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문제 정의
- 따라서 엔지니어링 목적의 품질 좋은 자료를 제공하기 위해서는 여러 가지 탐사기술이 동시에 적용되고, 또한 탐사 결과에 대한 해석은 상호 연관성을 가지고 통합적으로 진행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 천해저에 탄성파 반사법 탐사와 굴절법 탐사기술을 동시 적용한 연구를 수행하였다. 반사법 탐사는 기존의 상용화된 단일채널 시스템을 적용하였으며, 굴절법 탐사는 OBC-type의 수진기 케이블을 설계·제작하여 연구를 수행하였다.
- 본 연구는 지층의 형태 및 경계에 대한 분해능이 뛰어난 반사법과 지층의 중요한 물리적 특성인 탄성파 속도를 구할 수 있는 굴절법 탐사를 병행 실시하여 정확하고 신뢰성이 높은 지질정보를 얻고자 하였다. 특히 굴절법 탐사의 경우 굴절 신호 수신이 최대한 용이하도록 OBC-type의 수진장비를 제작하였고 현장에 직접 적용하여 탐사자료를 취득하였다.
- 천해저에서 얻어진 반사법 자료를 자료처리 및 해석하여 시간 단면도 및 퇴적층의 기하학적 형태를 파악할 수 있으며 굴절법 자료를 통하여 그 퇴적지층의 속도분포를 계산할 수 있기 때문에 본 연구에서는 그 두 자료를 동시에 이용하여 자료를 통합 해석하고자 하였다. 즉 탄성파 탐사 반사법의 자료처리과정에서 시간 단면도를 심도 단면도로 변환할 때 필요한 속도정보를 굴절법탐사 자료의 역산을 통하여 얻고자 하였으며 이것은 Fig.
제안 방법
- 천해저 단일채널 탄성파탐사 반사법 자료는 별도의 자료처리과정을 거치지 않아도 개략적인 지질구조를 파악할 수 있으나 이득회수, 디지털 필터링, 정보정, 다중반사파제거, 구조보정, 디콘볼루션등의 자료처리 과정을 통하면 자료품질이 더욱 향상될 수 있다(신성렬 등, 2004; 2005). Fig. 4는 취득한 현장 자료에 대역필터에 의한 디지털필터링을 실시하기 위하여 FFT 주파수 스펙트럼 분석을 실시한 것으로 주된 신호는 약 200 Hz와 2000 Hz 사이에 있으며 2000 Hz보다 높은 고주파수는 백색잡음(white noise) 상태를 보이므로 대역필터는 사다리꼴 모양으로 꼭지점 주파수(corner frequency)가 0-200-1500-2000하여 필터를 설계하였다. Fig.
- 굴절법 탐사자료로부터 발췌된 초동주시와 발파점과 수진점의 정확한 위치 정보를 바탕으로 굴절법 토모그래피를 통하여 지층의 속도 정보를 파악할 수 있다. Fig. 8은 굴절법 토모그래피의 흐름도를 나타내었으며, 탄성파 굴절법 토모그래피는 불균질한 지반의 속도 분포를 재구성하기 위하여 반복 해석법이 사용하였고, 파선추적에 의해 계산된 이론 주시와 측정된 초동주시의 RMS (root-mean-square)오차를 반복적인 방법으로 줄여나가 오차가 만족할 만큼의 크기로 수렴된 상태에서 반복을 종료하였다. 오차의 수렴 상황은 초기 모델의 설정방법이나 속도 값을 수정한 알고리즘에 따라서도 다르기 때문에 전산처리 과정에서 순서대로 오차의 수렴 상황을 항상 확인하였으며 본 연구에서는 RMS 오차가 5% 내로 수렴하게 되면 반복을 종료하였다.
- 반사법 탐사는 기존의 상용화된 단일채널 시스템을 적용하였으며, 굴절법 탐사는 OBC-type의 수진기 케이블을 설계·제작하여 연구를 수행하였다. OBC를 이용한 굴절법 탐사는 해저면에 음원과 수진기 케이블을 위치 시키고 발파지점을 따라 음원을 이동시키면서 탐사를 수행하였다.
- 반사법 탐사에 사용된 음원과 수진기는 듀얼부머와 단일채널 스트리머이며, 기록장치와 음원조절장치로 Chirp II Workstation과 Transceiver를 사용하였고 동시에 PC를 기반으로 한 디지털 자료 취득 시스템을 운용하였다(신성렬 등, 2005). 굴절법 자료를 획득하기 위해서 음원으로는 휴대, 조작 및 운용이 용이한 10 in3의 소형 에어건을 사용하였고 압축공기의 압력은 약 2,000 psi로서 해저 바닥에서 발파하였다. 수진기로는 Fig.
