Research Article

The Journal of Engineering Geology. 31 December 2021. 603-620
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.4.603

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 육상노달 시스템 및 자료수집

  • 자료처리 체계

  • 공통음원 모음자료에 나타난 각종 이벤트의 패턴 특징

  • 서로 평행한 송신-수신 측선에 대한 주시곡선의 유도

  • 송수신 측선간의 거리에 따른 지연시간 보정

  • 최소 횡단-오프셋 단면 및 최종 단면

  • 지질학 자료와의 상관 해석

  • 결 론

서 론

국내 연안 지역에서의 고분해능 탄성파 탐사(high-resolution seismic survey)는 주로 동해 연안의 지각변형을 이해하고 지진활동과 관련된 단층을 규명하는데 중점을 두었다(Jung et al., 1999; Kim, 2003; Lee et al., 2004). 특히 단층 시스템의 육해상 연결 작용은 지진재해의 위험도 평가에서 매우 중요하지만, 그동안 육상 탐사와 해양 탐사에서 각각 독립적으로 취득한 자료를 처리하여 해석할 경우 경계부근의 반사점 공백으로 인한 불연속적인 지하 커버리지. 반사 이벤트의 서로 다른 파장과 분해능으로 인한 반사면의 연장성 문제가 수반되었다.

이와 같은 문제점은 탐사 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어의 발달에 힘입어 육해상 경계 지역을 하나의 측선 단위로 조사하는 “전이대(transition zone)에 대한 탐사기법”의 개발로 극복되어, 최근에는 3차원 탐사까지 확장된 개념으로 활용되고 있다(Zhu et al., 2012; Katou et al., 2018). 예를 들어 육상의 무선 케이블/바이브로사이스 시스템과 해상의 해저면 케이블(ocean bottom cable, OBC)/에어건 시스템을 사용한 연안지역의 자원환경탐사(Auoad et al., 2012) 및 육상의 지오폰/다이너마이트 시스템과 해상의 해저면 케이블(OBC)/에어건 시스템의 상호교차 송수신을 이용한 산사태 지역에 대한 조사(Stucchi et al., 2005)를 들 수 있다.

연안지역의 지질재해 요소를 파악하기 위한 천부 고분해능 탐사뿐만 아니라 또한 심부 해저 지질구조 조사에서도 일반적으로 수반되는 장거리 측선의 운용으로 인해 전이대를 하나의 측선단위로 하는 탐사의 필요성이 제기된다. 또한 인구가 밀집된 해안 도심지의 경우 탐사지역과 목적에 따라 개발된 탐사기법을 저류층조사(Freed, 2009), 활성단층 조사(Liberty, 2010) 등에 활용한바 있지만 일반적으로 송신 환경(발파 소음, 도시 잡음 등)의 문제가 수반되기 때문에 해상에서 송신하고 육상에서 수신하는 전이대 탐사 시스템이 효과적일 것이다.

전이대 탐사의 어려운 점은 서로 다른 에너지원(다이너마이트, 바이브로사이스, 에어건)과 수신기(지오폰, 하이드로폰, OBC)를 사용함으로서 생기는 서로 특성이 다른 자료의 통합, 특히 도심지의 경우 각종 환경 잡음과 도로와 건물 등의 탐사 장애물로 인해 수신 케이블의 운용이 힘들다는 점이다. 이를 보완할 수 있는 기술로서 무선 자료취득(cable-free data acquisition) 장비를 시용하는 육상-노달(land-nodal) 시스템을 운영할 수 있다(Freed, 2008; Lee et al., 2016; Tim and Denis, 2019).

이 연구에서는 경북 포항에 위치한 형산강 하구를 테스트 지역으로 선정하여 내륙에 위치한 수륙 전이대에 대한 탄성파반사법 탐사의 적용 효과를 자료수집과 자료처리 관점에서 살피고자 한다. 이 지역은 포항 도심지의 도로, 교통, 하천 등의 다양한 탐사 장애물이 상존하여 유무선-융합 탄성파탐사 기법의 적용에 대한 시험지역으로 적합하며, 특히 2017년 국내에서 육상 천부가스전이 발견된 곳으로부터 1.6 km 떨어진 지역으로 차후 천부가스전에 대한 탄성파반사법 자료의 특성 평가에 좋은 시험장이 될 것이다.

이 연구에서는 전이대에 대한 일반적으로 송수신이 같은 측선에서 수행되는 일렬측선 탐사(in-line survey)와 달리, 수륙 경계지역에 대한 자료의 특성을 비교적 손쉽게 파악하기 위해 강에서 에어건 발파를 하며 하상에 설치된 육상-노달 시스템으로 수신하는 평행측선(parallel-line)을 운용하여 자료를 수집하였다. 이와 같은 전개방식은 하천 주위 교량의 안정성을 평가하기 위해 Kim et al.(2001)이 천부 육상 잡음을 효과적으로 완화시켜 높은 S/N을 얻기 위해 인위적으로 만든 트렌치(trench)에 유입된 하천수에 하이드로폰 수신측선을 설정하는 고분해능 탄성파탐사법과 같은 개념이다.

