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문제 정의
- 영일만 해상에서 이러한 조건을 만족하는 부지를 조사하기 위해 2차원 탄성파 탐사를 수행하였고, 탐사공(PHEW-1)을 시추하여 전 구간 코어를 회수하였다. 본 연구에서는 영일만 해상 포항분지에서 소규모 이산화탄소 지중저장이 가능한 부지를 선정하기 위한 탄성파 탐사 및 시추 결과를 소개하고자 한다.
- 탄성파 자료처리는 지하 구조를 시각적으로 해석할 수 있는 단면 또는 입체부피로 가공하는 과정이다. 본 연구의 2D 탄성파 자료처리는 천해 환경에서 비롯하는 다중반사파(multiple reflection)의 제거와 짧은 스트리머로 기록하여 야기된 낮은 신호-대-잡음비 기록의 품질 향상에 주안점을 두고 수행되었다. 자료처리 공정은 연차별로 취득한 탄성파 자료에 대해반복적으로 시험하여 최적의 조합을 다음과 같이 도출하였다.
- 연구지역에서 소규모의 이산화탄소 주입 부지 특성화를 위해 탐사 시추 및 탄성파 자료를 취득하였다. 이들 자료에 근거하여 소규모 이산화탄소 지중저장을 위한 부지로서의 적합성을 검토하였다. 일반적으로 이산화탄소 지중저장에 적합한 지층은 1) 초임계 이산화탄소 주입이 가능한 온도와 압력을 만족하는 심도 보다 깊은 곳에 위치해야 하고, 2) 주입 및 저장에 용이한 사암층을 포함해야하며, 3) 광역적인 이암층에 의한 상부 밀폐가 가능하고, 4) 단층에 의한 교란이 미약한 지층이어야 한다.
가설 설정
- 이들 자료에 근거하여 소규모 이산화탄소 지중저장을 위한 부지로서의 적합성을 검토하였다. 일반적으로 이산화탄소 지중저장에 적합한 지층은 1) 초임계 이산화탄소 주입이 가능한 온도와 압력을 만족하는 심도 보다 깊은 곳에 위치해야 하고, 2) 주입 및 저장에 용이한 사암층을 포함해야하며, 3) 광역적인 이암층에 의한 상부 밀폐가 가능하고, 4) 단층에 의한 교란이 미약한 지층이어야 한다.
제안 방법
- 취득된 2D 탄성파 자료는 기본적인 전산처리를 적용하여 지하구조를 영상화하는 단면으로 출력되었다. 기본전산처리 단면들을 광역 해석에 이용하고, 지질 특성화를 위해 해상도 제고가 필요한 측선에 대하여 추가적인 자료처리를 적용하여 최종적으로 탄성파 탐사자료를 지하구조 단면으로 도출하였다.
- 7). 대표 측선의 단면 영상을 도출한 자료처리 공정이 전체 탐사측선을 대상으로 적용되었고 최종 결과는 표준단면 호환형식인 SEG-Y로 출력되었다.
- 반사신호기록의 경우 수진기 채널 수가 많을수록 신호-대-잡음비(signal to noise ratio)가 높은 자료를 기록할 수 있는 장점이 있지만, 탐사 현장이 영일만 항내에 위치하므로 상선 및 어선 통행으로 탐사선 운용에 제약이 있었다. 따라서 천해 특성과 항내 환경을 고려하여 짧은 스트리머를 이용하였고 아울러 음원-수진기 간격(offset, 벌림거리)을 좁게 유지하였다(Fig. 3). 2D 탄성파 탐사를 위해 음원, 항측 및 기록 부분에서 각각 현장탐사에 최적화 되도록 설계한 취득 변수는 Table 1과 같다.
- 시추공 VSP (Vertical Seismic Profiling), 음파속도 등의 측정 자료가 부재하여 심도별 속도를 유추하기 어렵다. 따라서, 탄성파 단면에서 해석한 기반암과 단위층-1의 상부 경계면을 시추공에서 인지한 심도 855.5 m, 735.7 m와 각각 대비하여 왕복주시를 심도로 변환하였다. 시간구조도를 심도로 변환하면 음향기반암의 심도는 해수면 기준으로 약 650~950 m에 분포하고, 단위층-1 상부 경계면 심도는 약 550~830 m에 분포한다(Fig.
