경상북도 포항시 흥해읍 일대에서 지열자원 개발을 위한 심부 파쇄대 탐지를 목적으로 수행된 자기지전류 (MT) 탐사에서 경북 안동과 충북 청원시의 대청호 및 일본의 Kyushu에 원거리 기준점을 설치하고 이를 이용한 자료처리 결과의 상호 비교를 통하여 원거리 기준점에 따른 겉보기 비저항과 위상 자료의 질을 검토하였다. 대상지역에서 약 165 km떨어진 대청호 자료를 이용한 경우는 전력주파수인 60 Hz대역과 자연 전자기장 신호가 미약한 $10^{-1}Hz\~1\;Hz$ 대역을 제외한 주파수 대역에서 매우 좋은 자료를 얻을 수 있었으며, 약 480 km 떨어진 Kyushu 원거리 기준점 자료를 이용해서 거의 모든 주파수 대역에서 연속성이 매우 좋은 전기비저항과 위상 곡선을 얻을 수 있었다. 이를 이용하여 2차원 역산을 수행한 결과, 지표의 10ohm-m 이내의 전기비저항을 보이는 반고결 이암층은 대상지역의 남쪽에서는 약 500 m 이상, 북쪽에서는 200 m 이내의 두께로 분포하며 북에서 남으로 경사진 형태로 나타났다. 심도 $500\~1,500m$에서 저비저항(L-2)과 고비저항(H-2)의 경계면은 단층면으로 해석되며 측점 206, 112와 414를 지나는 대략 $N15^{\circ}E$의 주향을 보인다. 1 km 이내의 천부의 저비저항 이상(L-4)은 파쇄대로 해석되며 측점 105를 지나면서 데략 $N60^{\circ}W$의 주향을 보인다. 또한, 북쪽의 큰 하천을 따라 저비저항 이상대가 공통적으로 나타나 구조선일 가능성을 시사한다. 그리고, 대상지역의 서쪽과 서남쪽의 $2\~3km$ 하부에서 10 ohm-m이내의 저비저항 이상대(L-3)가 나타나는데 이 층에 대해서는 향후 추가적인 연구가 요구된다.
경상북도 포항시 흥해읍 일대에서 지열자원 개발을 위한 심부 파쇄대 탐지를 목적으로 수행된 자기지전류 (MT) 탐사에서 경북 안동과 충북 청원시의 대청호 및 일본의 Kyushu에 원거리 기준점을 설치하고 이를 이용한 자료처리 결과의 상호 비교를 통하여 원거리 기준점에 따른 겉보기 비저항과 위상 자료의 질을 검토하였다. 대상지역에서 약 165 km떨어진 대청호 자료를 이용한 경우는 전력주파수인 60 Hz대역과 자연 전자기장 신호가 미약한 $10^{-1}Hz\~1\;Hz$ 대역을 제외한 주파수 대역에서 매우 좋은 자료를 얻을 수 있었으며, 약 480 km 떨어진 Kyushu 원거리 기준점 자료를 이용해서 거의 모든 주파수 대역에서 연속성이 매우 좋은 전기비저항과 위상 곡선을 얻을 수 있었다. 이를 이용하여 2차원 역산을 수행한 결과, 지표의 10ohm-m 이내의 전기비저항을 보이는 반고결 이암층은 대상지역의 남쪽에서는 약 500 m 이상, 북쪽에서는 200 m 이내의 두께로 분포하며 북에서 남으로 경사진 형태로 나타났다. 심도 $500\~1,500m$에서 저비저항(L-2)과 고비저항(H-2)의 경계면은 단층면으로 해석되며 측점 206, 112와 414를 지나는 대략 $N15^{\circ}E$의 주향을 보인다. 1 km 이내의 천부의 저비저항 이상(L-4)은 파쇄대로 해석되며 측점 105를 지나면서 데략 $N60^{\circ}W$의 주향을 보인다. 또한, 북쪽의 큰 하천을 따라 저비저항 이상대가 공통적으로 나타나 구조선일 가능성을 시사한다. 그리고, 대상지역의 서쪽과 서남쪽의 $2\~3km$ 하부에서 10 ohm-m이내의 저비저항 이상대(L-3)가 나타나는데 이 층에 대해서는 향후 추가적인 연구가 요구된다.
