동해 남서해역 퇴적물의 음파전달속도 보정
김소라1,2·김대철1,*· 이광수2
1부경대학교 에너지자원공학과, 48513, 부산광역시 남구 용소로 45
2한국지질자원연구원 석유해저연구본부, 34132, 대전광역시 유성구 과학로 124
Correcting the Sound Velocity of the Sediments in the Southwestern Part of the East Sea, Korea
Sora Kim1,2, Daechoul Kim1,*, and Gwang-Soo Lee2
1Department of Energy Resource Engineering, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
2Department of Petroleum and Marine Resources, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea
Abstract: To investigate the in-situ sound velocity of sediment in the southwestern part of the East Sea, the laboratory sound velocity was measured using the pulse transmission technique. The sediment sound velocity measured in laboratory was corrected to in-situ sound velocity based on the seafloor temperature, seawater sound velocity, Kim et al. (2004) model, and Hamilton (1980) model. The distribution of the corrected in-situ sound velocity applying Kim et al. (2004) and Hamilton (1980) models reflects the characteristics of sediments of the study area and shows a similar distribution pattern. The correction for in-situ sound velocity was mostly influenced by seafloor temperature. Then, correction of sound velocity using seafloor sediment temperature data should be accomplished for conversion of laboratory data to in-situ sound velocity.
Keywords: in-situ sound velocity, temperature correction, Ulleung Basin, East Sea
요 약: 동해 남서해역 퇴적물의 현장 음파전달속도를 파악하기 위하여 신호투과법을 이용하여 퇴적물의 실험실 음파전 달속도를 측정하였다. 측정된 실험실 음파전달속도는 해저면 온도, 해수 음파전달속도, Kim et al. (2004)과 Hamilton (1980) 모델을 적용하여 현장 음파전달속도로 보정하였다. Kim et al. (2004)과 Hamilton (1980)의 현장 음파전달속도는 연구지역 퇴적물 특성을 반영하며, 유사한 분포를 보인다. 현장 음파전달속도 보정에는 해저면 온도의 영향을 크게 받 는 것을 확인할 수 있다. 따라서 퇴적물의 실험실 음파전달속도를 통해 현장 음파전달속도를 파악하기 위해서는 해저 표층 온도 자료를 통한 온도 보정이 반드시 수행되어야 한다.
주요어: 현장 음파전달속도, 온도보정, 울릉분지, 동해
서 론
해양에서 퇴적물의 음파전달속도는 해양지구물리
탐사장비로 획득된 탄성파자료를 처리 및 해석하는데 매우 중요하다. 또한 해저 퇴적층에서 음파의 전달 과정을 추론·예측하는 지음향 모델링(Geoacoustic modeling)과 이를 이용한 국방 분야, 석유 및 가스하 이드레이트와 같은 지하자원의 부존유무를 파악하는 해저자원탐사에서도 퇴적물의 음파전달속도 자료는 폭넓게 활용되고 있다(Hahn et al., 2007; Kim et al., 2009; Park et al., 2015; Ryang et al., 2016). 이러한 해양 퇴적물의 음파전달속도는 해저에서 반사되는 음 파를 이용하여 간접적으로 계산하는 방식에서 실험실 에서 직접 측정하는 방식으로 변화되고 정확도 역시
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크게 향상되었다(Kim et al., 1999; Park et al., 2015). 그러나 실험실에서 측정된 퇴적물의 음파전달 속도는 현장의 해저 환경과는 달라 측정된 값을 현 장에 바로 적용하기는 어렵다(Lurton, 2002).
