[논문]동아시아지역에서의 CHAMP 위성자료에서의 지각 자기이상의 연구

김형래

doi:10.9719/eeg.2021.54.1.117

[국내논문] 동아시아지역에서의 CHAMP 위성자료에서의 지각 자기이상의 연구
A Study of CHAMP Satellite Magnetic Anomalies in East Asia 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.54 no.1, 2021년, pp.117 - 126

초록
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위성고도에 획득한 지각 자기이상값들은 지상부근(near-surface)의 항공탐사나 해양탐사등에서 얻은 자기이상값들에서 얻기 어려운 장파장의 특징을 보이며 이들은 지각의 자기현상이 소멸되는 큐리 등온 깊이선(Curie isotherm)까지의 심부 지각물질의 자기특징 및 위성고도에서도 나타날 수 있는 강한 자기특징들을 반영한다. 따라서 심부 지하구조나 판구조론을 통한 과거 지구조의 재구성(reconstruction) 및 해석과 최근 지구온난화로 인한 대륙빙하의 해빙과 연관되어 남극 및 그린랜드의 지열분포 연구에 중요한 자료로 이용되고 있다. 이러한 위성 지각 자기이상값은 전지구를 경계조건으로 하는 구면조화함수의 계수모델로 표현되는 것이 일반적이나 많은 계수 계산과 함께 안정적으로 외부자기장을 분리하기 어려운 극지역 및 적도지역의 자료들도 포함되어 이들 자료가 모델 전체에 영향을 줄 수가 있다. 한편, 이와는 달리 관심지역의 자료들만을 가지고 지역에 맞는 몇 단계 자료처리 과정을 거쳐 얻은 지각 자기이상값들은 이러한 영향에서 벗어날 수 있다. 본 연구에서는 한반도를 중심으로 하는 동아시아 지역(20° ~ 55°N, 108° ~ 150°E) 의 CHAMP 위성에서 최저고도였던 시기의 자료를 획득하여 평균 280 km 에서의 지각 자기이상 지도를 제작하고 CHAMP 자료로 만든 전지구 지각 자기이상 모델(MF7)과 비교하여 지각 자기이상 특징들을 파악하고자 한다. 아울러 전세계 지상부근 지각자기이상 자료를 종합하여 제작한 EMAG2에서 장파장 성분을 추출하여 함께 비교하기로 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Satellite magnetic observations reflect the magnetic properties of deep crust about the depth of Curie isotherm that is a boundary where the magnetic nature of the rocks is disappeared, showing long wavelength anomalies that are not easily detected in near-surface data from airborne and shipborne surveys. For this reason, they are important not only in the analyses on such as plate reconstruction of tectonic boundaries and deep crustal structures, but in the studies of geothermal distribution in Antarctic and Greenland crust, related to global warming issue. It is a conventional method to compute the spherical harmonic coefficients from global coverage of satellite magnetic observations but it should be noted that inclusion of erroneous data from the equator and the poles where magnetic observations are highly disturbed might mislead the global model of the coefficients. Otherwise, the reduced anomaly model can be obtained with less corruption by choosing the area of interest with proper data processing to the area. In this study, I produced a satellite crustal magnetic anomaly map over East Asia (20° ~ 55°N, 108° ~ 150°E) centered on Korean Peninsula, from CHAMP satellite magnetic measurements about mean altitude of 280 km during the last year of the mission, and compared with the one from global crustal magnetic model (MF7). Also, a comparison was made with long wavelength anomalies from EMAG2 model compiled from all near-surface data over the globe.

Keyword

표/그림 (3)

그림 Fig. 1. Flowchart of data processing for crustal magnetic anomaly map from CHAMP satellite data in this study.
그림 Fig. 2. Standard deviation (σ) curves of (A) ascending and (B) descending passes reduced by the mode values at the interval of longitudes. Empty circles are σ values of the passes, while crosses are the selected passes within the dashed lines of ±1σ of the curves. (C) Two curves above are plotted together along with the selected passes.
그림 Fig. 3. Total field anomaly residuals from A) ascending and B) descending passes after wavenumber correlation filtering was processed. Total field anomaly map of C) ascending and D) descending passes with the residuals from (A) and (B), respectively. Solid lines represent tectonic lines or boundaries; a) Yinshan-Yanshan tectonic belts, b) Qinling-Dabie-Tanlu tectonic belts and c) Nanling tectonic belts, modified from Hao et al. (1998). Red dashed lines represent the plate boundaries (Bird, 2003). E) Combined anomaly map at 280 km altitude from this study. Numbers are designated as anomaly features explained in the text. F) CHAMP total field anomaly at 280 km from MF7 model. G) Near-surface total field anomaly at 5 km altitude at a 2-arc minute interval from EMAG2. H) Lowpass filtered wavelengths longer than 300 km of Map (G). All the units are nanotesla (nT).

