서론
해저 탄성파 탐사 장비
탄성파 음원
수진 및 기록 장치
항측 시스템
해저 탄성파 탐사 방법
2/3/4차원 탐사
방위각 탐사
광대역 탄성파 탐사
다성분탐사
천부 고해상 탐사
탄성파 자료처리
참반사 보정
완전 파형역산
탄성파 자료해석
탄성파 층서해석
탄성파 속성분석
지구조 연구
국내 탐사 기술 현황
향후 탐사 전망
서론
해저 탄성파 탐사는 해저의 지층을 파악하는 데 매우 유용한 방법으로 석유 ․ 가스의 탐사에 이용되면서 크게 발전하였다. 해저 탄성파 탐사는 에어건과 같은 음원 장치를 이용하여 수중에서 음파를 발생시키고 해저의 지층 경계면에서 반사되어 되돌아오는 신호를 일정 간격으로 수진기가 내장된 스트리머 케이블(streamer cable)로 수신하며, 수신된 자료를 전산처리하여 탄성파 영상을 제작함으로써 지층구조를 파악하는 방법이다.
음원과 수진기의 거리에 따라 신호의 반사 각도가 달라지게 되는데 이에 따라 입사각이 임계각보다 작은 반사법 탐사와 임계각으로 입사한 굴절파를 이용하는 굴절법 탐사로 분류할 수 있다. 반사법 탐사 자료는 지층의 구조를 잘 나타내며 굴절법 탐사 자료는 지층에서의 탄성파 전파 속도의 파악에 유용하다. 반사법 탐사는 측선을 탐사하는 2차원 탐사로부터, 3차원 탐사 그리고 4차원 탐사로 발전되었다. 석유 탐사에 가장 큰 비중을 두고 발전되었으나 이산화탄소 지중저장을 위한 탐사에도 사용된다. 해상에서 굴절법 탐사는 소노부이와 같이 하이드로폰 수신장치를 수면에 띄우고 수신한 신호를 무선으로 송신하여 탐사선에서 기록하게 되는데 탐사선과의 거리가 멀어지면 굴절파가 기록된다. 최근에는 해저면 지진계(ocean bottom seismometer, OBS)를 설치하여 광각 굴절파를 포함한 다성분 자료를 취득하여 지구조 연구에 활용되고 있다.
탄성파 탐사는 탐사 대상의 심도에 따라 분류하기도 한다. 석유 탐사와 같이 깊은 심도를 대상으로 하는 탐사는 수중 장비의 규모가 크며 탄성파 신호의 주파수가 낮으나, 해안 부근에서 기반암의 지질을 파악하기 위한 엔지니어링 탐사와 연근해 지질 조사 등 얕은 심도를 대상으로 하는 천부 탐사는 수중 장비의 규모가 작고 송수신 신호의 주파수는 높다.
이와 같이 해저 탄성파 탐사의 종류는 다양하다. 그러나 대부분 탐사는 현장에서의 자료 취득으로 시작되며, 취득한 자료를 전산처리하는 과정을 거치고, 자료처리 결과로부터 석유 부존이 유망한 지역을 찾거나 암석의 특성을 도출하는 자료해석을 수행하게 된다. 이 논문에서는 보다 자세한 탐사 방법들을 이러한 단계별로 살펴보고자 한다.
자료 취득에서는 탐사선 후방에 예인하면서 탐사를 수행하는 음파 발생 장치와 신호 수신 장치, 탐사선에서 자료를 기록하는 장치, 그리고 위치를 파악하는 항측 장치에 대해 기술하고자 한다. 해저 탄성파 탐사는 탐사 대상 지역에서 격자 모양의 탐사 측선을 탐사하는 2차원 탐사에서부터, 보다 정밀한 입체적인 구조를 파악하기 위하여 매우 조밀하게 수행하는 3차원 탐사로 발전되었으며, 여러 차례 3차원 탐사를 수행하고 그 변화를 파악하는 4차원 탐사/시간경과(time lapse) 3차원 탐사로 발전되었다. 또한 탐사 측선 방향에 기인한 조영(illumination) 영향을 배제하기 위한 다중 방위각 탐사(multi-azimuth survey), 특정 주파수의 신호 손실을 방지할 수 있는 광대역 탐사(broadband survey), 다성분 신호를 기록하는 OBS, 해저면 케이블(ocean bottom cable, OBC) 및 해저면 노드(ocean bottom node, OBN) 다성분 탐사가 발전되었으며(Yoo, 2013) 이에 대하여 알아보고자 한다.
자료처리에서는 탄성파 단면도 제작을 위한 일반적인 자료처리 기법 등을 알아보고, PC 클러스터 또는 GPU(graphic processing unit)로 구성된 슈퍼 컴퓨터에 의한 참반사 보정과 파형역산에 대해 기술하고자 한다. 자료해석에서는 컴퓨터를 이용한 속성 분석에 의한 구조 및 층서 해석에 대해 기술하고자 한다. 마지막으로 향후 전망에 대해 알아보고자 한다.
해저 탄성파 탐사 장비
해저 탄성파 탐사자료를 얻기 위한 일반적인 탐사 장비는 음원, 수신 및 기록장치, 항측 장비로 구성되고, 시간적으로 동기화되거나 서로 연결되어 신호를 주고받으며 통합적으로 운영된다.
탄성파 음원
해상에서 수층과 해저면 하부로 탄성파를 보내기 위한 대표적인 해양 탄성파 음원으로 에어건과 스파커, 부머 장비 등이 있다. 좋은 탄성파 음원은 대상 깊이와 수진기까지 탄성파를 전달시키고 높은 신호 대 잡음비를 얻기에 충분한 강도를 가지며, 해석이 용이하도록 임펄스 형태의 파형과 넓은 대역폭을 가져야 한다. 특히 에어건 파형은 예측이 가능하고, 재현성이 좋으며, 조절이 가능하여 가장 널리 사용된다(Landrø and Amundsen, 2010).
에어건 음원 시스템은 고압공기압축기, 에어건 배열(array), 음원조절장치, 배열 부대장치 등으로 구성된다. 단일 에어건에서 방출된 공기 기포의 연속적 팽창과 수축에 의한 파형(air-gun signature)의 특성은 강도와 기포(bubble) 주기 등으로 설명되며, 이들은 건의 용적, 발파 압력, 건의 깊이 등과 관련된다(Dragoset, 2000). 건 용적과 발파 압력이 클수록 건 파형의 강도가 커지고 기포 주기도 길어진다. 건 깊이가 커질수록 기포 주기가 짧아지며, 건 용적이 클수록 저주파수 특성을 보인다. 이러한 특징들을 고려하여 파형의 품질을 높이기 위한 다양한 방법들이 시도되어 왔다(Caldwell and Dragoset, 2000).
공기 기포의 최초 팽창 및 수축에 의한 일차(primary) 파형과 이후의 팽창과 수축에 의한 이차 기포 파형의 크기의 비(primary-to-bubble ratio, PBR)를 높이고자 용량이 서로 다른 여러 에어건을 동시에 발파시키는 동조 에어건 배열(tuned air-gun array)을 사용한다(Dragoset, 2000). 일반적으로 사용되는 에어건의 용적은 30~800 in3 정도이며, 전체 에어건 배열의 용적은 3,000~8,000 in3 정도이다. 일반적인 3차원 탄성파 탐사에서는 통상 4~8개의 에어건으로 구성된 소배열(sub-array) 3~6조가 많이 사용된다. 에어건 발파 압력은 2,000 또는 3,000 psi가 사용되며, 에어건은 6~10 m 깊이로 예인된다(Caldwell and Dragoset, 2000).
작은 에어건 2~3개를 수십 cm 간격으로 가깝게 배치하여 발파함으로써 발생된 공기 기포가 합쳐져 하나의 큰 에어건처럼 작동하면서 기포 효과가 줄어든 효과적인 파형을 만들어내는 클러스터 건(cluster guns)을 사용하거나(Landrø and Amundsen, 2010), 단일 에어건을 발생기(generator)와 주입기(injector)로 구성하고, 발생기에서 일차 공기 기포를 발생시키고 일정한 시간 지연 후에 주입기에서 2차 공기 기포를 발생시키는 G-I 모드로 운영하여 기포 효과를 줄이기도 한다(Avedik et al., 1993; Breitzke et al., 2008).
해저 탄성파 탐사에서 사용되는 스파커(sparker) 음원은 에어건 음원 시스템에 비해 구성과 운용이 비교적 용이하며 보다 높은 주파수 파형을 얻을 수 있다. 통상 콘덴서 뱅크에 저장된 에너지를 3~300개의 전극을 통해 방전하며, 용량은 200~12,000 Joule로 다양하게 사용된다. 음원 파형은 스파커의 배열에 구성된 전극의 수, 전극의 배치 등과 관련된다.
