제주도는 한반도 남부에 위치한 화산섬으로서, 화산활동 및 한반도와의 지체구조적 연결성과 관련된 중요성 때문에 오랫동안 지질학적/지구물리학적 연구의 대상이었다. 최근 제주도에서 심부지열자원 조사를 위한 다수의 저주파수 MT 자료가 획득됨에 따라 제주도 심부구조에 대한 접근이 가능해졌다. 그러나 제주도와 같은 섬환경에서는 주변 해양의 영향으로 저주파수 MT 자료가 왜곡되며, 이는 섬의 심부구조 규명을 어렵게 만드는 요인이다. 이 연구에서는 기존에 획득된 총 102 측점의 MT 자료에 대해 해양효과 보정을 실시하였다. 해양효과 보정은 1 Hz 이하에서 XY 모드와 YX 모드 전기비저항과 위상을 매우 유사하게 만들며, 전도성 하부지각의 존재를 명확하게 보여주었다. 제주도 남쪽 및 북쪽 측선의 보정된 MT 자료에 대해 2차원 역산을 수행한 결과, 평균적으로 깊이 20 km에서 고비저항 상부지각과 저비저항 하부지각의 경계를 명확히 확인할 수 있었다.
제주도는 한반도 남부에 위치한 화산섬으로서, 화산활동 및 한반도와의 지체구조적 연결성과 관련된 중요성 때문에 오랫동안 지질학적/지구물리학적 연구의 대상이었다. 최근 제주도에서 심부지열자원 조사를 위한 다수의 저주파수 MT 자료가 획득됨에 따라 제주도 심부구조에 대한 접근이 가능해졌다. 그러나 제주도와 같은 섬환경에서는 주변 해양의 영향으로 저주파수 MT 자료가 왜곡되며, 이는 섬의 심부구조 규명을 어렵게 만드는 요인이다. 이 연구에서는 기존에 획득된 총 102 측점의 MT 자료에 대해 해양효과 보정을 실시하였다. 해양효과 보정은 1 Hz 이하에서 XY 모드와 YX 모드 전기비저항과 위상을 매우 유사하게 만들며, 전도성 하부지각의 존재를 명확하게 보여주었다. 제주도 남쪽 및 북쪽 측선의 보정된 MT 자료에 대해 2차원 역산을 수행한 결과, 평균적으로 깊이 20 km에서 고비저항 상부지각과 저비저항 하부지각의 경계를 명확히 확인할 수 있었다.
Jeju Island, a volcanic island located in South Korea, has been one of the main targets of geophysical and/or geological studies because of its tectonic importance related to the volcanism and tectonic link to the southern part of the Korean Peninsula. Recently, as a number of broad-band magnetotell...
Jeju Island, a volcanic island located in South Korea, has been one of the main targets of geophysical and/or geological studies because of its tectonic importance related to the volcanism and tectonic link to the southern part of the Korean Peninsula. Recently, as a number of broad-band magnetotelluric (MT) measurements were made, we have examined the deep part of the island. In such an insular setting, it is not easy to properly recover the deep structures such as the lower crust and the upper crust using MT data, because their low-frequency components are strongly affected by the surrounding sea of the island. In this study, we apply the sea-effect correction to the existing MT data collected at a total of 102 sites in Jeju Island. The sea-effect correction makes remarkable changes in the observed MT data at frequencies below 1 Hz, clearly indicating the existence of a conductive lower crust. The 2-D inversion results for both Jeju Southern Line (JSL) and Jeju Northern Line (JNL) show that the transition zone separating the resistive upper crust and conductive lower crust exists at a depth of 20 km on average.
Jeju Island, a volcanic island located in South Korea, has been one of the main targets of geophysical and/or geological studies because of its tectonic importance related to the volcanism and tectonic link to the southern part of the Korean Peninsula. Recently, as a number of broad-band magnetotelluric (MT) measurements were made, we have examined the deep part of the island. In such an insular setting, it is not easy to properly recover the deep structures such as the lower crust and the upper crust using MT data, because their low-frequency components are strongly affected by the surrounding sea of the island. In this study, we apply the sea-effect correction to the existing MT data collected at a total of 102 sites in Jeju Island. The sea-effect correction makes remarkable changes in the observed MT data at frequencies below 1 Hz, clearly indicating the existence of a conductive lower crust. The 2-D inversion results for both Jeju Southern Line (JSL) and Jeju Northern Line (JNL) show that the transition zone separating the resistive upper crust and conductive lower crust exists at a depth of 20 km on average.
