가스 하이드레이트의 탐사에서 탄성파 진폭과 주파수 특성은 가스 하이드레이트의 부존 여부에 대한 매우 중요한 판단 근거이다. 본 연구에서 탄성파 진폭특성은 탄성파 수치모델링 기법을 이용하여 음원 주파수 및 산란체의 크기에 따른 변화 양상을 파악하고자 하였다. 일반적으로 진폭에 큰 영향을 미치는 산란은 음원의 주파수 제곱에 비례하고 산란 이상체의 체적에 비례한다. 음원의 주파수가 높아질수록 가스 하이드레이트 지층에서의 산란이 심하여 BSR이 잘 나타나지 않는 반면 음원의 주파수가 낮아질수록 가스 하이드레이트 지층의 진폭공백대 특성이 잘 나타나고 또한 하부의 BSR이 보다 뚜렷히 보이나 해상도가 낮아지게 된다. 가스 하이드레이트 지층 하부의 Free-Gas층을 통과한 반사파는 고주파수 성분이 감쇠되어 저주파수 성분이 우세해지고, Free-Gas로 인하여 나타나는 BSR의 진폭은 극성역전현상이 발생되며 이것은 가스 하이드레이트 지층의 존재와 분포를 판단하는 중요한 인자가 된다. 탄성파 주파수 특성 분석은 Wavelet Transform을 이용하여 시간에 따른 탄성파동의 주파수 변화를 관찰하는 방법을 사용하였다. 탄성파 모형 실험 자료에 대하여 적용한 결과 Free-Gas층에 대비되는 공기층을 통과하여 반사된 탄성파의 주파수는 고주파수 성분이 상당히 감쇠되었음을 관찰할 수 있었다.
가스 하이드레이트의 탐사에서 탄성파 진폭과 주파수 특성은 가스 하이드레이트의 부존 여부에 대한 매우 중요한 판단 근거이다. 본 연구에서 탄성파 진폭특성은 탄성파 수치모델링 기법을 이용하여 음원 주파수 및 산란체의 크기에 따른 변화 양상을 파악하고자 하였다. 일반적으로 진폭에 큰 영향을 미치는 산란은 음원의 주파수 제곱에 비례하고 산란 이상체의 체적에 비례한다. 음원의 주파수가 높아질수록 가스 하이드레이트 지층에서의 산란이 심하여 BSR이 잘 나타나지 않는 반면 음원의 주파수가 낮아질수록 가스 하이드레이트 지층의 진폭공백대 특성이 잘 나타나고 또한 하부의 BSR이 보다 뚜렷히 보이나 해상도가 낮아지게 된다. 가스 하이드레이트 지층 하부의 Free-Gas층을 통과한 반사파는 고주파수 성분이 감쇠되어 저주파수 성분이 우세해지고, Free-Gas로 인하여 나타나는 BSR의 진폭은 극성역전현상이 발생되며 이것은 가스 하이드레이트 지층의 존재와 분포를 판단하는 중요한 인자가 된다. 탄성파 주파수 특성 분석은 Wavelet Transform을 이용하여 시간에 따른 탄성파동의 주파수 변화를 관찰하는 방법을 사용하였다. 탄성파 모형 실험 자료에 대하여 적용한 결과 Free-Gas층에 대비되는 공기층을 통과하여 반사된 탄성파의 주파수는 고주파수 성분이 상당히 감쇠되었음을 관찰할 수 있었다.
In gas hydrate survey, seismic amplitude and frequency characteristics play a very important role in determining whether gas hydrate exists. According to the variation of source frequency and scatterer size, we study seismic amplitude characteristics using elastic modeling applied at staggered grids...
In gas hydrate survey, seismic amplitude and frequency characteristics play a very important role in determining whether gas hydrate exists. According to the variation of source frequency and scatterer size, we study seismic amplitude characteristics using elastic modeling applied at staggered grids. Generally speaking, scattering occurs in proportion to the square of source frequency and the scatterer volume, which has an effect on seismic amplitude. The higher source frequency is, the more scattering occurs in gas hydrate bearing zone. Therefore, BSR is hardly observed in high frequencies. On the other side, amplitude blanking zone and BSR is clearly observed in lower frequencies although the resolution is poor as a whole. Seismic reflections traveling through free-gas layer below gas hydrate bearing zone decay so severely a high frequency component that a low frequency term is dominant. Amplitude anomaly of BSR result from high acoustic impedance contrast due to free-gas, which is a very crucial factor to estimate gas hydrate bearing zone. Seismic frequency analysis is carried out using wavelet transform method that frequency component could be decomposed with time variation. In application of wavelet transform to the seismic physical experiments data, we can observe that reflections traveling through air layer, which corresponds to the free-gas layer, decay a high frequency component.
