Jour. Korean Earth Science Society, v. 32, no. 6, p. 602−612, October 2011 http://dx.doi.org/10.5467/JKESS.2011.32.6.602
해양효과가 보정된 제주도 자기지전류 탐사 자료의 2차원 역산
양준모1,*·이희순2·이춘기3·박계순4
1한국원자력안전기술원 구조부지실, 305-338, 대전시 유성구 과학로 34
2(주)아이피그룹, 152-743, 서울시 구로구 구로동 197-5
3극지연구소 극지지구시스템연구부, 406-840, 인천시 연수구 송도동 7-50
4한국지질자원연구원 해외광물자원연구실, 305-350, 대전시 유성구 과학로 92
Two-dimensional Inversion of Sea-effect-corrected Magnetotelluric (MT) Data in Jeju Island
Junmo Yang1,*, Heuisoon Lee2, Choon-Ki Lee3, and Gyesoon Park4
1Department of Structural Systems and Site Evaluation, Korea Institute of Nuclear Safety, Daejeon 305-338, Korea
2IPGroup Co., Seoul 152-743, Korea
3Department of Polar Earth-System, Korea Polar Research Institute, Incheon 406-840, Korea
4Department of Oversea Mineral Resources, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea
Abstract: Jeju Island, a volcanic island located in South Korea, has been one of the main targets of geophysical and/or geological studies because of its tectonic importance related to the volcanism and tectonic link to the southern part of the Korean Peninsula. Recently, as a number of broad-band magnetotelluric (MT) measurements were made, we have examined the deep part of the island. In such an insular setting, it is not easy to properly recover the deep structures such as the lower crust and the upper crust using MT data, because their low-frequency components are strongly affected by the surrounding sea of the island. In this study, we apply the sea-effect correction to the existing MT data collected at a total of 102 sites in Jeju Island. The sea-effect correction makes remarkable changes in the observed MT data at frequencies below 1 Hz, clearly indicating the existence of a conductive lower crust. The 2-D inversion results for both Jeju Southern Line (JSL) and Jeju Northern Line (JNL) show that the transition zone separating the resistive upper crust and conductive lower crust exists at a depth of 20 km on average.
Keywords: Magnetotellurc, sea-effect correction, inversion, conductive lower crust
요 약: 제주도는 한반도 남부에 위치한 화산섬으로서, 화산활동 및 한반도와의 지체구조적 연결성과 관련된 중요성 때 문에 오랫동안 지질학적/지구물리학적 연구의 대상이었다. 최근 제주도에서 심부지열자원 조사를 위한 다수의 저주파수 MT 자료가 획득됨에 따라 제주도 심부구조에 대한 접근이 가능해졌다. 그러나 제주도와 같은 섬환경에서는 주변 해양 의 영향으로 저주파수 MT 자료가 왜곡되며, 이는 섬의 심부구조 규명을 어렵게 만드는 요인이다. 이 연구에서는 기존 에 획득된 총 102 측점의 MT 자료에 대해 해양효과 보정을 실시하였다. 해양효과 보정은 1 Hz 이하에서 XY 모드와 YX 모드 전기비저항과 위상을 매우 유사하게 만들며, 전도성 하부지각의 존재를 명확하게 보여주었다. 제주도 남쪽 및 북쪽 측선의 보정된 MT 자료에 대해 2차원 역산을 수행한 결과, 평균적으로 깊이 20 km에서 고비저항 상부지각과 저 비저항 하부지각의 경계를 명확히 확인할 수 있었다.
주요어: 자기지전류(MT) 탐사, 해양효과 보정, 역산, 전도성 하부지각
*Corresponding author: [email protected]
*Tel: +82-42-868-0924
*Fax: +82-42-868-0523
서 론
제주도는 제 4기에 형성된 한반도의 대표적인 화 산섬으로서, 오랫동안 지질학 및 지구물리학적 연구 의 대상이었다. 1980년대 이후 다수의 지구물리 조사 가 제주도에서 수행되었으나, 대부분의 조사는 지하 수 개발과 관련된 수 km 이내의 천부 지각구조 규명 에 초점을 맞추었다(Lee, 1994: 고기원, 1997). 제주 도 심부구조의 경우, 심부 단열대 또는 잔존 지열 이 상대 등의 존재 여부가 오랫동안 의문의 대상이었다.
