탐사를 이용한 사석분포
SBP Mapping
신성렬1)* ․ 김찬수1)․ 여은민1)․ 김영준2)․ 하희상3)
Mapping of Riprap Distribution using SBP
Sung Ryul Shin*, Chan-Su Kim, Eun-Min Yeo, Young-Jun Kim and Hee-Sang Ha
Abstract :Sub-Bottom Profilers(SBP) survey has been used extensively for mapping of basement in the foundation design of offshore structure, for pre- and post-dredging operations within harbors and channels, for selection of pipeline routes, sitting of drilling platforms, and in the exploration for an aggregates such as sands and gravels.
During the construction of Sihwa embankment for irrigation water, a lot of riprap was swept away by the tide, so that breaking of an embankment unfortunately occurred and riprap was widely dispersed. In order to investigate the distribution of the lost riprap for construction of the tidal-powered electric plant in Siwha embankment, we applied SBP survey. We could successfully extract information about the distribution of the lost riprap from the acoustic reflection characteristics of the sediments in SBP data set. We demonstrated the variation of reflection amplitude versus the sediments with and/or without riprap by means of the numerical modeling of acoustic wave equation using finite difference method. Also we examined an amplitude anomaly of the ripraped area through the physical modeling.
Key words :SBP, distribution of the lost riprap, acoustic reflection characteristics, numerical and physical modeling 요 약 :Sub-Bottom Profilers(SBP)탐사는 해양구조물의 기초설계에 있어서 기반암 조사 항구나 수로의 준설작, 업 파이프라인 공사 시추선의 고정위치 모래와 자갈과 같은 골재조사에 널리 사용되고 있다 본 연구에서는, , , . 조력발전소 건설을 위한 사전 부지조사를 목적으로 과거 시화호 방조제를 건설하는 동안 태풍과 조류에 의해 방조제가 무너졌고 방조제에 쌓여있던 많은 사석들이 유실 매몰되었다 이 사석들의 분포를 파악하기 위해서.
탐사를 실시하였다 탐사결과 자료의 퇴적층에 대한 탄성파 진폭특성으로부터 유실된 사석 분포에 대한
SBP . SBP
정보를 성공적으로 획득하였다 탐사자료의 해석에서 가장 중요한 개념인 진폭특성 및 진폭이상은 유한차분법을. 이용한 음향파동방적식의 수치모형실험과 탄성파 축소모형실험을 통하여 유실된 사석이 있는 경우와 없는 경우, 의 퇴적층에 대한 반사파의 진폭변화를 입증하였다.
주요어 : SBP,사석 분포 탄성파 진폭특성 수치모형실험 탄성파 축소모형실험, , , Vol. 43, No. 3 (2006) pp. 194-205
서 론
인류의 활동분야가 넓어짐에 따라 해양 분야에서 많 은 개발이 진행되고 있다 해양구조물의 기초설계에 있. 어서 기반암 조사 항구나 수로의 준설작업 파이프라인, , 공사 시추선의 고정위치 모래와 자갈과 같은 골재조사, , 등 많은 개발이 해양에서 이루어지고 있다 해양에서 이.
루어지는 개발을 보다 안정적이고 효율적으로 하기 위 해서 많은 사람들이 정확한 지층구조를 파악할 수 있는 해양 탐사 기법을 개발 ․ 발전시켜왔으며 해양지구물리, 탐사의 중요 부분을 차지하고 있는 탄성파 및 음향자료 에 대한 획득 및 처리에 관한 새로운 기법을 개발하여 해석의 정확성을 향상시켰다 주형태 등( , 1997).
음향탐사방법을 이용하여 광범위한 지역에서 짧은 시 간 내에 자료를 획득하고 이들 음향자료를 분석하여 해, 저면 퇴적물을 분류할 수 있다(Campbell, 2000).해저면 은 퇴적물 혹은 노출된 암반으로 구성되어 있으며 지역, 에 따라 서로 다른 물성과 음향반응(acoustic response) 을 보인다 따라서 지구물리학적 방법에 의해 해저면에. 서 얻은 음향자료를 분석함으로써 해저면에서의 음파의 반사 굴절 및 산란 그리고 감쇠특성을 규명할 수 있고, 퇴적물의 지질학적 지질공학적 특성을 파악할 수 있다, .
년 월 일 접수 년 월 일 채택
2006 2 9 , 2006 5 31
한국해양대학교 해양과학기술대학 해양개발공학부 1)
한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 2)
주 지오맥스 3) ( )
*Corresponding Author 신성렬( ) E mail; [email protected]
Address; Division of Ocean Development Engineering, Korea Maritime University, #1, Dongsam-Dong, Youngdo-Gu, Pusan, 606-791, Korea 연구논문
음향탐사방법은 조사목적에 따라 특정한 주파수대역 을 갖는 음파를 사용하여 해저정밀지형 해저면의 형태, 그리고 해저지층구조 등을 파악할 수 있다 또한 넓은 지. 역에 걸친 해저면 아래 수m이내의 해저정보를 고해상 도로 취득할 수 있다 그래서 고고학적 지질조사 지역을.
