다양한 지름의 암석코어에 대해 비교적 간편하고 정확하게 열전도도를 측정할 수 있는 divided bar형 열전도도 측정 시스템인 PEDB (potable electronic divided bar system)를 도입 이용하여 열전도도 측정시 고려해야 할 요소에 대해 검토하였다. 또한, 지열조사를 위해 울릉도에서 채취한 70개의 코어시료에 대해 적용하고 그 특성을 살펴보았다. 열전도도 측정에 있어서 실내온도의 변화가 가장 큰 영향을 미치므로 되도록 실내온도의 변화가 적거나 항온 환경에서 측정하는 것이 바람직하다. 열원(heat source)의 온도, 안정된 상태에서 평균하는 온도의 구간 등에 의한 영향은 실내온도 변화에 비해 미미하다. 열접촉 보조제인 바셀린을 사용하면 시편의 열전도도가 다소 높게 평가되고 특히 접촉면이 고르지 않은 암석시편에서는 그 차이가 더 크게 나타난다. 하나의 시편에 대해 반복 측정할 때, 실내온도가 $1^{\circ}C$ 이내로 유지된다면 표준시편에서는 ${\pm}0.3%$ 이내, 암석시편에서는 ${\pm}4%$ 이내의 좋은 반복성을 얻을 수 있다. 울릉도의 두 지열 조사공에서 얻은 암석코어의 열전도도는 심도 증가에 따라서 대체로 열전도도가 커지는 경향이 있으나 암종 변화와 특별한 상관성을 보이지는 않았다.
다양한 지름의 암석코어에 대해 비교적 간편하고 정확하게 열전도도를 측정할 수 있는 divided bar형 열전도도 측정 시스템인 PEDB (potable electronic divided bar system)를 도입 이용하여 열전도도 측정시 고려해야 할 요소에 대해 검토하였다. 또한, 지열조사를 위해 울릉도에서 채취한 70개의 코어시료에 대해 적용하고 그 특성을 살펴보았다. 열전도도 측정에 있어서 실내온도의 변화가 가장 큰 영향을 미치므로 되도록 실내온도의 변화가 적거나 항온 환경에서 측정하는 것이 바람직하다. 열원(heat source)의 온도, 안정된 상태에서 평균하는 온도의 구간 등에 의한 영향은 실내온도 변화에 비해 미미하다. 열접촉 보조제인 바셀린을 사용하면 시편의 열전도도가 다소 높게 평가되고 특히 접촉면이 고르지 않은 암석시편에서는 그 차이가 더 크게 나타난다. 하나의 시편에 대해 반복 측정할 때, 실내온도가 $1^{\circ}C$ 이내로 유지된다면 표준시편에서는 ${\pm}0.3%$ 이내, 암석시편에서는 ${\pm}4%$ 이내의 좋은 반복성을 얻을 수 있다. 울릉도의 두 지열 조사공에서 얻은 암석코어의 열전도도는 심도 증가에 따라서 대체로 열전도도가 커지는 경향이 있으나 암종 변화와 특별한 상관성을 보이지는 않았다.
Several factors are discussed that should be considered in measuring thermal conductivity of rock cores with a PEDB (potable electronic divided bar) system, which is relatively accurate and easy to operate, and can measure the thermal conductivity of rock cores for various diameters. Then the system...
Several factors are discussed that should be considered in measuring thermal conductivity of rock cores with a PEDB (potable electronic divided bar) system, which is relatively accurate and easy to operate, and can measure the thermal conductivity of rock cores for various diameters. Then the system is applied to measure thermal conductivity of 70 rock cores from Ulleung Island. Air temperature affects most on the thermal conductivity measurements, so that it is very important to minimize the temperature change during the measurement. Other factors such as the temperature of heat source, averaging time window on the thermal conductivity measurements do not affect much compared to air temperature. Slightly higher thermal conductivity is measured when using the thermal contact paste between the sample and heat source or heat sink. Especially, rock cores with irregular surface showed bigger difference. Repeatability showed less than ${\pm}0.3%$ for standard samples and less than ${\pm}4%$ for rock samples, respectively, when the room temperature changes within $1^{\circ}C$ during the measurements. Thermal conductivity of the rock cores from Ulleung Island roughly increases as depth increases but does not show any dependency on the rock types.