A two-dimensional (2-D) interpretation of MT data has been performed for the purpose of fracture detection for geothermal development. Remote stations have been operated in Kyushu, Japan (480 km apart) as well as in Korea (60 km and 165 km apart in 2002 and 2003 data set, respectively). Apparent res...
A two-dimensional (2-D) interpretation of MT data has been performed for the purpose of fracture detection for geothermal development. Remote stations have been operated in Kyushu, Japan (480 km apart) as well as in Korea (60 km and 165 km apart in 2002 and 2003 data set, respectively). Apparent resistivity and phase curves calculated by remote processing with the Japan remote data showed enough quality for 2-D inversion for the whole frequency range. Remote reference processing with Korea remote reference data also showed quite good continuity in apparent resistivity and phase curves except some noisy frequency bands; around the power frequency, 60 Hz, and around the dead band $10^{-1}Hz\;Hz\;\~1\;Hz$, where the natural EM signal is known to be very weak. Even though the subsurface showed severe three-dimensional (3-D) characteristics in the survey area so that 2-D inversion by itself could not give enough information for deep geological structures, the 2-D inversion for the 5 survey lines showed several common features. The conductive semi-consolidate mudstone layer is dipping from north to south (about 500 m depth on the south and 200 m on the north most part of the survey area). The boundary between the low (L-2) and high (H-2) resistivity anomalies can be thought as a major fault with strike $N15^{\circ}E$, passing through the sites 206, 112 and 414. The shallow (< 1 km) conductive anomalies (L-4) seem to be fracture zones having strike E-W (at site 105) and $N60^{\circ}W$ (at site 434). And there exists a conductive layer in the western and west-southern part of the survey area in the depth below $2\~3\;km$, for which further investigation is to be needed.
A two-dimensional (2-D) interpretation of MT data has been performed for the purpose of fracture detection for geothermal development. Remote stations have been operated in Kyushu, Japan (480 km apart) as well as in Korea (60 km and 165 km apart in 2002 and 2003 data set, respectively). Apparent resistivity and phase curves calculated by remote processing with the Japan remote data showed enough quality for 2-D inversion for the whole frequency range. Remote reference processing with Korea remote reference data also showed quite good continuity in apparent resistivity and phase curves except some noisy frequency bands; around the power frequency, 60 Hz, and around the dead band $10^{-1}Hz\;Hz\;\~1\;Hz$, where the natural EM signal is known to be very weak. Even though the subsurface showed severe three-dimensional (3-D) characteristics in the survey area so that 2-D inversion by itself could not give enough information for deep geological structures, the 2-D inversion for the 5 survey lines showed several common features. The conductive semi-consolidate mudstone layer is dipping from north to south (about 500 m depth on the south and 200 m on the north most part of the survey area). The boundary between the low (L-2) and high (H-2) resistivity anomalies can be thought as a major fault with strike $N15^{\circ}E$, passing through the sites 206, 112 and 414. The shallow (< 1 km) conductive anomalies (L-4) seem to be fracture zones having strike E-W (at site 105) and $N60^{\circ}W$ (at site 434). And there exists a conductive layer in the western and west-southern part of the survey area in the depth below $2\~3\;km$, for which further investigation is to be needed.
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문제 정의
경상북도 포항시 흥해읍 일대에서 지열자원개발을 위한 심부 파쇄대 탐지를 목적으로 원거리 기준점 MT 탐사자료를 획득하고 이에 대한 2차원 해석을 수행하였다. 이를 위하여 국내의 경북 안동과 충북 청원시의 대청호 및 상대적으로 전기적인 잡음이 적은 일본의 Kyushu에 원거리 기준점을 설치하여 이들 원거리 기준점에 따른 자료의 질을 검토하였다.
본 연구에서는 심부지열수의 이동통로가 될 수 있는 심부파쇄대 탐지를 목적으로 경상북도 포항시 북구 흥해읍 일원에서 원거리 기준점 MT 탐사를 수행하였다. 원거리 기준점을 국내뿐만 아니라 우리나라에 비해 상대적으로 전자기 잡음이 덜한 일본 Kyushu (九州)의 Ogiri (大露) 지역에도 설치, 운영하여 국내 원거리 기준점에 의한 자료처리 결과와 비교하였다.
