[논문]석모도 지열수 개발을 위한 자기지전류탐사의 적용

이태종; 송윤호; 박덕원

문제 정의

여기서는 우선 석모도의 일반적인 지질에 대해 살펴 보고, MT 탐사의 원리 및 방법에 대해 간략히 서술한 후, 석모도에서 2차원 MT 탐사에 의한 심부 지질구조 및 파쇄대 발달 상황에 대해 고찰하고자 한다.
이 연구에서는 심부 시추에 의해 지열징후가 보고된 석모도의 심부 지질구조 및 심부 파쇄대 발달 상황 파악을 위해 상세 지표 지질조사 및 2차원 MT 탐사를 수행하였다. 석모도는 행정구역상 인천광역시 강화군 삼산면에 속하며 3개의 섬을 매립하여 하나로 만든 섬으로 지열징후는 석모도의 남쪽 매음리 일대에서 온천개발을 위한 시추공들에서 발견되었으며, Fig.

가설 설정

충청남도 금산 및 일본 Esashi의 원거리 기준점을 이용하여 자료처리를 거친 후, 원거리기준점 처리된 AMT 및 MT 자료로부터 tipper, coherency, 겉보기 비저항 및 위상의 연속성 등을 고려하여 잡음에 심하게 오염되거나 분산이 큰 자료를 수동으로 제거하고 최종적으로 2차원 역산에 사용될 주파수에 따른 겉보기 비저항과 위상을 얻는다. 2차원 역산을 위하여 우선 네 개의 측선에 대하여 주향이 측선과 직교한다는 가정 하에 MT 임피던스를 측선방향으로 회전시켜 자기장이 주향과 평행한 성분(TM 모드)과 수직한 성분(TE 모드)을 계산하고, 이 중 TM 모드에 대한 겉보기 비저항과 위상을 역산에 이용하였다. 측선은 Line-X가 N25°E, Line-Y가 N50°W 방향을 가지며 각각의 측점간의 거리는 해당 측선 상에 투영(projection)시킨 거리를 사용하였다.

제안 방법

MT 탐사는 2005년과 2006년의 2년에 걸쳐 수행되었으며 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 시추공 BH-1과 BH-2를 중심으로 측점을 집중적으로 배열하였다. 우선, 2005년에는 Line-X와 Line-Y의 두 개의 측선을 이루도록 측점을 배열하고 Line-X에 6개 측점, Line-Y에 11개 측점으로 총 17개 측점에서 자료를 획득하고 2차원 역산 해석을 수행하였다[26].
4. MT 탐사 자료의 해석