수진 및 기록 장치
음원에서 발생된 음파 에너지가 해저면 및 하부 지층 경계면에서 반사 또는 굴절되어 되돌아온 에너지를 수신하기 위해 일반적으로 하이드로폰(hydrophone)을 사용한다. 하이드로폰은 음파에 의한 압력 변화를 감지하여 전기적인 신호로 변화하는 장치이며, 하이드로폰의 낮은 민감도를 높이고 잡음을 줄이기 위하여 여러 개의 하이드로폰을 모아 하나의 그룹(group) 또는 배열(array)을 구성한다(Bedenbender et al., 1970; Sheriff and Geldart, 1983). 여러 개의 그룹이 모인 액티브(active) 섹션 여러 개를 연결하여 하나의 스트리머를 구성한다. 일반적인 석유탐사용 스트리머의 그룹간격은 12.5 m이나, 높은 수평해상도를 얻기 위하여 6.25 m 또는 3.125 m 그룹을 사용하기도 한다. 스트리머의 사양은 액티브 섹션의 길이, 직경, 그룹 간격, 섹션당 그룹 수, 그룹당 하이드로폰 수, 민감도, 발라스트 물질 등에 따라 결정된다.
유체(fluid) 스트리머는 스트리머 내부의 하이드로폰과 와이어, 통신 케이블, 스페이서(spacer) 주위를 케로진(kerosene) 오일로 채운 스트리머이다. 파도는 스트리머 주변 해수를 교란시켜 스트리머에 진동을 유발하기 때문에 약 5~10 m 깊이로 예인한다. 그러나 파도에 의해 유발된 진동은 유체 스트리머 내부 오일을 국부적으로 팽창시키고 그 영향이 스트리머 앞뒤로 파동처럼 이동하여 벌지파(bulge wave)를 발생시켜 스트리머는 잡음에 오염되고 표피가 손상될 때 오일이 해수로 유출되기도 한다. 최근 스트리머 내부에 젤(gel)이나 압축 고분자 부유체로 채운 고형(solid) 스트리머가 개발되어 너울 잡음과 예인 잡음에 덜 민감하여 S/N 비가 높고 해상 상황에 영향을 덜 받아 작업 효율이 높아졌다(Dowle, 2006).
또한 음파의 압력과 속도 수직 성분을 동시에 측정하기 위하여 하이드로폰과 속도 센서가 설치된 이중 센서 스트리머가 개발되어 해상도가 높은 자료를 얻을 수 있고, 스트리머를 깊게 예인할 수 있어 작업이 가능한 날씨 구간이 길어져 탐사효율이 높아진다(Carlson et al., 2007).
해저면 다성분 탐사에서는 수직 성분과 2개의 직교 수평 성분을 측정하는 3성분 지오폰과 하이드로폰으로 구성된 4성분 수진기를 해저면에 위치시켜 탐사를 수행한다.
기록장치는 항측 시스템에서 보내온 트리거 신호에 따라 스트리머로부터 전달된 디지털 탄성파 신호를 자기 테이프에 기록하는 역할을 한다. 주요 자료기록 변수는 샘플 간격, 기록 시간, 채널수, 기록 필터, 기록 형식 등이다. 탐사자료는 미국지구물리학회의 표준 형식인 SEG-D 또는 SEG-Y 형식으로 기록한다.
항측 시스템
해저 탄성파 탐사에서 탐사선과 탄성파 탐사장비의 위치와 시간을 정확히 측정 및 산출하기 위해 종합 항측(integrated navigation) 시스템이 활용된다. 특히 해저 탄성파 탐사에서는 탐사선, 음원, 수진기 등의 위치를 실시간으로 측정하고 계산하며, 계획된 측선을 따라 탐사선을 이동시키고 모든 장비의 시간을 일치시켜 정밀한 탐사가 이루어지게 한다.
탐사선, 음원, 테일부이(tailbuoy)에 위성 항측(GPS) 수신기를 설치하여 위치자료를 수집하는데, 탐사선 정밀 측위를 위해 정밀 DPGS 신호를 이용하고, 음원과 테일부이의 측위는 탐사선 기준위치로부터의 거리와 방위각을 상대적으로 측정하는 RGPS(relative GPS) 정보를 이용한다. 또한 음원과 수신 장비에 음향 거리측정기(acoustic unit) 및 컴퍼스(compass)를 부착하여 거리 및 방향 정보를 수집한다. 컴퍼스 장치는 약 300 m 간격으로 부착하여 스트리머의 휘어짐(feathering) 정보를 파악하며, 탐사선, 음원, 스트리머에 음향 거리측정기를 부착하여 서로간의 거리를 측정하고 이를 매트릭스 형태로 구성하여 장비간의 거리와 위치를 산출한다.
항측 시스템은 DGPS 자료, 자이로, 스피드 로그, 컴퍼스 자료, 수심 자료, 시간 등을 수신하여 탐사선의 위치 및 속도를 정확히 산출한다. 또한 탐사선이 발파점 위치를 지나는 순간에 음원 발파와 자료기록을 유도하는 트리거 신호를 음원조절장치와 기록장치에 보내준다. 이를 통해 정확한 등거리 발파가 가능하다. 항측 자료는 국제 표준형식인 UKOOA(United Kingdom Offshore Operators Association) 호환 형식(UKOOA P1/90, P2/94)으로 기록한다.
해저 탄성파 탐사 방법
해저 탄성파 탐사는 탐사측선을 따라 이동하며 수직 2차원 단면을 얻는 2차원 탐사에서부터, 일정한 해역 하부의 3차원 지층 입체를 파악하는 3차원 탐사, 3차원 탐사를 시간 차이를 두고 반복적으로 수행하여 시간에 따른 변화를 파악하는 4차원 탐사 등으로 구분할 수 있다. 점차 정밀도와 해상도를 높이기 위한 새로운 탐사 방법들이 개발되고 있으며, 방위각 탐사, 광대역 탐사, 해저면 탐사 등이 적용되고 있다. Fig. 1은 유가스전 E&P 단계에 따라 적용되는 탐사 기술과 방법을 나타내며(Rice et al., 2014), Fig. 2는 센서의 배열, 자료 밀도, 센서 종류에 따른 해저 탄성파 탐사 방법들을 나타낸다(IAGC, 2011).
2/3/4차원 탐사
해저 2차원 탄성파 탐사는 음원과 수진기를 직선으로 배열하고 탐사하여 측선 하부의 2차원 단면을 파악하는 방법이다. 스트리머 2차원 탐사는 탐사선이 계획된 측선을 따라 1조의 스트리머와 1조의 음원 배열을 예인하며 일정한 거리 또는 시간 간격으로 탄성파 에너지를 발생시키고 일정 길이의 스트리머를 이용하여 탄성파 에너지를 탐지하여 측선 아래의 수직 2차원 단면을 얻을 수 있다. 대부분의 석유가스는 일반적으로 1 km 이상 깊이에 부존하며, 4~5 km 깊이까지 존재하는 경우도 많다고 알려져 있다. 따라서 스트리머 길이를 대상 깊이와 동일하게 설정하는 자료취득 설계의 경험 법칙에 비추어 스트리머를 4~6 km 또는 그 이상으로 길게 해야 하며, 충분한 대상 깊이까지 에너지를 투과시키기 위해 대략 8~60 Hz 대역의 저주파수 에너지 음원이 필요하게 된다(Bulat and Long, 2006; George, 1996). 최근에는 2차원 탐사에서 12 km 길이의 스트리머를 이용하는 원거리(long offset) 탐사가 일반적으로 수행되고 있다.
3차원 탐사는 바둑판 형태의 조밀한 격자망의 형태로 음원과 수진기를 배열하거나 탄성파 측선을 조밀하게 이동해가면서 3차원 탐사 자료를 취득하여 지하 지층구조를 입체적으로 파악하는 방법이다(Vermeer, 2012). 스트리머 3차원 탐사는 탐사선이 2조의 음원과 여러 조의 스트리머를 예인하고 2조의 음원을 교대로(flip-flop) 발파하면서 탐사를 수행한다. 자료취득과 동시에 실시간 비닝(binning)을 수행하여 최적의 커버리지를 얻을 수 있도록 탐사선의 위치를 좌우로 조정한다. 3차원 탐사는 2차원 탐사에 비해 자료 밀도가 높고, 면외(out-of-plane) 반사 문제를 해결할 수 있고, 지하 구조나 유체 분포 등에 대해 상세한 정보를 얻을 수 있어 정밀 석유탐사에서는 필수적으로 적용된다. 임의 방향의 수직 단면, 깊이 또는 시간에 따른 수평 단면을 다양하게 분석할 수 있는 장점이 있다. 3차원 탐사배열은 사용되는 스트리머의 길이와 개수, 스트리머 간격에 따라 결정된다. 일반적으로 경제성 및 작업 효율성 측면에서 6~8 km 길이의 스트리머 4~10개 정도를 100 m 간격으로 배열하여 사용하며, 심해, 암염, 현무암 하부 깊은 퇴적층의 영상을 얻기 위하여 스트리머 개수가 많아지고 길이도 점차 길어지고 있다(George, 1996). 대형 석유탐사선은 20개 이상의 스트리머를 이용하기도 한다.