- 현장 탐사에 사용한 자료 취득변수는 Table 2에 반사법과 굴절법으로 나누어 정리하여 나타내었다. 먼저 반사법에서는 발파 간격을 0.5 sec의 등시간 간격으로 하고 탐사속도를 약 2 ~ 3 노트(knots)로 유지함으로써 약 0.5 ~ 1 m 마다 발파가 이루어지도록 하였다. 샘플링 간격은 0.
- 2는 현장자료 취득을 위한 조사지역과 탐사 측선을 나타낸 그림이다. 먼저 조사 지역의 지층구조 및 퇴적환경을 알아보기 위하여 탄성파 반사법 탐사를 수행하였으며, 반사법 탐사 후 제작된 천해저용 OBC 형태의 스트리머를 이용한 천해저 굴절법 탐사를 수행하였다. 천해저 반사법 탐사와 OBC 형태의 스트리머를 이용한 굴절법 탐사의 현장자료취득 과정을 Fig.
- 굴절법 탐사에서 해저 바닥에 설치된 24채널 스트리머는 채널간격 4m로 고정되어 있어 측선의 길이가 92 m이다. 먼저 한척의 선박에서 측선 상 해저 면에 스트리머를 설치한 후 토모그래피 해석을 위해서 또 다른 선박을 이용하여 OBC형태의 수진기 전방 100 m에서 발파를 시작하여 20 m 간격으로 후방 100 m까지 약 300 m의 길이에 16개 지점에서 발파를 하였다. 자료의 품질을 향상시키기 위해서 한 발파점에서 5번의 발파를 실시하여 자료를 중합하였다.
- 특히 굴절법 탐사의 경우 굴절 신호 수신이 최대한 용이하도록 OBC-type의 수진장비를 제작하였고 현장에 직접 적용하여 탐사자료를 취득하였다. 반사법 및 굴절법 탐사자료의 전산처리 및 굴절법 토모그래피를 통하여 탄성파 단면도와 속도 단면도를 얻었고, 마지막으로 탐사결과에 대한 통합적 해석을 시도한 후 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 11(b)는 굴절법 토모그래피 역산결과를 나타낸 것이다. 반사법 자료에 해저면과 기반암층에 대한 지층 경계면을 해석하여 나타내었고 또한 심도전환 후 역산결과 굴절법 단면도에도 중첩시켜 나타내었다. 두 자료의 비교 결과 반사면의 기하학적 형태와 속도분포가 잘 일치하고 있음을 볼 수 있으며 비교적 정확한 심도전환이 되었음을 알 수 있다.
- 반사법 탐사는 기존의 상용화된 단일채널 시스템을 적용하였으며, 굴절법 탐사는 OBC-type의 수진기 케이블을 설계·제작하여 연구를 수행하였다.
- 2b와 같이 모식도로 나타낼 수 있으며, 그 구성은 항측, 음원, 수진기, 그리고 기록장치로 구분된다. 반사법 탐사는 소형선박을 이용하여 음원과 수진기를 탐사선 후미에 적당한 간격을 두고 견인하면서 탐사를 수행하였다. 본 연구에서 굴절법 탐사는 해저면에 음원과 수진기 케이블을 위치시키고 발파지점을 따라 음원을 이동시키면서 탐사를 수행하였다.
- 반사법 탐사는 소형선박을 이용하여 음원과 수진기를 탐사선 후미에 적당한 간격을 두고 견인하면서 탐사를 수행하였다. 본 연구에서 굴절법 탐사는 해저면에 음원과 수진기 케이블을 위치시키고 발파지점을 따라 음원을 이동시키면서 탐사를 수행하였다. 현장 탐사에 사용한 자료 취득변수는 Table 2에 반사법과 굴절법으로 나누어 정리하여 나타내었다.
- 먼저 한척의 선박에서 측선 상 해저 면에 스트리머를 설치한 후 토모그래피 해석을 위해서 또 다른 선박을 이용하여 OBC형태의 수진기 전방 100 m에서 발파를 시작하여 20 m 간격으로 후방 100 m까지 약 300 m의 길이에 16개 지점에서 발파를 하였다. 자료의 품질을 향상시키기 위해서 한 발파점에서 5번의 발파를 실시하여 자료를 중합하였다. 기록시간은 해저 바닥에 음원과 수진기가 설치되었고 반사법 자료로부터 예상된 기반암의 심도로부터 추정되는 굴절파가 도달하는 시간 등을 고려하여 500 ms로 하였다.
