2014. 3. 25. 01:01ㆍ# 공부방
지전류 및 전기 탐사
□ 암석의 전기적 성질
특정광물(금속광물, 금속유화광물)의 전도성이 일반 광물, 암석 등의 전도성보다 수천 배 높은 성질과 각종 원소의 전기화학적 당량이 서로 다른 성질을 이용하여 직류/교류 전류를 땅속에 흐르게 하여 전류의 흡수, 집중 여부와 비저항을 측정하여 광체 부근의 anomaly로 양도체 매장 상태를 탐사하는 것이다.
전기 탐사에서는 암석이나 광물의 전기적 성질을 파악하는 것이 매우 중요하다.
→ 자연적으로 발생되는 여러 가지 전위, 전기 전도도, 또는 비저항, 유전상수, 투자율
◦ 전위(electric potential)
지하에서 자연적으로 발생하는 전위는 대개 전기화학적 또는 기계적인 원인
전위 발생에 가장 큰 역할을 하는 것은 지하수
┏ 황화광체의 풍화 - 물리적 원인
┣ 지질 경계에서의 암석 특성(광물 함량)의 변화 - 화학적 원인
┣ 유기물의 생물전기적 활동 및 부식 - 화학적 원인
┗ 지하수의 온도 및 압력의 변화 등에 영향 - 화학적 원인
· 전기역학적 전위(electrokinetic potential) = 유동전위(streaming potential)
· 확산 전위(diffusion potential) = 액간접촉전위(liquid-junction potential)
농도가 다른 용액들 사이에서 여러 가지 이온들의 기동성의 차에 기인
· 셰일 전위(shale potential) = Nernst potential
용액 농도의 차이에 기인
· 광화 전위(mineralization potential)
전해액과의 접촉에 의한 전위는 기타 자연전위들과 함께 광화대에서 흔히 나타나는 큰 값의 전위
황화물, 흑연, 자철석 등을 함유하는 지역에서 현저
◦ 전기 전도도
· 전류의 전파 방식
┏ 전자전도(electronic conduction) - 금속과 같은 자유전자를 함유하는 매질에서의 전류 흐름
┣ 전해액전도(eletrolytic conduction) - 전해액 안에서의 전류, 이온에 의해 이루어짐
┗ 유전전도(dielectric conduction) - 자유전자가 거의 없는 매우 나쁜 전도체나 절연체에 발생
외부의 변화하는 전기장의 영향으로 발생된 전자, 이온 또는 분자분극으로 유전전도 발생
· 전자전도
rho = RA over L
┏ L : 길이(m)
┣ A : 단면적(㎡)
┣ R : 원주에서 원주 양단간의 저항(ohm)
┗ ρ : 고체의 전기 비저항(ohm-m(Ωm))
전기 비저항의 역수 = 전기 전도도(electrical conductivity, σ, mhos/m or mhos/cm)
sigma = 1 over rho = L over RA = I over A right / V over L = j over E LEFT ( ~R = V over I ~RIGHT )
┏ j : 전류밀도 (Amperes/㎡)
┗ E : 전기장의 크기(volt/m)
· 전해액 전도
대부분의 암석은 나쁜 전도체이므로 전기 비저항도 매우 크다
암석의 다공성과 공극에 채워진 유체에 의해 전도성을 갖게 된다.
전기 비저항은 이온들이 기동성, 농도 및 분리도에 의해 변화
분리도는 용제의 유전상수에 따라 변화
물의 전기 전도도는 용해되어 있는 여러 가지 광물이나 화합물의 양에 따라 크게 변화
· 유전전도
외부 전기장의 크기가 변화하는 경우, 절연체에서만 흐르는 변위 전류에 의하여 발생
P = etaE, ~D= E + 4 piP =E( 1 + 4pieta)=KE (cgs 단위계)
P = etaE, ~D= epsilon_0 E + 4 piP =E(epsilon_0 + eta)=epsilonE (mks 단위계)
┏ P : 전기분극(electric polarization : 단위 체적에 대한 전기 쌍극자 moment)
┣ η : 대전율(electric susceptibility)
┣ E : 전기장 강도(electric field strength)
┣ D : 전기변위(electric displacement)
┗ K : 유전 상수(dielectic constant)
◦ 투자율(magnetic permeability)
전기 탐사에서는 투자율은 거의 고려 대사이 되지 못한다.
