[논문]독도 및 그 주변 해산 중력 이상의 지구조적 해석

김원균; 김창환; 박찬홍; 한현철; 권문상; 민경덕; 김백수; 최영섭

독도 및 그 주변 해산 중력 이상의 지구조적 해석
Structural Implications of Gravity Anomalies around Dok Island and its Surrounding Seamounts in the East Sea 원문보기

김원균 (한국해양연구소 해양환경기후본부) , 김창환 (한국해양연구소 해양환경기후본부) , 박찬홍 (한국해양연구소 해양환경기후본부) , 한현철 (한국자원연구소 석유해저자원연구부) , 권문상 (한국해양연구소 연구정책실) , 민경덕 (연세대학교 지구시스템과학과) , 김백수 (국립해양조사원 측량과) , 최영섭 (연세대학교 지구시스템과학과)

Shipborne gravity data are analyzed to investigate crustal structure under Dok Island and its surrounding seamounts located in border of Ulleung Basin and Oki Bank in the East Sea. Relatively low free-air gravity anomaly compared with the volume of seamounts may be explainable by isostatic compensation. From 1 st to 3rd Dokdo Seamounts, the decrease of free-air and Bouguer gravity anomalies implies the different degree of isostatic compensation, crustal thickness or/and density contrast. 3-D gravity modelling shows that seamounts have the mirror roots for regional Airy isostatic compensation, and from Ulleung Basin to Oki Bank, Moho discontinuity deepens and the density of crust is decreases. The results infer that study area is transitional zone from thin oceanic to thick continental crust. The depth of Moho discontinuity is about 15∼16 km, which may be interpreted as an uplifting of Mantle to shallow depth comparing with other borders of the Ulleung Basin.

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문제 정의

McGrath (1991)에 의하면 이러한 부게이상의 급격한 변화는 지하의 밀도 변화에 주로 기인하며, 주로 지체의 경계면에서 발생한다. 따라서 본 연구지역의 하부구성 물질의 밀도변화 가능성을 나타낸다.
및 구조에 대해서는 논란이 많다. 본 연구에서는 선상측정 중력탐사 자료를 이용하여 독도 및 울릉분지 북동부의 중력이상 특성 분석과 모델링을 통해 지구조를 밝히고자 한다.

가설 설정

모델 1은 지각평형이 이루어지지 않은 경우를 가정한 것이다. 따라서 지각평형을 이루지 않았으므로 모호면 하부의 거울상 뿌리 (isostatic mirror root)는 없으며, 평균 모호면의 심도는 15 km를 적용하였다.
2(a)의 측선 A-A', (b)는 B-B에 대해 적용한 다각주의 형태와 밀도를 나타낸 것이다. 퇴적층의 밀도는 깊이에 따라 상부퇴적층은 2.2 g/cm% 하부의 퇴적층은 2.3 g/cm3로 가정하였다 (유해수 등, 1998). 그리고 해산의 밀도는 2.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 해산들의 이상 차이를 규명하기 위해 지각평형 정도 및 해산 하부의 밀도를 다르게 가정하는 4개의 모델을 설정하여 5차원 모델링을 실시하였다.
모델 2는 Airy 형태의 국지적 지각평형을 가정하여 해산의 하부에 두께 8.5 km의 거울상 뿌리 (root)를 설정하였다. Fig 4(a), (b)에서 보는 바와 같이 해산의 밀도와 퇴적층의 밀도는 모델 1과 동일하며, 모호면 하부의 뿌리는 2.
아직 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 독도를 중심으로 하는 제 1 독도해산, 남동쪽으로 약 15 km 떨어진 지역에 나타나는 제 2 독도해산, 그리고 제 1 독도 해산으로부터 약 55 km 떨어진 오키뱅크 서쪽 경계부에 위치하는 제 3 독도해산으로 구분하였다. 제 1독도해산은 서쪽으로는 수심 2100 m로 경계지어지고, 동쪽으로는 제 2 독도해산 서쪽과 수심 800 m의 해저골을 두고 나뉘어져 있다.
사용한 Plouff 모델은 수직 다각형 프리즘 (vertical-sided polygonal prism)으로부터 중력값을 계산하는 것으로, 각각의 수직 다각형 프리즘으로부터 계산된 이상값을 합산하여 총 이상치를 계산한다. 본 연구에서는 수심 2000 m 이상에 존재하는 해산을 대상으로 200 m 간격으로 프리즘을 설정하여 3차원 모델링을 실시하였다. 또한 적용모델을 검증하기 위하여 측정된 이상값과 모델링을 통하여 계산된 이상값의 유사 정도를 나타내는 GFR (Goodness of Fit Ratio)와 표준편차를 이용하였다.
60°인 독도를 포함하는 주변지역으로서 , 중력탐사자료는 한국해양연구소, 한국자원연구소와 국립 해양조사원의 자료를 종합하여 사용하였다. 사용한 자료들은 조사 기간 및 사용장비의 차이로 인하여 측정된 값에 차이가 나므로, 조사 측선별로 선형적인 레벨조정을 실시하여 자료를 통합하였다.
5 km, 울릉분지쪽으로 15 kmS. 설정하셔 모호면의 심도변화를 고려하였다.
통합 후, 필요한 중력보정을 거쳐 구한 이상과 Plouff (1976)에 의해 제안된 3차원 모델링 알고리즘을 통해 계산된 이론적인 중력값을 비교하여 연구지역의 지각 평형 정도를 고찰하였다. 사용한 Plouff 모델은 수직 다각형 프리즘 (vertical-sided polygonal prism)으로부터 중력값을 계산하는 것으로, 각각의 수직 다각형 프리즘으로부터 계산된 이상값을 합산하여 총 이상치를 계산한다.
0 이상이면 계산된 이상값이 측정 중력이상의 50% 이상을 반영하는 것이며, 표준편차는 작을수록 적용한 모델이 실제 측정 중력이상과 일치한다. 한편, 모델링 시 초기 심도로 입력되는 모호면의 심도는 중력이상의 파워스펙트럼 분석을 실시하여 결정하였다.
2(a)에서와 같이 제 1 독도 해산과 제 2 독도해산을 포함한다. 해산의 몸체 (volcanic body)는 수심 200 m부터 수심 2000 m까지 200 m 간격으로 10개의 다각주 (polygonal prism)로 단순화시켰으며, 퇴적층의 두께 및 밀도는 탄성파 반사법을 통해 얻어진 단면도 (유해수 등, 1998)를 이용하였다.

