중력클럽 2016 선상중력자료 및 해상중력모델을 이용한 동해 지역의 완전부우게 이상 계산 강원대학교 이동하

목 차 I 연구의 배경 및 목적 II 연 구 내 용 완전부우게 보정의 방법 동해 지역 완전부우게 이상의 계산 연 구 내 용 완전부우게 보정의 방법 동해 지역 완전부우게 이상의 계산 결과의 비교 및 분석 III 결 론

Ch 1. 연구의 배경 및 목적

연구의 배경 중력이상 중력이상의 활 용 중력이상의 종 류 지구의 물리적 특성을 나타내는 중요한 지표 지오이드 상의 중력과 타원체 상의 정규중력과의 차이로 정의 중력이상의 발생 : 지하 이상체, 지각 구조 등에 기인한 중력효과 지구 내부의 밀도 불균등, 지각구조, 지오이드 모델 개발 등의 연구에 활용 측정된 중력값(지표면)에는 다양한 오차가 존재 : 측정오차, 타원체와 지오이드 간의 거리, 측정점과 지오이드 간의 거리, 지형의 형태, 지각의 밀도 등 보다 정확한 지구물리학적 해석 : 특정한 보정을 수행한 보정된 중력이상을 이용 보정을 위한 다양한 보정방법이 존재 -> 특별한 지구물리학적 특성을 나타냄 중력이상의 활 용 프리에어(Free-air) 이상 : 측정 중력값을 임의의 기준면, 통상 해수면의 값으로 환산한 중력이상 부우게(Bouguer) 이상 : 기준면과 측점 사이에 있는 물질의 인력에 의한 중력의 차이를 보정한 중력이상 아이소스타시(Isostasy) 이상 : 지각의 수평적 밀도 변화나 두께 변화를 보정한 중력이상. 표준중력식의 가정(지구 중심부터 거리가 같은 곳의 밀도는 모두 일정)을 지각평형설에 의해 보정 중력이상의 종 류

연구의 배경 측지학적 목적 : GVBP의 해결, 지질학적 해석 등 프리에어 이상 부우게 이상 해상에서 중력이상 활용의 문제점 ‘프리에어 이상’과 ‘부우게 이상’을 주로 사용 프리에어 이상 해양의 중력해석을 위한 표준으로 주로 이용 최근 정규표고체계를 이용하는 지역의 지오이드 모델 개발에 활발히 활용(Quasi-geoid 개념) 부우게 이상 육지의 지질학적 해석을 위한 표준으로 주로 이용 최근 해양부문에서의 활발한 이용 : 해저지형의 불규칙성 조사, 해저지형의 밀도 효과 산출 및 시각화 지형효과 보정방법에 따라 단순부우게, 완전부우게 이상으로 구분 해상에서 중력이상 활용의 문제점 광활한 해양에서의 중력측정을 위해서는 위성중력측정을 활용 위성중력측정 데이터 -> 해상중력모델(DTU13, Sandwell 모델)을 개발 -> 해상의 중력이상 제공 하지만, 해상중력모델에서는 프리에어 이상만을 제공하여 부우게 이상을 이용한 해상 지역의 정밀한 지구물리학적 특성 연구가 어려운 상태임

선상(KHOA), DTU13, Sandwell 모델 ETOPO1 Global Relief Model 연구의 목적 선상중력자료 및 해상중력모델의 프리에어 이상과 지형자료를 통해 동해 지역의 완전부우게 이상을 계산 및 분석 중력자료 : 선상(KHOA), DTU13, Sandwell 모델 지형자료 : ETOPO1 Global Relief Model 부우게 보정방법 : Bullard Correction 비교 및 분석 동해 지역에서 해상중력모델의 활용성 제시 6

