지구시스템과학 탄성파 탐사법 (지표탐사)

목 차 개 요 탐 사 원 리 탐 사 방 법 결 과 해 석 적 용 분 야 및 사 례 적 용 한 계 와 발 전 방 향

개 요

물 리 탐 사 물리탐사(geophysical prospecting) 지하 매질의 물리적 특성을 측정하고 해석하여 물 리 탐 사 물리탐사(geophysical prospecting) 지하 매질의 물리적 특성을 측정하고 해석하여 지하의 상태를 규명하는 학문 연관성 순수지구물리학 지구 전체를 하나의 매질로 보고 지표 및 지구 내부의 물리적 특성을 규명하는 학문 물리탐사에 비해 경제적 목적이 더 적음 응용지구물리학(★) 비교적 얕은 천부를 대상으로 함

물 리 탐 사 방 법 탐사 방법에 따라 수행하는 위치에 따른 구분 대상에 따른 구분 물 리 탐 사 방 법 탐사 방법에 따라 중력탐사, 자력탐사, 탄성파탐사, 전기탐사, 전자탐사, 방사능탐사, 물리검증 등의 방법이 있음 수행하는 위치에 따른 구분 지표, 항공, 해상, 시추공 물리탐사로 구분 대상에 따른 구분 각종 자원탐사를 목적으로 하는 탐사지구물리 각종 공학적 응용을 다루는 토목지구물리 환경분야의 응용을 다루는 환경지구물리

일반적인 물리탐사 과정 물리탐사 순서 물리탐사 과정 개략탐사로부터 주 이상대(異常帶)를 추출하고 이곳을 대상으로 정밀탐사를 수행 물리탐사 과정 자료획득, 자료처리, 자료해석의 3과정으로 구분 종래에는 자료획득과정이 자료해석으로 직접 연결 최근 추세 컴퓨터 기술의 발전 → 자료처리 과정이 주요 단계로 정착 시뮬레이션 기법과 수치역산법의 발달 → 자료해석 비중 증가

탄성파 탐사법 (1/3) 개 요 암석이나 광물의 탄성 차이에 의한 탄성파의 전파속도 차이를 측정하고 이를 해석하는 탐사법 개 요 암석이나 광물의 탄성 차이에 의한 탄성파의 전파속도 차이를 측정하고 이를 해석하는 탐사법 석유탐사분야에서 가장 광범위하게 쓰임 지반 및 복잡한 지질구조를 조사할 때도 사용됨 기본원리 인공 발생시킨 탄성파가 대상 매질을 투과, 반사, 굴절하는 파동 특성을 이용함 구 분 탄성파 반사법 탐사 탄성파 굴절법 탐사 탄성파 반사법 탐사 : 파의 반사된 형태와 시간을 이용하여 지하 매질의 형태를 추정하는 경우 탄성파 굴절법 탐사 : 임계각을 따라 굴절 전파되는 탄성파의 거리, 시간정보를 이용하는 방식 를 말하는데 여기서 굴절법 탐사에 대해 알아보자면,

탄성파 탐사법 (2/3) 탄성파 굴절법 탐사 특 징 사용분야 지하 매질에 대한 속도와 심도 정보를 동시에 제공함 특 징 지하 매질에 대한 속도와 심도 정보를 동시에 제공함 탐사 장비가 비교적 간단하고 조작이 용이함 탐사 작업이 용이하고 경제적 사용분야 댐이나 도로 등 대규모 구조물 설치를 위한 기반조사 중요한 석유 부존 구조 중의 하나인 암염돔 탐사 미개발 지역에 대한 지질조사 지하수 탐사, 광물 탐사 등

탄성파 탐사법 (3/3) 적용되는 물리적 법칙 반사각 일정의 법칙, 스넬(Snell)의 법칙 특정 매질에 입사되는 파는 투사된 각도와 동일한 각도로 반사된다 굴절되어 매질내로 전파되는 파는 매질이 가지고 있는 탄성과 통과속도에 따라 굴절각도가 변한다 매질경계에서의 반사의 경우 반사계수가 중요한 역할을 함 이때 반사계수는 경계를 이루는 두 매질의 밀도와 탄성파 통과속도 곱의 차이에서 기인됨

