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문제 정의
- 이 연구의 목적은 지표에 직접적인열의 흔적이 나타나지 않는 지역에서 지열자원의 부존여부를 규명하기 위한 것이다. 그러므로 지구 전체를 보면 지각 내에서도 지표 부분의 지층의 물리화학적 및구조적 특성을 파악하여 지표부근에서심부의 지열이 부존하는 곳을 탐사하는 것이 목적이다. 심부 지열을 팀사할 수 있는 가장 직접적인 방법이 바로 지열류량을 측정하는 것이다.
- 이 연구는 앞에서 기술한 바와 같이 지열과 관계가 깊은 지질학적 특성을 지열류량과 비교해 보고자 하였다.
- 대륙지각과 암권에서의 온도 분포는 암석내의 방사성 동위원소의 붕괴에 의한 열과 지각하부의 맨틀로부터 상승하는 열이 지표로 방출되는 열전도에 의하여 주로 좌우되며 (lUrcotte and Schubert, 1982), 이러한 열은 열전달 매체를 통하거나 특정 경로를 통하여 이동한다. 이 연구의 목적은 지표에 직접적인열의 흔적이 나타나지 않는 지역에서 지열자원의 부존여부를 규명하기 위한 것이다. 그러므로 지구 전체를 보면 지각 내에서도 지표 부분의 지층의 물리화학적 및구조적 특성을 파악하여 지표부근에서심부의 지열이 부존하는 곳을 탐사하는 것이 목적이다.
- 특히 연일층군 하부는 백악기에 관입한 불국사 화강암류와 부정합으로 분포하는 장기층군의 조면암 및조면암질 응회암이 분포한다(엄상호 등, 1964). 이 지역의 자료수가 2개뿐이기 때문에 신뢰도는 떨어지나이에 대한 부연 설명은 지질시대별 지열류량과의 상관관계에서 논하였다. 그 다음은 중생대의 트라이아스기 ~쥬라기의 남포층군(대동층군)과.
제안 방법
- (1970), 장정진 등(1970), 그리고 서정희(1976) 등의 자료, 총 35개의 지료도 추가한 것이며, 과거에는 cgs 단위로 사용되었으나 최근에는 SI 단위를 사용하므로 SI 단위로 환산하여 재편집하였다. 1989년 이후부터 측정된 지열류량자료는 217개 자료이며(임정웅 등, 1989; 임정웅 등, 1996; Lim and Kim, 1997; 염병우 등, 1997), 모두 직접 측정한 것이나, 1989년 이후 보고된 지열류량 자료에 약간의 오류가 있어 이번 연구에서 수정 보완하였다. 또한 과거의 자료 35개와 1989년 이후 자료 217개의 지열류량 자료는 측정기기가 서로 달라 오차가 있을 수 있어 서로 보정을 해야 할 필요가 있으나 그 당시의 측정기기를 입수하기는 불가능하므로 발표된 자료 그대로 이용하였다.
- 보았다. 그러나 순수한 화산암류 분포지역의 지열류량 자료는 없었으므로 화산암류와 관계된 지질은화산쇄설성 퇴적암류로 분류하였다. Fig.
- 그러나 미래의 에너지로써 대비하기 위하여, 그리고 지역개발로 다시 얻기 힘든 자료가 될지 모르는 지열자료를 정리하고 분석하는 것이 필요하다. 그러므로 이 연구에서는 지금까지 조사된 남한의 지질 및 지열류량 자료와 암석의 물리 화학적 특성을 이용하여 서로의 상관관계를 분석하였다. 특히 지리정보시스템 (Geographic Infonnation System; GIS)을 이용하여 체계적으로 우리나라의 지질 및 암석 물성 자료를 분석하였다.
- 남한의 제주도와 해양의 지열류량 자료를 제외한 총 247개의 지열류량 자료와 지질 및 지질시대에 대한 상관관계를 비교하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 분석 결과물은 행과 열로 분석할 점의 위치에 해당하는 면 속성의 유무가 표시되는 데이터베이스 파일로 출력된다. 본 연구에서는 GIS가 기본 도구로 사용되었으며, GIS 프로그램인 Arcinfo 8.1과 ArcView 3.2를 이용하여 분석하였다.
- 수치지질도가 필요하다. 이번 연구에서는 1995년에 작성된 1:1,000,000 한국지질도(한국자원연구소, 1995)를 이용하여 남한 부분만 수치지질도를 작성하여 비교 분석하였다.
