파동장 변환을 이용한 전자탐사 주시 토모그래피

Electromagnetic Traveltime Tomography with Wavefield Transformation

고해상의 지하 전기전도도 영상을 요하는 환경, 공학적인 적용을 위하여, 주파수영 역 전자탐사 자료를 이용한 주시 토모그래피를 수행하였다. 이를 위하여 우선 변환된 파동장을 파선급수(ray series)의 합으로 근사하여 자기장으로부터 직접 파동장의 초동을 구해낼 수 있는 방법을 제시하고 그 정확성 및 적용성을 검토하였다. 균질한 무한공간에서의 자기장을 이용한 발췌결과, 잡음이 없는 자료의 경우 주파수 2개를 사용하여도 아주 정확한 발췌가 이루어져 그 타당성이 입증되었으며, 기존의 파동장으로 직접변환하는 방법과 비교한 결과 더 적은 주파수 자료를 이용하여도 더 정확한 발췌가 이루어졌다. 층서구조 및 경사진 파쇄대 구조에 대하여 초동발췌 및 반복적 비선형 토모그래피를 적용하여 만족할만한 영상을 얻었다. 그러나 전기전도도의 비율이 큰 경우는 설정한 가정에 부합되지 않아 토모그래피 영상에서 전기비저항이 낮은 층이 확대되어 나타나는 결과를 보였다. 초동발췌를 위한 시간은 하나의 송, 수신 배열에 대하여 IBM PC로 10초 내외로, 현장에서 탐사를 수행하는 도중 실시간으로 발췌가 가능하다. 또한 토모그래피 역산을 위한 시간도 약 3분 이내로 전체 송, 수신 배열에 대한 측정이 끝남과 동시에 지하의 단면 영상을 확인할 수 있어 전자탐사 토모그래피의 현장 적용성을 한층 높일 수 있을 것으로 기대된다.

A traveltime tomography has been carried out by transforming electromagnetic data in frequency domain to wave-like domain. The transform uniquely relates a field satisfying a diffusion equation to an integral of the corresponding wavefield. But direct transform of frequency domain magnetic fields to wave-field domain is ill-posed problem because the kernel of the integral transform is highly damped. In this study, instead of solving such an unstable problem, it is assumed that wave-fields in transformed domain can be approximated by sum of ray series. And for further simplicity, reflection and refraction energy compared to that of direct wave is weak enough to be neglected. Then first arrival can be approximated by calculating the traveltime of direct wave only. But these assumptions are valid when the conductivity contrast between background medium and the target anomalous body is low enough. So this approach can only be applied to the models with low conductivity contrast. To verify the algorithm, traveltime calculated by this approach was compared to that of direct transform method and exact traveltime, calculated analytically, for homogeneous whole space. The error in first arrival picked by this study was less than that of direct transformation method, especially when the number of frequency samples is less than 10, or when the data are noisy. Layered earth model with varying conductivity contrasts and inclined dyke model have been successfully imaged by applying nonlinear traveltime tomography in 30 iterations within three CPU minutes on a IBM Pentium Pro 200 MHz.