하는데 유용하다
mapping (Wunderlich et al, 2004;
정밀측심을 위해 사용되 Mindell and Bingham, 2001).
는 음향측심기(echo-sounder)는33-22 kHz정도의 주파 수 대역을 사용한다 해저면의 형태를 파악하기 위해서. 는 사이드 스캔 소나(Side scan sonar)는110±10kHz 대 의 고주파를 사용한다 그리고 심부지질구조를 조사하기. 위해서는 주로1kHz이하의 에어건(Air-gun),스파커(Sp-
슬리브건 버블펄서
arker), (Sleeve-gun), (Bubble pulser) 등과 같은 음원을 사용하며 천부의 퇴적층 두께나 정밀, 해저지형탐사를 위해서는1-30kHz 정도의 고주파 음원 을 사용한다 특히 최근에 천부지층탐사 분야에서 수.
대의 대역폭을 가진 다중주파수 음원을 사용한
kHz Chirp
시스템과 같은 해저지층탐사장비 Acoustic Profiling
Ⅱ
가 많이 사용되고 있다 다중주파수 음원을 사용한 천부. 지층탐사 장비는 단일주파수 음원을 사용하는 것보다 여 러 가지 면에서 장점을 가진다. ChirpⅡ시스템은 시간 증가에 따라 주파수가 증가하는Sweep signal을 음원으 로 사용함으로써 적은 에너지로 투과심도를 깊게 할 수 있고 심도에 관계없이 일정한 분해능을 유지시킬 수 있, 다 또한 수신신호의 자료처리과정을 통하여 신호대 잡. 음비의 향상과 더불어 인접한 반사이벤트들을 압축시켜 더욱 정밀한 퇴적층간 구별이 가능하다 그리고 다중채. 널탄성파 처리기법을 이용한 해저면 퇴적물의 물성에 따 른 수신신호의 음향특성을 분석함으로써 퇴적물 분류에 도 이용할 수 있다 해저면에서 반사된 음향자료는 해저면. 을 구성하는 물질에 따라 음파의 음향임피던스(acoustic
와 음향감쇠 가 달라진
impedance) (acoustic attenuation)
다 이들 음향학적 특성은 퇴적물의 입자크기 공극률. , , 강성률 그리고 체적밀도와 밀접한 관계를 가지고 있어 해저면 퇴적물의 종류와 분포상태를 유추할 수 있는 중 요한 단서를 제공한다.
본 연구의 목적은 해저의 천부 퇴적층 아래에 매몰된 사석을 찾고 그 분포를 파악하는 것이므로 천부 퇴적층 의 두께나 정밀 해저 지형 탐사에 사용되는SBP를 사용 하였다 본 연구에서는 탐사에 사용된 시스템의 음원발. 생 수신신호의 처리과정 그리고 퇴적물의 물성과 음향, , 특성 사이의 관계를 고찰하고 이 시스템을 이용하여 획, 득한 음향자료의 처리 ․ 분석을 통하여 해저면 퇴적물의 분포상황을 분류하였다 현장탐사는 조력발전소를 건설. 부지인 경기도 시화호 방조제 부근 해역에서 실시되었으
며 공사 중 조류 및 해류에 의해 유실된 사석의 분포를, 천부해저 음향탐사방법을 이용하여 파악하였다 이렇게. 획득된 탐사자료는 수치모형실험과 축소모형실험을 통 하여 정확하게 해석되고 검증되었다 탄성파 모델링기법. 은 파동 전파의 특성을 규명하고 탄성파 해석에 기여할 뿐만 아니라 지하매질의 물성을 정량적으로 추출하는 탄 성파 역산에 필수적인 부분이다.
현장자료취득
SBP탐사의 원리
탐사는 탄성파 탐사의 일종으로 매우 높은 주파수 SBP
의 음원을 이용한다 원래 탄성파탐사는 탄성파를 생성. 시키고 방출된 탄성파가 물성이 다른 물체를 만나 반사, 되어 돌아오는 신호를 수신기에서 탐지하고 이를 처리, 하여 대상물 내부의 상태를 해석하는 과정이라 요약할 수 있다 반사파가 생기는 반사면은 음향 임피던스가 변. 화된 장소 즉 지층 경계면이나 지층 내부의 암상 또는, 유체상이 변하는 장소 단층면 등이다 일반적으로 지하, . 심부의 반사면에서 반사하는 파는 전파경로가 복잡하고, 반사파 신호의 에너지가 여러 잡음에 비하여 작기 때문 에 기록상에 잘 표출되지 않을 때가 많다 따라서 탄성파. 탐사에서는 현장탐사 작업에 의한 자료획득 측정 자료, 의 전산에 의한 자료처리 그리고 해석과정을 거치게 된, 다 반사파 기록 단면도에는 지층의 경계면 부정합면. , , 단층 등의 구조형태와 지층내의 퇴적형태 암상변화 등, 에 관한 정보가 포함되어 있다 따라서 반사파 기록단면. 도를 토대로 하여 지하구조의 형태 퇴적층서 및 퇴적환, 경을 해석할 수 있다.
