Ultra High Resolution Shallow Acoustic Profiling using the Parametric Echo Sounder: Discrimination of Marine Contaminated Sediments and Burial Depth Inspection of the Submarine Cable

(1)

비선형 측심기를 이용한 초고해상 천부음향탐사: 오염퇴적층 구분과 해저케이블 매설 검측

정섬규†․이용국

¹

․김성렬

¹

․오재경

²

(원고접수일：2010년 10월 11일, 원고수정일：2010년 11월 16일, 심사완료일：2010년 11월 30일)

Ultra High Resolution Shallow Acoustic Profiling using the Parametric Echo Sounder: Discrimination of Marine Contaminated Sediments and Burial Depth

Inspection of the Submarine Cable

Seom-Kyu Jung†․Yong-Kuk Lee

¹

․Seong-Ryul Kim

¹

․Jae-Kyung Oh

²

요 약 : 비선형 측심기를 이용한 초고해상 음향탐사는 기존의 고해상 음향탐사보다 투과력은 작지만 해 상력이 뛰어나기 때문에 천해역에서의 해저환경조사에 유용하게 사용된다. 비선형 지층탐사 시스템은 정 확한 수심측정 뿐 아니라 퇴적층과 하부구조에 대한 상세한 정보를 제공한다. 특히 상부 퇴적층의 정밀 층후 및 퇴적구조 확인을 통해 해저에 파묻혀 있는 pipeline, 침몰선박, 인위적 물체 등에 대한 탐색에 이용된다. 이 연구에서는 초고해상 지층탐사기를 이용하여 얻어진 지층탐사 기록과 지질자료를 대비하여 오염퇴적층을 구분하였다. 그리고 지층 기록에 나타나는 음향이상을 해석하여 해저에 매설된 케이블의 매 설 깊이를 검측하였다.

주제어 : 초고해상 천부음향탐사, 오염퇴적층, 매설 깊이

Abstract:

Compared to conventional high resolution acoustic profiling, ultra high resolution shallow acoustic profiling using parametric echo sounder is limited in penetration, yet it provides resolution suitable for detailed seabed investigation in the shallow waters. The parametric sub-bottom profiler system provides not only the exact determination of water depth, but also the detailed information about sediment layers and sub-bottom structures. Possible applications include dredging project, search of buried pipeline, ship wrecks, and other artificial objects through the detailed mapping of thickness and structure of the upper sedimentary layers. In this study, contaminated sediments were discriminated by the correlation of ultra high resolution profiles with geologic data. In addition, the burial depth of the submarine cable was measured by the interpretation of acoustic anomalies in the profiles.

Key words:

Ultra high resolution shallow acoustic profiling, Contaminated sediments, Burial depth

†교신저자(한국해양연구원, E-mail:[email protected], Tel: 031-400-6272) 1 한국해양연구원

2 인하대학교 해양과학과

1. 서 론

해저에서 사용되는 음원의 종류에 따라서 탐사되

는 지층구조는 조금씩 차이가 있다. 사용되는 음원 의 주파수가 낮은 경우에는 지층의 투과력은 향상

(2)

되지만 분해력은 저하된다[1]. 반면에 주파수가 높 은 경우에는 그 반대의 현상이 나타난다. 분해력과 투과력 모두를 만족하는 탐사기록을 얻는다는 것은 음파라는 간접적인 수단을 이용하는 음파특성의 원 리에 어긋나는 일이라고 볼 수 있으나 탐사결과는 주파수뿐만 아니라 음원의 종류와 에너지의 크기, 사용방식, 그리고 동일한 종류의 탐사장비를 사용 하더라도 운용 방법에 따라서 다르게 나타난다.

해저에서 이용되는 천부지층탐사기는 일반적으 로 Chirp sonar 시스템을 주로 사용하지만 해저 면 하부의 얕은 퇴적층에 대한 정밀 측정이 필요한 경우 상대적으로 더 고해상력의 지층탐사기를 사용 한다. 비선형 측심기를 이용한 초고해상 음향탐사 는 기존의 고해상 음향탐사보다 투과력은 작지만 해상력이 뛰어나기 때문에 천해역에서의 해저환경 조사에 유용하게 사용된다.

