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문제 정의
- 동해의 가스하이드레이트 유망지역 중 한 지점을 선택하여 64채널 스트리머를 이용한 2차원 반사파 자료와 OBS를 이용한 광각 해저면 반사파 자료를 취득하고 이를 이용하여 BSR과 주변의 P파 속도분포를 도출하였다. 광각 OBS 탐사의 경우 이제까지 심부 지구조 연구를 위한 굴절법 탐사에 많이 활용되어왔으나 최근 세계적으로 가스하이드레이트 탐사 분야에서도 활발히 활용되고 있는 바, 울릉분지 내의 가스하이드레이트 유망지역에 대해 해저면 200 ~ 400 m 근처의 상대적으로 천부 반사파 취득을 목적으로 하여 탐사를 설계하였다. 2차원 반사법 탐사자료는 기본 전산처리를 통하여 중합단면도 도출에 사용되었고 셈블런스 속도분석을 함께 실시하여 층서 정보뿐만 아니라 기본 속도 정보를 얻게 해 주었다.
- 모델링을 위한 층서 모델을 제작하기 위해서는 BSR의 심도가 명확해야한다. 하지만 08GH-001 측선 상에는 침니/컬럼 구조나 강한 진폭 이벤트에 의해 일부 BSR이 보이지 않는 구간이 많으므로 이를 OBS자료의 분석을 통해 명확하게 규명하고자 한다. Fig.
가설 설정
- 모델의 속도구조는 τ −p 영역에서 그 효과가 뚜렷하게 나타날 수 있도록 1.5 km/s의 속도를 가진 해수층, 해저면에서 0.2 km까지는 1.8 km/s의 속도를 가진 0.2 km 두께의 고속도층(BSR 위), 그 아래에 0.2 km 두께의 1.4 km/s의 저속도층(free gas 층) 그리고 나머지 층은 2.0 km/s의 속도를 가진 0.6 km 두께의 층을 가정하였다(Fig. 8a).
제안 방법
- τ −p 변환 시 주시가 심도에 따라 연속적으로 변하는 굴절파의 경우 τ −p 영역에서 강한 진폭으로 반사이벤트를 가로질러 정확한 이벤트의 판별에 방해가 되기 때문에 이를 변환 전에 뮤팅(muting)으로 제거하고 0 ~ 0.687 s/km의 느리기 값과 0초부터 8초까지의 τ값의 범위로 τ −p 변환을 실시하였다(Fig. 9).
- 08GH-001 측선의 탐사를 종료한 후 모든 OBS를 회수하고 그 중 5대의 OBS를 동−서 방향 측선(08GH-002, 08GH-003)의 탐사를 위해 다시 투하하였다(Fig.
- 1)에 대하여 8대의 OBS를 이용한 광각 반사파 자료와 스트리머를 이용한 64채널 2차원 탄성파 반사법 탐사 자료를 동시에 취득하였다. 2차원 반사법 탐사자료로부터 기본적인 층서 정보 및 셈블런스(semblance) 속도 분석을 통해 광각 탄성파 자료 분석을 위한 초기 층서 모델을 제작하였다. 또한 각 OBS 자료를 τ −p (intercept time-ray parameter)영역에서 분석하여 1차원 구간 속도 분포를 구하고 이를 주시 역산을 위한 2차원 초기 속도 모델로 사용하였다.
- 2차원 탄성파 반사법 자료로부터 얻은 중합단면을 토대로 2차원 층서모델을 제작하고 여기에 τ −p 속도 분석을 통해 얻은 P파 속도를 가지고 초기 속도 모델을 제작하였다.
- 2차원 탄성파 자료의 처리를 위하여 구형발산 진폭보정(spherical divergence amplitude correction), bandpass filter (10 ~ 120 Hz)를 적용하고 셈블런스(semblance)를 이용한 속도분석을 실시하여 여기서 얻은 NMO 속도를 이용하여 중합단면도를 작성하였다(Fig. 3). 08GH-001 측선의 경우 2005년도 가스하이드레이트 2차원 탄성파 조사 때 이미 탐사한 측선으로 여기에는 탄성파 단면도상에서 가스하이드레이트의 부존을 나타내는 주요 탄성파적 징후인 BSR, 음향공백대(acoustic blanking zone) 그리고 침니/칼럼(chimney/column) 구조 등이 모두 나타나 있는 지역이다.