일반적으로 현장 환경과 실험실 환경 간의 퇴적물 음파전달속도 차이는 퇴적물 조직 및 물성, 온도, 압 력, 염분, 시료 채취 시의 교란 등의 영향을 받는다 (Kim et al., 2008). 이러한 원인 중에서 시료 교란의 영향은 시료 획득 시 교란이 적은 피스톤 코어 및 박스 코어를 사용하고, 상대적으로 교란이 적은 코어 의 상부 10-40 cm 위치에서 음파전달속도를 측정하면 서 오차를 줄일 수 있기 때문에 이를 제외한 퇴적물 조직 및 물성, 온도, 압력, 염분을 중심으로 음파전달 속도를 보정하기 위한 연구들이 많이 수행되어 왔다 (Clay and Medwin, 1972; Hamilton, 1980; Mackenzie, 1981; Lurton, 2002; Kim et al., 2004; Jung et al., 2004). Hamilton (1980)은 실험실에서 측정한 음파전 달속도와 해수 음파전달속도 사이의 음속비(sound speed ratio)를 이용하여 현장 음파전달속도를 계산하 였고, Mackenzie (1981)는 온도와 수심, 그리고 염분 이 해수 음파전달속도에 미치는 영향을 해수 속도방 정식으로 제시하였다. 또한 Kim et al. (2004)은 높은 공극률(80% 이상)을 가지는 부유퇴적물에서 온도 상 승에 따라 약 2.83-4.95 m/s/oC(평균 3.335 m/s/oC)로 음파전달속도가 변화하기 때문에 음파전달속도 보정 이 필요함을 주장하였다. Jung et al. (2004)은 남해 및 동해에서 획득한 silty clay 퇴적물을 5-30oC까지 온도를 증가시키면서 음파전달속도를 측정한 결과 약 2.87 m/s/oC의 변화율로 음파전달속도가 상승하고, 이 때 음파전달속도는 퇴적물 내 공극수의 영향을 많이 받음을 밝혔다. 그러나 이러한 연구들은 몇 개의 샘 플에 대한 실험적인 연구로서 한반도 주변해역에서 실제 해저면 환경의 온도와 압력 등을 고려하여 보 정된 현장 음파전달속도 분포를 제시하지는 못했다.
따라서 본 연구에서는 동해 남서해역에서 획득한 코어 퇴적물의 실험실 음파전달속도를 실측 해저면 온도와 압력을 적용한 Mackenzie (1981)의 해수 속 도방정식, 그리고 Kim et al. (2004)의 온도 상승에 따른 속도 변화율과 Hamilton (1980) 모델링을 이용 하여 현장 음파전달속도로 보정하고 그 분포도를 작 성하였다. 또한 보정 방법에 따른 퇴적물 현장 음파 전달속도 분포의 차이를 살펴보고 음파전달속도 보정 의 중요성에 관해 논의하고자 한다.
연구지역
동해 남서해역은 한반도와 일본 사이에 위치하는 대륙붕과 대륙사면의 일부로서, 수심은 약 50 m에서 1500 m까지의 범위를 가진다(Fig. 1). 완만한 경사의 내대륙붕과 해곡 및 해저수로(울산해저수로)가 발달 된 외대륙붕, 그리고 급경사의 대륙사면으로 전이되 는 환경을 보인다(Chun et al., 1999; Koo et al., 2014). 특히 대륙사면은 다수의 협곡과 사태/슬럼프 (slide/slump) 흔적이 나타나고, 가파른 경사의 상부사 면에서 완만한 경사의 하부사면으로 연결된다(Chough et al., 2000; Koo et al., 2014).
이처럼 다양하고 복잡한 퇴적환경을 보이는 동해 남서해역은 주로 한국연안류(Korean Coastal Current) 와 대마난류(Tsushima Warm Current)의 영향을 받는 다(Fig. 1a). 대마난류는 해협을 통과하며 세 개의 지 류로 나뉘는데, 이 중 고온(10oC 이상)·고염(34.4‰
이상)의 특성을 가지고 연안을 따라 북향하는 동한난 류(East Sea Warm Current)는 저온·저염의 한국연안 류와 만나 강한 수온전선을 형성한다(Lim, 1973;
Kawabe, 1982; Yoon, 1982). 이로 인해 낙동강에서 흘러나온 퇴적물이 외해로 빠져나가지 못하고 해안선 과 평행한 형태로 내대륙붕에 퇴적되면서 대한해협 이토대가 발달한다(Park and Chu, 1991).
연구지역의 퇴적물은 수심 및 입도특성에 의해 내 대륙붕, 외대륙붕, 대륙사면 및 분지로 구분할 수 있 다(Choi and Park, 1993; Kim et al., 2012b). 수심 100 m 내외의 내대륙붕 퇴적물은 주로 낙동강에서 유입되는 세립한 퇴적물이 분포하는 반면(Choi et al., 1997; Kim et al., 2010), 수심 약 200 m까지 분 포하는 외대륙붕 퇴적물은 마지막 빙기에 형성된 잔 류 퇴적물이 분포한다(Park and Choi, 1986; Chun et al., 1999). 수심 600 m 이상의 대륙사면은 다양한 질 량류 퇴적체와 반원양성 퇴적물로 구성되어 있으며 (Lee et al., 1993; Chough et al., 1997), 울릉 화산퇴 적층을 비롯한 조립질 화산퇴적층을 포함하고 있다 (Arai et al., 1981; Furuta et al., 1986).
