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문제 정의
- 여러 물리탐사 기법 중에서도 화강암의 공간적 분포규모와 관련된 지하 구조에 대한 연구에 있어서는 중력탐사가 매우 유용하게 활용될 수 있는데(Shin, 2006a), 이는 일반적으로 화강암의 밀도가 낮은 편이어서 주위보다 낮은 중력이상을 보여주기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 광산 형성에 대한 지화학적/광상학적인 상기의 논의들과는 달리 지구물리학적인 측면에서 광산 일원에서 중력탐사를 실시하고, 이를 지표지질과 비교 해석함으로써 제천화강암과 무암사화강암이 NMC 몰랜드 광상의 형성 과정에서 관계 화성암으로 작용하였을 가능성에 대해 살펴보고자 한다. 이는 지화학적/광상학적인 연구만으로는 해결할 수 없는 관계화성암의 직접적인 접촉에 대한 공간적인 의문점을 물리 탐사를 통해 해소하는데 기여하게 될 것이다.
- NMC 몰랜드 광산은 연구지역 중심에 위치하는데, 지표지질도에서 제천화강암과 인접하고 무암사화강암에서는 3~4 km 정도 떨어져 있다. 일반적으로 화강암의 분포는 낮은 중력이상과 좋은 상관관계를 보여주며, 지표 지질에서 드러나지 않는 깊이 규모를 추정하는데 유용하기 때문에(Shin, 2006a), 본 연구에서는 이들 화강암이 NMC 몰랜드 광상의 형성에 어떤 영향을 미쳤을지 중력이상을 통해 살펴보았다. 해석에 사용한 중력이상은 고도와 지형 및 지각뿌리의 효과까지 보정하고 난 후에 얻어진 최종적인 결과인 지각평형이상을 이용하였다 (Fig.
가설 설정
- 735 km (Bullard B surface radius)로 하였고, 지각평형보정을 계산하기 위해서는 이의 두 배를 적분 반경으로 하였다. 지각의 뿌리/반뿌리를 계산하기 위해Airy-Heiskanen의 지각평형가설을 채택하였고, 보상면에서의 등질량을 가정하였다. 지각의 뿌리/반뿌리의 깊이 공식은 3차항 이후의 고차항의 작은 값을 무시한 Heiskanen and Vening Meinesz (1958)에 의한 공식을 이용하였다.
제안 방법
- 결과적으로 통합기준점 3점과 수준점 11점외에 전체 129점에 대하여 위성항법시스템을 이용한 측위 측량과 중력 측정을 계획하였고, 갱도의 직상부 지역 (0.5 km × 1 km)은 고전적인 토탈스테이션의 측량을 통해 약 40 m 간격으로 측정하기로 하였다.
- 그러나, 다른 한편으로 제천화강암과 무암사화강암의 중력 이상의 특징이 지하의 규모의 차이가 아니라 밀도의 차이라고 해석할 수 있는 여지도 있는데, 제천 화강암이 무암사화강암에 비해서 밀도가 뚜렷이 높다면 이런 중력 이상 특징이 나타날 수도 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서는 제천화강암의 밀도가 무암사화강암을 비롯한 백악기 화강암은 제외하더라도 낮은 중력이상과 좋은 상관관계를 보여주고 있는 같은 쥬라기 화강암들과도 달리 높을 것이라는 근거를 찾을 수 없기 때문에 일반적으로 받아들여지는 바와같이 낮은 밀도를 가진 평균적인 화강암으로 간주하여 해석하였다. 또한 한국지질자원연구원에서 NMC 몰랜드 광산 갱도 내에서 2012년 시추한 자료에서는 석회암의 평균 밀도가 2750 kg/m3 , 큐폴라 구조로 관입된 반화강암이 2660 ~ 2700 kg/m3 정도로 나타났는데, 이는 이 광상의 관계화성암이 일반적인 화강암의 밀도와 다르지 않다는 것을 보여준다.
- 그리고 광산의 주변 5 km × 5 km 지역에서는 500 m × 500 m 에 한 측점이 분포하도록 하고, 그 바깥으로 9 km × 10 km 지역에서는 1 km × 1 km 에 한 측점이 분포하도록 설계하였다(Fig. 2에서 왼쪽 그림의 격자망).