은 탐사의 개요를 나타낸 것으로 항측 음
Fig. 1 SBP ,
원 수신장치 기록장치로 구분되는 탐사의 전반적인 과, , 정을 한 눈에 볼 수 있다 본 연구에서. SBP는 음원과 수 진기 역할을 동시에 수행하는 장치로서 수신된 신호를 아날로그 또는 디지털 기록장치를 이용하여 데이터를 획 득하는 역할을 한다.
최근SBP는 해저면 형상이나 해저지층에 대한 고해상 이미지 및 깊은 심도의 투과력을 제공하기 위해서 디지 털방식으로 만들어진 선형의FM 음향전달방식을 사용 하여Chirp 신호를 음원으로 하는 방법을 주로 이용한 다 시스템 음원의 출력은 마이크로컴퓨터에 의해 디지. 털방식으로 조절되어 기존의 짧은 펄스를 음원으로 사용 하는 해저지층탐사기에서 음원발생시 일반적으로 나타 나는 음원잔향(source ringing)현상을 방지한다 통상적. 으로 음원파형은 마이크로컴퓨터에 의해2-7kHz대역폭 의Chirp 신호로 형성되고 음원출력 시 정밀한 음원파,
형의 제어를 위하여 시스템의 주파수반응에 따른 위상과 진폭이 보정된다 이와 같은 정밀한 음원파형의 제어는. 수신된 자료의 처리과정에서 분해능을 향상시키는 요인 이 되기 때문에 중요하다. Chirp 신호는 주파수 영역에 서 가우스 스펙트럼 형태로 음원발생 시Side-lobe를 감 소시키고 해저면에서 반사, ․ 투과된 후에도 음원의 에너 지는 감쇠되나 그 대역폭은 유지된다 그래서 자료처리. 과정에서 심도에 관계없이 일정한 수직분해능(vertical
을 유지시킬 수 있다
resolution) (Schock and LeBlanc, 1990).
해저면에서 반사된 신호는 증폭기에서 증폭된 후 아, 날로그 디지털/ (A/D)변환기를 거쳐 디지털 값으로 바뀐 다 변환된 신호는 컴퓨터에 내장된 자료처리기에서. 과정을 통하여 해저면에서 반사된 신 Matched-filtering
호성분 중 음원신호와 상관성이 없는 잡음성분은 제거하 고 상관부분은Klauder파형으로 압축시켜 신호대 잡음 비의 향상과 더불어 수직분해능을 향상시킨다 그리고. 힐버트 변환에 의해 Envelope가 계산되고 전달거리에 따른 확산손실이 보정된 후 반사계수가 계산되며 이 반 사계수의 크기에 따라 색상등급을 주어 해저단면을 나타 내게 된다.
수신신호의 자료처리에 이용되는Matched-filtering과 이론에 대해 간단히 살펴보면
Envelop , Matched-filtering 은 입력신호와 필터링을 거친 출력신호를 푸리에 변환하 여 표현하는 것이다. Matched-filtering에 의한 신호대 잡음비의 향상은 펄스길이와 대역폭에 관계되고 이를, 처리이득(processing gain)이라하며 S/N(out)-S/N(in)=
10log(TBW 로 표현할 수 있다) (Schock and LeBlanc, 여기서
1990). T는 음원신호의 펄스길이(pulse length, 이며 는 대역폭 이다 이와 같이
msec) , BW (kHz) . Matched- 과정을 통하여 신호대 잡음비가 향상되고 음원 filtering
신호와 상관성이 있는 신호성분은 압축되어 해저지층단 면의 수직분해능을 향상시키게 된다 수직분해능은 근접.
한 층간 경계를 구분할 수 있는 최소한의 거리를 의미하 며 단일주파수 시스템에서는 분해능의 한계가 펄스길이 와 주파수에 의해 결정되지만, ChirpⅡ와 같은 다중주파 수 시스템에서는 대역폭에 의해 결정된다 즉 대역폭이. , 클수록 음원신호와 상관성이 있는 신호성분의 압축률이 증가되어 더욱 세밀한 층간구별이 가능하다 시계열. (time 로 표현되는 음향반사신호는 변환을 이용 series) Hilbert
하여 반사에너지를 파형의 극성(polarity)과 위상(phase) 에 관계없이Envelope함수로 표현할 수 있으며 이, 는 진폭을 측정하는데 사용된다 음향반사신호를 푸리에. 변환하고 주파수 영역에서 층계함수를 곱한 후 시간영, 역으로 푸리에 역변환 하여 얻게 되는 복소함수와
를 곱하여 ∙ 와 같이 최종적으로 En- velope를 구할 수 있다 주형태 등( , 1997).
