[논문]울릉도 산출 암석의 열물성 자료를 이용한 울릉도 지열 성인에 대한 열전도 수치모델링 연구

이창열; 김기석; 연관희

doi:10.7474/tus.2016.26.4.266

울릉도 산출 암석의 열물성 자료를 이용한 울릉도 지열 성인에 대한 열전도 수치모델링 연구
Numerical Heat-conduction Modeling to Understand the Genesis of the Observed Geothermal Gradient in Ulleung Island using Experimentally Determined Thermal Properties of the Rocks 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.26 no.4, 2016년, pp.266 - 273

이창열 () , 김기석 ((주)희송지오텍) , 연관희 (한국전력공사 전력연구원 친환경구조그룹)

초록
AI-Helper

본 연구는 울릉도 화산체 하부에 있는 마그마 방이 냉각될 때 주변에 발생하는 열전달을 컴퓨터 수치모델링을 이용하여 계산하였다. 마그마 방은 울릉도 화산체 중앙의 정상부에서 2.9 km 깊이에 위치하며, 지름 10 km, 두께 300 m 혹은 600 m의 디스크 형태로 가정되었다. 본 연구의 수치모델링을 이용하여 계산된 화산체의 지온증가율은 시추공 검층으로 관찰된 지온증가율인 $95^{\circ}C/km$와 유사하다. 본 연구에서 사용된 수치모델링에는 많은 가정이 적용되었기 때문에 연구 결과를 울릉도의 지열 해석에 직접 적용하는 데에는 한계가 있다. 그러나, 시추공에서 관찰된 높은 지온증가율은 화산체 하부에 용융 또는 고체 상태로 존재하는 뜨거운 마그마 방에서의 열전달에 의한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have numerically modeled thermal evolution of Ulleung Island after an emplacement of magma chamber. The disk-shape magma chamber is assumed to locate at 2.9 km beneath the island and has a diameter and a thickness of 10 km and 300 (or 600) m, respectively. The geothermal gradients evaluated from the numerical modeling coincide well with the range of the geotherms (${\sim}95^{\circ}C/km$) observed from the well logging. Although there are limitations in the application of the numerical results directly to the interpretation of the observed geotherms, we believe that an existence of a hot magma chamber in molten or in solidified state is the most plausible explanation for the observed geotherms.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

마그마 방이 정치(emplacement)된 이후 주변으로의 전도에 의한 열전달을 통하여 냉각되는 과정을 컴퓨터 수치모델링을 이용하여 해석하였다. 도출된 결과는 보고된 시추공 온도 검층 자료 및 지온증가율과 비교되었으며, 이를 토대로 마그마 방의 유무 및 지속적인 지열발전 가능성을 검증하고자 하였다.

가설 설정

모델의 상부 경계면인 지표면의 온도는 일반적으로 0℃로 가정하는 것이 가능 하나, 고심도 저온을 직접 측정하지 못 하였기 때문에 모델 하부 경계면을 특정 온도로 고정시키기에는 근거가 부족하다. 그러므로, 본 연구에서는 울릉분지 주변에서 측정되는 열류량이 약 0.08~0.15W/m²임(Kim et al., 2010)을 감안하여 10 km 깊이의 지각 하부에서 0.12W/m²의 열류량이 지속적으로 공급된다고 가정하였다. 이 경계 조건을 이용하여 열전도를 계산하여 정상 상태에 도달한 지온을 모델의 초기조건으로 설정하였다 (Fig.
마그마 방 형성 이후 울릉도 화산체의 수치모델링을 수행하기 위하여 우리는 마그마 관입 전 울릉도 화산체의 지온 분포를 마그마 방이 없는 상황에서의 정상 상태 온도 분포로 가정하였다. 화산체 온도 분포를 계산하기 위한 경계조건으로서, 모델 하부 경계면의 온도를 고정시키는 방법과 모델 하부에서 유입되는 열유량을 고정시키는 방법 등이 사용된다.
마그마 방의 부피는 모델 도메인의 부피에 비하여 매우 작으므로 단열 경계 조건에 의한 온도 분포에 대한 영향은 미미할 것으로 볼 수 있다. 마그마 방은 해양지각의 상부 표면과 화산섬 하부 경계 사이에 두께 300 m 혹은 600 m, 직경이 10 km인 디스크 형태로 가정하여 삽입하였다. 마그마의 초기 온도로서 우리는 현무암질 마그마의 온도인 1100℃를 사용하였다.
4). 모델의 초기조건에서 수평 디스크 형태의 마그마 관입이 매우 짧은 시간 동안 발생한 것(instantaneous event)으로 가정하였고 이후 마그마 방의 냉각과 주변으로의 열전달을 계산하였다.
시추공에서 측정된 높은 지온증가율은 울릉도 화산체 하부에 뜨거운 열원인 마그마 방이 존재한다는 것을 암시하므로, 우리는 울릉도 화산체 하부 지각에 마그마 방이 존재한다고 가정하였다. 뜨거운 마그마 방에서 주변부로의 열전달(heat transfer) 기작으로서 우리는 전도(conduction)만을 고려하였다.
이 연구에서는 마그마 방의 존재 가능성이 높은 울릉도 화산체 하부 지각에 마그마 방이 존재한다고 가정하였다. 마그마 방이 정치(emplacement)된 이후 주변으로의 전도에 의한 열전달을 통하여 냉각되는 과정을 컴퓨터 수치모델링을 이용하여 해석하였다.