대상 데이터

전체적으로 10 mgal 이상의 차이를 보인다. 모델 2의 GFRe 1.82이고 표준편차는 13.26이다.
본 연구지역은 동경 131.50°~132.509°, 북위 37.00P-37.60°인 독도를 포함하는 주변지역으로서 , 중력탐사자료는 한국해양연구소, 한국자원연구소와 국립 해양조사원의 자료를 종합하여 사용하였다. 사용한 자료들은 조사 기간 및 사용장비의 차이로 인하여 측정된 값에 차이가 나므로, 조사 측선별로 선형적인 레벨조정을 실시하여 자료를 통합하였다.
조사지역의 해저지형은 독도를 포함하는 해산과 더불어 동쪽의 오끼뱅크 (Oki Bank)쪽으로의 2개의 해산의 발달로 특징지어진다 (Fig. 1). 전체적으로는 북서쪽으로 한국대지의 남쪽 경계지역과 인접하고, 북동쪽으로는 울릉분지에서 일본분지로 이어지는 저탁류 해저수로 (turbidite channel)로 예상되는 울릉해저수로 (Ulleung Interplain Gap)와 연결된다.

데이터처리

본 연구에서는 수심 2000 m 이상에 존재하는 해산을 대상으로 200 m 간격으로 프리즘을 설정하여 3차원 모델링을 실시하였다. 또한 적용모델을 검증하기 위하여 측정된 이상값과 모델링을 통하여 계산된 이상값의 유사 정도를 나타내는 GFR (Goodness of Fit Ratio)와 표준편차를 이용하였다. 일반적으로 GFR 값이 2.

성능/효과

본 연구의 목적이 중력이상에 의한 지각 평형 정도를 판단하는 것이므로, 이러한 차이가 주로 천부의 고주파 성분에 의해 발생한 것으로 고려하면, 모델 4는 측정치와 잘 일치하는 것으로 해석된다. 따라서, 본 연구지역의 중력이상은 모델 2나 3과 같은 지각의 두께 변화만으로는 설명하기 힘들며, 모델 4와 같이 심도 및 밀도의 점진적인 변화에 의한 것으로 해석하는 것이 타당하다.
본 연구지역의 지각은 북서에서 남동 방향으로 두께는 증가하며, 밀도는 감소한다. 이러한 지각의 두께 및 밀도의 변화는 해양지각으로 추정되는 울릉분지의 고밀도의 얇은 지각에서 오끼뱅크쪽으로 가면서 두꺼운 저밀도의 대륙지각으로의 변이 가능성을 지시하는 것으로 해석된다.

후속연구

따라서, 모델 4의 밀도 변화는 울릉분지에서 오끼뱅크쪽으로 해양지각으로 추정되는 고밀도의 얇은 지각에서 두꺼운 저밀도의 대륙지각으로의 변이 가능성을 지시하는 것으로 해석된다. 그러나, 본 중력이상 자료만으로 단정하기는 어려우며, ODP (Ocean Drilling Project)와 같은 정확한 조사가 이루어지면 이 지역에 대한 좀 더 정확한 구조가 밝혀질 수 것이다.
27 km정도이다. 울릉분지와 오끼뱅크와의 경계부에 위치하는 본 연구지역의 모호면의 평균 심도는 15.7 km이며, 울릉해저수로 (Fig. 1. UIG)에서는 약 16 km (Kurashimo et al., 1996)의 심도를 보여, 울릉분지의 다른 경계부에 비해 북동부에 맨틀이 상승해있는 것으로 해석되며, 이는 울릉분지 및 동해의 확장과 관련이 있을 것으로 예상되나 더 많은 지질학적, 지구물리학적 연구를 필요로 한다.

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