서 론
암석 혹은 토양의 전기비저항 측정은 주로 지반조사 토목/ 건설 분야 지질 환경오염 문제에 있어서 현장자료의 해석, 김영화와 김기주 오명 (Bertete-Aguirre et al., 2003; , 1999;
학 등, 2001)이나 수리 혹은 역학적 물성과의 상관관계 도출 한정상 등 이태종 등 (Nishimaki et al., 1999; , 1987; , 2003;
박정빈 등, 2000)을 위해 주로 활용되나 그 중요성에 비해, 지금까지 여타의 연구에 비해 소홀이 다루어진 것이 사실이 다 이상규 등( , 2007).일례로 최근의 물리탐사 연구동향을 분석한 서정희 등(2006)은 한국 일본 미국 그리고 유럽의, , 물리탐사 분야의 논문 중, 1995년～2005년에 발표된 건의 논문을 연구방법 별로 분류하여 비교하였는데
21,161 ,
논문들은 주로 알고리듬 개발 및 현장 적용이 주를 이루고 모형실험 또는 물성실험에 해당되는 논문은 전체의1%이 하로 매우 미미한 것으로 나타났다 이성곤 등( , 2008).
Vol. 45, No. 5 (2008) pp. 526-535
함수율 변화에 따른 포항 지열 시추코어의 전기비저항
이상규1)· 이태종1)*
Electrical Resistivity Versus Water Contents of Core Samples from a Geothermal Borehole in Pohang, Korea
Sang-Kyu Lee and Tae Jong Lee
*Abstract :As an effort for precise measurement of electrical resistivity of a rock or soil sample, basic physical properties of rock samples, such as water content, porosity, and dry density have been measured based on the standard test method suggested by Korean Society for Rock Mechanics and ISRM, and discussed about the temporal variation of resistivity and water content of the rock sample during the measurement. Conventional 4-electrode array can cause errors in resistivity measurement due to the fact that the water in the filter papers infiltrates to the rock samples.
Instead, we suggest a 2-electrode array with appropriate load, which can give rather stable results by compensating resultant contact resistance. Keeping the sample in water for several hours is necessary to get fully saturated rock sample, otherwise the air in the pore space cannot be fully replaced by the water. As experiment time elapses, the water on the surface or pore space of the core sample evaporates (decrease of relative water content), which causes severe increase of measured electrical resistivity. For a core sample from deep geothermal well in Pohang, Korea, for example, the resistivity increase 22 times from 205 ohm-m to 4,444 ohm-m, when relative water content decrease from 99.6% to 89.3%, respectively.
Key words :Resistivity, Measurement, Core, Water content, Temporal variation
요 약 :실험실내에서 암석 혹은 토양의 전기비저항을 정확히 측정하기 위한 노력의 일환으로 한국암반공학회 와ISRM의 표준 시험법에 근거하여 함수율 공극율 및 건조밀도를 정확히 측정하고 포화된 코어 시료를 대상으, , 로 시간에 따른 함수율의 변화와 그에 수반한 전기비저항의 변화에 대하여 고찰하였다 기존에 사용되던 전극법. 4 을 이용한 측정시 필터의 용액이 코어시료에 스며들어 측정오차를 유발하기 때문에 필터를 사용하지 않고 전극 을 시료에 일정한 압력으로 압착하여 측정하고 접촉저항에 대한 오차를 보정하는 방식을 제안하였다 또한, . , 건조된 시료를 바로 수침진공하는 경우는 유효공극을 완전히 포화시키기 어려우며 따라서 수침진공 이전에 코어 시료를 물속에 보관하는 것이 반드시 필요하다 포항 지역의 약. 1 km심도 심부 지열시추공에서 얻어진 코어 시료를 이용하여 시간에 따른 상대함수율의 변화와 전기비저항의 변화를 측정한 결과 시험편의 전기비저항은, 상대함수율이 감소함에 따라서 매우 급격하게 증가한다 일례로 시험편 의 경우 상대함수율. , F 99.6%일 때 전기비 저항이205 ohm-m에서89.3%일 때4,444 ohm-m로 약22배로 증가하였다.
