[논문]지자기자료 및 정밀해저지형자료를 이용한 마리아나 해구 해저 열수광상 연구

김창환; 김호; 정의영; 박찬홍; 고영탁; 이승훈

doi:10.7850/jkso.2009.14.1.022

[국내논문] 지자기자료 및 정밀해저지형자료를 이용한 마리아나 해구 해저 열수광상 연구
A Study on the Hydrothermal Vent in the Mariana Trench using Magnetic and Bathymetry Data 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.14 no.1, 2009년, pp.22 - 40

김창환 (한국해양연구원 동해연구소 독도전문연구센터) , 김호 (한국해양연구원 동해연구소 독도전문연구센터) , 정의영 (한국해양연구원 동해연구소 독도전문연구센터) , 박찬홍 (한국해양연구원 동해연구소) , 고영탁 (한국해양연구원 심해.해저자원연구부) , 이승훈 (한국해양연구원 동해연구소 독도전문연구센터)

초록
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Mariana 해령 후열도 분지내에 위치하고 있는 NW Rota-1과 Esmerala Bank의 지형 및 자력특성을 연구하고 열수분출대의 위치를 추정하기 위하여 2007년 9월에 한국해양연구원 온누리호를 이용하여 획득한 정밀해저지형자료 및 해상자력탐사자료를 함께 분석하였다. NW Rota-1 해산의 전체적인 모양은 원뿔 형태이며, 정상부의 수심은 약 500 m이다. NW Rota-1 해산에서는 급경사나 큰 계곡과 같은 지형적 특성은 보이지 않지만 남동쪽 방향에 불규칙한 지형이 발달해 있다. Esmeralda Bank의 전체적인 모양은 서쪽 방향이 열린 칼데라의 형태를 띠고 있다. Esmeralda Bank의 정상부 수심은 약 50 m로 매우 얕다. Esmeralda Bank의 서쪽부분은 동쪽부분보다 경사가 더 급하고 지형의 기복이 심하게 나타나며, Bank 생성 후 무너져 내렸거나 침식에 의해 형성된 것으로 보이는 계곡이 관찰된다. NW Rota-1 해산과 Esmeralda Bank의 자기이상분포는 두 지역 모두 북쪽에 저이상이 나타나고 남쪽에 고이상이 분포하며 정상부에서는 급격한 자기변화를 보이고 수심이 깊은 기저부에서는 완만한 자기변화가 나타난다. NW Rota-1 해산 정상부에서 저자화강도이상대가 나타나며 이 저이상대를 둘러싸고 남쪽과 북쪽으로 주변보다 높은 자화강도 이상이 관측되는데 이는 이 해저산의 화구륜과 관계가 있는 것으로 생각된다. Esmeralda Bank는 정상부와 서쪽에 저자화강도이상대가 분포하고 있다. NW Rota-1와 Esmeralda Bank 정상부의 저자화강도이상대에서 열수분출대가 존재할 가능성이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Detailed bathymetry and magnetic survey data for NW Rota-1 and Esmeralda Bank obtained by R/V Onnuri of Korea Ocean Research & Development Institute in September 2007 were analyzed to investigate bathymetry and magnetic characteristics of the study area and to estimate the locations of possible hydrothermal vents. The shape of NW Rota-1 is corn type, and the depth of the summit is about 500 meter b.s.l. NW Rota-1 shows irregular topographic expression in the southeastern part. The shape of Esmeralda Bank is caldera type opened in the western part. The summit is very shallow, about 50 meter b.s.l. The western part of Esmeralda Bank is more steeper and topographic irregular than the eastern part, and have the valley made by erosion or collapse. The magnetic anomaly patterns of NW Rota-1 and Esmeralda Bank show low anomalies over the north and high anomalies over the south. The magnetic anomalies are steep over the summits and gently smooth over the deep bottom. The low magnetization zone occurs over the summit of NW Rota-1 and is surrounded by the high zones correlated with its crater. Two low magnetization zones are located in the summit and westside of Esmeralda Bank. The low magnetization zones of the summits of NW Rota-1 and Esmeralda Bank suggest the possible existence of hydrothermal vent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Mariana Arc 후열도 분지내 위치하는 NW Rota-1과 Esmeralda Bank에서 획득된 해저지형 및 자력자료를 이용하여 연구지역의 해저지형 및 자력특성을 분석하고 열수분출대의 존재 가능성을 파악 하고자 하였다. NW Rota-1 해산의 해저지형은 원뿔 형태 모양을 보이며 정상부로 가면서 급한 경사를 보인다.
해상자력계는 신호케이블 1개와 컴퓨터 인터페이스 및 신호제어용 컴퓨터, logging 소프트웨어 등으로 구성되며 300 m 케이블과 윈치를 사용한다. 본 연구에서는 연구선 온누리호(전장 63.80 m) 선체에 의한 자력 영향을 최소화하기 위하여 해상자력계 센서를 선체의 길이보다 약세 배 이상 길도록 200 m 선미에 위치하도록 하였으며, 연구선의 속도는 평균시속 약 7~8 Knots로 센서를 예인하였다. 센서로부터 측정된 자기장 세기는 위치 등 항해자료와 함께 실시간으로 PC에 자동 기록되며 이렇게 획득된 자력자료를 본 연구에 활용하였다.
본 연구의 목적은 2007년 한국해양연구원에서 획득한 Mariana 해령 후열도분지 내의 열수분출대 부존 가능성이 있는 NW Rota1과 Esmeralda Bank의 정밀해저지형 및 자력자료를 이용하여 그 연구지역의 지형 및 자력 특성을 분석하고 열수분출가능지역의 위치를 추정하는 것이다.