최근에 발표된 지열도에 따르면(김형찬 외, 2004; 송 윤호 외, 2006), 제주도에서는 뚜렷한 지열 이상대나 지열 이상값이 발견되지 않는다. 이러한 결과는 현재 까지 우리의 예상과는 다르며, 이는 제주도 심부구조 에 대한 지구물리학적/지화학적 연구의 필요성을 제 기한다.
일반적으로 심부지각 구조를 조사하기 위해서는, 자연송신원 자기지전류(MT; Magnetotelluric) 탐사가 폭넓게 활용된다(Jones, 1999; Jones and Ferguson, 2001). 이는 통상적인 저주파수 MT 탐사의 가탐심도 가 상부맨틀에 이를 정도로 매우 깊고, MT 탐사의 결과물인 전기비저항은 탄성파 속도, 밀도 등의 물성 보다 지각의 지화학적 변화에 훨씬 민감하기 때문이 다. 최근 Lee et al.(2006)와 Lee et al.(2009)는 제주 도에서 광대역 MT 탐사를 수행하여 잠재적인 지열 이상대 및 심부 단열대를 영상화하려는 연구를 수행 하였다. 그러나 하부지각이나 상부맨틀에 이르는 심 부지각구조를 파악하는 부분에서 한계가 있었는데, 이는 저주파수 MT 자료가 섬 주변의 해양에 의해 왜곡되는 해양효과 때문이다(Nolasco et al., 1998;
Santos et al., 2001; Yang et al., 2010). Yang et al.
(2010)은 MT 자료에서 해양효과를 보정하는 반복적 방법을 제시하였고, 이를 제주도에서 획득된 일부 MT 자료에 적용하여 보정방법의 효율성을 보여주었 다. 이러한 연구를 바탕으로 Yang et al.(2011)은 대 표적인 제주도의 심부 1차원 구조를 추정하였다.
이 연구에서는 제주도에서 측정된 총 5개 탐사라 인(총 102 측점)에서 획득된 MT 자료에 Yang et al.
(2010)의 방법을 적용하여 해양효과를 보정한다. 해 양효과 보정을 위해, Yang et al.(2011)이 제시한 1차 원 구조를 제주도의 대표적인 지각구조로 사용하고, 제주도 전체 MT 자료에 대한 해양효과 보정 전후의 차이를 살펴본다. 또한 측선의 길이가 50 km에 이르
는 제주도의 남쪽 및 북쪽 탐사라인에 대해 각각 2 차원 역산을 수행하여, 해양효과 보정후의 심부지각 구조의 변화에 대해 고찰하고자 한다.
지질 개요
제주도는 대륙주변부에 위치한 전형적인 순상화산 섬으로, 섬의 모양은 장축이 73 km, 단축은 42 km인 타원형이며, 주로 후기 Pliocene 이후에 형성되었다 (Yoon, 1997; Khime et al., 2001). 섬의 주요 지질학 적 특성은 투수성이 좋은 제 4기 현무암층이 최상부 를 피복하고 있으며, 그 하부에 수백 m 두께의 제 4 기 퇴적층이 존재한다. 이 퇴적층의 상부는 고결상태 의 서귀포층이, 하부는 미고결 상태의 U층이 분포하 고 있다. 이 두 퇴적층은 해성기원으로서 전기비저항 이 수 십 ohm-m 정도이며(Lee et al., 2006) 차이가 크지 않아 전기적 특성만으로 두 층을 구별하기는 어렵다. 기반암은 쥬라기-백악기의 화강암과 그 위에 놓여있는 백악기-제3기의 유문암질 응회암으로 구성 되어 있으며, 해수면 하부 약 250-300 m에 위치한다.
기반암은 응회암과 현무암층 또는 대심도 시추공에서 포획암으로 산출되며, 한반도의 남서/남쪽 지역의 광 물학적 특성과 매우 유사하다고 보고되었다(안건상 외, 1995; Yoon, 1997: 윤성효 외, 1999).
