KR101840782B1 - 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치 - Google Patents

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Abstract

극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치를 개시한다. 극지 환경용 지구물리탐사 전극장치는 비 분극 전극 및 비 분극 전극이 지면과 연결되도록 내부에 충진 되는 전도성 물질을 포함하는 내부틀; 내부틀을 감싸고, 전도성 물질이 지면과 연결되는 개구를 구비하고, 내부에 물 또는 공기 또는 물과 공기를 포함하는 모형틀; 및 모형틀 외부를 감싸고, 상기 전도성 물질이 지면과 연결되는 개방부를 구비하는 단열재; 를 포함한다.

Description

극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치 {ELECTRODE FOR GEOPHYSICAL EXTREME ENVIRONMENT PROSPECTING}
본 개시는 극지 환경에서 활용 가능한 지구물리탐사 전극 시스템 및 장치에 관한 것으로서 구체적으로, 극한 환경에 노출된 극지 표면 또는 하부에 설치되어 극지 지하구조를 정확하게 규명하고, 전극의 결빙 및 오작동 방지를 위한 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
도 1은 종래 자기지전류 탐사 모식도를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 자기지전류, 전기 비저항 등 탐사 데이터는 전극이 위치한 Ex, Ey 에서 측정되고, 데이터 로거(data logger)에 측정된 탐사 데이터를 수집하여 이들을 분석한다. 자기지전류 탐사는 대표적인 지구물리탐사 방법으로, 지하 내부의 전기전도도 구조를 규명하는 탐사 방법이다. 구체적으로, 자기지전류탐사는 지표의 자기장과 전기장을 측정한다. 자기장을 감지하는 경우 코일센서를 이용하여 비 접촉 식으로 코일에 유도되는 전류량을 이용해 측정한다. 전기장을 감지하는 경우는 전극을 대지에 접촉시켜 두 전극 사이에 걸리는 전위차를 측정하는데, 전극과 대지 사이에 발생하는 분극현상을 방지하기 위하여 전해액을 이용하여 전극과 대지를 접촉시키는 비 분극 전극이 주로 사용된다.
하지만, 극지 환경은 일반 지역과는 달리 표면이 얼음 또는 눈으로 덮여 있어 종래의 접지방식을 사용하는 경우 전해액의 결빙에 따른 전기적 잡음으로 인하여 자기지전류 탐사의 측정 요소 중의 하나인 전기장 측정에 한계가 있다.
1. 한국 특허공개 제 10-2006-0064923호(2006.06.14) 2. 한국 특허등록 제 10-1596313호(2016.02.16)
본 개시에서는 극지 표면에 뒤덮인 눈 속에 지구물리탐사 전극 장치를 매설하는 경우 접지 저항을 줄이고, 전해액의 결빙을 막아 전위를 안정적으로 측정함으로써, 극지 표면 하부 구조 및 상태를 정확하게 규명할 수 있는 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치를 제공한다.
하나의 실시예로서 온도 유지를 위한 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치는, 온도 유지를 위한 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치에 있어서, 비 분극 전극 및 비 분극 전극이 지면과 연결되도록 내부에 충진 되는 전도성 물질을 포함하는 내부틀; 내부틀을 감싸고, 전도성 물질이 지면과 연결되는 개구를 구비하고, 내부에 물 또는 공기 또는 물과 공기를 포함하는 모형틀; 및 모형틀 외부를 감싸고, 전도성 물질이 지면과 연결되는 개방부를 구비하는 단열재; 를 포함한다.
다른 실시예로서 극지 환경용 지구물리탐사 시스템은, 실시예에 따른 전극장치; 전극장치로부터 전송된 극지 탐사 데이터를 수신하여 전극장치의 운용 가능한 시간 및 극지 표면 하부 물성 변화에 따른 이상대를 파악하는 분석장치; 를 포함한다.
극지 환경에서 활용 가능한 지구물리탐사 전극 장치를 통해 기존 일반적인 환경에서 사용하는 전극의 한계 예컨대, 측정 시 높은 접지저항 문제 및 극한 온도에서의 센서 오작동 발생 등을 극복할 수 있다.
또한, 극지 환경용 전극탐사장치를 극지 표면 또는 하부에 설치하여 극지 지하구조를 보다 명확하게 규명할 수 있다.
아울러, 본 개시에 따른 극지환경용 지구물리탐사 전극 장치를 활용하여 극지에서도 보다 지속적이고 안정적으로 자기지전류 탐사를 수행함으로써 탐사 결과(자료)의 정확성 증대, 탐사 편의성 증대, 탐사 비용 절감 효과를 창출한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 자기지전류(MT; Magnetotellurics) 탐사 모식도
도 2는 실시예에 따른 극지 환경의 지구물리탐사 시스템 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치를 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 전극 장치(100)의 데이터 처리 블록 구성을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 분석장치(200)의 구성을 나타낸 블록도
도 6a 및 도 6b 는 전극장치에서 센싱된 데이터의 모델링 분석 실시예를 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따른 극지 탐사용 전극장치 내부 구성 물질에 따라 달라지는 온도를 나타낸 그래프