가설 설정

Parker and Huestis(1974)은 지자기값에 영향을 미치는 지형의 영향을 제거하기 위하여 다음과 같이 자기이상의 푸리에 변환을 통한 자화의 역산을 이용하여 자화강도를 구하였다. 여기서 기반암의 두께에 비하여 상대적으로 작은 두께를 가지며 일정한 방향으로 자화된 층을 가정하였다.

제안 방법

NW Rota-1과 Esmeralda Bank 지역에서 Kongsberg Simrad사의 EM120 다중빔 음향측심기를 이용하여 정밀해저지형탐사가 수행되었다. Kongsberg Simrad사의 EM120 장비는 총 빔의 개수가 191개이며, 조사선 운항 방향의 직각방향(across track)으로 자료 획득하며 그 방식은 등거리(Equi-distance) 방법을 사용한다.
Cell 내의 평균 심도에서 표준편차의 3배 이상 벗어나는 자료는 제거하였으며, EM120 장비의 심도 추정(bottom detection)시 기록되는 quality factor가 20 이상인 자료는 모두 제거하였다. 또한 correlation plot 기능을 이용하여 범위를 벗어나는 cell이나 point를 제거하였다.
정밀해저지형자료는 Kongsberg Simrad사의 전용 소프트웨어인 Neptune과 Poseidon을 사용하여 처리하였다. 수심자료의 처리는 크게 3단계로 위치보정(position correction), 심도보정(depth correction), Binstat 처리로 나누어 수행하였다. 위치 보정은 GPS 자료의 오차에 의한 공간상의 부정확성을 제거하는 과정으로, 속도를 10 knots로 상정하고 GPS hunting 및 조사선 회전 등에 의한 위치 오류를 제거하였다.
3). 연구선 온누리호의 위치는 온누리호에 장착되어 있는 DGPS(Differential GPS)에 의해서 1초 간격으로 연속적으로 측정되었으며 이 자료 및 콘맵프로그램을 이용하여 계획된 측선을 따라 연구선이 항해할 수 있도록 하였다.
위와 같은 방법으로 해저지형자료 및 자력자료를 처리하고 분석하여 연구지역의 정밀해저지형 및 자력특성을 연구하고 열수분출대의 존재가능 위치를 유추하였다.
수심자료의 처리는 크게 3단계로 위치보정(position correction), 심도보정(depth correction), Binstat 처리로 나누어 수행하였다. 위치 보정은 GPS 자료의 오차에 의한 공간상의 부정확성을 제거하는 과정으로, 속도를 10 knots로 상정하고 GPS hunting 및 조사선 회전 등에 의한 위치 오류를 제거하였다. 심도보정은 탐사 중 음파속도의 변화, roll/pitch 값의 변화 등에 의한 수심의 왜곡을 보정하는 것이다.
이는 수직자화에 의한 자력이상으로서 편각이 0°이고 복각이 90°인 자극에서 측정된 값으로 변환시킴으로서 이상대의 해석을 용이하게 할 수 있는 자극화 변환(Reduction to the pole: RTP)을 실시하였다.
이때, 좌우현 모두 65°의 빔 주사각도를 선택하였으며, 최대 탐지 대역폭은 좌우 각각 5 km로 설정하였다.
자력탐사에서는 획득된 총자기 값에서 지자장에 가장 근사시킨 국제참고지자장(International Geomagnetic Reference Field: IGRF2005)을 산출하여 측정 자료에서 소거하였다. 이러한 과정을 통하여 광역주기성분을 분리하였으며, 지각 내 분포하는 지질 암상이나 구조의 변화에 의한 자기이상값을 얻었다. 지자기장은 측정위치에 따라 편각 및 복각이 변화하므로 현장 측정 자료는 측정당시의 지자기장 방향성에 따라 자력이상이 왜곡되어 나타난다.
자력탐사에서는 획득된 총자기 값에서 지자장에 가장 근사시킨 국제참고지자장(International Geomagnetic Reference Field: IGRF2005)을 산출하여 측정 자료에서 소거하였다. 이러한 과정을 통하여 광역주기성분을 분리하였으며, 지각 내 분포하는 지질 암상이나 구조의 변화에 의한 자기이상값을 얻었다.

