초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
본 사업의 목적인 단층 모니터링 관측소 구축이라는 특성을 고려하여, 부지선정을 위한 평가항목으로 대단층(양산단층, 울산단층) 분포, 동남권에서 발생한 지진, 제 4기 단층, 암종 및 관측소 모니터링 항목 중 하나인 GNSS 위치를 설정하였다. 평가인자에 대한 가중치 선정은 각 평가 항목(지진, 단층, 암종, GNSS)들의 영향이 충분히 반영되고, 각 평가인자들 간에 비중이 맞도록 조정하는 것이 필요하다. 따라서 평가인자별로 서로 다른 가중치를 적용하여 비교 분석하였으며, 최종적으로 동남권 두 주요 단층인 양산

Ⅳ. 연구개발결과
본 사업의 목적인 단층 모니터링 관측소 구축이라는 특성을 고려하여, 부지선정을 위한 평가항목으로 대단층(양산단층, 울산단층) 분포, 동남권에서 발생한 지진, 제 4기 단층, 암종 및 관측소 모니터링 항목 중 하나인 GNSS 위치를 설정하였다. 평가인자에 대한 가중치 선정은 각 평가 항목(지진, 단층, 암종, GNSS)들의 영향이 충분히 반영되고, 각 평가인자들 간에 비중이 맞도록 조정하는 것이 필요하다. 따라서 평가인자별로 서로 다른 가중치를 적용하여 비교 분석하였으며, 최종적으로 동남권 두 주요 단층인 양산단층과 울산단층을 기준으로 세 지역(A, B, C)에서 각각 쌍으로 배치하는 6개 관측소 부지 선정하였다.

시추공 관측소 주변의 지표지질조사와 시추공별 코어 로깅 분석을 통해 관측소 지점 (A1, A2, B1, C2)별 지질학적(층서학적 및 구조지질학적) 특성 조사를 수행하였다. A1 관측소와 A2 관측소는 경주지진의 지진원에서 각각 동편과 서편에 위치한다. A1 관측소에서 회수된 시추코어 샘플은 백악기 퇴적암으로 구성되는 반면, A2 관측소에서 회수된 시추코어는 백악기 퇴적암과 화산암류가 혼재되어 확인된다. B1 관측소는 활성구간으로 알려진 양산단층 벽계구간의 서편에 위치하는데 이 지점에서 회수된 시추코어는 모두 백악기 퇴적암으로 구성된다.
C2 지점은 울산단층 곡부의 서쪽에 위치하며, 이 지점에서 회수된 시추코어는 모두 백악기말 흑운모 화강암류와 이를 관입하는 중성질 암맥이다.

박달리(A2)-노곡리(A1)-제내리(C2) 관측소 일대를 포함하는 지역의 심부 지질구조를 파악하기 위하여 일련의 지구물리탐사(항공전자탐사, 전기비저항탐사, MT탐사)를 수행하고 자료를 해석하였다. 항공전자탐사자료의 역해석 결과에서 뚜렷하게 나타난 저비저항 이상대는 지질도상의 모량단층, 덕천단층, 양산단층으로 해석된다. 약 12 km의 측선에서 취득된 전기비저항 탐사자료의 역해석 결과에서는 다수의 저비저항 이상대가 나타났다. 이중 일부는 모량단층, 덕천단층, 양산단층으로 해석되고, 나머지는 단층 또는 파쇄대의 가능성이 있지만 향후 추가 조사가 필요할 것으로 판단된다. 약 40 km 측선에서 취득된 MT탐사자료의 역해석 결과 나타난 저비저항 이상대는 밀양단층, 모량단층, 덕천/양산단층, 그리고 울산단층으로 추정된다.
측점간 간격이 넓기 때문에 인접한 덕천단층과 양산단층은 뚜렷이 구분되지 않았으며, 울산단층은 지표에서 심부 1 km 깊이까지 동쪽으로 경사진 스러스트 단층(thrust fault)의 특징을 잘 나타내는 것으로 해석된다.

총 3개의 관측소 후보지(A1, A2, C2)에 굴착된 조사 시추공에 대하여 다양한 종목의(시추 공경(caliper)검층, 밀도 검층, 온도 및 EC 검층, 자연 감마(natural gamma) 검층, 감마선 스펙트럼(spectral gamma ray) 검층, 전기비저항 검층, 탄성파 속도 검층, 시추공벽 초음파 영상검층 등) 검층을 수행하고, 추후 모니터링 센서 설치를 위한 대구경 시추공 굴착 설계에 반영하였다.