- Fig. 1(c)에서 남−북 방향의 주 측선(08GH-001)상에 8대의 OBS를 등간격으로 설치하고(1 ~ 8번 위치) 1,035 in3 용량의 에어건(airgun)을 이용하여 25 m 등간격 발파를 실시하였다.
- 모델링 과정에서 실제 주시와 계산 주시의 차이가 아주 클 때에는 모델링 결과를 바탕으로 실제 데이터의 해당 이벤트의 주시를 다시 발췌하였고 3회 이상의 주시의 반복 발췌에도 주시와 모델링의 결과의 차이가 크거나 비정상적인 속도나 심도가 도출될 경우에는 해당 주시를 역산에서 제외시켰다. 감쇠 최소 자승법을 사용한 역산 과정에서의 감쇠인자(damping factor)는 경험적인 값을 사용하였는데, 모든 층에 대해 첫 번째 계산에서 1로 시작하여 큰 변화를 주고 연이은 계산에서는 감쇠인자를 10배씩 증가시켜가면서 적용해갔다. 이렇게 구한 최종 심도 모델은 Fig.
- 광각 탄성파 OBS 자료를 이용하여 τ −p 영역에서 속도 분석을 실시하였고 그 결과와 2차원 반사법 중합 자료를 가지고 모델링과 탄성파주시역산을 수행하여 탐사 지역의 최종 2차원 속도 분포를 도출하였다.
- 그리고 Fig. 6에서와 같이 2차원 중합 단면상에서 선정한 주요 반사 이벤트에 해당하는 반사파 궤적을 모든 트레이스(trace)마다 발췌하고 이때 얻은 τ, p쌍을 가지고 앞서 검증한 프로그램을 이용하여 각 OBS 지점에서의 최종 1차원 구간 속도를 구하였다(Fig. 10).
- 이는 본 모델링에서 사용한 주시 발췌(picking)의 불확실정도(uncertainty)인 10 ms의 범위 내에 있기 때문에 2차원으로 간주하여 해석할 수 있다. 다만, 근거리 오프셋(near offset)의 주시는 모델링 및 역산에서 제외함으로써 수진기의 수평적 이격으로 인한 오차의 원인을 어느 정도 줄이는 방법을 사용하였다.
- 동해의 가스하이드레이트 유망지역 중 한 지점을 선택하여 64채널 스트리머를 이용한 2차원 반사파 자료와 OBS를 이용한 광각 해저면 반사파 자료를 취득하고 이를 이용하여 BSR과 주변의 P파 속도분포를 도출하였다. 광각 OBS 탐사의 경우 이제까지 심부 지구조 연구를 위한 굴절법 탐사에 많이 활용되어왔으나 최근 세계적으로 가스하이드레이트 탐사 분야에서도 활발히 활용되고 있는 바, 울릉분지 내의 가스하이드레이트 유망지역에 대해 해저면 200 ~ 400 m 근처의 상대적으로 천부 반사파 취득을 목적으로 하여 탐사를 설계하였다.
- 또한 각 OBS 자료를 τ −p (intercept time-ray parameter)영역에서 분석하여 1차원 구간 속도 분포를 구하고 이를 주시 역산을 위한 2차원 초기 속도 모델로 사용하였다.
- 본 연구에서는 2005년 동해 울릉분지에서 실시한 가스하이드레이트 2차원 탄성파 탐사를 통해 도출해낸 가스하이드레이트 유망지역 중 실제 시추가 이루어진 2지점을 지나가는 측선에 대한 BSR에서의 2차원 정밀 P파 속도구조를 OBS (oceanbottom seismometer)를 통하여 얻은 광각 탄성파 자료(wideangle seismic data)를 통해서 구하였다.
- 본 연구에서는 식 (4)를 이용하여 실제 τ −p 궤적과 가장 잘 일치하는 이론 곡선을 구하여 이에 해당하는 구간 속도를 결정하였다.