주요어 : 전기비저항 측정 코어 함수율 시간변화, , , ,
년 월 일 접수 년 월 일 채택
2008 9 23 , 2008 10 28 한국지질자원연구원
1)
*Corresponding Author 이태종( ) E-mail; [email protected]
Address; Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)
연구논문
그러나 최근 들어 국제적으로 이산화탄소 지중저장, 가스 하이드레이트 등의 신생 에너지의 개발 heavy oil,
및 지구 환경 변화에 대처하기 위한 새로운 연구 분야에 서 지층의 물성측정의 중요성이 재차 부각되고 있으며, 현실적인 지층 내의 환경 조성을 위한 고온고압 조건하․ 의 물성 측정 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
미국과 일본을 비롯한 선진국의 경우는 이미 온도 200 ,℃ 압력 약300 MPa까지의 환경을 조성하고 각종 시료의 다양한 물성 측정이 가능한 시스템을 갖추어 가고 있는 추세이다 박삼규 등( , 2007).
국내에서도 실내 전기비저항 측정을 위한 시스템 구 축 코어 및 토양의 전기비저항에 미치는 다양한 요소에, 대한 고찰 등에 대한 다양한 연구가 이루어져 왔으며 송( 성호 등, 2003; 박삼규, 2004; 박미경, 2005), 최근에는 이산화탄소 주입을 위한 고온 고압하의 실험 시설의 구･ 축을 위한 시도 조성준 등( , 2007)도 이루어지고 있다.
그러나 이들 연구는 대부분Archie(1942)의 경험식을 토 대로 토양 혹은 암석의 전기비저항을 좌우하는 공극율 유체, 포화율 그리고 공극수의 전기전도도 등과 측정되는 전기비, 저항의 상관관계를 도출하고자 하는 것이 대부분으로 실내, 전기비저항 측정에 있어서의 여러 가지 문제점과 측정의 정 밀도 혹은 정확성에 대한 고찰은 다각적으로 이루어지지 않 았다 국내에서는 유일하게 김영화와 최예권. (1999a)이 이러 한 문제를 제기하였고 시료와 전극과의 접촉 시료 표면의, , 건조에 의한 물 포화율의 변화에 의한 영향 등을 고찰하고 대안으로서 전도성 접착제의 사용과 시계열 측정에 의한 대 푯값 결정 방법 김영화와 최예권( , 1999b)을 제시한 바 있다. 이 연구에서는 포항지역에서 지열탐사를 위하여 굴착 한 약1 km 심도의 시추공BH-1(송윤호 등, 2006;이태 종 등, 2007)의 시추코어를 이용하여 측정 과정에서 발생 할 수 있는 다양한 오차요인에 대해 예비 실험을 통하여 분석하고 포화시료의 전기비저항 측정에 있어서 시간에, 따른 공극수의 증발에 의한 함수율의 변화가 측정되는 전 기비저항에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다.
관련 물성과 표준시험법
관련 물성
함수율 공극율 겉보기 밀도, ,
함수율(w, water content), 공극율(n, porosity),겉보기 밀도( , bulk density)ρ 등 암석물성은 암석시험편의 구성 요소들에 의해 다음과 같이 정의되며,
w(%) = Mw/Ms × 100 = (M-Ms)/Ms × 100 (1)
n(%) = Vv/V × 100 (2)
ρ = M/V = (Ms+Mw)/V 그밖에 여러 밀도들은
ρd(dry density) = Ms/V (3) ρsat(saturated density) = (Ms + Vv･ρw)/V
ρs(grain density, density of solids) = Ms/Vs
으로 정의된다.
여기서 암석의 구성요소에 관한 용어와 기호는 다음, 과 같다.
Ms, Vs : 입자(grains: the solid component of the 의 질량 및 부피
sample) ,
Mw, Vw : 공극수(pore water)의 질량과 부피, Va : 공극내 공기(pore air)의 부피,
Vv = Vw + Va : 공극(pore, voids)의 부피,
M = Ms+ Mw:시험편의 전체질량(bulk sample mass), V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va: 시험편의 겉보기부
피(bulk sample volume),
ρw :물의 밀도(density of water) = 단위 부피당 물의 질량
전기비저항
과 같은 전극배열로 원주형 암석코어의 전기비 Fig. 1
저항을 측정하면 전기비저항, R(ohm-m)은 코어시료의
(a) (b)
Fig. 1. Two different types of electrode array tested in this study (C: current electrodes, P: potential electrodes), a) 4-electrode type with filter paper, (b) 2-electrode type without filter paper.