자료처리에서는 수륙전파와 평행 측선으로 인한 직접파, 음파, Scholte 표면파, 반사파 등을 송수신이 같은 측선에서 운용되는 일반적인 측선에서 수집되는 자료와 비교하여 그 특성을 분석하고 천부잡음의 제거에 중점을 두었다. 또한 수신기와 송신원 사이의 횡단거리에 따른 시간지연 보정을 수행하여 그 효과를 중합전 자료(prestack data), 즉 공통음원 모음자료(common shot gather)와 최소 횡단-오프셋 단면(minimum cross-offset section)에서 살펴보았다.

육상노달 시스템 및 자료수집

육상 노달 탄성파 시스템(land-nodal seismic survey system)은 크게 중앙제어 장치, 송신부, 무선 수진기 부분으로 구성된다(Fig. 1). 중앙제어 장치 부분은 탐사측선 좌표, 무선 수진기 위치, 송신원 위치 등 탐사설계 변수를 결정하고 송신음원을 제어한다. 송신부는 송신신호를 보낼 때 GPS(global positioning system) 시간을 기록하며 무선 수신기 부분은 탄성파 신호를 기록한다(Lee et al., 2016).

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Fig. 1.

Land nodal seismic survey system consisting of control center (server), shooting point (encoder/decoder), and nodal receivers (after Lee et al., 2016).

육상 노달 시스템을 이용한 이 연구에서의 자료취득 과정은 일반적인 탐사환경에서처럼 탐사지역의 지질 및 주변 환경을 고려한 측선설계, 탐사 대상체의 심도를 고려한 음원 선택, 수진기 간격의 설정, 취득 자료의 신호향상 기법의 선택으로 이어진다. 특히 포항분지 천부가스 저류층을 확인하기 위한 탐사를 도심지에서 수행하는 관계로 측선설계, 수진기 설치, 음원 송신문제 등에서 더 많은 제약이 있다는 점을 고려하여, 이 연구에서는 이와 같은 제한 조건을 극복할 수 있는 방안으로 도심을 통과하는 강에서 기동성 있게 효과적으로 수행할 수 있는 탐사기법을 고안하여 운용하였다.

현장에서 하구의 수심과 폭 등을 파악한 후 부피용량 50 in3의 소형 에어건(Teledyne Marine사의 2800LLX)(Fig. 2a, Table 1)을 음원으로 사용하여 발생한 탄성파 신호를 하상(river-bank)에 설치된 무선 수진기(cable-free receiver)로 기록하였다. 2.5~3 노트(1 kn = 1.85 km/h)의 속도로 견인되는 소형 선박에 고정시켜 약 1 m의 수심으로 유지되는 에어건의 신호를 5 m 간격으로 총 37회 송신하였다(Fig. 2b). 수진기는 하상에서 5 m 간격으로 총 135개를 설치하여 약 650 m의 측선거리를 충분히 확보하였으며, 대상 심도 및 분해능을 고려하여 기록시간은 5 s, 샘플간격은 1 ms로 설정하였다(Table 2).

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Fig. 2.

(a) Mini airgun used in this study. (b) Instance of air release.

Table 1.

Equipment specifications for the LONG-LIFE 2800 LLX airgun (teledynemarine.com)

Specifications Remarks
Maximum pressure 2,000 psi
Manufacturer Teledyne Bolt Tech.
Output volume 5~120 in3
Frequency 50~200 Hz
Table 2.

Field acquisition parameters

Parameters Remarks
Shot interval 5 m
Number of shots 37
Receiver interval 5 m
Number of receivers 135
Airgun source 50 in3 / 20~2,000 Hz
Sampling rate 1 ms
Record length 5 s
Near offset 122 m

노달 시스템을 사용하기 위해서는 측선설계에서부터 공통음원 모음자료(common shot gather)의 구성까지 여러 단계의 작업이 요구되는데(Fig. 3) 우선 탐사측선을 결정한 후 수진기 위치를 SPS(shell processing support) 파일형식으로 저장한다. 자료취득 현장에서 지도상 좌표에 해당하는 위치에 탄성파 무선 수진기를 설치하고 음원 송신을 시작한다. 이에 앞서 송신음원을 선택하고 음원의 간격과 깊이, 수진기의 간격 및 샘플간격과 기록시간을 설정한다. 에어건 폭발 순간에 해당하는 GPS 시간을 기록하고 현장 자료취득을 마친 후 모든 무선 수진기에 기록된 신호음을 유선통신망을 이용하여 전송한다. 전송된 자료에서 송신음원 GPS 시간부터 사전에 설정된 기록시간까지 기록자료를 추출하여 공통음원 모음자료를 구성한다.

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Fig. 3.

Flow chart for operating a land nodal airgun seismic system (after Lee et al., 2016).

