서론
가행 중인 금광산이 있는 전라남도 해남 지역에서 인근 미개발 지역을 대상으로 광물자원 조사 목적을 위한 시험탐사가 수행되었으며, 이 과정에서 중력이상대가 발견되었다(Jung et al., 2010). 이를 규명하기 위하여 추가적인 지구물리탐사가 수행되었으며, 항공 자력탐사에서 해남 황산면과 진도군 고군면 사이의 근해에서 지자기이상대가 포착되었다. 해남 황산면의 금광상이 분포하는 지역을 포함하여 이 일대 육지를 대상으로 하는 지질학적 연구(Kang et al., 2011; Bowden, 2017; Koh, 1996)뿐만 아니라 지구물리학적 연구(Chi et al., 2011; kwon et al., 1992; Jung, 2009, Park et al., 1988)가 많은 연구자들에 의해 수행된 바 있고, 해양 탐사선이 접근 가능한 관할해역에 대해서는 국립해양조사원에서 지구물리 이상도를 구축하였다(Hwang, 2018). 그러나 연구지역과 같은 근해는 접근성 측면에서 많은 어려움이 있기 때문에 구축된 지구물리 탐사자료가 많지 않아 이러한 현장에서의 기본 자료 획득은 더욱 중요하다고 할 수 있다.
광물자원 조사에 있어 자력탐사는 철광 탐사에 직접 이용되며 단층, 파쇄대 등의 지질 구조를 파악하여 광상조사에 간접 이용될 수 있으며, 육상, 항공, 해상에서 다양한 형태로 이용되고 있다. 연구지역과 같은 해상에서는 비교적 적용이 용이한 오버하우저 자력계를 이용한 자력탐사가 많이 응용되고 있다. 오버하우저 자력계는 다른 핵자력계와 비교하여 비용은 상대적으로 높지만 정밀도, 편의성 및 신속성이 좋아 해상 자력탐사 시 특히 많이 사용되고 있다. 배 위에 지지대를 세워 센서를 설치하거나 지지대를 물 위에 띄워 견인하는 방식과(Ponce et al., 2016; Weiss et al., 2007) 바닷물 속으로 센서를 늘어뜨려 견인하는 방식을 사용한다(Boyce et al., 2001; Sliter et al., 2009). 해수는 자성이 거의 없는 매질이므로 지자기 이상에 영향을 주지 않아 해상 자력탐사자료를 이용한 해저지질 연구가 다수 발표되었다. 국내에서는 해저 견인 자력계를 해저열수광상 부존지역 탐지 및 해저지질 구조 해석에 활용한 사례들이 있다(Kim et al., 2008; Choi et al., 2014; Park et al., 1997; Park et al., 2009; Kim and Park, 2010).
해남지역에서의 시험탐사 과정에서 칼데라 가능성을 시사하는 저밀도 이상대가 발견되었으며, 이를 규명하기 위한 항공 자력탐사가 수행되었다(Lim et al., 2010; Jung et al., 2012). 항공 자력탐사에서 중력 이상대 남쪽으로 동서방향 약 4km 폭, ±2,000nT의 이례적인 지자기 이상이 포착되어, 정밀 조사를 위한 해상 자력탐사를 수행하였다. 이 논문에서는 이 지역에서 수행된 항공 및 해상 자력탐사 결과를 보고하고, 지구물리학적 특성을 연구하여 이상반응의 원인 규명에 기여하고자 한다.
연구지역의 개요
연구지역은 해남 황산면과 진도군 고군면 사이에 위치하며, 이 지역은 지체 구조적으로 옥천대 남서부에 해당된다. 해남지역은 중생대 쥐라기의 대보조산운동으로 인해 형성된 화강암을 기저로, 백악기 퇴적암류와 후기의 관입암과 분출암, 그리고 이에 수반되는 산성 응회암류와 화산 쇄설류 등으로 구성된다(Chi et al., 2011). 후기 백악기 유천층군이 화강암류와 부정합으로 피복되며, 불국사 화성암류가 이들을 관입한 것으로 보고 있다(Koh, 1996)(Fig. 1). 해남지역의 유천층군은 하부에서부터 화원층, 우항리층, 해남층으로 구분되며, 이들의 주요 구성암류에 대하여 Kang et al.(2011)에 정리되어 있다. 화원층은 주로 안산암질의 화산쇄설암으로 구성되며 안산암, 현무암, 적갈색 실트암 등이 부분적으로 협재된다. 우항리층은 퇴적암으로 주로 석회질의 실트암, 응회암질 사암, 흑색 셰일 등으로 구성되어 있고 부분적으로 화산기원의 안산암류를 협재한다. 해남층은 석영안산암질 또는 유문암질의 화산쇄설암과 이를 부정합으로 피복하는 산성질 용암으로 구성되어 있다. 유천층군을 관입하는 불국사 화성암류는 주로 섬록암, 흑운모 화강암, 반상 화강암, 석영 및 화강반암 등으로 구성되어 있다.