- 그럼에도 불구하고, 영일만 해상에서 취득한 탄성파 자료는 음향기반암이 예상보다 심부에 위치하고, 퇴적층을 지시하는 반사파 특징이 관찰된다. 앞 절에서 기술한 바와 같이 음향기반암 해석에 적합하도록 왕복주시 1.0초 주변의 잡음을 최대한 제거한 최종 탄성파 단면을 이용하여 탄성파 해석을 수행하였다(Fig. 9).
- 연구 지역에서 소규모 이산화탄소 주입을 위한 부지 탐색과 시간경과 탄성파 모니터링 기술 개발을 위해 2D/3D 탄성파 탐사를 수행하였다(Fig. 2). 2차원 탄성파 탐사자료는 2013년 11월, 2014년 10월, 2015년 3월까지 3차례, OBS(Ocean Bottom Sensor) 노드를 이용한 유사-3차원(pseudo 3D) 자료는 2016년에 한국지질자원연구원의 물리탐사선 탐해2호를 통해 취득되었다.
- 영일만 해상에서 대상 저장층의 두께 및 심도, 기반암의 심도 등을 파악하기 위해 탐사공(PHEW-1)을 시추하였다. 탐사공 시추 위치는 탄성파 탐사 자료에 근거하였고, 영일만 항내 정박지, 항로 등을 고려하여 결정하였다.
- 8 bar)에 적절한 저장암과 덮개암이 존재해야한다. 영일만 해상에서 이러한 조건을 만족하는 부지를 조사하기 위해 2차원 탄성파 탐사를 수행하였고, 탐사공(PHEW-1)을 시추하여 전 구간 코어를 회수하였다. 본 연구에서는 영일만 해상 포항분지에서 소규모 이산화탄소 지중저장이 가능한 부지를 선정하기 위한 탄성파 탐사 및 시추 결과를 소개하고자 한다.
- 시추는 SEP 바지(barge)를 해상에 고정시킨 후 상단에 시추기를 설치하여 2014년 10월 31일부터 2015년 1월 21일 동안 수행되 었다. 원활한 굴진을 위해 상부(0~700 m) 구간은 HQ(공경 96.0 mm), 하부(700~979.5 m) 구간은 NQ(공경 75.8 mm) 공경으로 굴진하였다(Fig. 4). 전체 굴진 구간에서 퇴적층 코어를 회수하였고, 공주대학교에서 퇴적상, 퇴적상조합, 퇴적환경 분석을 수행하였다.
- 특히, 음향기반암 상부 경계면을 따라 경사진 반사파들의 첨멸과 배열 형태가 달라지는 것이 뚜렷이 관찰된다. 음향기반암 위에 올라오는 탄성파 단위층(Seismic Unit, SU)은 하부의 단위층-1(SU-1)과 상부의 단위층-2(SU-2)로 구분하였다(Fig. 9). 단위층-1은 음향기반암 상부에 올라오며 배열이 다소 불량하고 진폭이 강한 반사파들이 부분적으로 관찰된다.
- 본 연구의 2D 탄성파 자료처리는 천해 환경에서 비롯하는 다중반사파(multiple reflection)의 제거와 짧은 스트리머로 기록하여 야기된 낮은 신호-대-잡음비 기록의 품질 향상에 주안점을 두고 수행되었다. 자료처리 공정은 연차별로 취득한 탄성파 자료에 대해반복적으로 시험하여 최적의 조합을 다음과 같이 도출하였다.
- 8초로 예상되었다. 자료처리와 구조보정된 탄성파 단면은 음향기반암, 단층, 습곡구조 등 다수의 지하구조를 영상화하여 지질 특성화에 이용가능한 해상도를 확보하였다(Fig. 7). 대표 측선의 단면 영상을 도출한 자료처리 공정이 전체 탐사측선을 대상으로 적용되었고 최종 결과는 표준단면 호환형식인 SEG-Y로 출력되었다.
- 잡음을 억제하기 위한 자료처리 적용 전후 탄성파 음원모음을 확인하여 품질 향상을 검증하였다. 필터링 결과 탄성파 기록시간 0.
- 잡음이 제거되어 해상도가 향상된 음원모음을 이용하여 수직시간차보정 속도(Normal–Move-Out velocity)를 도출하였고, 겹쌓기 및 추가적인 구조보 정에 이용하였다(Fig. 6).
- 4). 전체 굴진 구간에서 퇴적층 코어를 회수하였고, 공주대학교에서 퇴적상, 퇴적상조합, 퇴적환경 분석을 수행하였다.