4차원 모니터링 탐사 또는 시간경과(time lapse) 3차원 탐사는 동일 지역에서 시간 차이를 두고 스트리머 또는 해저면 다성분 센서를 이용한 3차원 탐사를 반복 수행하는 것이다. 최초의 기준(baseline) 탐사와 이후의 반복 모니터링 탐사 결과의 차이로부터 시간에 따른 저류층의 특성과 유체 이동, 포화도, 압력 등의 변화를 파악하고 저류층의 정적 및 동적 모델을 최적화하여 잔류 유가스의 부존 특성, 다른 유체를 주입하여 유가스 회수 증진(enhanced oil recovery, EOR)을 시도할 때의 물성 변화, 이산화탄소 지중저장시 주입된 이산화탄소의 저장 특성 등을 규명하는 데 활용된다(Fanchi et al., 1999).
1980년대 초반까지 유가스탐사에서 2차원 탐사가 주로 수행되었지만, 80년대 후반 들어 스트리머 예인과 항측 기술이 발달하면서 3차원 탐사가 주된 탐사 기술로 적용되게 되었다. 4차원 탐사는 1990년대 중반 이후 점차 활용도가 높아지고 전체 탄성파 탐사 시장에서 상당한 비중을 차지하게 되었다(IAGC, 2011).
방위각 탐사
음원과 스트리머를 예인하는 탐사선을 이용하여 종래와 같이 한 방향만을 탐사하는 3차원 탐사를 협방위각(narrow-azimuth) 3차원 탐사라 한다(Fig. 3(a)). 유가스 탐사를 위해 깊은 수심 지역과 극한지, 암염, 화산암, 탄산염암, 현무암, 충상단층(overthrust fault) 등 복잡한 지질구조 환경에서의 고해상도 영상화가 점차 요구됨에 따라 여러 척의 탐사선을 이용하여 넓은 각도로 여러 방향에서 자료를 얻을 수 있는 다양한 방위각 배열 탐사가 개발되었다(Fig. 3)(Buia et al., 2008).
Fig. 3.
Comparison of various azimuth configurations for the marine 3-D seismic survey (top: acquisition geometries, bottom: azimuth-offset distribution plots in rose diagrams) (after Buia et al., 2008). (a) narrow-azimuth geometry, (b) multi-azimuth geometry, (c) wide-azimuth geometry, (d) rich-azimuth geometry, and (e) coil shooting geometry.
다중방위각(multi-azimuth) 탐사에서는 동일한 탐사 구역에서 기존의 협방위각 3차원 탐사를 3~6방향으로 수행하여 다양한 방위각에 따른 정보를 얻고 각각의 자료를 합하여 단일 지하 영상을 얻는다(Fig. 3(b)). 이때 방위각별로 이방성 효과를 고려한 속도모델을 도출하고 방위각 중합을 적용하여 잡음을 억제함으로써 향상된 탄성파 영상을 얻을 수 있다(Long, 2009). 광방위각(wide-azimuth) 탐사에서는 동일한 탐사 구역에서 음원과 스트리머 장비를 예인하는 탐사선과 함께 별도의 음원선박(source vessel) 여러 척을 동시에 운영하여 방위각과 벌림(offset) 범위를 대폭 확대할 수 있다(Fig. 3(c)). 리치방위각(rich azimuth) 탐사는 광방위각과 다중방위각 탐사를 결합한 것으로, 여러 척의 탐사선을 이용한 광방위각 탐사를 여러 방위각에 걸쳐 수행하여 방위각과 벌림의 범위를 대폭 개선할 수 있다(Fig. 3(d)). 코일 발파(coil shooting) 탐사 배열에서는 여러 줄의 긴 스트리머를 예인하면서 코일 형태로 이동하면서 탐사를 수행하여 전체 방위각과 벌림에 걸쳐 균질한 자료를 얻을 수 있다(Fig. 3(e)).
광대역 탄성파 탐사
일반적인 해양 탄성파 탐사에서는 음원과 수진기를 해수면 아래 일정한 깊이로 예인하며 자료를 취득한다. 해수면 하부 일정한 깊이에서 발생된 음파가 하부 매질로 전파하지만, 동시에 음원에서 해수면 방향으로 상향 전파되어 해수면에서 되반사된 신호가 도깨비(ghost)처럼 뒤따라가게 된다. 또한 지층 경계면에서 반사되어 상향 전파된 파동이 수진기에 도달하지만, 수진기를 지나 해수면에서 되반사된 수진기 도깨비파도 수진기에 기록된다. 도깨비파는 일차 반사파에 비해 시간 지연과 극성 역전 특성을 보이므로 특정 주파수 대역을 제거하여 해상도를 저하시키게 된다. 광대역 탄성파(broadband seismic) 탐사는 종래의 탐사와 다른 자료취득 및 자료처리 기법을 적용하여 넓은 대역의 탄성파 신호를 확보하여 해상도를 높이는 방법이다(Choi and Pyun, 2018).
자료취득 과정에서 광대역 자료를 얻는 방법으로 다른 깊이의 스트리머를 이용하는 오버/언더(over/under) 스트리머 기술(Posthumus, 1993; Kragh et al., 2010), 스트리머 깊이를 벌림에 따라 변화시키는 가변 심도 스트리머 기술(Soubaras and Dowle, 2010), 압력성분과 속도성분까지 기록하는 이중 센서 스트리머 기술(Carlson et al., 2007), 다른 깊이의 에어건을 시간차를 두고 발파하여 일차 반사파는 증폭시키고 도깨비파는 상쇄시키는 다심도 음원(multi-level source) 기술(Parkes and Hegna, 2011; Siliqi et al., 2013) 등이 제안되었다.
또한 광대역 탐사자료 또는 기존의 탄성파 탐사자료에 대한 자료처리과정에서 도깨비파를 제거하기 위하여 도깨비 지연시간을 추정하는 방법, 적응형 도깨비 제거 기법, 다양한 목적함수를 적용하는 기술 등이 제안되어 현장자료에 적용되고 있다(Perz and Masoomzadeh, 2014; Zhang et al., 2015; Kim et al., 2016).
다성분탐사
1970년대, 석유회사 Conoco가 수평 바이브레이터(vibrator)를 이용하여 S파(SH) 탐사를 석유탐사에 활용한 이후부터 육상탐사에 S파가 많이 활용되기 시작했다(Hardage et al., 2011). 일반적으로 S파는 P파만으로는 얻을 수 없는 정보 즉, 가스층에 기인한 명점(bright spot)의 특성화, 가스층 하부 또는 낮은 P파 반사계수를 가진 지역의 영상화, 암상(lithologic attribute)의 규명과 포아송비(Poisson’s ratio) 도출, 공극을 채우고 있는 유체의 판별 및 균열(crack)의 분포 규명 등에 장점이 있다(Barkved et al., 2004; Ikelle and Amundsen, 2005). 육상의 경우 음원 자체에서 방향에 따른 S파를 발생시킬 수가 있기 때문에 탐사 목적에 따라 음원의 모드(mode)와 수진기의 모드를 조합하여 최대 9성분 탐사까지 수행이 가능하다(Hardage et al., 2011). 해양의 경우, 해저면 탐사기술이 발전되기 전까지는 긴 스트리머를 이용한 원거리 벌림의 탄성파 자료에 기록된 모드전환 S파(PSSP wave)를 이용하여 모델링을 통해 해양지각의 S파 속도 분포를 구하기도 하였다(Kim and Sheriff, 1992; Digranes and Kristoffersen, 1995). 하지만 해양 석유탐사에서도 S파 탐사의 중요성이 증대된 이후 해양에서의 음원과 수진기 배열 등 탐사 기술의 제약을 극복함으로써 1990년대에 이르러 대규모 S파 탐사가 시작되었다. 해양에서는 육상과 달리 에어건과 같은 P파 음원을 사용할 수밖에 없으며, 따라서 P파에서 S파로 모드 전환된 S파(PS wave, converted wave 또는 C-wave)를 이용한다. 해저면에 직접 수진기를 임의의 간격과 길이로 배치하게 되면, 육상 탐사에 비해 균일한 간격으로 자유로운 음원의 발파가 가능하기 때문에 기존 수진기(streamer) 길이의 제약으로 인해 수행하기 어려웠던 광각(wide angle) 탐사가 가능해져 심부지구조 규명을 목적으로 한 굴절법 탐사뿐만 아니라 석유 ․ 가스 탐사 목적의 반사법 탐사에 유용하게 사용되고 있다(Zachariadis et al., 1983; Mjelde, 2003). 특히 최근에는 지오폰이 일정간격으로 장착된 스트리머를 해저면에 직접 설치하여 높은 커버리지(coverage)의 2차원 및 3차원 P파 및 S파 영상을 얻을 수 있는 해저면 케이블(ocean bottom cable, OBC) 탐사 (Fig. 4(a))와 해저면 노드(ocean bottom nodes, OBN) 탐사(Fig. 4(b))가 활발히 수행되고 있다.