AI 본문요약
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문제 정의

비록 다양한 처리 과정들이 요구되지만 전지구 모델에 비해 보다 세심히 지역적인 외부자기장의 오차를 제거할 수 있는 장점이 있다. 이 연구에서는 두 번째로 언급한 지역 자료 처리 방법을 통해 CHAMP 위성의 마지막 해인 2010년에 4월 자료부터 최종 임무로 종료된 7월 자료까지의 저고도 (<320km) 자료만을 취득하여 한반도를 중심으로 동아시아 지역의 지각 자기이상 성분의 지도를 제작하는 방법을 설명하고 최종적으로 이와 비슷한 시기의 자료로 제작된 전지구 모델인 MF7(Maus, 2010)에서 나타나는 지각 자기이상 지도와의 여러 지구조적 특징들과 차이점들을 간단히 살펴보고자 한다. Swarm 자료인 경우 CHAMP 위성자료보다 높은 고도인 450 – 500 km에서 측정된 자료라 저고도 자료에 비해 자세한 특징을 얻기 어렵고 아직까지는 위성간의 구배(gradient) 자료는 역산을 통한 모델링을 통해 활용함으로(Olsen et al.
7 로서 대체로 유사한 특징을 보이지만 일부 몇몇 지역 특징의 위치와 크기가 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 따라서 지도에서 비교가 될 수 있는 몇몇 특징들을 뽑아 표기하여 자기적 특성을 설명하기로 한다.

가설 설정

이 중 외핵에 의한 지자기성분이 측정값의 95 % 이상을 차지하며 나머지가 5 %을 구성한다. 특히, 여기서 얻고자 하는 지각 자기이상 성분은 시간에 따라 변화하지 않는다는 가정으로 자료처리 과정에서 이 점을 활용하여 자료 처리분석에 사용할 수 있다. Fig.
G) Near-surface total field anomaly at 5 km altitude at a 2-arc minute interval from EMAG2. H) Low pass filtered wavelengths longer than 300 km of Map (G). All the units are nanotesla (nT).