연구지역인 경상북도 포항시 형산강 하구에서 수행한 탐사(Fig. 4a)에서 파란색 점선은 무선 수진기 위치, 붉은색 점선은 에어건의 위치 그리고 노란색 화살표는 탐사 방향을 각각 나타내며 수진기는 강가에서 약 20 m 떨어진 하상에 5 m 간격으로 설치하였다. 하상에 설정된 수신 측선과 평행으로 운용되는 측선의 송신간격은 5 m 간격으로 유지하도록 설계하였으나 강 연안의 물살 등으로 부분적으로 큰 공백이 수반되었다(Fig. 4b). 결과적으로 각 음원에 가장 가까운 트레이스(nearest trace)들의 횡단 오프셋(cross offset) 거리는 126~141 m의 범위에서 음원에 따라 각각 달라진다.

탐사측선의 모식도(Fig. 4c)에서 첫 번째 음원(No. 1014)과 수진기와의 최소거리와 최대거리는 각각 126 m와 596 m로서 이들은 각각 음원과 마주보는 20번째 수진기와 마지막 135번째 수진기에 해당된다. 참고로 모든 공통음원 모음을 대상으로 할 때 음원-수진기의 최소거리는 122 m, 최대거리는 793 m로 나타났다.

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Fig. 4.

(a) Study site at the transition zone of the Hyeongsan River showing the receivers at the riverbank (blue squares), airgun sources in the water (red squares), and survey direction (yellow arrow). (b) Sketch diagram of the source and receiver track, with 5 m-spaced receivers located ~20 m away from the river. (c) Plan view of source S1 (1014) and receivers R1 (1001), R20 (1020), and R135 (1135).

자료처리 체계

육상 탄성파탐사 자료는 해양탐사 자료에 비해 오랫동안의 지각구조 동력작용으로 층서의 교란이 심해 낮은 신호대 잡음(signal-to-noise ratio, S/N)을 보인다. 이러한 이유로 수평층이 결여되어 여러방향으로 산란되는 반사에너지로 인해 반사 이벤트가 불연속적으로 나타난다. 따라서 주행하면서 파의 위상변화(phase change)가 많이 일어나 이에 대한 자료처리는 정확한 정보정(statics), 정교한 중합(stacking), 각종 천부잡음을 제거하는 신호강화(signal enhancement)에 중점을 두어야한다(Mair and Green, 1981; Kim et al., 1994, 2001).

수륙 경계에서 육상노달-해상 에어건 시스템을 이용하여 서로 평행한 송수신 측선에 대한 2차원 탐사 자료수집은 국내외적으로 지금까지 없었다. 강과 육지를 전파하여 수집된 자료들은 송수신이 같은 측선 상에서 이루어지는 일반적인 자료와 많은 차이를 보인다. 따라서 자료처리는 상업용 소프트웨어 VISTA(2017)외에 수륙전파에 따른 시간지연 보정 등을 위한 별도의 프로그래밍 작업으로 수행하였다. 자료처리에 앞서 교통 등 주변의 잡음을 제거하기 위한 띠통과 필터링(bandpass filtering) 과정에서 예외적으로 크게 부각되는 쌍곡선 이벤트들의 성격을 자세히 파악하였다. 또한 일반적인 2차원 탐사와 달리 서로 평행한 송수신 측선으로 인해 전통적인 영 오프셋(zero offset)과 대비되어 생기는 최소 횡단-오프셋(minimum cross- offset) 개념을 살펴보았다.

자료처리의 주된 방향은 육상 지각의 작은 S/N을 강화하고 송수신 측선사이의 횡단오프셋으로 인한 시간지연을 보정하고 각 음원에 가장 가까운 수륙전파에 따른 최소 횡단-오프셋 자료(minimum cross-offset gather)를 살펴보고 보정 전후의 단면도를 비교하였다(Fig. 5). 또한 물과 육지 경계면에서의 반사파 거동에 대한 알고리즘이 정립되지 않은 관계로 이 연구에서는 매질에 의한 파선의 왜곡이 거의 없는 직접파와 음파를 지시자로 사용하여 시간지연을 보정하고자 한다. 따라서 하나의 발파점 모음자료를 테스트 자료로 선택하여 송수신기 위치에 따른 시간지연을 계산하고 그 효과를 최소 횡단-오프셋 자료에서 알아보고 각 송신점에 해당하는 지연시간들을 개괄 단면도(brute stack)에 적용하여 최종 단면도(final section)를 작성하였다.

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Fig. 5.

Processing flowchart used for imaging the shallow reflections in this study.

공통음원 모음자료에 나타난 각종 이벤트의 패턴 특징

수중에서 에어건을 발파 하는 관계로 육상 탄성파 자료에서 우세하게 나타나는 천부의 레일리파 표면파(surface-wave)는 기록되지 않고(Fig. 6a) 대신 500 ms 이전에서 곡선 이벤트들이 겹으로 보인다. 1,000 ms 이후에 강한 진폭의 저주파 쌍곡선들이 겹으로 나타나는데 이와 같은 형태들이 모든 자료의 발파점 위치에 보이는 점으로 보아 겹반사(multiples)보다는 음원 기원의 저주파 잡음으로 해석하였다. 이와 같은 강한 진폭의 저주파 특성은 진폭 스팩트럼에서 10 Hz 이하의 우세 주파수(dominant frequency)로 관찰되고 있다(Fig. 6b).