해양에서 다성분 탐사를 상업적으로 시작한 것은 1996년 WesternGeco사에 의해 수행된 4성분 OBC를 이용한 탐사이다(Barkved et al., 2004). 그 후 현재까지 세계 주요 탐사회사에서는 독자적인 OBC 시스템을 개발하여 석유 ‧ 가스 탐사를 비롯하여 4C2D(4성분 2차원), 4C3D(4성분 3차원) 및 4C4D(4성분 4차원) 탐사 등에 다양하게 활용하고 있다. OBC의 경우 최대 설치 심도가 1,500 m 이내이고 탐사를 위해서는 케이블을 설치하고 자료를 기록하는 선박(recording vessel)과 에어건을 이용하여 정해진 측선을 따라 발파를 하는 음원선박 등 2대 이상의 탐사선 운용이 필요하기 때문에 수심 1,500 m 이상의 해저면 탐사나 해양 굴절법 탐사 및 국지적 탐사에서는 노드(node)형 OBS (OBN)가 많이 사용되고 있다(Fig. 4(b)). 최근 기술의 발전으로 인해 OBC 탐사의 경우에 수진기 부이(buoy)를 기록 선박 대신 사용하여 1대의 음원선박만으로 탐사를 하는 경우도 있으며(Fig. 5(a)), 더 나아가, 자율주행 기능이 탑재된 OBN을 이용하여 일정 영역을 탐사한 후 자동으로 탐사선으로 귀환하여 자료의 백업 및 충전을 실시하고 다시 다음 탐사 영역으로 자동 배치시키는 방법의 탐사 기술도 개발되고 있다(Fig. 5(b)).
Fig. 5.
(a) One source vessel OBC survey using buoy equipped with data reception and transmission system (refer to the homepage of Peak Seismic Solutions, http://www.peakseismic.com/). (b) An OBN system that performs autonomous underwater placement and retrieval is also being developed (refer to the homepage of Autonomous Robotics, https://autonomousroboticsltd.com/).
OBC를 이용한 4C3D 탐사기술의 경우 대학이나 연구소보다는 대규모 상업 탐사회사에서 많이 주도를 하고 있다. WesternGeco사는 2007년까지 전 세계 15개 지역에 대해 4C2D 탐사를 실시한 후 그중 10개 지역에 대해 정밀 4C3D 탐사를 수행하였고, ION사는 자체 OBC 탐사 시스템인 VSO 시스템 사용하여 2003년 Chevron사의 멕시코만 탐사를 대규모로 수행하였으며 CGG사는 자체 OBC 시스템을 이용해 BP의 인도네시아와 북해 탐사, Statoil의 북해 탐사 및 Occidental의 Qatar 탐사를 수행하는 등 2000년대 이후부터 석유 ․ 가스 탐사분야에서의 OBC 활용이 탐사회사를 중심으로 꾸준히 증가하고 있다. 최근 들어서는 다성분 탐사시장의 규모가 커지고 있어 Fairfield Nodal, Fugro, Geokinetics, GeoRXT, Octio, Siemens 등의 업체들도 다성분 탄성파 탐사 및 자료처리 서비스에 주력하고 있다.
다성분 탐사를 위한 OBN이나 OBC에는 3개의 지오폰이 장착되는데 각각 수직 한 방향과 수평 두 방향의 변위나 가속도를 측정하게 된다. 일반적으로 여기에 하이드로폰도 같이 설치하여 모두 4 성분의 자료를 얻고 있으며 수직 방향 지오폰과 하이드로폰을 통해 주로 P파가 기록되고 두 개의 수평 방향 지오폰을 통해 상당부분의 S파 에너지가 기록된다. 음원의 방향에 따라 두 수평 지오폰의 성분을 적절히 회전(trace rotation)시켜(Alford, 1986), 음원과 수진기가 이루는 수직 평면상에서 진행방향과 수직으로 진동하는 방사상(radial) S파와 그 평면을 벗어나서 수평방향을 진동하는 횡방향(transverse) S파를 분리 한 뒤 P파와 함께 전산처리를 통한 영상화에 사용된다. 이렇게 제작된 해양 P파 단면과 S파 단면을 각각 PP, PS 단면이라고 하는데 이는 각각 에어건을 통해 생성된 P파가 해저면에서 모드전환되어 기록된 P파 및 S파로 제작된 영상을 말한다. 이 PP, PS 단면은 석유․가스 탐사에 다양하게 활용된다.
해저면 수진기에서 취득한 다성분 자료는 석유․가스 및 가스하이드레이트 탐사를 위한 국지적 S파 속도 분석(Digranes et al., 1996; Wang, 2003; Kumar, 2005), 퇴적층의 암석 물리학적 분석(Berg et al., 2001; Mienert et al., 2005) 등의 목적으로 사용된다. 가스 침니(chimney)나 가스층이 존재하는 경우 P파는 가스층을 진행하는 과정에서 감쇠를 일으키고 또한 파선의 변형으로 인하여 해당부분의 이미지가 매우 흐려지나(Ikelle and Amundsen, 2005) S파의 경우 진행하는 동안 가스층의 영향을 거의 받지 않기 때문에 보다 선명한 단면 영상을 얻을 수 있다(Fig. 6). 이러한 성질을 이용하여 가스의 포화도가 낮아(5~20%) 경제성이 없는 Fizz-gas와 상업용 가스 저류층을 구별하고(Hardage, 2010), Class II 가스 저류층을 판별하는(MacLeod et al., 1999) 데 활용할 수 있다. 이러한 장점을 가진 S파의 3차원 영상을 얻기 위해 OBC를 이용하여 3차원 탐사(4C3D)를 수행하거나 저류층 및 생산정 주변에서 4차원 모니터링(4C4D)을 수행한다. 특히 3차원 S파 자료를 통해 P파만으로 규명하기 어려운 구조를 찾아내고 저류층의 물성을 보다 직접적인 방법으로 산출함으로써 새로운 석유 및 가스층을 발견하는 데 유용하다(McIntosh et al., 2000; Cary and Couzens, 2000; Barkved et al., 2004; Ray et al., 2005). 2000년도 이후 S파 복굴절을 이용한 이방성 규명과 구조보정을 통한 저류층 영상화를 주목적으로 OBC 탐사를 많이 수행되고 있으며 지질재해 모니터링에 활용되기도 한다(Olofsson et al., 2003; Gaiser and Probert, 2006).
Fig. 6.
Comparison of (a) conventional 3-D data from the Tommeliten gas field and (b) the PS data processed from multicomponent data. In the gas chimney structure, the P wave scattered by the influence of the gas can not image the stratum, but it can be seen that the PS data can accurately image the chimney structure (Granli et al., 1999).
천부 고해상 탐사
해저면의 수심을 측정하는 수심측정기(echo sounder)는 수십 kHz에서 수백 kHz의 고주파 신호를 사용한다. 해저면 하부 수 m에서 수십 m 까지 깊이의 지층을 파악하기 위하여 주 주파수 대역이 수 kHz인 음원-수신기가 하나로 되어 있는 천부지층탐사기(sub-bottom profiler, SBP) 또는 첩(chirp) 시스템을 사용하여 왔다(Shin et al., 2013; Ramsay, 2017). 또한 여러 개의 음원 및 수신장치를 조합하여 3차원적으로 지층을 탐사하기도 한다(Gutowski et al., 2008; Vardy et al., 2008; Müller et al., 2009; Kim et al., 2018). 이러한 시스템은 고주파 음원을 사용하기 때문에 해상도는 높으나 투과 심도는 얕다.
보다 깊은 심도의 지층을 탐사하기 위한 천부 고해상 해저 탄성파 탐사는 작은 규모의 음원과 수신장치를 사용하여 천부 해저 지층을 탐사하는 방법이다. 음원으로는 소형 에어건, 스파커, 부머 등이 사용되며, 에어건의 주주파수 대역은 수십 Hz에서 수백 Hz이며, 부머와 스파커는 용량에 따라 수 kHz의 주파수를 갖는다. 작은 에너지의 음원을 사용하기 때문에 가탐 심도는 수십 m에서 수백 m 정도로 얕으나 주파수가 높기 때문에 수직 해상도가 높다. 또한 신호 수신 스트리머의 그룹간격과 발파 간격을 줄이면 수평해상도를 높일 수 있다(Lee et al., 2014).
보다 정밀하게 지층을 파악하기 위하여 석유탐사의 기술을 천부 고해상 탐사에 적용하여 단채널 아날로그 탐사에서 다중채널 디지털 탐사로 발전됨에 따라(Nissen et al., 1999; Lee et al., 2004; Lee et al., 2014) 수십 m 깊이의 지층에서 약 1 m 해상도의 지층구조 파악이 가능하다(Fig. 7). Geometrics사의 GeoEel 및 P-Cable(Fig. 8) 등 탐사 장비의 상업화가 이루어지면서 3차원 및 4차원 천부 고해상 탐사가 활발히 수행되고 있다(Bellwald et al., 2018; Ebuna et al., 2013; Hatchell et al., 2017).