연구방법
코어자료
동해 남서해역 표층 퇴적물 현장 음파전달속도 분 포를 파악하기 위해 2010년 9월 1일에서 17일까지
한국지질자원연구원의 탐해2호를 이용하여 획득한 총 69개의 주상시료와 2011년 4월 18일에서 22일까지 부경대학교 탐양호를 통해 획득한 20개의 주상시료, 그리고 2011년 7월 4일에서 14일까지 탐해2호를 이 용하여 획득한 총 66개의 박스코어 시료의 실험실 분석결과를 이용하였다(Fig. 1b).
실험실 퇴적물 음파전달속도 측정
실험실 퇴적물 음파전달속도는 신호투과법(pulse transmission technique)을 기초로 한 자동음파전달속 도 측정시스템을 이용하여 측정하였다(Kim et al., 1999; Park et al., 2015; Fig. 2). 측정원리는 펄스 발 생기(Tektronix, TM502A)에서 발생된 펄스를 채널 1 에는 표준신호를 채널 2에는 시료를 통과한 신호를 각각 입력하여 두 신호의 시간차(ΔT)를 이용하여 속 도를 계산한다. 표준시료로는 음파전달속도 6,260 m/s 인 순수 알루미늄을 사용하였다. 측정 시 시료의 크 기는 3 cm 이내로 하여 중심주파수가 600-700 kHz인 고주파의 PZT-4 transducer가 사용가능하도록 하였으 며, 해양 퇴적물의 특성상 시료의 포화상태를 유지하 기 위하여 접촉 매질로는 증류수를 사용하였다. 각 코어별 온도를 측정함으로써 온도에 의한 속도 변화 를 고려하였다. 음파감쇠는 컴퓨터상에 저장되는 파
형을 신호처리과정(Fast Fourier Transform, FFT) 및 스펙트럼비(spectral ratio) 분석 방법(Toksoz et al., 1979; Sears and Bonner, 1981) 등을 이용하여 구하 였다.
해저면 온도 분포
퇴적물의 실험실 음파전달속도를 현장 음파전달속 도로 변환하기 위해서는 해저면 온도 분포도가 필요 하다. 동해 남서해역의 해저면 퇴적물 온도는 실측한 자료가 없고 해양 퇴적물의 공극이 해수로 포화되어 있기 때문에 해저면에 가장 근접한 해수의 온도를 해저면 온도로 가정하였다. 해수의 최하단부 수온은 한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science
& Technology; KIOST)과 국립수산과학원(National Fisheries Research and Development Institute;
NFRDI), 부경대학교, 그리고 Kim (2008)이 획득한 CTD 측정 자료에서 각 정점별로 추출하였으며, 주로 7-9월(하계)에 획득한 자료를 이용하였다(Fig. 3).
현장 온도 및 해수 속도방정식을 이용한 해수 음 파전달속도 계산
음파전달속도에 미치는 온도와 수심, 그리고 염분 의 영향을 파악하기 위해 Mackenzie (1981)이 제시 Fig. 1. (a) Map showing surface current system around the Korean seas. TWC: Tsushima Warm Current, KCC: Korea Coastal Current, YSWC: Yellow Sea Warm Current. (b) Core locations measured for sediment velocity in the study area. Circles (2010) and diamonds (2011) indicate the piston and box cores obtained by Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), respectively. Squares (2011) represent the piston cores obtained by Pukyong National University (PKNU). The con- tours of bathymetry are in meters.
한 해수 속도방정식을 이용하여 속도를 계산하였다.
해수 속도방정식은 아래와 같으며, 식에서 C는 음파 전달속도, T는 현장 온도, S는 염분, 그리고 D는 수 심을 나타낸다. 현장 온도는 CTD 자료를 바탕으로 작성한 해저면 온도 분포 값을, 수심은 각 코어 시료 를 획득했을 때 측정한 실제 수심 값을, 그리고 염분 은 35‰로 동일하게 적용하였다.
C=1448.96+4.591T−5.304×10−2T2+2.374
×10−4T3+1.340(S-35)+1.630×10−2D+1.675×10−7D2 −1.025×10−2T(S-35)-7.139×10−13TD3
온도에 따른 속도 변화율을 적용한 현장 음파전 달속도 계산
온도에 따른 음파전달속도 보정 값은 Kim et al.