단면적에 비례하고 길이에 반비례하는 관계식(4)로 표 현될 수 있다.
R = ∆VA/LI (4)
여기서,
는 원주형 암석코어의 단면적
A (m2)
은 원주형 암석코어의 길이
L (m)
는 전류전극
I C1-C2에 흘린 전류(A) 는 전위전극
V P
∆ 1-P2간 전위차(V)이다.
표준시험법
고체질량, Ms의 결정
과 한국암반공학회의 표 ISRM(Franklin et al., 1979)
준시험법 암석의 흡수율 및 비중 표준시험법 에서는( ) 24 시간 이상105±3℃를 유지할 수 있는 건조로에서 암석 시험편을 오븐건조 하여 시간 간격으로 측정한 시험편4 의 무게가0.1%이내로 변할 때 시험편이 건조된 것으로 간주한다 무게는. 0.01g의 정밀도로 측정한다 한국암반( 공학회, 2006b).
총체부피, V의 결정
원주형 시험편의 겉보기부피, V는 시험편의 직경과 길 이로부터 구한다 시험편의 직경은 상 중 하의 세 지점. , , 에서0.01 mm의 정밀도로 각각 회씩 총 회 측정하여2 6 평균을 사용하며 길이는 시험편의 중앙에서, 0.01 mm의 정밀도로 회 측정하여 평균을 사용한다 한국암반공학3 ( 회, 2006b).
공극의 부피, Vv 결정
시험편의 공극의 부피, Vv는 시험편의 표면건조수포화 질량
(saturated-surface-dry) (Msat)과 입자질량(Ms)의 차 이로 구할 수 있다 시험편을 진공상태에서 수침한 후 포. 화시켜 Msat을 측정하여 Vv = (Msat - Ms)/ρw로 얻는다
한국암반공학회
( , 2006b; Franklin et al., 1979).
시험편의 수포화에 대해서는 한국암반공학회와 ISRM 의 표준시험법 암석의 공극률 및 밀도 측정 표준시험법( ) 에서는 시험편을 800 Pa(6 torr) 이하의 진공상태에서 시간 이상 수침하여 포화시키는데 이 때 주기적으로
1 ,
저어서 시험편 표면의 기포를 제거하도록 되어있다.
한편 표준시험법에 의하여 구해지는 공극율은 암석코, 어 시료에서 서로 연결된 공극들만의 부피를 측정한 것 이므로 이를 유효공극율(ne, effective porosity)이라고한 다 한국암반공학회( , 2006a; 손호웅과 정교철, 2000).
시추코어
이번 연구에서 사용한 시추코어는 포항지역에서 지열 탐사를 위하여 굴착한 포항BH-1(송윤호 등, 2006)의 시 추코어들로서 이들의 암종과 규격 및 식, (1), (2), (3)에 의해 산출된 기본 물성들을 요약하면Table 1과 같다.
예비실험
함수율 변화에 따른 무게 모니터링 실내 온도와 습도의 영향
의 는 각각 의 시험편
Fig. 2 (a), (b), (c) Table 1 A, B,
Table 1. List of core samples and their basic physical properties
Core ID
Core No.