- 구형발산과 감쇠에 의하여 탄성파의 진폭이 음원으로부터 멀어짐에 따라 작아지기 때문에 각 채널 별로 적절한 이득을 주어야 한다. 주파수 스펙트럼 분석을 수행하여 필터링을 위한 적정 대역을 설정한 후 불필요한 주파수 대역대의 신호를 제거한다. Fig.
- 천해저에서 얻어진 반사법 자료를 자료처리 및 해석하여 시간 단면도 및 퇴적층의 기하학적 형태를 파악할 수 있으며 굴절법 자료를 통하여 그 퇴적지층의 속도분포를 계산할 수 있기 때문에 본 연구에서는 그 두 자료를 동시에 이용하여 자료를 통합 해석하고자 하였다. 즉 탄성파 탐사 반사법의 자료처리과정에서 시간 단면도를 심도 단면도로 변환할 때 필요한 속도정보를 굴절법탐사 자료의 역산을 통하여 얻고자 하였으며 이것은 Fig. 10과 같이 천해저 반사법 및 굴절법 탐사자료의 통합 해석의 흐름도로 나타낼 수 있다.
- 천해저 탄성파 탐사 반사법과 굴절법의 동시 적용 연구를 위한 현장 시험 탐사로 소형선박을 이용하여 부산 동삼동 매립지 앞바다에서 탐사를 수행하였다. Fig.
- 오차의 수렴 상황은 초기 모델의 설정방법이나 속도 값을 수정한 알고리즘에 따라서도 다르기 때문에 전산처리 과정에서 순서대로 오차의 수렴 상황을 항상 확인하였으며 본 연구에서는 RMS 오차가 5% 내로 수렴하게 되면 반복을 종료하였다. 초기 속도모델의 형태는 반사법 자료를 이용하고 속도값은 해수의 속도 1,500 m/s, 기반암 위의 퇴적층 속도를 1,600 m/s, 기반암 속도를 2,000 m/s로 설정하였다. 속도분포 모델을 실제 지반에 가깝게 설정할수록 반복 계산 횟수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 최종 결과의 품질도 향상된다.
대상 데이터
- 일반적으로 굴절법 탐사에서 중요한 신호인 선두파의 진폭은 크기가 매우 작기 때문에 각 채널별로 한 개의 하이드로폰과 함께 전치증폭기(preamplifier)를 동시에 설치하여 자료의 품질을 향상시켰다. 기록장치는 OYO사의 McSeis-SX 24채널 육상용 굴절법 탐사기를 사용하였다. 소노부이를 이용한 통상적인 해양 굴절법탐사에서는 한척의 탐사선으로 자료취득을 실시하지만 OBC 방식의 해양굴절법 탐사에서는 탐사효율을 높이기 위하여 음원을 위한 선박과 스트리머 설치를 위한 선박이 필요하며 두 척의 선박을 이용하는 것이 좋다.
- 굴절법 자료를 획득하기 위해서 음원으로는 휴대, 조작 및 운용이 용이한 10 in3의 소형 에어건을 사용하였고 압축공기의 압력은 약 2,000 psi로서 해저 바닥에서 발파하였다. 수진기로는 Fig. 1과 같이 24 채널의 스트리머를 설계 제작하였는데 일정간격으로 납덩이를 메달아 해저 바닥에 스트리머가 위치하여 OBC 방식의 자료취득이 가능하도록 하였고, 스트리머는 선상 및 해저까지의 연결부분 길이가 약 80 m, 24채널에서 채널간격 4m로서 92 m 등 총 172 m에 달한다. 일반적으로 굴절법 탐사에서 중요한 신호인 선두파의 진폭은 크기가 매우 작기 때문에 각 채널별로 한 개의 하이드로폰과 함께 전치증폭기(preamplifier)를 동시에 설치하여 자료의 품질을 향상시켰다.