비선형 지층탐사 시스템은 정확한 수심측정 뿐 아니라 퇴적층과 하부구조에 대한 상세한 정보를 제공한다. 상부 퇴적층의 정밀 층후 및 퇴적구조 확인을 통해 해저에 파묻혀 있는 배관, 침몰선박, 인위적 물체 등에 대한 탐색에 이용된다[2-4]. 특 히, 항만과 천해역에서의 준설작업 시 정밀한 하부 구조 파악으로 준설량 산정과 설계에 많이 이용되 었다[3, 5, 6]. 또한 해저면의 지형을 잘 보여주어 해저의 dumpsite의 천부 구조 및 폐기물의 분포 모니터링을 가능케 하였다[7-8]

Figure 1은 전남 완도부근에 매설된 해저케이 블 지역의 지층탐사 기록으로 기존 고해상 음향탐 사기록 CHIRP II (a)와 비선형 측심기를 사용한 초고해상 음향탐사기록 (b)를 비교한 것이다. 해저 면하의 퇴적층의 하부 구조를 (b)가 상대적으로 더 잘 보여주고 있으며 고해상의 정보를 제공하고 있 다(기록 우측 - 타원, 대모도측). Figure 2는 전 남 고흥 해창만에서의 초고해상 기록이다. Y축 한 칸은 1 m 로 해저면 하 2~3 m 내에서 연속적이 고 해저면에 평행한 퇴적층리를 잘 보여주고 있으 며 퇴적층 하부에 gas로 집적된 음향영상도 볼 수 있다. 이는 조용한 현생환경에서 퇴적물이 순차적 으로 퇴적되었고 유기물 분해에 의한 가스(타원)가 퇴적물 내에 집적된 것으로 보인다. 이와 같이 초

고해상 기록은 side scan sonar와 병행하여 주로 현생 퇴적환경 연구에 중요한 역할을 하고 있다 [9].

본 연구는 인천항 내에서의 얻어진 초고해상지층 탐사 기록을 토대로 지질자료 및 오염인자를 대비 하여 오염퇴적층을 구분하였다. 또한 전라남도 완 도 남측의 대모도와 소안도 사이 해저에 매설된 전 력케이블의 매설 깊이를 초고해상 지층탐사기를 이 용하여 검측하였다.

(a)

(b)

Figure 1: Comparison of (a)Conventional High

Resolution Acoustic Profile(CHIRP II) and (b)Ultra High Resolution Shallow Acoustic Profile.

Figure 2: An example of Ultra High Resolution

Shallow Acoustic Profile showing continuous reflection patterrn and acoustic blanking(gas charged).

2. 조사방법 및 원리

2.1 조사방법

조사위치는 정밀항법위치시스템(DGPS, Trimble, 미국)을 이용하여 결정하였으며 조사지역의 수심분 포와 해저면의 지형특성을 파악하기위해 멀티빔 음 향측심기(SeaBat 8124; RESON)를 이용하였

(3)

다. 특히 해저면 직하부에 대한 초고해상의 지층구 조 파악을 위해 비선형 음향측심기(SES-96;

INNOMAR)를 사용하였다.

퇴적물의 오염정도와 특성을 파악하기 위해 수중 용 바이브로 코어로 시추퇴적물을 채취하였으며 Van-Veen grab과 McInTyrer grab을 사용하 여 표층퇴적물을 채집하였다.

2.2 비선형 음향측심기 원리

비선형 음향측심기(Parametric sediment echo sounder) 시스템은 음파의 비선형 효과 (Parametric Effect; 비선형효과)를 이용하기 위 한 음파의 발신 및 수신 장치로 구성되어 있다 (Figure 3). 일반적으로 사용하고 있는 수심측정 기와 비교해서 해저면 하부의 얕은 퇴적층에 대한 정밀 측정이 가능한 특징을 가지고 있다. 음파속도 는 압력, 온도, 염분 그리고 밀도에 영향을 받는다.

압력이 높고 물의 밀도가 다른 곳에서는 음파속도 가 비선형적으로 변한다. 음파의 진폭이 상대적으 로 큰 경우 빠르게 진행하기 때문에 높은 압력 하 의 음파는 파가 전달되는 동안 비선형의 파형을 만 들게 된다.

