할 수 있었다.

교량 등 대규모 토목 구조물의 깊은 기초로 빈번하게 사용되는 강관말뚝은 상부 하중을 하부의 견고한 기초지반에 전달하여 구조물을 안전하게 지지하는 역할을 한다. 이러한 강관말뚝은 지중에 시공되므로 상세 시공정보가 없는 기존 말뚝기초의 깊이를 추후에 파악하기란 쉽지 않은 일이다. 그러나 기존 구조물의 보강공사 또는 신규 공사시 인접한 기존 구조물의 안정성 확보를 위해 기 시공된 말뚝의 깊이를 사전에 파악하는 문제는 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 토목공사현장에서 흔히 사용되는 강관말뚝의 특성을 고려하여 강관말뚝의 깊이와 위치 등의 정보를 시추공 플럭스게이트 3성분 자력계를 통해 알아낼 수 있는지를 조사하였다. 이전 연구들은 말뚝기초의 깊이를 자력값의 수직성분의 측정으로 효과적으로 알아낼 수 있음을 보였으며 이를 현장자료에 적용하여서 그 적용성을 입증한 바 있으나, 본 논문에서는 시추공 3성분 자력계를 효과적으로 이용한다면 깊이에 대한 정보뿐 아니라 위치에 대한 정보까지도 얻을 수 있음을 보였다.

그 동안 많은 연구에서 지형보정을 위한 프로그램들이 개발되어왔으며, 매우 효과적으로 지형보정을 수행하는 것으로 인정받아왔다. 특히, 한반도 뿐만이 아니라 세계적으로도 수치 지형자료가 보편적으로 보급되어 지형보정을 위한 기반 자료는 충분히 확보되고 있다. 이번 연구는 일반적인 광역탐사가 아닌 소규모 광체나 지질구조에 대한 정밀한 중력탐사에 대한 자동지형보정을 수행할 수 있도록 하는 프로그램을 개발하였다. 소규모 지하자원이나 지하공동 등의 소규모 지질현상에 대한 중력탐사에는 기존의 광역탐사에 적합한 지형보정프로그램보다 더욱 정밀한 지형보정프로그램이 필요하다. 따라서 본 연구를 통해서 개발된 자동정밀지형보정프로그램으로 정밀중력탐사를 보다 효율적으로 수행할 수 있게되었다. 본 연구에서 개발된 정밀지형보정프로그램에서는 multiquadric equation을 이용한 지형구현을 통해 보다 정밀한 지형 생성이 가능하게 설계하였으며, 연구자의 설정에 따라 중력측정점 주변에 자세한 지형값을 넣어 정밀한 지형보정이 가능하도록 하였다. 또한 기존의 광역중력탐사에서 무시되던 지형과 중력계 사이의 거리 차에 따른 옵션을 설정하여 정밀한 지형보정 수치를 산출하도록 하였다.

지진전조현상을 모니터링 하기 위해 기상청이 운영하고 있는 청양 지자기관측소에서 총 6개월간 획득된 지자기장 자료를 분석하였다. 지자기 3성분 자료로부터 지하의 전기비저항 변화를 반영하는 전달함수 및 분극값을 계산하였고, 이를 동일기간 발생한 지진이벤트와 비교하였다. 전달함수의 경우 일별 전달함수 값의 변화가 상당히 심하였으며, 발생한 지진 및 Kp 인덱스와의 상관성을 찾기 어려웠다. ULF 대역 자기장은 지진발생 전 뚜렷한 분극값의 증가가 관찰되었으나, 지진이 발생하지 않은 기간에도 이러한 변동 패턴이 나타났다. 따라서 이러한 분극값의 변화는 지진 전조현상으로 단정하기에는 한계가 있고, 향후 타 관측소 자료의 추가적인 확보 및 분석을 통해 과거 발생한 일정규모 이상의 지진과 관련성을 분석할 필요가 있다.

경상분지와 경기육괴 지역에서 획득된 총 7측점의 MT 자료를 이용하여 한반도의 광역적인 1차원 심부 전기비저항 구조를 조사하였다. 경상분지에 위치한 측점들은 주변 해양에 의한 왜곡을 보정하기 위해 반복적 텐서 벗겨내기 기법을 이용하여 해양효과를 보정하였다. 총 7측점에 대한 층서 구조 일차원 역산 결과는 천부지층, 상부지각, 하부 지각 및 상부 맨틀, 연약권으로 구분되는 4층 전기비저항 모델을 제시하였다. 이 중 상부지각과 하부 지각의 경계, 즉 콘라드면은 전 측점에서 뚜렷하게 나타났다. 경상분지 지역은 깊이 약 17km, 경기육괴 지역은 약 12km부근에 콘라드면이 존재하였다. 또한 경상분지 지역 상부지각의 전기비저항은 경기육괴에 비해 5배정도 높았다. 마지막으로 연약권은 깊이 약 100km 이하에 존재하며, 200-300 ohm-m의 전기비저항을 갖는 것으로 추정되었다.

