경상분지와 경기육괴 지역에서 획득된 총 7측점의 MT 자료를 이용하여 한반도의 광역적인 1차원 심부 전기비저항 구조를 조사하였다. 경상분지에 위치한 측점들은 주변 해양에 의한 왜곡을 보정하기 위해 반복적 텐서 벗겨내기 기법을 이용하여 해양효과를 보정하였다. 총 7측점에 대한 층서 구조 일차원 역산 결과는 천부지층, 상부지각, 하부 지각 및 상부 맨틀, 연약권으로 구분되는 4층 전기비저항 모델을 제시하였다. 이 중 상부지각과 하부 지각의 경계, 즉 콘라드면은 전 측점에서 뚜렷하게 나타났다. 경상분지 지역은 깊이 약 17km, 경기육괴 지역은 약 12km부근에 콘라드면이 존재하였다. 또한 경상분지 지역 상부지각의 전기비저항은 경기육괴에 비해 5배정도 높았다. 마지막으로 연약권은 깊이 약 100km 이하에 존재하며, 200-300 ohm-m의 전기비저항을 갖는 것으로 추정되었다.
경상분지와 경기육괴 지역에서 획득된 총 7측점의 MT 자료를 이용하여 한반도의 광역적인 1차원 심부 전기비저항 구조를 조사하였다. 경상분지에 위치한 측점들은 주변 해양에 의한 왜곡을 보정하기 위해 반복적 텐서 벗겨내기 기법을 이용하여 해양효과를 보정하였다. 총 7측점에 대한 층서 구조 일차원 역산 결과는 천부지층, 상부지각, 하부 지각 및 상부 맨틀, 연약권으로 구분되는 4층 전기비저항 모델을 제시하였다. 이 중 상부지각과 하부 지각의 경계, 즉 콘라드면은 전 측점에서 뚜렷하게 나타났다. 경상분지 지역은 깊이 약 17km, 경기육괴 지역은 약 12km부근에 콘라드면이 존재하였다. 또한 경상분지 지역 상부지각의 전기비저항은 경기육괴에 비해 5배정도 높았다. 마지막으로 연약권은 깊이 약 100km 이하에 존재하며, 200-300 ohm-m의 전기비저항을 갖는 것으로 추정되었다.
We examined the regional 1-D deep resistivity structure of the Korean Peninsula using MT data acquired at seven sites located in the Kyongsang Basin and Kyonggi Massif. At the sites located in the Kyongsang Basin, surrounding sea distorts observed MT response and hence this distortion, so called "se...
We examined the regional 1-D deep resistivity structure of the Korean Peninsula using MT data acquired at seven sites located in the Kyongsang Basin and Kyonggi Massif. At the sites located in the Kyongsang Basin, surrounding sea distorts observed MT response and hence this distortion, so called "sea effect", is corrected using an iterative tensor stripping method. The 1-D layered inversion results for the seven MT sites reveal 4 layered structure, which is composed of 1) near surface layer, 2) upper crust, 3) lower crust and upper mantle, and 4) asthenosphere from the surface downward. Conrad interface, which is a boundary between upper and lower crust, is distinctly identified beneath all the MT sites. Conrad interface depth is estimated to about be 17km in the Kyongsang Basin and about 12km in the Kyonggi Massif, while the upper crust of the Kyongsang Basin is about 5 times more resistive than that of the Kyonggi Massif. Finally, asthenosphere is inferred to exist below a depth of approximately 100km with a resistivity of 200-300 ohm-m.
We examined the regional 1-D deep resistivity structure of the Korean Peninsula using MT data acquired at seven sites located in the Kyongsang Basin and Kyonggi Massif. At the sites located in the Kyongsang Basin, surrounding sea distorts observed MT response and hence this distortion, so called "sea effect", is corrected using an iterative tensor stripping method. The 1-D layered inversion results for the seven MT sites reveal 4 layered structure, which is composed of 1) near surface layer, 2) upper crust, 3) lower crust and upper mantle, and 4) asthenosphere from the surface downward. Conrad interface, which is a boundary between upper and lower crust, is distinctly identified beneath all the MT sites. Conrad interface depth is estimated to about be 17km in the Kyongsang Basin and about 12km in the Kyonggi Massif, while the upper crust of the Kyongsang Basin is about 5 times more resistive than that of the Kyonggi Massif. Finally, asthenosphere is inferred to exist below a depth of approximately 100km with a resistivity of 200-300 ohm-m.
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문제 정의
본 연구에서는 역산과 보정단계를 반복적으로 수행하여 해양효과를 보정하는 텐서 벗겨내기(tensor stripping) 기법(양준모 외, 2008)을 이용하였다. 본 논문에서는 이 기법에 대해 간략하게 소개하기로 한다.