이러한 고해상 탐사는 원자력발전소 부지, 해상풍력단지, 시추지점과 같은 유전 및 건설부지 등의 천부 재해 조사와 천부 석유 ‧ 가스, 가스하이드레이트 탐사, 3차원 및 4차원 유체 이동 모니터링과 같은 자원 탐사, 그리고 이산화탄소 해저지중저장을 위한 탐사에 활용된다. 또한 해저 단층, 슬럼프, 슬라이드 등 지질 조사, 해저케이블/파이프라인 루트 조사, 항만과 항로에 대한 조사, 문화재 발굴 조사 등 엔지니어링 탐사와 EEZ 확대를 위한 탐사 등에 활용된다.
천부 고해상 탐사 자료가 디지털로 취득되므로 석유탐사 자료처리와 유사한 자료처리를 수행하게 된다. 고해상 탐사자료의 전산처리에서는 특히 해수면에서 발생하는 도깨비(ghost)파의 제거, 너울영향에 대한 보정(Kim et al., 2017) 등이 중요하게 다루어지고 있다.
탄성파 자료처리
탄성파 자료처리는 해저 탄성파 탐사자료에 포함된 잡음을 제거하여 신호를 향상시키고 보정하는 처리를 통하여 신호대잡음비를 높여 자료품질을 높여서, 실제 지층구조와 유사하게 지층 영상을 제작하고, 지층 속도 및 밀도 등 물성 정보, 암상 정보 등을 추출하는 과정이다(Yilmaz, 2001). 1950년대 Harry Mayne이 공심점 자료의 중합 개념을 혁신적으로 개발하여 탄성파 탐사에서 신호대잡음비 향상을 기하였고, 1960년대에는 디지털 자료취득과 처리가 도입되었다. 일반적인 2차원 기본전산처리 과정은 자료입력, 항측정보 DB 구축, 탄성파 자료와 항측 정보의 결합, 트레이스 편집, 탄성파 파형을 스파이크 형태 또는 해석에 용이한 압축된 형태의 파형으로 변화시키는 곱풀기(deconvolution), 필터링, 이득회수, 겹반사(multiple) 제거, 속도분석, 파원과 수진기 간의 거리에 따른 도달시간 지연을 보정하기 위한 동보정 및 중합, 경사 경계면을 실제 위치와 경사로 옮기고 단층 끝단 등에서 발생되는 회절 현상을 보정하는 참반사 보정 등으로 구성되며, 탄성파 자료처리 절차는 탐사 목적과 대상 지역의 특성을 고려하여 구성되어야 한다. 1990년대 3차원 탄성파 탐사가 일반화되어 3차원 중합 후 시간영역 참반사 보정이 표준적으로 적용되었고, 3차원 중합 후 심도영역 참반사보정이 도입되었다(Albertin et al., 2002).
수평 층서구조나 속도가 깊이에 따라 단조롭게 증가하는 구조에서는 일반적인 자료처리 및 시간영역 처리로부터 양호한 지층영상과 속도 정보를 어렵지 않게 얻을 수 있으나, 암염, 현무암, 충상단층 등 복잡한 지질구조 하부의 영상화 및 물성 추출을 위해서는 고급 자료취득 기술의 적용과 함께 중합전 심도영역 참반사 보정, 완전파형역산, 이방성처리 등 특수 자료처리 기법의 적용이 요구된다. 또한 최근에는 대용량 2차원, 3차원 탄성파 탐사자료로부터 정확한 지층 영상을 구하고 속도 등의 물성 정보를 얻기 위하여 초고성능 컴퓨터가 활용되고 있다(Baaz and Quoniam, 2013). 특히 탄성 매질, 이방성 및 점성 등을 고려한 매질에서 3차원 자료처리를 위해서 많은 모델링 연산과 메모리가 필요하므로 대용량, 초고성능 병렬처리 시스템이 필요하다.
참반사 보정
경사층을 실제 위치로 이동시키고 회절 현상을 제거하여 실제 지질구조와 유사한 탄성파 영상을 얻기 위하여 참반사 보정을 적용한다. 대상 구조와 속도 변화를 고려하여 시간영역 참반사 보정과 심도영역 참반사 보정, 중합 전 참반사 보정과 중합 후 참반사 보정 등을 적용한다(Fig. 9).
상속도 또는 수직으로 변화하는 속도 구조에 대해서 시간영역 참반사 보정의 적용이 가능하며, 시간영역 참반사 보정을 통해 얻은 영상을 심도영역으로 변환하기 위해서는 시간-심도 변환을 적용할 수 있다. 그러나 수평적으로 속도 변화가 심한 경우에는 심도영역 참반사 보정을 적용해야 한다. 또한 수평적으로 발달한 단순한 구조는 중합 후 참반사 보정을 적용하나, 복잡한 구조의 경우 중합 전 참반사 보정을 적용해야 한다(Albertin et al., 2002).
역시간(reverse time) 참반사 보정은 양방향 파동방적식을 이용하여 수진기에 기록된 탐사자료를 역시간으로 전파시켜 지층구조 영상을 얻는 중합 전 참반사 보정 방법이다. 양방향 파동방정식을 이용하는 경우 계산량이 대폭 증가하며, 중합 전 참반사 보정은 공통 발파점 모음이나 공통 중간점 모음에서 주로 적용하기 때문에 입력자료가 방대하다. 특히 탄성 매질에서 다성분 탐사자료를 처리하기 위한 탄성파 파동방정식을 사용하기 위해서는 매우 많은 메모리와 시간이 필요하여 이를 효과적으로 극복하고 해상도를 향상시키기 위한 알고리듬에 대한 연구가 진행되었다(Chung et al., 2012). 최근 고성능 컴퓨팅 기술이 발달함에 따라 양방향 파동방동식을 이용한 역시간 참반사 보정이 활발히 적용되고 있다(Suh, 2010). 대량의 연산을 빠르게 수행하고 계산의 효율성을 향상시키기 위해 기존 중앙처리장치(central processing unit, CPU)와 함께 그래픽 프로세서(graphic processing unit, GPU) 또는 제온 파이 보조 프로세서(Xeon Phi Coprocessor)를 기반으로 하는 모델링과 참반사 보정 등의 처리 기술이 개발되어 적용되고 있다(Michea and Komatitsch, 2010; Liu et al., 2012; Yang et al., 2014; Reinders and Jeffers, 2015).
파선 추적법, 일방향 파동방정식 등을 이용한 참반사 보정은 계산 속도가 빠르고 메모리를 효과적으로 사용할 수 있으나 복잡한 지질구조에서는 적용에 한계가 있다. 주파수-파수(f-k) 영역에서 수행되는 위상이동 구조보정(Gazdag, 1978)의 한계를 극복하고 계산의 효율성을 확보하면서 수평적 속도변화를 고려하기 위해 주파수-파수 영역과 주파수-공간 영역에서 수행되는 split-step Fourier 구조보정(Stoffa et al., 1990), 위상막 구조보정(Huang and Wu, 1996), 일반화된-막 구조보정 기법(Le Rousseau and De Hoop, 2001; Kim et al., 2016a) 등이 개발되었다.
탄성파 이방성은 방향에 따라 속도가 달라지는 것으로 탄성파 자료의 시간-심도 전환에 영향을 주어 이방성이 존재하는 지하구조에 대해 이방성을 고려하지 않거나 다른 이방성 특성을 적용하여 자료처리를 수행할 경우 하부구조의 영상이 부정확하거나 위치가 맞지 않게 된다(Isaac and Lawton, 1999). VTI, TTI 등 다양한 이방성 매질에서의 참반사 보정 기법에 대한 연구가 진행됨에 따라 암염돔의 측면 경계면 및 렌즈구조와 단층 구조 등을 올바른 위치에 정확하게 영상화하는 결과를 나타내고 있다(Alkhalifah, 1995; Du et al., 2007; Weibull 2012; Tang et al., 2014).
완전 파형역산
참반사 보정을 통해 정확한 지하구조 영상을 얻기 위해서는 정확한 속도모델이 필요하다. 특히 암염, 현무암과 같은 고속도층이 존재하고 복잡한 지질구조에서 정확한 속도모델을 구하기 위해 완전 파형역산이 개발되었다.
해저 탄성파 탐사에서 완전 파형역산은 속도, 밀도 등의 물성 모델로부터 계산한 인공합성자료와 실제 탄성파 자료를 비교하여 그 차이를 반복적으로 최소화함으로써 지하의 속도 및 밀도, Q 값 등의 물성을 도출하는 것이다(Tarantola, 1984, 1986; Mora, 1987). Lailly(1983)와 Tarantola(1984)에 의해 역전파(back-propagation) 알고리듬으로 최대경사방향을 효율적으로 계산할 수 있는 방법이 제시된 이후 시간영역(Tarantola, 1984; Mora, 1987) 또는 주파수영역(Pratt et al., 1998; Shin and Min, 2006) 등에서 많은 파형역산 연구가 진행되어 왔으며, 효율적인 2차원 및 3차원 모델링 기법에 대한 연구가 수행되었다(Min et al., 2000).