2개의 서로 다른 고주파가 전파되는 경우, 수중 에서 전파되는 동안 서로 영향을 미치게 되고 파형 의 합 또는 차의 주파수가 생성된다. 고주파는 수 심의 정확한 측정을 위해 사용되고, 새로운 주파수 의 파는 해저면의 하부로 전달, 반사되어 하부 구 조에 대한 정보를 제공하게 된다. 따라서 다른 주 파수의 2개 음파는 같은 방향으로 높은 압력의 파 형으로 전달되면, 그 전달된 음파는 불협화음이 되 어 겹침원리(principle of superposition)는 적 용되지 않는다. 즉 2개의 음파(주파수1 과 주파수 2)는 수중 내에서 상호 영향을 미치며, 주파수 1- 주파수 2의 새로운 주파수 특성을 보이는 음파를 형성한다(Table 1). 초기 주파수인 주파수 1과 주파수 2는 수심의 정확한 측정을 위해서 사용되 며, 다른 주파수(secondary frequency)는 낮은 주파수를 특성으로 해저면 하부의 지층에 대한 정 보를 제공하게 된다[10]. 본 연구지역에서는 10 kHz 와 12 kHz 의 주파수를 사용하여 지층 기록

을 취득하였다.

Table 1: Examples for primary and secondary

frequencies.

주파수1 주파수2 주파수1－주파수2 102 kHz 98 kHz 4 kHz 103 kHz 97 kHz 6 kHz 104 kHz 96 kHz 8 kHz 105 kHz 95 kHz 10 kHz 106 kHz 94 kHz 12 kHz

Figure 3: Description of the Parametric effect[6].

2.3 오염퇴적물 분석

채취된 표층퇴적물 및 시추퇴적물의 중금속과 미 량원소의 오염정도를 농집지수(Index of geoaccumulation, I

하였다[13].

3. 본 론

3.1 조사지역 3.1.1 인천항 지역

본 연구지역은 인천항 선거 내 지역으로 주변의 육지로부터의 퇴적물 유입 등이 전혀 예상되지 않 는 지역으로 배수 갑문을 통한 해수의 입출 이외의 해수 이동이 전혀 없는 폐쇄성 구역이다[14]. 남북 으로 약 2.5 km, 동서로 약 2 km 지역에 대하여 20~30 m 간격으로 총 65~75개 측선 조사가 수 행되었다(Figure 4). 그리고 퇴적물의 오염정도 를 파악하기 위해 19개의 표층퇴적물과 5개의 시 추퇴적물이 채취되었다(Figure 5).

Figure 4: Ship's tracks with the coring site in Incheon

Port[14].

Figure 5: Sampling station of Incheon Port[15].

인천항 선거 내 조사구역은 안벽 부근의 약 2 m 로부터 가장 중앙의 약 9.5 m의 수심 분포를 보인 다. 특히 선거 내 출입 입구인 갑문 지역(연구지역 서측)을 중심으로 해저면에 깊은 골이 형성되어 있 음을 확인할 수 있다. 선거 내의 우측 지역을 제외 하면 수심 유지를 위한 전 구역에서의 준설 등에 의한 지형 변화를 확인할 수 있으며, 특히 선거내 의 중앙에는 인위적일 것으로 판단되는 폭 3~5 m 의 남북을 통과하는 골이 형상되어 있는 특이한 지 형변화가 나타난다. 해저면의 상층부는 다양한 규 모의 요철로 인해 매우 복잡한 지형을 보인다 (Figure 6).

Figure 6: Mutibeam bathymetry of Incheon Port.

3.1.2 소안도-대모도 지역

소안도 ~ 대모도 해저케이블 매설구간은 전라남 도 완도 남쪽에 위치하고 있으며 전반적으로 뻘질 의 부드러운 퇴적물로 구성된 현생퇴적층이 두껍게 분포하고 있는 지역이다. 그러나 소안도 연안 부근 으로 접근하면서 두꺼운 퇴적층이 없어지면서 소안 도에서 연장된 암반이 해저면을 이루고 있고, 이 지역 상부에는 자갈 모래 뻘이 혼재되어 있으며 퇴 적층이 얇게 분포한다. 최대 수심은 약 26 m 정도 이며 총 46개의 측선이 소안도 대모도간의 매설된 해저케이블에 대해 횡축으로 조사되었다(Figure 7).

