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문제 정의
- 이 연구에서는 의성소분지 내에 존재하는 화산칼데라 지역에서 조밀한 중력탐사와 자기 지전류 (magnetotelluric, MT) 탐사를 수행하여 밀도 구조와 전기비저항 구조를 연구하고 두 물성간의 상관관계를 분석하여 지질 구조와의 연관성을 살펴보는 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 각 지질 구조를 분류할 수 있는 Structure Index 기법을 개발, 밀도와 전기비저항의 물성 값을 이용하여 이를 계산하고 지질구조별 특성을 고려하여 해석 하였다.
- 이 연구에서는 이종의 물성을 갖는 복합 지구물리 자료의 객관적인 해석을 위하여 Structure Index 기법을 제안하고 이를 이용하여 해석을 수행하였다. 이는 이종 물성의 분포도를 이용하여 Type Angle과 Type Intensity로 결정 된다.
제안 방법
- 1) 각각의 해석을 통해 획득된 물성치를 공간분포를 반영하여 임의의 지점에서의 자료값을 추정하는 kriging 기법을 수행, 동일한 공간 그리드 상에서의 물성치를 획득한다(Fig. 5).
- 3) 산포도 상에서 각 위치가 분포하는 위치를 Four-quadrant inverse tangent를 이용하여 계산된 Type Angle과 원점에서 떨어진 거리를 이용하여 구해진 Type Intensity를 통해 결정한다.
- 5) 각 class들이 갖는 물리적 의미를 고려하여 암종을 결정하고 각 class의 공간 분포도를 작성 하여 지질 구조의 공간적 특성을 해석한다(Fig. 7과 Fig. 8).
- 3). 또한, 이 연구에서는 화산 칼데라 지역을 중심으로 방사성 방향으로 설정된 총 27개 측점에서 MT 탐사를 수행하였다(Fig. 2). 사용된 탐사 장비는 한국지질자원연구원이 보유하고 있는 캐나다 Phoenix사의 MTU-5A 시스템이며, 인공잡음의 영향을 최소화하고자 오후 5시부터 익일 오전 8 시까지 총 15시간을 측정하였고, 측정 주파수 대역은 320-0.
- 이 연구에서는 화산칼데라와 금성산 칼데라 일대에 걸쳐 약 1×1 km의 격자 형태로 510개의 중력 측정을 수행하였다(Fig. 2).
- 이 연구에서는 의성소분지 내에 존재하는 화산칼데라 지역에서 조밀한 중력탐사와 자기 지전류 (magnetotelluric, MT) 탐사를 수행하여 밀도 구조와 전기비저항 구조를 연구하고 두 물성간의 상관관계를 분석하여 지질 구조와의 연관성을 살펴보는 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 각 지질 구조를 분류할 수 있는 Structure Index 기법을 개발, 밀도와 전기비저항의 물성 값을 이용하여 이를 계산하고 지질구조별 특성을 고려하여 해석 하였다.
- 제안된 Structure Index 기법의 효용성을 살펴보기 위하여 이 연구에서는 최대한 조밀한 구간으로 class를 나누어 해석을 수행하였다. 각 class에 해당하는 구조의 물성 범위는 위의 Table.
- 중력자료는 위도보정, 조력보정, 계기보정, 망보정, 후리에어보정, 부게보정, 지형보정을 처리하여 지질 구조에 의한 중력효과만을 추출 해석에 사용하였다. 중력 자료의 3차원 해석을 위하여 3차원 중력 밀도 역산을 수행하였다 (Fig. 3). 또한, 이 연구에서는 화산 칼데라 지역을 중심으로 방사성 방향으로 설정된 총 27개 측점에서 MT 탐사를 수행하였다(Fig.
- 2). 중력자료는 위도보정, 조력보정, 계기보정, 망보정, 후리에어보정, 부게보정, 지형보정을 처리하여 지질 구조에 의한 중력효과만을 추출 해석에 사용하였다. 중력 자료의 3차원 해석을 위하여 3차원 중력 밀도 역산을 수행하였다 (Fig.
대상 데이터
- 2). 사용된 탐사 장비는 한국지질자원연구원이 보유하고 있는 캐나다 Phoenix사의 MTU-5A 시스템이며, 인공잡음의 영향을 최소화하고자 오후 5시부터 익일 오전 8 시까지 총 15시간을 측정하였고, 측정 주파수 대역은 320-0.001 Hz이다. 측정 채널은 총 5채널로 서, 두 채널의 수평 전기장 성분(남북 x, 동서 y) 과 세 채널의 자기장 성분(남북 x, 동서 y, 수직 z)을 측정하였다.
- 2). 한편, 측점주변에 존재하는 잡음의 영향을 최소화하고자 원거리 기준점 기법이 사용되었는데, 본 연구에서 이용한 원거리 기준점은 측점으로부터 약 1000 km 이상 떨어진 일본 에사시의 고정 MT 관측소이다. MT 자료의 3차원 해석을 위하여 2-D data space Occam's inversion (Siripunvaraporn and Egbert, 2000)을 확장한 WSINV3DMT code (Siripunvaraporn et al.
이론/모형
- MT 자료의 3차원 해석을 위하여 2-D data space Occam's inversion (Siripunvaraporn and Egbert, 2000)을 확장한 WSINV3DMT code (Siripunvaraporn et al., 2005)를 이용하여 3차원 역산을 수행하였다(Fig. 4).
