[논문]적분방정식 기반의 3차원 모델링을 이용한 소형 루프형 해양 전자탐사 자료의 반응 분석

고휘철; 박인화; 이성곤

doi:10.7582/gge.2014.17.1.021

적분방정식 기반의 3차원 모델링을 이용한 소형 루프형 해양 전자탐사 자료의 반응 분석
Response Analysis of Data Acquired by Marine Loop Electromagnetic System Using Three-Dimensional Modeling Based on Integral Equation 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.17 no.1, 2014년, pp.21 - 27

고휘철 (한국광물자원공사) , 박인화 (한국지질자원연구원 지열자원연구실) , 이성곤 (한국지질자원연구원 지열자원연구실)

초록
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심해탐사를 위해 새롭게 개발된 소형 루프형 해양 전자탐사 시스템의 실해역 실험 결과의 반응 양상을 적분방정식 기반의 3차원 모델링을 통하여 분석하였다. 수심 약 300 m 해저환경에서 획득한 금속 이상체의 전자기 반응 양상에 대한 영향인자를 분석하기 위해 이상체의 크기와 모양을 다르게 설정하여 모델링을 수행하였다. 모델링 결과 분석을 통하여 이상체의 모양이 크기보다 반응 양상에 더 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 탐사고도와 주파수에 따른 반응값 변화를 알아보기 위해 모델링을 수행하였고 이를 통해 일정한 탐사 고도 유지의 필요성과 주파수 대역에 따른 허수부의 민감도를 확인하였다. 또한 탐사 고도와 주파수에 따른 반응값을 단면 그래프로 나타내어 시스템에 사용되는 주파수 대역에 대한 적절한 탐사고도를 제시하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 해저 열수광상 실해역 탐사 설계 시 매개변수 설정에 있어 유용한 정보를 줄 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We analyzed response patterns of test field data acquired with new small loop electromagnetic (EM) system using three-dimensional (3D) electromagnetic modeling code. The size and shape of a conductor was adopted as experimental parameters for EM modeling to understand influencing factors of the response patterns due to a metallic object on the seafloor. Obtaining the responses for four models of difference sizes and shapes through 3D EM modeling, we confirmed that the shape of the object have a more critical factor on the response pattern than size. We also calculated "ppm" values with respect to different altitudes of the sensor and source frequencies. The modeling results show that the consistency of sensor altitude is important and imaginary part of ppm response is more sensitive than real part. We also visualized the contour map of the real and imaginary part of ppm value as a function of frequency and altitude so that we can estimate proper altitude for source frequency band of our survey system. The results of this paper are anticipated to give proper parameters in survey construction for seafloor massive sulfide deposit.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2012)에서 나타난 반응양상에 대한 주 영향인자가 무엇이며 탐사고도와 주파수에 따른 반응 변화에 대한 원인 규명이다. 본 연구에서는 해저에 열수광상을 탐사하기 위해 개발된 전자탐사장비의 실험결과를 3차원 적분방정식을 활용한 코드를 이용해 모델링을 수행하여 심층 분석하였다. 먼저 금속 이상체의 전자기 반응 양상의 주 영향인자를 분석하기 위해 이상체의 크기와 모양을 달리하여 수치 모델링을 수행하였다.
본 연구의 목적은 기존의 연구에서 수행된 소형 루프형 해양 전자탐사의 실해역 현장 실험 결과(Ko et al., 2012)에서 나타난 반응양상에 대한 주 영향인자가 무엇이며 탐사고도와 주파수에 따른 반응 변화에 대한 원인 규명이다. 본 연구에서는 해저에 열수광상을 탐사하기 위해 개발된 전자탐사장비의 실험결과를 3차원 적분방정식을 활용한 코드를 이용해 모델링을 수행하여 심층 분석하였다.