제안 방법

0 mm)으로 굴진되었다. 1,000 m 이상의 대심도 굴진에서는 상부 붕적층과 풍화대 구간의 공벽붕괴 방지를 위해서 케이싱이 설치되었고 최종 심도까지는 NQ 규격(내경 60.0 mm)으로 굴진되었으며, 굴진 종료 후 물리검층이 수행되었다.
수행된 시추조사에서는 회전수세식(rotary wash type) 방식의 유압식 시추기가 사용되었으며, 1,000 m 이상의 대심도를 굴진 시에는 로드(rod)와 케이싱의 하중, 코어배럴 인발심도 등을 감안하여 고성능의 장비가 사용되었다. GH-1, GH-2 시추공은 NX 규격(내경 76.2 mm)으로 굴진되었으며, 1,000 m 이상의 대심도 굴진을 시행한 GH-3, GH-4 시추공은 연암층과 보통암층을 각각 HQ 규격(내경 77.9 mm)과 NQ 규격(내경 60.0 mm)으로 굴진되었다. 1,000 m 이상의 대심도 굴진에서는 상부 붕적층과 풍화대 구간의 공벽붕괴 방지를 위해서 케이싱이 설치되었고 최종 심도까지는 NQ 규격(내경 60.
계산 속도의 향상을 위하여 화산체 전체를 고려하지 않고 화산체를 중심으로 대칭(symmetric) 구조로 모델 도메인(domain)을 형성하였다. 모델의 측부 경계에는 모두 단열(insulated) 경계조건을 부여하였다.
시추공에서 측정된 높은 지온증가율은 울릉도 화산체 하부에 뜨거운 열원인 마그마 방이 존재한다는 것을 암시하므로, 우리는 울릉도 화산체 하부 지각에 마그마 방이 존재한다고 가정하였다. 뜨거운 마그마 방에서 주변부로의 열전달(heat transfer) 기작으로서 우리는 전도(conduction)만을 고려하였다. 3차원 공간의 고체에서의 전도에 의한 열전달은 확산 방정식(diffusion equation)을 이용하여 설명할 수 있으며 직교좌표계 하에서 다음과 같이 정의된다(Crank, 1975).
마그마 방의 부피에 의한 화산체 열진화의 영향을 평가하기 위하여 마그마 방의 두께를 600 m로 두 배 확대한 수치모델링을 수행하였다. 이 경우 마그마 방의 부피가 작은 수치모델링에 비하여 같은 시간에 마그마 방주변에 많은 열에너지를 공급할 수 있다.
이 연구에서는 마그마 방의 존재 가능성이 높은 울릉도 화산체 하부 지각에 마그마 방이 존재한다고 가정하였다. 마그마 방이 정치(emplacement)된 이후 주변으로의 전도에 의한 열전달을 통하여 냉각되는 과정을 컴퓨터 수치모델링을 이용하여 해석하였다. 도출된 결과는 보고된 시추공 온도 검층 자료 및 지온증가율과 비교되었으며, 이를 토대로 마그마 방의 유무 및 지속적인 지열발전 가능성을 검증하고자 하였다.
COMSOL Multiphysics는 유한요소법(finite element method) 기반의 상용소프트웨어로 기계, 전기, 유체역학, 화학공학의 공정 등의 다양한 물리현상을 모델링할 수 있는 모듈들이 분리(segregated) 혹은 직접(direct) 계산을 통해 활용될 수 있으므로, 다중 물리 현상의 동시 모델링을 가능하게 한다. 모델 도메인은 사면체 요소(element)로 분할하여 구성하였다. 화산체의 바깥부분과 하부 지각이 만나는 지역 그리고 마그마 방에 해당하는 요소는 메쉬 세밀화(mesh refinement)를 사용하여 수치 계산의 정확도를 확보하였다.