MT 이론
MT 탐사는 지구자기권과 태양풍의 상호작용에 의 해 발생하는 자연전자기장을 지표면에서 측정하여 지 하의 전기비저항 구조를 조사하는 탐사 방법이다. 현 대적인 MT 탐사에서는 동서, 남북 방향의 전기장과 자기장을 측정하며, 탐사환경이 허락할 경우 수직 자 기장 성분까지 총 5 성분의 전자기장을 측정한다. 전 자기장 자료는 시계열로 얻어지며, 푸리에(Fourier) 변환을 통해 주파수 영역으로 변환된 뒤 임피던스 형태로 표현된다. 임피던스 Z는 복소수로서 2×2 행 렬 형태이며, 다음과 같이 나타난다.
, (1)
여기는 첨자 x는 남북방향, y는 동서방향을 나타내 고, E와 H는 각각 전기장과 자기장, f는 주파수(Hz) 를 나타낸다.
Ex f() Ey f()
⎝ ⎠
⎛ ⎞ Z f() Hx f() Hy f()
⎝ ⎠
⎛ ⎞
= Z f( ) Zxx f() Zxy f() Zyx f() Zyy f()
⎝ ⎠
⎛ ⎞
=
604
양준모·이희순·이춘기·박계순임피던스는 지하의 차원에 따라 고유의 특성이 있 는데, 일차원 지하구조에서는 임피던스의 대각성분이 0이고, Zxy=−Zyx의 관계를 갖는다. 2차원 구조에서는 임피던스를 주향방향으로 회전시켰을 때, Zxx=Zyy= 0 이고, Zxy≠ Zyx이다. 3차원구조에서는 회전방향과 상 관없이 임피던스의 모든 성분이 유의미한 값을 갖는 다. 한편, MT 탐사의 최종 결과물인 겉보기 전기비 저항 ρa과 위상 φ 는 임피던스로부터 다음과 같이 계산된다.
(2)
MT 자료
이 연구에서 사용된 광대역 MT탐사 자료는 한국 지질자원연구원에 의해 2004년부터 2006년까지 획득 되었고, 캐나나 Phoenix 사의 MTU-5A 장비가 이용 되었다. 섬 중앙에 위치한 한라산을 둘러싸는 총 5개 의 탐사 라인이 배치되었으며, 총 102 측점에서 MT 자료가 획득되었다(Fig. 1). 측점 간격은 측선마다 차 이가 있으나, 대략 1-3 km 정도이며, 103−3×10−4 Hz 에 이르는 광대역 주파수의 자료가 획득되었다. 모든
임피던스 텐서는 로버스트 원거리참조(robust remote- reference) 기법에 의해 추정되었으며, Phoenix 사의 SSMT2000 소프트웨어가 자료 처리에 이용되었다.
자료 획득 및 처리에 대한 자세한 사항은 Lee et al.
(2006)과 Nam et al.(2009)에 기술되어 있다.
해양효과 보정
MT 탐사에서 해양효과는 육지와 해양의 급격한 전기전도도 대비 때문에 발생하며, 주로 저주파수 대 역의 MT 자료를 왜곡시켜 신뢰성 있는 심부구조 추 정을 어렵게 만드는 요인이다. 제주도에 대한 3차원 MT 모델링을 수행한 Nam et al.(2009)과 Yang et al.(2010)에 의하면, 제주도의 해양효과는 약 1 Hz 이 하 저주파수 자료에 주로 영향을 주므로, 해양효과 보정은 신뢰성 있는 심부구조 추정을 위해 필수불가 결한 과정이다. 이 연구에서는 Yang et al.(2010)이 제시한 해양효과 보정기법을 바탕으로 하여 총 102 개 측점에 대한 해양효과 보정을 수행하였다. 이론적 으로, 102개 측점에 대해 해양효과 보정을 하기 위해 서는, 지하구조를 3차원으로 가정한 모델링이 필요하 나, 최근 Yang et al.(2011)의 연구결과는 제주도에 대한 1차원 구조 가정이 적절함을 보여주었다. 물론, 제주도가 1차원 구조라는 가정은 광역적인 수준에서 의미가 있으며, 보다 정밀한 해석을 위해서는 3차원 ρaf() Z f( )2
--- ohm m5f ( – )
=
φ f() artan–1 Im Z f( ( )) Re Z f( ( )) ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞
=
Fig. 1. A bathymetry map around Jeju Island. A total of 102 MT sites (cross hairs) are distributed along five survey lines (JSL:
Jeju Southern Line, JNL: Jeju Northern Line, JEL: Jeju Eastern Line, JWL: Jeju Western Line, JCL: Jeju Central Line).