- 먼저, 광산의 바로 위는 산악이기 때문에 위성항법 시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)으로 측량을 할 수 없는 지역이다. 따라서 토탈스테이션(Total Station)을 이용한 고전적인 측량 방식으로 좌표를 결정하여야 하고, 가능한 촘촘한 측량을 계획하였다. 또한 등산로가 없는 지역이라도 접근이 가능한 대로 최대한 측량을 실시하여 중력 관측점이 고르게 분포하도록 하여야 한다(Fig.
- 그리고 2008년 7월 1,000톤/일 처리 선광장을 착공하였으며 2010년 3월 선광장 시운전을 가동하였으며 그 해 6월 본격적으로 생산 활동을 실시하여 현재에도 가동중에 있는 광산이다. 이 광산은 과거 광체를 채굴하기 위하여 구진갱, 서통갱 및 사갱을 개설하여 채굴하였다. 구진갱은 해발고도 310 m에 개설된 갱도로써 N16W방향으로 142 m 정도 크로스 굴진되어 있으며, 갱도에서 42 m 지점에서 서측으로 112 m 탐광굴진하였고 갱도에서 84 m 지점에선 동측으로 155 m 드리프트 탐광되어 있다.
- 전술한 바와 같이 중력 측점의 좌표를 결정하기 위해서 위성항법시스템을 이용하였고, 이의 이용이 어려운 산지에서는 고전적인 측량으로 좌표를 결정하였다. 위성항법시스템에서 제공하는 고도는 타원체고로서 우리가 흔히 사용하는 표고와는 다르다.
- 제천에 있는 NMC 몰랜드 광산 일원에 대해 중력탐사를 실시하여 정밀한 중력이상도를 작성하고, 이를 해석함으로써 광산의 형성에 영향을 미친 관계 화성암에 대해 제천화강암과 무암사화강암을 비교하여 살펴보았다. 해석에 사용한 중력이상은 고도와 지형 및 지각뿌리의 효과까지 보정하고 난 후에 얻어진 최종적인 결과인 지각평형이상이다.
- 중력탐사는 몇 차례에 나누어서 실시하였는데, 첫 번째 탐사는 2013년 4월 1일부터 5일까지 두 팀으로 나누어 실시하였다. 한 팀은 갱도 바로 위 지역에서 토탈스테이션 측량과 함께 중력 측정을 실시하여 90 측점을 획득하였다.
- 광산의 주위에는 관계 화성암으로 의심될 수 있는 두 개의 화강암이 있는데, 북쪽의 제천화강암은 공간적으로는 거의 붙어 있으며, 남쪽의 무암사화강암은 다소 떨어져 있다. 중력탐사는 주위의 지질구조와의 밀도차를 근거로 상대적인 중력의 차이를 통해 규모를 산출하므로 이들 두 화강암체를 어느 정도 충분히 포함되도록 측정 계획을 세운다. 그리고 관심의 대상이 되는 광산에 가까운 곳은 측정 밀도를 높게 하고 주위로 갈수록 점차 듬성하게 측정하도록 한다.
- 지각의 뿌리/반뿌리의 깊이 공식은 3차항 이후의 고차항의 작은 값을 무시한 Heiskanen and Vening Meinesz (1958)에 의한 공식을 이용하였다. 지각의 밀도는 2670 kg/m3 로, 해수의 밀도는 1030 kg/m3 로, 지각과 맨틀의 밀도차는 500 kg/m3 로 두었으며, 표준지각두께 (normal crustal thickness)는 30 km 로 두었다. 한편 Choi et al.
- 또한 관측중력, 고도이상, 부우게이상, 지각평형이상 중의 어느 하나만 있으면 나머지 중력이상은 자동으로 계산된다. 지형의 인력효과를 계산하기 위해 지구의 구면 효과를 고려하였으며, 지형보정을 계산하기 위해서는 적분 반경은 166.735 km (Bullard B surface radius)로 하였고, 지각평형보정을 계산하기 위해서는 이의 두 배를 적분 반경으로 하였다. 지각의 뿌리/반뿌리를 계산하기 위해Airy-Heiskanen의 지각평형가설을 채택하였고, 보상면에서의 등질량을 가정하였다.
