탄성파 탐사

땅속을 투과, 반사, 굴절하며 전파하는 탄성파를 기록하고 자료 처리와 해석 과정을 거쳐 지하 지질의 구조와 성질을 파악하거나 부존자원을 찾는 방법 

목차

탄성파 탐사는 지표면이나 해수면, 시추공 등에 설치된 탄성파 발생 장치를 이용하여 인위적으로 탄성파를 발생시킨 후 지하 지층 경계면에서 반사 또는 굴절되어 되돌아온 파동을 수진하여 지하의 지질구조나 지층의 물리적 특성을 분석하고 석유가스 및 광물 등 지하자원을 찾는 방법이다. 특히 여러 물리탐사 방법 중에서 지질구조와 층서, 속도 정보를 가장 잘 보여줄 수 있어서 석유가스, 가스 하이드레이트 등 자원 탐사에 가장 많이 이용되고 있으며, 심부 지구조 연구, 해저 단층 및 퇴적 연구, 해저 골재자원 탐사, 원자력 발전소나 원전 수거물 관리시설의 부지 안정성 조사, 교량 및 해저터널 건설을 위한 지반 조사 등에 널리 활용된다. 

탄성파는 속도가 다른 매질에 입사할 때 스넬의 법칙(Snell’s Law)을 따라 지층 경계면에서 P파 또는 S파로 변환되어 상부층 매질로 반사되거나 아래층 매질로 굴절되어 전파한다. 이때 임계각(critical angle)으로 입사된 파동은 아래층 매질의 속도로 지층 경계면을 따라 전파하다가 상부층으로 굴절되어 전파된다. 지층 경계면에서 반사되거나 투과되는 정도는 반사 계수와 투과 계수로 표현되며, 이는 매질의 탄성파 속도와 밀도의 곱으로 정의되는 음향 임피던스(acoustic impedance)의 차이와 관련된다. 균질 매질의 P파와 S파의 전파 속도는 라메 상수, 강성률, 밀도, 체적 탄성률, 포아송비와 같은 탄성 계수에 의해 결정되며, 지층의 탄성파 속도는 암상, 공극률, 공극 유체, 공극 형태, 포화도, 압력, 온도, 이방성 등에 따라 달라진다¹⁾. 일반적으로 밀도가 커질수록, 깊이가 증가할수록 속도는 증가하는 경향을 보인다. 탄성파는 파원(발생원)에서 전파하면서 에너지가 손실되어 거리에 따라 진폭이 감쇠하게 된다. 또한 동일한 지층 경계면에서 반사되어 돌아온 파동이라도 파원과 수진기가 동일한 위치에 있을 때에 비해, 파원과 수진기 사이의 거리가 멀어질수록 도달시간이 길어지고, 그 정도는 지층속도에 의해 좌우된다. 따라서 탄성파 탐사는 파동의 종류(P파, S파, 반사파, 굴절파, 표면파 등), 거리 또는 도달시간에 따른 탄성파의 속성(진폭, 위상 등)의 변화, 탄성파의 수평 및 수직적인 변화 양상 등을 분석하여 지질 구조와 함께 속도, 밀도 등의 정보를 파악하는 데에 사용된다. 

탄성파 탐사는 일반적으로 자료 취득, 처리, 해석 과정을 거친다. 자료취득은 현장에서 탐사장비를 이용하여 탐사자료를 취득하는 과정이다. 탄성파 탐사장비는 파원, 수진기, 기록, 항측 장비 등으로 구성된다. 탄성파 신호를 발생시키는 장치로 육상에서는 바이브로사이즈(vibroseis), 폭약 등이 사용되고, 해상에서는 에어건(air-gun)이 주로 사용된다. 파원에서 발생되어 지층을 통과하여 돌아오는 신호를 탐지하는 수진기는 통상 육상에서는 지오폰(geophone), 해상에서는 하이드로폰(hydrophone) 또는 하이드로폰이 연결된 스트리머(streamer)를 사용하며, 최근에는 해저면에서 3성분 지오폰을 사용하기도 한다. 탄성파 자료처리는 컴퓨터를 이용하여 탐사자료에 포함된 잡음을 제거하며 신호를 향상시키고 보정하는 처리 과정을 통하여 신호 대 잡음 비(S/N 비)를 높이고, 실제 지층구조와 유사하게 2차원 단면도 및 3차원 입체를 제작하는 과정이다. 탄성파 파형을 스파이크 형태 또는 해석에 용이한 압축된 형태의 파형으로 변화시키는 곱풀기(역대합, deconvolution), 속도분석, 파원과 수진기 간의 거리에 따른 도달시간 지연을 보정하기 위한 동보정(normal moveout correction) 및 중합(stack) 과정, 경사 경계면을 실제 위치와 경사로 옮기고 단층 끝단 등에서 발생되는 회절 현상을 보정하는 구조보정(migration) 등이 대표적인 자료처리 과정이다²⁾. 최근에는 대용량 2차원, 3차원 탄성파 탐사자료로부터 정확한 지층 영상을 구하고 속도 등의 물성 정보를 얻기 위하여 초고성능 컴퓨터가 활용되고 있다³⁾. 탄성파 자료해석은 제작된 단면 또는 입체로부터 탄성파의 진폭과 위상, 반사층의 연속성과 배열 형태, 속도 정보 등을 통합적으로 분석하여 지층의 구조 및 층서, 물성, 유체 정보 등을 해석하고 석유가스 부존 유망지역 등을 도출하는 과정이다⁴⁾.