부지특성화를 위해 4개 지역(A1, A2, B1, C2) 조사시추공에서 수압파쇄법을 이용한 현지 암반 초기응력을 측정하였다. 지역별 현지응력 양상은 지형(산, 평지, 계곡) 및 지질(균열대, 지구조) 특징에 따라 차이를 보여서 A1(노곡리) 지역이 타 3개 지역에 비해 수평응력 크기 및 측압계수가 상대적으로 크게 나타났다.

조사시추공 물리검층 및 수압파쇄시험 등에 의한 상세 특성화로부터 파악된 심부 암반의 암상, 단열 분포 상태 등을 고려하여 심부 복합지구물리 모니터링 시스템 내 시추공 센서설치를 위한 대구경 모니터링 시추공을 굴착하였다. 다양한 지구물리 계측을 목적으로 설치되는 여러 시추공 모니터링 센서들의 사양 및 규격 등을 고려하여 대구경 시추공의 크기를 결정하였으며, 목표 심도까지 안정적인 굴진을 위해 다단 시추 방식을 도입하였다.

대구경 모니터링 시추공의 약 500 m, 1,000 m 심도 지점에 사전 제작한 모니터링 센서 케이싱을 설치하고, 이외 다양한 부자재를 위치와 방향, 작업순서 등에 유의하며 장착했다.
Splicing sub, turnaround sub, 온도압력센서, 센서 케이블 등 케이싱 외벽에 특정 방향으로 돌출되도록 장착되는 센서 및 부자재는 시추공벽 및 케이싱 내벽과의 충돌로 인한 손상을 방지하고자 decentralizer와 함께 부착하였으며, 모니터링 센서 케이싱 주변 구간에서 여러 케이싱간에 해당 방향을 일치시켜 케이싱 스트링 및 센서 케이블의 휘어짐을 방지했다.

심부 모니터링 공 및 네트워크 설계 등을 통해 최적의 복합지구물리 관측소를 3개소 완공하였고 상시 모니터링을 위한 예비 분석을 하였다. 심부 지진계의 경우 자료 품질 관리를 통해 활용도를 높이고 있으며 자료 분석을 통해 시추공 주변 지역 이벤트에 대한 탐지 능력을 확인하였다.

A1, A2 모니터링공의 심도 약 500 m, 1,000 m 위치 케이싱 외벽에 설치된 압력/온도 센서는 신호에 잡음이 다소 포함되어 있지만 지반 내 유체압력과 온도를 안정적으로 측정하였다. 강우량과 지하수유동체계 데이터를 함께 검토한 결과, 계절주기에 의한 압력 변화가 있는 것으로 판단되었다. 압력/온도 센서 설치 전후로 모니터링공 인근에서 규모 2 이하의 미소지진이 다수 발생하였으며, 진원이 모니터링공에 매우 인접한 경우 때때로 500 m 심도에서 측정되는 유체압력에 영향을 줄 수 있는 것으로 분석되었다.

심부 지반의 장기적인 변형률(응력) 변화를 모니터링하기 위한 목적으로, 시추공 내에 FBG (Fiber Bragg grating) 변형률 센서를 설치하여 측정결과를 상시 모니터링 중이다. 현장설치 전에 다양한 실내 실험과 수치해석을 수행하여 센서 측정치의 신뢰도 확인을 위해 노력하였으며, 현재까지 설치 및 측정이 진행된 A1, A2, C2 시추공의 경우, 안정화 단계인 것으로 추측된다. 장기적인 모니터링을 통해 지각의 움직임을 확인하고 이를 통해 지진발생 가능성 예측 연구에 활용하고자 한다.

DTS 를 이용하면 하나의 광섬유로 수십 km 구간에 대해 최소 0.5 m 간격으로 온도 정보 측정이 가능하다. 복합지구물리 관측소 3개공에 대하여 모니터링공 완결과정에서 시멘트 큐어링 모니터링과 지진 전 후 모니터링공의 온도 변화를 측정하기 위해 DTS를 설치하여 자료를 획득하고 분석하였다.