In gas hydrate survey, seismic amplitude and frequency characteristics play a very important role in determining whether gas hydrate exists. According to the variation of source frequency and scatterer size, we study seismic amplitude characteristics using elastic modeling applied at staggered grids. Generally speaking, scattering occurs in proportion to the square of source frequency and the scatterer volume, which has an effect on seismic amplitude. The higher source frequency is, the more scattering occurs in gas hydrate bearing zone. Therefore, BSR is hardly observed in high frequencies. On the other side, amplitude blanking zone and BSR is clearly observed in lower frequencies although the resolution is poor as a whole. Seismic reflections traveling through free-gas layer below gas hydrate bearing zone decay so severely a high frequency component that a low frequency term is dominant. Amplitude anomaly of BSR result from high acoustic impedance contrast due to free-gas, which is a very crucial factor to estimate gas hydrate bearing zone. Seismic frequency analysis is carried out using wavelet transform method that frequency component could be decomposed with time variation. In application of wavelet transform to the seismic physical experiments data, we can observe that reflections traveling through air layer, which corresponds to the free-gas layer, decay a high frequency component.
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문제 정의
본 연구는 가스 하이드레이트 지층 모델에 대하여 탄성파 탐사자료의 진폭 및 주파수 특성 규명을 목적으로 하고 있으며, 가스 하이드레이트의 탄성파 탐사자료의 진폭 특성분석을 위해서 탄성파 수치모형 자료를 이용하여 산란이론에 대하여 고찰하였다. 심해저 가스 하이드레이트 부존환경의 복합모델에 대한 모형을 제작하여 탄성파 수조모형실험 자료를 획득하였고 획득한 실험자료를 대상으로 시간-주파수 분석을 실시하여 탄성파 주파수 특성에 대한 분석을 시도하였다.
가설 설정
Velocity model generated for gas hydrate bearing zone using random function generator. (a) uniform distribution and (b) normal distribution model.
먼저 1차 입사파가 음향 물성이 다른 조그마한 산란 이상체를 만났을 때 발생하는 산란장에 대하여 고찰하자. Fig. 1과 같이 1차 입사파(#)를 축의 음의 방향으로 진행하는 단순 조화 평면파라고 가정한다. 배경 매질의 체적탄성률(bulk modulus), 밀도, 탄성파 속도는 각각 m1, p1, c1이고 산란 이상체의 체적탄성률, 밀도, 탄성파 속도는 각각 m2, p2, c2라고 가정한다.
가스 하이드레이트의 산란에 따른 진폭 특성을 파악하기 위하여 지층모델을 Fig. 2와 같이 해수층, 하부퇴적층, 가스 하이드레이트층, Free gas층 및 하부지층으로 수평 5층구조 모델을 가정하였다. Fig.
1과 같이 1차 입사파(#)를 축의 음의 방향으로 진행하는 단순 조화 평면파라고 가정한다. 배경 매질의 체적탄성률(bulk modulus), 밀도, 탄성파 속도는 각각 m1, p1, c1이고 산란 이상체의 체적탄성률, 밀도, 탄성파 속도는 각각 m2, p2, c2라고 가정한다. 응력과 가속도는 2차 산란장의 음원함수로 작용하게 되며 2차 산란장(#)에 대하여 다음과 같은 파동방정식을 구할 수 있다(Officer, 1958).
제안 방법
0 g/cm3이며, P파의 속도는 2750 m/s이고 S파의 속도는 1585 m/s이다. 가스 하이드레이트층은 불균질하게 구성된 매질로서 다양한 속도분포를 가지기 때문에 모형을 만들기 위해 확률분포를 적용하였다. Fig.
가스 하이드레이트층의 진폭 자료를 얻기 위해서 심해저 바닥으로부터 100 m에 탄성파 음원이 있고 같은 수심에 수진기들이 설치되었을 때의 탄성파탐사를 모사하였다. 모델은 Fig.
지층내에 가스 하이드레이트가 포함된 구조는 균질 매질에 산란체가 포함된 구조로 가정할 수 있으므로 산란장에 대한 연구가 필수적이다. 먼저 1차 입사파가 음향 물성이 다른 조그마한 산란 이상체를 만났을 때 발생하는 산란장에 대하여 고찰하자. Fig.
