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[국내논문] VTI 매질의 탄성파 이방성 축소모형실험
Seismic Anisotropy Physical Modeling with Vertical Transversely Isotropic Media 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.13 no.4, 2010년, pp.307 - 314  

하영수 (한국해양대학교 해양과학기술대학 에너지자원공학과) ,  신성렬 (한국해양대학교 해양과학기술대학 에너지자원공학과)

초록
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석유와 가스 등 지하자원 탐사를 위한 탄성파 탐사자료의 처리 및 해석에 있어서 이방성에 대한 연구는 매우 중요하다. 중합 및 구조보정 등 자료처리과정에 필요한 탄성파 속도를 등방성이라고 가정하였으나 실제 지하지질의 속도구조는 이방성을 가지는 경우를 흔히 볼 수 있는데, 특히 셰일층 또는 파쇄 및 절리 등 균열이 발달된 탄산염 저류층에서 이방성 특성을 찾아볼 수 있다. 본 연구에서는 합성수지인 베이클라이트로 만든 VTI매질을 대상으로 탄성파 축소모형실험을 이용하여 탄성파 이방성에 대한 연구를 수행하였다. 탄성파 모형실험에서 등방성 재료는 입사각의 변화에도 불구하고 속도가 항상 일정하지만, 이방성 매질의 경우 측정 방향 및 입사각에 따라 탄성파 P파 및 S파의 속도가 변화하였다. 측정된 탄성파 속도는 군속도로 추정되며 군속도로부터 구한 탄성계수를 이용하여 이방성계수인 ${\varepsilon}$, ${\delta}$, ${\gamma}$를 성공적으로 파악할 수 있었다. 이방성매질에서는 이론적으로 계산된 위상속도와 측정된 탄성파속도는 비교적 잘 일치하였으며, 또한 qP, qS, SH파의 위상속도를 slowness surface에서 나타내면 측정 매질에 대한 이방성 특성이 잘 표현되었다. S파의 경우 매질과 송수신기의 측정 방향에 따라 서로 다른 두 개의 횡파가 분극특성을 나타내며 전파됨을 확인할 수 있었다.

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Although conventional seismic data processing is based on the assumption that the media are isotropic, the subsurface is often anisotropy in shale formation or carbonate with cracks and fractures. This paper presents the anisotropic parameter and seismic modeling in transversely isotropic media with...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 이방성 특성을 가지는 지층이 포함된 복합 지질모델과 그에 따른 다양한 탐사법 적용에 대한 탄성파 축소모형 실험을 위한 선행연구로서 등방성 매질인 아크릴과 수직 횡적 등방성(VTI, transversely isotropic media with a vertical symmetry axis) 매질인 베이클라이트를 대상으로 탄성파 축소모형실험을 통하여 이방성 속도정보 파악에 그 중점을 두었다. 특히 VTI 매질에서 얻은 초동자료를 바탕으로 군속도(group velocity)와 위상속도(phase velocity)와의 관계를 살펴보았으며, 역속도(slowness)를 이용하여 qP, qS, SH-wave의 속도변화양상을 파악해 봄으로써 해당 매질에 대한 속도분포특성을 살펴보았다.
  • 본 연구에서는 탄성파 축소모형실험을 이용한 등방성 및 이방성 매질에서의 탄성파 속도정보 파악에 그 중점을 두었다. VTI 매질에서의 탄성파 거동은 등방성 매질에서와는 달리 파의 주행시간이 위상각에 따라 변화함을 확인할 수 있었다.

가설 설정

  • 6. Seismograms obtained in isotropic media, (a) P-wave and (b) S-wave.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이방성과 균열대 양상 등을 파악해 탄성파 자료를 처리 및 해석함에 있어 이방성을 반영하는 것이 매우 중요한 이유는 무엇인가? 탄성파 탐사 중합 및 구조보정 등에 필요한 속도구조를 대부분 등방성(isotropy)이라 가정하였으나, 실제 지하구조에는 앞선 가정과는 달리 이방성(anisotropy)을 띠는 구조들이 다수 존재한다. 석유가 저류암에 축적되기 위한 여러 조건들 가운데 하나인 덮개암(cap rock)이나 근원암인 셰일지층과 파쇄 및 절리가 발달된 탄산염암에서 이방성특성을 찾아볼 수 있다.
이방성특성은 어디에서 찾아볼 수 있는가? 탄성파 탐사 중합 및 구조보정 등에 필요한 속도구조를 대부분 등방성(isotropy)이라 가정하였으나, 실제 지하구조에는 앞선 가정과는 달리 이방성(anisotropy)을 띠는 구조들이 다수 존재한다. 석유가 저류암에 축적되기 위한 여러 조건들 가운데 하나인 덮개암(cap rock)이나 근원암인 셰일지층과 파쇄 및 절리가 발달된 탄산염암에서 이방성특성을 찾아볼 수 있다. 따라서 석유나 가스 등 지하자원탐사를 위한 다성분 지표 탄성파 탐사, VSP (Vertical seismic profiling), 시추공 토모그래피 (Crosshole seismic tomography) 등의 탐사법들을 통해 이방성과 균열대 양상 등을 파악하여 이를 통해 얻은 탄성파 자료를 처리 및 해석함에 있어 이방성을 반영하는 것은 매우 중요한 부분이(Keith and Crampin, 1977).
석유나 가스 등 지하자원탐사를 위한 방법에는 무엇이 있는가? 석유가 저류암에 축적되기 위한 여러 조건들 가운데 하나인 덮개암(cap rock)이나 근원암인 셰일지층과 파쇄 및 절리가 발달된 탄산염암에서 이방성특성을 찾아볼 수 있다. 따라서 석유나 가스 등 지하자원탐사를 위한 다성분 지표 탄성파 탐사, VSP (Vertical seismic profiling), 시추공 토모그래피 (Crosshole seismic tomography) 등의 탐사법들을 통해 이방성과 균열대 양상 등을 파악하여 이를 통해 얻은 탄성파 자료를 처리 및 해석함에 있어 이방성을 반영하는 것은 매우 중요한 부분이(Keith and Crampin, 1977). 이방성에 대한 관심은 현장 자료처리 분야 뿐만 아니라 탄성파 축소모형실험을 통하여 연구가 수행되어졌으며, 국외에서 Cheadle 등(1991)은 이방성을 가지는 사방정계 결정구조의 샘플에서(Orthorhombic anisotropy) 횡파의 거동에 대해 연구하였고, Ass'ad와 Mcdonald (1992)는 등방성 매질에 미소균열을 점차 증가시켜 횡파분리 실험을 하여 균열의 정도가 이방성에 미치는 영향에 대해 연구하기도 하였다.
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참고문헌 (20)