1℃/km이므로, 우리의 수치모델링에 의하면, 마그마 방 형성 이후 약 5,000년 혹은 50,000년 이상 경과된 경우와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 방사성 동위원소 붕괴열이 지온에 주는 영향을 알아보기 위하여 별도의 수치모델링을 수행하였다. 수치모델링 결과는 방사성 동위원소 붕괴열이 지온에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 잘 보여준다(Fig.
수행된 시추조사에서는 회전수세식(rotary wash type) 방식의 유압식 시추기가 사용되었으며, 1,000 m 이상의 대심도를 굴진 시에는 로드(rod)와 케이싱의 하중, 코어배럴 인발심도 등을 감안하여 고성능의 장비가 사용되었다. GH-1, GH-2 시추공은 NX 규격(내경 76.
울릉도 화산체는 높이가 약 2900 m, 지름이 약 30 km 인 콘(cone) 형태로 해저면 위에 형성되어 있으며 해수면 위로 돌출된 섬의 지름은 약 10 km이다(김기범과 이기동, 2008). 우리는 컴퓨터 수치모델링을 수행하기 위하여 Fig. 2와 3에서 제시된 콘(cone) 형태로 섬 모양을 단순화하였다. 이 연구에서 지열이 측정된 GH-4 시추공은 해발고도 100 m에 위치하는 것으로 설정하였으며 지표면에서 1 km 깊이까지의 지온의 변화를 관찰하였다.
울릉도의 지열측정을 위해 설치된 시추공 GH-1, GH-2, GH-3 그리고 GH-4에서 한국지질자원연구원(KIGAM)에서 온도검층을 실시하였다. 온도검층에 따르면, GH-1 시추공은 600.
12W/m²의 열류량이 지속적으로 공급된다고 가정하였다. 이 경계 조건을 이용하여 열전도를 계산하여 정상 상태에 도달한 지온을 모델의 초기조건으로 설정하였다 (Fig. 4). 모델의 초기조건에서 수평 디스크 형태의 마그마 관입이 매우 짧은 시간 동안 발생한 것(instantaneous event)으로 가정하였고 이후 마그마 방의 냉각과 주변으로의 열전달을 계산하였다.
모델 도메인은 사면체 요소(element)로 분할하여 구성하였다. 화산체의 바깥부분과 하부 지각이 만나는 지역 그리고 마그마 방에 해당하는 요소는 메쉬 세밀화(mesh refinement)를 사용하여 수치 계산의 정확도를 확보하였다. 확산 방정식을 계산하기 위하여 직접 솔버(direct solver)를 사용하였다.

대상 데이터

마그마 방은 해양지각의 상부 표면과 화산섬 하부 경계 사이에 두께 300 m 혹은 600 m, 직경이 10 km인 디스크 형태로 가정하여 삽입하였다. 마그마의 초기 온도로서 우리는 현무암질 마그마의 온도인 1100℃를 사용하였다. 아울러, 화산체 내부의 암석에서 발생하는 방사선 동위원소의 붕괴열은 시추공에서 채집된 암석의 측정값인 3.
열전도도(thermal conductivity)는 2.9W/(m•K)으로, 울릉도에서 가장 흔하게 관찰되는 조면암을 대상으로 한국지질자원연구원에서 직접 측정하였다.
울릉도의 지열을 측정하기 위하여 2011년에서 2015년까지 총 4공의 시추조사가 수행되었다(지식경제부, 2011; 홍훈기외, 2014; Korea Electric Power Research Institute, 2015, 2016). 시추공의 위치는 울릉도의 동서남북 지역에 분포하며(Fig.
2와 3에서 제시된 콘(cone) 형태로 섬 모양을 단순화하였다. 이 연구에서 지열이 측정된 GH-4 시추공은 해발고도 100 m에 위치하는 것으로 설정하였으며 지표면에서 1 km 깊이까지의 지온의 변화를 관찰하였다.