대상 데이터
- 이 광산은 1988년 휴광신고를 내기까지 1978년부터 1988년까지 원광 500,000톤을 생산하였다. 2004년 11월 (주)동원이 금성광산 2개 광구(제천 16호, 제천 26호)을 매입하고 새로이 1개 광구(제천 17호)을 신규 등록하였다. 이후 2005년 3월 제천시에서 채광계획인가를 취득하여 새로이 금실갱을 개설하였다.
- (1998)의 방법과 같이 정밀한 측지용 위성항법시스템 수신기를 이용한 측위와 중력측정을 실시하여 70 측점을 획득하였다. 두 번째 탐사는 2013년 7월 21일 ~ 8월 3일간 실시하여 광산 주변 지역으로 총 103점을 획득하였다. NMC 몰랜드 광산의 여름휴가 기간인 2013년 7월 29~31일 동안은 갱도 내의 중력탐사를 실시하여 51 측점의 자료를 얻었는데, 갱도 내의 측정 자료는 이번 연구에는 포함되지 않는다.
- 구진갱은 해발고도 310 m에 개설된 갱도로써 N16W방향으로 142 m 정도 크로스 굴진되어 있으며, 갱도에서 42 m 지점에서 서측으로 112 m 탐광굴진하였고 갱도에서 84 m 지점에선 동측으로 155 m 드리프트 탐광되어 있다. 서통갱은 해발고도 260 m에 개설된 갱도로서동측으로 드리프트 450 m와 갱내에서 7~8개 크로스 굴진하여 탐광하였다. 사갱은 해발고도 270 m 지점인선광장부근에서 갱도를 개설 N55E방향으로 15o 경사로 230 m 굴하 스카른대를 착맥한 후 하1갱(214 mL)을 개설 동서 50 m 정도 굴진하였다.
- 연구지역은 북쪽으로 제천화강암이 넓게 자리하고 있으며, 남쪽으로 작은 규모의 무암사화강암이 있고, 이들 주변으로 넓은 지역은 석회암으로 대표되는 퇴적암들로 되어있다. NMC 몰랜드 광산은 연구지역 중심에 위치하는데, 지표지질도에서 제천화강암과 인접하고 무암사화강암에서는 3~4 km 정도 떨어져 있다.
- 부게이상과 지각평형이상을 계산하기 위해서는 지형 자료가 필요하다. 육상의 지형자료는 미국 NGA(National Geospatial-Intelligence Agency)와 NASA (National Aeronautics and Space Administration)에 의해 주도된 국제프로젝트의 결과로 얻어진 SRTM3 (Digital topography data from three arc-seconds Suttle Radar Topography Mission) (Farr et al., 2007)를 이용하였는데, 이는 남위 56도에서 북위 60도에 이르는 전세계 육상지역에 대한 3초(arc-second) 해상도의 자료이다. SRTM은 대부분의 지역에서 오차가 10 m 이내로 매우 우수한 데이터이며, 여기서 이용한 SRTM3는 1초 해상도의 자료를 바탕으로 계산한 평균고도 자료가 된다.
- 이때 국토지리정보원의 측지 기준점들을 활용하는 것이 여러 가지 유익이 있다. 탐사 지역 인근으로 국토지리정보원의 통합 기준점 3지점 (U0317, U0324. U0400)이 있고, 또한 2등 수준점 2개 라인(BM 07-00-40-xx, BM 07-03-07-xx)이 있기 때문에 이들을 활용하기로 하였다.
- 일반적으로 화강암의 분포는 낮은 중력이상과 좋은 상관관계를 보여주며, 지표 지질에서 드러나지 않는 깊이 규모를 추정하는데 유용하기 때문에(Shin, 2006a), 본 연구에서는 이들 화강암이 NMC 몰랜드 광상의 형성에 어떤 영향을 미쳤을지 중력이상을 통해 살펴보았다. 해석에 사용한 중력이상은 고도와 지형 및 지각뿌리의 효과까지 보정하고 난 후에 얻어진 최종적인 결과인 지각평형이상을 이용하였다 (Fig. 7).