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문제 정의
(2011)이 제시한 1차원 구조를 제주도의 대표적인 지각구조로 사용하고, 제주도 전체 MT 자료에 대한 해양효과 보정 전후의 차이를 살펴본다. 또한 측선의 길이가 50 km에 이르는 제주도의 남쪽 및 북쪽 탐사라인에 대해 각각 2차원 역산을 수행하여, 해양효과 보정후의 심부지각 구조의 변화에 대해 고찰하고자 한다.
가설 설정
2차원 역산방법은 Rodi and Mackie(2001)의 NonLinear Conjugate Gradient (NLCG) 방법을 이용하였고, 초기 모델로서 100 ohm-m의 균질매질을 가정하였다. NLCG 기법은 직접적으로 자코비안(Jacobian)을 계산하지 않고, 각 반복 단계 당 2번의 순산 모델링만으로 역산에 필요한 계산을 끝낼 수 있기 때문에 Gauss-Newton 알고리즘에 비해 훨씬 빠르고 보다 적은 메모리를 요구한다.
앞 장에서 수행된 해양효과 보정후의 MT 자료를 바탕으로 대표적인 동서방향의 두 측선 JSL, JNL에 대한 2차원 역산을 수행하였다. 2차원 역산을 위해 주향은 측선과 수직인 남북방향으로 가정하였고, Zxy 모드는 TE 모드, Zyx 모드는 TM 모드로 설정하였다. 한편, 두 측선 자료 중 자료의 질이 불량한 측점은 역산과정에서 제외하였는데 JSL 측선의 경우 총 31개중 23개 측점, JNL 측선의 경우 총 28개 중 17개 측점의 자료가 역산을 위해 선정되었다.
JCL을 제외한 나머지 4개 측선에서 해양효과 보정후 나타나는 전반적인 특징은 1) 1 Hz 이하에서 Zxy 모드 전기비저항 및 위상이 Zyx 모드 값들과 상당히 유사해지고, 2) 0.1 Hz 이하 주파수에서 위상값이 45°이하에서 약 60° 또는 그 이상으로 뚜렷하게 증가하였으며,3) Zxy 모드의 변화가 Zyx 모드보다 더 크다는 것이다.
사용된 2차원 역산모델의 격자의 수는 81(동서) ×43(연직)개이며, 전기비저항과 위상에 대한 오차 바닥(error floor)은 각각 10%와 2.86o로 가정하였다.
(2011)은 해양효과가 보정된 MT 자료로부터 대표적인 제주도의 1차원 전기비저항 구조를 제시하였다(Table 1). 이 연구에서는 이 모델이 제주도의 광역적 지하구조를 대표한다고 가정을 하였고, 따라서 해양효과 보정은 반복적인 방법이 아닌, 한 번의 보정만으로 종료되었다. 해양효과 보정을 위해 사용된 3차원 모델은 Fig.
제안 방법
해양효과 보정을 위해, Yang et al.(2011)이 제시한 1차원 구조를 제주도의 대표적인 지각구조로 사용하고, 제주도 전체 MT 자료에 대한 해양효과 보정 전후의 차이를 살펴본다. 또한 측선의 길이가 50 km에 이르는 제주도의 남쪽 및 북쪽 탐사라인에 대해 각각 2차원 역산을 수행하여, 해양효과 보정후의 심부지각 구조의 변화에 대해 고찰하고자 한다.
3-D Jeju model including the surrounding seas over 1-D resistivity model (Table 1). The seawater depth is simplified into 5 steps of 10, 20, 40, 70 and 100 m. The horizontal grid spacing shown in the model is 2 km.