(5)

Figure 7: Ship's tracks between Soan-do and

Daemo-do[2].

3.2 퇴적층 구분

먼저 초고해상 정밀 지층 기록으로부터 연결성이 양호하고 상하 구분이 가능한 면을 해석하여 층의 경계면을 구분한다. 그 구분된 경계면과 시추시료 분석 결과에서 퇴적상이나 특성이 변하는 지점과 비교하여 제 1층(혼합층)의 경계면을 결정한다 (Figure 8, 9). 그리고 이 경계면을 지층 기록에 서 연결하여 제 1층의 두께를 계산하였다. 인천항 내의 해저면 하부의 표층 혼합층을 포함하는 제 1 퇴적층의 두께 분포는 40 cm 에서 최대 120 cm 까지 분포하며, 주변과 차단되어 있어 퇴적물 유입 이 없는 지역으로 배수 갑문을 통한 해수의 입출 이외의 해수 이동이 전혀 없어 퇴적층이 거의 균일 하게 쌓여 있다(Figure 10).

Figure 8: Correlation between core data and ultra

high resolution shallow acoustic profile.

Figure 9: Determination of the 1'st layer in Incheon

Port.

Figure 10: The thickness of the 1'st layer in Incheon

Port.

3.3 농집지수를 이용한 오염퇴적층 분포

인천항에서의 표층퇴적물의 농집지수(index of geoaccumulation, I

geo

) 등급은 1~2의 범위를 나타냈다. 정점 1~7에서는 2로 상당히 오염된 지 역이고, 나머지의 정점에서는 등급이 1인 오염이 안 된 지역에 해당되었다(Table 2).

농집지수의 수직 분포는 정점 C2 에서는 모 든 깊이에서 1의 값을 보였으며, 정점 C1 에서 는 20-60 cm, C3 에서는 0-22 cm, C5 에서는 0-80 cm 깊이에서 2이상의 값을 나타냈다 (Table 3).

(6)

Table 2: Geoaccumulation index(I geo

) values in surface sediments of Incheon Port.

Igeo_Cr Igeo_Ni Igeo_Cu Igeo_Zn Igeo_As Igeo_Cd Igeo_Pb Igeo_Hg Igeo_max class class class class class class class class class

IC 01 0 0 2 2 1 1 1 1 2

IC 02 0 0 1 2 1 1 1 0 2

IC 03 0 0 2 1 0 1 1 1 2

IC 04 0 0 1 2 1 1 1 1 2

IC 05 0 0 2 2 1 1 2 1 2

IC 06 0 0 2 2 1 1 2 2 2

IC 07 0 0 2 2 1 1 2 2 2

IC 08 0 0 1 1 0 0 1 0 1

IC 09 0 0 2 1 1 0 1 0 2

IC 10 0 0 1 1 0 0 1 0 1

IC 11 0 0 1 1 0 0 1 0 1

IC 12 0 0 1 1 0 0 1 0 1

IC 13 0 0 2 1 0 1 1 0 2

IC 14 0 0 1 1 0 0 1 0 1

IC 15 0 0 2 2 1 2 1 0 2

IC 16 0 0 2 2 1 1 1 0 2

IC 17 0 0 0 1 0 0 1 0 1

index(I

geo

) values of Incheon Port.

3.3 매설깊이 검측

초고해상 해저지층 기록에서 고주파 및 저주파 기록을 동시에 비교 분석하였다. 고주파 기록은 저 주파보다 해상력이 좋아 뚜렷한 이미지를 보여주고

(a)

(b)

Figure 12: Ultra high resolution shallow acoustic

profiles[2]: (a) Acoustic anomaly (b) Burial depth.