°E 방향의 직선상에 투영한 거리를 이용하였으며, 역산에 이용된 자료 는 각각의 측선이 북쪽과 이루는 각만큼 임피던스 자료를 회전(rotation)시켜 자기장이 측선에 평행한 성분(TE mode)과 수직한 성분(TM mode)의 겉보기 비저항 및 위상을 계산하여 이용하였다. 이중 TE 모드의 경우는 역산에서 수렴에 실패하는 경우가 많아 본 연구에서는 TM 모드만을 이용한 역산 결과를 고찰하고자 한다.
가설 설정
Line-4와 Line-5의 경우는 2002년에 얻어진 측 점이 포함되어 있으므로 이 경우는 2003년의 주파수를 기준으로 2002년 자료를 내삽(interpolation)하여 이용하였다. 모든 측선의 역산에서 잡음의 수준은 3%로 가정하였다.
제안 방법
2002년과 2003년에 Kyushu 원거리 기준점을 이용하여 얻어진 총 70측점의 MT 탐사 자료 중 Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같은 5개 측선에 대하여 2차원 역산을 수행하였다. 2차원 역산에는 자료의 Bayesian likelihood를 최대로 하여 모델의 regularization parameter를 조절하는 최소자승역산(Uchida, 1993)을 이용하였으며 이때 모형반응 계산 알고리듬은 유한 요 소법이다.
2002년과 2003년에 걸쳐 얻어진 총 70측 점에 대하여 Kyushu 자료를 이용하여 겉보기 비저항과 위상자료를 얻고 5개의 측선에 대하여 TM 모드 자료만을 이용하는 2차원 역산을 수행하였다. 역산 결과 대상지역의 특징적인 구조는 다음과 같이 해석되었다.
2차원 역산을 위한 각 측 점간의 거리는 Line-1, 2는 N95°E, Line-3은 E-W, Line-4는 N60°W, 그리고 Line-5는 N20°E 방향의 직선상에 투영한 거리를 이용하였으며, 역산에 이용된 자료 는 각각의 측선이 북쪽과 이루는 각만큼 임피던스 자료를 회전(rotation)시켜 자기장이 측선에 평행한 성분(TE mode)과 수직한 성분(TM mode)의 겉보기 비저항 및 위상을 계산하여 이용하였다. 이중 TE 모드의 경우는 역산에서 수렴에 실패하는 경우가 많아 본 연구에서는 TM 모드만을 이용한 역산 결과를 고찰하고자 한다.
여기서는 2003년에 얻어진 자료만을 비교하였으나 2002년에 얻어진 안동(RR1)과 RR_J의 결과도 이와 유사하게 나타났다. 따라서 이후의 2차원 역산해석을 위해서 RR_J를 이용하여 얻은 겉보기 비저항과 위상자료를 이용하였다.
본 연구에서는 심부지열수의 이동통로가 될 수 있는 심부파쇄대 탐지를 목적으로 경상북도 포항시 북구 흥해읍 일원에서 원거리 기준점 MT 탐사를 수행하였다. 원거리 기준점을 국내뿐만 아니라 우리나라에 비해 상대적으로 전자기 잡음이 덜한 일본 Kyushu (九州)의 Ogiri (大露) 지역에도 설치, 운영하여 국내 원거리 기준점에 의한 자료처리 결과와 비교하였다. 현장 MT 탐사는 2002년과 2003년의 2년에 걸쳐 수행되었으며 얻어진 겉보기 비저항과 위상을 이용하여 5개의 측선에 대하여 2차원 역산을 수행하고 이들 결과에서 공통적으로 나타나는 심부지질구조를 해석하고자 하였다.
경상북도 포항시 흥해읍 일대에서 지열자원개발을 위한 심부 파쇄대 탐지를 목적으로 원거리 기준점 MT 탐사자료를 획득하고 이에 대한 2차원 해석을 수행하였다. 이를 위하여 국내의 경북 안동과 충북 청원시의 대청호 및 상대적으로 전기적인 잡음이 적은 일본의 Kyushu에 원거리 기준점을 설치하여 이들 원거리 기준점에 따른 자료의 질을 검토하였다.