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 실시예에 따른 극지 환경의 지구물리탐사 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 극지 환경에서 이용되는 지구물리 탐사 시스템은 전극장치(100) 및 분석장치(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
전극장치(100)는 극지 환경의 지면(a)과 접촉하여 극지 탐사 데이터를 지속적으로 센싱 한다. 극지 탐사 데이터는 극지 표면 하부의 물성변화 및 이상대 판단에 필요한 데이터로 지면의 온도, 전기저항, 전기 비저항 반응 특성 및 자기지전류(MT, magnetotellurics) 등을 포함할 수 있다. 실시예에서 전극장치(100)는 전기장 데이터를 측정하고, 이를 자기장센서의 자기장 데이터와 결합하여 전기비저항 데이터를 산출하고, 이로부터 지하 하부 물성 변화 및 이상대를 파악할 수 있도록 한다. 자기지전류를 이용한 탐사는 자연적으로 존재하는 전자기장을 평면파 송신원으로 이용하여 지하의 전기전도도 분포를 규명하는 주파수영역전자탐사 방법 중 하나이다. 통상 MT 탐사라 부르고 사용 주파수 대역은 0.001Hz 에서 수십 kHz까지 이르므로 지하 수십 km까지 탐사가 가능한 심부 탐사법이다. 주 송신원은 태양의 흑점 활동과 관련된 전리층의 교란에 의한 1Hz 이하의 자연 전자기장과 뇌우 등에 의한 1Hz 이상의 대기전자기장이다. 지표에서 서로 직교하는 전기장, 자기장의 수평성분 및 수직 자기장의 5성분 신호를 연속적으로 측정하고, 자기지전류 탐사를 통해 지하구조가 1차원이 아닐 경우에는 텐서 임피던스로부터 지하구조의 주향 방향 및 3차원 구조의 존재 여부도 구할 수 있다.
분석장치(200)는 전극장치(100)로부터 전송된 극지 탐사 데이터를 수신하여 전극 장치(200) 및 탐사 시스템의 운용 가능 시간을 파악하고 극지 탐사 데이터를 기반으로 극지 표면 하부 물성 변화에 따른 이상대를 파악한다. 예컨대, 분석장치(200)는 전극장치(100)에서 측정된 전기장 데이터를 전달받아, 이를 자기장센서의 자기장 데이터와 결합하여 전기비저항 데이터를 산출하고, 이로부터 지하 하부 물성 변화 및 이상대를 파악할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치를 나타낸 도면이다. 도 3에 개시된 도면(a)은 전극장치의 단면도이고, (b)는 전극장치의 3차원 시스템 설계도이다.
도 3을 참조하면, 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치는 내부틀(2), 내부 틀 안의 전도성 물질(5), 모형틀(3) 및 단열재(4)를 포함하여 구성될 수 있다.
내부틀(2)은 비 분극 전극 및 비 분극 전극이 지면과 연결되도록 내부에 충진 되는 전도성 물질을 포함한다. 구체적으로 내부틀(2)에는 극지 환경의 지면과 접촉하는 전도성 물질 및 비 분극 전극(non-polarized electrode)(1)이 포함된다. 실시예에서 전도성 물질에는 벤토나이트(bentonite), 염수 등이 포함될 수 있다. 이러한 전도성 물질은 비 분극 전극과 지표 사이의 접지 저항을 최소화시키고 전해액 결빙을 방지한다.
모형틀(3)은 내부틀을 감싸고, 전도성 물질이 지면과 연결되는 개구를 구비하고, 내부에 물 또는 공기 또는 물과 공기를 포함한다. 예컨대 내부틀(2)은 일정 공간을 두고 감싸고, 내부틀(2) 일면은 모형틀(3) 일측에 구비된 개구를 통해 외부와 연결된다. 모형틀(3)과 내부틀(2) 사이 일정 공간은 대부분 물로 채워지고, 일부는 공기로 채워진다. 또한 내부틀(2)안에는 벤토나이트(Bentonite), 염(salt), 물(water), 전극 겔(electrode gel) 등을 포함하는 전도성 물질(5)이 담길 수 있다.
실시예에서 모형틀(3)에 담긴 물과 공기는 전극장치(100) 내부가 극지의 환경 영향을 덜 받도록 완충역할을 하여 전극장치가 극지환경에서 눈 속에 뒤덮인 경우에도 비 분극 전극이 극지 탐사 데이터를 원활히 센싱할 수 있게 한다. 즉 영하의 극저온 환경에서 모형틀과 내부틀 사이에 채워진 물이 결빙될 때 발생하는 잠열에 의해 내부틀 내에 구비된 비 분극 전극의 결빙을 방지하고, 내부틀 내부 온도를 일정하게 유지시켜 비 분극 전극의 온도 변화에 따른 전기적 잡음을 최소화할 수 있게 된다.
단열재(Insulator)(4)는 모형틀(3) 외부를 감싼다. 구체적으로, 단열재(4)는 전도성 물질이 지면과 연결되는 개방부를 구비하는 모형틀(3)이 극지 환경에 노출되지 않도록 모형틀(3) 외부를 감싼다.
도 4는 실시예에 따른 전극 장치(100)의 데이터 처리 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 극지 환경용 지구물리탐사 전극장치(100)는 센서부(110) 및 통신부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 센서부(110)는 극지 환경의 지면과 접촉하여 지면의 온도, 전기 저항, 전기 비저항 반응 특성 및 자기지전류를 포함하는 극지 탐사 데이터를 센싱 하여 센싱된 데이터를 통신부(130)로 전달한다. 통신부(130)는 탐사 데이터를 수집하여 분석장치(200)로 전송한다. 실시예에서, 전극장치(100)에 데이터 분석 및 연산처리가 가능한 모듈을 탑재하는 경우, 센서부(110)에서 센싱된 극지 탐사 데이터를 분석하여 전극 시스템의 운용 가능한 시간 및 극지 표면 하부 물성 변화에 따른 이상대를 판단할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 분석장치(200)의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 6a 및 도 6b 는 전극장치에서 센싱된 데이터의 모델링 분석 실시예를 나타낸 도면이다. 이해를 돕기 위해 도 5 내지 도 6b를 함께 설명한다.