탄성파 파형역산은 물성에 매우 비선형적인 특성을 가지고 있어 초기 모델이 참값에서 벗어나는 경우 쉽게 국부 최소값에 수렴할 수 있다. 특히 탐사자료에 저주파수 성분이 없는 경우 장파장 배경속도를 얻을 수 없어 실제 지층 속도를 도출하기가 매우 어렵다(Gauthier et al., 1986; Mora, 1987). 따라서 주시 토모그래피 또는 파동 기반 토모그래피, 참반사 보정 속도분석(Migration Velocity Analysis, MVA) 결과나 실제 속도 모델을 부드럽게 하여 파형역산의 초기 속도로 사용하여 왔다(Min and Shin, 2006).
2008년 국내 연구진에 의해 통상적인 해저 탄성파 탐사자료의 영(zero) 또는 낮은 주파수 성분의 감쇄 파동장(damped wavefield)으로부터 배경 속도를 성공적으로 도출할 수 있는 라플라스(Laplace) 및 라플라스-푸리에(Laplace-Fourier) 영역 파형역산기법이 개발되었다(Shin and Cha, 2008, 2009, Fig. 10). 이후 탄성매질과 음파-탄성파 결합매질에서의 역산, 현장 적용성 연구, 3차원 파형역산을 위한 계산 가속화 및 해법 연구, 최적의 감쇠상수 선택을 위한 연구, 속도모델을 안정적으로 얻기 위한 목적함수에 대한 연구도 지속되었다(Bae et al., 2010; Ha et al., 2012; Kim et al., 2013; Koo et al., 2011; Kwon et al., 2017; Pyun et al., 2011; Shin and Ha, 2008; Son et al., 2016).
완전 파형역산의 현장 적용성을 높이기 위해 다양한 목적함수, 초기 속도 모델의 의존성, 부족한 저주파수 대역, 수진기와 해저면과의 결합 등의 한계를 극복하고, 해수층, 이방성, 탄성 매질을 고려한 파형역산, 효과적인 변수화, 다변수 및 다단계 역산 전략 등에 대한 연구가 수행되어 왔다(Jeong et al., 2012; Oh and Min, 2017). 또한 여러 개의 송신원을 동시에 발파하여 획득한 자료를 처리하는 동시 송신원 파형역산 기술도 적용되고 있다(Ben-Hadj-Ali et al., 2011). 앞으로 시간영역과 주파수 영역의 혼합 완전 파형역산, 탄성파 자료와 다른 탐사자료의 복합 완전 파형역산, 슈퍼컴퓨팅을 이용한 완전 파형역산 및 최적화 기법 등이 지속적으로 연구될 것으로 보인다(Hyun et al., 2017).
탄성파 자료해석
탄성파 자료해석은 탄성파 자료에 나타난 지질 정보를 이용하여 지질학적 의미를 도출하는 과정으로 탄성파 단면도에서 단층을 파악하거나 지층의 경계면을 추출하고 이에 대한 구조도를 작성하는 작업으로부터 발전되었다. 이러한 작업은 초기에는 종이로 제작된 탄성파 단면도에 수기 방식으로 수행되었으나 오늘날에는 컴퓨터 화면에서 마우스를 이용하여 수행된다. 이러한 작업은 경험이 풍부하고 숙련된 지질 및 물리탐사 전문가에 의하여 수행되며, 석유 부존 가능성 평가에 중요한 역할을 한다. 한편 탄성파 자료의 이미지, 지층 속도 및 속성 등이 3차원 볼륨으로 시각화되면서 자료해석의 방식을 크게 변화시키고 있다. 관심지역의 구조 및 층서를 파악하기 위해 자료에 포함되어 있는 연속성, 진폭특성 등을 이용하여 퇴적환경, 퇴적연계층 및 퇴적 단위의 암상 등에 대한 해석을 컴퓨터를 통해 수행하고 있으며, 빠른 시간 내에 방대한 자료에 대한 분석을 가능하게 한다.
탄성파 층서해석
탄성파 층서(seismic stratigraphy) 해석 기술은 1977년 Exxon 연구팀에 의해 처음 소개되었으며 탄성파 반사면(seismic reflector)의 단절(termination)과 걸침 형태(lapping)에 착안하여 상하 부정합 또는 이에 대응하는 정합면으로 경계되는 퇴적연계층(depositional sequence) 단위로 지층을 구분하여 퇴적환경 및 암상을 유추하는 것으로 탄성파 해석 시 가장 보편적으로 활용하는 기술이다(Fig. 11). 탄성파 층서 해석 시 주요 고려사항은 탄성파 반사면의 내부구조, 경계면 조건, 외형 및 탄성파 상(seismic facies)의 분포이다. 탄성파 상 분석은 하나의 퇴적연계층 내 반사면의 형태(configuration), 연속성(continuity), 진폭(amplitude) 및 간격(frequency) 등의 특성을 분석하는 것으로 퇴적과정, 환경 및 암상을 유추할 수 있다. 반사면의 형태는 퇴적층의 구조, 퇴적과정 및 침식 등과 관계되며 반사면의 연속성은 퇴적층리의 연속성 및 퇴적과정과 연계된다. 반면 탄성파 반사면의 진폭은 상하부 지층의 속도-밀도 차와 퇴적층리 간격 그리고 퇴적층 내의 석유 ․ 가스 등의 유체 함유에 따라 영향을 받는다. 탄성파 반사면의 외형은 전반적인 퇴적환경, 퇴적물 공급원 등 퇴적분지의 지질학적 환경을 지시한다.
탄성파 자료를 이용하여 층서 단위를 구분하고 탄성파 상 분석을 수행하는 탄성파 층서해석 기법은 1970년대 미국의 Exxon사 연구팀에 의해 기본개념이 수립된 이후 1980년대 접어들면서 고생물 및 물리검층 자료의 종합적인 해석을 통하여 해수면의 변화에 따른 퇴적상 및 퇴적 층서들의 시간공간적 측면에서 해석하는 순차층서학(sequence stratigraphy)으로 발전하였다(Joh and Yoo, 2009). 탄성파 시퀀스 자료를 기반으로 하는 순차 층서 해석은 주로 석유탐사와 관련된 심부층서 및 지구조 해석에 적용되어 왔다. 특히 장주기의 해수면 변화와 연계 발달되는 비교적 큰 규모의 퇴적층서 및 지질구조 해석에 적용되어 왔으나 탄성파 탐사 기술의 발달로 자료의 해상도가 높아짐에 따라서 천부 퇴적층 해석에도 적용되고 있다(Joh and Yoo, 2009).
탄성파 속성분석
탄성파 속성분석은 탄성파 자료에서 해석하고자 하는 대상의 특성을 시각적으로 두드러지게 나타내거나 또는 정량화시키는 탄성파 자료에 대한 일련의 분석을 나타내며 일반적인 의미에서 탄성파 속성은 탄성파 구간속도, 음향임피던스 역산, 반사면 단절특성 및 AVO와 같은 탄성파 자료에서부터 처리된 모든 정량적 분석 자료를 포함한다(Chopra and Marfurt, 2007). 탄성파 속성은 1970년대에 탄성파 복합속성(composite attribute)(Taner and Sheriff, 1977; Taner et al., 1979)으로 처음 소개 되었으며 유용한 탄성파 속성의 경우 지질학적 특성을 직접적으로 지시하고 지질구조 및 퇴적환경을 밝힐 수 있어 현대 석유 ․ 가스 저류층 특성화 기술로 폭넓게 이용되고 있다. 현재에는 100여종 이상의 탄성파 속성이 개발되어 Schlumberger Petrel®, IHS Kingdom® 및 dGB OpendTect®와 같은 상용화된 탄성파 자료해석 소프트웨어에 탑재되어 활용할 수 있으며 새로운 속성분석 기술 및 활용방법에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
대표적인 탄성파 속성분석 기술은 탄성파 지오메트리(geometry) 속성으로 탄성파 파형(seismic waveform) 및 경사의 수직적, 수평적 변화를 측정하는 것으로 주로 지질형상 분석(geomorphological analysis)에 이용된다. 탄성파 지오메트리 속성 중 가장 많이 활용되고 있는 것은 탄성파 일관성(coherence) 및 구조곡률(curvature) 속성으로 지층의 수평적 변화를 두드러지게 나타낼 수 있어 고하천(paleo-channel), 단층 및 파쇄대 등의 지질구조 특성 규명에 유용하다(Chopra and Marfurt, 2007).
탄성파 일관성은 인접한 탄성파 파형의 형태를 비교하여 연속성 또는 유사성을 상관계수(correlation coefficient)로 정량화한 것으로 탄성파 일관성은 크게 3가지 방법, 즉 교차상관(crosscorrelation), 셈블런스(semblance) 및 고유구조(eigenstructure) 방법(Fig. 12)으로 계산하며 탄성파 파형의 일관성이 높은 경우 수평적으로 연속적인 퇴적암상을 나타내며 파형이 급하게 변화할 경우 이는 단층, 파쇄대 및 퇴적구조 또는 퇴적암상의 변화를 나타낸다. 교차상관과 고유구조 계열의 경우 탄성파 파형의 변화에 대한 분석을 수행하며 동일한 파형이지만 서로 다른 진폭을 나타내는 경우에는 큰 영향을 받지 않는다(Bahorich et al., 1995; Gersztenkorn and Marfurt, 1999; Marfurt, 2006). 반면 셈블런스 계열의 분석은 탄성파 파형과 진폭에 의한 변화에 모두 영향을 받기 때문에 규모가 작은 채널과 등의 지질구조 분석에 적합하고 고유구조 계열의 탄성파 일관성 속성은 수평적인 변화를 잘 나타내어 단층 및 비교적 규모가 큰 층서 특성들을 분석하는데 유용하다(Chopra and Marfurt, 2007).