- 외국의 경우는 국립지질조사소 등에서 기본적으로 지열조사가 계속 진행되고 있으며, 지열류량 자료가 많아 연구가 비교적 잘 되어 있다. 이번 연구에서는 지열류량 자료가 어느 정도 확보되어 있으며, GIS를 이용하여 지열과 관련이 있는 자료를 모아 지열류량과 암상및 시대와의 상관관계 분석을 하였다.
- 그러므로 이 연구에서는 지금까지 조사된 남한의 지질 및 지열류량 자료와 암석의 물리 화학적 특성을 이용하여 서로의 상관관계를 분석하였다. 특히 지리정보시스템 (Geographic Infonnation System; GIS)을 이용하여 체계적으로 우리나라의 지질 및 암석 물성 자료를 분석하였다. 실제 남한에서의 지열류량 연구의 시작은 1969년도에 한일공동연구로서 “Columbo plan"의 일환으로 주로 광산주변에 대한 지열류량 연구가 있었으며(Mizutani et al.
- 한편 암상을 퇴적암류, 화산성 퇴적암류, 화산암류, 심성암류 및 변성암류로 구분하여 각각의 지열류량을분석해 보았다. 그러나 순수한 화산암류 분포지역의 지열류량 자료는 없었으므로 화산암류와 관계된 지질은화산쇄설성 퇴적암류로 분류하였다.
대상 데이터
- 이러한 이상대 주변에는 대개 온천이 발달되어 있었거나 새로 개발되어 있는 곳이다. Fig. 2에 이용된 자료 중 온천자료는 제외하였으나 전형적인 지온경사를 보이는 경우는 자료를 이용하였다. 일부 지역에는 자료가 없어 앞으로 좀더 많은 자료 수집으로 보완해야 할 것이다.
- 1989년 이후부터 측정된 지열류량자료는 217개 자료이며(임정웅 등, 1989; 임정웅 등, 1996; Lim and Kim, 1997; 염병우 등, 1997), 모두 직접 측정한 것이나, 1989년 이후 보고된 지열류량 자료에 약간의 오류가 있어 이번 연구에서 수정 보완하였다. 또한 과거의 자료 35개와 1989년 이후 자료 217개의 지열류량 자료는 측정기기가 서로 달라 오차가 있을 수 있어 서로 보정을 해야 할 필요가 있으나 그 당시의 측정기기를 입수하기는 불가능하므로 발표된 자료 그대로 이용하였다. 1989년 이후의 지열류량 자료는 지온경사자료 (김형찬 등, 2002)와 시추공의 코아 또는 주변의 암석 시료를 채취하여 열전도도를 측정하여 지열류량을 계산하였다.
- 이때 열전도도 측정은 QTM을 사용하였다. 또한 원할한 자료 처리를 위해서 총 252개의 지열류량 자료중에서 대륙붕 4개와 제주도 자료 1개를 제외한 총 247개의 지열류량 자료를 이용하였다.
- 이 연구를 위하여 한반도 전체 대한 1:1,000,000 지질도(한국자원연구소, 1995)에서 자료처리를 위해, 남한에 관한 부분만 지질도를 재편집하였다. 남한의 1:1,000,000 수치지질도는 Fig.
- 이번 연구를 위해 남한의 지열류량 측정값으로는 총 252개 지점의 자료가 측정 및 수집되어 있다. 이것은 Mizutani et al.
- 이번 연구에서 이용된 자료는 Fig. 2와 같이 점 속성을 갖는 지열류량 자료, Fig. 3과 같은 면 속성을 갖는지 질도 자료이다. 분석 대상은 지열류량 자료이므로 점 속성을 유지해야 하며, 비교 대상은 면 속성을 가져야만 점 속성 자료가 얹혀져 분석이 가능하다.
데이터처리
- 면 속성을 갖는 지질도에 대해 점 속성을 갖는 지열류량 자료가 어디에 놓이는 가를 분석하기 위해 교차분석 (tabulate analysis)을 실시하였다. 교차분석은 면 속성의 주제도에 점 속성의 자료를 얹어 해당되는 점 속성의 자료에 대한 면 속성의 정보를 추출하는 것이다.
이론/모형
- 열의 전도는 Fouiier 법칙을 따른다. 이는 열 흐름 (#) 즉, 한 매체의 임의의 지점에서 단위 면적 및 단위 시간당의 열량은 그 지점에서의 지온경사와 직접적으로 비례한다는 것이며 일차원적으로 열 흐름은 다음과 같다.