본 연구에서는 한반도 남동부의 의성분지 내에 위치하는 화산칼데라 지역을 대상으로 지구물리학적 연구를 수행하였다. 기존 연구들의 한계를 극복하기 위해 원격탐사를 통한 전체적인 구조 특성을 분석한 후에 정밀한 3차원 포텐셜 해석을 수행하는 기법을 적용하였다. 첫 번째 단계로, 수치지질도 및 DEM 자료와 인공위성 영상을 이용하여 대상 지역의 선구조를 분석하였다. 선구조 분석 결과는 선행 연구결과와 상당히 잘 부합되었고, 남-북 방향과 남동-북서방향이 가장 우세함을 보여주었다. 두 번째 단계로, 선구조 분석 결과를 고려하여 의성분지 전체 지역에서 조밀한 중력탐사 자료를 획득하였고 항공자력탐사 자료와의 복합 해석을 통해 광역적인 칼데라의 구조를 조사하였다. 파워 스펙트럼 기법을 이용한 분석 결과, 의성 분지 하부는 개략적으로 2개의 밀도 불연속면 이 존재하는 것으로 해석되었다. 첫 번째 불연속면의 심도는 약 1 km로 칼데라 지역 내에 존재하는 화산쇄설성 퇴적암의 심도나 화산칼데라의 ring vent 위치에서 관입하고 있는 관입암의 심도로 판단되며, 두 번째 심도는 약 3-5 km로 분지기반암의 심도와 관련 있는 것으로 추정된다. 또한 3차원 중력역산을 실시한 결과 남서쪽의 백악기 팔공산 화강암과 북동쪽의 불국사 관입암류에 의한 저밀도체가 나타나고, 화산칼데라 중앙부 부근에는 화산쇄설성 퇴적암류 또는 칼데라 형성 과정에서 침강된 상부의 퇴적층으로 해석된 퇴적층이 주변보다 낮은 밀도를 가지며 하부로 약 1.5 km까지 연장되어 있는 것으로 분석되었다. 그러나 포텐셜 자료는 그 특성상 수직 분해능이 양호하지 못하므로, 수직적인 발달 특성을 갖는 칼데라의 구조를 정확히 파악하기는 어렵다. 본 연구에서는 이런 한계점을 극복하기 위해서 동일 지역에서 이루어졌던 자기지전류 탐사 결과와 비교 분석하여 효과적인 해석을 수행하였다.

옥천대에서의 자기지전류 탐사자료는 위상이 90˚를 초과하는 매우 특이한 반응을 보이고 있으며 이러한 특이성은 매우 강한 이방성 매질의 영향에 기인하는 것으로 추정된다. 자료를 설명할 수 있는 타당한 모델은 좁은 이방성 블록과 이방성 층으로 이루어진 모델이다. 상부의 이방성 블록은 북동 방향의 주향을, 하부의 이방성 층은 북서 방향의 이방성 주향을 가지고 있으며 이방성 매질은 쥬라기 이전 지각변형에 의해 형성된 것으로 추정된다. 이는 옥천대가 백악기 이전에 북동 방향성을 가지는 전단 변형과 트러스트 습곡 변형을 경험하였기 때문에 그 방향으로의 교대구조와 파쇄대가 발달했을 가능성이 높기 때문이다. 반면 이방성 블록의 구조적 주향은 동서 방향이 우세하며 이것은 이방성 블록의 기하학적 구조가 백악기 지각변동인 불국사 조산운동에 의해 형성되었을 가능성을 시사한다.

한반도에서는 처음으로 동해안으로부터 서해안까지 한반도를 횡단하는 측선을 따라 자기지전류 탐사를 수행하였다. 한반도의 주된 지구조 방향인 지나방향(N30˚E)에 수직하게 설정된 240 km 측선을 따라 3∼8km의 측점 간격으로 50 측점에서 자료를 획득하였다. MT 임피던스는 지역에 따라 뚜렷이 구분되는 반응이 나타나며 경기육괴, 옥천대, 경상분지 서쪽 지역, 경상분지 동쪽지역에서 각기 다른 경향의 반응을 보인다. 경상분지 서쪽 지역에서는 수백 ohm-m의 전기비저항과 3∼8km의 두께를 가지는 퇴적층이 존재하며, 퇴적층 하부에서 1∼30 ohm-m의 매우 낮은 전기비저항을 가지는 고전도층이 발견되었다. 옥천대에서의 자료는 위상이 90˚를 초과하는 매우 특이한 반응을 보이고 있으며 이러한 특이성은 매우 강한 이방성 매질의 영향에 기인하는 것으로 추정된다. 경기 육괴와 경상분지 동쪽 지역은 상부지각을 구성하는 매질이 비교적 높은 전기비저항을 가지는 매질로 이루어져있기 때문에 심부 지전기 구조를 들여다 볼 수 있는 창의 역할을 한다. 1차원 모델을 적용하였을 때 경기육괴의 경우 13 km, 경상분지 동쪽지역의 경우 18 km 두께를 가지는 층이 존재하는데 이 층이 상부지각에 해당하는 것으로 생각된다.