현장자료취득시스템
본 탐사에서 사용한SBP 시스템은ChirpⅡ시스템으 로 광대역 주파수변조 신호를 음원으로 사용하는 깊은 투과력을 지닌 고해상도의 해저지층 탐사장비이다 이. 시스템은 컴퓨터에 의해 음원의 발생 및 신호의 수신 그, 리고 정량적으로 획득된 자료를 실시간 처리하여 해저면 의 특성을 파악할 수 있다 이 시스템은. 1kHz이상의 고 주파를 사용함으로써 해저면 퇴적물의 특성 분류를 위하 여 설계되었다(Schock et al, 1989).
시스템을 이용하여 경기도 시화호 방조제 축 ChirpⅡ
조 시 조류 및 해류에 의해 유실된 사석의 분포를 파악 하기 위해서Fig. 2와 같이 개의 조사구역을 설정하였4 다 붕괴된 방조제 부근에 유실된 사석들이 존재할 것으. 로 보고 작은가리기섬 부근의 붕괴된 방조제를 기준으로 내해와 외해로 구분하여 내해 개 구역2 (Area A, B)에 측 선22개와25개를 설정하였고 외해 개 구역, 2 (Area C,
Fig. 1. Layout of shallow marine Sub-bottom Profiling. Fig. 2. Survey area for field application.
에 개와 개 측선을 설정하여 탐사를 수행하였다
D) 31 36 .
은 각 구역의 모든 측선에 대한 탐사선의 항적을 Fig. 3
나타낸 것으로 현장자료취득이 조밀하게 이루어졌음을 알 수 있다.
는 현장에 사용된 자료취득시스템과 탐사수행을 Fig. 4
나타낸 것으로 ChirpⅡ 시스템의 본체부분 예인체인, 부분 항적을 나타내는 시스템 등으로 tow vehicle , DGPS
구성되었다 본 연구에 사용된 시스템은. ChirpⅡAcoustic 시스템으로서 최적화된 채널
Profiling 2 (dual channel), 이중주파수(dual frequency)소나 시스템이다 한 채널에. 서non-Chirp source로부터 얻은 자료를 처리하고 화면 에 나타내는 동안 동시에 다른 채널에서는, Chirp source 로부터 받은 자료를 처리할 수 있다.
본체 송수신부에서는Tow vehicle과Deck cable로 연 결하여 조사지역의 수심에 따라 음원발생 간격을 선택하 거나 외부 트리거(trigger)를 주어 다른 장비와 동조하여 음원을 발생시킬 수도 있다 또한 본체의 접속부는 항측. 시스템을 포함하고 있어 항해시스템으로부터 위치자료,
배의 속도 방위각등을 실시간 전송을 받을 수 있다 수, . 진기에 입력되는 탄성파 신호의 진폭은 매우 작기 때문에 중앙기록장치로 전달되기 전에 전증폭기(preamplifier)를 이용하여 적절한 수준까지 증폭한다 이 증폭된 신호는. 주기적으로 샘플링(sampling)되어 기록되고 채널로부터, 들어온 신호는 아날로그 디지털 변환기/ (A/D converter) 에 의하여 성분 펄스2 (binary pulse)로 변환되며 그 진폭, 은 진법 숫자로 기록되고 이 자료를 전산처리하게 된다2 . 본체부분에서 자료취득시스템에 사용된 소프트웨어는 디지털신호를matched-filtering과정을 통하여 기록장치 에 저장하고 기록되어진 자료와 같은, sonar data의multi- 를 생성하는 기능을 가지고 있다 자료처리장치
file view .
는Chirp파형을 생성하고sub-bottom sonar data를 처리 하고 표시하며 시스템의 작동상태를 파악하고 조절한, 다 송수신장치는 이중채널. (dual channel)로 음원파형을 고출력으로 송 ․ 수신할 수 있고sub-bottom echo를 측정 한다.
은 상대적으로 약 수심의 TTV-170 Tow vehicle 600m 천해에서 사용할 수 있도록 설계되었고 단일 저주파수, 변환기 다중 고주파수 변환기 그리고 쌍극자배열로 배, 치된 두 개의 하이드로폰을 포함하고 있다 두 개의 하이. 드로폰은 빔의 방향을 비스듬하게 하기 위해서 쌍극자배 열로 평행하게 배치하였다 이 장치의 음원발생 장치인. 송신부는2-7kHz의 대역폭을 가지고 있고 수신장치인, 수진기는 두 개의 성분 하이드로폰으로8 2-100kHz대역 의 주파수반응을 가진다.