제안 방법

먼저 금속 이상체의 전자기 반응 양상의 주 영향인자를 분석하기 위해 이상체의 크기와 모양을 달리하여 수치 모델링을 수행하였다. 또한 탐사고도와 주파수를 변화 시키며 수행한 모델링 결과를 분석하였고, 이를 통해 실제 현장탐사 시 본 시스템의 주파수 대역에 대한 적절한 탐사고도를 제시하였다. 본 연구에서 얻은 결과는 향후 실해역 탐사 시 탐사설계 변수에 주요 지침을 줄 것으로 예상된다.
본 연구에서는 해저에 열수광상을 탐사하기 위해 개발된 전자탐사장비의 실험결과를 3차원 적분방정식을 활용한 코드를 이용해 모델링을 수행하여 심층 분석하였다. 먼저 금속 이상체의 전자기 반응 양상의 주 영향인자를 분석하기 위해 이상체의 크기와 모양을 달리하여 수치 모델링을 수행하였다. 또한 탐사고도와 주파수를 변화 시키며 수행한 모델링 결과를 분석하였고, 이를 통해 실제 현장탐사 시 본 시스템의 주파수 대역에 대한 적절한 탐사고도를 제시하였다.
모델링은 Fig. 3과 같이 수심 300 m 환경에서 금속 이상체 (1 × 0.2 × 0.2m, 막대 모양)를 해저면 위에 설정하고 탐사장비의 고도를 1 ~ 15 m로 변화시키며 모델링 하였다.
본 전자탐사 시스템은 ROV에 연결되어 운용되기 때문에 해저면과 일정한 고도를 유지하며 탐사할 수 있다. 센서의 일정한 고도 유지가 자료에 있어 미치는 영향과 적정 고도에 대한 정보를 알아보기 위해 수치 모델링을 수행하였다. 모델링은 Fig.
ROV에 의한 센서 견인 시 센서의 고도(altitude)는 해저면으로부터 2m로 설정하였다. 송신원과 주파수 대역 또한 현장실험에서와 유사하게 4개의 이극자(bipole)를 사각 루프로 구성하여 모델링을 수행하였으며, 주파수는 실험에서 사용했던 4개의 주파수 외에 15 Hz를 추가하였다. 금속 이상체의 크기와 형태를 변수로 하여 4개의 모델을 설정하였고 모델에 대한 상세한 설정 값은 Table 1에 나타내었다.
검은 원으로 표시된 금속체에 의해 나타난 이상반응 양상을 관찰해보면 하나의 막대 현상의 금속체임에도 불구하고 전자기 반응이 이상체를 중심으로 대칭적인 두 갈래의 타원 형태로 나뉘어 나타남을 확인할 수 있다. 이러한 반응양상은 90 Hz를 제외한 570, 3330, 20010 Hz 주파수 대역에서 관찰되었고 이런 반응양상의 요인을 분석하기 위해 이상체의 크기와 모양을 변화시키면서 수치 모델링을 수행하였다.
이상에서 모델링 결과 분석을 통하여 탐사 고도와 주파수 대역이 탐사 반응값에 끼치는 영향이 크다는 것을 확인하였으며, 여기에서는 현장 탐사 시 적절한 고도와 주파수 대역에 대한 지침을 마련하기 위해 주파수와 탐사장비 고도에 따른 금속 이상체 판별 정도를 분석하였다. 분석은 획득되는 반응값이 1차장과 2차장의 상관비임을 착안하여 Kang et al.
, 2012). 탐사 시스템은 ROV (Remotely Operated Vehicle)에 시스템을 부착하여 모선 상에서 원격조종하는 방법으로 운용되었고 수심 약 300 m의 해역에서 막대모양의 금속 이상체를 해저에 투하하고 이상체를 중심으로 1m의 탐사라인을 설계한 후 고도 2 m를 유지하며 탐사를 수행하였다. Fig.

대상 데이터

현장 상황을 유사하게 모사하기 위해 모델은 공기, 바다 및 기반암으로 이루어진 수평 다층구조로, 수심은 300m로 설정하였다. ROV에 의한 센서 견인 시 센서의 고도(altitude)는 해저면으로부터 2m로 설정하였다.

데이터처리

해저열수 광상 탐사를 위해 새롭게 개발된 소형 루프형 전자탐사장비의 테스트 결과를 삼차원 적분방정식 코드를 이용하여 심층적으로 분석하였다. 분석결과를 통해 3가지의 결론을 도출하였으며, 본 연구에서 얻은 결과들은 향후 실해역 탐사 시 주요 지침이 될 것이다.

이론/모형

(1)식의 자기장에 관한 항을 전기장에 관한 아래 항에 대입하여 윗 식을 전개하면 아래의 전기장에 대한 Helmholtz 방정식을 얻을 수 있다.
3차원 전자탐사 수치 모델링에는 유한요소(finite element), 유한차분(finite difference), 적분방정식(integral equation, IE)의 방법들이 주로 이용된다. 본 논문에서 핵심적으로 다루는 것은 해저면 위에 위치한 금속 이상체 모델에 대한 전자기 반응 분석이기 때문에 이들 방법 중 층서구조 내의 고립 이상체(isolated body in layered earth)에 의한 영향을 가장 효율적으로 모델링 할 수 있는 적분방정식법을 이용하였다.
오른쪽 항에 표현된 적분 안에 구하고자 하는 전기장(E)을 포함하므로 이는 적분방정식의 형태를 띄게 된다. 이상 체내부의 전기장 해를 구하기 위해 본 연구에서는 적분방정식(Integral Equation) 방법을 이용하였다.