(7)

저주파는 투과가 잘 되어 하부의 층을 고주파보다 잘 보여 주고 있다. 이 두 기록을 함께 비교 분석 하면 퇴적층 내에서 주변 지질과 밀도 차이가 큰 이상물체(매설케이블, 딱딱한 물체 등)로 판단되는 음향이상(Acoustic Anomaly)이 확인되며 이는 쌍곡선 음향 또는 강한 반사면으로 보인다 (Figure 12 (a)). 이 반사면을 기준 해저면과 비 교하고 일반적으로 적용되는 뻘질퇴적층(Clayey silt)의 음속 1549 m/sec 를 적용하여[16] 매설 깊이를 측정하였다(Figure 12 (b)).

총 조사구간에 대하여 초고해상 해저지층 기록 결과를 분석하여 매설된 해저전력케이블의 매설심 도를 제시하였다. 대모도에서는 2.0 m, 소안도 부 근에서는 약 1.2 m 정도의 깊이로 매설되어 있음 을 확인하였다.

4. 결 론

오염퇴적물의 물량은 고해상 정밀 지층기록으로 부터 해석된 제 1층(혼합층)의 분포와 지화학적 분 석 방법 중 여러 중금속 및 오염인자 분포에 따른 농집지수(index of geoaccumulation, I

geo

)의 표층분포와 수직분포를 비교 분석하여 산정하였다.

산정방법은 1. 각 시추퇴적물 정점에서 농집지수의 수직분포에서 오염층의 깊이를 고해상 지층기록과 비교 분석하여 고해상 지층기록에서 오염층의 경계 면을 결정한다. 2. 고해상 지층기록의 제 1층 경계 면과 오염층의 경계면을 비교하여 타당성을 검토한 다. 3. 결정된 오염층의 경계면과 농집지수의 오염 층 표층분포도에서 황색의 오염지역의 면적으로 부 피를 산정한다.

인천항의 시추퇴적물 C5의 농집지수의 수직분포 는 상부에서 80 cm 까지 I

geo

≥2 이다. 이 깊이를 지층기록과 비교하여 보면 제 1층의 경계면과 유사 하고 이 지층기록의 층 두께를 농집지수에 의한 황 색오염 분포면적을 적용하여 오염퇴적물의 물량을 계산하였다.

인천항에서의 오염퇴적물의 물량은 약 481,221

㎥ 정도로 산정되었다. 이는 오염인자 분석에 따라 다소 차이가 날 수 있고 또한 적은 수의 시추퇴적 물로 인해 지역적으로 오염층의 구분 및 부피계산

에 어려움이 있었다. 보다 정확한 결과를 내기위해 서는 향후 더 많은 시추퇴적물과 초고해상 지층탐 사의 정밀한 조사가 요구된다.

초고해상 음향탐사는 기존의 고해상 음향탐사보 다 투과력은 작지만 해상력이 뛰어나기 때문에 해 저면 하부의 얕은 퇴적층에 대한 정밀 측정이 가능 하다. 따라서 본 연구에서 초고해상 지층탐사기를 이용하여 얻어진 지층탐사 기록과 지질자료를 대비 하여 오염퇴적층 구분 및 물량을 산정하였고 지층 기록에 나타나는 음향이상을 해석하여 해저에 매설 된 케이블의 매설 깊이를 검측 제시하였다.

참고문헌

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Soc. Am, vol. 68(5), pp. 1313–1340, 1980.

저 자 소 개

정섬규(鄭贍揆)

1993년 부산대학교 대학원 졸업(이학 석사), 2000년 인하대학교 대학원 박 사과정 수료, 현재 한국해양연구원 선 임연구원

이용국(李庸國)

1997년 인하대학교 대학원 졸업(이학 석사), 2009년 인하대학교 대학원 졸 업(이학 박사), 현재 한국해양연구원 책임연구원, 해양위성∙관측기술연구 부 부장

김성렬(金聖烈)

1979년 서울대학교 대학원 졸업(이학 석사), 1997년 동경대학교 대학원 졸업 (이학 박사), 현재 한국해양연구원 책 임연구원, 남해연구소 소장

오재경(吳在京)

1972년 서울대학교 졸업, 1976년 프랑 스 보르도 I 대학교 대학원(이학 석사), 프랑스 보르도 I 대학교 대학원 졸업 (이학 박사), 현재 인하대학교 해양과 학과 교수