이론/모형

수치모델링을 위하여 우리는 상용 소프트웨어인 콤솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics)를 사용하였다(http:// www.comsol.com). COMSOL Multiphysics는 유한요소법(finite element method) 기반의 상용소프트웨어로 기계, 전기, 유체역학, 화학공학의 공정 등의 다양한 물리현상을 모델링할 수 있는 모듈들이 분리(segregated) 혹은 직접(direct) 계산을 통해 활용될 수 있으므로, 다중 물리 현상의 동시 모델링을 가능하게 한다.
화산체의 바깥부분과 하부 지각이 만나는 지역 그리고 마그마 방에 해당하는 요소는 메쉬 세밀화(mesh refinement)를 사용하여 수치 계산의 정확도를 확보하였다. 확산 방정식을 계산하기 위하여 직접 솔버(direct solver)를 사용하였다.

성능/효과

첫째, 수치모델링에서 중요한 요소인 마그마 방의 크기 및 위치가 아직까지 알려지지 않았으므로 수치모델링의 결과는 마그마 방의 크기 및 위치에 따라달라질 수 있다. 둘째, 수치모델링에서는 마그마 방의 형성 이후 울릉도 화산체 내부에서의 열전달이 전도에 의해서만 일어나는 것으로 단순화되었다. 그러나 마그마 방 내부 대류와 마그마 방과 접한 기반암에 발달한 절리를 따라 흐르는 열수(hydrothermal fluid)의 순환에 의한 열전달은 열전도보다 훨씬 더 빠르게 열을 주변 지역에 확산시킨다.
마그마 방이 없을 경우, 지표면에서 1 km 심도까지의 평균 지온증가율은 약 60℃/km이며 이는 시추공에서 관찰된 지온증가율에 비해 크게 낮은 것을 알 수 있다. 마그마 방의 형성 이후, 마그마 방주변으로 전도에 의한 열전달이 발생하여 마그마 방의 온도는 감소하나 마그마 방 주변의 온도는 상승하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 2,000년의 시간이 경과한 경우에는 시추공의 도달 깊이인 약 1 km 깊이에서 지온의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
방사성 동위원소 붕괴열이 지온에 주는 영향을 알아보기 위하여 별도의 수치모델링을 수행하였다. 수치모델링 결과는 방사성 동위원소 붕괴열이 지온에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 잘 보여준다(Fig. 5).

