지질 조사에서는, 지구 자기장의 방향을 재고, 지구 자기장의 북극과 지리적 북극의 차이인 자편각을 안다는 가정 하에 종 래의 자기장 나침반으로 지질 구조면의 주향을 재고, 추가 언제나 지구 중심을 향한다는 점에 바탕하여 경사를 잰다. 그러 나 예를 들어 자철광 지역을 조사할 때에는, 자철광이 만들어내는 자기적 잡음 때문에 주향을 정확히 잴 수 없다. 우리는 이러한 험한 환경에서도 지질 구조면의 주향과 경사를 잴 수 있는 종합 나침반을 구성하였다. 이 종합 나침반은, 공간에 어 떤 평면, 즉 지질 구조면이 있을 때, 그 평면 위에 있는 세 점을 알면, 그 평면은 단 하나로 결정되며, 그렇게 결정된 평면과 수평면과의 관계로부터 지질 구조면의 주향과 경사를 계산할 수 있다는 사실에 터하고 있다. 3 성분 자력계, 3 성분 INS, 3 성분 가속도계를 같은 프레임 위에, 각각의 좌표계의 각 축들이 서로 일치하도록 놓는다. 3 성분 INS로부터 나오는 3개의 자세각(오일러 각, 빗놀이 = 요, 키놀이 = 피치, 옆놀이 = 롤)이 정확하고, INS의 X축과 Y축이 수평면과 만드는 두 각의 절 대값이 모두 90도보다 작으면, INS의 X축과 Y축이 만드는 평면이 지질 구조면에 해당하고, -Z축은 이 평면에 수직인 법선 이 된다. 이 법선과 수평면 사이의 관계로부터 이 지질 구조면의 주향과 경사를 계산할 수 있다. 그런데, 어떤 INS든 드리 프트가 있다. 가속도계의 X축과 Y축으로부터 나오는 값은 각각 INS의 키놀이와 옆놀이에 해당하고, 전자의 값들로 후자의 값들을 바꿈으로써 키놀이와 옆놀이를 보정할 수 있다. 한편, 3 성분 자력계로 잰 자기장 벡터를 키놀이와 옆놀이만큼 거 꾸로 회전한 뒤, 자기장의 X 성분과 Y 성분으로부터 자기장의 방위각을 계산할 수 있다. 이렇게 계산한 자기장의 방위각으 로부터, 국제 지자기 및 고층 대기 물리학 연합(IAGA)이 발표하는 국제 표준 지자기장(IGRF)으로부터 얻는 자편각을 빼면 그 결과가 프레임의 빗놀이가 된다. 이제 세 개의 자세각을 알았으므로 앞에서 설명한 방법으로 지질 구조면의 주향과 경 사를 계산할 수 있다. 이렇게 구성한 것을 ‘개선한 자기장 나침반’이라고 하자. 그러나 주변에 자기적 잡음이 있을 때에는 아직도 주향을 정확히 잴 수 없다. 이제, 자기장의 영향을 받지 않는 GNSS 나침반을 ‘개선한 자기장 나침반’의 프레임의 X 축과 일치하도록 놓는다. 그러면 기선의 방위각을 프레임의 빗놀이에 바로 넣을 수 있다. 이제 세 개의 자세각을 알았으므 로 지질 구조면의 주향과 경사를 계산할 수 있다. 이렇게 구성한 것을 종합 나침반이라고 하자. 이것으로는 주변에 자기적 잡음이 있을 때에도 주향을 정확히 잴 수 있다.

Construction of a Composite Compass able to easily use in Geological Survey

Mutaek Lim*, Youngsue Park, Younsoo Lee, Younghong Shin, Hyoungrae Rim, Kanghyeun Ji, Taehwan Jeon

In geological surveys, we measure the strike of a geological structural plane with a conventional magnetic compass by measuring the direction of the Earth's magnetic field and by knowing the magnetic declination, the difference between the geomagnetic north and the geological north, and we measure the dip of a geological structural plane based on the fact that a weight always points toward the center of the earth. However, when investigating a magnetite area, for example, we cannot accurately measure the strike due to the distortion of the ambient magnetic field because of the additive magnetic field as noise produced by the magnetite itself. We constructed a composite compass by which we can measure the strike and the dip of the geological structural plane even in such a tough environment. If there is a plane in space, for example a geological structural plane, and if we know three points on that plane, then the plane is determined as being unique, and we can calculate the strike and the dip of a geological structural plane from the relationship between the plane so determined and the horizontal plane. We install a three component magnetometer, a three component INS, and a three component accelerometer on a same frame so that each axis of coordinate system of each instrument coincide. If the three attitude angles (yaw, pitch, roll) from the INS are correct, and the absolute values of the two angles which the X-axis and Y-axis of the INS make with the horizontal plane are less than 90 degrees, the plane made by the X-axis and the Y-axis of the INS corresponds to the geological structural plane, -Z-axis is normal line perpendicular to the plane. We can calculate the strike and dip of the geological structural plane from the relationship between this normal line and the horizontal plane. By the way, any INS has drift. The values of the X-axis and the Y-axis from the accelerometer correspond to the pitch and the roll of the INS and so we can correct the pitch and the roll by replacing the later values with the former values. Meanwhile, if we rotate inversely the magnetic field vector measured by the three component magnetometer through the pitch and the roll we can calculate the azimuth of the magnetic field from the X-component and the Y-component. From such calculated azimuth of the magnetic field if we subtract the magnetic declination obtained from IGRF (International Geomagnetic Reference Field) announced by the International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA), the result is the yaw of the frame. Now as we know the three attitude angles, we can calculate the strike and the dip of the geological structural plane according to previously explained method. Let’s call thus constructed compass as an ‘improved magnetic compass’. But if there is magnetic noise, we cannot yet measure the strike correctly. Now we add a GNSS compass not influenced by magnetic field to the ‘improved magnetic compass’ so that its baseline coincides with the X-axis of the frame. Then we can put the azimuth of the baseline into the yaw directly. As we know the three attitude angles, we can calculate the strike and the dip of the geological structural plane. Now, let’s call thus constructed compass as the ‘composite compass’. With this, we can measure the strike correctly even if there is magnetic noise.

Speaker 임무택* 한국지질자원연구원