석모도 일대의 상세 지질조사와 선구조 분석결과를 토대로 Fig. 4와 같이 탐사 측선을 배열하고 두 개의 측선에 대하여 MT 탐사를 수행하였다. 선구조 분석결과에서 BH-1과 BH-2가 위치하는 지역에서 N40°～50°W 방향 및 N2°～10°E 방향의 두 개의 선구조가 교차하는 사실과 현장의 탐사여건을 고려하여 MT 탐사 측선 Line-X는 N40°～50°W와 가능한 직교하도록 측점을 배열하였으며, Line-Y는 N2°～10°E를 주된 탐사 대상체로 측점을 배열하였다.
선구조 분석결과에서 BH-1과 BH-2가 위치하는 지역에서 N40°～50°W 방향 및 N2°～10°E 방향의 두 개의 선구조가 교차하는 사실과 현장의 탐사여건을 고려하여 MT 탐사 측선 Line-X는 N40°～50°W와 가능한 직교하도록 측점을 배열하였으며, Line-Y는 N2°～10°E를 주된 탐사 대상체로 측점을 배열하였다.
4에 나타낸 바와 같이 시추공 BH-1과 BH-2를 중심으로 측점을 집중적으로 배열하였다. 우선, 2005년에는 Line-X와 Line-Y의 두 개의 측선을 이루도록 측점을 배열하고 Line-X에 6개 측점, Line-Y에 11개 측점으로 총 17개 측점에서 자료를 획득하고 2차원 역산 해석을 수행하였다[26]. 이때, 원거리기준점은 약 200 km 떨어진 충청남도 금산에 위치시켰으며 천부의 해상도를 높이기 위하여[27], 낮에는 가청주파수대역(audio frequency, AMT)에 대하여 측정하고 저녁 5시부터 다음날 아침 8시까지는 통상적인 MT탐사 대역에 대하여 측정하도록 하였다.
4에 주요한 시추공들의 위치를 보였다. 이들 시추공 중 BH-1의 심도 약 750m에서 약 72℃의 고온 지열수가 자연 용출되고 그 이외의 시추공에서도 심도에 따른 지온증가율이 높게는 45℃/km에 달하는 경우도 있어(Fig. 1), 이 일대의 심부구조 및 심부 파쇄대 발달상황 파악을 목적으로 MT 탐사 및 물리검층을 실시하였다.
우선, 2005년에는 Line-X와 Line-Y의 두 개의 측선을 이루도록 측점을 배열하고 Line-X에 6개 측점, Line-Y에 11개 측점으로 총 17개 측점에서 자료를 획득하고 2차원 역산 해석을 수행하였다[26]. 이때, 원거리기준점은 약 200 km 떨어진 충청남도 금산에 위치시켰으며 천부의 해상도를 높이기 위하여[27], 낮에는 가청주파수대역(audio frequency, AMT)에 대하여 측정하고 저녁 5시부터 다음날 아침 8시까지는 통상적인 MT탐사 대역에 대하여 측정하도록 하였다. 탐사에 사용된 장비는 한국지질자원연구원이 보유한 캐나다 Phoenix사의 24bit 탐사장비인 MTU-5A 3 세트로서 현장에서 2세트, 원거리 기준점에 1 세트를 배치하여 탐사를 수행하였다.
그림에서 볼 수 있듯이 1 Hz 이하의 주파수 자료는 심한 잡음으로 거의 모든 측점에서 버려졌으며, 전력주파수인 60Hz 부근 자료도 심한 잡음으로 대부분 버려진 것을 알 수 있다. 이러한 심한 잡음에도 불구하고 1 Hz 이상 자료만을 볼 때 전체적인 겉보기 비저항과 위상 곡선의 연속성은 확인 할 수 있으며 따라서 이렇게 얻은 자료를 2차원 역산에 이용하였다.
1b). 이러한 원인을 규명하고 심부 지질 구조를 파악하기 위하여 2차원 MT 탐사를 수행하였다.
인천광역시 강화군 삼산면 매음리 일대의 지열지대에서 고온 지열수의 원인과 지열수의 통로가 되는 심부 파쇄대 및 심부 지질구조 규명을 위해 지질조사 및 MT 탐사를 수행하였다. 지열수가 자연 용출하는 BH-1 시추공은 N40°～50°W 방향 및 N2°～10°E 방향의 두 개의 선구조가 교차하는 지점에 위치하며 MT 탐사 결과에서 이 두 개의 선구조는 최소한 1.
측선은 Line-X가 N25°E, Line-Y가 N50°W 방향을 가지며 각각의 측점간의 거리는 해당 측선 상에 투영(projection)시킨 거리를 사용하였다.

대상 데이터

심부 지질구조의 3차원 영상화를 목적으로 수행된 2006년 탐사에서는 2005년 설정된 두 개의 측선의 연장선상에 몇몇 측점을 추가로 배열하고, BH-1과 BH-2를 중심으로 약 200m 간격으로 격자형으로 측점을 배열하고 탐사를 수행하였다. 2005년과 달리 2006년 탐사에서는 AMT 대역은 측정하지 않고 MT 탐사만을 수행하였으며 이때, 원거리 기준점 자료로는 일본 동북부의 Esashi 지역에 MT 모니터링 시스템이 완공되어 website를 통해 자료를 제공해 주어 이를 활용하였다. 비록 3차원 탐사가 이루어졌으나 여기서는 3차원 해석은 논외로 한다.
그러나 현실적으로는 지하의 전기비저항 구조를 알 수 없으므로 표피심도의 4배라는 것은 매우 모호하기 때문에 100km 이상 떨어져 원거리 기준점(far remote reference)을 운용하기도 한다[23-25]. 이 연구에서는 충청남도 금산에 원거리 기준점을 설치하고 이 자료를 자료 처리에 이용하였다.
조사지역은 1:50,000 축척의 강화ㆍ온수리도폭[18] 그리고 광역적인 1:250,000 축척의 서울 남천점도폭[19]의 일부에 각각 해당한다. 이 지역은 경기편마암복합체에 속하는 선캠브리아기의 장봉편암 및 화강편마암, 쥬라기의 반상흑운모화강암 및 중립질흑운모화강암, 백악기의 중립질흑운모 화강암, 각섬석흑운모화강암 및 세립질흑운모화강암 등으로 구성되며, 이들 암층들은 석모도 일대의 기반암을 형성한다.
이때, 원거리기준점은 약 200 km 떨어진 충청남도 금산에 위치시켰으며 천부의 해상도를 높이기 위하여[27], 낮에는 가청주파수대역(audio frequency, AMT)에 대하여 측정하고 저녁 5시부터 다음날 아침 8시까지는 통상적인 MT탐사 대역에 대하여 측정하도록 하였다. 탐사에 사용된 장비는 한국지질자원연구원이 보유한 캐나다 Phoenix사의 24bit 탐사장비인 MTU-5A 3 세트로서 현장에서 2세트, 원거리 기준점에 1 세트를 배치하여 탐사를 수행하였다.