구조가 가정되어야 한다.
한편, Yang et al.(2011)은 해양효과가 보정된 MT 자료로부터 대표적인 제주도의 1차원 전기비저항 구 조를 제시하였다(Table 1). 이 연구에서는 이 모델이 제주도의 광역적 지하구조를 대표한다고 가정을 하였 고, 따라서 해양효과 보정은 반복적인 방법이 아닌, 한 번의 보정만으로 종료되었다. 해양효과 보정을 위
해 사용된 3차원 모델은 Fig. 2에 도시하였다. 또한, 사용된 자료는 Yang et al.(2011)와 동일하게 정적효 과(static shift)가 보정된 자료이다.
Fig. 3부터 Fig. 7은 5개 측선(JSL: Jeju Southern Line, JNL: Jeju Northern Line, JWL: Jeju Western Line, JEL: Jeju Eastern Line, JCL: Jeju Central Line)에 대한 해양효과 보정 전후의 전기비저항과 위
Fig. 2. 3-D Jeju model including the surrounding seas over 1-D resistivity model (Table 1). The seawater depth is simplified into 5 steps of 10, 20, 40, 70 and 100 m. The horizontal grid spacing shown in the model is 2 km.
Table 1. Representative 1-D resistivity model of Jeju Island used for correcting the sea effect, derived from the previous MT study (Yang et al., 2011)
Layer No. Depth range (km) Resistivity (ohm-m) Lithology
First 0-0.3 370 Basaltic rock
Second 0.3-0.9 30 Quaternary sedimentary formation
Third 0.9-18.1 1800 Upper crust
Fouth >18.1 110 Lower crust
606
양준모·이희순·이춘기·박계순상의 2차원 가단면도(pseudo-section)를 보여준다.
JCL을 제외한 나머지 4개 측선에서 해양효과 보정 후 나타나는 전반적인 특징은 1) 1 Hz 이하에서 Zxy
모드 전기비저항 및 위상이 Zyx 모드 값들과 상당히 유사해지고, 2) 0.1 Hz 이하 주파수에서 위상값이 45o 이하에서 약 60o 또는 그 이상으로 뚜렷하게 증가하 였으며, 3) Zxy 모드의 변화가 Zyx 모드보다 더 크다 는 것이다.
첫 번째, Zxy 모드와 Zyx 모드 가단면도의 유사성은 JSL과 JNL에서 가장 잘 나타난다. 임피던스 텐서에 서 두 비대각 성분인 Zxy, Zyx 모드의 유사성은 1차원 지하구조에서 나타나는 전형적인 특성이다. 제주도 자료의 경우, 국지적인 2차원 또는 3차원 이상체가 존재하나 전체적인 패턴은 해양효과 보정 후, 두 모 드의 가단면도가 보정전보다 상당히 유사해지는 경향
을 보인다.
두 번째 특징은 0.1 Hz 이하 저주파수 대역에서 위 상값의 변화인데, 보정 전 45o 이하였던 값들이 보정 후 60o 또는 그 이상으로 증가하였다. 또한 전기비저 항 가단면도에 비해 매우 층서적인 특징을 보여준다.
보정 후 위상값이 60o 또는 그 이상이라는 의미는 심 부에 전도성층이 존재한다는 것을 의미하며, 이러한 변화는 전기비저항 단면도에서도 확인할 수 있다. 한 편, 위상 단면도가 전기비저항 단면보다 층서적인 특 징을 보이는 것은 해양효과 보정시 위상 보정값의 양상에 기인하며, Yang et al.(2010)은 제주도의 경우 위상 보정필터가 매우 층서적이기 때문에 이러한 변 화 패턴이 관찰되는 것으로 보고하였다.