대상 데이터

이때, 좌우현 모두 65°의 빔 주사각도를 선택하였으며, 최대 탐지 대역폭은 좌우 각각 5 km로 설정하였다. Esmeralda Bank 지역의 수심이 불규칙하여 측선자료 획득 후 자료의 공백이 발생하여 추가로 측선을 설정하여 해저지형자료를 획득하였다.
본 연구에서는 칼데라 및 열수광상이 분포할 것으로 판단되는 Mariana 해령에 인접한 NW Rota-1과 Esmeralda Bank 두 구역을 중심으로 한국해양연구원 연구선 온누리호를 이용하여 2007년 9월 19일과 2007년 9월 21일에 정밀해저지형탐사와 자력탐사를 수행하여 획득한 자료를 사용하였다(Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3). 연구선 온누리호의 위치는 온누리호에 장착되어 있는 DGPS(Differential GPS)에 의해서 1초 간격으로 연속적으로 측정되었으며 이 자료 및 콘맵프로그램을 이용하여 계획된 측선을 따라 연구선이 항해할 수 있도록 하였다.
80 m) 선체에 의한 자력 영향을 최소화하기 위하여 해상자력계 센서를 선체의 길이보다 약세 배 이상 길도록 200 m 선미에 위치하도록 하였으며, 연구선의 속도는 평균시속 약 7~8 Knots로 센서를 예인하였다. 센서로부터 측정된 자기장 세기는 위치 등 항해자료와 함께 실시간으로 PC에 자동 기록되며 이렇게 획득된 자력자료를 본 연구에 활용하였다.
연구지역인 NW Rota-1과 Esmeralda Bank는 화산열도와 후열도 분지 사이에 위치하고 있다(Fig. 1). NW Rota-1 해산은 수심 700~884 m 사이의 남쪽 측면에서 화산쇄설성의 파편들과 애추(Talus)들이 나타나는 특징을 보인다(Embley et al.
정밀해저지형자료는 Kongsberg Simrad사의 전용 소프트웨어인 Neptune과 Poseidon을 사용하여 처리하였다. 수심자료의 처리는 크게 3단계로 위치보정(position correction), 심도보정(depth correction), Binstat 처리로 나누어 수행하였다.
4는 NW Rota-1 해산의 정밀 수심도이며, 등고선 간격은 100 m이다. 해산의 전체적인 모양은 원뿔 형태이며, 정상부의 수심은 약 500 m이다. 전반적으로는 정상부로 가면서 경사가 급해지는 모습을 보인다.
또한 EM120 시스템의 자료취득 소프트웨어인 SIS(Seafloor Information System)는 Windows 환경에서 구현되며, 다양한 화면 구성과 가시화(visualization) 도구를 채용하여 실시간으로 자료의 품질관리(Quality Control)를 제어할 수 있도록 설계되어 있다. 해저지형자료는 NW Rota-1 해산에서는 SE-NW 방향으로 측선을 설정하여 자료를 획득하였으며, 측선의 간격은 약 5 km를 유지하였다. Esmeralda Bank 지역에서는 측선을 E-W 방향을 설정하였으며, 측선 간격은 약 3 km를 유지하였다.