- 1) 각각의 독립 역산 결과는 서로 다른 물성을 통해 구현된 모델이지만, 같은 지질구조를 타당성 있게 지시하며, 2) 각각의 역산 결과는 지시하는 지질구조가 변화함에 따라 상호 상관성을 갖고 물성의 변화를 나타내고, 3) 비슷한 해석 심도를 갖는다. 이러한 가정 하에서 본 연구에서는 다음과 같은 Structure Index 기법을 제안하고 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 첫 번재 구조에서 팔공산 화강암과 퇴적층이 구분되지 않은 이유는 팔공산 화강암과 퇴적층이 전기비저항 측면에서 차별성을 나타낼 수 있으나 팔공산 화강암 지역에서 MT 탐사가 이루어지지 않았기 때문에 저밀도의 두 구조가 중력 결과에서 구분되지 않기 때문이다. 두 번째 구조인 화성암 관입암들의 효과는 상대적으로 고밀도와 고비저항값을 갖으며, 세 번째 구조인 상부 기반암은 고밀도와 상대적으로 낮은 비저항값을 갖기 때문에 하나의 class에 의해서 용이하게 구분 되어 질 수 있었다. 또한, class 1은 MT 측점이 거의 존재하지 않는 지역에서 광범위하게 나타나고 있는 오해석 결과이다.
- 첫 번째로, 화산칼데라의 환상단층대를 따라 분포하고 있는 고밀도, 고비저항의 화성암 관입체와 화산칼데라 중앙 상부에 약 1 km 심도로 분포하고 있는 화산쇄설성 퇴적층의 공간 분포가 해석되었다. 또한, 상대적으로 전기비저항이 낮고 밀도가 높은 하부 기반 암이 약 5 km 부근에서 나타남을 확인하였다.
- 또한, 이는 국부지역의 정밀 재해 석의 기본 자료로 이용될 수 있다. 이 연구에서 제안한 Structure Index 방법은 벡터로 결정되기 때문에 선형대수적으로 확장성이 좋다. 따라서 두개 이상의 여러 복합지구물리 탐사가 수행되었을 경우에도 효과적으로 복합 해석이 이루어질 수 있는 장점을 갖으며, 향후 동일 지역에서 이루어진 다양한 물리탐사 자료를 객관적이며 효과적으로 데이타베이스화 하고 지하 모델을 영상화하는데 효과적으로 응용될 수 있을 것이다.
- 이는 이종 물성의 분포도를 이용하여 Type Angle과 Type Intensity로 결정 된다. 이를 이용하면 독립된 물리탐사 해석 결과에서는 유사한 물성치를 나타내어 구분하기 어려운 구조를 이종의 물성치를 이용하여 구조적으로 구분하여 해석할 수 있으며, 그 구조에서의 반응 특성인 물성의 변화양상, 분포 등을 객관적으로 해석할 수 있다. 또한, 이는 국부지역의 정밀 재해 석의 기본 자료로 이용될 수 있다.
- 이번 연구의 중력 자료와 MT 자료를 통해 해석된 화산 칼데라 지역의 지하구조는 지표 지질 및 기존의 중력, 자력 탐사를 통해 제시된 광역 지하구조와 상당히 잘 부합하고 있다. 첫 번째로, 화산칼데라의 환상단층대를 따라 분포하고 있는 고밀도, 고비저항의 화성암 관입체와 화산칼데라 중앙 상부에 약 1 km 심도로 분포하고 있는 화산쇄설성 퇴적층의 공간 분포가 해석되었다.
- 이번 연구의 중력 자료와 MT 자료를 통해 해석된 화산 칼데라 지역의 지하구조는 지표 지질 및 기존의 중력, 자력 탐사를 통해 제시된 광역 지하구조와 상당히 잘 부합하고 있다. 첫 번째로, 화산칼데라의 환상단층대를 따라 분포하고 있는 고밀도, 고비저항의 화성암 관입체와 화산칼데라 중앙 상부에 약 1 km 심도로 분포하고 있는 화산쇄설성 퇴적층의 공간 분포가 해석되었다. 또한, 상대적으로 전기비저항이 낮고 밀도가 높은 하부 기반 암이 약 5 km 부근에서 나타남을 확인하였다.
후속연구
- 이 연구에서 제안한 Structure Index 방법은 벡터로 결정되기 때문에 선형대수적으로 확장성이 좋다. 따라서 두개 이상의 여러 복합지구물리 탐사가 수행되었을 경우에도 효과적으로 복합 해석이 이루어질 수 있는 장점을 갖으며, 향후 동일 지역에서 이루어진 다양한 물리탐사 자료를 객관적이며 효과적으로 데이타베이스화 하고 지하 모델을 영상화하는데 효과적으로 응용될 수 있을 것이다.
- 또한 한반도에 분포하는 칼데라의 대부분은 현재 상부가 심한 침식을 받아 칼데라의 윤곽을 확인하기 쉽지 않고, 형성 당시의 특성들이 많이 유실되어 종합적이고도 정밀한 탐사가 필수적이다. 따라서 이러한 기존 연구의 한계성을 해결하기 위해서는 통합적 복합지 구물리 해석 기법의 개발이 필수적이며, 특정한 물성 차이에만 반응하는 지구물리기법의 한계로 인하여 필요한 정보를 제공하지 못하는 약점을 극복할 수 있을 것이다.
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