세 번째 특징은 보정 전후 Zxy 모드의 변화가 더 크다는 것인데, 이는 제주도의 기하학적 형상에 기인 Fig. 3. Pseudo-sections of the observed (uncorrected) data and the sea-effect-corrected data for the JSL: (a) apparent resistivity and (b) impedance phase of the XY and YX modes.
한다. 제주도의 경우 장축인 동서방향(Y)의 길이가 남북방향(X)보다 2배이상 크기 때문에 해안선의 주 방향은 동서방향으로 가정할 수 있다. 따라서 남북방 향(X) 전기장은 해안선과 수직인 갈바닉(galvanic) 모 드이므로 접선방향인 동서방향(Y) 전기장보다 큰 왜 곡이 발생한다(Yang et al., 2010). 즉, 해양효과에 기 인하는 Zxy 모드 전기비저항과 위상값의 왜곡이 Zyx
모드보다 상당히 크므로, 적절하게 해양효과가 보정 되면 Zxy 모드 전기비저항과 위상값의 변화는 Zyx 모 드에 비해 클 것이라 예상할 수 있다. 이러한 모드별 변화 패턴은 4개 탐사라인 모두에서 확인된다.
한편, JCL 자료는 다른 측선에 비해 보정전후의 변화가 비교적 작은 편이고, 특히 Zyx 모드 자료는 뚜렷한 변화를 찾기 어렵다. 이는 JCL이 제주도의 거의 정중앙에 위치하기 때문에 다른 측선에 비해
비교적 해양효과가 적기 때문인 것으로 생각된다.
2차원 역산
앞 장에서 수행된 해양효과 보정후의 MT 자료를 바탕으로 대표적인 동서방향의 두 측선 JSL, JNL에 대한 2차원 역산을 수행하였다. 2차원 역산을 위해 주향은 측선과 수직인 남북방향으로 가정하였고, Zxy
모드는 TE 모드, Zyx모드는 TM 모드로 설정하였다.
한편, 두 측선 자료 중 자료의 질이 불량한 측점은 역산과정에서 제외하였는데 JSL 측선의 경우 총 31 개중 23개 측점, JNL 측선의 경우 총 28개 중 17개 측점의 자료가 역산을 위해 선정되었다.
2차원 역산방법은 Rodi and Mackie(2001)의 Non- Linear Conjugate Gradient (NLCG) 방법을 이용하였 Fig. 4. Pseudo-sections of the observed (uncorrected) data and the sea-effect-corrected data for the JNL: (a) apparent resistivity and (b) impedance phase of the XY and YX modes.
608
양준모·이희순·이춘기·박계순고, 초기 모델로서 100 ohm-m의 균질매질을 가정하 였다. NLCG 기법은 직접적으로 자코비안(Jacobian) 을 계산하지 않고, 각 반복 단계 당 2번의 순산 모델 링만으로 역산에 필요한 계산을 끝낼 수 있기 때문 에 Gauss-Newton 알고리즘에 비해 훨씬 빠르고 보다 적은 메모리를 요구한다.
사용된 2차원 역산모델의 격자의 수는 81(동서)
×43(연직)개이며, 전기비저항과 위상에 대한 오차 바 닥(error floor)은 각각 10%와 2.86o로 가정하였다. 또 한 역산과정에서 자료 잔차(data misfit)와 모델 파라 미터의 평활도(smoothness)의 균형을 제어하는 라그 랑지 곱수(Lagrangian multiplier) τ 는 수차례의 사전 실험을 통하여 30으로 결정하였다.
Fig. 8과 Fig. 9는 JSL과 JNL 측선에 대한 해양효
과 보정 전후의 2차원 역산결과를, Table 2는 해양효 과가 보정된 MT 자료에 대한 관측값과 계산값의 RMS(Root Mean Square) 잔차(misfit)를 보여준다.
