[논문]이산화탄소 지중저장 Pilot 부지 선정을 위한 의성지역 MT 탐사

이태종; 한누리; 고광범; 황세호; 박권규; 김형찬; 박용찬

문제 정의

2차원 및 3차원 MT 탐사를 수행하였다. MT 탐사는 심부 지질구조 상에서 전기비저항에 의한 전기적 층서구조 파악과 이산화탄소 주입시 누출의 통로가 될 수 있는 심부 파쇄대의 탐지를 주된 목적으로 수행하였다.
본 연구는 국토해양부가 지원하는 “CO2 해양지중저장 최적화 및 모니터링 기술 개발”과제의 일환으로 수행되었으며, 일본 Ogiri 관즉점 자료를 제공해 준 일본 Nittetsu Mining Consultant사의 Tejima씨와 캐나다의 Phoenix Geophysics사의 Leo Fox씨, 그리고 도표 작성 및 자료정리에 도움을 주신 한국지질자원연구원 백승균박사께 감사드린다 .
본 연구에서는 이태종 등(2006)이 제안한 방법과 같이 MT 자료와 AMT 자료를 함께 얻어 고주파수 자료의 추가를 통하여 천부의 분해능을 높이고자 하였다. 또한, 지협적인 잡음의영향을 최대한 배제할 수 있도록 원거리기준점 방식(Gamble et al.
, 1979)을 사용하였다. 원거리기준점 자료는 MT 대역의경우 현장으로부터 약 500 km 떨어진 일본 Kyushu의 상시 모니터링 자료를 이용하고, AMT 대역에 대해서는 동일한 시간에 측정된 다른 측점의 자기장 자료를 활용하여 자료의 질을높이고자 하였다.
이 연구에서는 이산화탄소 지중저장을 위한 pilot plant 부지선정을 위하여, 우선 기존 온천 시추공 자료 및 문헌조사, 지질조사 자료를 종합하여 경상계 퇴적층 중 경상북도 의성군 지역을 하나의 유력한 후보지로 선정하였다. 또한 이 지역에 대한 상세조사의 일환으로 MT (Magnetotelluric) 및 가청주파수대역 MT (Audio-frequency MT, AMT) 탐사를 수행하고, 2 차원 및 3차원 역산 해석과 기존 연구결과를 종합하여 이산화탄소 지중 저장에 있어서 치명적인 파쇄대 발달상황을 파악하고 pilot plant 건설 부지로서의 타당성을 검토하였다.

가설 설정

덮여 있어야 하며, 3) 주입된 C₆의 누출 통로가 될 수 있는 파쇄대 등이 존재하지 않아야 한다.

제안 방법

2치원 역산을 위하여 우선 Fig. 4에 보인 각 측선에 대하여주향이 측선과 직교한다는 가정 하에 MT 임피던스를 측선방향으로 회전시켜 자기장이 주향과 평행한 성분(TM 모드)과수직한 성분(TE 모드)을 계산하고, 이 중 TM 모드에 대한 겉보기 비저항과 위상을 역산에 이용하였다. 역산에 사용된 자료는 1.
그러나, 이러한 심한 잡음에도 불구하고 1 Hz 이상 자료만을 볼 때 전체적인 겉보기 비저항과 위상 곡선의 연속성은 확인할 수 있다. 균질한 100 ohm-m 매질을 가정할 때 1 Hz에서의 표피심도가 5 km에 이름을 감안하면 탐사의 목표심도인 1 km를 위해서는 충분한 자료로 판단되며, 따라서 이렇게 얻은 자료를 2차원 및 3차원 역산에 이용하였다.
하나의 유력한 후보지로 선정하였다. 또한 이 지역에 대한 상세조사의 일환으로 MT (Magnetotelluric) 및 가청주파수대역 MT (Audio-frequency MT, AMT) 탐사를 수행하고, 2 차원 및 3차원 역산 해석과 기존 연구결과를 종합하여 이산화탄소 지중 저장에 있어서 치명적인 파쇄대 발달상황을 파악하고 pilot plant 건설 부지로서의 타당성을 검토하였다.
이산화탄소 지중저장 pilot 부지 선정을 위해서 기존 문헌 조사를 통한 경상분지 내 유망지 선정과 암석의 밀도와 공극률 측정을 통한 퇴적층의 물성 분석 그리고 의성지역을 대상으로 2차원 및 3차원 MT 탐사를 수행하였다. MT 탐사는 심부 지질구조 상에서 전기비저항에 의한 전기적 층서구조 파악과 이산화탄소 주입시 누출의 통로가 될 수 있는 심부 파쇄대의 탐지를 주된 목적으로 수행하였다.
이상과 같은 분석을 토대로 본 연구에서는 Fig. 2 및 Fig. 3 에 표시된 대상 지역을 선정하고 대상 지역내 파쇄대 분포 상황을 파악하고자 상세한 지표 물리탐사를 수행하였다. 산악지형이 많은 국내의 육상환경에서는 탄성파 탐사와 같은 고해상도 심부 물리탐사의 적용이 매우 제한적이며 MT 탐사는 거의 유일한 대안으로 부상하고 있다.
측정된 시계열 자료로부터 겉보기 비저항 및 위상 등 여러가지 MT 파라미터를 추출하는 AMT 및 MT 탐사자료의 자료처리는 Phoenix 사에서 제공하는 자료처리 소프트웨어 SSMT2000을 이용하였으며, 원거리기준점 처리된 AMT 및 MT 자료로부터 tipper, coherency, 겉보기 비저항 및 위상의 연속성 등을 고려하여 잡음에 심하게 오염되거나 분산이 큰 자료를 수동으로 제거하였다.
4는 의성 지역의 MT 및 AMT 탐사 측점도를 보인 것으로 총 42개 측점에 대해 탐사자료를 획득하였다. 측정된 자료의 해석을 위하여 Fig. 4에 보인 바와 같이 총 6개 측선에 대한 2차원 역산 해석을, 직사각형으로 둘러싸인 영역에 대해 3차원 역산 해석을 수행하였다.