심해저 가스 하이드레이드 부존 가능한 지질 모델을 대상으로 수치모형실험과 축소모형실험을 통하여 탄성파 진폭 및 주파수 특성에 대하여 관찰하였다. 수치모형실험에서는 엇격자법을 이용한 유한차분법 모델링을 통하여 가스 하이드레이트 부존 지층의 탄성파 산란 특성 및 진폭 변화에 대하여, 축소모형실험에서는 wavelet transform을 이용한 시간-주파수분석을 통하여 주파수 특성에 대하여 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
심해저 가스 하이드레이드 부존 가능한 지질 모델을 대상으로 수치모형실험과 축소모형실험을 통하여 탄성파 진폭 및 주파수 특성에 대하여 관찰하였다. 수치모형실험에서는 엇격자법을 이용한 유한차분법 모델링을 통하여 가스 하이드레이트 부존 지층의 탄성파 산란 특성 및 진폭 변화에 대하여, 축소모형실험에서는 wavelet transform을 이용한 시간-주파수분석을 통하여 주파수 특성에 대하여 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
본 연구는 가스 하이드레이트 지층 모델에 대하여 탄성파 탐사자료의 진폭 및 주파수 특성 규명을 목적으로 하고 있으며, 가스 하이드레이트의 탄성파 탐사자료의 진폭 특성분석을 위해서 탄성파 수치모형 자료를 이용하여 산란이론에 대하여 고찰하였다. 심해저 가스 하이드레이트 부존환경의 복합모델에 대한 모형을 제작하여 탄성파 수조모형실험 자료를 획득하였고 획득한 실험자료를 대상으로 시간-주파수 분석을 실시하여 탄성파 주파수 특성에 대한 분석을 시도하였다.
음원 주파수가 280 kHz인 하이드로폰을 이용하여 탄성파축소모형실험을 하여 Fig. 12와 같은 탄성파 기록을 얻었다. 직접파, 각 층 경계면에 대한 반사파, 다중반사파 등을 관찰할 수 있으며 그림 우측 상단에 확대하여 나타내었고 1 MHz 자료에 비하여 낮은 해상도를 보이고 있다.
한편 이상체의 크기에 따른 산란 정도를 파악하기 위하여 Fig. 7과 같은 0.5 m 격자간격을 유지하며 이상체의 크기를 격자 간격에 2배, 4배, 다시 말해서 1.0 m, 2.0 m로 설정하여 실험을 수행해 보았다. Fig.
9와 같은 지질모형을 만들었다. 해저퇴적층은 폴리에틸렌 합성수지판으로, 가스 하이드레이트 지층은 채질을 통하여 입도가 일정한 구형의 폴리에틸렌 입자들과 시멘트를 1:1로 혼합, 양생, 가공하였고, free gas층은 폴리에틸렌 입자 사이의 공극을 공기로 채웠으며, 그 하부 지층은 아크릴 수지판으로 지질모형을 구성하였다. 트랜스듀서는 수면에서 얕은 깊이로 잠기게 하였으며, 트랜스듀서로부터 모델의 최상부 층인 폴리에틸렌 판까지의 거리는 100 mm로 하였다.
대상 데이터
모델은 Fig. 2에 나타낸 것처럼 1000 m × 750 m의 크기이며, 에어건(Air gun)과 같은 P파 음원을 사용하였고, 수진기의 위치는 심해 탄성파 탐사를 위해 심해 기준심도에 2 m 간격으로 400개를 설치하였다.
음원과 첫 번째 수진 트랜스듀서의 거리는 20 mm이고, 수진 트랜스듀서를 1 mm 씩 모델의 중앙부를 따라 300 mm이동하여 총 301채널의 공통발파점 모음도(Common Shot Gather) 자료를 획득하였다. 음원과 수진장치로는 1 MHz 초음파 트랜스듀서와 280 kHz의 하이드로폰을 사용하였다.
트랜스듀서는 수면에서 얕은 깊이로 잠기게 하였으며, 트랜스듀서로부터 모델의 최상부 층인 폴리에틸렌 판까지의 거리는 100 mm로 하였다. 음원과 첫 번째 수진 트랜스듀서의 거리는 20 mm이고, 수진 트랜스듀서를 1 mm 씩 모델의 중앙부를 따라 300 mm이동하여 총 301채널의 공통발파점 모음도(Common Shot Gather) 자료를 획득하였다. 음원과 수진장치로는 1 MHz 초음파 트랜스듀서와 280 kHz의 하이드로폰을 사용하였다.