◦ 분극전위(polarization potential)
전해액과 광물 입자 사이의 중간 경계에서의 이온의 집적은 정상적인 전류의 흐름에 반대되는 전위를 발생
◦ 전기 비저항 및 유전상수의 측정
· 전기 비저항의 측정
rho = A over l DeltaV over I Omega m
┏ ρ : 시료의 전기 비저항
┣ A : 지료의 단면적(㎡), ΔV : 전위차(V), ℓ : 거리(m)
┗ I : 전류의 크기(A)
· 유전 상수의 측정
◦ 각종 전기적 성질의 전형적인 값
· 전기 지저항
변화의 폭이 가장 크다
일반적
┏ 10-5Ωm 이하 : 전도체
┣ 10-5~107Ωm : 반도체
┗ 107Ωm 이상 : 절연체
암석과 광물
┏ 10-8~1Ωm : 좋은 전도체
┣ 1~107Ωm : 중간 전도체
┗ 107Ωm : 나쁜 전도체
· 유전상수
외부에서 가해진 전기장의 변화에 기인한 전기 분극은 전자, 이온 또는 분자분극의 형태로 발생
유전상수의 크기는 주파수 변화에 반비례하여 변화
암석 및 광물의 유전 상수는 대부분이 100㎑ 이상
□ 자연 전위법
자연전위의 크기는 흑연이나 황화광물의 광상이 부존하는 곳에서 특히 높게 나타난다.
지하의 어떤 특정한 물리적 성질보다는 화학적 반응에 기인
전기 전도도가 매우 나쁜 지역에서는 자연 전위법은 사용 X
◦ 자연전위의 발생 원인
· 자연전위
┏ 배견전위 : 몇 또는 몇십 mV 이하으 매우 낮은 값
┗ 광화전위 : 몇백 mV 단위로 일정한 경향을 보이는 것
배경전위는 (+) 또는 (-) 값으로 나타나지만 광화전위는 항상 (-)의 값으로 나타남
· 배경전위
전기 화학적 또는 전기 역학적 현상에 의해 발생
┏ 지하수에 녹아 있는 유기질 또는 염들의 농도 변화에 의한 전위차
┣ 미세한 공극을 통과하는 전해액
┣ 고체와 전해액 경계면에서의 접촉전위
┗ 전자적으로 유도된 지전류
· 광화전위
발생기구가 명확하게 알려지지 못함
┏ 사또와 무니 이론 - 지하수의 산화능력(또)의 차이에 의해 발생
┗ 코리 이론 - 광체에서 멀리 떨어진 측정 기준점에서의 전위차에 의해 측정시에만 일어나는 현상
자연전위 탐사의 교란원
매설된 철관, 접지선, 화학비료에 의한 효과, 광산 폐재. 지형의 영향, 지하수의 흐름
◦ 측정 기구
전극, 전선, 전위계의 세 가지로 구성
· 전극
비분극 전극이 많이 사용
· 전선
· 전위계
직독식 전위계
내부저항이 충분히 커서 전극과 연결했을 때 지전류가 전위계내로는 거의 흐르지 않음으로써 전극간의 실제 전위를 측정할 수 있어야 한다.