최근에 수행되고 있는 중력 탐사는 고분해능의 중력계와 GPS(Global positioning system)를 통한 정밀한 측정과 측지가 이루어지고 있다. 중력탐사에서 모델링과 역산의 기술은 많은 발전이 있어왔지만, 중력자료처리는 거의 변화가 없었다. 통상적인 정밀한 중력 자료 보정을 통한 부우게이상은 측정점의 고도에서 기준면까지의 물질의 영향을 일정한 밀도를 이용해 제거해 버리기 때문에 측정점 바로 하부의 이상체에 의한 영향을 상당히 왜곡시키게 된다. 본 연구에서는 탐사 지역의 지형을 DEM(Digital Elevation Map) 자료와 Multiquadric equation을 이용하여 실제 지형과 유사한 Multiquadric surface를 자동적으로 구성하고, 이를 블록화 함으로써 보정의 대상이었던 기준면 상부에 대한 밀도를 탐사 지역의 지질 정보와 지형을 포함하는 역산을 통해 수치적으로 계산하였다. 이러한 지형을 포함한 역산 방법을 3차 원중력지형역산(3DGTI; 3-D Gravity Terrain Inversion)이라 한다. 이 연구의 효율성을 검증하기 위하여 주변암과 밀도차가 존재하는 관입지역에 대한 모델을 구성하고 적용한 결과 기존의 부게 보정 방법을 적용한 부게 이상도에 비해 자료의 왜곡이 감소하는 효과를 얻을 수 있었다. 이를 통하여 지형 역산을 통한 객관적인 부게 밀도의 결정과 부게 보정시 실제의 수평적인 밀도 변화를 반영함으로써 기존의 문제점을 보완하였다. 게다가, 3DGTI로부터 얻어진 밀도분포는 지형의 윤곽을 그대로 표현하고 있어서 보다 실질적인 지질을 보여준다고 하겠다. 이 방법을 화강암체가 관입하고 있는 마산·창원 일대에서의 중력 탐사 자료에 적용해본 결과 기존 방법보다 관입 화강암체의 위치와 그 규모를 알아내는데 더 효과적이었다. 따라서, 수평적인 밀도 변화가 뚜렷하게 존재하는 지역의 경우, 새로운 중력 자료 처리 방법이 기존의 부게 보정에서 발생하였던 문제점을 해결함으로써 천부의 분해능을 높이고, 심부의 밀도 분포도 좀더 정확하게 계산할 수 있으리라 생각된다.

한반도 남동부 경상분지의 동부에 위치한 언양 지역 일대에서 양산 단층대에 대한 물리 탐사를 수행하였다. 본 연구에 사용된 물리 탐사의 종류는 중력과 전기비저항 탐사이며 한국지질자원연구원에서 수행된 항공자력탐사자료를 분석하였다. 양산 단층대 중 언양 지역을 가로지르는 2개의 측선을 따라 총 71개 측점에서 중력을 측정하였으며, 동일한 위치에서 쌍극자배열을 이용한 전기비저항 탐사를 수행하였다. 또한, 이 지역의 광역적인 지질구조를 살펴보기 위하여 항공 자력 탐사자료를 분석하였다. 탐사 결과는 예상 단층선을 따라 동서지역의 전기 비저항, 밀도 및 자력의 분포가 서로 다른 양상으로 발달하여 있음을 보여주고 있다. 탐사 지역을 가로지르는 단층의 모습은 수직으로 잘 발달되어 있으며, 단층선을 따라 파쇄대가 자리 잡고 있음을 알 수 있는데 이는 선행 연구의 결과와 일치하고 있다. 또한 중력 자료의 경우 탐사지역의 북쪽에 비해 남쪽에서 단층 반응의 크기가 커짐을 확인할 수 있다. 본 연구의 성과는 앞으로 양산단층의 특성을 연구하는 다른 연구들의 기초 자료로 사용될 수 있을 것이다.