Depth
(m) Rock Type
Basic Physical Properties Dimension
Remarks saturated
water content (%)
porosity (%)
dry density (g/cm3)
radius (mm)
height (mm)
A 21 562.8 Ryolite 1.288 3.331 2.586 11.88 50.60
B 23 641.7 Ryolite 1.721 4.319 2.509 11.95 50.55
C 39 1,090.9 Sandstone 1.156 2.970 2.570 11.90 50.50
D 7 249.4 Andesic Tuff 7.267 16.610 2.286 11.94 50.19 crack F 35-2 997.8 Fine Sandstone 1.614 4.147 2.576 11.91 50.61
G 36-1 1,020.4 Siltstone 1.104 2.889 2.616 11.90 50.52
H 9 290.5 Decite 1.613 4.204 2.606 11.89 50.69 partial
crack
I - - 100%
Cement Mortar 32.040 45.919 1.433 12.88 50.31
를 표준시험법 에 의하여 C ISRM (Franklin et al., 1979)
수포화 시킨 후에 표면을 젖은 수건으로 닦아 얻은 표면 건조포화무게와 이 시험편을 상온 상압 하에서 자연 건･ 조시키며 측정한 무게들로부터 식(1)을 이용하여 시간 경과에 따른 함수율을 산출한 후 이 함수율 변화를 동일, 기간의 실험실 온도 습도 변화와 함께 보인 것이다 또, . 한, Fig. 3은 각 시험편이 자연 건조하면서 감소하는 상 대함수율을 수포화 때의 함수율을 기준으로 하여 백분율 로 나타낸 것이다 이 연구에서 실험에 사용된 물은
(%) .
순수제조장치 영린기기( , aquaMAX 361)에 의해 제조한 여과수(7.6 μS/cm ≒1,300 ohm-m)이다.
실험에서 무게 측정은, 0.001 g까지 판독할 수 있는 사의 전자저울
Sartorius (Electronic Analytical Balance:
을 사용하였고 진공은 진공건조기
LA620S) , (Vaccum Oven:
와 냉동수증기포집조
Jeiotech, OV-11) (Cold Trap Bath:
진공펌프 를 직
Jeiotech, CTB-10), (ULVAC, G-20DA) 렬 연결하여 수행하였다 사용한 진공펌프의 최종압력.
은 이다
(ultimate pressure) 0.13 Pa .
의 시간에 따른 실내 온도 및 습도를 비교하면 Fig. 2
전반적으로 실내 온도와 습도 간에는 대체로 반비례하는 경향이 있으며 자연건조에 의한 시추코어의 함수율 변, 화는 짧은 주기의 온도 변화에 대한 민감성이 눈에 띄는 것으로 봐서 전반적으로 실내 온도에 영향을 받고 있음 을 시사하고 있으나 실내 온 습도에 의한 영향만을 정량･ 적으로 평가하는 것은 용이하지 않다 이러한 실내온도. 의 영향에 의한 짧은 주기의 변화에도 불구하고 상대함 수율 변화의 지수함수적 감소 추세를Fig. 2와Fig. 3에 서 확인할 수 있으며 특히, , Fig. 3에 나타낸 바와 같이 개 시험편의 상대함수율이 자연건조 시작 시간 후에
3 6
는 약 4%P 정도의 편차를 보인다.
수포화 암석코어의 시간 경과에 따른 상대함수율과 동 일 시각의 전기비저항을 동시에 측정하기는 현실적으로 불가능하다 따라서 수포화 이후의 경과시간을 매개변. , 수로 하여 서로 다른 시간대에서 측정한 함수율과 전기 비저항을 상관 짓기 위해서는 동일한 온도와 습도의 항 온항습 조건하에서 함수율 변화와 전기비저항 변화를 측 정하는 것이 중요하다.
무게 측정의 반복성
는 시험편 를 수포화시킨 후 상온 상압 하
Fig. 4 D(#7) ･
에서 자연 건조시키며 매 분마다 무게 변화를 회 모니1 2 터링하여 나타낸 것이다 여기서 실내 온도와 습도의 일. ,
(a) (b) (c)
Fig. 2. Temporal variation of temperature and humidity of laboratory and water contents.
Fig. 3. Temporal variation of relative water content for the three core samples. Symbols are indicated at every 10 measurement.