제안 방법

, 2002) 계속해서 2000년에는 독일과 미국이 주도한 CHAMP(CHAllenging Mini satellite Payload) 위성의 진보된 기술로 향상된 자력계를 통해 지각 자기이상지도를 제작할 수 있었다. 이 위성들은 앞서 언급한 자세보정용으로 위성에 탑재된 자력계보다 약 1000 배의 정확도를 보이며 지구의 자기성분을 측정하였다. CHAMP 위성이 작동을 멈춘 2010년 이후 2013 년 11월 유럽우주항공국(European Space Agency, ESA) 에서는 정밀 자력계들을 탑재한 3개의 위성을 동시에 지구 궤도에 올려 지구 자기장의 변화를 관측하는 Swarm 미션(Swarm constellation mission) 프로젝트를 시작했다 (Friis-Christensen et al.
이 연구에서는 두 번째로 언급한 지역 자료 처리 방법을 통해 CHAMP 위성의 마지막 해인 2010년에 4월 자료부터 최종 임무로 종료된 7월 자료까지의 저고도 (<320km) 자료만을 취득하여 한반도를 중심으로 동아시아 지역의 지각 자기이상 성분의 지도를 제작하는 방법을 설명하고 최종적으로 이와 비슷한 시기의 자료로 제작된 전지구 모델인 MF7(Maus, 2010)에서 나타나는 지각 자기이상 지도와의 여러 지구조적 특징들과 차이점들을 간단히 살펴보고자 한다. Swarm 자료인 경우 CHAMP 위성자료보다 높은 고도인 450 – 500 km에서 측정된 자료라 저고도 자료에 비해 자세한 특징을 얻기 어렵고 아직까지는 위성간의 구배(gradient) 자료는 역산을 통한 모델링을 통해 활용함으로(Olsen et al., 2017) 패스 자료를 직접적으로 처리하는 방식을 따르는 본 연구에서는 저고도 자료인 CHAMP자료를 이용하여 지각성분의 자기이상 지도를 제작하였다.
제작된 지각 자기이상 지도와 MF7 모델로부터 얻은 값들은 전세계 항공 및 해상탐사 자기이상자료를 모두 합쳐놓은 EMAG2 (Earth MAGnetic Model 2, Meyer et al., 2017) 에서의 장파장 성분(파장 길이 300 km 이상) 과 비교하여 자기 이상 특징을 파악하였다.
de에서 자료를 자유롭게 내려 받을 수 있으며 이들 자료들은 날짜별로 cdf (common data format) 형식으로 구성되어 있다. 가장 중요한 날짜정보, 연구 지역의 위치정보, 측정값 정보를 분류하여 위성의 선회방법에 따라 상승(ascending) 궤도와 및 하강(descending) 궤도(또는 패스)로 나누어 자료처리를 수행한다. 효과적인 자료처리를 위하여 부가자료들을 기준으로 안정된 지자기 활동이 있었던 시기의 자료만을 선별할 필요가 있다.
본 연구에서는 벡터성분의 측정값을 제외한 총자기장 값(total magnetic field, F)만을 처리하였다. 벡터 자료인 경우 외부자기장 성분에 크게 변화하기 때문에 자료처리가 복잡하고 그 결과도 많은 오차들이 포함되는 경우가많으므로 간단한 자료처리만을 위해 총자기 성분만을 처리하였다.
벡터 자료인 경우 외부자기장 성분에 크게 변화하기 때문에 자료처리가 복잡하고 그 결과도 많은 오차들이 포함되는 경우가많으므로 간단한 자료처리만을 위해 총자기 성분만을 처리하였다. 한편으로 같은 지역의 항공자료로 얻은 지상높이의 자기이상지도와의 비교에 있어서도 같은 총자기성분이라 비교 역시 용이할 수 있다.
패스들을 상승(궤도)구간과 하강(궤도)구간으로 구분할 때 측정한 F값에서 외핵의 지구자기장 성분을 IGRF모델 (차수는 13)로부터 측정위치와 시간(epoch)를 통해 계산하여 빼주고 또한 외부자기장중 장파장에 해당하는 환 전류(ring current) 등에 의한 특징들은 패스별로 경향성을 적용하기 위한 1차식으로 피팅(fitting)을 하여 제거하였다(Ravat et al., 1995; Langel and Hinze, 1998).
자력 위성에서 측정된 값을 통해 위성 고도에서의 지각 자기이상 지도를 제작하기 위해 전지구적 접근보다 선택된 지역에 해당하는 자료만을 택해 한반도를 중심으로 동아시아 지역의 위성 지각 자기이상 지도를 제작하였다. 위성 자료는 CHAMP 위성의 최저 고도로 운행했던 시기의 자료로 평균고도 280 km 의 자료를 활용하였다.
위성 자료는 CHAMP 위성의 최저 고도로 운행했던 시기의 자료로 평균고도 280 km 의 자료를 활용하였다. 먼저 궤도의 선회 방향별로 상향패스(ascending passes) 와 하향패스(descending passes)로 분류하고 지자기 적으로 가장 안정된 기간의 자료만을 선택하여 패스를 경도별로 나열하여 서로 유사한 특징만을 찾아내었다. 이를 통해 지도를 제작하였으며 전지구적 접근을 통해 만든 구면 조화함수 모델(MF7)의 같은 고도의 예측 지도와 비교하였다.
먼저 궤도의 선회 방향별로 상향패스(ascending passes) 와 하향패스(descending passes)로 분류하고 지자기 적으로 가장 안정된 기간의 자료만을 선택하여 패스를 경도별로 나열하여 서로 유사한 특징만을 찾아내었다. 이를 통해 지도를 제작하였으며 전지구적 접근을 통해 만든 구면 조화함수 모델(MF7)의 같은 고도의 예측 지도와 비교하였다. 두 지도는 상관계수 0.

대상 데이터

0 nT 범위 내에서 제외되며 나머지 163 개는 모두 연속적으로 유사한 편차값을 보였다. 상승 구간 자료 역시 159 개의 패스에서 155개의 패스가 선택되어 두 구간자료에서 총 318 개의 패스를 선별하였다. 위와 같은 과정을 통해 자료처리를 실시하여도 여전히 예측하기 어려운 외부자기장 성분이 존재할 수 있으며 이를 제거하기 위해 파동수 상관 필터링(wavenumber correlation filtering) 방법을 적용하였다(von Frese et al.
3 (C), (D) 와 (E)는 이들 자료를 280km 평균 고도로 하여 보간하여 만든 지도들과 이를 병합하여 얻은 지도이다. 비교를 위해 Fig. 3 (G)와 (H)는 EMAG2(Meyer et al., 2017) 에서 얻은 2 arc-min 간격의 자료와 이를 300 km 이상의 파장만을 표현한 지도를 제작하였다.
비교를 위해 Fig. 3F는 280 km 고도에서 비슷한 시기를 포함한 CHAMP위성의 전지구 자료를 유사한 자료 선별과정을 거쳐 SH를 이용하여 만든 MF7 (Maus, 2010) 모델에서 얻은 지각 자기이상 성분으로 0.5° 간격으로 만든 지도이다. 여기서 만든 지도(Fig.
위성 자료는 CHAMP 위성의 최저 고도로 운행했던 시기의 자료로 평균고도 280 km 의 자료를 활용하였다. 먼저 궤도의 선회 방향별로 상향패스(ascending passes) 와 하향패스(descending passes)로 분류하고 지자기 적으로 가장 안정된 기간의 자료만을 선택하여 패스를 경도별로 나열하여 서로 유사한 특징만을 찾아내었다.

