Crosshole EM 2.5D Modeling by the Extended Born Approximation

확장된 Born 근사에 의한 시추공간 전자탐사 2.5차원 모델링

The Born approximation is widely used for solving the complex scattering problems in electromagnetics. Approximating total internal electric field by the background field is reasonable for small material contrasts as long as scatterer is not too large and the frequency is not too high. However in many geophysical applications, moderate and high conductivity contrasts cause both real and imaginary part of internal electric field to differ greatly from background. In the extended Born approximation, which can improve the accuracy of Born approximation dramatically, the total electric field in the integral over the scattering volume is approximated by the background electric field projected to a depolarization tensor. The finite difference and elements methods are usually used in EM scattering problems with a 2D model and a 3D source, due to their capability for simulating complex subsurface conductivity distributions. The price paid for a 3D source is that many wavenumber domain solutions and their inverse Fourier transform must be computed. In these differential equation methods, all the area including homogeneous region should be discretized, which increases the number of nodes and matrix size. Therefore, the differential equation methods need a lot of computing time and large memory. In this study, EM modeling program for a 2D model and a 3D source is developed, which is based on the extended Born approximation. The solution is very fast and stable. Using the program, crosshole EM responses with a vertical magnetic dipole source are obtained and the results are compared with those of 3D integral equation solutions. The agreement between the integral equation solution and extended Born approximation is remarkable within the entire frequency range, but degrades with the increase of conductivity contrast between anomalous body and background medium. The extended Born approximation is accurate in the case conductivity contrast is lower than 1:10. Therefore, the location and conductivity of the anomalous body can be estimated effectively by the extended Born approximation although the quantitative estimate of conductivity is difficult for the case conductivity contrast is too high.

전자탐사에서 Born 근사는 이상체내에서의 전기장을 이상체가 없는 균질 매질에서의 일차장으로 대치하는 방법으로 복잡한 전자기 산란(EM scattering)문제를 근사하는데 널리 사용되고 있는 방법이다. 그러나 Born 근사는 이상체의 전도도가 주변 매질에 비하여 너무 크거나, 이상체의 크기가 클 때는 상당히 부정확한 결과를 나타낸다. 확장된 Born근사법은 이러한 Born근사의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 방법으로 이상체내의 전기장을 탈분극 텐서와 일차 전기장의 곱으로 근사하는 방법이다. 한편 전자탐사에 3차원 송신원을 사용하는 2차원 모델링은 주로 유한차분법과 유한요소법이 이용되었다. 일반적으로 이들 미분 방정식을 이용하는 2차원 전자탐사 모델링에서 3차원 송신원 문제의 해결을 위하여 Fourier변환을 통해 파수영역(wavenumber domain)으로 이동하는 방법이 사용되어 왔다. 또한 파수영 역에서 계산된 결과는 Fourier 역변환을 통하여 다시 공간영역(space domain)으로 이동해야 하는 번거로움이 있다. 따라서 이들 방법은 계산시간이 많이 걸리고 이상체가 없는 지역도 미소체로 분할해야 하므로 수치계산시 대량의 기억용량이 필요하다. 본 연구에서는 Born근사의 문제점 및 전자탐사 2차원 모델링시 3차원 송신원 문제를 해결할 수 있는 확장된 Born 근사법에 근거한 전자탐사 2.5차원 모델링 프로그램을 개발하였다. 이 모델링 프로그램을 이용하여 수직 자기 쌍극자를 송신원으로 하는 시추공간 전자탐사법에 대한 2차 자기 장을 계산하고 적분 방정식에 의한 3차원 모델링 결과와 비교, 분석하였다. 모든 주파수 대역에서 확장된 Born근사에 의한 2.5차원 모델링 결과가 3차원 모델링 결과와 잘 일치하고 있다. 그러나 이상체의 전도도와 모암의 전도도 차이가 10배 이상의 경우일 때는 두 반응은 상당한 차이를 보인다. 따라서 본 연구에서 개발된 확장된 Born 근사에 의한 2.5차원 모델링은 이상체와 모암의 전도도 차이가 너무 크지 않을 경우 이상체의 위치 및 형상을 파악하는데 효과적일 것으로 기대된다.