저주파 잡음 등을 제거하고 약한 반사파 신호를 부각시키기 위한 띠통과 필터링(bandpass filtering)(10-20-100-120 Hz) 결과, 저주파 잡음이 거의 없어지는데(Fig. 6c) 그 효과는 필터링 이후의 진폭 스펙트럼에서 보이는 20~40 Hz의 우세 주파수로 잘 설명된다(Fig. 6b). 띠통과 필터링이 적용된 후 모음자료(Fig. 6c)에서 저주파 잡음은 없어지고 대신 발파점의 500 ms 부근에서 정점을 가지는 요소파(wavelet) 특징을 갖는 쌍곡선이 선명히 드러나고 있다.

송수신이 같은 측선에서 이루어질 경우 반사파는 쌍곡선으로 나타난다(Reynolds, 2011). 다수의 주요 반사파(Figs. 6a, 6c)들을 자료처리 과정에서 이미징 하기전에 500 ms 부근에 정점을 갖는 쌍곡선 이벤트의 속도 V를 NMO(normal-moveout) 보정 관련 식 (1)로 계산한 결과 약 310 m/s이었다.

(1)
V=X22TNt0

여기서, X는 두 측점사이의 오프셋거리, TN은 NMO 시간, t0는 기준 측점의 왕복시간이다(Yilmaz, 2001). 따라서 이 쌍곡선을 음파로 의심하여 이벤트 부근을 확대한 결과(Fig. 6a) 쌍곡선 이벤트의 미약한 현장을 원시자료에서도 확인할 수 있었다. 또한 요소파(wavelet)의 전형적인 음파의 특징을 잘 보여주고 있다. 천부의 겹띠 쌍곡선의 속도 또한 식 (1)에서 계산한 결과 800 m/s로서 물에서의 속도 1,500 m/s를 고려할 때 그 일부가 하상을 통과한 파로서 이것 또한 반사파가 아닌 직접파로 해석하였다.

이와 같이 일반탐사에서 직선으로 특징되는 음파와 직접파가 이 자료에서는 반사파의 형태인 쌍곡선으로 표현되는 이유를 알아보고자 하였다. 천부(~ 300 ms)의 겹띠 이벤트들도 먼 거리 오프셋까지 쌍곡선으로 이어지며 그 직후 300~400 ms의 상대적으로 고주파인 이벤트들 또한 근거리 오프셋에서 쌍곡선 형태를 띤다(Fig. 6c). 이들을 모두 반사파로 인지하여 자료처리를 수행할 경우 해석에 큰 오류가 발생할 것이다.

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Fig. 6.

A typical shot gather (No. 1014): (a) raw data, (b) amplitude spectrum (trace #1) before and after bandpass filtering, and (c) 10-20-100-120 Hz band pass filtered data. Weak hyperbolas (air wave) are distinct in the close-up view (a). Low frequency resonant noise events (~1,000 ms) are Scholte surface waves that are removed by bandpass filtering, whereas weak reflection events (300~400 ms) are evident.

서로 평행한 송신-수신 측선에 대한 주시곡선의 유도

송수신이 같은 측선에서 수행되는 일반적인 탐사에서 수평층에 대한 주시곡선(time-distance curve)은 다음 식으로 계산되어 직접파와 음파는 직선, 반사파는 쌍곡선으로 나타난다(Fig. 7a)(Burger, 1992):

(2)
tdirect=xV,tair=xVair
(3)
trefl2=x2V2+t02
(4)
t0=2zV

여기서, tdirect는 직접파의 도달시간, x는 같은 측선 상의 송수신기 사이의 오프셋, V는 매질의 속도, Vair는 공기파(air wave)의 속도, trefl은 반사파의 도달시간, t0는 영오프셋 왕복시간(zero-offset two-way time), z는 반사면의 깊이이다.

이와 달리 서로 평행한 송수신 측선에서 수집된 자료(Figs. 6a, 6c)에서는 직선의 이벤트가 없고 대부분의 이벤트들이 쌍곡선으로 나타나 자칫 여러 개의 반사면들이 존재하는 것으로 해석될 수 있다. 특히 띠통과 필터링 후 부각된 쌍곡선으로부터 계산된 지층의 속도가 310 m/s인 점을 고려하여 공기파 이벤트로 가정하고 송수신기 측선 사의의 거리(offset) y에 대한 공기파의 주시곡선을 피타고라스 정리를 이용하여 다음 식으로 전개할 수 있었다:

(5)
tdirect2=x2V2+tmin2,tair2=x2Vair2+tmin2
(6)
tmin=yminV

여기서, x는 수신기 간격으로서 결과적으로 발파점과 수신기 사이의 횡단거리(cross offset) y의 함수이다. tmin은 송신점에서 가장 가까운 일반적으로 마주보는 수신기에 잡히는 최소 횡단-오프셋 편도시간(minimum cross-offset one-way time)의 개념으로서 최소 횡단-오프셋 거리 ymin을 속도V로 나눈 값이다.