- 제천에 있는 NMC 몰랜드 광산 일원에 대해 중력탐사를 실시하여 정밀한 중력이상도를 작성하고, 이를 해석함으로써 광산의 형성에 영향을 미친 관계 화성암에 대해 제천화강암과 무암사화강암을 비교하여 살펴보았다. 해석에 사용한 중력이상은 고도와 지형 및 지각뿌리의 효과까지 보정하고 난 후에 얻어진 최종적인 결과인 지각평형이상이다. 중력 측점은 1 km2 당 1 점 정도로서 측점 밀도가 높은 편이며, 망조정 결과로 살펴본 중력이상도의 신뢰도도 높다.
데이터처리
- 이를 위해서는 가장 먼저 조석에 의한 중력의 시간 변화 성분을 제거 하는 조석보정을 해야 한다. 조석보정을 위한 기조력은 Tamura (1982)의 프로그램을 이용하여 계산하였으며, 이때 G-값은 1.18로 하였다. 다음으로 기계높이보 정이 필요한데, 이는 측정 상황에 따라 지표면으로부터 중력계의 높이가 일정하지 않고, 보통 수 cm 이내의 작은 차이가 나는 것에 대한 보정이다.
이론/모형
- 마지막으로 남은 임의의 오차는 최소자승법을 이용한 망조정을 통해 제거하게 되는데, 여기서는 앞의 계기보정과 같이 묶어서 처리하였다. 망 조정 방법은 Choi et al. (2003)에 의한 최소자승법을 이용한 방법을 적용하였으며, 중력기준점은 표준연구원 본관 앞 화단에 설치된 기준점(979832.429 mGal)을 이용하였다. 전체 중력 측점의 망조정 결과 기준표준편차(reference standard deviation)는 0.
- 즉, 대기질량보정과 순높이(고도)보정을 한 후에 그 지점에서의 표준중력과의 차이를 말한다. 순높이보정은 높이의 제곱항까지 고려하여 수행되었고, 표준중력의 계산은 GRS1980계를 따랐다. 계산된 순높이이상은 −8.
- 지각의 뿌리/반뿌리를 계산하기 위해Airy-Heiskanen의 지각평형가설을 채택하였고, 보상면에서의 등질량을 가정하였다. 지각의 뿌리/반뿌리의 깊이 공식은 3차항 이후의 고차항의 작은 값을 무시한 Heiskanen and Vening Meinesz (1958)에 의한 공식을 이용하였다. 지각의 밀도는 2670 kg/m3 로, 해수의 밀도는 1030 kg/m3 로, 지각과 맨틀의 밀도차는 500 kg/m3 로 두었으며, 표준지각두께 (normal crustal thickness)는 30 km 로 두었다.
- 지형과 지각의 뿌리/반뿌리에 의한 중력효과를 계산 하기 위하여 Shin et al. (2011)에 의한 프로그램을 이용하였으며, 지형자료는 전술한 자료들을 사용하였다. 이는 SRTM3와 SRTM_30plus를 이용하여 전세계 중력측정자료에 대한 보정과 중력이상 간의 환산을 쉽고 정확하게 해결할 수 있는 컴퓨터 프로그램인데, 입력 하게 될 중력자료는 육상중력탐사, 선상중력탐사, 인공위성고도계 중력자료, 인공위성 중력자료, 혹은 등격자 중력자료 등 다양한 형태를 처리할 수 있도록 한 것이다.
- 위성항법시스템에서 제공하는 고도는 타원체고로서 우리가 흔히 사용하는 표고와는 다르다. 타원체고에서 표고를 계산하기 위해서는 지오이드고를 알아야 하는데, 여기서는 GPS(Global Positioning System)의 기준 타 원체인 WGS84 타원체를 기준으로 하였으며, EGM2008 중력장 모델을 이용하여 지오이드를 결정하여 사용하였다. 위성항법시스템과 EGM2008 지오이드 모델을 이용해서 결정된 높이를 국토지리정보원의 고시값과 비교하면, 수준점에서의 높이차의 평균은 18 cm 정도이며, BM 07-00-40-06 지점의 값이 50 cm 정도로 튀고 있었다(Table 1).
성능/효과
- 계산된 순높이이상은 −8.94에서 35.45 mGal 사이에 분포하며, 평균 14.32 mGal, 표준편차 8.68 mGal로 나타났다(Table 3).