Fig. 2. Schematic diagram of automated velocity measurement technique (modified by Park et al., 2015).
Fig. 3. Location of CTD stations. Circles indicate the CTD stations received by KIOST. Stars mean the CTD stations obtained by NFRDI. Squares represent the CTD stations received by professor Lee. Triangles indicate the CTD stations obtained by Kim (2008). Contours of bathymetry are in meters.
(2004)이 제시한 부유퇴적물(fluid mud)에 대한 온도 에 따른 속도변화의 평균인 3.335 m/s/oC를 적용하였 다. 실험실과 현장 온도 차이는 실험실에서 음파전달 속도를 측정할 당시에 기재한 코어 온도와 코어가 위치하는 해저면 온도의 차이를 이용하여 계산하였다.
식에서 C1은 현장 음파전달속도, C2는 실험실 음파 전달속도, T1은 실험실에서 음파전달속도 측정 시 코 어의 온도, 그리고 T2는 해저면 온도 분포도에서 코 어가 위치하는 해저면 온도이다.
C1=C2−[(T1-T2)*3.335]
Hamilton 모델을 적용한 현장 음파전달속도 계산 Hamilton 모델은 음속비와 현장 온도 및 염분, 지 층 두께를 적용하여 퇴적물의 현장 음파전달속도를 계산한다. 실험실에서 퇴적물의 음파전달속도 측정할 때 코어 온도와 동일한 온도에서의 해수 음파전달속 도와 실험실 음파전달속도 사이의 음속비를 구한다.
그 후 현장 온도를 적용한 해수 음파전달속도와 음 속비를 이용하여 퇴적물의 현장 음파전달속도를 계산 하였다. 본 연구에서는 표층퇴적물에 대한 현장 음파 전달속도를 계산하기 때문에 지층 두께는 고려하지 않았다.
연구결과
본 연구에서 사용한 각 코어별 수심, 실험실에서 음파전달속도 측정 시 퇴적물의 온도, 그리고 CTD 자료에서 획득한 해저면 온도를 제시하였다(Table 1).
이 자료를 바탕으로 연구지역의 해저면 온도 분포도, 해수 속도방정식을 이용한 해수 음파전달속도 분포도, 그리고 온도에 따른 속도보정 값을 적용한 현장 음 파전달속도 분포도, Hamilton 모델을 적용한 현장 음 파전달속도 분포를 작성하였다(Figs. 5, 6, 7, 8).
실험실 음파전달속도 분포
실험실에서 측정한 퇴적물 음파전달속도의 분포도 를 살펴보면, 내대륙붕 및 울릉분지와 외대륙붕이 뚜 렷하게 구분된다(Fig. 4). 세립질 퇴적물이 분포하는 내대륙붕과 분지사면에서는 음파전달속도의 분포범위 가 1481-1512 m/s로 거의 일정한 속도 분포를 보이 며, 변화폭이 적다. 특히, 더 세립한 퇴적물이 분포하 는 울릉분지(1490-1513 m/s, 평균 1498 m/s)는 내대
Table 1. Core name, water depth, core temperature, and seafloor temperature of CTD data in the sampling sites (P:
KIGAM piston cores, 2010; B: KIGAM box cores, 2011;
PP: PKNU piston cores, 2011) Core
name
Water depth (m)
Core temperature
(oC)
Seafloor Temperature of CTD data (oC) P01 1296 19.7 1.0 P02 1212 24.5 1.0 P03 1258 26.4 1.0 P04 658 26.4 1.0 P05 440 27.2 2.0 P06 173 18.9 2.0 P07 134 25.2 4.0 P08 142 24.1 4.0 P09 138 20.1 4.0 P10 139 20.4 4.0 P11 136 20.1 4.0 P12 136 21.1 4.0 P13 134 20.3 4.0 P14 135 20.1 4.0 P15 120 13.3 4.0 P16 140 24.0 4.0 P17 158 23.2 3.0 P18 154 23.2 3.0 P19 160 23.3 3.0 P20 180 24.1 1.2 P21 145 18.4 4.0 P22 134 19.9 4.0 P23 147 20.5 4.0 P24 148 21.3 4.0 P25 135 19.9 4.0 P26 141 18.4 4.0 P27 140 24.4 4.0 P28 149 21.6 3.0 P29 160 18.5 3.0 P30 190 19.0 2.0 P31 180 19.0 2.0 P32 151 24.7 2.0 P33 171 25.0 2.0 P34 195 24.8 2.0 P35 240 24.0 2.0 P36 304 24.7 2.0 P37 677 24.0 1.0 P38 194 25.6 2.0 P39 195 25.0 2.0 P40 140 14.8 3.0 P41 181 14.1 2.0 P42 182 23.2 2.0 P43 194 24.3 2.0 P44 198 24.5 1.9 P45 206 19.0 2.0 P46 204 13.0 2.0 P47 282 19.8 2.0 P48 234 18.9 2.0