이론/모형
Fig. 3(a)는 일정한 속도분포를 갖는 모델로서 양쪽 그림에서 속도가 최소 2245 m/s에서 최대 3755 m/s까지 고르게 분포되어 있는 것을 볼 수 있으며, (b)는 속도성분이 3000 m/s 부근에 많은 분포를 보이는 일반적인 정규속도분포 모델을 나타낸 것으로 본 연구에서는 정규분포 모델을 사용하였다.
본 연구에서 가스 하이드레이트 지층모델의 탄성파 진폭특성을 파악하기 위하여 사용한 탄성파 수치모델링 방법은 엇격자(staggered grid)를 이용한 유한차분법이다. 탄성파동방정식의 해를 구할 때 변위만을 이용하는 유한차분법은 매질이 유체-고체로 구성될 경우 해가 특히 불안정하며 구성되는 모델에 따라 여러 가지 제약조건을 가지게 된다(Virieux, 1986).
가스 하이드레이트 지층 하부의 Free-Gas층을 통과한 반사파는 고주파수 성분이 감쇠되어 저주파수 성분이 우세하며 이러한 탄성파 주파수특성은 매질에 대한 정보를 제공하는 매우 중요한 인자이다. 본 연구에서 탄성파 주파수 특성 분석은 wavelet transform을 이용하여 시간에 따른 탄성파동의 주파수 변화를 관찰하는 방법을 사용하였다. 시간영역에서만 표현된 자료는 자료의 주파수 특성을 파악하기 곤란하며 또한 주파수 영역에서만 표현된 자료는 실제의 신호 형태를 알기 힘들다.
가스 하이드레이트지층과 free gas층 경계면에 대한 세 번째 반사파에서 위상역전 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 탄성파 축소모형실험에서 획득한 탐사자료에 대하여 단시간 푸리에 변환법(Short Time Fourier Transform; STFT)을 적용하여 보다 정밀한 주파수 특성분석을 시도하였다. Fig.
2에 나타낸 것처럼 1000 m × 750 m의 크기이며, 에어건(Air gun)과 같은 P파 음원을 사용하였고, 수진기의 위치는 심해 탄성파 탐사를 위해 심해 기준심도에 2 m 간격으로 400개를 설치하였다. 탄성파 음원 주파수에 따른 산란효과를 파악하기 위하여 중심주파수가 100, 150, 200 및 300 Hz인 가우스파형을 사용하였다. 각각의 격자간격(△x=△z)은 0.
각 격자점에 매질의 밀도와 Lamé의 상수, 속도벡터와 응력텐서를 정리한 후 식(1)의 공간과 시간에 대한 편미분 항을 중앙차분식으로 차분화함으로써 차분식을 구성하였다. 탄성파동방정식을 수치해석적인 방법으로 탄성파동방정식의 해를 구할 때 모델의 인위적인 경계에서 원하지 않는 반사파가 생기는 것을 방지하기 위해서 스펀지 경계조건(Shin, 1995)을 사용하였다.
성능/효과
1. 수치모형실험을 통하여 음원 주파수의 변화에 따른 탄성파 진폭 특성을 분석한 결과 음원의 주파수가 높아짐에 따라 산란이 심하게 발생됨을 알 수 있었다. 또한 산란 이상체의 크기에 따른 산란 정도는 이상체의 크기가 커질수록 산란이 심하게 발생되었다.
140 μs부터 시작되는 4개의 반사파 신호는 중심주파수가 280 kHz 부근에서 나타나며 약간 저주파수로 변화하는 특성을 보이며 특히 3번째 층에서의 반사파는 가스 하이드레이트 층의 산란 간섭 영향으로 주파수 변화가 많이 발생되었다.
2. 음원 주파수가 저주파수일 때는 가스 하이드레이트 지층에서의 산란 정도가 약하여 가스 하이드레이트 부존 시 탄성파 탐사자료에서 흔히 보이는 특성인 진폭 공백(Amplitude Blanking)현상이 잘 나타나며 BSR 또한 명확히 나타난다. 그러나 음원 주파수가 고주파수 일수록 전체적인 해상도는 높아지지만 산란으로 인하여 BSR이 약하게 나타난다.
0 m로 달리했을 때 획득한 자료들을 살펴보면, 이상체의 크기가 커질수록 음파의 산란현상이 심해져 매질 경계면의 반사파에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 2차 산란장의 진폭은 지층 모델의 구성 변수와 관련하여 체적탄성률의 차, 밀도 차, 산란 이상체의 체적에 비례한다는 Rayleigh 산란이론과 잘 일치함을 확인할 수 있다.