탐사가 해상에서 이루어지므로 계획된 측선에서 일정 위치를 유지하며 탐사선이 진행하도록 하여 탐사를 수행 하여야 한다 하지만 본 탐사지역은 서해안으로 간조와. 만조의 차이가 매우 크므로 탐사선이 계획된 측선에서 많이 벗어나 탐사 시 큰 오차(error)를 낼 수 있었다 그. 래서 본 탐사는 만조 시 정조일 때 탐사를 시행하여 조 석간만의 차이로 인한 오차를 최소화하였고 항측, (navig- 을 위해 오차범위가 내외의 정확성을 가지는
ation) 1m
와 항측소프트웨어를 사용하여 탐사선의 운행에 DGPS
따른 측선과의 거리 오차 위치 오차를 최소화하였다, . 현장 탐사에서 사용한 자료취득변수는Table. 1에 나 타낸 바와 같이 발파 간격을0.25s의 등시간 간격으로 하여 탐사속도를 약4- knots로 유지함으로써0.5-0.625 마다 발파가 이루어지도록 하였다 의 해상도를
m . 16bits
가지는 기록장치를 사용하여 약50m의 조사심도에 대한 정보를 얻기 위해서 62.5ms동안 자료를 기록하였으며 각 트레이스 당2048개의 데이터를 취득하였다 본 연구. 에 사용된 시스템의 음원파형은 수심 약4-6m상에 전기 적 잡음을 가지고 있어 자료의 질을 저하시키는 요인으 Fig. 3. The track chart of survey line.
Fig. 4. Using data acquisition system in field.
로 작용하기 때문에 자료의12.2ms까지 뮤팅(muting)하 여 자료해석을 용이하게 하였다 그리고 자료에 대하여. 저진폭의 신호를 증폭시키고 고진폭의 신호를 감쇠시켜 서 신호들을 일정 범위 이내에 포함시키는 이득조절을 적용하여 자료의 정규화(normalization)를 통해 자료의 질을 향상시켰다.
현장자료해석 및 결과
시화호 방조제를 기준으로 내측A구역과B구역 외, 측C 구역과D구역의 대표적인SBP 단면도를 아래와 같이 제시하였다 세로축은 왕복주시. (Two Way Travel 가로축은 트레이스 번호 로 나타내 time), (Trace number)
었으며 화살표를 사용하여 단면도 상에 사석의 분포를 도시하였다 본 탐사지역은 퇴적환경이 발달한 서해안. 지역으로 두꺼운 퇴적층이 넓게 발달하고 있어 기반암이 노출될 가능성이 적은 지역이다 이 지역은 세립질 퇴적.
물들이 기반암 위로 두껍게 쌓여 있어서 기반암에 대한 반사 이벤트를 거의 볼 수 없었다 따라서 본 연구에서는. 기반암에 대한 음향적 반사신호들이SBP단면도에 나타 나지 않은 것으로 판단하였다.
는 내측 구역의 횡측선 의 단면도로서 음원
Fig. 5 A 5
신호의 지층 투과가 용이하여 퇴적층의 반사 이벤트를 매우 잘 보여주고 있다 해저면 반사 하부지층 반사 및. , 다중반사파를 관찰할 수 있으며 방조제 건설공사 중 제, 방의 붕괴 시 강한 조류에 의한 세굴(scour)때문에 만들 어진 채널(channel)의 모습을 명확히 볼 수 있다. Fig. 6 은 내측B구역의 종측선16의 단면도로써Fig. 5의 단 면도와 마찬가지로 하부지층 경계면에 대한 반사이벤트 를 볼 수 있으며 사석의 영향이 거의 없음을 알 수 있다, . 따라서 내측의 경우에는 방조제 건설시 강한 해류나 조 류에 의해 사석의 유실이 거의 없었을 것으로 판단된다.
외측C 구역의 횡측선 의 단면도를 나타내는9 Fig. 7 에서는 해저면 아래의 퇴적층에 대한 반사이벤트가 거의 나타나지 않음을 알 수 있다 이것은 사석에 대한 영향으. 로 음원 신호의 지층 투과가 거의 이루어지지 않아 퇴적 층의 반사 이벤트가 단면도 상에 나타나지 않는 것으로 판단된다 이 단면도에서는 다량의 사석으로 이루어진. 지형을 뚜렷하게 구분할 수 있으며 유실된 사석의 분포 범위를 단면도 상에 화살표로 표시하였다 그리고 방조. 제가 유실된 후 사석위로 침전물들이 퇴적되어 사석 분 포범위의 상부에 얇은 층의 니질퇴적층이 나타나는 것을 알 수 있다 외측. D구역에서는Fig. 8의SBP단면도로 부터 알 수 있듯이 조사 지역에 넓은 범위로 사석이 분 Table 1. Data acquisition parameter for field
Survey area Siwha embankment Receiver Chirp - Towfish Receiver
Two 8-element hydrophone array Source Chirp - Transducer
AT-471 low frequency transducer Record length 62.5 ms
Shot interval 0.25 s
Resolution 16bits
Recording data rate 2048개
Channel
Boundary of sediment Sea-bottom
Fig. 5. SBP section of horizontal-line 5 in Area A.
포되어 있을 것으로 사료된다 오른쪽의 사석 표시지역. 은 방조제의 하부로 해수에 의해 퇴적물의 침식이 발생 했으며 방조제 건설시 쌓인 다량의 사석에 대한 영향이, 나타나는 것을 볼 수 있다 그래서 천부 퇴적층의 반사. 이벤트가 나타나는 경우와 반사 이벤트가 수신되어지지 않을 경우로부터 유실된 사석범위를 추정할 수 있다.