도 5를 참조하면, 분석장치(200)는 통신모듈(210) 및 분석모듈(230)을 포함하여 구성될 수 있고, 통신모듈(210)은 수신부(211) 및 송신부(213)을 포함하여 구성될 수 있고, 분석모듈(230)은 데이터 모델링부(231) 및 판단부(233)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 ‘모듈’ 이라는 용어는 용어가 사용된 문맥에 따라서, 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 소프트웨어는 기계어, 펌웨어(firmware), 임베디드코드(embedded code), 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 예로, 하드웨어는 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어, 센서, 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System), 수동 디바이스, 또는 그 조합일 수 있다.
통신모듈(210)은 전극장치(100)로부터 극지 환경 탐지 데이터를 수신하여 이를 분석모듈(230)으로 전달하고 분석장치(200)에서 전극장치(100) 제어신호를 생성하는 경우 이를 전극장치(100)로 전송할 수 있다.
분석모듈(230)의 데이터모델링부(231)는 극지 탐사 데이터를 유한 요소법 (Finite Elements Method)을 통해 모델링 한다. 유한 요소법은 대상의 물체를 유한 개의 ‘요소(factor)’로 분할하여 각 영역에 관하여 계산해나가는 방법으로, 연속체인 구조물을 1차원인 막대, 2차원인 삼각형이나 사각형, 3차원인 중실체(예컨대, 사면체, 6면체)의 유한 개의 요소로 분할하여 각 영역에 관하여 에너지원리를 기초로 하는 근사해법에 기하여 계산을 해나가는 수치계산방법이다.
도 6a는 유한요소법을 이용한 데이터 모델링을 본 개시에 적용한 실시예를 나타내는 도면이다. 구체적으로 도 6a에는 비 분극 전극(1)의 초기온도가 5도C이고, 영하10도C의 눈 속에 매설한 후 36시간 경과 후의 온도분포(단위: 캘빈)를 나타낸 도면이다. 유한요소 모델링은 본 개시에서 전극장치의 효과를 보여주기 위해서 수행한 분석방법 중 하나일 뿐, 데이터 분석 방법을 한정하는 것이 아니다.
판단부(233)는 데이터 모델링 결과 및 유한 요소법에 의한 연산 결과를 기반으로 극지 표면 하부 물성 변화에 따른 이상대를 파악할 수 있다. 예컨대, 판단부(233)은 전극장치(100)에서 센싱된 온도 데이터를 통해 도 6b에 도시된 바와 같이, 시간 경과(1H, 6H, 12H, 120H, 180H)에 따른 전극시스템 내부 온도 변화 양상 분석을 통해 극지 환경에서 탐사 데이터를 관측 가능한 시간 및 전극 장치와 탐사 시스템의 운용 가능한 적정 기간을 파악 할 수 있다.
이하에서는 극지환경의 지구 물리탐사 방법에 대해서 차례로 설명한다. 본 발명에 따른 지구물리 탐사 방법의 작용(기능)은 지구 물리 탐사 시스템 및 전극장치의 기능과 본질적으로 같은 것이므로 도 1 내지 도 6과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 7은 실시예에 따른 극지 탐사용 전극장치 내부 구성 물질에 따라 달라지는 온도를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 전극장치를 구성하는 단열재(Insulator)의 존재 여부 및 내부 구성 물질에 따라 전극장치의 온도가 변하는 것을 알 수 있다. 예컨대, 전극장치 모형틀에 물, 공기 등을 채움에 따라 전극시스템 내부 중심 온도가 변화하는 양상을 확인할 수 있다. 도 7에 개시된 그래프의 X축은 시간(day), Y축은 전극시스템 내부 중심 온도(℃)이다. 그래프를 살펴보면, 단열재 존재 여부와 무관하게 공기로 채워질 경우 전극장치 내부 중심 온도는 급격히 하락하여 최대 12시간을 사용하기 어려운 것을 확인할 수 있고(a, b), 모형틀이 물로 채워졌을 때, 단열재가 없는 경우(c) 약 12시간 관측 가능하고, 전극장치의 모형틀이 물로 채워졌을 때, 단열재가 존재하는 경우(d) 약 5-6일간 관측 가능한 것을 알 수 있다.
도 7에 개시된 전극장치 내부 구성 물질과 단열재 존재 여부에 따른 온도 변화 양상을 통해, 단열재가 설치된 전극장치의 모형틀에 물, 공기 등을 채움으로써 단열 효과를 증대시켜 극지 환경에서도 전극 장치를 이용해 일정 기간 동안의 자기지전류 관측이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
본 개시에 따른 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치 및 극지환경용 지구물리탐사 시스템은 극지에서도 자기지전류 탐사를 안정적으로 수행함으로써, 극지 환경 탐사 비용 절감 및 탐사 편의성을 증대시키는 효과를 창출한다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.
100: 전극장치
1: 비 분극 전극
2: 내부틀
3: 모형틀
4: 단열재
110: 센서부 130: 통신부
200: 분석장치
210: 통신모듈
230: 분석모듈
231: 데이터 모델링부
233: 판단부