본 연구에서는 경상분지와 경기육괴에서 획득된 MT 자료를 이용하여 한반도의 심부 1차원 전기비저항 구조를 추정하였다. 심부 MT 반응을 왜곡시키는 주변 해양의 영향을 보정하기 위해 반복적인 텐서 stripping 기법을 이용한 해양효과 보정이 수행되었다.
본 연구에서는 첫 번째로 기존의 심부 MT 탐사자료(Lee, 2006)로부터 심부 지각구조 추정에 적합한 MT 자료를 선별하고, 두 번째로 양준모 외(2008)가 개발한 해양효과 보정기법을 이용하여 해양효과가 의심되는 측점들에 대해 해양효과 보정을 수행한다. 이를 바탕으로 1차원 역산을 수행하여, 보다 신뢰성 있는 심부 1차원 전기비저항 구조를 추정하고자 한다.
이를 바탕으로 1차원 역산을 수행하여, 보다 신뢰성 있는 심부 1차원 전기비저항 구조를 추정하고자 한다.
가설 설정
1차원 역산방법은 3차원 순산 모델링의 편의를 위하여 Occam 1차원 역산방법 (Constable et al., 1987)을 이용하였고, 겉보기 전기비저항과 위상에 대한 관측 오차는 5%로 가정하였다.
10km 이내의 상부지각에 집중되었으며, 3) 삼면이 해양으로 둘러싸인 한반도의 특성상 저주파수 MT 반응이 주변 해양에 의해 왜곡되기 때문이다. 기존의 MT 탐사 연구결과(Lee, 2006)에 따르면, 동해안에 인접한 지역은 해양의 영향이 뚜렷이 나타나며, 이 영향을 보정하지 않을 경우 신뢰성 있는 심부구조를 얻기 어렵다고 보고하였다.
우선, MT 임피던스 텐서에서 해양효과 보정은 다음과 같은 이론적 관계를 가정함으로써 수행된다.
모델의 총 격자수는 135(X, EW)x90(Y NS)x51(Z, 공기층 12개 포함)개로서, 모델 코어(core)는 121(X)x76(Y)로 구성되었으며 그 외부는 경계조건을 만족시키기 위해 각 수평 방향으로 7개의 격자를 추가하였다. 해양의 전기비저항은 0.33 ohm-m로 가정하였고, 모델 코어의 수평 격자 크기는 모델링 영역 (2, 420x1, 520 km)과 주파수를 고려하여 균일하게 20 km, 수직 격자 크기는 지수 함수적으로 증가시켰다. 또한 모델링시 이용된 주파수는 각 측점에서 획득한 주파수와 일치하도록 조정하였다.
제안 방법
6. 1-D resistivity models obtained by the inversion with 4 layers for the sites KMT102, KMT103, KMT104 and KMT106 before correcting the sea effect.
Three-dimensional model including surrounding seas of the Korean Peninsula for correcting the sea effect. Bathymetry data were complied from ETOPO5 data-set (http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global) and simplified for the convenience of numerical modeling.
2. Three-dimensional model including surrounding seas of the Korean Peninsula for correcting the sea effect. Bathymetry data were complied from ETOPO5 data-set (http://www.
, 1989). 가장 널리 사용되는 유효 임피던스에는 임피던스 텐서의 행렬식(determinant), 비대각성분의 기하평균(geometric average), 산술평균(aritlmetic average) 등이 있는데 본 연구에서는 식 (5)와 같이 임피던스의 행렬식을 계산하여 1차원 역산을 수행하였다.
경기육괴 측점들은 해양효과 보정 전후에 MT 반응의 차이가 거의 없어 관측 MT 반응을 이용하여 일차원 층서구조 역산을 수행하였다. Fig.
제 3층과 제 4층의 경계는 경상분지와 달리 전기비저항 차이가 매우 작아 경계를 구분하기 어렵다. 따라서 이 두 층은 한 층으로 취급하여 평균적인 전기비저항을 추정하였다. 역산을 통해 추정된 각 층의 깊이와 전기비저항을 보면(Table 2와 Table 3), 경기육괴 제 3증과 4증의 평균 전기비저항은 235 ohm-m 정도로 경상분지 제 4층의 전기비저항과 유사하게 나타난다.
33 ohm-m로 가정하였고, 모델 코어의 수평 격자 크기는 모델링 영역 (2, 420x1, 520 km)과 주파수를 고려하여 균일하게 20 km, 수직 격자 크기는 지수 함수적으로 증가시켰다. 또한 모델링시 이용된 주파수는 각 측점에서 획득한 주파수와 일치하도록 조정하였다. 마지막으로 3차원 모델의 일차원 구조는 MT 반응의 일차원 역산 결과로부터 획득되었다.