Table 1. Continued Core
name
Water depth (m)
Core temperature
(oC)
Seafloor Temperature of CTD data (oC) P49 220 20.5 2.0 P50 212 20.5 2.0 P51 206 20.1 2.0 P52 170 19.6 2.0 P53 1221 24.5 1.0 P54 1365 24.3 1.0 P55 1381 24.3 1.0 P56 1388 23.8 1.0 P57 1443 23.3 1.0 P58 1033 23.4 1.0 P59 197 24.5 2.0 P60 482 23.8 1.0 P61 1078 22.7 1.0 P62 1319 25.4 1.0 P63 1428 24.1 1.0 P64 1464 23.3 1.0 P65 1411 23.1 1.0 P66 1229 23.8 1.0 P67 1073 24.0 1.0 P68 254 19.1 1.0 P69 316 19.2 1.0 B01 106 20.8 9.0 B02 123 19.9 7.0 B03 160 19.7 7.0 B04 154 20.0 8.0 B05 156 20.7 10.0 B06 131 19.9 13.0 B07 133 19.9 12.0 B08 134 19.6 9.0 B09 153 20.9 7.0 B10 143 20.0 6.0 B11 148 19.8 6.0 B12 137 19.5 8.0 B13 135 19.5 10.0 B14 144 20.1 8.0 B15 143 20.0 6.0 B16 152 19.4 6.0 B17 168 21.8 7.0 B18 120 22.1 7.0 B19 100 21.3 9.0 B20 71 22.4 10.0 B21 118 19.1 6.0
B22 36 19.0 6.0
B23 37 19.5 6.0
B24 41 23.4 8.0
B25 123 21.2 4.0 B26 106 21.3 4.0 B27 104 20.7 4.0 B28 100 21.1 4.0
B29 91 21.9 5.0
B30 82 22.1 5.0
Table 1. Continued Core
name
Water depth (m)
Core temperature
(oC)
Seafloor Temperature of CTD data (oC)
B31 71 21.2 6.0
B32 1025 21.8 1.0 B33 166 21.5 4.0 B34 139 19.9 5.0 B35 138 21.4 6.0 B36 144 20.5 5.0 B37 434 20.2 1.0 B38 740 19.0 1.0 B39 1036 21.8 1.0 B40 1559 20.3 1.0 B41 1470 18.9 1.0 B42 1364 19.2 1.0 B43 1231 20.0 1.0 B44 1181 21.3 1.0 B45 659 21.2 1.0 B46 659 20.6 1.0 B47 1439 21.9 1.0 B48 1569 21.3 1.0 B49 1559 19.1 1.0 B50 1467 20.2 1.0 B51 1384 21.9 1.0 B52 1287 20.8 1.0 B53 931 21.9 1.0 B54 1190 21.9 1.0 B55 1280 21.3 1.0 B56 1390 21.9 1.0 B57 1445 20.2 1.0 B58 1536 20.4 1.0 B59 1561 20.0 1.0 B60 1489 20.5 1.0 B61 1418 20.7 1.0 B62 1316 21.1 1.0 B63 1209 21.3 1.0 B64 1099 21.4 1.0 B65 858 21.9 1.0 B66 333 19.7 1.0 PP01 53 23.0 7.0 PP02 127 22.6 4.0 PP03 135 21.4 4.0 PP04 135 21.5 4.0 PP05 67 20.7 7.0 PP06 125 22.1 4.0 PP07 130 21.3 4.0 PP08 132 23.0 4.0 PP09 174 21.0 2.0 PP10 75 22.1 6.0 PP11 123 22.2 4.0 PP12 129 22.5 4.0 PP13 140 22.2 4.0 PP14 80 20.4 6.0 PP15 126 21.3 5.0
륙붕(1483-1504 m/s, 평균 1494 m/s)에 비해 다소 높 게 나타난다. 반면에 조립질 퇴적물이 분포하는 외대 륙붕에서는 1571-1773 m/s(평균 1649 m/s)로 음파전 달속도가 큰 변화를 보인다(Fig. 4). 대한해협 해곡의 음파전달속도는 1568-1606 m/s이며, 해곡의 일부 조 립한 퇴적물이 분포하는 구간에서 1570 m/s까지 속도 가 증가하다가 대마도 북동부에 독립적으로 분포하는 세립질 퇴적물에서는 1510 m/s로 다시 감소한다. 내 대륙붕과 외대륙붕 경계의 음파전달속도는 1497 m/s 에서 1607 m/s로 뚜렷한 차이를 보인다.