3은 2003년 얻어진 PHG415 측점에서의 자료로서 각각 대청호(RR2)와 일본 Kyushu (RR_J)의 수평자기장성분을 이용하여 얻어진 겉보기 비저항과 위상 곡선이다. 이후 tipper, coherency 및 겉보기 비저항과 위상의 연속성 등으로부터 15시간씩 2일에 걸쳐 측정된 시계열 중 잡음에 심하게 오염되거나 분산이 큰 시간대 자료를 수동으로 일일이 제거하여 역산을 위한 최종적인 겉보기 비저항과 위상자료를 얻었다.
4(b)는 측정된 겉보기 비저항 및 위상과 TM 모드 역산 결과인(a) 모델에 대한 이론값을 비교한 것이다. 참고를 위하여 측정된 TE 모드 겉보기 비저항과 위상도 함께 도시하였다. 그림에서 TM 모드에 대하여 역산에 의해 계산된 이론값이 측정된 자료의 주파수에 따른 궤적을 잘 따라가고 있는 것으로 나타나고 있고 이는 2차원 역산이 잘 수렴했음을 의미한다.
Phoenix MTU systeme GPS를 이용하여 측정점의 위치 및 시간정보를 수신하여 측정점과 원거리 기준점간의 시간 동기화(synchronize)가 이루어지며, 독립된 하나의 시스템으로 전기장 2성분과 자기장 3성분의 텐서 측정이 가능하도록 설계되어 있다. 측정은 상대적으로 인공적인 잡음이 덜할 것으로 예상되는 야간시간대를 이용하여 전일 오후 5시부터 다음날 오전 &시까지 총 15시간 동안 이루어졌으며, 양질의 자료를 위해 같은 측정점에서 이틀에 걸쳐 자료를 획득하였다.
이때 자료의 처리는 Phoenix 사에서 제공하는 자료처리 소프트웨어 SSMT2000을 이용하였다. 한측점에서 이틀간 측정된 전기장 2성분, 자기장 3성분과 같은 시간에 측정된 원거리 기준점의 수평자기장 2성분의 시계열을 이용하여 겉보기 비저항과 위상을 계산하였다. Fig.
원거리 기준점을 국내뿐만 아니라 우리나라에 비해 상대적으로 전자기 잡음이 덜한 일본 Kyushu (九州)의 Ogiri (大露) 지역에도 설치, 운영하여 국내 원거리 기준점에 의한 자료처리 결과와 비교하였다. 현장 MT 탐사는 2002년과 2003년의 2년에 걸쳐 수행되었으며 얻어진 겉보기 비저항과 위상을 이용하여 5개의 측선에 대하여 2차원 역산을 수행하고 이들 결과에서 공통적으로 나타나는 심부지질구조를 해석하고자 하였다.
대상 데이터
이때, 겉보기 비저항과 위상 자료의 자료오차(error bar)의 크기에 따라 가중치를 주도록 하였다. 역산에 이용된 주파수는 2002년에 얻어진 Line-1과 Line-2의 경우는 0.0117 ~ 96 Hz까지의 27개 주파수를, 다른 세 개의 측선은 0.0183 Hz 로부터 97 Hz까지 50개 주파수 자료를 이용하였다. 2002년 자료와 2003년 자료의 주파수 대역과 개수가 다른 것은 2002년에는 MTU-5를, 2003년에는 MTU-5 및 MTU-5A를 사용하여 두 경우의 시계열 샘플링 주파수가 달랐기 때문이다.
원거리 기준점은 Fig. 2(a)에 보인바와 같이 2002년에는 현장에서 약 60 km 떨어진 경상북도 안동시임하면의 임하호 호반(RR1)에, 2003년 탐사에서는 약 165km 떨어진 충청북도 청원시의 대청호 내 고립된 섬(RR2)에 각각 설치하여 운영하였으며, 이와 동시에 국내의 지질 여건 및 인공잡음원의 과다한 분포로 전기적 잡음이 많음을 감안하여 현장으로부터 약 480 km 떨어진 일본 Kyushu의 Ogiri (RR_J)에서 동시에 측정 된 자료를 또 하나의 원거리 기준점으로 해석에 이용하였다.