3. 혼합 재료를 이용하여 제작된 가스 하이드레이트 지층 모형에 대한 수조모형 실험을 통하여 탄성파 진폭 및 주시 특성 분석 결과 반사파의 위상역전 현상 관찰 및 지층 모델 변화에 따른 주시 변화를 관찰하였으며, 혼합 재료의 불균질 특성으로 인해 산란이 심하게 발생됨을 알 수 있었다.
4. 시간-주파수 분석 기법을 이용한 수조모형실험자료의 분석 결과 시간에 따른 고주파수 성분의 감쇠와 공기층을 통과한 반사파의 고주파수 감쇠가 크게 발생되는 현상을 관찰하였고, 또한 음원의 주파수가 높을수록 감쇠가 크게 일어난다는 것을 알 수 있었다.
두 번째 반사파는 폴리에틸렌입자와 시멘트가 혼합된 불균질 매질에 의한 산란의 결과로 링잉과 테일링이 심하여 160 μs 부근의 세 번째 반사파와 약간 겹쳐서 나타나며, 세 번째 반사파의 고주파수 성분은 감쇠되어 중심주파수가 약 800 kHz로 변하였다.
가스 하이드레이트 지층이 천부에 있을지라도 산란으로 인한 Masking효과 때문에 음원의 주파수가 수 kHz에 달하는 SBP (Sub-Bottom Profiler) 탐사자료에서 BSR의 관찰이 불가능한 경우가 발생되는 사실과 잘 일치한다. 또한 탄성파의 파장이 최소 5 m인데 비하여 산란체의 크기는 0.5 m 정도이므로 산란장의 진폭은 입사파의 주파수 제곱에 비례하며 강도는 주파수의 4승에 비례한다는 산란장의 주파수 의존적인 특성인 Rayleigh 산란과 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
0 m로 하여 획득한 자료이다. 음원의 주파수를 200 Hz로 설정하고 이상체의 크기를 각각 0.5 m, 1.0 m, 2.0 m로 달리했을 때 획득한 자료들을 살펴보면, 이상체의 크기가 커질수록 음파의 산란현상이 심해져 매질 경계면의 반사파에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 2차 산란장의 진폭은 지층 모델의 구성 변수와 관련하여 체적탄성률의 차, 밀도 차, 산란 이상체의 체적에 비례한다는 Rayleigh 산란이론과 잘 일치함을 확인할 수 있다.
한편 가스 하이드레이트 존재의 중요한 인자인 BSR과 관련된 free gas 지층에서 반사파는 큰 진폭을 가지며 뚜렷한 극성의 역전현상을 관찰할 수 있다. 즉, 저주파수 음원에 대하여 가스 하이드레이트 지층의 진폭 공백(Amplitude Blanking)현상이 잘 나타났고 BSR과 관련된 진폭 이상을 분명히 관찰할 수 있는 반면 음원이 고주파수일수록 가스 하이드레이트 지층 상부 반사면이 보다 잘 나타나지만 가스 하이드레이트 지층에서의 산란으로 인하여 BSR이 약하게 나타난다. 가스 하이드레이트 지층이 천부에 있을지라도 산란으로 인한 Masking효과 때문에 음원의 주파수가 수 kHz에 달하는 SBP (Sub-Bottom Profiler) 탐사자료에서 BSR의 관찰이 불가능한 경우가 발생되는 사실과 잘 일치한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가스 하이드레이트의 부존 여부에 대한 매우 중요한 판단 근거로는 무엇이 있는가?
가스 하이드레이트의 탐사에서 탄성파 진폭과 주파수 특성은 가스 하이드레이트의 부존 여부에 대한 매우 중요한 판단 근거이다. 본 연구에서 탄성파 진폭특성은 탄성파 수치모델링 기법을 이용하여 음원 주파수 및 산란체의 크기에 따른 변화 양상을 파악하고자 하였다.
일반적으로 진폭에 큰 영향을 미치는 산란은 무엇에 비례하는가?
본 연구에서 탄성파 진폭특성은 탄성파 수치모델링 기법을 이용하여 음원 주파수 및 산란체의 크기에 따른 변화 양상을 파악하고자 하였다. 일반적으로 진폭에 큰 영향을 미치는 산란은 음원의 주파수 제곱에 비례하고 산란 이상체의 체적에 비례한다. 음원의 주파수가 높아질수록 가스 하이드레이트 지층에서의 산란이 심하여 BSR이 잘 나타나지 않는 반면 음원의 주파수가 낮아질수록 가스 하이드레이트 지층의 진폭공백대 특성이 잘 나타나고 또한 하부의 BSR이 보다 뚜렷히 보이나 해상도가 낮아지게 된다.
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