- 2007년, 가스하이드레이트 개발사업단에서는 울릉분지의 가스하이드레이트 유망지역을 선정하고 그 중 5 지점에 대해 물리검층을 실시하였다(김길영 외, 2008). 본 연구에서는 위의 시추지점 중 2 곳(UBGH-9 및 UBGH-10)을 선택하여 이를 지나는 주측선, 보조측선 및 13지점의 OBS 투하위치를 설계하고(Fig. 1) 2008년 4월 19일부터 25일까지 한국지질자원연구원의 탐사선인 탐해2호를 이용하여 2차원 반사법 탐사 및 OBS 탐사를 실시하였다. Fig.
- 우리는 08GH-001 측선상의 OBS 위치를 파악하기 위하여 동−서로 가로지르는 보조측선(08GH-005)을 설계하고 이 측선을 따라 에어건을 발파한 후 각 OBS에 기록된 주측선의 발파자료와 보조측선의 발파자료로부터 초동을 발췌하여 각 OBS당 4지점에서의 시간을 측정하였다.
- 이 방법의 검증을 위해 가스하이드레이트 지층을 모사한 간단한 속도모델을 만들고 이로부터 얻은 OBS 합성탄성파탐사 자료에 본 연구에서 적용한 τ −p 영역에서의 속도분석 방법을 적용해보았다.
- 주시역산에서는 이 모델의 해저면상에 7대의 OBS를 위치시키고 파선추적법을 실시하여 주시를 얻고 이를 실제 발췌한 OBS 주시와 비교하게 된다. 이때 OBS는 음원으로, 각 발파점은 수진점으로 간주하고 모델링을 수행하였다. 모델링과 역산은 각 층마다 별개로 상부층에서 시작하여 하부층 방향으로 실시하는 layer stripping법을 사용하였다.
- 이번 탐사에서 기록계의 고장으로 자료를 얻지 못한 7번 OBS를 제외한 7세트의 OBS 자료에 대하여 일괄적으로 이득 회수(gain recovery)와 대역 필터(10-20-80-120 Hz)를 적용하였다. τ −p 변환 시 주시가 심도에 따라 연속적으로 변하는 굴절파의 경우 τ −p 영역에서 강한 진폭으로 반사이벤트를 가로질러 정확한 이벤트의 판별에 방해가 되기 때문에 이를 변환 전에 뮤팅(muting)으로 제거하고 0 ~ 0.
- 제2층의 경우 BSR 상부 층으로서 탄성파 중합단면상에서 그 반사층 경계가 뚜렷하여 모델링을 실시할 때 층의 일부구간의 심도는 고정시키고 속도만 변화시켰다. 제3층과 제4층은 각각 BSR과 자유가스층의 하부경계를 나타내는 가장 중요한 반사층으로 모델의 심도와 속도 모두를 모델변수로 적용하였다. 각 층에 대한 역산 후의 rms 잔여주시와 χ2 오차는 Table 2에 나타내었다.
- 11은 이렇게 제작한 초기 모델 중 OBS가 위치한 지점을 중심으로 한 12 ~ 40 km 구간의 층의 심도와 속도를 도시한 것이다. 주시역산에서는 이 모델의 해저면상에 7대의 OBS를 위치시키고 파선추적법을 실시하여 주시를 얻고 이를 실제 발췌한 OBS 주시와 비교하게 된다. 이때 OBS는 음원으로, 각 발파점은 수진점으로 간주하고 모델링을 수행하였다.
- 8a). 총 연장 20 km의 모델에 OBS는 측선 중앙부에서 심도 1.8 km 해저면에 위치시키고 이번 탐사와 마찬가지로 25 m 간격으로 총 813 개의 음원을 발생시켜 공통 수진점 모음을 합성 탄성파 자료(synthetic seismogram)를 만들었다(Fig. 8b). 이 자료에 0 부터 0.
대상 데이터
- 08GH-001 측선상에 설치한 8대의 OBS중 Fig. 1(c)의 6번 지점의 OBS(#7) 자료는 기록계의 작동불량으로 기록되지 않아 나머지 7개 지점의 자료를 분석하였다. OBS는 일단 해상에서 투하를 시작하면 해저면으로 자유낙하를 하게 된다.
- (a) Areas for 2-D reflection and OBS survey, (b) vessel track chart and (c) OBS locations. Obtained were total 183.5 L-km of 2-D reflection data and wide-angle reflection data sets at 13 sites on 4 survey lines using 8 OBSs. Numbers following the character ‘S’ indicate number of sites on which OBSs are deployed (see Table 1).