해저지형을 실험실 음파전달속도 분포도에 투영하 면, 음파전달속도의 분포 경향이 해저지형과 대체로 유사하게 나타난다(Fig. 4). 즉, 수심 100 m 이하의 내대륙붕과 수심 600 m 이상의 울릉분지에서는 음파 전달속도가 약 1500 m/s 정도로 낮게 나타나며, 1700 m/s 이상의 높은 음파전달속도를 보이는 연구지역의 중앙부에는 울릉분지와 연결되는 해저수로의 분포를 파악할 수 있다.
해저면 온도 분포
해저면 온도 분포도는 연구지역의 CTD 자료 및 해류 정보를 토대로 작성하였다(Cho and Kim, 2000;
Fig. 5). 대마난류는 냉수괴가 존재하는 곳에서는 냉 수괴 위를 따라 북상하고, 저층냉수의 영향을 받지 않는 지역에서는 대마난류가 해저면 온도에 직접적인 영향을 미친다. 그 결과 분지사면에서는 깊은 수심으 로 인해 수온이 1oC 미만이며 포항에서 울산에 이르 는 외대륙붕의 일부는 저층냉수의 영향으로 낮은 수 온을 보인다(Fig. 5). 반면 부산 주변 해역에서는 대 마난류의 영향으로 수온이 높다. 또한 육지에 근접한 연안의 경우는 낮은 수심으로 인해 높은 수온 값을 가진다.
현장온도 및 해수 속도방정식을 이용한 해수 음 파전달속도 분포
Mackenzie (1981)가 제시한 해수 속도방정식에 해 저면 온도, 염분, 그리고 각 정점별 수심을 적용하여 분포도를 작성하였다. 해수 속도방정식을 이용하여 계산한 해수 음파전달속도는 1459-1502 m/s(평균 1473 m/s)이며, 최소 및 최대 해수 음파전달속도 차이는 44 m/s이다. 이는 실험실에서 측정한 퇴적물 음파전달속 도의 최소 및 최대 차이(약 100 m/s 이상)에 비해 큰 변화를 보이지 않는다(Fig. 6). 해저면 온도 분포와 비교하면, 수온이 1oC 미만의 분지사면과 저층냉수의 영향을 받는 외대륙붕에서는 약 1470-1475 m/s의 음 Table 1. Continued
Core name
Water depth (m)
Core temperature
(oC)
Seafloor Temperature of CTD data (oC) PP16 133 22.2 4.0 PP17 61 22.4 7.0 PP18 123 22.2 5.0 PP19 147 22.1 5.0
Fig. 4. Distribution of laboratory sound velocity (m/s) in the study area. Contours of bathymetry are in meters.
파전달속도 분포를 가지며, 대마난류의 영향을 받는 부산 인근 해역에서는 1480 m/s 이상의 높은 음파전 달속도 분포를 보인다. 특히, 수심 400-800 m의 울릉 분지 사면에서 음파전달속도가 1465 m/s 이하로 감소 함을 확인할 수 있다.
온도에 따른 속도 변화율 및 Hamilton 모델을 적용한 현장 음파전달속도 분포
Kim et al. (2004)가 제시한 속도변화의 평균값
(3.335 m/s/oC)을 적용하여 현장온도에 따른 속도로 보 정을 실시한 결과, 세립한 퇴적물이 분포하는 내대륙 붕과 분지사면의 음파전달속도는 1411-1458 m/s(평균 1432 m/s)의 분포를 보이는 반면, 외대륙붕은 1445- 1710 m/s의 범위를 가진다(Fig. 7). 온도에 따른 속도 변화 보정 값을 적용한 퇴적물의 현장 음파전달속도 는 실험실 음파전달속도에 비해 최소 23 m/s에서 최 대 85 m/s까지 감소함을 확인할 수 있다. 가장 낮은 온도 분포를 보이는 울릉분지의 음파전달속도는 평균 Fig. 5. Distribution of temperature (oC) at seafloor using CTD data.