데이터 포맷 표준화 소프트웨어(다양한 지진계/비지진계 장비 데이터 miniSEED 변환)와 대시보드 소프트웨어(원격지 지진계/비지진계 장비들의 효율적 유지보수)를 개발하고, 개발된 소프트웨어 및 데이터 서버 운용/최적화를 통하여 심부 복합지구물리 데이터 통합 관리 시스템의 안정성과 데이터 자체의 무결성을 확보하였다.

지진 단층면해 자료와 수압파쇄 응력측정 자료를 통해 한반도 현생 심부 및 천부 지각 응력장을 특성화하고, 응력 규명 방법과 대상 깊이에 따른 응력장의 유사성과 차별성을 도출하여 그 원인을 규명하였다. 이와 더불어 한반도 동남권의 제4기와 현생에 걸친 지구조 응력장 진화를 규명하여 변화된 응력장 하에서 제4기 단층들의 안정성 변화를 유추하였다. 한반도 동남권 시추공에서 감지된 압축파쇄대의 특성을 분석하여 균열/단층 등의 취성 지질구조에 의한 지구조 응력 교란 현상을 분석하였다.

3차원 입자결합모델을 사용한 수리-역학적연계 모델링기법을 개발하고 스위스 Mt. Terri URL에서 수행한 단층내 유체주입 현장실험을 모사하여 개발한 코드를 검증하였다. 또한, 입자결합모델을 사용하여 동남권역 단층지질모델을 생성, 단층동적파열 모델링을 개발하여 동남권역 가상의 지진발생 시나리오를 통해 지진 발생으로 인한 국부적 현지응력 변화의 지역적 분포를 예측하는 수치해석기법을 개발하였다.

단층 거동을 평가하기 위하여 이축 압축 장치를 이용한 축소모형 실험을 수행하였다.
단층 축소모형 실험은 기본적인 단층 모형과 한반도 동남권 지역의 단층 모형을 고려한 두 가지 모형에 대하여 수행하였다. 시험 결과, 각 단층 모델의 파괴 응력조건을 도출하였다. 또한 각 모델에 대한 균열 하중과 파괴 하중을 측정하였고, 동남권 지역의 주요 단층인 양산/울산단층에 대하여 다양한 하중 조건에 따른 단층 파괴를 유발하는 응력 조건을 규명하였다.

(출처 : 요약문 6p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results of the Work
Considering the nature of the fault monitoring project site selection,, as evaluation items, large faults (Yangsan and Ulsan faults), earthquakes in the southeast region, quaternary faults, rock types, and GNSS location, were set. In determining the weights for the evaluati

Ⅳ. Results of the Work
Considering the nature of the fault monitoring project site selection,, as evaluation items, large faults (Yangsan and Ulsan faults), earthquakes in the southeast region, quaternary faults, rock types, and GNSS location, were set. In determining the weights for the evaluation factors, the influence of each evaluation item (earthquake, fault, carcinoma, GNSS) is sufficiently reflected and it is necessary to adjust the weights between each evaluation factor to match. Therefore, different weights were applied to each evaluation factor for comparison and analysis, and finally, six observatories were selected with three regions (A, B, C) arranged in pairs based on the Yangsan and Ulsan faults, two major faults in the southeast region.

We carried out geological investigations (stratigraphic and structural observations) of each station (A1, A2, B1, C2) based on detailed field work and borehole logging of core samples. A1 and A2 stations are situated in the east and west of the 2016 Gyeongju earthquake epicenter, respectively. The borehole sample of A1 station consists of the Cretaceous sedimentary rocks, whereas the borehole sample of A2 station is composed of the Cretaceous sedimentary rocks and volcanic rocks. B1 station is located in the west of the Byeockgye section of Yangsan Fault, which is a well-known active part of the fault. The borehole sample of B1 is mostly composed of the Cretaceous sedimentary rocks. C2 station is located in the west of the valley of Ulsan Fault. The retrieved borehole sample is mainly composed of the Late Cretaceous biotite granite and some intermediate dikes.