또한 Kim and Nagao(1992)에 의하면 고황화작용 천열수계에 의한 열수작용은 백악기 화강암류의 관입작용과 관련되어 있으며, Bowden(2007)은 고황화 열수작용 이후의 저황화작용 금-은 천열수 변질작용에 대한 연구를 보고한 바 있다. Bowden(2007)은 해남지역에서 이루어진 두 번의 변질작용과 관련된 2개의 주요 응력체계를 설정하여 고황화작용 천열수계는 1단계 압축성 응력체계에 의한 단층을 따라서 마그마 기원의 열수용액이 유입되면서 형성되었으며, 그 이후 저황화작용 천열수계가 2단계 인장성 응력체계에 의한 단층운동 동안 천수(meteoric water) 기원의 용액 유입에 의해 형성되었다고 보고하였다. 이를 통해 이 지역의 단층 구조를 상세히 도출하여 5개 단면도를 포함하는 상세한 지질도를 추정하여 작성하였으며, Fig. 2는 이를 간략화한 지질도와 단면도를 보여준다.
Park et al.(1988)은 해남지역에 대한 항공 자력탐사 자료로부터 자력 선구조도를 도출하고 이것이 열수변질 광화작용과 관련이 있는 해남 함몰대의 가장자리와 일치함을 보였다. 한편 Lim et al.(2001)은 이 지역의 백악기 암석에 대한 고지자기 연구를 통해 전기백악기 말과 후기 백악기 초 사이에 해남지역을 포함하는 소지괴에 반시계방향의 수평회전운동이 있었을 가능성을 제시하였다.
이와 같이 해남지역을 대상으로 하는 천열수계에 의한 열수작용 및 변질작용에 대한 연구 및 지구물리학적 연구 등에 대한 다양한 보고가 있으며, 대규모 부광대에 대한 가능성이 높다고 판단되는 곳이다. 광물자원 조사 목적을 위한 시험탐사 과정에서 해남지역의 가행 중인 금광 주변의 미개발 지역에 대하여 시험탐사가 수행되었다. 육상 중력탐사의 한계로 해상까지 연결되는 자료는 아니지만, 칼데라 가능성을 시사하는 저밀도 이상대가 발견되었으며(Jung et al., 2010)(Fig. 3), 이를 규명하기 위한 자력탐사가 수행되었다.
자력탐사 자료 획득 및 처리
항공 자력탐사
광물자원 조사 목적을 위한 시험탐사 과정에서 해남지역에서 칼데라 가능성을 시사하는 저밀도 이상대가 발견되었으며(Jung et al., 2010)(Fig. 3), 이를 규명하기 위한 자력탐사가 수행되었다. 한편 국내 육상지역에 대한 중력, 방사능, 자기 이상도는 한국지질자원연구원에서 구축해오고 있으며(Lim et al., 2010), 국립해양조사원에서 우리나라 관할해역의 중력이상도 및 지자기전자력도를 구축하였다(Hwang, 2018). 그러나 해양조사선이 접근할 수 없는 수심이 얕은 근해는 지구물리 이상도가 구축되어 있지 않다. 근해의 지구물리 특성을 파악하기 위해서는 별도의 탐사가 필요하다.
중력이상을 포함하는 8.8×11.4km2의 영역에 대한 항공 자력탐사가 수행되었다(Lim et al,, 2010; Jung et al., 2012). 이 항공탐사 영역은 해남과 진도 사이의 근해가 포함된다. Geometrics G-822A 세슘 자력계와 G-714 계측 시스템 이용하여 총자력값을 측정하였으며, 측선 간격은 250m이다. 통상 항공 자력탐사 시 수 km 간격으로 측선을 설정하여 측정을 하지만, 광상 탐사 목적을 위해 국내 최초로 조밀한 간격으로 자료를 취득하였다. 탐사 시 항공기 영향을 최소화하기 위해 자력계 센서는 항공기 하부에 고정시킨 30m 길이의 케이블에 연결하여 늘어뜨렸다. 일정한 절대고도를 유지하는 비행법인 굽이 날기(drape flight) 방법으로 비행하여 지표로부터의 높이를 150~180m 정도로 유지하면서 1초에 한 번씩 자료를 획득하였다. 일변화 보정은 청양지자기상시관측소의 자료를 이용하였으며, Fig. 4는 이 항공 자력탐사 자료를 지도 위에 겹쳐서 나타낸 것이다(Jung et al., 2012). 항공탐사 자료에서 해남 황산면 근해에 규모가 크고 이상 값이 큰 지자기 이상이 포착되었다. 또한 탐사영역 남쪽으로 이상대 영역이 확장될 수 있는 가능성을 보여 추가 정밀 조사로 해상 자력탐사를 수행하였다.
해상 자력탐사
해상 자력탐사 시 사용한 장비는 캐나다 GEM systems의 오버하우저(Overhauser) 자력탐사기 GSM-19GW이다. 이 장비는 총자기를 측정하며, 공식 제원 상 분해능은 0.01nT이다. 선체의 영향을 최소화하기 위하여 유리섬유강화플라스틱(FRP, Fiber-reinforced plastic) 선박을 운용하였으며, 뱃머리에 나무 지지대를 설치하여 해수면으로부터 약 3 m 높이에 센서를 고정하였다. 1초에 5회 값을 받아오도록 설정하여 선박이 움직이면서 연속 측정되도록 하였다. 탐사 위치 정보는 자력탐사 장비에 내장되어 있는 GPS 시스템을 이용하여 획득하였으며, 제원 상 위치 오차는 1.5m 이내이다.