- 그러나 이 장비는 국내에는 없으며 기타 방법으로 측정한 자료는 이 실험장치로 측정한 결과와 엄격한 비교 분석이 요구된다. 이번 연구에 사용된 열전도도 측정 장비는 QTM(Quick Thermal conductivity Meter)으로 Box probe 법을 이용하였다. 이 장비 역시 "divided bar apparatus"와 비교 연구가 되었던 것으로 동일 시료를 이용하여 비교 분석한 결과 재현성은 각각 ±5%, ±2%, 확실성은 함수시료인 경우 ±5%, ±4%, 건조시료에서는 ±10-20%, ±4%로 모두 "divided bar apparatus"가 우세한 것으로 분석되었으며, QTM도비교적 정확한 편으로 평가되었다(Galson et al.
- 이번 연구에서는 GIS 도구 중 하나인 ArcView 3.2를 이용하여 분석하였다. 이 프로그램들은 여러 가지프로그램과 호환성이 좋으며, 분석 기능이 다양하고, 그래픽이나 결과 파일이 엑셀 파일이나 텍스트 파일로편집할 수 있기 때문이다.
성능/효과
- 이번 연구에 사용된 열전도도 측정 장비는 QTM(Quick Thermal conductivity Meter)으로 Box probe 법을 이용하였다. 이 장비 역시 "divided bar apparatus"와 비교 연구가 되었던 것으로 동일 시료를 이용하여 비교 분석한 결과 재현성은 각각 ±5%, ±2%, 확실성은 함수시료인 경우 ±5%, ±4%, 건조시료에서는 ±10-20%, ±4%로 모두 "divided bar apparatus"가 우세한 것으로 분석되었으며, QTM도비교적 정확한 편으로 평가되었다(Galson et al., 1987). QTM을 이용한 측정 방법은 암석 시료를 단일 평면으로 만들고, 그 면상에 열선이 들어있는 Box probe를밀착시켜 전류를 흘려준 후, 시간에 따른 Chromel alumel thermocouple의 출력을 읽어 열전도도를 산출하는 방법이다.
- 1. 지질의 특성에서는 암석의 종류별 비교에서 퇴적암 분포지역에서 74mWm-2로 가장 높은 지열류량을보였으며, 변성암 분포지역에서 낮은 61mWm-2의 지열류량을 보였다. 화산퇴적암류나 심성암류 분포지역에서는 각각 62, 63mWm-2의 지열류량을 보였다.
- 2. 지질시대별 지층과 지열류량간의 상관관계는 가장 신기에 속하는 신생대 지층이 분포하는 지역에서 가장 높은 91mWm-2의 지열류량값을 보였다. 그 다음 중생대, 고생대 지층이 분포하는 지역으로 65mWm-2 이며, 고기인 원생대, 시생대 지층이 분포하는 지역이 각각 55, 61mWm-2로 가장 낮은 지열류량을 보였다.
- 그러나 순수한 화산암류 분포지역의 지열류량 자료는 없었으므로 화산암류와 관계된 지질은화산쇄설성 퇴적암류로 분류하였다. Fig. 4에서와 같이퇴적암류가 분포하는 지역에서 74mWm-2로 가장 높은 지열류량을 나타내며, 퇴적암류 및 화산암류가 분포하는 지역이 62mWm-2, 심성암류 분포지역에서 63mWm-2으로 변성암류 분포지역이 61 mWm-2로 나타났다. 화산암류 분포지역을 제외하더라도 상식적으로 심성암류 분포지역이 높은 지열류량을 보일 것으로 예상하였으나 퇴적암류가 분포하는 지역의 지열류량이 높게 나타났다.
- 지질시대별 지층과 지열류량간의 상관관계는 가장 신기에 속하는 신생대 지층이 분포하는 지역에서 가장 높은 91mWm-2의 지열류량값을 보였다. 그 다음 중생대, 고생대 지층이 분포하는 지역으로 65mWm-2 이며, 고기인 원생대, 시생대 지층이 분포하는 지역이 각각 55, 61mWm-2로 가장 낮은 지열류량을 보였다.
- 7Wm-1K-1로 측정되었는데 일반적으로 암석의 열전도도가 최소 2WmTKT 내외이므로 지열류량도 80mWm-2 이상으로 계산될 것으로 예상된다. 그러므로 신생대 퇴적암 지역의 자료가 비록 2개밖에 되지 않지만 지열류량 91mWm-2은이 지역의 지열류량 값을 대표하고 있는 것으로 판단했다. 또한 Han and Chapman (1985)은 우리나라의 지열류량 자료 26개를 이용하여 한반도의 지열류량 특성을 발표한 바 있는데 선캠브리아기 지질분포지역의평균 지열류량값이 54mWm-2, 중생대 지질분포지역은 68mWm-2로 나타났다.