조사지역은 행정구역상 경상북도 포항시 북구 흥해읍에 위치한다. 이 일대는 제3기 포항 분지 중부에 해당되며 백악기 경상누층군의 하양층군에 속하는 퇴적암류를 최기 저층으로, 이를 분출하여 덮거나 관입한 제3기 에오세의석질결정질응회 암, 흑운모화강암, 규장암, (용결)결정질 응회암 등이 기반암을 이루며 분포하고 있다.
2(b)에 2002년에 얻어진 33측 점과 2003년의 37측 점의 위치를 보였다. 탐사에 사용된 장비는 캐나다 Phoenix사의 24 bit 탐사장비인 MTU-5 및 MTU-5A이며 2003년의 경우 탐사 현장에서 6대, 한국과 일본의 원거리 기준점에 각각 1대씩 설치하여 총 8대를 운용하였다. Phoenix MTU systeme GPS를 이용하여 측정점의 위치 및 시간정보를 수신하여 측정점과 원거리 기준점간의 시간 동기화(synchronize)가 이루어지며, 독립된 하나의 시스템으로 전기장 2성분과 자기장 3성분의 텐서 측정이 가능하도록 설계되어 있다.
이론/모형
2(b)에 나타낸 바와 같은 5개 측선에 대하여 2차원 역산을 수행하였다. 2차원 역산에는 자료의 Bayesian likelihood를 최대로 하여 모델의 regularization parameter를 조절하는 최소자승역산(Uchida, 1993)을 이용하였으며 이때 모형반응 계산 알고리듬은 유한 요 소법이다. 이때, 겉보기 비저항과 위상 자료의 자료오차(error bar)의 크기에 따라 가중치를 주도록 하였다.
본 연구지역 역시 매우 큰 잡음원이 될 수 있는 포항시와 흥해읍 그리고 고압의 송전선과 인접해 있어 전자기잡음이 클 것으로 예상된다. 이러한 지엽적인 잡음의 영향을 최대한 배제하기 위해 이들로부터 자유로울 수 있는 원거리에 기준점을 설치하여, 기준점과 측점의 자기장의 상관성을 이용하여 자료처리를 수행하는 원거리 기준점(remote reference) 방식을 사용한다(Gamble et al., 1979).원거리 기준점은 보통 전기장이 평면 파 조건을 만족하는 표피 심도의 4배 이상 떨어져 설치한다(Zonge and Hughes, 1991).
성능/효과
1. 모든 즉선의 지표 부근에 나타나는 10 ohm-m 이내의 저비저항층(L-1)은 시험시추(BH-2) 결과에서 반고결이 암층으로 생각되며 이층은 대상 지역의 남쪽에서는 약 500m 이상, 북쪽에서는 200 m 이내의 두께로 분포하며 북에서 남으로 경사진 형태를 보인다.
2.동-서 방향 측선의 역산단면에서 공통적으로 나타나는 심도 500 ~ 1,500 m의 저비저항(L-2)과 고비저항(H-2)의 경계면은 이들을 잇는 직선과 선구조 분석 결과와 매우 유사하게 나타나 단층면으로 해석되며 이직선상에 위치한 BH-2에서도 단층 각력을 포함한 파쇄대가 다수 발견되었고 암석은 1.5 km 심도까지 전반적으로 심하게 파쇄된 상태를 보였다.
3. Line-4의 1 km 이내의 천부에 다수의 저비저항이상(L-4) 이 측선 전반에 걸쳐 나타났으며 이 측선을 따라 발달한 선구조와의 연관성에 따라 Line-4를 따라 파쇄대가 발달해 있을 것으로 생각된다.
4. 대상지역의 북쪽에 보이는 큰 하천은 비록 선구조 분석에 서는 나타나지 않았으나 역산 결과에서는 저비저항이 상대를 공통적으로 보여(L4와 L-5) 하나의 구조선일 가능성을 시사 한다.