전체의 단면도를 확인하여 보았을 때 외측C 구역의
경우는 전 지역에서 사석에 대한 강한 수신 이벤트가 측 정되어 강한 해류 또는 조류에 의해 유실되었을 것으로 추정되는 사석들이Fig. 9와 같이 외측C 구역 거의 전 지역에 걸쳐서 넓고 두껍게 분포되어 있을 것으로 판단 된다 그리고 외측의. D구역은Fig. 10과 같이 크게 군3 데에서 유실된 사석들이 분포되어 있을 것으로 사료되고 방조제와 가까이 있는 곳에 비교적 사석이 두껍게 분포
Distribution of Riprap
Fig. 6. SBP section of vertical-line 16 in Area B.
Distribution of Riprap
Fig. 7. SBP section of horizontal-line 9 in Area C.
하고 있는 것으로 예상된다 그리고 외측. C 구역과 가까 운 구역은 사석에 의한 산란으로 진폭이상이 관찰되지만 하부 퇴적지층의 반사이벤트 또한 희미하게 나타나므로 면적은 넓으나 사석이 얇게 분포할 것으로 추정된다.
현장자료해석에 대한 검증
수치모형실험에 의한 검증
컴퓨터를 이용하여 탄성파의 전파 현상을 기술하는 모 델링은 탄성파탐사에서 중요한 위치를 차지하고 있고 탐 사자료의 해석단계에서 많이 응용되고 있다 현장에서. 획득된 탐사자료는 자료의 해석과정을 통하여 지질학적 인 모델로 전환되며 이 모델에 대한 반응을 유한차분법 과 같은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 계산할 수 있게
된다 이와 같이 계산된 결과를 실제로 현장에서 얻어진. 자료와 비교하여 두 결과가 서로 잘 부합할 경우 위의 해석과정의 타당성을 입증할 수 있게 되는 것이다 따라. 서 본 연구에서는 유실된 사석의 음파특성을 알아보기 위해서 음향파동방정식의 차원 유한차분법을 이용하여2 수치실험을 하였다. 2차원 유한차분법 모델링은 유체역 학 분야 및 전자기파의 전파모델링에서 많이 사용되고 특히 해양음파 탐사와 유사한 상황인 유체 고체 매질인- 경우에 많이 사용된다 차원 유한차분법 모델링은 반사. 2 , 굴절 회절 산란 등 여러 가지 파동현상을 정확히 묘사, , 할 수 있고 정확하고 안정적인 해를 구할 수 있는 장점, 이 있다 신성렬과 이정환( , 2004; 김현섭, 1992).
본 연구에서는 유실된 사석의 음파특성을 알아보기 위 해서 차 근사 유한차분법 모델링을2 Fig. 11(a), 11(b)과 Sea-bottom
Boundary of sediment
Fig. 8. SBP section of vertical-line 21 in Area D.
Fig. 9. Distribution of riprap in Area C. Fig. 10. Distribution of riprap in Area D.
(a) without riprap (b) with riprap Fig. 11. A horizontal three-layered models.
t=10 ms t=15 ms t=20 ms t=25 ms
(a) (b) (c) (d)
Fig. 12. A succession of snapshots of the vertical velocity field based on the model shown in Fig. 11a.
t=10 ms t=15 ms t=20 ms t=25 ms
(a) (b) (c) (d)
Fig. 13. A succession of snapshots of the vertical velocity field based on the model shown in Fig. 11b.
같이 수평 3층 구조 모델에 대하여 적용하였다. Fig.
은 층 속도가 층 속도가 층
11(a) 1 1500m/s, 2 1800m/s, 3 속도가2500m/s인 모델로 일반적인 지층구조를 나타내 었고, Fig. 11(b)은 층 속도가1 1500m/s, 2층 속도가500 층 속도가 인 모델로 층은 사석에 의한 m/s, 3 2500m/s 2
음파의 회절 ․ 산란이 발생하는 층을 모사하여 적용하였 다 음파는 매질의 속도가 급변하거나 기하학적 형태가. 불연속적인 경우 회절 ․ 산란현상이 나타난다.
모델은50m×40m의 크기이며 에어건과 같은 파 음, P 원을 사용하여 가우스파형을 가지는 음파를 표면20m에 서 발생시켰고 수진기는1m 심도에1m 간격으로40개 를 설치하였다. Fig. 12와Fig. 13은 음파속도의 수직성 분을 각 시간에 따라 나타낸 순간포착사진(snapshot)이 며 매질의 경계와 매질의 음파속도에 따른 직접파, 1층 과 층 경계면의 반사파2 , 2층과 층 경계면의 반사파 등3 의 파동전파 현상을 관찰할 수 있다 특히. Fig. 13에서는 층의 사석에 대한 영향으로 음파가 회절 산란되어 나
2 ㆍ
타나는 것을 볼 수 있다. Fig. 14(a)는Fig. 11(a)모델의 합성탄성파 기록으로서 직접파 첫 번째 반사파 두 번째, , 반사파 등이 잘 나타나 있다. Fig. 14(b)는Fig. 11(b) 모 델의 합성탄성파 기록으로서 직접파와 첫 번째 반사파는 잘 나타나지만 두 번째 반사파는 나타나지 않고 음파들 의 잔향(ringing)을 볼 수 있으며 다중반사파도 관찰된 다 이것은 두 번째 층의 영향으로 음파들이 산란되어 잔. 향(ringing)처럼 보이는 것이라 사료된다.