교차에 의한 영향을 줄이기 위하여 첫번째 검정색 기호( ) 는 월7 11일17시35분부터72시간(4320 )분 동안 두 번, 째 흰색 기호 는 월( ) 7 18일17시35분부터72시간(4320 분 동안 측정하였다 유효공극이) . 100%수포화되었느냐 의 여부에 따라서 두 곡선 간에 편차를 보인다 즉 수포. , 화 후 무게의 편차는 수포화 후 즉시 측정한 경우, 12시 간 후, 24시간 후 그리고, 60시간 후에 각각 0.32%, 그리고 의 편차를 보인다 이 편차 0.56%, 0.30%, 0.06% . 의 상당부분은 수포화가100%되었느냐의 여부와 자연 건조 중의 실내의 온도와 습도 변화에 기인한 것으로 보 인다 따라서 실내 온 습도의 영향은 항온항습챔버를 사. ･ 용하면 최소화 할 수 있을 것이지만 가장 어려운 문제는 시추코어의 유효공극이 100% 수포화되었는가에 대한 확신이며 그 때의 무게 즉 표면건조수포화무게를 정확, , 히 측정하느냐의 여부에 실험의 정확도가 달려있다고 판 단된다.
시추코어 수포화 과정
시험편의 공극률이나 최대 함수율을 정확하게 산출하 려면 암석코어의 유효공극 내에 수분이 전혀 없는 완전 건조상태에서의 무게, Ms와 유효공극이 100% 수포화 된 상태에서의 시험편의 무게, Msat을 얻어야 한다 관련. 물성을 정의에 충실하게 산출하기 위하여 여러 표준시험 법에서보다 더 엄격한 방법으로 시추코어의 수포화 정도 를 판단하기 위한 다음과 같은 예비실험을 수행하였다.
는 시험편을 수침진공하기 전에 있을 수 있는 다 Fig. 5
양한 함수(含水)상태와 진공을 해제한 후 무게를 측정할 때까지 물속에 방치한 경과시간이 달라졌을 때의 표면건
조수포화무게의 변화를 알아보기 위하여 실험한 결과이 다. Fig. 5의(a), (b), (c)는 시험편F(#35-2), G(#36-1), 를 진공상태에서 수침하여 포화시킨 후 측정한 무 H(#9)
게를 각각 나타낸 것으로 횡축은 수침진공 이후 진공을 Fig. 4. Repeatability in measurement of weight. Symbols
are indicated at every 50 measurement.
(a)
(b)
(c)
Fig. 5. Comparison of weight for two types of saturation process for samples (a) F, (b) G, and (c) H, respectively.
해제하고부터 무게를 측정할 때까지 물속에 방치한 경과 시간(h)을 나타내며 종축은 그 때의 시험편의 무게 즉, , 표면건조수포화무게(g)이다 그림에서 검은색 기호. (●▲
는 진공전에 시추코어를 시간 이상 수침상태로 함
) 13
■
수(含水)시킨 이후에 수침진공한 경우이고 흰색 기호, (◯ 는 진공전에 원하는 온도를 로 선택한 오븐에
) 160
△□ ℃
서24시간 이상 건조시킨 이후에 수침진공한 경우의 무 게를 각각 나타낸다.
그림에서 수침진공하기 전에 시험편이 건조상태에 있 었는지 또는 함수상태에 있었는지에 상관없이 수침진공 을 해제한 후 무게를 측정할 때까지의 경과시간이30분 정도로 짧으면 양 그룹간 무게의 차이가 큰 반면 경과시 간이 길수록 그 차이가 작아지면서 어떤 값에 점근하는 경향을 볼 수 있다 이것은 진공상태가 된 유효공극을 물. 로 채우는데 상당한 시간이 필요함을 의미하는 것으로 해석된다 수침진공하기 전에 시험편을 상당 시간동안. 물속에 보관한 그룹이 건조한 상태에 있었던 그룹보다 표면건조수포화무게가 큰 것은 같은 시간 진공을 한 후 에 공기로 채워져 있는 공극의 부피가 작다는 것을 잘 보이고 있다 수침진공하기 전에 시험편을 상당 시간동. 안 물속에 보관한 그룹에서 경과시간에 따라서 무게가 감소하다가 다시 증가하는 것은 진공으로 과포화된 유효 공극의 물이 방출되었다가 다시 충진되는 것으로 해석되 며 여기에는 시험편과 물의 온도변화에 따른 무게의 변, 화에도 그 원인이 있는 것으로 보인다 참고로 진공 직. , 후 물의 온도는 약7℃인 반면 진공 후12시간이 경과하 면 실내온도에 가깝게 된다 이러한 현상의 정확한 이해. 를 위해서는 추가적인 실험이 이어져야 할 것으로 생각 된다.
