Geophysics and Geophysical Exploration ISSN:1229-1064(Print) 2384-051X(Online) 지구물리와 물리탐사

암석의 취성도(Brittleness)는 단열의 복잡성 및 미소지진 발생 가능성을 평가하는 중요한 지표 중 하나로, 이산화탄소 지중 저장, 수소 지중 저장, 고준위 방사성 폐기물 지하 저장 등 다양한 지하 공간 활용 기술의 안전성 평가에 활용될 수 있다. 또한, 셰일 저류층 개발을 위한 수압 파쇄(Hydraulic fracturing) 설계와 스위트스팟(sweet-spot) 위치 선정에서도 중요한 변수로 이용되어 왔다. 일반적으로 취성도는 암석의 광물학적 특성 및 암석물리학적 물성 등을 통해 산정할 수 있다. 광물학적 특성은 석영, 방해석 등 구성 광물의 함량비를 이용하여 취성도 지수를 산출한다. 암석물리학적 물성을 이용한 취성도 분포 파악을 위해서는 대상 영역의 영률(Young’s modulus; E), 포아송 비(Poisson’s ratio; v)와 같은 암석물리학적 물성값이 필요하다. 물리검층 자료나 탄성파 자료를 통해 암석물리학적 물성을 도출할 수 있으며, 도출된 물성값을 기반으로 취성도 분포를 효과적으로 파악할 수 있다. 탄성파 탐사 자료는 광범위한 지층의 암석물리학적 물성을 파악할 수 있는 유용한 도구이지만, 간접 자료라는 특성상 높은 해상도의 물성 정보를 획득하는 데는 한계가 있다. 반면, 물리검층 자료는 시추공 내 계측기로 취득된 직접 자료로 높은 해상도의 정확한 정보를 제공하지만, 시추공 인근에 대한 지역적인 정보만 취득할 수 있다. 본 연구에서는 물리검층 자료와 탄성파 자료를 활용한 취성도 분포 연구 사례들을 분석하고, 노르웨이 국영 에너지기업 Equinor에서 학술 연구용으로 공개한 북해 Volve 유전 자료에 제안된 기법들을 적용하였다. 물리검층 자료와 탄성파 자료를 융합하여 예측된 지층 물성 정보인 Compressional travel time (DTC), Bulk density (RHOB), Shear wave travel time (DTS)을 활용하여 Volve 유전 지역의 영률과 포아송 비를 도출하였으며, 사례 연구 기준에 따라 Volve 유전 지역의 광역 취성-연성 분포를 효과적으로 분류하고 평가하였다.

탄성파 탐사 분야에서 회절파는 전통적으로 잡음으로 간주되었으나, 단층, 균열대, 소규모 이상체 등 미세 구조를 정밀하게 영상화할 수 있는 중요한 정보를 담고 있으며 다양한 분야에서 이를 활용하기 위한 연구가 진행 중이다. 한편, 육상과 인접한 연안 해역에서 취득된 초고해상 탄성파 탐사 자료에 대한 회절파 3차원 영상화는 큰 잠재력을 지니고 있으나 관련된 연구가 충분히 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 해양 개발 안정성 확보를 저해하는 다양한 위험 요소를 정밀하게 규명하기 위한 노력의 일환으로 연안에서의 초고해상 탄성파 자료에 대한 회절파 영상화 연구를 수행하였다. 국소 랭크 감소 기법을 활용하여 회절파를 효율적으로 분리하였으며, 초고해상 탄성파 탐사자료에 대한 최적의 공간 윈도우 크기와 최대 랭크값을 설정하기 위한 수치 실험이 수행되었다. EOS-Streamer 시스템을 이용해 포항 인근 해역에서 취득된 자료를 기반으로, 직접파, 반사파, 다중 반사파 등이 제거된 3차원 회절파 큐브를 생성하였다. 그 결과, 해저면 하부와 음향 이상대에서 발생한 다양한 회절파 이벤트를 효과적으로 분리 및 시각화할 수 있음을 확인하였다.

탄성파 축소모형 실험에서 고품질의 자료 및 연구 목적에 적합한 자료를 취득하기 위해서는 실험 입력 모델을 탐사 대상에 적합하도록 설계 및 제작하는 것이 중요하다. 기존의 모델 제작 방법은 다공성 모델을 제작하기에는 한계가 있었다. 그러나 기술의 발전으로 인하여 3D 프린팅 기술을 활용하여 다공성 모델 제작이 가능하게 되었다. 본 연구에서는 다공성 모델의 공극률을 제어하고 다공성 모델 제작에 적합한 3D 프린팅 방법을 확인하기 위하여 연구를 수행하였으며, 출력한 다공성 모델을 활용하여 탄성파 축소모형 실험을 수행하였다. FDM 방법이 다공성 모델에 적합한 3D 프린팅 방법인 것을 확인하였으며, 공극률을 제어하고 탄성파 축소모형 실험을 통해 공극률에 따른 P파 및 S파 속도를 분석하였다.

고준위방사성폐기물 심층처분 시스템의 종합적인 안전성을 평가하는 세이프티케이스의 개발에는 처분부지 지질환경에 대한 장기적인 변화 요소가 포함된다. 이와 관련해 기후변화, 해수면 변동, 지진, 단층활동 등의 여러가지 요소들과 더불어 암반의 장기적인 거동 특성은 주요한 예측 및 감시 대상 인자로 분류된다. 스웨덴의 고준위방폐물 관리기관인 SKB에서는 Äspö 연구 지역에 대하여 2000년부터 2004년까지 11차례의 GPS 관측 캠페인을 통해, 암반의 미세한 움직임을 감지하는데 GPS 기술의 적용 가능성과 한계를 분석하였다. 연구지역 내에 10개의 고정형 GPS 안테나 관측소를 구축하여 장기적인 데이터를 수집하였다. 장기관측 과정에서 GPS 자료 품질에 영향을 미치는 이온층 방해 등과 같은 외부 요인을 평가하고, 체계적인 자료 분석을 통해 GPS 모니터링이 암반의 장기적인 변형을 감지하는데 유용한 도구로 활용될 수 있음을 입증하였다. 그러나 연구 과정에서 태양 활동 주기에 따른 이온층의 방해와 같은 외부 요인이 관측 자료의 정확도에 영향을 준다는 점과 이를 최소화하기 위해서는 장기적인 관측 및 일관된 장비의 사용이 필요함을 강조하였다. 본 고에서는 이러한 프로젝트를 통해 수행된 주요 연구 활동과 결과, 그리고 교훈을 종합적으로 소개한다.