데이터처리

9) 일 경우 실질적으로 높은 상관성을 가진 특징들만 추출되므로 필터링의 효과가 떨어진다. 따라서 여러 임계 상관 계수를 사용해 본 후 결과값들의 특징들(i.e., Fig. 3A and 3B)이 전체적으로 smooth하게 연속적으로 보이는 값을 임계값으로 결정하였다.

이론/모형

상승 구간 자료 역시 159 개의 패스에서 155개의 패스가 선택되어 두 구간자료에서 총 318 개의 패스를 선별하였다. 위와 같은 과정을 통해 자료처리를 실시하여도 여전히 예측하기 어려운 외부자기장 성분이 존재할 수 있으며 이를 제거하기 위해 파동수 상관 필터링(wavenumber correlation filtering) 방법을 적용하였다(von Frese et al., 1997). 이 방법은 위치적으로 서로 가까운 두 패스 자료를 비교할 수 있도록 같은 수의 자료로 만든 후 이를 푸리에 변환하여 각 패스의 파동수(k) 끼리의 상관계수 (correlation coefficient, CC[k])를 구하여 높은 CC[k] 값들의 파동수 특징만 선택하는 일종의 노치필터(notch filter) 형식이다.

성능/효과

즉, 제한된 지역에 대해 거의 남북으로 진행하는 패스의 측정값의 편차를 경도별로 나열하다 보면 지각 이상값의 공간적 특징상 급격한 변화를 보인다는 것은 외부자기장의 영향으로 인한 시간적 요소가 포함되어있다고 볼 수 있기 때문이다. 하강 구간에서는 총 170개의 패스가 보여지며 이 중 7 개가 표준편차값을 이용한 피팅 곡선에서 1.0 nT 범위 내에서 제외되며 나머지 163 개는 모두 연속적으로 유사한 편차값을 보였다. 상승 구간 자료 역시 159 개의 패스에서 155개의 패스가 선택되어 두 구간자료에서 총 318 개의 패스를 선별하였다.
, 1995), CHAMP 는 궤도별로 비교적 다양한 시간대의 자료가 기록되어 궤도별로 밤시간인 자료들은 안정적인 지각 자기 이상의 특징을 보였다. 이를 보간하여 제작된 지도 Fig. 3C와 3D 에 보는 것처럼 두 지도의 상관계수는 0.98로 무척 높은 유사성을 보였다.
(2) 보하이 만 분지(Bohai Bay basin) 지역은 본 연구에서 얻은 Fig. 3E에서 높은 양의 이상대를 보이지만 MF7 에서는 약한 양의 이상대를 보여 비교가 된다. 이 지역 역시 중생대 중기에서 말기에 두 차례에 걸친 rifting에 의해 생성된 것으로 Yanshanian 조산운동으로 인한 중국 동북지역 전역으로 섭입대 형성에 의한 backarc 확장이 이루어진 것으로 보고 있다(Gilder et al.
7로 매우 유사한 특징을 보이나 지역별로 이상대의 위치와 세기에 차이를 보였다. 전반적으로 지역단위로 제작된 지도가 전지구 모델로 얻은 지도에 비해 좀 더 세분화된 특징을 보이며 지상 부근의 자기이상지도인 EMAG2에서 장파장만을 선택하여 얻은 지도와도 유사성을 보였다. 또한 지도에서 선택된 몇몇 큰 이상대들에 대해 지구조적 및 지질학적 배경들을 기술하였으며 전반적으로 위성 고도에서 동아시아 지역에서의 자기 이상대들은 주로 하부지각과 같은 심부(deep- seated) 지구조 또는 지각두께에서 오는 경계효과로 인해발생된 경우로 알려졌으며 이러한 특징들은 판구조론적 해석에 유용하게 활용될 수 있다.

후속연구

이러한 지각 자기이상적 특징들은 지각 모델링이나 광물 및 암석학적 자료들을 기반으로 보다 세밀한 지질 및지구조적 해석들이 필요하며 구체적인 토의 및 해석은 추후 연구에서 기약하기로 한다.
, 2018). 하지만, 보다 자세한 해석을 위해서는 모델링과 같은 밀도있는 분석이 요구되며 본 연구의 주제에 벗어나 후속 연구들을 기약해본다.

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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].

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