Claims (5)

  1. 온도 유지를 위한 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치에 있어서,
    비 분극 전극 및 상기 비 분극 전극이 지면과 연결되도록 내부에 충진 되는 전도성 물질(5)을 포함하는 내부틀(2);
    상기 내부틀을 감싸고, 상기 전도성 물질(5)이 지면과 연결되는 개구를 구비하고, 내부에 물 또는 공기 또는 물과 공기를 포함하는 모형틀(3); 및
    상기 모형틀 외부를 감싸고, 상기 전도성 물질(5)이 지면과 연결되는 개방부를 구비하는 단열재(4); 를 포함하고
    상기 모형틀(3)과 내부틀(2) 사이 일정 공간은 극저온 환경에서 결빙될 때 잠열을 발생하고 상기 내부틀(2) 내부 온도를 일정하게 유지시키는 물 또는 물과 공기로 채워지고,
    상기 전도성 물질(5)은 벤토나이트(Bentonite), 염(salt), 또는 전극 겔(electrode gel)을 포함하는 것을 특징으로 하는 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치는
    지면과 접촉하여 지면의 온도, 전기 저항, 전기 비저항 반응 특성 및 자기지전류를 포함하는 극지 탐사 데이터를 지속적으로 센싱하는 것을 특징으로 하는 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전도성 물질은
    벤토나이트, 염수 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 극지 환경용 지구물리탐사 전극 장치.
  4. 극지 환경용 지구물리탐사 시스템에 있어서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 전극장치;
    상기 전극장치로부터 전송된 극지 탐사 데이터를 수신하여 상기 전극장치의 운용 가능한 시간 및 극지 표면 하부 물성 변화에 따른 이상대를 파악하는 분석장치; 를 포함하는 극지 환경용 지구 물리탐사 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 분석장치는
    상기 극지 탐사 데이터를 유한 요소법 (Finite Elements Method)을 통해 모델링 하여 극지 표면 하부 물성 변화에 따른 이상대를 파악하는 것을 특징으로 하는 극지 환경용 지구 물리탐사 시스템.




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조대훈, 이기식, 남승욱, 박대현, 이명종. 대지비저항 역산을 이용한 3차원 구조 대지비저항 영상화. 2010년도 대한전기학회 전기설비부문회 정기총회 및 추계학술대회 논문집. 2010년 11월 12-13일. 95-98쪽 1부. *

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