이 예비실험을 통하여 암석코어의 표면건조수포화무게 를 얻기 위해서는 수침진공 전에 충분한 시간 시험편을 물속에 보관하는 것이 좋으며 수침진공 후에도 시험편을 상당한 시간동안(12시간 이상 물 속에 두었다가 무게를) 측정하는 것이 좋다는 것을 알 수 있다 이것은 특히 공극. 율이 큰 퇴적암에서보다 공극율이 작은 화강암이나 변성 암에서 더욱 강조되어야 할 사항으로 판단된다.
전극의 종류에 따른 전기비저항 차이 전극 수분의 영향
암석코어 시험편의 전기비저항을 측정할 때는 통상 와 같은 전위 전류 전극쌍 박삼규 을 사 Fig. 1(a) - ( , 2004) 용하며 이 때 전극쌍과 시험편 사이의 접촉저항을 최소, 화하기 위하여 전도체 망 철망 사이에 삽입한 종이필터( ) 들을 물로 적셔준다 그러나 자연건조에 의하여 암석코. 어의 함수율이 감소함에 따라서 시시각각으로 변하는 전
기비저항을 측정하고자 할 때에는 종이필터의 수분이 건 조되면서 전극쌍과 암석코어 사이의 접촉저항이 매우 빠 르게 변할 것이므로 기존의 전위 전류전극을 사용할 수- 있는지에 대한 확인이 필요하다.
같은 무게의 시멘트와 물을 섞어서 만든 모르타르(I) 를 아크릴 틀에 부은 후20일 이상 충분히 양생하여 얻 은 직경25.76 mm, 길이50.31 mm의 원주형 시험편의 전기비저항을Fig. 1의 두 종류의 전극쌍을 사용하여 두 시간 동안 매 분마다 측정하고 전위전극간 전위차를1 에 나타내었다 이 때 사용한 전기비저항 측정용 Fig. 6 .
샘플홀더는Fig. 7(이상규 등, 2008)과 같이 직접 제작하 여 사용하였으며 전기비저항 측정기는OYO사의Handy 이었다 그림에서 흰색 Viewer miniOHM Model-2121 .
기호는Fig. 1(a)의 기존의 전극쌍을 사용한 결과로서 시 험편과 접촉시킬 때에 종이필터에 물을 충분히 적신 후 사용하였으며 검정색 기호는, Fig. 1(b)의 전도성 금속망 하나를 전위 전류전극 일체형으로 사용한 결과로서 시- , 험편과의 접촉을 좋게 하기 위하여 접촉면에30 kg의 하 중을 가하여 얻은 결과이다.
의 기존 전극쌍을 사용하면 종이필터에 포화 Fig. 1(a)
된 수분이 접촉과 동시에 시험편으로 스며들어서 빠른 속도로 시험편 중앙부로 확산된다 따라서 시간이 흐름. 에 따라서 시험편 양단의 전위전극간의 전위차는 급격하 게 감소하는데 이 감소 양상은 시험편 내부로 수분이 확, 산해 가는 양상에 따라서Fig. 6의 흰색 곡선처럼 약80
Fig. 6. Comparison of temporal variation of measured potential difference for two different types of electrodes array, shown in Fig. 1.
분 동안 감소하고 그 이후 시험편과 종이필터의 수분이 감소하기 시작하면 이에 따라서 전위차도 증가하는 양상 을 보인다 반면 동일한 시료에 대하여. , Fig. 1(b)의 일체 형 전극을 사용하여 측정한 전위차 곡선에서는 검정색 곡선처럼 측정 초기에 다소 불안정한 시간대를 지나면 반복성이 좋은 전위차를 시간 동안 지속적으로 얻을 수1 있음을 보이고 있다.
접촉저항의 영향
은 의 기존 전극쌍을 사용하여 얻은 시 Fig. 8 Fig. 1(a)
험편의 전위차 곡선(Fig. 6)의 후기 연장선으로서 종이, 필터에 물을 적셔서 시험편에 밀착한 후 전위차를 측정 하기 시작한 이후 100분에서부터300분까지의 전위차 변화를 보인 것이다 일체형 전극쌍과 시험편간의 접촉. 저항을 확인하기 위하여200분과202분 사이에 기존의 전극쌍(Fig. 1(a))을 일체형 전극쌍(Fig. 1(b))으로 교체 하여 측정을 계속하였다.