축소모형실험에 의한 검증
축소모형실험은 탄성파 전파현상의 규명 음원 및 수, 진기의 다양한 배열과 지하지질구조에 따른 탄성파 진폭 등의 반응을 파악함으로써 탄성파 탐사자료를 보다 정량 적으로 해석하기 위해 이용되어 왔다 이러한 축소모형. 실험은 실제 탄성파와 매질을 이용함으로써 수치모형실 험의 단점을 보완할 수 있다 축소모형실험은 음원과 수. 진기의 공간 위치 모델의 기학학적 구조 지질모델의 매, , 질 등에 의한 많은 제한이 있지만 축소모형실험에 의해 서 획득한 자료는 신뢰성이 높으며 이벤트의 상대진폭, 을 이용하여 매질의 특성을 이해할 (relative amplitudes)
수 있다 신성렬 등( , 2001).
본 연구에서는 차원 지질모델에 대하여 다양한 음원3 - 수진기 배열을 적용할 수 있고 위치제어 및 자료취득이 자동적으로 이루어지는 탄성파탐사 모형실험장치를 이 용하고 층의 지층구조모델에 대한 탐사를 모사하여 천3 부해저 퇴적층 아래에 매몰된 사석의 탄성파에 대한 영 향을 알아보았다 실험장치를 이용하여 사석이 존재하지. 않는 모델(Fig. 15a)과 존재하는 모델(Fig. 15b)에 적용 해 보았다 지질모형은 수조에 수침 시켰을 때 얇은 플라. 스틱판이 수심이 약10cm 깊이가 되도록 하였고 그 하 부 약4cm 밑에 자형으로 구부러진 황동판을 놓았다S . 의 모델은 플라스틱판과 황동판 사이에 사석 Fig. 15(b)
과 유사한 산란을 일으키는2-6mm크기의 골재를 채워 사석을 포함하는 지질을 모사하였다.
이렇게 모사된 지질모형을 수조에 수침시킨 후 측선을 모형과 평행하게 하여 자료를 취득하였다 음원과 수진.
(a) (b)
Fig. 14. Synthetic seismogram based on the model shown in (a) Fig. 11a and (b) Fig. 11b.
기 역할을 동시에 수행하는 송신원 수신기를/ 1mm씩 움 직이면서 측정하여 총30cm를 이동하였고 샘플링 간격, 은10MHz,샘플링 수는1500개로 하였다. Fig. 16(a)은 모델에 대한 탄성파자료로서 첫 번째 경계면 Fig. 15(a)
과 두 번째 경계면이 잘 나타나고 있는 것을 볼 수 있으 며 다중반사파(multiple)도 관찰된다 그리고 평평하거나. 오목한 지역에 비하여 경사가 급한A지역의 반사파 진 폭이 상대적으로 작은 것을 관찰할 수 있다. Fig. 16(b) 은Fig. 15(b)모델에 대한 탄성파자료로서 첫 번째 경계 면에 대한 반사를 볼 수 있으나 두 번째 경계면에 대한, 반사는 확인할 수 없다 이것은 탄성파가 잔자갈을 통과. 하면서 복잡하고 심하게 산란되어 사석조사에서 관찰한 현상과 유사하게 하부 지층 경계면에서의 반사 진폭을 가리기 때문으로 사료된다.
결 론
본 연구에서는 탄성파 진폭특성을 이용하여 탐사지역 의 천부지층에 존재하는 유실된 사석의 존재 유무 분포, 및 경계를 파악하기 위해서SBP탐사를 실시하였고 수, 치모형실험 및 축소모형실험을 통하여 다음과 같은 결론 을 도출하였다.
시스템의 사용으로 천부 지층에 존재하는 사 1. SBP
석의 존재 유무를 확인할 수 있었으며 조사 구역상의 사 석의 개략적인 분포 및 경계를 설정할 수 있었다 내측의. 경우는 방조제 건설에 의해 발생한 사석의 분포를 제외 하고는 해류나 조류에 의해 발생한 유실된 사석이 거의 존재하지 않을 것으로 추정된다 외측의 경우는 전 지역. 에서 사석에 대한 강한 반사이벤트가 측정되는데 특히 구역에서 유실된 사석들이 넓게 분포되어 있을 것으로 C
brass plate plastic plate
aggregate
(a) (b)
Fig. 15. Photography of geological model for seismic physical modeling.