또한 역산과정에서 자료 잔차(data misfit)와 모델 파라미터의 평활도(smoothness)의 균형을 제어하는 라그 랑지 곱수(Lagrangian multiplier) τ는 수차례의 사전 실험을 통하여 30으로 결정하였다.
앞 장에서 수행된 해양효과 보정후의 MT 자료를 바탕으로 대표적인 동서방향의 두 측선 JSL, JNL에 대한 2차원 역산을 수행하였다. 2차원 역산을 위해 주향은 측선과 수직인 남북방향으로 가정하였고, Zxy 모드는 TE 모드, Zyx 모드는 TM 모드로 설정하였다.
이 연구는 신뢰성 있는 제주도의 심부구조를 조사하기 위해 제주도에서 획득된 총 102개 측점의 광대역 MT 자료에 해양효과 보정기법을 적용하였다. 해양효과 보정은 저주파수 대역(<1 Hz)에서 뚜렷하게 MT 반응의 변화를 만들었고, 위상 자료의 경우 보정후 공간적으로 매우 층서적인 양상을 보여주었다.
해양효과가 보정된 MT 반응은 심부에 전도성층이 존재함을 지시하였으며, 특히 Zxy 모드 가단면도에서 이러한 특성이 보다 명확하게 확인되었다. 총 5개의 MT 측선 중, 2차원 역산에 적합한 두 개의 동서방향 측선 JSL, JNL에 대해 역산을 수행하였고 해양효과 보정 전후의 전기비저항 구조를 살펴보았다. 해양효과가 보정된 2차원 전기비저항 모델은 보정전 모델과 달리 층서적인 양상이 강하게 나타났고, 이러한 특성은 JSL, JNL 측선의 모든 역산결과에서 공통적으로 확인되었다.
대상 데이터
이 연구에서 사용된 광대역 MT탐사 자료는 한국지질자원연구원에 의해 2004년부터 2006년까지 획득되었고, 캐나나 Phoenix 사의 MTU-5A 장비가 이용되었다. 섬 중앙에 위치한 한라산을 둘러싸는 총 5개의 탐사 라인이 배치되었으며, 총 102 측점에서 MT자료가 획득되었다(Fig. 1). 측점 간격은 측선마다 차이가 있으나, 대략 1-3 km 정도이며, 103−3×10−4 Hz에 이르는 광대역 주파수의 자료가 획득되었다.
이 연구에서 사용된 광대역 MT탐사 자료는 한국지질자원연구원에 의해 2004년부터 2006년까지 획득되었고, 캐나나 Phoenix 사의 MTU-5A 장비가 이용되었다. 섬 중앙에 위치한 한라산을 둘러싸는 총 5개의 탐사 라인이 배치되었으며, 총 102 측점에서 MT자료가 획득되었다(Fig.
측점 간격은 측선마다 차이가 있으나, 대략 1-3 km 정도이며, 103−3×10−4 Hz에 이르는 광대역 주파수의 자료가 획득되었다.
2차원 역산을 위해 주향은 측선과 수직인 남북방향으로 가정하였고, Zxy 모드는 TE 모드, Zyx 모드는 TM 모드로 설정하였다. 한편, 두 측선 자료 중 자료의 질이 불량한 측점은 역산과정에서 제외하였는데 JSL 측선의 경우 총 31개중 23개 측점, JNL 측선의 경우 총 28개 중 17개 측점의 자료가 역산을 위해 선정되었다.
이론/모형
이 연구에서는 Yang et al.(2010)이 제시한 해양효과 보정기법을 바탕으로 하여 총 102개 측점에 대한 해양효과 보정을 수행하였다. 이론적으로, 102개 측점에 대해 해양효과 보정을 하기 위해서는, 지하구조를 3차원으로 가정한 모델링이 필요하나, 최근 Yang et al.
측점 간격은 측선마다 차이가 있으나, 대략 1-3 km 정도이며, 103−3×10−4 Hz에 이르는 광대역 주파수의 자료가 획득되었다. 모든 임피던스 텐서는 로버스트 원거리참조(robust remote-reference) 기법에 의해 추정되었으며, Phoenix 사의 SSMT2000 소프트웨어가 자료 처리에 이용되었다. 자료 획득 및 처리에 대한 자세한 사항은 Lee et al.