보상식 전위계
potentionmeter 또는 직류보상계(direct-current compensator)라 부름
이미 알고 있는 전위와 비교하여 측정하는 방법
◦ 탐사작업 과정
┏ 한개의 전극을 기준점에 고정, 다른 한개의 전극을 이동시키면서 기준점과 전위차를 측정
┗ 전극 사이의 간격을 10~50m정도에서 항상 일정하게 유지하고 전극을 이동하면서 측정
□ 전기 비저항법
전위전극 이외에도 전류전극을 사용
전류전극은 인공적으로 전류를 흘려서 공급된 전류의 크기와 이에 발생된 전위의 크기를 측정함으로써 전기 비저항치의 변화 양상을 탐지
지하 하부의 지질구조(파쇄대, 단층 층서구조 등), 광상, 지하수, 지열지대의 보존 여부 및 부존 양상을 탐사하는 것
◦ 균질 매질에서의 전위 분포
미소단면적를 흐르는 전류의 크기는 전류밀도×미소단면적이다
┏ 전류밀도 : J
┗ 미소단면적 : δA
전류밀도 J와 전기장 E 사이의 관계
J = sigma E (E : 전기장(volt/m), σ : 매질의 전기전도도(mhos/m)
J = sigma DelV, LEFT ( E=-delV`` RIGHT )
┏ 경계면에서 포텐셜은 같은 값을 가져야 한다.
┗ J의 경계면에 직각인 성분 역시 같은 값을 가져야 한다.
· 대지 중에 메설된 단일 전류전극의 경우
인공분극법이나 전기 비저항 검층법에도 해당되는 것
del^2 V = {d^2 V} over dr^3 + 2 over r dV over dr = 0 (r^2을 곱한 뒤 적분)
dV over dr = A over r^2 (적분)
V = - A over r + B
┏ A, B : 임의의 상수
┗ r → ∞될 때 V=0이 되므로 B는 0이 뒴
I = 4pir^2 J = -4pir^2 sigma dV over dr = -4pi sigma A
∴ A = - I_rho over 4pi
V=LEFT ( I_rho over 4pi RIGHT ) 1 over r 또는 rho = 4pir V over I
등전위면은 언제나 전류가 흐르는 방향과 직각이므로 여기서 r이 상수값을 갖는 구면이 된다.
· 지표면에서 매설된 단일 전류전극의 경우
전기 비저항 탐사에서 나타나는 단일 전극 또는 3점 배열의 경우에 해당
A = - I_rho over 2pi, → V = left( I_rho over 2 pi right) 1 over r 또는 rho = 2pir V over I
· 지표면에서 매설된 한 쌍의 전류전극의 경우
V_1 = I_rho over 2pir_1, V_2 =- I_rho over 2pir_2
P1에서의 전위차
V_1 + V_2 = I_rho over 2pi left ( 1 over r_1 - 1 over r_2 right )
P1과 P2의 전위차
DeltaV = I_rho over 2pi left{ left( 1 over r_1 - 1 over r_2 right) - left( 1 over r_3 - 1 over r_4 right) right}
· 지표면에 선 전극을 설치 할 경우
라플라스 방정식
del^2 V = 1 over r d over dr left( rdV over dr right ) = 0
dV over dr = A over r
P1에서의 전위
V_1 = I_rho over pil int from r_1 to r_2 dr over r = I_rho over pil log left(r_1 over r_2 right)