- 5에서와 같이 가장 고기인 시생대에서 원생대, 고생대, 중생대, 신생대의 지열류량 평균값은 각각 61, 55, 65, 65, 91 mWm-2로 나타났다. 원생대의 자료수가 3개밖에 안되므로 신뢰도는 떨어지며, 신생대의 경우는 지열류량 자료수가 2개이나 Fig. 6 및 Fig. 7에서 볼 수 있는 바와 같이포항 주변의 신생대 지층에 굴착된 시추공 11개의 온도검층 결과를 보면 지온경사가 40~60℃km-1으로 상당히 높은 편이고 이 지역 2개의 지열류량 자료의 암석 열전도도는 각각 1.99, 2.7Wm-1K-1로 측정되었는데 일반적으로 암석의 열전도도가 최소 2WmTKT 내외이므로 지열류량도 80mWm-2 이상으로 계산될 것으로 예상된다. 그러므로 신생대 퇴적암 지역의 자료가 비록 2개밖에 되지 않지만 지열류량 91mWm-2은이 지역의 지열류량 값을 대표하고 있는 것으로 판단했다.
- 반면에 원생대 변성퇴적암층인 서산층군에서 50mWm-2, 고생대 말기인 페름기 또는 트라이아스기~쥬라기 초기에 관입한 엽리상 화강암류(foliated granites) 분포지역에서 54mWm-2로 가장 낮은 지열류량을 보였다. 이 결과에 따르면 퇴적암류 분포지역이 화성암이나 변성퇴적암류 분포지역보다 상대적으로 더 높은 지열류량을 나타내고 있음을 알 수 있다.
- 또한 Han and Chapman (1985)은 우리나라의 지열류량 자료 26개를 이용하여 한반도의 지열류량 특성을 발표한 바 있는데 선캠브리아기 지질분포지역의평균 지열류량값이 54mWm-2, 중생대 지질분포지역은 68mWm-2로 나타났다. 이들 자료와 이 연구의 결과와 비교하면 선캠브리아기인 시생대 지역에서 61 mWm-2 로 높게 계산되었으며, 중생대지역에서 65mWm-2로약간 낮게 계산되었다. 이는 자료수의 증가로 차이가 있으나 전반으로 비슷한 경향을 나타낸다.
- 4에서와 같이퇴적암류가 분포하는 지역에서 74mWm-2로 가장 높은 지열류량을 나타내며, 퇴적암류 및 화산암류가 분포하는 지역이 62mWm-2, 심성암류 분포지역에서 63mWm-2으로 변성암류 분포지역이 61 mWm-2로 나타났다. 화산암류 분포지역을 제외하더라도 상식적으로 심성암류 분포지역이 높은 지열류량을 보일 것으로 예상하였으나 퇴적암류가 분포하는 지역의 지열류량이 높게 나타났다. 이러한 이유는 퇴적암류가 지하 심부로부터 상승하는 지열 및 화성활동으로 인한 잔류열을 보존하는 덮개암(cap rock) 역할을 하고 있기 때문이며, 반면에 심성암류 분포지역은 지표에 노출되어 자체 내에 가지고 있던 열이 직접 방출되는 것으로 생각된다.
후속연구
- 또한 남한에 분포하는 신생대 화강암류 분포지역에 대한 자료가 포함되지 않아 문제가 있다. 앞으로 1:1,000,000 지질도의 수정이 필요하며, 또한 포항 주변에 분포하는 신생대 화강암류 지역에 대한 지열류량 연구가 필요하다.
- 1과 ArcView 32 소프트웨어를 이용하여 작성하였으며, 여기에는 면 속성에 위치, 지질시대, 암상구분, 암종기호가 포함되어 있다. 앞으로 1:250,000 지질도 또는 1:50,000 지질도 등 정밀한 지질도가 이용되면 보다 정밀한 분석이 가능할 것이다.
- 2에 이용된 자료 중 온천자료는 제외하였으나 전형적인 지온경사를 보이는 경우는 자료를 이용하였다. 일부 지역에는 자료가 없어 앞으로 좀더 많은 자료 수집으로 보완해야 할 것이다. 전반적인 남한의 평균 지열류량 값은 64±14 mWm-2로 계산되었다.
- 이 지역의 암석 열전도도자료가 없어 지열류량 산출이 불가하였으나 일반적으로 화강암의 열전도율을 고려하면 90mWm-2 이상의 지열류량을 보일 것으로 예측된다. 즉, 이번 연구에서 신생대 화강암류 분포지역의 지열류량 값이 포함되지 않아 위와 같은 결과가 나타났을 수 있으며 앞으로 이 지역에 대한 중점적인 연구가 필요하다.
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