- 본 연구의 중력이상은 제천화강암은 지표에 드러난 것과는 달리 지하의 분포 규모는 매우 빈약할 것이라는 것을 보여준다. 반대로 남쪽의 무암사화강암은 지표에 드러난 것과는 달리 넓고 깊게 분포하면서 광산의 북쪽으로까지 뻗어있어서 제천화강암보다 훨씬 주된 역할을 한 관계 화성암이었을 것임을 드러내었다.
- 연구 지역은 약 17 km × 15 km 지역에서 263 개의 측점이 있어서 1 km2 당 1 개 정도의 측점을 확보하여 측점 밀도가 높은 편이며, 망조정 결과로 살펴본 중력이상도의 신뢰도도 높다.
- 타원체고에서 표고를 계산하기 위해서는 지오이드고를 알아야 하는데, 여기서는 GPS(Global Positioning System)의 기준 타 원체인 WGS84 타원체를 기준으로 하였으며, EGM2008 중력장 모델을 이용하여 지오이드를 결정하여 사용하였다. 위성항법시스템과 EGM2008 지오이드 모델을 이용해서 결정된 높이를 국토지리정보원의 고시값과 비교하면, 수준점에서의 높이차의 평균은 18 cm 정도이며, BM 07-00-40-06 지점의 값이 50 cm 정도로 튀고 있었다(Table 1). 현재 상태로는 이의 원인이 수준점의 수준측량 과정에서의 오류인지, 위성항법시스템 측량의 오류인지를 알 수 있는 여지는 별로 없으나, 관측한 위성항법시스템 신호는 멀티패스나 사이클슬립 등이 없이 양호한 것으로 나타나고 있다.
- 429 mGal)을 이용하였다. 전체 중력 측점의 망조정 결과 기준표준편차(reference standard deviation)는 0.019 mGal 로비교적 좋은 결과가 나왔는데, 이는 높이 약 6 cm 차이에 대한 중력 변화에 해당한다.
- 중력측점에서 SRTM3의 높이와 위성항법시스템 및 토탈스테이션 측량으로 결정된 높이와의 차이는 −26.35 에서 28.39 m 사이에 분포하며, 평균 5.19 m, 표준편차 11.19 m로 나타났다 (Table 3).
- 5 mGal 등치선을 보면 쉽게 확인이 된다. 즉 지표에서는 광산이 제천화강암과 상호작용이 어느 정도 있었을지라도 심부로 갈수록 무암사화강암이 광산의 북쪽까지 영향을 미치면서 주변 석회암과의 접촉 변성과 광화작용에 훨씬 더 큰 영향을 미쳤을 것이라는 것을 보여주는 것이다. 그림에서 보라색 화살표는 무암사화강암이 북쪽으로 영향을 미치는 것을 나타낸 것이다.
- 이러한 중력이상에 의한 깊이 규모의 특징은 앞의 스위트/슈퍼 스위트의 구분이나 시대적인 구분과는 달리 동고서저의 지형 특징처럼 동-서의 위치 차이로 나타나는 것으로 보인다. 한편 무암사화강암을 비롯하여 이 주변의 옥천대에 분포하는 백악기 화강암들은 지각평형이상도에서 깊이 규모가 다소 클 것으로 나타났다.
후속연구
- 반대로 남쪽의 무암사화강암은 지표에 드러난 것과는 달리 넓고 깊게 분포하면서 광산의 북쪽으로까지 뻗어있어서 제천화강암보다 훨씬 주된 역할을 한 관계 화성암이었을 것임을 드러내었다. 여기에서 제시한 중력 자료의 정성적 해석에 이어서 앞으로 더 많은 자료를 보강하고, 다양한 분석 방법을 적용함과 더불어 정량적인 지하구조 모델을 개발하는 등 더 향상된 연구로 발전시켜나갈 계획이다.
- 따라서 본 연구에서는 광산 형성에 대한 지화학적/광상학적인 상기의 논의들과는 달리 지구물리학적인 측면에서 광산 일원에서 중력탐사를 실시하고, 이를 지표지질과 비교 해석함으로써 제천화강암과 무암사화강암이 NMC 몰랜드 광상의 형성 과정에서 관계 화성암으로 작용하였을 가능성에 대해 살펴보고자 한다. 이는 지화학적/광상학적인 연구만으로는 해결할 수 없는 관계화성암의 직접적인 접촉에 대한 공간적인 의문점을 물리 탐사를 통해 해소하는데 기여하게 될 것이다.
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