- 그리고 탄성파 기록 중 쐐기형 잡음을 필터를 통하여 억제하였다. 주파수대역 필터와 표면파억제 필터를 순차적으로 적용 하여 반사신호에 포함된 배경잡음을 제거하였다. 추가로 라돈(Radon) 필터를 이용하여 수평정렬되는 신호의 연속성을 향상시키고 수직시간차보정 및 겹쌓기를 수행하였다.
- 주파수대역 필터와 표면파억제 필터를 순차적으로 적용 하여 반사신호에 포함된 배경잡음을 제거하였다. 추가로 라돈(Radon) 필터를 이용하여 수평정렬되는 신호의 연속성을 향상시키고 수직시간차보정 및 겹쌓기를 수행하였다. 최종 단계에서는 겹쌓기 후 유한차분 구조보정을 적용하였다 (Table 2).
- 탄성파 신호를 인위적으로 발생시키고 반사된 신호를 받는 자료취득 장비인 음원과 수진기로는 에어건(air-gun)과 스트리머(streamer)를 이용하였다. 천해 탐사의 경우 일반적으로 작은 탐사선에서 고주파 탐사자료를 취득할 수 있는 Sparker 또는 CHIRP(Compressed High Intensity Radar Pulse) 탐사를 수행한다.
- 탄성파 탐사측선의 설계는 포항분지의 지질구조선의 기존해석결과를 토대로 동서방향 110°와 남북방향 290°주향으로설정하였다.
- 영일만 해상에서 대상 저장층의 두께 및 심도, 기반암의 심도 등을 파악하기 위해 탐사공(PHEW-1)을 시추하였다. 탐사공 시추 위치는 탄성파 탐사 자료에 근거하였고, 영일만 항내 정박지, 항로 등을 고려하여 결정하였다. 탐사공은 포항 신항 북쪽 포스코 부지 해양 안벽에서 약 120 m 이격된 지점의 공유수면에 위치한다(Fig.
- 탐사공 시추코어 암상 변화와 탄성파 반사파 특성을 고려하여 기반암과 탄성파 단위층들을 대비하였다(Figs. 8 and 9). 기반암 상부 경계면의 경우 일반적으로 퇴적층과의 경계면에서 강한 진폭 특성이 나타나지만 연구지역에서는 이러한 강한 진폭 특성이 뚜렷하지 않다.
- 포항시 영일만 해역 포항분지에서 소규모 이산화탄소 주입이 가능한 지층의 유무와 지질구조 파악을 위해 탄성파 탐사및 시추공 지질 자료를 분석하였다. 분석 결과는 다음과 같다.
- 연구지역에서 포항분지의 기반암은 해수면 기준 심도 650~950 m에 분포하며 기반암을 덮고 있는 퇴적층은 두 개의 단위층으로 구분하였다. 하부의 단위층-1은 하성 또는 삼각주 환경에서 퇴적된 조립질 퇴적층, 상부의 단위층-2는해양 부유성 퇴적물과 얇은 저탁류 사암으로 구성된 세립질 퇴적층으로 해석하였다.
대상 데이터
- 2). 2차원 탄성파 탐사자료는 2013년 11월, 2014년 10월, 2015년 3월까지 3차례, OBS(Ocean Bottom Sensor) 노드를 이용한 유사-3차원(pseudo 3D) 자료는 2016년에 한국지질자원연구원의 물리탐사선 탐해2호를 통해 취득되었다. 탄성파 탐사는 지구물리적 탐사기법 중 해저면에서 지하 수 km 내외의 지층을 가장 고해상도로 영상화할 수 있으므로 실증 부지선정에 적합하다고 판단하였다.
- 4). 시추는 SEP 바지(barge)를 해상에 고정시킨 후 상단에 시추기를 설치하여 2014년 10월 31일부터 2015년 1월 21일 동안 수행되 었다. 원활한 굴진을 위해 상부(0~700 m) 구간은 HQ(공경 96.
- 연구지역에서 소규모의 이산화탄소 주입 부지 특성화를 위해 탐사 시추 및 탄성파 자료를 취득하였다. 이들 자료에 근거하여 소규모 이산화탄소 지중저장을 위한 부지로서의 적합성을 검토하였다.
- 연구지역은 포항시 영일만 일대에 분포한 포항분지로서 육상에 주로 드러난 선상지-삼각주계의 횡적 연장부로 깊은 해양성 이암들이 퇴적되었을 것으로 예측된다. 인접한 육상에서 석유탐사 및 지열개발을 목적으로 시추한 코어 자료들을 분석한 결과에 의하면 육상의 기반암들은 심도가 110~875 m에 분포하며, 서쪽에서 동쪽으로 점진적으로 깊어지는 경향을 보인다(Lee et al.