대상 데이터

Fig. 4는 의성 지역의 MT 및 AMT 탐사 측점도를 보인 것으로 총 42개 측점에 대해 탐사자료를 획득하였다. 측정된 자료의 해석을 위하여 Fig.
대상지역인 경북 의성지역은 경상분지 하부를 이루고 있는신동층군과 하양층군의 경계부에 해당된다(Fig. 2). 초기 백악기에 형성된 신동층군은 소백산육괴를 기반암으로하여 부정합으로 놓여 있으며, 경상분지의 서쪽 경계로부터 차례로 낙동증, 하산동증, 진주증으로 구성된다.
4에 보인 각 측선에 대하여주향이 측선과 직교한다는 가정 하에 MT 임피던스를 측선방향으로 회전시켜 자기장이 주향과 평행한 성분(TM 모드)과수직한 성분(TE 모드)을 계산하고, 이 중 TM 모드에 대한 겉보기 비저항과 위상을 역산에 이용하였다. 역산에 사용된 자료는 1.17~8, 800 Hz의 주파수 대역에서 22개의 주파수에 대한겉보기 비저항과 위상이다. 측선은 ES-1 ~ ES-6 (Fig.
17~8, 800 Hz의 주파수 대역에서 22개의 주파수에 대한겉보기 비저항과 위상이다. 측선은 ES-1 ~ ES-6 (Fig. 4)이 각각 N₅°W, N₂₅°E, N₂₅°E, N₅₅°E, EW, N₄₀°W, N₄₀°W의 방향을 가지며, 측점간의 거리는 해당 측선 상에 투영시킨 거리를 사용하였다. 이때, 측점들 중에서 잡음이 극심한 측점들은역산에서 제외시켰다.
Table 1은 국내 암석의 열특성 연구(김형찬 등, 2008)의 일환으로, 경상분지 전역에 분포하는 대표적인 3가지 퇴적층 군에서 총 187개의 암석 시료를 채취하여 공극률과 밀도를 측정한 결과를 보인 것이다. 측정에 이용된 암석 시료는 Fig. 2에 보인 시료채취 위치의 노두에서, 절리나 파쇄가 발달하지 않아 코어의 형태로 시료 성형이 가능한 되도록 신선한 암석을 이용하였다. 그 결과 밀도는 2.

이론/모형

2차원 역산에는 자료의 Bayesian likelihood를 최대로 하여 모델의 regularization parameter를 조절하는 최소자승역산 (Uchida, 1993)을 이용하였으며 이때 모형반응계산 알고리듬은 유한요소법이다. 이때, 겉보기 비저항과 위상 자료의 자료 오차(error bar)의 크기에 따라 가중치를 주도록 하였다.
4의 직사각형으로 둘러싸인 영역에 대하여 그내부의 22개 측점에서의 탐사자료를 이용하여 3차원 역산한결과를 심도구간별로 도시한 것이다. 3차원 역산에는 정적효과를 고려하고 평활화 제한을 가한 선형화된 반복적 최소자승역산(Han et al., 2008>을 사용하였으며, 이때 모형반응계산은유한차분법 (staggered grid finite difference method)으로 지형에 의한 영향은 고려하지 않았다. 역산에 사용된 자료는 1.
AMT 자료를 함께 얻어 고주파수 자료의 추가를 통하여 천부의 분해능을 높이고자 하였다. 또한, 지협적인 잡음의영향을 최대한 배제할 수 있도록 원거리기준점 방식(Gamble et al., 1979)을 사용하였다. 원거리기준점 자료는 MT 대역의경우 현장으로부터 약 500 km 떨어진 일본 Kyushu의 상시 모니터링 자료를 이용하고, AMT 대역에 대해서는 동일한 시간에 측정된 다른 측점의 자기장 자료를 활용하여 자료의 질을높이고자 하였다.