교차상관 일관성 속성은 일관성 속성의 초기 알고리즘으로 분석대상이 되는 트레이스와 인접한 트레이스만을 비교하여 유사도(similarity)를 측정하는 것으로 분석대상 트레이스를 고정시킨 후 인접트레이스를 상하로 움직이면서 두 트레이스간의 교차상관 계수(crosscorrelation coefficient)를 계산한 후 종방향(inline) 및 횡방향(crossline) 교차상관 계수를 합하여 3D 탄성파의 유사도를 산출한다(Bahorich and Farmer, 1995). 셈블런스 알고리즘을 이용한 일관성 분석은 교차상관 알고리즘과는 달리 분석대상 트레이스를 중심으로 인접한 모든 종방향 및 횡방향 트레이스를 이용하여 유사도를 분석을 수행한다. 분석대상이 되는 트레이스에 대한 에너지를 계산한 후 입력된 트레이스의 평균 트레이스(average trace)를 계산하고 분석대상 트레이스는 모두 평균 트레이스로 대체한다. 따라서 셈블런스 알고리즘을 이용한 일관성 속성은 분석대상 트레이스와 평균 트레이스의 에너지 비로 나타낼 수 있다(Chopra and Marfurt, 2007).
고유구조 일관성 속성은 셈블런스 일관성과는 달리 입력된 트레이스의 에너지를 계산한 후 평균 트레이스를 산출하는 것이 아니라 각각의 입력된 트레이스의 파형에 가장 근사한 파형(best fitting waveform)을 산출하고 각각의 트레이스를 산출된 최적 근사 파형의 크기를 조절하여 대체한 후 유사도를 분석한다. 따라서 고유구조 일관성 속성은 최적 근사 파형으로 대체된 트레이스(coherent component)와 입력된 원본 트레이스의 에너지 비로 나타낼 수 있다. 또한 고유구조 일관성 계산 시 입력된 실제 트레이스를 이용하는 대신 힐버트 변환(Hilbert Transform)을 수행한 후 가상의 트레이스(analytic trace)를 생성하여 유사도를 계산하는 알고리즘도 개발되었다.
Fig. 13은 우리나라 남해대륙붕 제주분지에서 취득한 탄성파 탐사자료에 대한 탄성파 일관성 속성분석결과로, 탄성파 진폭으로 나타낸 일반적인 탄성파 단면도에 비하여 탄성파 일관성 속성 단면도에서 단층이 발달하고 있는 것을 용이하게 인지할 수 있으며 시간단면에서는 단층의 발달 유무뿐만 아니라 및 수평적 분포 특성까지도 별도의 자료처리 없이 뚜렷하게 확인할 수 있다. 특히 채널과 같은 퇴적구조의 경우 단층과는 달리 일반적인 탄성파 시간단면에서 해석하기가 매우 어려우나 일관성 속성분석 시간단면에서는 다수의 채널이 발달하고 있는 것을 볼 수 있다.
Fig. 13.
Semblance coherence analysis of the 3D seismic data acquired in Jeju Basin, the offshore of Korea (KIGAM, 2014). (a) seismic amplitude profile, (b) variance coherence profile, (c) time slice of conventional seismic amplitude at t=1.228 s, (d) time slice of variance coherence at t=1.228 s. Red, blue, and green arrows indicate faults, channels, and the direction of north, respectively.
구조곡률 속성은 해석된 탄성파 반사면뿐만 아니라 탄성파 볼륨자체의 경사와 방위(azimuth)로부터 계산되며 탄성파 일관성 속성과 더불어 단층과 같은 지질구조의 경계면뿐만 아니라 요곡(flexure), 습곡(fold) 및 차별고결구조(differential compaction feature) 등을 분석하는데 유용한 속성이다. 2차원에서의 곡률은 곡면에 수직인 원의 반경으로 정의하며 배사구조(anticline)는 양의 곡률(positive curvature)을 가지고 향사구조(syncline)는 음의 곡률(negative curvature), 그리고 곡면구조 없이 평평한 경우에는 0의 곡률을 지닌다(Fig. 14). 3차원 상의 곡률계산은 하나의 면에 수직인 두 개의 원이 필요하며 이때 가장 작은 반경을 지닌 원을 최대곡률(maximum curvature; kmax)이라 하고 최대곡률과 수직방향의 원을 최소곡률(minimum curvature; kmin)이라고 정의한다. 이때 최대곡률 중 반사면이 배사구조를 나타내고 있는 것을 most principal positive curvature(k1 curvature)라 하고 향사구조를 띄는 것을 most principal negative curvature (k2 curvature)라 한다.
일반적으로 일관성 속성은 단층분석에 매우 효과적이나 단층의 변위가 탄성파 해상도 이하로 작거나 요굴이 발달한 경우, 또는 자료처리 시 속도분석 오류 등의 원인으로 인하여 미세한 지질구조 특성을 제대로 반영하지 못하는 경우도 있다. 반면 k1, k2 구조곡률 속성은 구조적으로 변형된 습곡, 균열, 단층 등을 쉽게 인지할 수 있으며 단층과 같이 뚜렷한 변위를 나타내지 않은 지질구조 특성도 찾아낼 수 있다. 구조곡률은 경사와 주향으로 나타낼 수 있는데 경사곡률(dip curvature; kdip)은 구조면의 경사방향으로 측정한 구조곡률이고 주향곡률(strike curvature; kstrike)은 구조면의 주향방향으로 측정한 곡률이다. 이와 같이 구조곡률 속성은 주요곡률(principal curvature)인 k1, k2 이외에도 지층의 구조분석에 유용한 다수의 곡률속성이 있다(Marfurt, 2018).
Fig. 15는 우리나라 남해대륙붕 제주분지에서 취득된 3D 탄성파 탐사자료에 대한 구조곡률 속성분석 결과로 탄성파 일관성 속성으로 확인된 사행천(meandering channel)을 따라 k2 most principal negative curvature 특성을 보이고 있으며 사행천 주변의 제방(channel levee)은 k1 most principal positive curvature 특성을 보이고 있다. 이는 사행천 내에 퇴적된 니질 퇴적물(muddy sediments)과 주변의 사질 퇴적층(sandy sediments)이 차별고결(differential compaction)을 받아 서로 다른 구조곡률 속성을 보이는 것으로 해석된다. 2D 탄성파 자료의 경우 퇴적환경 및 퇴적암상의 유추가 용이하지 않으나 3D 탄성파 자료의 경우 아래와 같이 탄성파 일관성 및 구조곡률 속성을 이용하면 시추를 통한 지질, 지화학 분석결과 없이도 퇴적환경 및 퇴적암상의 유추가 가능하다.
Fig. 15.
Geometry attribute analysis on the 3D seismic data acquired in Jeju Basin, offshore of Korea (KIGAM, 2014). (a) k1 most principal positive curvature(time slice at t=1.208 s), (b) k2 most principal negative curvature, (c) semblance coherence, (d) semblance coherence attribute co-rendered with k1 and k2 principal curvatures. Yellow arrow indicate paleo-meandering channels. Red and blue arrows represent k1 and k2 principal curvatures, respectively.
지구조 연구
탄성파 탐사는 석유탐사를 위한 퇴적분지 파악과 해석뿐만 아니라 지각의 변형과 지구조적 스트레스를 해석하는 지구조 연구에도 중요한 역할을 한다. 탄성파자료에서는 리프팅에서 지각분리까지의 과정과 관련하여 발생한 기반암의 변형과 그 위에서 발생한 퇴적작용을 해석함으로써 대륙지각을 신장시키고 분리시킨 과정과 이와 관련된 지구조적 응력을 해석한다. 해저면지진계 탐사의 경우 송 ․ 수신 수평거리가 100 km 이상이 되도록 해저면에 여러 개의 지진계를 설치하고 대용량의 에어건을 발파하여 지각과 맨틀상부에서 굴절된 파와 지각/맨틀의 경계인 모호면에서의 초임계반사파를 취득하여 이러한 자료로부터 토모그래피와 모델링 등을 수행하여 지각의 구조와 특성을 파악한다. Kim et al.(2003, 2015)은 2차원 탄성파 탐사에서 취득한 탄성파 반사법 탐사자료를 이용하여 동해 한국 대지에서 발생한 후열도 리프팅에 대한 연구를 수행하였으며, OBS 탐사자료 등을 이용하여 동해 대륙붕에서 울릉분지까지 광역적인 지각구조와 속도를 도출한 바 있다.