탐 사 원 리

굴절법 탐사 이론 (1/3) 이러한 구형 파면의 전파는 거리가 멀어지면 평면으로 근사됨 → 평면파 가정 균질한 매질 평면파 가정 : 파의 거동을 설명할 때 중요한 근거 이러한 구형 파면의 전파 → 호이겐스의 원리를 따름 다음과 같은 조건에서 매질 내 임의의 한 점에서 주어진 교란에 의한 탄성파는 다음과 같이 잔잔한 수면에 돌을 던진 경우와 유사하게 구의 형태를 이루며 전파되고 이런 구형 파면의 전파는 호이겐스의 원리를 따르게 됩니다. 균질한 매질 각 방향의 전파속도는 동일함

굴절법 탐사 이론 (2/3) 임계굴절 스넬(Snell)의 법칙 하부 매질의 전파속도가 상부보다 클 때 발생 이때 임사각을 “임계각”이라 함 스넬(Snell)의 법칙 속도가 다른 두 매질의 경계면에 탄성파가 입사하게 되면 일부는 하부로, 일부는 경계면에 반사 이때 임계각과 굴절각의 비 → 상하부 매질에서의 전파속도의 비와 같음

굴절법 탐사 이론 (3/3) 호이겐스의 원리 임계각의 임계굴절파가 상향 굴절하여 지표에 도달하는 원리 탐지지점 호이겐스의 원리 임계각의 임계굴절파가 상향 굴절하여 지표에 도달하는 원리 지표상에서 굴절파를 탐사할 수 있게 하는 원리 ※ 탐지 이후엔 선두파가 직접파보다 빨리 도착

탐 사 방 법

3D 탄성파 탐사 (1/5) 2차원 탐사의 문제점 2D 격자망 탐사의 경우 동일 지역 탐사 후 자료의 중첩으로 해석결과 변화 격자망 사이의 정보 無 → 해석시 다른결과 도출 가능 동일 지역 탐사 후 자료의 중첩으로 해석결과 변화 → 초기의 해석결과에서 결과가 변화하게 됨 탐사측선의 교차 지점에서 구조 보정의 결과로 서로 다른 측선간에 mis tie 문제점 발생 가능 동일 지질모델에 대하여 2D 및 3D 탐사결과로부터 서로 다른 지질해석 도출이 가능함

3D 탄성파 탐사 (2/5) 3D 탄성파 탐사의 궁극적인 고안 목적 2D 탐사자료 해석시 발생 가능한 문제점 감소 → 정밀하고 정확한 지질해석 3D적인 지하구조 → 현재 2D 탐사로는 구조 영상화에 원천적인 한계 내재 이러한 문제들을 종합적으로 해결하고 보다 정확한 조사 결과를 획득함으로서 경제적인 탐사를 하기 위해 3D탐사의 필요성이 부각됨

이러한 사전 준비를 통해 막대한 경비가 소요되는 탐사를 경제적으로 수행하여 소기의 목적 달성 가능 3D 탄성파 탐사 (3/5) 3D 탄성파 탐사시 요구되는 준비 2D 탐사와는 달리 여러 복잡한 장비의 배열, 지질 구조에 맞는 취득변수의 선정 등이 필요 탐사 수행 이전에 탐사지역 선정, 자료취득, 자료 처리과정을 고려한 탐사변수의 결정 등 정밀한 설계 요구됨 이러한 사전 준비를 통해 막대한 경비가 소요되는 탐사를 경제적으로 수행하여 소기의 목적 달성 가능