Several factors are discussed that should be considered in measuring thermal conductivity of rock cores with a PEDB (potable electronic divided bar) system, which is relatively accurate and easy to operate, and can measure the thermal conductivity of rock cores for various diameters. Then the system is applied to measure thermal conductivity of 70 rock cores from Ulleung Island. Air temperature affects most on the thermal conductivity measurements, so that it is very important to minimize the temperature change during the measurement. Other factors such as the temperature of heat source, averaging time window on the thermal conductivity measurements do not affect much compared to air temperature. Slightly higher thermal conductivity is measured when using the thermal contact paste between the sample and heat source or heat sink. Especially, rock cores with irregular surface showed bigger difference. Repeatability showed less than ${\pm}0.3%$ for standard samples and less than ${\pm}4%$ for rock samples, respectively, when the room temperature changes within $1^{\circ}C$ during the measurements. Thermal conductivity of the rock cores from Ulleung Island roughly increases as depth increases but does not show any dependency on the rock types.
이 논문에서는 전자적(electronic)으로 조절되는 열원(heat source)과 열싱크(heat sink)를 사용하고 암석시편의 열전도도를 환산할 때 2종의 재질, 18개의 서로 다른 규격(두께 및 직경)을 갖는 표준시편의 fitting curve의 사이채움을 이용함으로써 이러한 단점들을 해소했다는 PEDB (Portable Electronic Divided Bar)를 도입·이용하여 울릉도에서 지열조사(Lee et al., 2015)를 위해 시추한 두 개의 조사공(GH-3 및 GH-4)에서얻은 70 개 시추코어의 열전도도를 측정하고 그 활용성 검증과 함께 울릉도 암석의 열전도도 특성을 개괄적으로 살펴보고자 하였다.
제안 방법
가열한 물을 열원으로 사용하는 기존의 divided bar형 열전도도 측정기에 비해 여러 장점을 갖고 있다는 PEDB를 도입·이용하여 울릉도 시추공(GH-3 및 GH-4)에서 얻은 70개 시추코어의 열전도도를 측정하고 그 활용성 검증과 함께 울릉도 시추코어의 열전도도 특성을 개괄적으로 살펴보았다.
암석시편의 열전도도를 측정하기에 앞서 PEDB의 특성 파악과 이를 이용하여 얻게 되는 열전도도의 정밀도에 대한 정보를 얻기 위하여 여러 가지의 예비실험을 수행하였다. 즉, 시험편과 황동사이에 열접촉을 좋게 하기 위해 열접촉 보조제(thermal contact paste)를 바르기도 하는데 그 영향은 어떠한지, 실내온도에 따른 영향은 있는지, 열원의 온도에 따른 영향은 있는지, 동일한 시료에 대한 반복성은 어떤지 등에 대한 고찰이다.
대상 데이터
이 연구에서 사용한 암석시편(Table 3 참조)은 울릉도 지열 조사를 위해 2014년과 2015년에 획득된 코어시료이다. 즉, 울릉도 남쪽 남양리에 위치한 GH-3 시추공의 600 ~ 1000 m에서 얻은 23개 암석코어와 북쪽 추산리에 위치한 GH-4 시추공의 20 ~ 1000 m에서 얻은 47개 암석코어이며, 실험을 위해 이들은 모두 calibration에서 사용한 2종 18개 표준시편들의 규격(두께 및 직경) 의 중간 범위에 분포하도록 성형한 다음 상온에서 한 달 간 자연 건조하였다.
이 연구에서 사용한 암석시편(Table 3 참조)은 울릉도 지열 조사를 위해 2014년과 2015년에 획득된 코어시료이다. 즉, 울릉도 남쪽 남양리에 위치한 GH-3 시추공의 600 ~ 1000 m에서 얻은 23개 암석코어와 북쪽 추산리에 위치한 GH-4 시추공의 20 ~ 1000 m에서 얻은 47개 암석코어이며, 실험을 위해 이들은 모두 calibration에서 사용한 2종 18개 표준시편들의 규격(두께 및 직경) 의 중간 범위에 분포하도록 성형한 다음 상온에서 한 달 간 자연 건조하였다.
성능/효과
울릉도의 두 지열 조사공에서 얻은 암석코어의 열전도도는 심도 증가에 따라서 대체로 열전도도가 커지는 경향이 있었으나 암종 변화와 특별한 상관성을 보이지는 않았다. 따라서 열전도도 변화의 주요인은 암석을 구성하는 광물학적 차이보다 기계적인 구조 차이에서 기인하는 것으로 추정된다.
4(b), (c), (d))에서보다 큰 것은 측정한 날짜가 달라서 주변온도의 차이가 많았기 때문이다. 따라서 전체적으로 볼 때 ΔT는 열원의 온도 변화보다 주변온도 변화에 더 큰 영향을 받는 것을 알 수 있어서 시편의 열전도도를 정밀하게 측정하기 위해서는 열원나 열싱크의 온도를 달리하는 것 보다 주변의 온도가 일정하게 유지되는 환경이 중요함을 알 수 있다. 한편, 열원 온도가 같을 때(41.