In order to delineate the deep electrical resistivity distribution of the area including the Bakdal-ri (A2), Nogok-ri (A1), and Jene-ri (C2) stations, an airborne electromagnetic (AEM) survey, an electrical resistivity survey, and a magnetotelluric (MT) survey were performed and the data were interpreted. The low resistivity anomalies clearly shown in the inversion results of the AEM data are interpreted as the Moryang fault, the Deokcheon fault, and the Yangsan fault on the geological map. Low resistivity anomalies are founded in the inversion results of the DC resistivity data obtained from the 12 km lateral line. Some are interpreted as the Moryang fault, the Deokcheon fault, and the Yangsan fault, the others have the possibility of fault or fracture zones, but further investigation is necessary. The low resistivity anomalies appeared in the inversion results of the MT data acquired from the 12 km lateral line are estimated to be the Miryang fault, the Moryang fault, the Deokcheon/Yangsan fault, and the Ulsan Fault. The Deokcheon fault and Yangsan fault were not clearly distinguished due to the wide interval between the stations, and the Ulsan fault is interpreted as showing the characteristics of the thrust fault, which is dipping eastward from the surface to a depth of 1 km.

Various wireline loggings were performed, which include caliper, density, temperature, EC, natural gamma, spectral gamma ray logging, electrical resistivity, full waveform sonic, and acoustic televiewer logging for the survey boreholes drilled at a total of three candidate sites (A1, A2, and C2). The results were reflected in the design of large-diameter borehole for the installation of monitoring sensors in the future.

For site characterization, the initial stress of the local bedrock was measured using the hydraulic fracturing method in the investigation boreholes in four regions (A1, A2, B1, C2). The local stress pattern by region showed differences according to the topography (mountain, flatland, valley) and geology (crack zone, tectonic structure), and the horizontal stress magnitude and lateral pressure coefficient were relatively larger in region A-1 than in the other three regions.

A large-diameter monitoring borehole was drilled for the installation of a borehole sensor in consideration of the rock phase and adiabatic distribution state of the deep bedrock identified from detailed characterization by wireline logging of the investigation borehole and hydraulic fracturing test. The size of the large-diameter borehole was determined in consideration of the size and specifications of various borehole monitoring sensors installed for the purpose of various geophysical measurements, and a two-stage borehole diameter was introduced for stable drilling to the target depth.

A prebuilt monitoring sensor casings were installed at depths of about 500 m and 1,000 m of the large-diameter monitoring borehole, and various auxiliary materials were installed with paying attention to the location, direction, and work order. The decentralizers were used to prevent damage from collisions between sensor and auxiliary materials that are mounted to protrude in a specific direction from the outer wall of the casing, such as splicing sub, turnaround sub, temperature pressure sensor, and sensor cable and the borehole wall. In the section around the monitoring sensor casing, the corresponding directions were matched between several casings to prevent bending of the casing string and sensor cable.

Three optimal integrated geophysical monitoring systems were completed through deep monitoring hole and network design, and preliminary analysis was performed for constant monitoring. In the case of the deep seismometer, the utilization is increased through data quality control, and the detection ability of the event in the area around the borehole is confirmed through data analysis.

The pressure/temperature sensors installed on the outer wall of the casing at depths of about 500 m and 1,000 m in the A1 and A2 monitoring holes provide the fluid pressure and temperature in the ground constantly, although the signal contained some noise. As a result of reviewing PT sensor data with the rainfall and groundwater flow system data altogether, there found a change in pressure due to the seasonal cycle. A number of micro-earthquakes of magnitude 2 or less occurred near the monitoring hole before and after the PT sensor was installed. If the seismic source was very close to the monitoring hole, the earthquake could possibly sometimes affect the fluid pressure measured at a depth of 500 m.

For the purpose of monitoring long-term changes in strain/stress in the deep rock, FBG strain sensors are installed in the borehole to monitor the measurement results at all times. Various laboratory tests and numerical analysis were performed prior to on-site installation to confirm the reliability of sensor measurements. In the case of A1, A2, and C2 boreholes that have been installed and measured so far, it is assumed that they are in the stabilization stage. We intend to check the movement of the crust through long-term monitoring and use it in research of predicting the possibility of earthquakes.

It is possible to measure temperature information at least 0.5 m intervals for several tens of km with one optical fiber using the distributed temperature sensing (DTS) technique. For the three integrated geophysical monitoring systems, data were acquired and analyzed by installing a DTS to monitor the cement curing and measure the temperature change of the monitoring boreholes before and after the earthquake during the completion of the monitoring construction.