전극의 교체 시에도 기존의 종이필터에 수분이 충분히 남아 있으므로 이 때의 접촉저항을 으로 간주하면 일체0 형 전극과 시험편간의 접촉저항이2,000 ohm 정도임을 알 수 있다 따라서 일체형 전극을 사용할 때의 평균 접촉. 저항2,000 ohm을 앞으로 본 실험에서 암석코어들의 전 기비저항을 산출할 때 보정할 필요가 있다고 판단된다.
함수율 변화에 따른 암석코어의 전기비저항
함수율 변화에 따른 암석코어의 전기비저항을 보다 더
정확하게 측정하기 위하여 예비실험을 통하여 얻은 다음 과 같은 사항들을 모두 반영하여 한 주기의 실험일정을
와 같이 수립하였다
Fig. 9 .
① 실험 중 필요한 물은 순수제조장치 영린기기( , aquaMAX 에 의해 제조한 여과수
361) (7.6 μS/cm ≒ 1,300 를 사용한다
ohm-m) .
② 시험편은 수침진공 전에 상당한 시간(15시간 물속) Fig. 7. Schematic diagram of sample holder for core resistivity measurement system.
Fig. 8. Effect of contact resistance. Abrupt change in potential difference at 200 min. is caused by replacement of electrode array.
에 보관한다.
③ 수침진공은 시험편으로부터 기포가 발생하지 않을 때까지 충분한 시간 아날로그 압력계로 측정한( 750
압력으로 시간 동안 수행한다
mmHg 9 ) .
④ 수침진공한 후 진공 해제한 시험편은 물속에 충분 한 시간(17시간 보관한다) .
⑤ 자연건조에 따른 함수율 변화와 전기비저항 변화 측정은 실험실 온도와 습도 조건이 유사하도록 냉 방시설이 가동되는 동일한 장소 및 시간대에 수행 한다.
⑥ 한 시험편에 대한 함수율 변화와 전기비저항 변화 측정은 가장 짧은 시차를 두도록 연이어 측정한다.
⑦ 전기비저항 측정 시에 전류 전위전극 일체형‘ - (Fig.
을 사용하며 접촉저항을 줄이기 위하여 일정 1(b))’
하중(30 kg)을 유지하고 하중이 시험편 원형단면에 수직으로 작용하도록 원형 금속망(spherical sheet) 을 사용한다.
⑧ 전기비저항 산출 시에 전류 전위전극 일체형 전‘ - ’ 극쌍과 시험편 간의 평균 접촉저항(2,000 ohm)을 보정한다.
의 는 각각 시험편
Fig. 10 (a), (b), (c) F(#35-2), G(#36-1), 의 수포화 후 경과시간에 따라서 자연 건조되어 가 H(#9)
며 변하는 함수율을 최대함수율을100%로 했을 때의 상 대함수율과 수포화 후 경과시간에 따른 전기비저항 변화 를 함께 보인 것이다. Fig. 11은Fig. 10에서의 매개변수 인 경과시간을 소거한 후 각 시험편에 대한 상대함수율 과 전기비저항의 관계를 도표로 나타낸 것이다 그림에. 서 점선으로 표시한 부분은 전기비저항 측정기의 성능 한계에 따라서 측정이 불가능했던 부분을 나타낸다.
시험편의 전기비저항은 상대함수율의 감소에 따라서 매우 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있어서 시험편 는, F 상대함수율이99.6%에서89.3%로 감소함에 따라 전기비 저항이205 ohm-m에서4,444 ohm-m로21.7배증가하
Fig. 9. Optimal experimental schedule for resistivity measurement of a core sample with respect to water contents variation.
(a) (b) (c)
Fig. 10. Relative water contents and resistivity variations as functions of elapsed time for the three core samples(F, G, and H) shown in Table 1.