식 (5)는 직접파와 공기파의 주시방정식으로서 식 (3)과 같은 형태의 반사파 쌍곡선으로 표현되어 일반적인 탐사에서 표현되는 직선의 식 (2)와 대비된다. 따라서 음파와 직접파 모두 쌍곡선으로 표현된다(Fig. 7b). 반사파는 일반적으로 직접파와 음파에 비해 속도가 크므로 곡률이 더 작은 또 다른 쌍곡선으로 나타날 것이다.

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Fig. 7.

Schematic diagrams showing the ray path between source (★) and receiver (▽) and time-distance curve for: (a) a straight source-receiver coincident line; and (b) a parallel source-receiver offset line. Abbreviations: 𝑧 (depth); 𝑦 (shot-receiver cross-offset); ∆𝑥 (receiver interval); t0 (zero-offset time); tmin (minimum cross-offset time); ★ (source); and ▽ (receiver).

따라서 실제자료(Fig. 8a)에 보이는 발파점의 약 100 ms와 400 ms에 보이는 쌍곡선 D와 A는 각각 직접파와 음파에 해당한다. 식 (6)에서 구해지는 직접파의 속도 V는 실제 자료(Fig. 8a)에서 최소오프셋 시간 0.1 s를 고려할 때 1,260 m/s로서 이를 토대로 계산하여 작성된 직접파의 주시곡선(Fig. 8b)은 실제자료(Fig. 8a)에 거의 근접한다. 따라서 최소오프셋 정보를 근거로 수상 주행거리 106 m와 육상 주행거리 20 m를 비례시켜 계산된 하상 매질의 속도는 약 667 m/s로 해석된다. 직접파는 현장자료와 하상 매질의 통과로 인한 작은 오차가 수반되지만 음파는 완전히 예상대로 완전히 일치하고 있다.

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Fig. 8.

Comparison of (a) field and (b) theoretical data calculated on the basis of velocities of direct wave (D) and air wave (A) using time-distance equations (Eq. (5)). Field data (a) and theoretical curves (b) are almost coincident for direct and air waves, whereas reflection waves have discrete hyperbolas.

직접파 바로 밑의 3개의 겹띠 쌍곡선 G들은 수심 1.5 m의 바닥에서의 hard water 환경에서 거동하는 가이드파(guided wave)로 해석된다. 약 400 ms 부근에 보이는 불연속 쌍곡선들은 반사파로 해석하였다. 이들은 차후 수륙전파로 인한 시간지연을 보정하면 더 얕아질 것이다. 송수신이 같은 측선에서 이루어지는 일반 탐사에서 직선으로 나타나는 각종 잡음들이 평행 송수신 측선에서 쌍곡선으로 나타나는 점으로 보아 음원기원의 진폭이 큰 저주파 잡음으로 해석한 겹띠 쌍곡선 이벤트(1,000 ms~)(Fig. 6a) 또한 강바닥 각 하부에서 발생하는 Scholte 표면파(Stucchi et al., 2005)로 확신하게 되었다. Figure 9는 서로 평행한 송수신 측선 탐사에서 기록된 각종 잡음(공기파, 직접파, 가이드파, Scholte 표면파)에 대한 전파 모식도이다.

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Fig. 9.

Schematic diagram showing several types of noise event produced in the Hyungsan River seismic survey: low frequency Scholte wave; guided wave; direct wave; and air wave.

송수신 측선간의 거리에 따른 지연시간 보정

육상 노달-에어건 탄성파 탐사는 음원 측선과 수진기 측선이 일직선에 있지 않고 송신 측선과 평행으로 무선 수진기가 강가에서 20 여 m 떨어진 하상에 설치된 관계로 자료처리를 하기 위해서는 수륙전파에 따른 정적 지연시간보정(static time-delay correction)이 필요하다.

예를 들어 발파점 모음자료 S1(No, 1014)를 기준으로 할 때(Figs. 4c, 10a) GPS 좌표 값으로 저장된 음원과 수진지 위치로부터 음원-수진기 거리를 결정하고 기록된 신호음 도달시간, 물의 속도(1,500 m/s)를 이용하여 음원 S1에서 수륙 경계지점 A까지 거리와 A에서 첫 번째 수진기 R1까지의 거리와 시간을 각각 계산할 수 있다. 첫 번째 음원 S1에서 첫 번째 수진기 R1 까지 거리는 159 m로 계측되었고 초동 시간은 133 ms으로 기록되었다. S1에서 R1 까지 전체 구간이 물의 속도로 전파된 것으로 가정할 경우 초동시간은 106 ms (159 m / 1,500 ms = 106 ms)가 되므로 A에서 R1까지의 육상전파 시간은 약 27 ms (133-106 = 27)로 유추할 수 있다. 음원 S1의 측선으로 투영한 수진기 R1은 B지점에 위치하므로 △S1R1B와 △AR1C의 닮은꼴 관계식(159:AR1 = 126:20) 으로부터 계산된 A에서 R1 까지 거리는 약 25.2 m이며 결과적으로 하상에서 탄성파 속도는 약 934 ms (25.2 m / 27 m/s = 934 ms)로 유추할 수 있다. 만약 하상에 있는 수진기 R1이 일반적인 탐사에서처럼 음원 측선상의 점 B에 있다고 가정할 경우 탄성파 도달 시간은 65 ms (97.5 m / 1,500 m/s = 65 ms)이다. 음원 S1에서 수진기 R1 까지 탄성파 도달시간은 133 ms이므로 68 ms의 지연시간 차이가 발생한다.