- 본 연구는 지층의 형태 및 경계에 대한 분해능이 뛰어난 반사법과 지층의 중요한 물리적 특성인 탄성파 속도를 구할 수 있는 굴절법 탐사를 병행 실시하여 정확하고 신뢰성이 높은 지질정보를 얻고자 하였다. 특히 굴절법 탐사의 경우 굴절 신호 수신이 최대한 용이하도록 OBC-type의 수진장비를 제작하였고 현장에 직접 적용하여 탐사자료를 취득하였다. 반사법 및 굴절법 탐사자료의 전산처리 및 굴절법 토모그래피를 통하여 탄성파 단면도와 속도 단면도를 얻었고, 마지막으로 탐사결과에 대한 통합적 해석을 시도한 후 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이론/모형
- 이 경우 음원조절기에서 발생된 트리거 신호는 에어건의 솔레노이드 밸브를 작동시켜 탄성파를 발생시킴과 동시에 탄성파 기록장치에 트리거 신호를 전송해야하므로 이를 위하여 무선장비(Radio Linker)를 사용하였다. 음원의 위치와 스트리머의 정확한 위치를 파악하기 위하여 Trimble사와 Garmin사의 DGPS를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 천해저 지층탐사에 반사법 및 굴절법 해양 탄성파탐사를 동시에 수행하여 지반공학적 목적에 적합한 탐사자료를 획득하였으며, 취득한 탐사자료의 처리 분석한 결과를 통합적으로 해석함으로서 정확한 지질정보를 도출할 수 있었다.
- 2) 천해저에 적합한 OBC-type의 굴절법 해양 탄성파 탐사용 수진기를 설계 및 제작하였으며, 현장 시험탐사를 통하여 지층 경계의 굴절파 신호를 확인하였고 굴절법 해양 탄성파탐사를 성공적으로 수행하였다.
- 3) 단일채널 탄성파탐사 반사법 자료에 대하여 전산처리과정을 통하여 퇴적층 및 기반암의 지층 경계면에 대한 해상도와 품질을 높일 수 있었고, 2차원 탄성파 단면도에 나타난 퇴적층 및 기반암 경계면을 발췌한 후 조사구역을 입체적인 3차원 분포도로 나타내어 지질구조적인 해석이 보다 용이하였다.
- 4) 반사법으로 얻은 탄성파 단면도와 굴절법 탐사자료의 파선토모그래피로부터 얻은 속도분포 단면도를 비교하였을 때, 두 단면도의 형태 및 기반암 심도, 퇴적층 두께가 매우 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 반사법 자료에 해저면과 기반암층에 대한 지층 경계면을 해석하여 나타내었고 또한 심도전환 후 역산결과 굴절법 단면도에도 중첩시켜 나타내었다. 두 자료의 비교 결과 반사면의 기하학적 형태와 속도분포가 잘 일치하고 있음을 볼 수 있으며 비교적 정확한 심도전환이 되었음을 알 수 있다. 이러한 과정을 모든 측선에 적용하여 정확한 기반암 심도를 계산하기 위하여 굴절법 자료에서 구한 속도를 이용하여 시간-심도 전환을 하였으며, 수심정보 등을 고려하여 7 ~ 35 m 내외의 Fig.
- 초기 속도모델의 형태는 반사법 자료를 이용하고 속도값은 해수의 속도 1,500 m/s, 기반암 위의 퇴적층 속도를 1,600 m/s, 기반암 속도를 2,000 m/s로 설정하였다. 속도분포 모델을 실제 지반에 가깝게 설정할수록 반복 계산 횟수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 최종 결과의 품질도 향상된다. Fig.
- 8은 굴절법 토모그래피의 흐름도를 나타내었으며, 탄성파 굴절법 토모그래피는 불균질한 지반의 속도 분포를 재구성하기 위하여 반복 해석법이 사용하였고, 파선추적에 의해 계산된 이론 주시와 측정된 초동주시의 RMS (root-mean-square)오차를 반복적인 방법으로 줄여나가 오차가 만족할 만큼의 크기로 수렴된 상태에서 반복을 종료하였다. 오차의 수렴 상황은 초기 모델의 설정방법이나 속도 값을 수정한 알고리즘에 따라서도 다르기 때문에 전산처리 과정에서 순서대로 오차의 수렴 상황을 항상 확인하였으며 본 연구에서는 RMS 오차가 5% 내로 수렴하게 되면 반복을 종료하였다. 초기 속도모델의 형태는 반사법 자료를 이용하고 속도값은 해수의 속도 1,500 m/s, 기반암 위의 퇴적층 속도를 1,600 m/s, 기반암 속도를 2,000 m/s로 설정하였다.
- 두 자료의 비교 결과 반사면의 기하학적 형태와 속도분포가 잘 일치하고 있음을 볼 수 있으며 비교적 정확한 심도전환이 되었음을 알 수 있다. 이러한 과정을 모든 측선에 적용하여 정확한 기반암 심도를 계산하기 위하여 굴절법 자료에서 구한 속도를 이용하여 시간-심도 전환을 하였으며, 수심정보 등을 고려하여 7 ~ 35 m 내외의 Fig. 12와 같은 기반암층 심도에 대한 정확한 정보를 도출할 수 있었다.
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