이 연구에서는 제주도에서 측정된 총 5개 탐사라인(총 102 측점)에서 획득된 MT 자료에 Yang et al. (2010)의 방법을 적용하여 해양효과를 보정한다. 해양효과 보정을 위해, Yang et al.
성능/효과
두 번째 특징은 0.1 Hz 이하 저주파수 대역에서 위상값의 변화인데, 보정 전 45° 이하였던 값들이 보정후 60° 또는 그 이상으로 증가하였다.
9는 JSL과 JNL 측선에 대한 해양효과 보정 전후의 2차원 역산결과를, Table 2는 해양효과가 보정된 MT 자료에 대한 관측값과 계산값의 RMS(Root Mean Square) 잔차(misfit)를 보여준다. 두 측선의 역산결과를 살펴보면, 해양효과 보정 후지하구조에 뚜렷한 변화가 확인된다. 즉, 해양효과 보정 전 확인하기 힘들었던 층서적인 구조가 명확히 관찰되며, 평균적으로 깊이 20 km 내외에서 부도성 (resistive) 상부지각과 전도성 하부지각의 경계가 구분된다.
즉, 해양효과 보정 전 확인하기 힘들었던 층서적인 구조가 명확히 관찰되며, 평균적으로 깊이 20 km 내외에서 부도성 (resistive) 상부지각과 전도성 하부지각의 경계가 구분된다. 또한 해양효과 보정 후, ZxyXY 및 YX 모드 역산 단면도 모두에서 상부지각과 하부지각의 경계를 확인할 수 있다. 한편, 앞 장에서 기술하였듯이 해양 효과 보정은 XY 모드 자료에 보다 큰 영향을 미치며 역산결과에서도 이러한 특징이 확인된다.
, 2010). 즉, 해양효과에 기인하는 Zxy 모드 전기비저항과 위상값의 왜곡이 Zyx 모드보다 상당히 크므로, 적절하게 해양효과가 보정 되면 Zxy 모드 전기비저항과 위상값의 변화는 Zyx 모드에 비해 클 것이라 예상할 수 있다. 이러한 모드별 변화 패턴은 4개 탐사라인 모두에서 확인된다.
첫 번째, Zxy 모드와 Zyx 모드 가단면도의 유사성은 JSL과 JNL에서 가장 잘 나타난다. 임피던스 텐서에서 두 비대각 성분인 Zxy, Zyx 모드의 유사성은 1차원 지하구조에서 나타나는 전형적인 특성이다.
총 5개의 MT 측선 중, 2차원 역산에 적합한 두 개의 동서방향 측선 JSL, JNL에 대해 역산을 수행하였고 해양효과 보정 전후의 전기비저항 구조를 살펴보았다. 해양효과가 보정된 2차원 전기비저항 모델은 보정전 모델과 달리 층서적인 양상이 강하게 나타났고, 이러한 특성은 JSL, JNL 측선의 모든 역산결과에서 공통적으로 확인되었다. 모든 역산모델은 평균적으로 깊이 20 km 정도에 부도성 상부지각과 전도성 하부지각의 경계가 존재함을 보여주고 있으며, 이 결과는 Yang et al.
해양효과 보정은 저주파수 대역(<1 Hz)에서 뚜렷하게 MT 반응의 변화를 만들었고, 위상 자료의 경우 보정후 공간적으로 매우 층서적인 양상을 보여주었다. 해양효과가 보정된 MT 반응은 심부에 전도성층이 존재함을 지시하였으며, 특히 Zxy 모드 가단면도에서 이러한 특성이 보다 명확하게 확인되었다. 총 5개의 MT 측선 중, 2차원 역산에 적합한 두 개의 동서방향 측선 JSL, JNL에 대해 역산을 수행하였고 해양효과 보정 전후의 전기비저항 구조를 살펴보았다.