이 역산기법은 각 층의 두께 및 전기비저항이 모델 파라미터이며, 역산 결과가 초기 모델에 민감하기 때문에 사전정보를 충분히 활용해 모델을 구성해야 한다. 본 연구에서는 앞 절에서 이미 수행된 Occam 역산결과를 이용하여 초기 모델을 구성하였고, 수차례 테스트를 통해 4층으로 구성된 모델을 설정하여 역산을 수행하였다.
심부 일차원 구조의 경계면을 보다 명확히 파악하기 위해 4층으로 구성된 모델을 구성하여 일차원 역산을 수행하였다. 경상분지 지역의 일차원 구조는 4층 구조가 뚜렷하게 구분되나, 경기육괴 지역은 제 3층과 4층의 구분이 어려워 3층 구조에 가까웠다.
대상 데이터
5. 1-D inverted resistivity model at each iteration stage for the sites KMT102, KMT103, KMT104 and KMT106, which are located in the eastern Kyongsang Basin.
Fig. 1은 본 연구에서 선택한 MT 측점의 위치를 보여주는데, 측점의 개수는 경상분지 동부에 4 측점(KMT102, 103, 104, 106), 경기육괴 지역에 3 측점(KMT133, 136, 140)로 총 7개이다. 이춘기 외(2007) 에 따르면, 경기육괴 지역의 측점들은 임피던스 XY(X는 북쪽, Y는 동쪽 방향) 성분과 YX 성분의 거동이 상당히 유사하여 그 하부가 거의 일차원 구조로 보이나, 경상분지 동부에 위치한 측점들은 저주파수 대역에서 두 성분의 거동이 상이하여 해양효과에 의한 왜곡이 의심된다고 보고하였다.
(1993)의 코드를 사용하였다. 모델의 총 격자수는 135(X, EW)x90(Y NS)x51(Z, 공기층 12개 포함)개로서, 모델 코어(core)는 121(X)x76(Y)로 구성되었으며 그 외부는 경계조건을 만족시키기 위해 각 수평 방향으로 7개의 격자를 추가하였다. 해양의 전기비저항은 0.
본 연구에서는 2003년부터 2005년까지 서울대학교에서 획득한 MT 자료를 이용하였으며, 탐사 측선은 한반도를 N30°W 방향으로 횡단하도록 설계되었다. 사용된 측정 장비는 한국지질자원연구원이 보유하고 있는 캐나다 Phoenix 사의 MTU-5A 시스템이며, 획득된 주파수 범위는 약 320-2X10-4 Hz이다.
설계되었다. 사용된 측정 장비는 한국지질자원연구원이 보유하고 있는 캐나다 Phoenix 사의 MTU-5A 시스템이며, 획득된 주파수 범위는 약 320-2X10-4 Hz이다. MT 탐사 및 자료에 대한 자세한 사항은 Lee(2006)의 논문을 참고하기 바란다.
이론/모형
3차원 순산 모델링을 위해 유한차분법 기반인 Mackie et al.(1993)의 코드를 사용하였다. 모델의 총 격자수는 135(X, EW)x90(Y NS)x51(Z, 공기층 12개 포함)개로서, 모델 코어(core)는 121(X)x76(Y)로 구성되었으며 그 외부는 경계조건을 만족시키기 위해 각 수평 방향으로 7개의 격자를 추가하였다.
따라서 해양효과를 제거하기 위해서는 정확한 지하구조 파악이 전제되어야 하나, 정확한 지하구조파악을 위해서는 해양효과가 정확히 제거되어야 한다는 딜레마가 존재한다. 본 연구에서는 역산과 보정단계를 반복적으로 수행하여 해양효과를 보정하는 텐서 벗겨내기(tensor stripping) 기법(양준모 외, 2008)을 이용하였다. 본 논문에서는 이 기법에 대해 간략하게 소개하기로 한다.
그러나 Occam 역산 방법은 모델 파라미터가 최대한 부드럽게 변화도록 강제흐}는 기법이므로, 층의 경계 또는 불연속면을 명확히 파악하기는 어렵다. 본 절에서는 3층 또는 4층 모델로 대표되는 전기비저항 구조를 명확히 규명하기 위해 층서구조 역산기법(Jupp and Vbzzof, 1975)을 이용하였다. 이 역산기법은 각 층의 두께 및 전기비저항이 모델 파라미터이며, 역산 결과가 초기 모델에 민감하기 때문에 사전정보를 충분히 활용해 모델을 구성해야 한다.
구조를 추정하였다. 심부 MT 반응을 왜곡시키는 주변 해양의 영향을 보정하기 위해 반복적인 텐서 stripping 기법을 이용한 해양효과 보정이 수행되었다. 그 결과, 경상분지 측점들의 경우 약 IO-2 Hz 이하 저주파수에서 해양효과가 나타난 반면, 경기육괴 측점들은 획득된 주파수 범위에서 해양효과가 미미하였다.