Ch 2. 연구내용

완전부우게 보정의 방법 완전부우게 보정 Bullard 보정식 관측점에서 지형의 중력학적 인력의 영향은 3부분으로 구성 프리에어 이상에서 완전부우게 이상을 구하기 위해서는 이를 모두 보정하여야 함 Bullard(1936) : 각 영향을 계산하기 위한 수학적 방법(B.A, B.B, B.C)을 제시 Bullard 보정식 Bullard A (B.A) Correction (단순부우게 보정) Bullard B (B.B) Correction (곡률보정) Whitman 근사법(1991) 이용 : 4km 두께의 부우게 환에 대해 10-3mGal 정확도로 계산 가능 RT : 지구의 반경, Rd : 구면환의 범위(167km) * Hayford-Bowie 시스템의 외곽존 범위 * 무한 수평환과 구면환의 효과 간 차이 최소화

완전부우게 보정의 방법 Bullard C (B.C) Correction (지형보정) - 실제 관측점 주변의 지형에 의한 효과 : DEM과 같은 실제 지형의 형태 이용 - 매우 어렵고, 지루한 작업 : 최근까지도 지형보정을 위한 새로운 수치적 방법이 꾸준히 개발 - Fullea 등(2008)에 의한 새로운 방법 제시 : 보다 빠르고 정확한 지형보정량 계산 * Prism 방법에 기반한 지형효과 계산 시 Zone 별(외각, 중간, 내부)로 영향을 따로 계산 외곽존 범위 : 167km, 중간존 범위 : 20km 격자크기 : 4km(외곽), 2km(중간), 1km(내부) 특정 지역에 보다 고해상도의 DEM 존재 : 그 지역에 고해상도의 중간존 설정 가능 중간존 범위 20km(> 0.1 mGal 정확도) 9

동해 지역 완전부우게 이상의 계산 항목 기본사항(또는 Assumption) 선상중력자료 해상중력모델 표고(수심)모델 계산을 위한 기본사항 항목 기본사항(또는 Assumption) 선상중력자료 국립해양조사원에서 관측한 선상중력자료 이용 약 616,913 점 선정 (연구지역 내) 1996~97년 관측자료 (해양2000호) 해상중력모델 (Based on EGM2008) DTU13 모델 (해상도 1 min): 정확도 6.024 mGal (vs. 선상자료) Sandwell v23.1 모델 (해상도 1 min) : 정확도 5.998 mGal (vs. 선상자료) 표고(수심)모델 ETOPO1 모델(해상도 1 arc-min) : NGDC와 NOAA에서 개발 표고정확도(RMS) : 육상 18m, 해상 200m 부우게 보정방법 Bullard 보정방법에 기초 B.B : Whitman 근사법 B.C : Fullea 등(2008)이 제안한 Prism 모델 기반의 계산법 계산 Parameter 외곽존 범위 : 167km, 중간존 범위 : 20km 격자크기 : 4km(외부), 2km(중간), 1km(내부) 밀도 : 지형(2,670kg/m3), 해수(1,030kg/m3)

동해 지역 완전부우게 이상의 계산 (a) (b) 기초자료 (a) (b) (a) Distribution of shipborne gravity points (b) bathymetry from ETOPO1

동해 지역 완전부우게 이상의 계산 B.A 보정량 B.B 보정량 B.C 보정량 부우게 보정량의 계산 B.A 보정량 B.B 보정량 B.C 보정량 동해 지역의 Bullard 보정량(단위 : mGal) Corrections Min. Max. Mean Std. Dev. Bullard A -204.736 -19.976 96.853 50.066 Bullard B -26.326 22.538 -0.054 3.204 Bullard C -16.218 30.297 0.709 3.064

동해 지역 완전부우게 이상의 계산 자료별 중력이상 Sandwell 모델 DTU13 모델 선상중력자료

동해 지역 완전부우게 이상의 계산 (a) DTU13 Model (b) Sandwell Model 중력이상과 표고 간 상관관계 비교 프리에어 이상 : 표고와 비례관계 (수심이 낮을수록 낮은 이상값) 부우게 이상 : 표고와 반비례관계 (수심이 낮을수록 높은 이상값) 각 해상중력자료 모두 표고와 중력이상 간의 상관성을 잘 표현하고 있음 DTU13 모델 Sandwell 모델 (a) DTU13 Model (b) Sandwell Model