이론/모형

2차원 역산에는 자료의 Bayesian likelihood를 최대로 하여 모델의 regularization parameter를 조절하는 최소자승역산[28]을 이용하였으며 이때 모형반응계산 알고리듬은 유한요소법이다. 이때, 겉보기 비저항과 위상 자료의 자료오차(error bar)의 크기에 따라 가중치를 주도록 하였다.
이러한 지협적인 잡음의 영향을 최대한 배제하기 위해 이들로부터 자유로울 수 있는 원거리에 기준점을 설치하여 기준점 자료와 측점의 자기장 성분의 상관성을 이용하여 자료처리를 수행하는 원거리기준점(remote reference) 방식을 사용한다([21], Fig.3). 원거리기준점은 보통 전기장이 평면파 조건을 만족하는 표피심도의 4배 이상 떨어져 설치한다[22].

성능/효과

6에 Line-X와 Line-Y의 TM모드 역산결과와 각 측선에 투영된 BH-1과 BH-2의 위치 및 심도 연장을 보였다. 두 역산 결과에서 연구지역의 대략적인 층서를 살펴보면, 우선 지표에서 약 100m 이내에 저비저항을 보이는 층은 매립 및 해상퇴적에 의한 퇴적층으로 판단되며 Line-X의 남쪽에서 측점 309까지는 이러한 퇴적층이 분포하나 측점이 산에 위치한 측점 215-219의 북쪽 측점에서는 역산결과에서 이 퇴적층이 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. 반면 동서방향 측선인 Line-Y는 모든 측점이 논에 위치하여 매립 및 퇴적에 의한 퇴적층이 모든 측점에서 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이중 전체적인 파쇄대의 발달 경향은 N40°～50°W 방향의 파쇄대는 북동, 및 N2°～10°E 방향의 파쇄대는 남동방향으로 경사져 발달해 있을 것으로 추정된다. 따라서 시추공 BH-2에서는 BH-1에서 보다 더 깊은 심도에서 동일한 파쇄대를 만날 것으로 해석되었고, 이러한 해석에 기초하여 추가 시추한 결과 BH-2의 1,280m 심도에서 파쇄대를 만나 BH-1의 지열수와 비슷한 온도인 69.4℃의 다량의 지열수가 자연 용출하는 결과를 얻었다.
BH-1에서 약 700m에서 심부 파쇄대를 만난 것을 감안하면 1,200m까지 시추한 BH-2에서 심부 파쇄대를 만나지 못한 것은 의외의 결과이다. 따라서 이러한 해석에 기초하여 BH-2에 대하여 추가 굴진을 실시한 바, 약 80m 추가 굴진한 1,280m에서 심부 파쇄대를 만나 매우 많은 양의 고온의 지열수가 용출하는 것을 확인하였다(Fig. 7).
BH-1의 온도검층 결과는 자연 용출상태에서 측정된 것으로 지표에서의 온도가 약 67℃, 심도 약 400m에서는 약 72℃에 이르는 것을 볼 수 있다. 온도검층 자료의 심도에 따른 온도의 변화율로부터 대수층은 심도 430m 부근과 시추공 바닥인 750m 부근에 존재하는 것으로 해석되었으며 특히, 750m 부근에서는 매우 큰 파쇄대를 만난 것이 확인되어 이 파쇄대가 고온의 심부 지열수의 통로일 것으로 예측되었다. 전기전도도 검층 결과, BH-1의 지열수의 전기전도도는 약 49,000 μS/cm로 매우 높아 단열대를 따라서 유입되는 해수로 해석되었다[17].
심부 지질구조의 탐사의 성공을 위해서는 다양한 조건이 구비되어야 함은 물론이다. 이 연구에서 비록 탐사지역 내에 매우 인접한 마을과 도로, 전기선 및 농업용 지하수를 위한 모터펌프가 설치된 다수의 천부 시추공 등 전기적인 잡음요인이 많은 가운데서도 이와 같은 성공적인 탐사가 이루어질 수 있었던 것은 우선 자료의 획득 및 처리 면에서 약 15시간에 걸친 장시간의 자료획득으로 신호 포착의 기회가 많았다는 점과 원거리 기준점 자료를 이용한 자료처리로 잡음의 영향을 최소화할 수 있었다는 점을 들 수 있다. 이외에 지질학적으로는 주된 탐사 대상체인 심부 파쇄대 내에 다량의 바닷물이 내포되어 있어 파쇄대와 기반암의 전기비저항의 대비가 뚜렷했다는 점과 지표에 전도성 표토층이 분포하여 이 층에서 국부적인 잡음이 어느 정도 감쇄된 점도 기여한 바가 크다고 할 수 있다.
이들 두 저비저항 이상대는 본래 MT 탐사의 주된 대상인 N40°～50°W 방향 및 N2°～10°E 방향의 두 개의 선구조와 동일 선상에 위치한다. 특히, Line-Y의 역산결과에서 BH-1 및 BH-2가 위치하는 심도 약 500～1,500m 사이에 전기비저항이 수십 ohm-m로 전기비저항이 매우 낮은 전도성 이상체가 존재하는 것을 확인 할 수 있다. BH-1에서 용출되는 지열수의 전기전도도가 약 49,000 μS/cm로 매우 농도가 짙은 바닷물임을 감안하면 이러한 지열수의 통로가 되는 심부 파쇄대는 매우 낮은 전기비저항으로 영상화될 것이다.