후속연구
이 연구는 제주도와 같은 섬 환경에서 신뢰성 있는 심부구조 추정을 위해 해양효과 보정이 매우 중요함을 보여주고 있으나, 보다 정확한 제주도 심부구조 규명을 위해서는 다른 심부 지구물리탐사 자료와 이와 관련된 지질학적 연구들이 요구된다. 그러나 본 연구에서 제시된 제주도의 전기비저항 모델은 심부구조 연구의 기본 모델로서 활용가치가 있으며, 향후 추가 적인 연구를 통해 보다 정밀하고 타당성 있는 지구물리학적 연구결과를 도출할 수 있을 것으로 생각된다.
이 연구는 제주도와 같은 섬 환경에서 신뢰성 있는 심부구조 추정을 위해 해양효과 보정이 매우 중요함을 보여주고 있으나, 보다 정확한 제주도 심부구조 규명을 위해서는 다른 심부 지구물리탐사 자료와 이와 관련된 지질학적 연구들이 요구된다. 그러나 본 연구에서 제시된 제주도의 전기비저항 모델은 심부구조 연구의 기본 모델로서 활용가치가 있으며, 향후 추가 적인 연구를 통해 보다 정밀하고 타당성 있는 지구물리학적 연구결과를 도출할 수 있을 것으로 생각된다.
최근에 발표된 지열도에 따르면(김형찬 외, 2004; 송윤호 외, 2006), 제주도에서는 뚜렷한 지열 이상대나 지열 이상값이 발견되지 않는다. 이러한 결과는 현재까지 우리의 예상과는 다르며, 이는 제주도 심부구조에 대한 지구물리학적/지화학적 연구의 필요성을 제기한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제주도에 관해 설명하시오.
제주도는 한반도 남부에 위치한 화산섬으로서, 화산활동 및 한반도와의 지체구조적 연결성과 관련된 중요성 때문에 오랫동안 지질학적/지구물리학적 연구의 대상이었다. 최근 제주도에서 심부지열자원 조사를 위한 다수의 저주파수 MT 자료가 획득됨에 따라 제주도 심부구조에 대한 접근이 가능해졌다.
심부지각 구조를 조사하기 위해 폭넓게 활용되는 탐사는?
일반적으로 심부지각 구조를 조사하기 위해서는, 자연송신원 자기지전류(MT; Magnetotelluric) 탐사가 폭넓게 활용된다(Jones, 1999; Jones and Ferguson, 2001). 이는 통상적인 저주파수 MT 탐사의 가탐심도가 상부맨틀에 이를 정도로 매우 깊고, MT 탐사의 결과물인 전기비저항은 탄성파 속도, 밀도 등의 물성보다 지각의 지화학적 변화에 훨씬 민감하기 때문이다.
신뢰성 있는 제주도의 심부구조를 조사하기 위해 제주도에서 획득된 총 102개 측점의 광대역 MT 자료에 해양효과 보정기법을 적용한 실험의 결과는?
이 연구는 신뢰성 있는 제주도의 심부구조를 조사하기 위해 제주도에서 획득된 총 102개 측점의 광대역 MT 자료에 해양효과 보정기법을 적용하였다. 해양효과 보정은 저주파수 대역(<1 Hz)에서 뚜렷하게 MT 반응의 변화를 만들었고, 위상 자료의 경우 보정후 공간적으로 매우 층서적인 양상을 보여주었다. 해양효과가 보정된 MT 반응은 심부에 전도성층이 존재함을 지시하였으며, 특히 Zxy 모드 가단면도에서 이러한 특성이 보다 명확하게 확인되었다. 총 5개의 MT 측선 중, 2차원 역산에 적합한 두 개의 동서방향 측선 JSL, JNL에 대해 역산을 수행하였고 해양효과 보정 전후의 전기비저항 구조를 살펴보았다. 해양효과가 보정된 2차원 전기비저항 모델은 보정전 모델과 달리 층서적인 양상이 강하게 나타났고, 이러한 특성은 JSL, JNL 측선의 모든 역산결과에서 공통적으로 확인되었다. 모든 역산모델은 평균적으로 깊이 20 km 정도에 부도성 상부지각과 전도성 하부지각의 경계가 존재함을 보여주고 있으며, 이 결과는 Yang et al.(2011)의 연구와도 비교적 잘 부합된다.
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