성능/효과

1. 현장실험을 통해 획득된 금속 이상체에 대한 이상반응 양상에 대한 모델링 결과, 탐사장비와 금속 이상체 간의 상대적인 크기 차이 보다는 금속 이상체의 모양에 따라 획득되는 반응 양상이 달라짐을 확인하였다. 이를 통해 현장 실험에서 나타난 쌍극자 페턴의 반응 양상은 막대모양의 금속 이상체에 의한 것을 확인하였다.
2. 해양 전자탐사 시 획득되는 반응 값은 탐사 고도에 민감하게 변화하므로 일정한 탐사고도가 정확한 탐사에 중요한 요소이며, 특히 반응값의 허수부는 주파수 대역에 따라 변화 정도가 높으므로 다중주파수 탐사 시 허수부의 자료분석이 실수부보다 뚜렷한 정보를 줄 것이다.
이상체의 모양은 같고 크기가 다른 FPSB와 FPSS, FRSB와 FRSS를 각각 비교해보면 반응양상이 유사하게 나타남을 확인할 수 있으며 이상체의 크기가 클수록 획득되는 반응값이 증가하는 것을 알 수 있다. 결론적으로 현장 실험 결과인 Fig. 1과 수치 모델링 값을 비교해보면 현장에서 막대모양의 금속 이상체에 의한 특징적인 반응 양상은 이상체의 크기보다 모양에 영향을 받아 쌍극자(dipole) 형태의 전자기 반응이 일어난 것임을 확인할 수 있다. 여기서 쌍극자 형태의 반응이란 N극에서 S극으로의 자기력선 분포 형태와 같이 두개의 극에서 나타나는 반응 양상을 의미한다.
5m에서부터, 허수부는 약 4 m에서부터 반응값의 왜곡이 나타난다. 이를 통해 해양환경에서 20 kHz 주파수 대역까지의 탐사를 위해서는 2.5 m 이하의 탐사고도를 유지해야 한다는 결론을 도출해 낼 수 있다.
이는 이상체의 모양에 따라 반응 형태가 다르게 나타나고 있음을 보여 주는 것이다. 이상체의 모양은 같고 크기가 다른 FPSB와 FPSS, FRSB와 FRSS를 각각 비교해보면 반응양상이 유사하게 나타남을 확인할 수 있으며 이상체의 크기가 클수록 획득되는 반응값이 증가하는 것을 알 수 있다. 결론적으로 현장 실험 결과인 Fig.

후속연구

또한 탐사고도와 주파수를 변화 시키며 수행한 모델링 결과를 분석하였고, 이를 통해 실제 현장탐사 시 본 시스템의 주파수 대역에 대한 적절한 탐사고도를 제시하였다. 본 연구에서 얻은 결과는 향후 실해역 탐사 시 탐사설계 변수에 주요 지침을 줄 것으로 예상된다.
해저열수 광상 탐사를 위해 새롭게 개발된 소형 루프형 전자탐사장비의 테스트 결과를 삼차원 적분방정식 코드를 이용하여 심층적으로 분석하였다. 분석결과를 통해 3가지의 결론을 도출하였으며, 본 연구에서 얻은 결과들은 향후 실해역 탐사 시 주요 지침이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자탐사란?	전자탐사는 전자기 유도(electromagnetic induction) 현상을 이용하여 지하의 전기전도도 분포를 알아내는 물리탐사 방법이다. 전자탐사 방법 중 특히 소형 루프형 전자탐사는 다른 탐사법과 비교하였을 때 상대적으로 탐사 장비의 이동이 편리하며 지표면과 접지를 하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다.
	육상 장비보다 해양 장비가 더 큰 출력 모멘트를 요구하는 것은 어떠한 특징 때문인가?	해양 환경에서 송신원으로부터 방사된 전자기파는 해수의 높은 전기전도도로 인하여 에너지가 빠르게 감쇄하는 특징을 가진다. 따라서 해양 환경에서 일정 수준 이상의 반응 값 측정을 위해 해양 전자탐사 장비는 육상 장비보다 큰 출력 모멘트를 요구한다.
	소형 루프형 전자탐사는 어디에서 활용되고 있는가?	전자탐사 방법 중 특히 소형 루프형 전자탐사는 다른 탐사법과 비교하였을 때 상대적으로 탐사 장비의 이동이 편리하며 지표면과 접지를 하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다. 소형 루프형 전자탐사는 주로 육상환경에서 지하의 전도체 탐사(Gochioco and Ruev, 2006; Kang et al., 2013)등에 활용되고 있으며 또한 비접지의 장점을 이용하여 항공탐사(Huang and Fraser, 2000, 2002) 등에 많이 활용되고 있다. 최근에는 육상및 항공에서 뿐만 아니라 해양에서도 유전 및 가스 하이드레이트(gas hydrate) 탐사와 관련하여 인공 송신원 전자탐사 (CSEM; Controlled Source Electromagnetic)에 대한 연구가 국내외에서 활발하게 시도되고 있다(Constable, 2010; Lee et al.

참고문헌 (17)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

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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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