성능/효과

의성지역에서 총 42개 측점에 대한 MT 및 AMT 탐사자료를 획득하고 이를 이용하여 6개 측선에 대하여 2차원 역산을, 중앙부 22개 측점을 이용하여 3차원 역산한 결과, 탐사 지역의 서북에서 동남으로 심부까지 연장된 파쇄대가 약 1.6 km의심부까지 발달해 있음을 확인하였으며, 기존 문헌의 지질구조및 선구조 분석 결과와 대비하였을 때 의성지역의 특징적인 N55~65°W 방향의 선구조와 일치하는 방향으로 백악기 주향이동 단층인 가음단층과 금천단층과 연관될 가능성이 있다.
의성지역의 6개 측선에 대한 2차원 해석결과를 종합해보면 이 지역의 남서쪽에는 2 km 내외의 심부까지 발달한 규모가 큰 파쇄대가 북서-남동 방향으로 발달했을 것으로 예측되며, 반면 연구지역의 남동부에는 파쇄대가 존재하나 대부분 소규모이거나 천부에 국한되었을 것으로 해석된다.
또, 인접한 의성 봉양지구의 온천개발을 위한 시추 결과, 약 600 m 심도로부터최종 시추심도인 820 m 깊이까지 하양층군의 역질사암이 발견된 것으로 보고되었다(임정웅 등, 1992). 이러한 결과를 종합하면, 의성일대에서는 최소한 2 km 내외까지는 퇴적층이 분포하는 것으로 추정할 수 있어 주입심도 약 1 km의 pilot plant를 위해서는 충분한 퇴적층의 심도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
이산화탄소 지중 저장에 있어서 서쪽의 심부 파쇄대는 주입된 이산화탄소의 지표 누출의 통로가 될 염려가 있으므로 pilot 부지는 이러한 심부 구조의 발달 가능성이 비교적 적은탐사지역의 동쪽지역이 유리할 것으로 보인다. 그러나 Table 1 에 보인 바와 같이 대상지의 암석인 일직층의 밀도는 평균 2.
8은 의성지역 인공위성 영상으로부터 추출한 선구조분석 결과(김상완 등, 1999) 중 본 연구의 상세 물리탐사 지역에 대한 결과를 추출한 것으로 김원균 등(1997)의 결과를 뒷받침하고 있다. 이와 같은 결과를 종합할 때, MT 탐사 역산 결과에서 나타난 저비저항 이상대(A) 는 그 방향^으로 보아 이러한 선구조와 연관되며, 특히 Fig. 2의 가음단층 및 금천단층이 조사지역까지 연장되었거나 그에수반된 가지 단층에 해당될 것으로 보인다.
탐사지역에 분포한 도로, 전력선 등의 영향과 측선 및 측점 선정의 제약에 의해 1 Hz 이하의 저주파수 자료의 획득은 어려웠으나 1 Hz 이상의 자료는 전반적으로 양호하여 탐사의 목표심도인 1 km 심도의 지하구조 파악에는 충분한 자료로 판단하였다.

후속연구

동쪽지역이 유리할 것으로 보인다. 그러나 Table 1 에 보인 바와 같이 대상지의 암석인 일직층의 밀도는 평균 2.67 g/cm% 공극률은 평균 1.47%로 매우 낮으므로 이산화탄소의 주입을 위해서는 수압파쇄 등을 통한 인위적인 저류 공간의 생성이 필요할 것이며, 이를 위해서는 시험시추 및 연구지역 주변의 광역적인 응력분포 등에 대한 추가적인 조사가필요하다.
그러나, 대상지의 암석인 일직층의 밀도는 평균 2.67 g/cm3, 공극률은 평균 1.47%로 매우 낮으므로 이산화탄소의 주입을 위해서는 수압파쇄 등을 통한 인위적인 저류 공간의 생성이 반드시 필요할 것이며, 이를 위해서는 향후 시험시추 및 연구지역 주변의 광역적인 응력분포 등에 대한 추가적인 조사가 필요하다.

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