We have also developed a data format standardization software (conversion of various seismometer/ non-seismometer equipment data miniSEED) and dashboard software (efficient maintenance of remote seismometer/non-seismometer equipment) and integrated deep complex geophysics data through operation/optimization of development software and data server. The stability of the management system and the integrity of the data itself were secured.

Existing deep and shallow tectonic stress fields in the Korean peninsula were characterized through earthquake fault elevation data and hydraulic fracturing stress measurement data, and the cause was identified by deriving similarities and differences in stress fields according to stress identification methods and target depths. In addition, the evolution of the tectonic stress field over the Quaternary period and present life in the southeastern region of the Korean Peninsula was investigated, and the stability change of the Quaternary Fault was inferred under the changed stress field. The tectonic stress disturbance caused by brittle geological structures such as cracks/faults was analyzed by analyzing the characteristics of the compression fracture zone detected in the borehole in the southeastern region of the Korean Peninsula.

A hydraulic-mechanical linkage modeling technique using a three-dimensional particle binding model was developed and the developed code was verified by simulating the field experiment of fluid injection in the fault conducted at Mt. Terri URL. And we have created a fault geological model in the southeast region using a particle coupling model, and by devising a fault dynamic rupture model, finally developed a numerical analysis technique to predict the regional distribution of local stress changes due to an earthquake through a hypothetical earthquake occurrence scenario in the southeast region.

To evaluate the tomographic behavior, a scale model experiment using a biaxial compression device was performed. The fault reduction model experiment was performed on two models that considered the basic fault model and the fault model of the southeastern region of the Korean Peninsula. As a result of the test, the fracture stress conditions of each fault model were derived. In addition, the crack load and fracture load for each model were measured, and the stress conditions that induce failure of the fault according to various load conditions for the Yangsan/Ulsan fault, which are major faults in the southeastern region, were investigated.

(source : SUMMARY 11p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요약 ... 5
• 요 약 문 ... 6
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 15
• 목차 ... 17
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 19
• 1. 연구개발의 목적 ... 19
• 2. 연구개발의 필요성 ... 19
• 제2절 연구개발 범위 ... 22
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 24
• 제1절 심부 단층거동 모니터링 현황 ... 24
• 제2절 심부 단층거동 모니터링 관련 특허 현황 ... 38
• 1. 기술개발 분야 특허 동향 ... 38
• 2. 국가별 특허 동향 ... 38
• 3. 기술별 동향 ... 39
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 40
• 제1절 관측소 부지 선정 및 특성화 ... 40
• 1. 관측소 부지 선정 ... 40
• 2. 부지특성화 ... 51
• 제2절 심부 복합지구물리 모니터링 관측소 구축 ... 104
• 1. 모니터링용 대구경 시추공 굴착 ... 104
• 2. 복합지구물리 모니터링 센서 설치 및 시추공 완결 ... 111
• 제3절 예비 상시 모니터링 자료 분석 ... 128
• 1. 미소지진 모니터링 자료 분석 ... 128
• 2. 시추공 압력/온도 모니터링 자료 분석 ... 137
• 3. 시추공 변형률 모니터링 자료 분석 ... 149
• 4. 분포형 광섬유 온도 모니터링 자료 분석 ... 157
• 제4절 심부 복합지구물리 관측 네트워크 설계 ... 165
• 1. 복합 관측자료 데이터베이스 구현 ... 165
• 2. 시험 운영을 통한 모니터링 자료 통합 관리 소프트웨어 개선/최적화 ... 170
• 제5절 위탁과제 ... 174
• 1. 지진자료와 응력측정 자료 분석을 통한 한반도 지각응력장 특성화 기술 개발 (충남대학교, 2018-2021) ... 174
• 2. 개별요소모델 기반 열-수리-동역학적 상호작용 시뮬레이터 개발 (DynaFrax, 2018-2019) ... 193
• 3. 단층 거동 축소모형 실험(청주대학교, 2020-2021) ... 206
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 238
• 제1절 목표달성도 ... 238
• 1. 최종 연구목표의 달성도 ... 238
• 2. 목표설정 근거 및 평가방법 ... 238
• 제2절 관련분야에의 기여도 ... 239
• 1. 기술적 측면 ... 239
• 2. 경제·산업적 측면 ... 239
• 3. 정책적 측면 ... 239
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 240
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 241
• 제7장 참고문헌 ... 244
• 끝페이지 ... 250