후속연구

이러한 사례는 전기적 잡음이 극심한 우리나라에서도 주의 깊은 자료 획득과 자료처리 그리고 적절한 해석과정을 통하여 MT 탐사가 가능함을 시사하며 향후, 심부 지열수의 개발이나 이산화탄소 지중저장, 핵폐기물 지중 처분 등의 다양한 심부 지질 공간 및 자원 분야에 적용이 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열에너지를 개발하고 활용하기 위해서는 무엇이 필수적인가?	이러한 지열에너지를 개발하고 활용하기 위해서는 무엇보다도 지하 심부에 부존하는 지열자원의 확보가 필수적이라고 할 수 있다. 우리나라의 경우 대부분의 지역이 공극률이 매우 낮은 결정질암으로 구성되어 있어 지반내에서 지열수는 주로 암석내의 열극을 따라 흐르게 된다.
	심부 지열자원 탐사에는 무엇이 있는가?	심부 지열자원 탐사는 우선 광역적인 구조이상을 탐지하는 항공 자력탐사 및 중력탐사와 정밀 탐사로는 탄성파탐사와 MT 탐사를 들 수 있다. 이 중 탄성파 반사법 탐사는 매우 높은 해상도에 힘입어 석유탐사에서는 기본 도구로 이용되고 있으나 지열자원을 대상으로 하는 탐사에서는 경제적인 면에서 부적절하며 또한 인구가 밀집된 우리나라 육상환경에서의 적용은 쉽지 않다.
	지열에너지의 활용은 온도에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?	지열에너지는 수입에 의존하지 않아도 되는 국산 청정 에너지원으로서 지열유체의 온도에 따라 그 활용 분야도 다양하다. 온도에 따른 지열의 활용을 크게 고온의 지열자원(>150℃)을 이용한 지열발전을 통한 간접이용(indirect use)과 중저온의 지열자원(<150 ℃)은 온천, 수영장, 급탕, 제설, 농작물의 건조, 유리온실, 양어, 지역난방 등을 포함한 직접이용(direct use)으로 나눌 수 있다. 직접이용에는 이 외에도 콘크리트 양생, 슬러지 분해, 화학 추출, 제지 등 여러 산업에의 응용도 포함된다[1].

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