였고 시험편 는 상대함수율이, G 98.9%에서81.0%로 감소 함에 따라 전기비저항은327 ohm-m에서4,381 ohm-m 로13.4배 증가하였으며 시험편, H는98.0%에서90.0으 로 감소할 때 전기비저항이 1,064 ohm-m에서 4,559 로 배 증가하였다 최대함수율과 공극율이 큰 ohm-m 4.3 .
시험편(F, H)보다는 작은 시험편(G)이 상대함수율이 높 을 때 상대함수율 변화에 대한 전기비저항 변화가 완만 한 구간이 넓게 나타나 상대적으로 급격하게 변화하지 않음을 확인하였다.
암석코어의 전기비저항이 함수율 변화에 매우 민감하 다는 사실은 암석코어의 전기비저항을 제시할 때 수포화 후 물에서 꺼내어 전기비저항을 측정할 때까지의 경과시 간이 매우 짧아야 함을 지시하는 것이며 경과시간에 대 한 통제가 필요함을 의미한다.
결 론
포항지역에서 지열탐사를 위하여 굴착한 시추공 BH-1 호공 송윤호 등( , 2006)의 시추코어들에 대하여 함수율 변화에 따른 전기비저항을 측정하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
공극율과 함수율을 정확하게 산출하고자 할 때는 1.
이론적으로 시험편의 유효공극을 전부 물로 채워야 한 다 이러한 노력의 일환으로 수침진공 하기 전에도 시험. 편을 물속에 보관하고 수침진공 해제 후에도 상당 시간
물속에 보관하는 것이 중요하다.
암석코어의 전기비저항은 함수율에 큰 영향을 받으 2.
므로 암석코어의 전기비저항을 제시할 때는 수포화 후 물에서 꺼내어 전기비저항을 측정할 때까지의 경과시간 이 극단적으로 짧아야 하며 경과시간에 대한 통제가 필 요하다.
암석코어의 함수율 변화에 따른 전기비저항을 측정 3.
할 때는 전위 전류전극 일체형 전극쌍을 일정 하중으‘ - ’ 로 시험편에 밀착시켜 사용하는 것이 좋다.
포항지역 지열탐사를 위한 시추 호공에서 얻은
4. 1 3
개 시험편에 대하여 함수율 변화에 따른 전기비저항 변 화를 측정한 결과 시험편의 전기비저항은 상대함수율이, 감소함에 따라서 급격하게 증가하여 시험편 의 경우F , 상대함수율이 99.6%에서 89.3%로 감소함에 따라 205
에서 까지 전기비저항이 배 증가
ohm-m 4,444 ohm-m 22 하였다 또한 최대함수율과 공극율이 큰 시험편. (F, H) 보 다 최대함수율과 공극율이 작은 시험편(G)이 상대함수 율이 높은 구간에서 상대함수율 변화에 대한 전기비저항 변화는 완만한 구간이 넓게 나타나 상대적으로 급격하게 변화하지 않음을 확인하였다.
앞으로 암석코어의 전기비저항 측정치를 대표적인 하 나의 값으로 제시할 때는 수침진공전에 시험편의 함수상 태와 진공 개방 후 측정할 때까지 물속에 보관한 시간을 제시하며 물속에서 꺼내어 전기비저항을 측정할 때까지, 의 경과시간도 함께 제시하는 것이 필요하다고 판단된다.
아울러 암석코어의 함수정도에 따른 전기비저항 변화, 의 정량적 지식은 향후 암석구성과 지질구조를 알고 있는 지역에서 전기 전자탐사 순역산을 통한 열수대나 지하수･ ․ 대의 위치 해석에 매우 중요한 역할을 하게 될 것이다.
사 사
이 논문은 한국지질자원연구원의 기본연구사업인 지“ 열수 자원 실용화 기술 개발 과제의 일환으로 수행되었” 으며 논문작성에 조언을 준 한국지질자원연구원 송윤호, 박삼규 성낙훈 황학수 조성준 연구원께 사의를 표한다, , , .
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이 상 규 이 태 종
현재 한국지질자원연구원 선임연구부 연구위원 (本 學會誌 第 券 第 号 參照44 6 )
현재 한국지질자원연구원 지하수지열연구부 선임연구원 (本 學會誌 第 券 第 号 參照44 6 )