이와 같은 방법을 이용하여 공통음원 모음자료에 적용하면 일반적인 탐사자료에서처럼 직접파가 직선의 형태를 띤다(Fig. 10b). 직선의 기울기로부터 계산된 직접파의 속도는 1,104 m/s로서 앞서 쌍곡선에서 구해진 속도 1,206 m/s에 거의 부합한다. 여기서 음파 또한 직선을 나타내지만 부분적으로 완전한 형태를 나타내지 못한다. 이것은 직접파의 속도를 기준으로 시간지연을 결정한바 하상의 불균질한 매질에 의한 오차에 기인한다. 만일 직접파 대신 매질의 속도와 관계없는 음파를 기준으로 시간지연을 보정할 경우 음파는 완전히 직선으로 구현되겠지만 시간지연 보정 후 시간이동이 커지므로 특히 천부의 근거리 오프셋에 걸쳐있는 미약한 반사파마저 소실될 우려가 있어 직접파 기준으로 보정을 하였다(Fig. 10a).

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Fig. 10.

Effect of the application of the static time-delay correction: (a) shot gather without static correction, and (b) shot gather with static correction applied. Events D, G, R, and A represent direct, guided, reflection, and air waves, respectively. Note that hyperbolas representing D and G changed to straight lines after time-delay correction (100 ms upward time shift), whereas hyperbolas for A remain partially curved.

최소 횡단-오프셋 단면 및 최종 단면

이 연구에서는 수륙 경계면에 대한 파선의 정확한 추적이 어려워 시간지연 보정을 하나의 테스트 모음자료만을 대상으로 하였기 때문에 단일채널 개념의 트레이스들을 모아 개괄적인 단면을 만들어 보았다. 특히 육상자료에 비해 S/N이 양호한 해양 자료의 경우 전처리 과정을 마치면 각 공통음원 모음자료의 첫 번째 트레이스들만 추출하여 구성되는 최근접 트레이스 모음자료(nearest trace gather)를 이용하여 개략적인 지층구조를 파악하고 이를 이후 자료처리 과정에 참조하는 것이 보통이다. 이 연구에서의 최근접 트레이스 모음자료는 각 음원에서 횡단거리가 최소가 되는 수신기에 해당하는 트레이스들로 구성된 최소 횡단-오프셋 자료의 개념이다(Fig. 11a). 공통음원 자료(Fig. 10a)의 각각 110~580 ms, 400 ms 부근에 보이는 직접파/가이드파와 반사파는 최소 횡단-오프셋 자료(Fig. 11a)에서도 같은 시간에서 수평층으로 잘 나타나고 있다. Figure 11b는 시간지연이 보정된 트레이스들을 모아 구성한 단면으로 약 100 ms 만큼 위로 이동되어 10~250 ms와 300 ms에 각각 직접파/가이드파와 반사파가 보인다. 따라서 공통음원 모음자료에서 관찰된 수륙 전파거리에 따른 시간지연의 보정 효과(Figs. 10a, 10b)가 최소 횡단-오프셋 자료(Figs. 11a, 11b)에서도 잘 확인되고 있는 셈이다.

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Fig. 11.

Minimum cross-offset gather (section): (a) before time-delay correction; and (b) after time-delay correction. With time-delay correction, the well-aligned events of direct wave (D), guided wave (G), and reflections (R) moved upward with 100 ms time-shift.

자료처리는 중합전 자료(prestack data)의 잡음제거에 중점을 두어 띠통과 필터링, 진폭 보정, f-k 필터링 등을 수행하였다. f-k 필터링은 띠통과 필터링 후 저주파 겹띠 잡음이 제거되는 대신 선명히 부각되어 나타나는 음파(Fig. 12a)를 제거하기 위해 적용하였다. 음파는 모든 자료처리 과정 중에서 가장 제거하기 힘든 이벤트로서 일반적으로 음파가 걸쳐있는 좁은 띠의 범위를 솎아내는 방법(notch muting)으로 수행한다(Baker, 1999). 그러나 이 경우 반사파가 동시에 없어지는 우려가 있다. 따라서 f-k 스펙트럼(Fig. 12b)에서 음파의 속도(310 m/s)를 제거하고 반사파들을 충분히 통과(pass)시키는 범위를 설정하여 필터링을 수행하였다. 시간 기울기 ±6.5 m/s/trace를 적용한 결과 만족스럽지 않지만 음파 곡선이 부분적으로 해체되어 나타났다(Fig. 12c). 필터링의 성능은 음파제거(Fig. 12c)와 반대로 음파만을 부각시키는 필터 결과(Fig. 12d)에서 반사파를 포함하여 직접파와 가이드파가 효과적으로 제거된 것으로 확인된다. Figure 13a13b는 각각 f-k가 적용된 단면도와 시간지연이 보정된 단면도로서 시간보정 후 약 300 ms 부근에 나타나는 이벤트를 주된 천부 반사면으로 해석하였다.