P1과 P2의 전위차
Delta V = V_1 - V_2 = I_rho over pil left{ log left( r_1 over r_2 right) - log left( r_3 over r_4 right) right} = I_rho over pil log left( {r_1 r_4} over {r_2 r_3} right)
· 전류의 분포
조사 심도를 증가시키려면 전극 간격을 증가
◦ 분균질 매질에서의 전위 분포
전기 비저항 탐사의 탐지 대상
- 이상적인 전기 전도도의 변화를 갖는 3차원 물체나 단층, 암맥, 그리고 지층간 경계면
전기 비저항법은 수평층이나 수직 경계면을 탐지하는데 가장 효관적
· 경계면에서의 전류의 흐름
· 평면 경계면에서의 전위 분포
· 수평 2층 구조에 의한 지표면에서의 전위 분포
· 구형 도체에 의한 전위 분포
◦ 측정 기구
· 전원
· 전류-전위계
· 전극 및 전선
◦ 전극 배열과 야외 측정
· 겉보기 전기 비저항
· 전극 배열
┏ 웬너배열
┣ 슐럼버저 배열
┣ 3점 배열
┣ 쌍극자 배열
┗ 리-배열
· 수직탐사와 수평탐사
◦ 해석
· 모형 실험
· 수평 2층 구조에 대한 수직 탐사
· 수평 다층 구조에 대한 수직 탐사
· 수직 경계면에 대한 수평 탐사
· 수직 암맥에 대한 수평 탐사
· 3차원 물체에 대한 수평 탐사
· 표토층의 심도 및 전기 비저항의 측정
□ 유도 분극법(IP법)
금속 광물의 탐사에 유효
유도분극 현상은 직유원을 사용하는 4전극 전기 비저항 배열에서 전류원을 갑자기 끊을 때 쉽게 관측
┏ 시간영역 IP - rakthgkms 전위를 시간의 함수로써 측정
┗ 주파수 영역 IP - 두개 이상의 주파수에서 ρa를 측정하여 간접적으로 유도분극 현상 측정
◦ 유도 분극 현상의 발생 기구
과도 전위의 감소 현상 - 전류 투입에 의한 교람후의 원상 복귀를 나타냄
전류가 투입되고 있는 동안 얼마간의 에너지가 기계적, 전기적 또는 화학적 형태로 저장
이중 화학적 에너지가 가장 중요
화학적 에너지의 저장
- 암석 구조 안에 흐르는 유체속의 이온이 기동성의 변화
금속광물을 포함하지 않느 암석에서도 발생
막 또는 전해액 분극, 배경 또는 IP 효과라 부름
- 금속 광물이 존재하는 경우에 이온과 전자적 전도 사이의 변화
암석 속에 포함된 금속 광물에 따라 결정
전극분극 또는 과전압이라 부르며 일반적으로 크기는 배경 IP보다 크다
IP 효과는 암석이나 금속광물 개개의 원자나 분자구조와는 상관없이 나타나는전체적인 효과
· 막 분극
막분극 현상은 주로 점토광물에 의해 발생
점토광물의 표면은 대개 (-)로 대전되어 있다.
전해액읜 (+)이온이 점토 주위에 모이게 되고 (-)이온은 멀어지게 된다.
전류의 크기가 커지면 (=)이온이 점토광물에서 강제로 멀어지게 된다.
전류가 제거되면 원상태로 복귀하는데 이때 유도 분극 형상이 발생
· 전극 분극
전자적 전대체인 광물
섬아연석, 진사 휘안석을 제외한 모든 황화물과 자철석, 티탄철석, 연망간석, 석석 등과 같은 산화물그리고 흑연
전극분극의 크기는 외부 전류원의 크기 및 매질의 몇가지 특성에 따라 결정
광물의 농도에도 좌우 되지만 광물의 표면적이 커야하고 집적된 상태보다는 분산된 상태로 존재할 때 더 커진다.
분산상 광물이 많은 광상의 경우에는 다른 전기 탐사의 방법에 의해서는 좋은 결과를 얻기 힘들다.