3D 탄성파 탐사 (4/5) 3D 탄성파 탐사의 구성 자료기록관측 (Observer) 실시간 탄성파 신호 디스플레이 Streamer 및 기록장비, Air gun 조절 시스템 조작 실시간 탄성파 신호 디스플레이 Streamer진수 주관, 관련 장비의 정비 및 관리 품질관리 (Quality Control) 3D 지하 입체구조 작성, 2D의 경우 지하단면도 작성 항측 (Navigation) GPS를 활용하여 관련 장비의 위치 및 시간정보 유지 음원 및 수신장비 (Mechanic) Air gun & Air compressor plant 관련 장비 정비, 관리

3D 탄성파 탐사 (5/5) 음원의 종류 육상탐사와 해상탐사에 따라 구분함 주로 사용하는 것 위주로 나열 현재 해상탐사에서는 환경문제를 이유로 폭발성 음원은 사용이 제한됨 육상탐사 중추낙하 : Hammer 폭발성 음원 : Dynamite, 8-gauge shotgun 진동성 음원 : Vibroseis, Dinoseis 해상탐사 Air gun, Speaker, Boomer, SBP(Sub-Bottom Profiler) SBP Boomer Vibroseis Air Gun

- 강원도 도계의 채탄에 의한 지반 침하지역에 관하여 - 결 과 해 석 - 강원도 도계의 채탄에 의한 지반 침하지역에 관하여 -

결 과 해 석 (1/4) 탐사목적 지역의 특성 1년 시차 사이에 실시된 지반 보강 공사전과 후에 획득한 탄성파 영상자료를 비교 보강 공사가 지반에 미친 영향 평가 지역의 특성 주향 : N30 ~ 40E 경사 : NW, SE 금풍갱 및 남풍갱 중부향사 동익부 저경사 탄층(탄폭 20.~3.0m) 을 심도 2.5m에서 6.5m 연층으로 개발

결 과 해 석 (2/4) 자료 획득과 수신기 배열 10kg Hammer를 파원으로 사용 자료 기록은 0.5msec간격으로 0.5초간 실시 모두 18채널 자료 수신기는 40Hz의 지오폰을 사용함 4개의 수신기 배열로 48개 수신기 설치 간격은 인라인과 크로스라인 방향으로 2m간격, 크로스 라인 방향으로 1m간격으로 함 2,210회 타격하여 총 트레이스 수는 106,080개 그림 오른쪽 : 탐사 대상지역 왼쪽 : 수신기의 배치

결 과 해 석 (3/4) 획득자료 해석 3-a(좌상) 3-b(좌하) 흰색부분 검은색부분 막대형 심볼 : 철로 지반 → 지반보강공사 이전 3-b(좌하) → 지반보강공사 이후 흰색부분 시간 깊이가 낮은 부분 검은색부분 시간 깊이가 깊은 부분 막대형 심볼 : 철로 지반 3-a 3-b

결 과 해 석 (4/4) 변화가 양(+)인 경우 변화가 음(-)인 경우 4-a 4-b 매질의 전파속도가 빨라진 경우 변화가 음(-)인 경우 매질의 전파속도가 느려진 경우 4-a 3-a를 구성하는 각 점의 시간에서 이에 대응하는 3-b의 시간을 뺀 것 4-a에서 철로부근의 속도 감소는 극히 적으나 그외 지역에서는 속도 감소 4-b 시간의 변화를 통계적으로 평가하기 위하여 보강공사 전과 후의 데이터 중 첫번째 반사 이벤트 부근 데이터의 격자 상관관계를 통하여 산출한 결과 두 그림의 유사성을 통해 1년간 철로 지반 이외의 부분에서는 계속적으로 침하가 이루어진 것으로 해석할 수 있다. 4-a 4-b

적용분야 및 사례

적용분야 및 사례 (1/4) 적용분야 #1. 유전탐사 지질조사와 지구물리탐사 등의 방법을 이용해왔음 지질조사만으론 한계 있고, 바다에서는 실시 불가 지하 깊은 곳의 지질구조, 지층상태를 알기 위해 지구물리탐사를 실시 에너지 자원 기존 에너지 – 석유 및 가스 신 에너지 – 가스 하이드레이트 대체 에너지 – 지열 및 조 / 파력 광물 자원 망간 단괴, 골재 자원, 사광상 지하 공간 자원 해저면 및 지하공간 활용