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Fig. 12.

Effect of f-k filtering: (a) shot record with bandpass filtering (10-20-100-120 Hz) applied; (b) f-k spectrum with the designated dips ± 6.5 ms/trace; (c) f-k filtering for pass of apparent dip less than ± 6.5 ms /trace; and (d) f-k filtering for rejection of apparent dip less than ±6.5 ms/trace. The air wave is attenuated or emphasized with the application of the (c) pass zone or (d) rejection zone, respectively.

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Fig. 13.

(a) Brute stack. (b) Final section with time-delay correction applied. Events R around 200 ms show discrete weak reflections in the final section.

지질학 자료와의 상관 해석

이 연구에서 파악된 수륙연장 탄성파 반사면들을 탐사지역에 인접한 시추코어들의 암상변화 자료와 상관시켜 해석해보았다. 시추코어는 1970년대 포항 석유탐사를 위해 착정한 G공과 2018년 포항 천부가스 연구를 위한 PSG-03공에서 각각 취득한 것으로서 탐사지역에서 북북서 방향으로 약 560 m 떨어져 위치한 시추공 G(Fig. 14a)의 기반암 최상부 경계는 약 493 m의 깊이에서 확인되며, 연일층군에 대비되는 기반암 직상부의 퇴적구간은 지표 하부 약 293 m 까지 대부분 이암층으로 구성되어 있다. 그 상부는 293 m에서 약 8 m 이상의 두꺼운 사암체가 발달하며 0.1 m 이상의 사암층이 이암과 교호하는 양상을 보인다(Fig. 14b). G공에서 지표 하부 약 293 m에서 관찰된 사암층은 포항시 대잠동에서 발견된 천부가스 층으로 추정된다(Hwang et al., 2021).

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Fig. 14.

Well data used for correlation interpretation with seismic reflection data: (a) location of wells G and PSG-03 (indicated by the red-filled circles); (b) columnar logs in well G; and (c) columnar logs in well PSG-03. The yellow star indicates the seismic survey site. The sections of the (c) columnar logs between 265 and 275 m (indicated by red open rectangle) are interpreted as a shallow gas reservoir (modified from Hwang et al., 2021).

탐사 지역에서 북북서 방향으로 110 m 떨어진 곳에 위치한 PSG-03 공의 시추코어는 지표하부 약 289 m 까지 회수되었으나 기반암의 심도는 확인되지 않았다. G공에서 확인된 이암으로 구성된 퇴적단위가 PSG-03 시추코어에서는 지표하부 약 274 m 까지 발달하며, 274 m 지점에서 천부가스 저류층으로 해석되는 약 8 m 이상의 두꺼운 사암체가 발견된다. 해당 사암층의 상부는 G공에서와 마찬가지로 0.1 m 이상의 두께를 가지는 사암체가 이암과 교호하는 양상을 보인다(Fig. 14c).

시추코어에서 확인된 암상 자료를 탄성파 반사면들과 상관해석(well to seismic correlation)하였다. 탄성파 자료에서 분석된 평균제곱근(root mean square, RMS) 속도 약 2,000 m/s를 기준으로 할 때 G공에서 확인된 약 493 m 깊이의 기반암 표면(Fig. 14b)은 약 500~550 ms에 불연속적으로 나타나는 반사면 경계에 해당한다(Fig. 13b). 따라서 이 반사면은 포항 분지를 충진하는 퇴적층과 하부 기반암의 물성 경계면으로 해석하였다. G공과 PSG-03공에서 파악된 이암이 주로 발달하는 퇴적구간의 상부경계는 약 290 ms의 왕복주시에 해당하는데 탄성파 단면에서에서 그 경계가 명확하게 나타나지 않은 것은 대부분이 이암으로 구성된 퇴적층 내에서 물성경계(밀도와 속도의 음향임피던스 대비)가 뚜렷하지 않은 현상으로 해석된다. G공과 PSG-03공에서 확인된 두꺼운 사암체의 천부가스 저류층과 그 상부를 피복하는 사암 및 이암의 교호층(Figs. 14b, 14c)은 탄성파 단면에서 각각 250~280 ms의 천부 가스층과 천부의 일관성 잡음들이 혼재한 이벤트로 해석하였다.

일반적인 탐사측선과 달리 서로 평행한 송수신 측선에서 취득한 자료로부터 처리 ‧ 해석된 반사면들이 시추코어 분석에서 보여주는 암상의 수직적인 변화와 비교적 잘 상관되는 점을 볼 때 탐사에 수반되는 각종 잡음들의 특성 고찰 및 이에 대한 제거기법, 수륙전파에 따른 시간지연보정, 최소횡단 오프셋 단면 등 이 연구에서 새로이 고안된 자료수집 및 처리 기법들은 차후 육해상 전이지역 탐사에 충분히 활용될 수 있을 것으로 보인다.