1978년에 규모 5.0의 지진이 발생한 홍성지역에 발달한 단층대의 전기, 전자적 특성을 조사하였다. 전기, 전자 탐사는 최근 토목공사현장에서 단층대 및 파쇄대 등의 연약지반을 확인하기 위한 수단으로 널리 쓰이고 있으며 이들 탐사로부터 얻어지는 전기비저항 구조는 연약대의 공간적 분포를 효과적으로 파악할 수 있는 정보를 제공한다. 홍성지역에 위치한 단층대를 가로질러 쌍극자배열 전기비저항탐사와 MT (Magnetotelluric) 탐사를 실시하였으며 역산을 통해 단층대의 전기비저항의 분포를 추정하였다. MT 탐사는 주단층대를 가로지르는 2.9 km의 측선상의 18측점에서 실시하였으며, 자기쌍극자를 인공 송신원으로 사용하였다 전기탐사는 단층대를 측선의 중앙으로 하여 전극간격이 50 m인 쌍극자배열전기비저항 탐사를 실시하였다. 두 탐사 결과는 예상단층선을 따라 좌우지역의 전기비저항이 서로 다른 양상으로 발달하고 있음을 보여주고 있으며, 특히 예상단층선을 따라서는 뚜렷한 저비저항대가 깊게 발달해 있음을 보여주고 있다. 홍성지역의 단층대에서 낮은 전기비저항분포를 보이는 부분이 수직으로 잘 발달해 있다는 것은 최근에 두 차례의 지진이 발생한 것처럼 이 지역 단층이 활동 중인 단층이라는 사실과 일치하는 결과를 보여주는 것이다. 본 연구 성과는 앞으로 홍성단층 뿐만이 아니라 우리나라에서 발생하는 지진들에 대한 연구에 기초 자료를 제공할 것이라 기대된다.

지하의 공동탐사에 효과적인 지구물리탐사 기법에 대해서 연구하기 위하여 제주도 만장굴을 대상으로 복합적인 지구물리탐사를 수행하였다. 이번에 사용한 방법은 탐사장비나 야외작업이 비교적 경제적이면서도 지하 공동에 의한 반응을 잘 보여줄 것으로 기대되는 중력, 자력, 전기 비저항, GPR(지하레이더) 탐사 등이다. 현지의 탐사여건을 고려하여 7개의 측선을 선정하고, 각 측선별로 몇 종류의 탐사를 복합적으로 실시하였다. 자력탐사의 경우는 2차원 격자형탐사도 함께 수행하였다. 각 탐사자료상에는 탐사법에 따른 여러 특징들이 잘 나타나고 있어, 그 효용성을 비교 분석할 수 있었다. 이번에 사용한 방법 중 동굴 탐사에 가장 효과적인 탐사법은 전기비저항탐사로 나타났으며, 쌍극자-쌍극자 배열법은 2차원적인 고비저항대로 나타나는 동굴의 존재를 잘 보여준다. 중력, 자력 탐사의 결과는 화산암 지역에서 나타나는 다양한 잡음의 영향으로 동굴의 위치나 규모를 해석해 내기가 쉽지 않지만, 전기비저항탐사 자료에서 인지되는 동굴의 위치와 규모가 적절한지를 검증하는 데에 효과적으로 이용될 수 있었다. 한편, 2차원 격자형 자력탐사 자료는 동굴의 경향성을 잘 보여주므로, 정밀 탐사측선을 결정하는데 유용하다. GPR탐사 자료에는 천부에 존재하는 미세한 틈새들과 소규모 공동들에 의한 반응이 강하게 나타나 상대적으로 심부에 위치하는 주동굴의 존재를 확인하기는 힘들었다. 이번 연구의 결과는 제한 된 수의 탐사법만을 적용하였기 때문에 어떤 결정적인 결론을 내리기는 어렵지만, 지하 동굴의 경우는 복합적인 탐사를 수행하고 그 자료들을 상호보완적으로 사용함으로써 해석결과의 신뢰도를 높일 수 있는 것으로 나타났다.

The multiquadric terrain equation reproduces topography which is much closer to the real one than the digital terrain model. Also, terrain correction calculated by using the multiquadric terrain model shows a better result than that of digital terrain model. The accuracy of terrain correction depends on the accuracy of terrain data. Therefore, determination of the mean elevation of a terrain compartment by taking simple average of the maximum and minimum terrain height is not recommended. To obtain more accurate mean elevation of a compartment, a smaller scale topographic map such as 1:5,000 map is desirable for reading terrain data. But 1:25,000 map can be used for practical use. The pattern size of 250m×250m compartment is appeared to be suitable for near correction(D-F range), and 5㎞×5㎞ size for far correction. The computer program developed in this research can be used in all cases of surface and subsurface gravity surveys.