적용분야 및 사례 (2/4) #2. 터널 갱구부 지반조사방법 터널 갱구부 → 시추장비 도달 가능 → 시추조사를 4~5공 터널 중심을 대칭으로 실시하는 것이 중요 이때 지질 주상도에 따라 풍화암종을 대상으로 토피고 1D이상까지 개착으로 갱구사면 형성 직접 시추조사 이외에 공대공탄성파 검사 수행 → 시추공 사이의 지층별 탄성파 속도 획득 가능 → 시추조사로 알 수 없는 파쇄대까지 파악 가능 탄성파 속도 : 암반의 연경을 판단할 수 있는 지표가 됨 터널 중심선을 따라 격자망으로 전기 저항탐사 수행시 지하수 유무 및 전기비저항에 따른 암반의 연경 획득 가능 → 3차원적인 지층구분선 획득 가능

적용분야 및 사례 (3/4) 사례 1. 동해 가스 하이드레이트 탐사작업 가스 하이드레이트 천연가스가 물분자와 결합해 얼음형태로 된 에너지원 영구동토 지역 및 심해지역에 주로 분포 전세계에 약 10억톤, 국내에 약 6억톤 매장 추정됨 경북 포항 기점 130km해상의 유망1 지역에서 400㎢에 대한 3차원 정밀 탄성파 탐사작업 실시 시료의 체취, 분석도 병행 성공적으로 완료시 국내 최초 가스 하이드레이트 시험시추 가능할 것으로 예상

적용분야 및 사례 (4/4) 사례 2. 남극의 지질환경 탐사 해양 탄성파 탐사를 통해 남극 대륙붕의 구조, 빙하퇴적층 등을 연구하여 과거 남극의 기후변화기록 복원 우리나라도 남극반도 주변 대륙붕을 중심으로 해양탄성파 탐사를 통해 해저분지의 성인, 구조 및 규모를 파악하는 연구 수행중 남극 주변부의 지지, 지체구조 형성과정 등을 파악하고 유추하여 해저 석유, 가스 등 남극자원개발을 위한 필수자료 획득을 목적으로 함 가장 유용한 탐사방법의 하나로 탄성파 탐사가 활용중임

적용 한계와 발전 방향

적용 한계와 발전 방향 (1/2) 탄성파 탐사의 기술현황 현대 석유탐사 미국, 노르웨이, 영국, 프랑스, 독일 등의 다국적 전통적 대규모 배사구조보다 subtle trap혹은 극한 지역 탐사 혹은 대수심 지역탐사 등 고난도 탐사를 위주로 탐사 미국, 노르웨이, 영국, 프랑스, 독일 등의 다국적 전문탐사기업에서 배타적 기술독점ㆍ주도 중국도 미국기술을 도입하여 Binhai 511호 등 수 척의 석유탐사선 보유, 4중합 3차원 탄성파 탐사 수행 가능 탐사선 건조는 노르웨이가 주도, 영국도 기술 보유 탐사장비 제작 기술은 미국,노르웨이,일본 등이 주도

적용 한계와 발전 방향 (2/2) 우리 나라의 실정과 과제 실 정 과 제 요구되는 사항 실 정 탐사 경험 부족 → 탐사 장비에 대한 이해 부족 → 장비 취급 수준 미숙 → 자료취득 능력 보완 요망 장비 고장에 대한 응급 대처 능력도 부족함 과 제 장비 취급의 숙련도 달성 해저지반 탐사를 위한 디지털 탐사기술 확립 기반암 정보획득 기술(다양한 탐사 방법 개발) 신속ㆍ정확한 모델링 기술 3차원 기반 구조해석 기술 요구되는 사항 민ㆍ관 협조하의 기술 개발 및 협조체제 구축 전문인력 양성 등 정부의 지속적인 투자

끝 짧지않은 시간 경청해주셔서 감사합니다!