성능/효과
심부 MT 반응을 왜곡시키는 주변 해양의 영향을 보정하기 위해 반복적인 텐서 stripping 기법을 이용한 해양효과 보정이 수행되었다. 그 결과, 경상분지 측점들의 경우 약 IO-2 Hz 이하 저주파수에서 해양효과가 나타난 반면, 경기육괴 측점들은 획득된 주파수 범위에서 해양효과가 미미하였다. 따라서 해양효과 보정은 경상분지에 위치한 측점들에 대해서만 수행되었고, 보정 후 전기비저항은 보다 낮게, 위상은 보다 높게 조정되었다.
그 결과, 경상분지 측점들의 경우 약 IO-2 Hz 이하 저주파수에서 해양효과가 나타난 반면, 경기육괴 측점들은 획득된 주파수 범위에서 해양효과가 미미하였다. 따라서 해양효과 보정은 경상분지에 위치한 측점들에 대해서만 수행되었고, 보정 후 전기비저항은 보다 낮게, 위상은 보다 높게 조정되었다.
지역적으로 보면, 경상분지 지역은 깊이 약 17km, 경기육괴 지역은 약 12km에 콘라드면이 존재하였다. 또한 경상분지 상부지각의 평균 전기비저항은 약 12, 600 ohm-m 정도로서 경기육괴 지역의 2, 500 ohm-m 보다 5배 정도 높은 값을 보였고, 하부지각의 전기비저항도 약 4배 정도 높았다. 이는 전자파의 감쇄라는 측면에서, 경상분지에 위치한 측점들이 심부구조 추정에 보다 유용함을 의미한다.
4는 해양효과 보정결과를 도시한 대표적인 예로서, 각각 측점 KMT102와 KMT136의 각 반복단계별 1차원 역산결과와 RMS misfit을 보여준다. 본 논문에 모두 도시하지는 않았지만, 경상분지동부에 위치한 측점들의 경우 2회의 반복단계 후 RMS misfit이 일정한 값으로 수렴하였다. 해양효과보정 전후에 MT 반응의 차이는 약 IO-2 Hz 이하에서 나타나며, 보정 후 전기비저항은 보다 낮게 위상은 보다 높게 조정되었다.
이로 볼 때 깊이 100 km 이하는 경상분지지역에서 추정된 연약권과 관련될 가능성이 크다. 위의 역산결과를 정리하면, 경기육괴 지역은 경상분지지역과 달리 3층 구조 반응에 가깝고, 콘라드면은 뚜렷하게 확인되나 연약권과 관련된 제 3층과 4층의 경계는 확인되지는 않는다.
본 논문에 모두 도시하지는 않았지만, 경상분지동부에 위치한 측점들의 경우 2회의 반복단계 후 RMS misfit이 일정한 값으로 수렴하였다. 해양효과보정 전후에 MT 반응의 차이는 약 IO-2 Hz 이하에서 나타나며, 보정 후 전기비저항은 보다 낮게 위상은 보다 높게 조정되었다. 이는 육지-해양의 경계에서 전기장의 경계조건으로 설명될 수 있다.
후속연구
첫 번째, 중력 자료는 광역적인 지질경계를 구별할 수 있을 정도로 수평 해상도는 양호하나 수직 해상도가 불량하다는 물리적 한계가 있다. 두 번째, 지진파 자료는 상대적으로 높은 수평, 수직 해상도를 확보할 수 있으나 한반도의 경우 지진발생 빈도가 낮고 지진관측소 역시 조밀하지 않아 만족할 만한 수준의 지각구조를 얻기에 충분한 자료가 축적되지 않았다는 한계가 있다. 지진파 자료 부족을 해결하기 위해 인공발파 실험은 좋은 대안이 될 수 있으나, 발파에 수반되는 비용과 환경문제들은 그 적용을 제한하고 있다.
위와 같은 결과들은 지진파, 중력 탐사 등 다른 지구물리탐사에서 밝히기 어려웠던 한반도의 심부 지각구조를 제시하고 있으며, 향후 추가적인 MT 자료의 획득 및 분석은 한반도의 지각구조를 보다 정확하게 규명하는데 기여할 것으로 기대된다.
자료에는 몇 가지 한계가 존재한다. 첫 번째, 중력 자료는 광역적인 지질경계를 구별할 수 있을 정도로 수평 해상도는 양호하나 수직 해상도가 불량하다는 물리적 한계가 있다. 두 번째, 지진파 자료는 상대적으로 높은 수평, 수직 해상도를 확보할 수 있으나 한반도의 경우 지진발생 빈도가 낮고 지진관측소 역시 조밀하지 않아 만족할 만한 수준의 지각구조를 얻기에 충분한 자료가 축적되지 않았다는 한계가 있다.
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