  1. 구준모, 이호용, 민동주, 권병두, 김성렬, 유해수, 허식, 2009, 이방성 매질에서의 탄성파 거동에 관한 연구, 한국지구물리물리탐사학회, 2009 한국지구물리물리탐사학회 학술대회 초록집, 139-143. 

  2. 신성렬, 여은민, 김찬수, 박근필, 이호영, 김영준, 2006, 3차원 탄성파 탐사 축소모형실험을 이용한 가스 하이드레이트의 지구물리학적 특성 연구, 한국지구시스템공학회, 43(3), 181-193. 

  3. 장성형, 양승진, 황세호, 김중열, 1993, 횡적등방성 지층의 시추공 간 탄성파 주시 자료의 토모그래피 역산 연구, The Journal of Engineering Geology, 3(3), 231-239. 

  4. 정창호, 서정희, 2007, 불균질 횡등방설 매질에서의 탄성파 주시토모그래피, 한국지구물리물리탐사학회, 10(4), 229-240. 

  5. 헌병구, 1995, 물리탐사용어사전, 선일문화사. 

  6. Ass'ad J. M., Tatham, R. H., and Mcdonald, J. A., 1992, A physical model study of microcrack-induced anisotropy, Geophysics, 57, 1562-1570. 

  7. Cheadle, S. P., Broen, R. J., and Lawton, D. C., 1991, Orthorhombic anisotropy: a physical seismic modeling study. Geophysics, 57, 1603-1613. 

  8. Daley, P. F., and Hron, E., 1977, Reflection and transmission coefficients for transversely isotropic media, Bull. Seis. Soc. Am., 67, 661-667, 675. 

  9. Helbig, K., 1994, Foundations of anisotropy for exploration seismic, Pergamon. 

  10. Ikelle, L. T., 1996, Anisotropic migration-velocity based on inversion of common azimuthal sections, Jounal of Geophysical Research, 101, 22461-22484. 

  11. Ikelle, L. T., and Amundsen, L., 2005, Introduction to petroleum seismology, SEG, 517-613. 

  12. Jianli, Y., 2003, Numareical and physical modeling of P-S converted waves in VTI media, MS Thesis, The university of Calgary, Canada. 

  13. Keith, C. M., and Crampin, S., 1977, Seismic body waves in anisotropic media: Reflection and refraction at a plane interface, Geophys. J. Roy. Astr. Soc., 49, 181-208. 

  14. Love, A. E. H., 1927, A treatise on the mathematical theory of elasticity, Dover Publications, Inc., N.Y. 

  15. Rokhlin, S. I., Bolland, T. K., and Adler, L., 1986, Reflection and refraction of elastic waves on a plane interface between two generally anisotropic media, J. Acoust. Soc. Am.m 79, 906-918. 

  16. Shangxu, W., and Xiang, Y. L., 2003, Fracture detection using 3D seismic data: A physical modeling study, SEG Expanded Abstracts, 22, 2303. 

  17. Slawinski, M., A. 1996, On elastic-wave propagation in anisotropic media: reflection/refraction laws, raytracing and traveltime inversion, DC Thesis, The university of Calgary, Canada. 

  18. Thomsen, L., 1986, "Weak anisotropy", Geophysics, 51, 1954-1966. 

  19. Vogel, J. A., Stelwagen, U., and Breeuwer, R., 1985, Seismic analysis of thin beds aided by 3D physical model experiments, Pro. of the 14th international Symposium of Acoustical Imaging, 14, 53-67. 

  20. Winterstein, D. F., 1990, Velocity anisotropy terminology for geophysicists, Geophysics, 55, 1070-1088. 

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