후속연구

또한, 시추공의 위치에 따라 다른 지온증가율이 관찰되는데 이는 지역적으로 발달한 파쇄대를 따라 전달된 뜨거운 열수 순환의 정도가 다르거나 마그마 방의 분포가 지역적으로 다르기 때문에 발생한 것으로 해석될 수 있다. 보다 사실적인 수치모델링을 수행하기 위하여, 마그마 방의 크기와 위치 그리고 온도를 파악할 수 있는 전기전도도 탐사 및 탄성파 탐사가 요구된다. 또한 수치모델링 기법의 향상 방안으로, 마그마 방 내부 대류를 고려한 열전달을 고려하는 것이 필요하다.
화산체 내부에 파쇄대가 발달되어 있다면 파쇄대 주변을 따라 열수 이동이 활발하게 발생하여, 효율적이고 지역적인 열전달이 발생할 수 있으므로 시추공에서 나타나는 지역적인 지온증가율의 차이를 설명할 수 있을 것으로 추정 된다. 이러한 다양한 열전달 기작과 화산체 내부 구조들을 고려하기 위한 후속 연구에도 COMSOL Multiphysics의 유체 및 지하수 모듈을 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	울릉도의 전력 생산 방법은?	울릉도는 동해 울릉분지의 북쪽 주변부에 위치한 화산섬으로 조면암, 현무암, 응회암, 집괴암 등으로 구성 되어 있으며 가장 최근의 화산활동은 9,300년에서 6,300년 사이에 있었던 것으로 알려져 있다(김기범, 이기동, 2008). 화력발전으로 대부분의 전력을 충당하는 울릉도에 친환경재생에너지인 지열발전을 통한 전력 충당의 필요성이 지속적으로 제기되었다. 실제 북대서양의 섬인 아이슬란드(Iceland)는 중앙해령(mid-ocean ridge)과 열점(hotspot) 위에 위치하고 있어 활발한 화산 활동에 의한 지속적인 지열 에너지가 공급되므로 수십 년 전부터 지열발전(Energy Statistics in Iceland 2015)이 활발하게 이루어지고 있으며 국내에서도 일부 지역에서 지열발전의 가능성이 제시되었다(이태종과 송윤호, 2013).
	울릉도의 특징은?	울릉도는 동해 울릉분지의 북쪽 주변부에 위치한 화산섬으로 조면암, 현무암, 응회암, 집괴암 등으로 구성 되어 있으며 가장 최근의 화산활동은 9,300년에서 6,300년 사이에 있었던 것으로 알려져 있다(김기범, 이기동, 2008). 화력발전으로 대부분의 전력을 충당하는 울릉도에 친환경재생에너지인 지열발전을 통한 전력 충당의 필요성이 지속적으로 제기되었다.
	울릉도의 지열발전의 가능성을 검증해야하는 이유는?	실제 북대서양의 섬인 아이슬란드(Iceland)는 중앙해령(mid-ocean ridge)과 열점(hotspot) 위에 위치하고 있어 활발한 화산 활동에 의한 지속적인 지열 에너지가 공급되므로 수십 년 전부터 지열발전(Energy Statistics in Iceland 2015)이 활발하게 이루어지고 있으며 국내에서도 일부 지역에서 지열발전의 가능성이 제시되었다(이태종과 송윤호, 2013). 비교적 최근까지 화산 활동이 일어났던 울릉도를 아이슬란드처럼 잠재 열원(마그마 방)을 가진 화산섬으로 여길 수도 있지만 섬 내부에서의 온천 개발 등의 이력이 존재하지 않기 때문에 열원을 지닌 화산섬으로 단정하기에는 어려움이 있다. 이와 같은 이유로 지열발전의 가능성을 검증하기 위하여 최근 울릉도에서 시추조사를 수행하여 온도 측정을 하였으며 높은 지온 증가율이 존재함이 확인되었다(홍훈기 외, 2014).

참고문헌 (13)

김기범, 이기동, 2008, 울릉도의 화산층서와 단층에 대한 연구. 지질공학회지, 18, 321-330.
홍훈기, 윤건신, 전재수, 김영식, 정성욱, 송윤호, 2014, 울릉도 심부 지열자원 부존 가능성 검토, Proceedings of KSEG 2014 Spring Conference, 419-423.
Arai, F., Oba, T., Kitazato, H., Horibe, Y. and Machida, H., 1981, Late Quaternary tephrochronology and paleooceanography of the sediments of the Japan Sea. Quaternary Research, 20, 209-230.
Crank, J., 1975, The mathematics of diffusion, Clarendon Press, Oxford.
Davies, G. F., 2011, Mantle Convection for Geologist, Cambridge University Press.
Energy Statistics in Iceland 2015, 2015, ed. Baldur Petursson, National Energy Authority, Ministry of Industries and Innovation, Government Offices of Iceland.
KEPRI/KIGAM/Nexgeo./Heesong Geotek/KETEP, 2016, Final report of Assessment of deep geothermal resources for geothermal power generation in Ulleung Island (in Korean).
Kim, Y., Lee, S.-M., Matsubayashi, O., 2010, New heat flow measurements in the Ulleung Basin, East Sea(Sea of Japan): relationship to local BSR depth, and implications for regional heat flow distribution. Geo-Marine Letters, 30, 595-603.

상세보기
Korea Electric Power Research Institute, 2015, Final report of deep and high-temperature drilling 1st project (in Korean).
Korea Electric Power Research Institute, 2016, Final report of deep and high-temperature drilling 2nd project (in Korean).
Philpotts, A.R., 1980, Principles of igneous and metamorphic petrology, Prentice Hall.
Simute, S., Steptoe, H., Cobden, L., Gokhberg, A., Fichtner, A., 2016, Full-waveform inversion of Japanese Islands region. Journal of Geophysical Research, Solid Earth, 121, doi:10.1002/2016JB012802.

상세보기
T.J. Lee, Y.H. Song, 2013, Enhanced Geothermal System Case Study: The Soultz Project. Tunnel & Underground Space Vol. 23, No. 6, 561-571.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format