- 탄성파 탐사측선의 설계는 포항분지의 지질구조선의 기존해석결과를 토대로 동서방향 110°와 남북방향 290°주향으로설정하였다. 영일만 내의 접안시설 및 방파제와 일정한 거리를 두어 탐사가 안전하게 수행되는 최대한의 영역에서 탐사한 결과 동서방향 측선은 3.1 km 연장으로 자료가 취득되었다(Fig. 2). 취득된 2D 탄성파 자료는 기본적인 전산처리를 적용하여 지하구조를 영상화하는 단면으로 출력되었다.
- 탐사공 시추 위치는 탄성파 탐사 자료에 근거하였고, 영일만 항내 정박지, 항로 등을 고려하여 결정하였다. 탐사공은 포항 신항 북쪽 포스코 부지 해양 안벽에서 약 120 m 이격된 지점의 공유수면에 위치한다(Fig. 2). 시추 위치에서의 수심은 15.
- 현재까지 자료 분석 결과에 의하면, 연구지역에서 유망한 저장층은 단위층-1 내부에 수 미터 규모로 협재하는 사암과 역암 층들이다(Fig. 8). 이들 유망 저장층들은 해수면 기준 심도 550 m보다 깊은 지역에서 주로 관찰되며, 초임계상의 이산화탄소 주입 및 저장이 가능한 심도에 분포한다(Fig.
성능/효과
- 1. 2D 탄성파 자료처리는 영일만의 낮은 수심에서 비롯되는 다중반사파의 제거와 짧은 스트리머 사용으로 인한 낮은신호-대-잡음비 기록의 품질 향상에 주안점을 두고 수행되었고, 최적의 공정을 도출하였다.
- 2. 연구지역에서 포항분지의 기반암은 해수면 기준 심도 650~950 m에 분포하며 기반암을 덮고 있는 퇴적층은 두 개의 단위층으로 구분하였다. 하부의 단위층-1은 하성 또는 삼각주 환경에서 퇴적된 조립질 퇴적층, 상부의 단위층-2는해양 부유성 퇴적물과 얇은 저탁류 사암으로 구성된 세립질 퇴적층으로 해석하였다.
- 3. 단위층-1은 주로 사암 및 역암으로 구성되어 있고 평균 두께는 약 123 m이다. 수 미터 정도 두께의 사암 및 역암 층들은 여러 매가 누적되어 나타나고, 대부분 초임계상의 이산화탄소 주입이 가능한 심도에 분포하고 있어 소규모 이산 화탄소 저장층으로 활용 가능하다.
- 4. 단위층-2를 주로 구성하는 이암층은 포항분지 육상과 해상에 모두 분포하고 있고 두께도 수 백 미터에 이르기 때문에 덮개암으로서 매우 양호하다.
- 잡음을 억제하기 위한 자료처리 적용 전후 탄성파 음원모음을 확인하여 품질 향상을 검증하였다. 필터링 결과 탄성파 기록시간 0.3~0.8초 구간에서 반사신호의 연속성이 증가함을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 잡음이 제거되어 해상도가 향상된 음원모음을 이용하여 수직시간차보정 속도(Normal–Move-Out velocity)를 도출하였고, 겹쌓기 및 추가적인 구조보 정에 이용하였다(Fig.
후속연구
- 5. 연구지역에 발달하는 북북동 방향의 단층들은 퇴적동시성 정단층으로 수직적 연장성이 불량할 것으로 기대된다. 하지만 이들 단층이 천부지층과 해저면까지 연장되는지 여부를 확인하기 위해 추가 정밀 조사 및 탐사가 필요하다.
- 연구지역에 발달하는 북북동 방향의 단층들은 퇴적동시성 정단층으로 수직적 연장성이 불량할 것으로 기대된다. 하지만 이들 단층이 천부지층과 해저면까지 연장되는지 여부를 확인하기 위해 추가 정밀 조사 및 탐사가 필요하다.
- 연구지역에서 취득한 Chirp, Sparker 탄성파 자료의 천부 지층 영상에서는 뚜렷한 단층의 발달이 인지되지 않았다. 하지만, 추가적인 조사 및 탐사를 통해 단층 분포를 정밀하게 파악할 필요가 있고, 이를 바탕으로 이산화 탄소 주입에 따라 단층 활동에 어떤 영향을 받는지 정량적으로 분석하는 것이 필요하다(e.g., Lee et al., 2017).
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