Fig. 6. Distribution of seawater sound velocity (m/s) using Mackenzie (1981) equation of seawater sound velocity. Contours of bathymetry are in meters.
적으로 약 71 m/s 정도 감소했으며, 상대적으로 수온 이 높은 외대륙붕의 일부 해역과 중간대륙붕, 해곡의 일부는 평균적으로 40-60 m/s의 속도 감소를 보인다.
Hamilton (1980)이 제시한 모델에 음속비, 현장 온 도 및 염분을 적용하여 퇴적물의 현장 음파전달속도 를 계산한 결과, 내대륙붕과 분지사면에서는 1440- 1460 m/s의 낮은 음파전달속도를 보이는 반면, 외대 륙붕에서는 1500 m/s 이상의 높은 음파전달속도를 가 진다(Fig. 8). Hamilton 모델을 적용한 퇴적물의 현장
음파전달속도는 실험실 음파전달속도에 비해 최소 20 m/s에서 최대 74 m/s(평균 53 m/s)까지 감소한다.
또한 앞서 Kim et al. (2004)의 속도변화율을 적용한 현장 음파전달속도 분포도와 유사한 분포를 보인다 (Figs. 7 and 8). Kim et al. (2004)의 속도변화율을 적용한 퇴적물 현장 음파전달속도는 울릉분지에서 가 장 낮은 음파전달속도를 보이며, Hamilton 모델링에 서는 내대륙붕 및 울릉분지에서 가장 낮은 음파전달 속도 분포를 보인다(Figs. 7 and 8).
Fig. 8. Distribution of in-situ sound velocity (m/s) using Hamilton (1980) model and seafloor temperature. Contours of bathyme- try are in meters.
Fig. 7. Distribution of in-situ sound velocity (m/s) using Kim et al. (2004) and seafloor temperature. Contours of bathymetry are in meters.
토 의
먼저 음파전달속도를 계산하기 위해 해수 속도방정 식에서 염분을 35‰로 적용하였다. 동해 남부해역에 서 염분의 수직분포(30년 평균)를 살펴보면, 수심 200 m 기준으로 200 m 이하에서는 계절별로 약 33- 34.5‰로 최대 1.5‰의 차이를 보이며, 수심 200 m 이상에서는 계절에 관계없이 염분 변화를 보이지 않 는다(MEIS, 2016). 이를 해수 속도방정식에 적용하 여 계산하면, 최대 2 m/s의 오차를 보여 염분은 음파 전달속도에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있 다(Hamilton, 1971; Kim et al., 2004). 또한 해수 속 도방정식을 적용하여 계산한 해수 음파전달속도는 해 저면 온도 분포와 유사한 분포를 보이는데(Figs. 5 and 6) 이는 해수 속도방정식이 주로 현장 해수 온도 와 수심 변화에 따라 크게 좌우되기 때문으로 생각 된다.
실험실에서 측정한 퇴적물의 음파전달속도는 세립 한 퇴적물이 분포하는 지역에서는 낮은 음파전달속도 를 나타내고, 조립한 퇴적물이 분포하는 지역에서는 높은 음파전달속도를 보여 기존 연구결과에서 알려진 연구지역 퇴적물 특성을 잘 반영함을 확인할 수 있 다(Choi and Park, 1993; Kim et al., 2012a; Fig. 4).
특히, 내대륙붕에 비해 더 세립한 퇴적물이 분포하는 울릉분지에서 음파전달속도가 약간 높게 나타나는데, 이는 높은 공극률에서 음파전달속도가 공극에 포함되 어 있는 해수의 영향을 받아 속도가 증가하는 일반 적인 경향을 잘 반영하는 것이다(Nafe and Drake, 1963; Hamilton, 1980).