국내 탐사 기술 현황
국내 최초의 해저 탄성파 탐사는 1966년 석유 ․ 가스 등 해저자원조사를 목적으로 아시아 ․ 태평양 경제사회위원회(Economic and Social Commission for Asia and the Pacific, ECAFE) 후원으로 한국지질자원연구원의 전신인 국립지질조사소가 주관하여 포항근해에서 수행되었다(Kim et al., 1967). 캐나다 Huntec사의 협조하에 영일만을 중심으로 후포리와 울산근해에 걸쳐 총 807 km의 에어건 탄성파 탐사자료가 취득되었다. 1968년에는 미해군 해양연구소와 미국 Woods Hole 해양연구소 연구팀과 함께 스파커를 이용하여 약 12,000 L-km의 황해 동지나해 해상 물리탐사가 수행되었다(Kim et al., 1969). 1970년에는 국내에 에어건이 도입되어 8월에 한독 합동 탐사 이후 10월에 국내 기술진에 의한 최초의 해저 탄성파 탐사가 서산근해에서 수행되어 에어건 탐사자료가 취득되었다(Koo et al., 1971).
국내 최초 조사선은 1971년 미 해군으로부터 530톤급 예인선을 무상 대여 받아 개조한 탐양호이며, 이때부터 국립지질조사소는 연차적으로 대륙붕 탐사를 수행하였다. 그 후 정부출연기관인 자원개발연구소로 발족하면서 1977년에 170톤급 연근해 해양지질조사선인 탐해호를 국내 최초로 건조하였다. 탐해호는 주로 연안지역에서 천부 해저지층을 대상으로 소형 에어건, 스파커 탄성파 탐사, 해저면 측사 탐사와 피스톤 코어링을 수행하였으며, 1996년까지 한반도 주변해역 해저지질조사 및 해저지질도 발간사업에 이용되었다. 1991년에는 한국해양연구원에서 다중채널 탄성파 탐사 장비를 갖춘 1,400톤급 종합해양조사선 온누리호를 건조하여 1992년에 96채널의 2차원 탄성파 탐사가 수행되었고, 1996년에는 한국지질자원연구원에서 국제 규격의 석유탐사를 수행할 수 있는 2,000톤급 해저물리탐사선 탐해2호를 건조함에 따라 1997년에 240채널의 3 km의 디지털 스트리머에 의한 본격적인 2차원 탐사가 수행되었으며(Park et al., 1999), 1998년에 2개의 스트리머 케이블을 이용한 3차원 탄성파 탐사가 시도되었다(Fig. 16).
2차원 탐사의 수행이 가능해 짐에 따라 외국 기술에 의존하던 상업적인 국내 대륙붕에서의 탐사를 대체하기도 하였으며, 국내 대륙붕을 대상으로 연차적인 탐사가 수행되었다. 또한 동해 가스하이드레이트 탐사에도 활용되었다. 2001년에서 2004년까지 한국석유공사의 용역으로 한국지질자원연구원에서 수행한 국내대륙붕 제6-1광구 가스하이드레이트 기초탐사에서 해저모방반사면(bottom simulating reflector, BSR)이 발견되고(Lee and Im, 2005), 대략적인 분포가 파악됨에 따라, 2005년에 한국지질자원연구원, 한국석유공사와 한국가스공사의 컨소시엄으로 구성된 산업자원부 가스하이드레이트 개발사업단이 한국지질자원연구원에 설립되어 본격적인 가스하이드레이트 개발이 시작되었다. 2005년에 2차원 탐사, 2006년에 3차원 탐사를 수행하고 시추 위치를 선정하여 2007년에 동해에서 국내 최초의 가스하이드레이트 실물 채취에 성공하였다(Fig. 17).
탐해2호의 건조로 국내 대륙붕에서 체계적인 탐사자료 취득이 가능하였을 뿐만 아니라 탐사기술도 계속 발전되었다. 2005년에는 2대의 해저면 탄성파 기록계(ocean bottom seismometer, OBS)를 이용하여 국내 최초로 독자적인 다성분 OBS 탐사가 동해에서 수행되었다(KIGAM, 2005). 점차 장비를 확충하여 10대의 4성분 OBS 탐사를 수행하였는데, 2005년부터 2017년까지 동해 가스하이드레이트 탐사, 울릉분지 남부해역을 대상으로 한 심부 지구조 규명을 위한 굴절법 탐사 및 동해-8가스전 주변 탐사를 수행하였다. 취득한 다성분 OBS 자료를 이용하여 BSR 부근의 P파 속도구조(Kim and Byun, 2009), 가스전 주변 및 심부의 P파 속도구조(KIGAM, 2007)를 도출하였으며 S파 속도 분석 및 Vp/Vs 도출에 관한 연구(Kim and Byun, 2011)를 수행하였다. 중합단면이나 구조보정 단면을 얻을 수 있는 높은 폴드수의 자료를 얻기 위해서는 OBC 탐사를 수행하여야 하는데, 2016년 한국지질자원연구원은 800 m 길이의 해저면 케이블을 도입하여 국내 최초로 현장 OBC 다성분 탐사자료를 취득하고(KIGAM, 2016)(Fig. 18), 트레이스 회전, 공통 변환점 모음도 작성, S파 속도분석 등의 전산처리 기법을 이용하여 다성분 자료의 중합도를 제작한 바 있다. 다성분 자료의 처리를 위해 주파수 영역에서 파동장을 분리한 후 역시간 구조보정을 수행하는 방법(Chung et al., 2012), 일반화된 막(generalized-screen)을 이용한 다성분 탄성파 구조보정 기법(Kim et al., 2016a), 다성분 자료의 모드 전환파의 명확한 영상화를 위한 역시간 구조보정 영상화 조건(Choi et al., 2015) 등 탄성파 파동 방정식(elastic wave equation)을 이용한 다양한 영상화 기법들이 개발되고 있다.
다성분 탐사기술 개발과 더불어 한국지질자원연구원에서는 탐해2호를 이용하여 5 km 이상의 스트리머를 이용한 원거리 탐사, 다중방위각 탐사 그리고 광대역 탐사(Kim et al., 2016b) 등이 시도되었다.
향후 탐사 전망
세계 탄성파 탐사 시장은 지난 10년 매우 어려운 시기를 맞아 고성능의 3차원 탐사 활동이 크게 줄어들었다. 그러나 경기 침체에서 회복의 신호가 나타나고 있으며, 유가 상승과 산업계의 긍정적인 재정 상황에 따라, 2018년 6월의 EAGE(European Geoscientists and Engineers Association) 학회 분위기는 근래의 수년 중 가장 낙관적이었다(Hay, 2018).
해저 탄성파 탐사 기술은 지난 50년 이상 급속히 발전되어 왔다. 스트리머 수가 증가하고 해저면 탐사 시스템이 도입되어 3/4차원 및 다성분 탐사로 탐사 효율성과 해상도가 높아졌다. 최근에는 취득 자료의 양이 급격하게 증가하고 종류가 많아지고 다양한 탐사를 복합적으로 적용함에 따라, 더 나은 품질과 효율적인 처리와 해석에 대한 필요가 증대되고 있다.
자료취득과 자료처리, 자료해석은 일반적으로 순차적으로 진행되지만, 최근에는 슈퍼컴퓨터 발전과 자료처리 기술 발전으로 자료처리 기술을 활용하여 자료처리 및 해석에 적합한 최적의 탐사 기법과 탐사변수를 설계하거나 탐사장비를 개발하는 등 자료취득과 처리, 해석의 연계 시도가 계속될 것이다.
전자 및 IT기술이 발달함에 따라 OBN 수진기를 자동 배치시키거나 수진기 어레이를 자동 조절 로봇 시스템으로 자동 설치하는 첨단 탐사 시스템 등이 개발되고 있다(Haumonté, 2017). 또한 자율무인잠수정(autonomous underwater vehicle, AUV)이나 무인 수중 글라이더에 의한 탐사 기술이 개발되고 있다. 한편 초고성능 컴퓨팅 기술과 인공지능 머신러닝(machine learning) 기술에 의한 탐사자료 처리 및 해석 기술이 점차 발전될 것으로 보이며, 해양 탐사 시에 바다 생물 보호 등 더욱 환경 문제를 고려하여 탐사를 수행하게 될 것이다.
국내 해저 탐사 기술을 선도하고 있는 한국지질자원연구원에서는 탐해2호의 성능 저하에 따라 새로운 물리탐사연구선 탐해3호(가칭)의 건조를 추진하고 있다. 탐해3호는 약 5,000톤급으로 6 km 스트리머 8개를 탑재하여 본격적인 3차원 및 4차원 탐사가 가능하며 OBN 다성분 탐사장비 및 고해상 3차원 탐사장비 등도 갖추도록 추진하고 있다. 탐해3호가 건조되고 운영기술이 확보되면 국내 해저 탄성파 탐사 기술이 더 한층 발전되어 국제 수준으로 발돋움할 것으로 예상된다.