두 측선의 역산결과를 살펴보면, 해양효과 보정 후 지하구조에 뚜렷한 변화가 확인된다. 즉, 해양효과 보정 전 확인하기 힘들었던 층서적인 구조가 명확히 관찰되며, 평균적으로 깊이 20 km 내외에서 부도성 (resistive) 상부지각과 전도성 하부지각의 경계가 구 분된다. 또한 해양효과 보정 후, ZxyXY 및 YX 모드 역산 단면도 모두에서 상부지각과 하부지각의 경계를 확인할 수 있다. 한편, 앞 장에서 기술하였듯이 해양 효과 보정은 XY 모드 자료에 보다 큰 영향을 미치 며 역산결과에서도 이러한 특징이 확인된다.
Fig. 5. Pseudo-sections of the observed (uncorrected) data and the sea-effect-corrected data for the JEL: (a) apparent resistivity and (b) impedance phase of the XY and YX modes.
결 론
이 연구는 신뢰성 있는 제주도의 심부구조를 조사 하기 위해 제주도에서 획득된 총 102개 측점의 광대 역 MT 자료에 해양효과 보정기법을 적용하였다. 해 양효과 보정은 저주파수 대역(<1 Hz)에서 뚜렷하게 MT 반응의 변화를 만들었고, 위상 자료의 경우 보정 후 공간적으로 매우 층서적인 양상을 보여주었다. 해 양효과가 보정된 MT 반응은 심부에 전도성층이 존 재함을 지시하였으며, 특히 Zxy 모드 가단면도에서 이 러한 특성이 보다 명확하게 확인되었다. 총 5개의 MT 측선 중, 2차원 역산에 적합한 두 개의 동서방향 측선 JSL, JNL에 대해 역산을 수행하였고 해양효과 보정 전후의 전기비저항 구조를 살펴보았다. 해양효 과가 보정된 2차원 전기비저항 모델은 보정전 모델
과 달리 층서적인 양상이 강하게 나타났고, 이러한 특성은 JSL, JNL 측선의 모든 역산결과에서 공통적 으로 확인되었다. 모든 역산모델은 평균적으로 깊이 20 km 정도에 부도성 상부지각과 전도성 하부지각의 경계가 존재함을 보여주고 있으며, 이 결과는 Yang et al.(2011)의 연구와도 비교적 잘 부합된다.
이 연구는 제주도와 같은 섬 환경에서 신뢰성 있는 심부구조 추정을 위해 해양효과 보정이 매우 중요함 을 보여주고 있으나, 보다 정확한 제주도 심부구조 규 명을 위해서는 다른 심부 지구물리탐사 자료와 이와 관련된 지질학적 연구들이 요구된다. 그러나 본 연구 에서 제시된 제주도의 전기비저항 모델은 심부구조 연구의 기본 모델로서 활용가치가 있으며, 향후 추가 적인 연구를 통해 보다 정밀하고 타당성 있는 지구물 리학적 연구결과를 도출할 수 있을 것으로 생각된다.
Fig. 6. Pseudo-sections of the observed (uncorrected) data and the sea-effect-corrected data for the JWL: (a) apparent resistivity and (b) impedance phase of the XY and YX modes.
610
양준모·이희순·이춘기·박계순Fig. 7. Pseudo-sections of the observed (uncorrected) data and the sea-effect-corrected data for the JCL: (a) apparent resistivity and (b) impedance phase of the XY and YX modes.
Fig. 8. 2-D resistivity models of the XY and YX modes obtained by the NLCG inversion algorithm (a) with and (b) without sea-effect correction for the JSL.
사 사
이 연구는 기상청 지진기술개발사업(CATER 2008- 5503)의 지원으로 수행되었습니다. 제주도의 광대역 MT 자료의 사용을 허락해 주신 한국지질자원연구원 의 이태종 박사님께 깊은 감사드립니다.
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Fig. 9. 2-D resistivity models of the XY and YX modes obtained by the NLCG inversion algorithm (a) with and (b) without sea-effect correction for the JNL.
Table 2. Root Mean Square (RMS) misfit between observed and calculated MT responses for two survey lines (JSL and JNL) after the sea effect correction.
Line name Mode RMS misfit
JNL TM (YX) 1.913
TE (XY) 4.044
JSL TM (YX) 1.383
TE (XY) 3.531
612
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2011년 7월 11일 접수 2011년 8월 3일 수정원고 접수 2011년 8월 25일 채택