결과 비교 및 분석 가장 큰 완전부우게 이상값 : 수심이 가장 낮은 B 지역(>260mGal) 완전부우게 이상 비교 및 분석 가장 큰 완전부우게 이상값 : 수심이 가장 낮은 B 지역(>260mGal) 높은 이상값의 분포가 동해해분의 형태와 매우 유사하게 발생 울릉도 인근 및 동해해분 북동측 해구에서 두 모델 간의 다소 큰 차이 발생 - 차이에 대한 추가적인 연구 필요 -> 동해 지역에 적합한 모델 선정

(a) Shipborne – Sandwell 결과 비교 및 분석 자료 간 결과 비교 Grid Difference Min. Max. Mean Std. Dev. (a) Shipborne – Sandwell -29.357 34.692 4.256 5.998 (b) Shipborne - DTU13 -29.543 37.263 4.269 6.024 (c) DTU13 – Sandwell -6.797 7.477 -0.014 0.508

Ch 3. 결론

결론 1. 계산과정 정리 차량 MMS를 국가지리정보 구축에 적용하기 위해서는 2. 완전부우게 이상 계산결과 ETOPO1 모델의 1분 간격의 지형데이터를 이용하여 Bullard 방법에 기초한 부우게 보정량(B.A, B.B, B.C)을 계산하고, 이를 통해 동해 지역의 완전부우게 이상을 계산 보정량 계산을 위한 파라미터로 지형과 해수의 표준밀도 2,670㎏/㎥와 1,030㎏/㎥, 167㎞의 외부존 범위, 20㎞의 중간존 범위, 4㎞(외부), 2㎞(중간), 1km(내부)의 존별 격자크기를 설정 차량 MMS를 국가지리정보 구축에 적용하기 위해서는 2. 완전부우게 이상 계산결과 각 자료 모두 동해 지역에 대해 매우 유사한 중력이상의 분포를 보이고 있었으며, 계산된 각 중력이상이 표고(수심)과의 상관성을 잘 나타내는 것으로 분석되었음 높은 부우게 이상의 분포 형태가 연구대상지역 중 수심이 상대적으로 깊은 동해 해분의 형태와 매우 유사(가장 큰 부우게 이상값 분포 : 가장 낮은 수심분포를 보이는 지역) 차량 MMS를 국가지리정보 구축에 적용하기 위해서는 18

결론 3. 해상중력모델 간 차이 분석 차량 MMS를 국가지리정보 구축에 적용하기 위해서는 4. 선상중력자료와의 비교 및 분석 DTU13과 Sandwell 모델 간 울릉도 인근과 동해 해분의 북동측 해구 인근에서 다소 큰 차이가 발생, 두 모델 간 차이에 대한 원인을 명확히 분석할 필요가 있음 차량 MMS를 국가지리정보 구축에 적용하기 위해서는 4. 선상중력자료와의 비교 및 분석 국립해양조사원에서 관측한 선상중력자료와 두 해상중력모델을 비교한 결과, 연구대상지역 전반에 걸쳐 자료의 해상도에 따른 다소의 차이가 발생함을 확인 선상자료와 비교한 정확도는 두 해상중력모델 모두 매우 유사하나, Sandwell 모델이 상대적으로 조금 높은 정확도를 보이고 있음 완전부우게 이상 분포와 지질구조(특성)와의 상관성 파악을 위해 해양지질도 혹은 해저지질조사 자료 등과의 비교 필요 차량 MMS를 국가지리정보 구축에 적용하기 위해서는 5. 실제 밀도값 혹은 3D 밀도 모델 이용의 필요 실제 지형의 밀도가 아닌 전체적인 지형에 대한 표준값을 이용하는 경우에 최종적으로 결정되는 완전부우게 이상을 왜곡 차량 MMS를 국가지리정보 구축에 적용하기 위해서는 19

감사합니다 !