탄성파 탐사는 이용하는 파동의 종류에 따라 반사법 탐사와 굴절법 탐사, 대상 깊이에 따라 천부 탐사와 심부 탐사, 탐사 지역에 따라 육상, 해양, 전이대(transition zone) 탐사, 수진기의 개수에 따라 단채널(single channel) 탐사와 다중채널(multi-channel) 탐사, 탐사 배열 또는 정밀도에 따라 2차원 탐사, 3차원 탐사와 4차원 탐사 등으로 구분될 수 있다.

반사법 탐사는 탄성파 파원에서 발생되어 하부 지층 경계면에서 반사하여 되돌아온 반사파를 수진기에서 기록하고 왕복 도달시간과 파형을 분석하여 지하구조 및 지하 매질의 물리적 특성을 파악하는 방법이다. 반사법 탐사로부터 얻게 되는 탄성파 단면도는 여러 탐사 방법 중에서 퇴적 층서, 부정합, 기반암 경계면, 단층, 배사구조, 층서 트랩 등 실제 지층 구조를 가장 잘 보여주기 때문에 석유탐사에 가장 많이 사용된다. 굴절법 탐사는 스넬의 법칙에 따라 임계각으로 입사된 파가 굴절하여 경계면 하부를 따라 진행하다가 상부층으로 굴절되어 지표면에 도달한 파를 이용하여 지층의 깊이와 속도 구조를 파악하는 탐사 방법이다. 굴절파 도달시간의 기울기가 지층 속도와 직접적으로 관련되기 때문에 속도 정보 파악에 유용하며, 임계 굴절이 발생되어 수진기에 도달하는 파를 기록하기 위해서는 대상 깊이에 비해 충분히 먼 곳까지 탐사가 이루어져야 한다. 수 ~ 수십 km 깊이의 지각, 맨틀 등의 구조를 연구하는 지구조 연구에서는 파원으로부터 수백 km 이상 떨어진 곳에서 굴절파를 기록하기도 한다⁵⁾.

2차원 탐사는 파원과 수진기를 직선으로 배열하고 탐사하여 측선 하부의 2차원 단면을 파악한다. 3차원 탐사는 바둑판 형태의 조밀한 격자망의 형태로 파원과 수진기를 배열하거나 탄성파 측선을 조밀하게 이동해가면서 3차원 탐사 자료를 취득하여 지하 지층구조를 입체적으로 파악하는 방법이다⁶⁾. 3차원 자료 처리를 통하여 왜곡된 반사점들의 위치가 3차원적으로 제 위치로 옮겨지게 되어 2차원 탐사자료에 비해 지하 구조나 유체 분포 등에 대해 상세한 정보를 얻을 수 있어 정밀 석유탐사에서는 필수적으로 적용되고 있으며, 임의 방향의 수직 단면, 깊이 또는 시간에 따른 수평 단면 등을 다양하게 분석할 수 있는 장점이 있다. 4차원 모니터링 탐사는 같은 지역에서 시간을 달리하여 3차원 탐사를 반복 수행하여 그 결과의 차이로부터 시간에 따른 저류층의 특성과 유체의 변화를 파악함으로써 석유가스 회수율을 높이는 데 활용된다⁷⁾.

그림 1. 해양 탄성파 탐사 모식도 (출처: 대한지질학회)

그림 2. 남해 제주분지에서 취득한 2차원 탄성파 단면으로 천부 퇴적층, 부정합, 배사구조, 단층, 기반암 등의 지질 구조와 특징을 파악할 수 있다 (출처: 대한지질학회)

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