◦ 유도 분극의 측정
시간 영역에서의 측정
지하에 직류를 보냄
한 쌍의 전위전극에서 전류가 끊어진 직후부터 시간에 따른 전위차의 감소 상황을 측정
전류는 어느 일정 기간동안 보낸 후 전류를 끊고 전위전극들 간의 전위차를 관측하거나 기록
측점 이동 후 전류 방향을 바꿔서 흘려보낸다. → 전극 분극현상을 방지
주파수 영역에서의 측정
교류의 주파수 변화에 따른 겉보기 전기 비저항의 변화나 측정 전위 사이의 위상차를 측정
보통 2개의 주파수에서의 겉보기 전기 비저항을 측정
가능한 낮은 주파수 사용 → 전자 효과를 방기하기 위해서(대략 0.1~10㎐ 정도)
· 시간 영역 측정
- mV/V (IP%)
- 감쇠시간 적분
- 충전성(m)
m = {V_c - V_i} over {V_c}
┏ Vi : 전류가 끊어지는 순간의 분극전압 → 실제 측정 불가능. 잔류전압 사용(V(t))
┗ Vc : 전류가 흐르는 동안의 정상전압
m = {V_c - V_i} over {V_c} = 1- {V(t``)} over {V_c} = 1- 1 over 100 IP(%)
· 주파수 영역 측정
- 주파수 효과(frequency) effect)
f.e. = {rho_dc - rho_ac} over {rho_ac}
┏ ρdc : 직류 전류원을 사용했을 때의 전기 비저항 → 0.1㎐
┗ ρac : 교류 사용시의 전기 비저항 → 10㎐
f.e. = {rho_0.1 - rho_10} over {rho_10}, (Percent Frequency Effect, PEE) PEE = f.e. times 100(%)
- 금속 계수(Metal Factor)
M.F. = {rho_dc - rho_ac} over {rho_dc times rho_ac} times 2pi times 10^5 = f.e. over rho_dc times 2pi times 10^5 = {rho_0.1 - rho_10} over {rho_0.1 times rho_10} times 2pi times 10^5
- 위상차
· 시간 영역과 주파수 영역 IP 측정 사이의 관계
두 영역에서의 Ip 측정은 본질적으로 동일한 현상을 측정하는 것
m = f.e. over {1 + f.e.}
f.e. ≪ 1 인 경우 m≒ f.e.
· 광대역 주파수 측정법
넓은 대역의 주파수에서 IP의 진폭과 위상을 측정하여 광물 입자의 크기 및 분포 상황을 탐지할 뿐만 아니라, 고아상의 종류까지도 탐지
초기 → 복소 전기 비저항법(comples resistivity method)으로 불림
최근 → 광대역(Spectral) IP 또는 SIP 법으로 불림
◦ 탐사작업 과정
· 측정 장비
- 시간 영역 장비
발전기 : 110 또는 108V의 400㎐ 교류 발전. 출력은 1KVA~10KVA
직류전원 장치 : 정류기와 여파기
- 주파수 영역 장비
- 전극 및 전선
· 야외 작업 과정
슈럼버저 배열, 쌍극자 배열과 3점 배열을 많이 사용
◦ 해석
· 결과 표시 방법
IP 탐사 결과를 표시할 수 ldT는 간단한 방법
→ 측점의 취지, 종축에 충전성, 금속계수, 주파수효과
· 결과 해석
정석, 이상대의 위치, 수평적 연장 및 심도 등이 측정 곡선의 형상으로부터 대략 추측
전기 비저항 탐사가 심도의 결정에서나 탐사심도의 면에서 IP탐사보다 훨씬 우수
IP탐사로 파쇄대와 광화대를 구분 가능
전기 비저항 탐사 결과와 상호 보완하고 보강하는 의미로 많이 사용
□ 지전류 탐사법
◦ 전자장 기초이론
· 멕스웰 방정식
del times E = - ∂B over ∂t ~, ~~del times H = J + ∂D over ∂t
┏ J : 전류밀도(A/㎡), E : 전기장벡터(V/m), B : 자속밀도(Weber/㎡)
┗ H : 자기장벡터(ampere-turns/m), D : 전기적 변위(c/㎡)
B=muH~,~~D=epsilonE~,~~J=sigmaE
(μ : 투자율, ε : 유전용량, σ : 매질의 전도도)
◦ 전자파의 감쇠
진공중에서는 거의 감쇠하지 않으나 일반 매질내를 통과할 때에는 감쇠
ε/ε0 - 물속에서 80 정도, 암석중에는 10이하
μ/μ0 - 3이하, 자철광물이 최대, 암석 nw에서는 대체로 1
epsilon ≈10epsilon_0 ≈9 times 10^-11 f/m,~~ mu≈mu_0 ≈1.3 times 10^-6 h/m
◦ 경계조건
◦ MT 장
◦ 측정 장비 및 과정
◦ 해석
◦ 야외탐사의 예
2014/03/24 - [# 자격증 기출문제 ] - 지자기 및 자력 탐사에 대해 알아보자
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