대청호와 Kyushu 원거리 기준점을 이용한 자료처리 결과, 약 480 km 떨어진 Kyushu의 자료를 이용한 경우, 전주파수 대역에서 매우 연속성이 좋은 겉보기 비저항과 위상곡선을 얻을 수 있었다. 반면 대청호 자료를 이용한 경우는 비록 약 165 km나 떨어져 있지만 서로 상관된 잡음의 영향으로 우리나라의 전력 주파수인 60 Hz 대역과 자연전자기장 신호가 미약한 10Hz ~ 1 Hz 대역에서 좋지 못한 결과를 나타내었다.
본 연구의 결과는 국내에서 최초로 2차원 역산해석 이 가능한 MT 탐사자료를 획득함으로써 앞으로 국내에서도 심 부지 질 규명에 MT 탐사가 적용될 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다고 할 수 있다. 여기서는 비록 TM 모드 자료만을 이용하여 2차원 역산을 수행하였으나 향후 정적 효과의 보정 등을 통하여 TE 모드의 역산 및 TE와 TM 동시 역산, 더 나아가 3차원 역산으로 연구가 진행될 것으로 기대된다.
전기검층 자료와 세측선의 역산 결과로부터 추출한 심도profile을 비교하면 세 측선 모두에서 역산단면에서 L-1에 해당하는 상부 반고 결 이암층의 전기 비저항과 그 두께를 아주 잘 나타내고 있는 것을 볼 수 있다. 또한 하부의 약 900 m까지 발달한 응회암 및 유문암의 층도 잘 나타내고 있으며 이층은 역산단면에서 H-1 으로 해석된다.
후속연구
5. 대상지역의 서쪽과 서남쪽의 2 ~ 3 km 하부에서 10 ohm- m 이내의 저비저항이 상대(L-3)가 나타나는 데 이층에 대해서는 향후 추가적인 연구가 필요하다.
세측선의 역산 결과로부터 2 km 이상의 심부에서 나타나는 L-3는 탐사지역의 서부와 남부 지역에 분포하고 있을 것으로 생각된다. 기존의 시추 조사에 의하면 포항지역에서 1.8 km 이내에서 화강암이 발견되는 것으로 알려져 있는데 이렇듯 광범위하게 분포되어 나타나는 심부의 저비저항층에 대하여는 향후 추가적인 연구가 요구된다.
본 연구의 결과는 국내에서 최초로 2차원 역산해석 이 가능한 MT 탐사자료를 획득함으로써 앞으로 국내에서도 심 부지 질 규명에 MT 탐사가 적용될 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다고 할 수 있다. 여기서는 비록 TM 모드 자료만을 이용하여 2차원 역산을 수행하였으나 향후 정적 효과의 보정 등을 통하여 TE 모드의 역산 및 TE와 TM 동시 역산, 더 나아가 3차원 역산으로 연구가 진행될 것으로 기대된다.
이는 RR2를 이용한 자료가 우리나라의 전원 주파수인 60 Hz 대역에서도 연속성이 떨어져 나타나는 것으로부터도 확인할 수 있다. 이들 주파수 대역을 제외하면 RR2를 이용한 결과 도 매우 좋은 자료의 질을 보이고 있어 앞으로 국내에서 MT 탐사를 수행할 때 가능한 한 멀리 떨어진 지점의 되도록 전기적 잡음이 적은 곳에 원거리 기준점을 설치하여 운영하면 국내의 높은 전자기 잡음 수준에도 불구하고 양질의 자료 획득이 가능함을 보여준다. 여기서는 2003년에 얻어진 자료만을 비교하였으나 2002년에 얻어진 안동(RR1)과 RR_J의 결과도 이와 유사하게 나타났다.
이는 다시 말하면 심 부 구조가 단순한 2차원 구조가 아니라는 것을 의미하며 따라서 이러한 경우, TM 모드만을 이용한 역산에서 심 부구조를 정확히 표현하기는 어렵기 때문으로 풀이된다. 이러한 경우에는 두 모드의 자료를 동시에 이용하여 역산을 수행하는 것이 마땅하지만 현장자료에는 측점 424와 같이 정적효과(static shift)가 포함되어 있어 두 가지 모드를 동시에 이용한 역산은 수렴에 실패하였으며 향후 이에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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