이론/모형

NW Rota-1과 Esmeralda Bank 지역에서 Kongsberg Simrad사의 EM120 다중빔 음향측심기를 이용하여 정밀해저지형탐사가 수행되었다. Kongsberg Simrad사의 EM120 장비는 총 빔의 개수가 191개이며, 조사선 운항 방향의 직각방향(across track)으로 자료 획득하며 그 방식은 등거리(Equi-distance) 방법을 사용한다. 또한 EM120 시스템의 자료취득 소프트웨어인 SIS(Seafloor Information System)는 Windows 환경에서 구현되며, 다양한 화면 구성과 가시화(visualization) 도구를 채용하여 실시간으로 자료의 품질관리(Quality Control)를 제어할 수 있도록 설계되어 있다.
또한 천부자기이상의 분리 및 해석을 위하여 잔류자기의 크기, 자화방향 또는 지자기장 요소에 대한 어떠한 가정 없이 자성암체의 경계 및 심도를 구할 수 있다는 점이 장점인 아닐니틱 신호법을 적용하여 아날니틱 신호분포를 분석하였다(Nabighian, 1972, 1974).
이와 같이 측정된 지자기자료를 이용하여 연구지역 지각의 자화 특성을 알 수 있다면 이로부터 열수분출 가능지역을 유추할 수 있다. 본 탐사에서 얻어진 지형자료와 자기이상자료를 이용하여 자화역산법(Parker and Huestis 1974)을 통해 자화값을 산출하였다(Fig. 12, Fig. 13). Fig.
화성암체 등은 자기이상분포를 복잡하게 만들며 이런 자기이상 분포들이 중첩될 경우 해석이 쉽지 않다. 이와 같은 복잡한 자기이상을 단순화시키기 위하여 자극화변환 및 아날니틱 신호 분석 방법을 적용하였다. 이 방법들은 독립된 자성체의 분포를 파악하는데 주로 이용된다.
해상자력탐사는 Marine Magnetics사의 SeaSPY 해상자력계를 사용하여 수행하였다. 이 장비는 오버하우져(Overhauser)형의 총 성분 측정 자력계로써 신형 해상자력측정장비이다.

후속연구

CTD Tow-yo 결과에서는 두 연구지역의 정상부에서 열수 풀룸의 영향이 검출되었다. 이와 같이 급격한 저자화강도변화가 나타나는 정상부에서 열수 풀룸의 존재를 확인할 수 있듯이 자력탐사는 열수분출대의 존재를 추정하는 유용한 방법으로 앞으로 열수분출대탐사에서 중요한 탐사방법으로 사용될 수 있다. 그러나 Esmeralda Bank 서쪽 사면에서 나타나는 저자화 강도이상대에서는 열수분출의 증거를 찾지 못하였고 앞서 설명 하였듯이 다른 요인에 의하여 저자화강도이상이 나타날 가능성도 있다.
그러나 Esmeralda Bank 서쪽 사면에서 나타나는 저자화 강도이상대에서는 열수분출의 증거를 찾지 못하였고 앞서 설명 하였듯이 다른 요인에 의하여 저자화강도이상이 나타날 가능성도 있다. 향후 열수분출대의 보다 정확한 존재가능성 및 위치를 분석하기 위해서는 지형 및 추가적인 자력탐사 자료와 해저면 영상조사 등 다른 지구물리, 지구화학, 생물, 암석샘플 자료 등과의 비교연구가 수행된다면 더욱 유용한 연구 결과가 도출되리라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Mariana 해령의 동쪽은 무엇으로 구성되어 있는가?	Mariana 해령은 동쪽과 서쪽으로 구분되는 두 개의 해령으로 이루어져 있다. 동쪽의 해령은 에오세 화강암을 기반으로 대규모 에오세 석회암, 마이오세 화강암으로 구성되어 있다(Cloud et al., 1956; Tracey et al.
	심도보정이란 무엇인가?	위치 보정은 GPS 자료의 오차에 의한 공간상의 부정확성을 제거하는 과정으로, 속도를 10 knots로 상정하고 GPS hunting 및 조사선 회전 등에 의한 위치 오류를 제거하였다. 심도보정은 탐사 중 음파속도의 변화, roll/pitch 값의 변화 등에 의한 수심의 왜곡을 보정하는 것이다. Binstat 처리는 통계적으로 적정한 샘플수를 확보할 수 있는 cell 크기를 선택하여, cell 내의 자료에 대해 표준편차, 평균, 최대/최소의 변화를 이용하여 불량한 자료를 제거하는 방법이다.
	전 세계 후열도 분지 중 후열도 확장축을 가지고 있는 6개 지역은 무엇인가?	후열도 확장대의 열수활동은 중앙해령지역과 달리 기반암과 휘발성 유체와 같은 다른 요인들에 의해 다양한 조성을 갖는 열수활동들이 보고됨에 따라 많은 관심을 받고 있다(German and Von Damm, 2004). 전 세계 후열도 분지(back-arc basin)의 75%가 서태평양지역에 있으며, 이 가운데 마리아나 트러프(Mariana Trough), 안다만 해(Andaman Sea), 마누스 분지(Manus Basin), 우드락 분지(Woodlark Basin), 북피지 분지(North Fiji Basin), 라우 분지(Lau Basin) 등 6개 지역은 후열도 확장축 을 가지고 있다. 이들 후열도분지는 후기 백악기 이래로 태평양판의 경계부에 유착되어 보존되어 왔으며(Kroenke, 1984; Honza, 1991; Tamaki and Honza, 1991), 이 중 Mariana Arc는 50개 이상의 해저화산 조사에서 12개 지역의 열수 풀룸을 발견하였다(Embley et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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