- 본 연구를 위하여 2008년 4월, 울릉분지의 가스하이드레이트 유망지역(Fig. 1)에 대하여 8대의 OBS를 이용한 광각 반사파 자료와 스트리머를 이용한 64채널 2차원 탄성파 반사법 탐사 자료를 동시에 취득하였다. 2차원 반사법 탐사자료로부터 기본적인 층서 정보 및 셈블런스(semblance) 속도 분석을 통해 광각 탄성파 자료 분석을 위한 초기 층서 모델을 제작하였다.
- 이번 논문에서는 3개의 탐사 측선 중 중요도가 높은 남−북 측선(08GH-001)에서 취득한 자료를 중심으로 분석하였다.
- 08GH-005 측선은 데이터 취득을 위한 측선이 아닌 OBS의 해저면 낙하 위치를 파악하기 위한 보조측선이다. 이번 탐사에 사용된 OBS는 한국지질자원연구원이 보유한 POBS-280모델로 수직 1 성분 및 수평 2 성분의 지오폰과 하이드로폰을 장착하여 모두 4 성분의 자료를 200 Hz의 샘플링 간격으로 기록할 수 있다. 이번 논문에서는 3개의 탐사 측선 중 중요도가 높은 남−북 측선(08GH-001)에서 취득한 자료를 중심으로 분석하였다.
- 1(c)에서 남−북 방향의 주 측선(08GH-001)상에 8대의 OBS를 등간격으로 설치하고(1 ~ 8번 위치) 1,035 in3 용량의 에어건(airgun)을 이용하여 25 m 등간격 발파를 실시하였다. 이와 함께 그룹간격 12.5 m의 64 채널스트리머(800 m)를 사용하여 2차원 반사법 자료도 동시에 취득하였다. 08GH-001 측선의 탐사를 종료한 후 모든 OBS를 회수하고 그 중 5대의 OBS를 동−서 방향 측선(08GH-002, 08GH-003)의 탐사를 위해 다시 투하하였다(Fig.
데이터처리
- 광각 OBS 탐사의 경우 이제까지 심부 지구조 연구를 위한 굴절법 탐사에 많이 활용되어왔으나 최근 세계적으로 가스하이드레이트 탐사 분야에서도 활발히 활용되고 있는 바, 울릉분지 내의 가스하이드레이트 유망지역에 대해 해저면 200 ~ 400 m 근처의 상대적으로 천부 반사파 취득을 목적으로 하여 탐사를 설계하였다. 2차원 반사법 탐사자료는 기본 전산처리를 통하여 중합단면도 도출에 사용되었고 셈블런스 속도분석을 함께 실시하여 층서 정보뿐만 아니라 기본 속도 정보를 얻게 해 주었다. 광각 탄성파 OBS 자료를 이용하여 τ −p 영역에서 속도 분석을 실시하였고 그 결과와 2차원 반사법 중합 자료를 가지고 모델링과 탄성파주시역산을 수행하여 탐사 지역의 최종 2차원 속도 분포를 도출하였다.
이론/모형
- 우리는 08GH-001 측선상의 OBS 위치를 파악하기 위하여 동−서로 가로지르는 보조측선(08GH-005)을 설계하고 이 측선을 따라 에어건을 발파한 후 각 OBS에 기록된 주측선의 발파자료와 보조측선의 발파자료로부터 초동을 발췌하여 각 OBS당 4지점에서의 시간을 측정하였다. 거리 계산을 위한 해수의 속도 정보는 탐사지역에서 취득한 투하식 수온수심계(expendable bathythermograph, XBT) 자료와 Medwind 식(Medwind, 1975)을 이용하여 얻었고, 이를 통해 각 OBS의 거리를 계산하여 최종적인 위치를 계산하여 Table 1과 Fig. 5a에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 원래 계획했던 위치에서 대부분 약 100 m 범위 내외에서 착지를 하였다.