(a) (b)
Fig. 16. Seismic section from physical modeling (a) without riprap and (b) with riprap.(Based on the model shown in Fig. 15a and Fig. 15b).
판단된다.
탐사 자료에서 사석이 거의 존재하지 않는 지 2. SBP
역에서는 해저면 퇴적층 경계 다중반사파 등이 잘 나타, , 나는 반면에 사석이 집중적으로 매몰된 지역에서는 사, 석에 의한 반사 및 산란으로 큰 진폭의 반사 및 산란파 가 생성되어 하부 퇴적층의 경계는 가리움 현상으로 관 찰하기 힘든 진폭특징을 나타내었다 이러한 탄성파 진. 폭특성을 이용하여 탐사지역의 천부지층에 존재하는 유 실된 사석의 존재 유무 분포 및 경계를 성공적으로 파악, 할 수 있었다.
수치모형실험을 통하여 반사 산란 다중반사 등의
3. , ,
파동전파현상을 관찰할 수 있었으며 사석이 존재하지, 않는 모델의 경우 하부층의 경계면에 대한 반사이벤트가 나타났으나 사석이 존재하는 모델의 경우 그 반사이벤트 가 나타나지 않았다 이것은 사석을 포함한 퇴적층에 대. 한 음원신호의 반사 및 산란 때문에 진폭이상이 나타난 것으로 사료된다.
축소모형실험에서도 사석이 존재하지 않는 모델의 4.
경우와 존재하는 모델에 대하여 각각 상이한 탄성파 반 응 특성을 볼 수 있었고 특히 탄성파가 잔자갈을 통과하, 면서 복잡하게 산란 흡수되어 하부 경계면까지 도달하, 지 못하는 가리움 현상을 확인할 수 있었다.
사 사
조사결과에 대한 발표를 허락한 주 지오맥스에 감사( ) 드리며 자료 분석과 모델링 부분은 한국지질자원연구원, 국가지질조사 및 자원탐사 사업 가스 하이드레이트 관
‘ ’
련 위탁연구과제의 일부 지원을 받아 수행되었으며 이, 에 감사드립니다.
참고문헌
김현섭, 1992,고차 근사의 유한 차분법을 이용한 합성탄 성파기록의 작성 공학석사학위논문 서울대학교 서울, , , 신성렬 신창수 장원일 임종세, , , , 2001, “3차원 탄성파탐사 모형실험장치 개발”,한국자원공학회지,제 권 호38 6 , pp.
424-431.
신성렬 이정환, , 2004, “적응차감법을 이용한 단일채널 해 양탄성파 탐사 자료의 반향파 제거”,한국지구시스템공 학회지, 제 권 호41 5 , pp. 381-388.
주형태 유해수 김한준 장재경 홍종국 박건태 조현무, , , , , , , 김창환 허식, , 1997,퇴적분지 및 해저지형 해석을 위한 탄성파 및 음향자료의 분석기법 연구, BSPE 97621-00-
한국해양연구원
1046-5, , pp. 19-46.
Campbell, C., 2000, “3.5 kHz sub-bottom profiler seabed classification along selected ship's tracks on the Scotian Slope”, Geological Survey-Commission(GSC), Canada, GSC Open File Report #3928
Mindell, D.A. and Bingham, B., 2001, “A High-Frequency, Narrow-Beam Sub Bottom Profiler for Archaeological Applications”, IEEE Oceans Engineering Conference, vol. 4, pp. 2115-2123.
Schock, S.G., LeBlanc, L.R., and Mayer, L.A., 1989,
“Chirp sub-bottom profiler for quantitative sediment analysis”, Geophysics, Vol. 54, pp. 445-450.
Schock, S.G. and LeBlanc, L.R., 1990, “Chirp sonar : New technology for sub-bottom profiling”, Sea Technology, pp. 35-43.
Wunderlich, J., Wendt G., and Muller, S., 2004, “Detection of embedded archaeological objects using nonlinear sub-bottom profilers”, Proc. of the Seventh European Conference on Underwater Acoustics, Delft, Netherlands, July 5-8.
신 성 렬 김 찬 수
현재 한국해양대학교 해양개발공학부 부교수 (本 學會誌 第 卷 第42 5号參照)
년 한국해양대학교 해양과학기술대 2005
학 해양개발공학부 공학사
여 은 민
년 한국해양대학교 해양과학기술대학 2004
해양개발공학부 공학사
현재 현재 한국해양대학교 해양개발공학과 석사과정 재학중 (E-mail; [email protected])
김 영 준
현재 한국해양대학교 대학원 해양개발공학과 석사과정 재학중 (E-mail; [email protected])
현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 연구원 (本 學會誌 第 卷 第42 5号參照)
하 희 상
년 서울대학교 공과대학 자원공학과 1991
공학사
년 서울대학교 대학원 자원공학과 공 1993
학석사
년 서울대학교 대학원 자원공학과 공 1998
학박사
현재 주 지오맥스 대표이사( ) (E-mail; [email protected])