실험실 퇴적물 음파전달속도를 현장 음파전달속도 로 보정한 두 결과(Kim et al. (2004)의 속도변화율 과 Hamilton (1980) 모델)는 실험실 음파전달속도 분 포와 마찬가지로 연구지역 퇴적물 특성을 잘 보여준 다(Figs. 7 and 8). 또한 일부 지역은 절대값에서 차 이는 있지만 두 결과가 유사한 현장 음파전달속도 분포를 보여, 주로 온도에 의해 음파전달속도가 변화 함을 확인할 수 있다. 하지만 Hamilton 모델을 적용 한 현장 음파전달속도는 Kim et al. (2004)의 속도변 화율을 적용한 현장 음파전달속도에 비해 울릉분지에 서 최대 15 m/s 이상 높은 음파전달속도 값을 가진다.
이는 Hamilton 모델이 현장 온도와 수심 자료를 적 용하기 때문에 울릉분지에서 해저면 온도가 낮다 하 더라도 깊은 수심으로 인해 음파전달속도가 상대적으
로 높게 나타난다. 기존 연구에 의하면, 수심(압력)에 따라 약 0.017 m/s/m의 속도 증가를 보인다고 알려진 바 있으며, 본 연구결과에서도 유사한 변화율을 보인 다(Lurton, 2002). 즉, 울릉분지와 같은 수심이 깊은 지역에서 Kim et al. (2004)의 온도에 따른 속도 변 화율을 적용하여 실험실 퇴적물 음파전달속도를 현장 음파전달속도로 변환할 때에는 수심에 대한 보정이 반드시 필요하다.
해저면 상부층에 존재하는 미고결된 해양퇴적물의 음파전달속도는 퇴적 후의 다져짐 작용이나 고화작용 과 같은 속성작용에 의한 영향을 받기 보다는 퇴적 물의 조직(texture), 주로 입도 영향을 크게 받는 것 으로 알려져 있다(Hamilton and Bachman, 1982;
Kim et al., 2009). 하지만 실험실 퇴적물 음파전달속 도를 현장 음파전달속도로 보정하기 위해 Kim et al.
(2004)은 부유퇴적물에서 온도 증가에 따른 속도변화 율 이용하였으며, Hamilton (1980)은 실험실 음파전 달속도와 해수 음파전달속도의 음속비를 기준으로 보 정한 것이기 때문에 실제 해양 퇴적물에 적용하여 현장 음파전달속도로 보정하기엔 오차가 존재한다.
따라서 퇴적물 조직별(clay, mud, silt, and sand)로 온도 증가에 따른 속도 변화율을 제시하고, 그에 따 른 보정을 실시해야 할 것으로 판단된다. 또한 해저 면의 정확한 지음향 모델을 구현하기 위해서는 속도 에 영향을 주는 다양한 변수들 중에서도 온도에 의 한 보정은 반드시 이루어져야 할 것으로 생각되며, 해역별, 계절별 해저 표층 온도 자료 확보가 반드시 필요하다. 특히, 여러 기관에서 측정한 해저 표층 온 도 자료를 활용할 경우, 자료 획득 시 사용한 기기 종류, 관측 지점의 수심 및 해저지형 등에 따른 보정 도 고려되어야 할 것으로 생각된다.
결 론
현장 해저면 온도 분포, 해수 속도 방정식, Kim et al. (2004)의 온도에 따른 속도 변화율, 그리고 Hamilton (1980) 모델을 이용하여 실험실 퇴적물 음파전달속도 를 현장 음파전달속도로 보정하였다. 현장 해저면 온 도 분포를 적용한 현장 해수 음파전달속도를 통해 해수 음파전달속도에서 염분에 의한 영향은 미미하며, 주로 현장 온도와 수심에 의해 음파전달속도 값이 결정되는 것을 확인하였다. 온도에 따른 속도 변화율 분포와 Hamilton 모델의 현장 음파전달속도는 일부
지역에서 절대값 차이가 있지만, 전반적으로 유사한 분포를 보이기 때문에 음파전달속도가 주로 온도의 영향을 받음을 확인할 수 있다. 따라서 현장 퇴적물 음파전달속도를 계산하기 위해서는 해저 표층 온도 자료를 이용한 온도 보정이 반드시 필요하다. 또한 표층 퇴적물의 음파전달속도는 주로 퇴적물 조직의 영향을 크게 받기 때문에 퇴적물 조직별로 온도 증 가에 따른 속도 변화율을 제시하고, 보정이 이루어져 야 한다.
사 사
이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2016년) 에 의하여 연구되었습니다.
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Manuscript received: October 17, 2016 Revised manuscript received: December 20, 2016 Manuscript accepted: December 25, 2016