- 이 알고리즘은 모델링 모듈과 역산모듈로 구성되어있다. 모델링 모듈에서는 2차원 매질에 대한 한 쌍의 1차 상미분방정식으로 구성된 ray tracing equation을 Runge Kutta법을 통해 수치적으로 파선을 계산한다. 역산모듈에서는 파선이 진행할 때마다 모델 변수들(속도 및 심도)에 대한 주시의 편미분 값들과 관측 데이터(observed data)에 따른 진행파의 잔여 주시(travel time residuals)를 실시간으로 계산하여 각 단계마다 계산된 이들 편미분값들과 잔여 주시를 감쇠 최소 자승법(damped least-square method)에 의해 새로운 모델 변수들(속도 및 심도)로 갱신한다.
- 이때 OBS는 음원으로, 각 발파점은 수진점으로 간주하고 모델링을 수행하였다. 모델링과 역산은 각 층마다 별개로 상부층에서 시작하여 하부층 방향으로 실시하는 layer stripping법을 사용하였다. 즉, 전체 모델 변수들을 한꺼번에 역산에 사용하는 것이 아니라 하나의 층에서 반사된 파의 주시만 가지고 모델링과 역산을 실시하여 그 층에 대한 최적의 속도와 경계면의 심도를 확정한 후 그 하부층의 모델링을 실시할 때에는 상부층의 모델 변수(속도, 심도)들을 고정시키는 방법인데 모델 변수의 개수가 많거나 BSR 하부층과 같은 저속도층이 존재할 경우 효과적이다(Zelt and Smith, 1992).
- 모델링과 주시역산에는 Zelt and Smith (1992)가 개발한 rayinvr 알고리즘을 사용하였다. 이 알고리즘은 모델링 모듈과 역산모듈로 구성되어있다.
- 일반적으로 2차원 반사법 자료를 이용한 속도분석은 시간−거리 영역에서의 공통중간점 모음(common midpoint gather)의 NMO (normal moveout) 속도분석을 통해 P파의 rms 속도를 얻고 이를 Dix's 방정식을 이용하여 최종 구간속도를 구하는 방법을 사용한다(Yilmaz, 2001).
성능/효과
- 광각 탄성파 OBS 자료를 이용하여 τ −p 영역에서 속도 분석을 실시하였고 그 결과와 2차원 반사법 중합 자료를 가지고 모델링과 탄성파주시역산을 수행하여 탐사 지역의 최종 2차원 속도 분포를 도출하였다. 그 결과 1) 2차원 중합단면에서 일부 보이지 않았던 BSR의 연속성을 확인할 수 있었으며, 2) 자유가스층으로 예상되는 BSR 하부의 저속도층의 분포와 그 경계면을 결정할 수 있었다. 또한, 3) 탄성파 단면상의 가스하이드레이트 지시자인컬럼/침니 구조 내부에서의 속도분포가 주변의 속도보다 높음을 알 수 있었다.
- 그 결과 1) 2차원 중합단면에서 일부 보이지 않았던 BSR의 연속성을 확인할 수 있었으며, 2) 자유가스층으로 예상되는 BSR 하부의 저속도층의 분포와 그 경계면을 결정할 수 있었다. 또한, 3) 탄성파 단면상의 가스하이드레이트 지시자인컬럼/침니 구조 내부에서의 속도분포가 주변의 속도보다 높음을 알 수 있었다.
- 49 km/s로 확실히 상부층의 속도보다 낮게 나와 자유가스층으로 인한 속도 감소 현상을 뚜렷하게 확인할 수 있다. 또한 OBS #4가 위치한 컬럼/침니구조(Fig. 3)에서의 속도가 1.76 km/s까지 나와 주변의 속도인 약 1.57 ~ 1.6 km/s 보다 높게 나옴을 확인할 수 있다. Fig.
후속연구
- 최근 많이 활용되고 있는 OBS의 경우 광각 굴절파 및 반사파를 제공하는 것 이외에도 해저면에 직접 설치되어 3성분의 지오폰과 하이드로폰 자료를 동시에 얻을 수가 있어 본 연구에서 실시한 P파 속도분포 뿐만 아니라 수평성분 지오폰으로 부터 S파의 속도 정보를 도출할 수 있다. 이는 암상(lithologic attribute)의 규명이나 공극유체의 판별 등 P파만으로는 얻을 수 없는 정보를 보다 직접적으로 구할 수가 있어 향후 가스하이드레이트와 그 하부의 자유가스층에 대한 물성 연구에 많이 활용될 것이다.
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