열접촉 보조제인 바셀린을 사용하는 경우보다 사용하지 않는 경우의 ΔT가 약 4 ~ 5% 크게 측정되어 바셀린을 사용하면 시편의 열전도도가 다소 높게 평가된다. 표준시편에서보다 접촉면이 고르지 않은 암석시편에서는 그 차이가 더 크게 나타난다.
ΔT를 평균할 창 길이(t)는 ΔT 시계열의 주기성을 시각적으로 관찰하여 적어도 한 주기가 포함될 수 있는 길이로 결정하는 것이 타당하다. 울릉도의 두 지열 조사공에서 얻은 암석코어의 열전도도는 심도 증가에 따라서 대체로 열전도도가 커지는 경향이 있었으나 암종 변화와 특별한 상관성을 보이지는 않았다. 따라서 열전도도 변화의 주요인은 암석을 구성하는 광물학적 차이보다 기계적인 구조 차이에서 기인하는 것으로 추정된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
divided bar 유형의 열전도도 측정기는 몇 가지의 단점을 가지고 있는데 무엇인가?
암석 시편의 원형단면과 접촉하는 열판(hot plate)에 열을 공급할 때 항온순환수조(heating bath circulator)를 사용하는 기존의 divided bar 유형의 열전도도 측정기는 몇 가지의 단점을 갖고 있다. 이 단점들은 대부분 항온을 유지하기 위한 열원으로 물을 사용함으로써 발생하는 것으로, 측정기의 위와 아래에 각각 위치한 두 개의 열판에 서로 다른 일정한 온도의 물을 공급하기 위해서는 항온순환수조 내의 물이 일정한 온도에 도달할 때까지 예열을 위해 많은 시간이 소요되며 따라서 4개의 열전대(thermocouple)의 편차를 보정하는 데에도 상당한 시간이 소요된다. 실내온도보다 낮은 온도를 유지해야 하는 저온부 순환 파이프에 이슬이 맺히는 것도 측정 작업에서 피할 수 없는 단점이다. 측정기 구조상 시편의 직경과 두께가 상당한 범위로 허용되지 않고 일정해야 하는 제약 또한 시편의 전처리를 어렵게 한다.
무엇을 이용하여 열전도도 측정시 고려해야 할 요소에 대해 검토하였는가?
다양한 지름의 암석코어에 대해 비교적 간편하고 정확하게 열전도도를 측정할 수 있는 divided bar형 열전도도 측정 시스템인 PEDB (potable electronic divided bar system)를 도입 이용하여 열전도도 측정시 고려해야 할 요소에 대해 검토하였다. 또한, 지열조사를 위해 울릉도에서 채취한 70개의 코어시료에 대해 적용하고 그 특성을 살펴보았다.
어떤 영향은 실내온도 변화에 비해 미미한가?
열전도도 측정에 있어서 실내온도의 변화가 가장 큰 영향을 미치므로 되도록 실내온도의 변화가 적거나 항온 환경에서 측정하는 것이 바람직하다. 열원(heat source)의 온도, 안정된 상태에서 평균하는 온도의 구간 등에 의한 영향은 실내온도 변화에 비해 미미하다. 열접촉 보조제인 바셀린을 사용하면 시편의 열전도도가 다소 높게 평가되고 특히 접촉면이 고르지 않은 암석시편에서는 그 차이가 더 크게 나타난다.
참고문헌 (4)
Beardsmore, G. R. and Cull, J. P., 2001, Crustal heat flow - A guide to measurement and modelling, Cambridge Univ. Press, 324p.
Kim, H. C., Kim, S.-K., Park, D.-W., Park, I. H., Park, C. H., Baek, S.-K., Song, Y., Shim, B. O., Oh, J.-H., Lee, S. K., Lee, Y., Lee, C.-W., Lee, T. J., and Hwang, J.-H., 2015, Korea geothermal atlas, Korea Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), ISBN 979-11-85861-13-5.
Lee, T. J., Lee, S. K., and Yun, K.-H., 2015, Electrical Resistivity at Room Temperature and Relation between Physical Properties of Core Samples from Ulleung Island, Geophysics and Geophysical exploration, 18(4), 171-180.
Pollack, H. N., Hurter, S. J., and Johnson, J. R., 1993, Heat flow from the Earth's interior: Analysis of the global data set, Reviews of Geophysics, 31(3), 267-280.
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