결 론

탄성파 에너지원, 특히 도심지 부근에서 발파하는 경우에는 소요 비용뿐만 아니라 주변의 구조물과 같은 환경 요인도 고려해야한다. 이 연구에서는 이와 같은 탐사 장애를 극복하기 위해 수상-송신 에어건 발파와 육상-수신 노달 시스템을 이용하여 연안 지역의 지하구조를 파악하기 위한 탄성파반사법 탐사를 경상북도 포항에 위치한 형산강 하구에서 수행하였다.

수상 에어건 측선으로부터 최소 126 m 떨어진 하상에 전개된 수신기(노달)에 측정된 자료들을 분류하여 구성한 공통음원 모음자료에서 반사파를 포함하여 모든 잡음들이 쌍곡선으로 특징되어 보다 자세한 자료고찰 없이 자료처리를 수행하면 수개의 반사면으로 출력되어 잘못된 해석이 나올 수 있다.

띠통과 필터링 후 부각된 특정 쌍곡선의 속도가 모든 자료에서 일관적으로 310 m/s인 점을 참조하여 음파속도와 송수신기 사이의 횡단오프셋 거리에 따른 도달시간을 계산한 결과, 같은 측선에서 송수신이 이루어지는 일반적인 탐사자료에서 직선 형태를 보이는 직접파, 가이드파, 음파, Scholte 표면파가 서로 평행한 송수신 측선에서 얻어지는 자료에서는 모두 쌍곡선으로 표현되는 점을 관찰하여 이에 상응한 주시방정식을 이 연구에서 새로이 정립하고 이를 실제자료와 상관시켜 검증하였다.

수중 에어건 탐사의 자료수집에 수반된 음파 에너지는 실제 현장에서는 에어건 발사에 따른 큰 울림(ringing)은 없었지만 예상 밖으로 최대 횡단거리 596 m 까지 멀리 감지되었으며 후속 자료처리에서 그 일부는 f-k 필터링으로 완화되었다. 또한 왕복시간 1 s 이후 보이는 겹띠 쌍곡선으로 보이는 이벤트는 진폭 스펙트럼에서 대부분 10 Hz 이하에 분포하며 띠통과 필터링 후 거의 제거되는 점에서 강바닥 밑에서 전파되는 Scholte 표면파로 해석하였다.

일반탐사자료의 자료처리 기법을 이용하기 위해 송수신기 사이의 횡단 거리에 따른 시간지연 보정이 필요한 바, 이 연구에서는 하나의 발파자료를 가지고 테스트하였다. 지시자가 되는 직접파를 이용하여 각 수신기에 대한 시간지연을 계산한 결과 약 100~200 ms으로서 이를 적용한 결과 쌍곡선 형태의 직접파는 일반적인 탐사자료에서와 같이 직선으로 나타났으며 직접파 직후의 겹띠 쌍곡선은 얕은 강(수심 1.5 m)의 바닥에서 계속 반향되어(reverberation) 하상으로 전파하는 일종의 가이드파로 해석되며 이것 또한 시간지연 보정 후 직선으로 나타났다.

시간지연 보정의 효과는 각 발파점에 대하여 최소 횡단거리에 해당하는 트레이스들을 추출하여 구성한 최소 횡단-오프셋 단면에서 약 100~200 ms의 시간이동을 보이는 천부 반사면으로 확인되었다. 따라서 일반적인 자료처리과정으로 출력된 단면에 최소오프셋 트레이스 단면으로부터 계산된 시간보정 값을 적용하여 작성하여 재건된 최종단면도는 약 200 ms 부근에서 미약하고 불연속적인 반사면을 보인다. 반사면 상부의 강한 이벤트는 가이드파로서 이들은 전체 모음자료에 대한 시간지연 보정을 한 후 일반적인 처리과정을 거치면 없어질 것으로 보인다. 서로 평행한 송수신 측선에서 취득한 자료로부터 처리 ‧ 해석된 반사면들은 탐사지역에서 가장 가까운 시추코어들의 분석에서 확인된 사암체, 이암층, 천부가스 저류층, 기반암 등의 암상의 수직적인 변화와 비교적 잘 상관되었다.

이 연구는 육해상의 서로 평행한 송수신 측선에서 이루어진 개척적인 연구로서 이와 유사한 기존 자료들이 없는 상태에서 한 개의 공통모음 테스트 자료를 바탕으로 각종 이벤트들의 특성고찰, 효과적인 자료처리와 함정에 빠지기 쉬운 해석 오류를 지적하는 것만으로도 연구의 큰 의미가 있다고 본다. 육해 경계면에 대한 파의 거동연구가 수반되고 차후 고분해능 자료가 얻어질 때 시간지연 등 이번 테스트 연구에서 개발된 기법들이 전체 자료에 적용된다면 강/바다의 연안지역 및 도심지의 지하구조 파악에 신속하고 효과적인 연구로 이어질 것으로 기대한다.

Acknowledgements

이 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국지질자원연구원 기본사업인 “교통차량 진동을 이용한 도심 지질탐사 및 상시 모니터링 기술개발(GP2020-034)” 과제 지원과 산업통상자원부(MOTIE) 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원(No. 20172510102160)으로 수행되었습니다.

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