Fig. 5는 선박 위에 센서 및 계측 장비를 설치한 사진과 스마트 디바이스를 이용한 모니터링 시스템 화면을 보여준다. 탐사 효율성을 위하여 자력계로부터 출력되는 실시간 데이터가 스마트 디바이스를 통해 모니터링 및 자료 로깅이 가능하도록 구현하였다. 자력계의 측정 자료와 스마트 디바이스의 GPS 데이터를 결합하여 위치에 따른 실시간 자기 변동 값을 확인할 수 있도록 하였고, 이동 궤적을 위성지도에 도시하여 선박이 최대한 계획 측선을 따라 운항할 수 있도록 하였다. 이러한 시스템의 운용으로 자기 이상 값이 두드러진 곳이 나타났을 때 국부 지역에서의 반복 측정을 통해 즉각적으로 자료 검증이 가능하였다. 선상 물리탐사는 탐사 지역이 바다라는 조건 상 어려움이 많은데 개발 탐측 시스템의 적용으로 현장 애로사항을 극복하고 탐사 효율을 높일 수 있었다.
항공탐사 자료에서 이상대가 나타난 구역은 조밀하게, 이외 구역은 보다 성긴 간격이 되도록 측선을 설정하였으며, 선박이 계획된 경로를 그대로 따라가게 하는 것은 쉽지 않으나 조밀한 구역은 약 50m, 간격이 넓은 구역은 200m 정도가 되도록 하였다. 선박 이동 경로는 그림과 같으며, 총 측점은 128,827개, 전체 탐사 영역은 약 4.1km × 3.3km이다. 오버하우저 센서는 무지향성이므로 헤딩 오차(heading error)가 무시할만한 수준이기 때문에 센서 이동 및 방향 전환 시의 측정 자료에 대한 별도의 보정은 필요하지 않다.
자료 획득은 2011년 6월 21일, 7월 20일, 8월 4일 총 3일에 걸쳐 수행되었으며, 전체 약 13시간에 걸쳐 자료를 획득하였다. 청양 지구자기관측소에 기록된 해당 날짜의 상시 관측 자료 확인 결과 탐사 시간대의 일변화는 모두 25nT 이내로 이상 값 범위와 비교하면 무시할 수 있는 수준이었으며, 기본적인 크리깅(kriging) 기법을 적용하여 총자기이상도를 작성하여 Fig. 6에 나타내었다.
결과 및 토의
해상 자력탐사 시 양식장으로 인해 항로에 제약이 있었으나 항공탐사 자료와 같은 남고북저 형태의 이상이 측정되었으며, 항공탐사와 비교하여 세밀한 이상도를 획득할 수 있었다. 전체 이상대는 동서방향 약 4km 폭으로 Fig. 4의 항공 자력탐사 이상도에서 확보되지 못한 진도 근해의 고이상까지 포함하여 작성할 수 있었다. Fig. 6에 나타낸 자력탐사 자료는 총자력 이상 값이며, 분포는 46,966 ~ 52,107nT의 범위를 갖는다. 이 지역의 평균 지자장 세기가 49,200nT 정도인 것을 고려하면 약 ±2,000nT의 이례적인 이상 값이 나타난 것임을 알 수 있다.
이상대가 이 위치에만 나타나는 것인지 확인하기 위하여 탐사 구역 남쪽인 해남 황산면과 진도군 고군면 금호도 사이의 해역에서 약 24km 측선에 대하여 14,690개의 추가 자료를 획득한 결과 주변 해역에서는 이 지역 평균 지자장과 비슷한 값을 보임을 확인하였다(Jung et al., 2011)(Fig. 7). Fig. 6에 표시한 4개 빨간 점선의 자력 자료를 추출하여 Fig. 8(a), Fig. 9(a), Fig. 10(a), Fig. 11(a)에 그래프로 나타내었으며, 위도에 따른 자료의 연속성을 통해 계측 자료의 질을 확인할 수 있다. 북반구에서는 남쪽으로 경사진 판상광체가 존재할 경우 남쪽에 양의 자기이상대, 북쪽에 음의 자기이상대가 나타나며, 이 경우 이상 곡선에서 변곡점이 대략 광체의 시작점으로 알려져 있다. 이러한 통상적인 지자기 이상 반응을 고려할 때 폭이 넓은 반응과 좁은 반응이 중첩되어 나타나는 양상을 볼 수 있어 이 일대 지자기 이상이 천부의 소규모 이상대와 심부의 대규모 이상대 반응이 혼재되어 나타난다는 해석도 가능하다.
이 자기 이상대의 원인 규명을 위하여 다양한 지구물리학적 시도가 이루어졌으며, 그 일환으로 해저 지층구조를 파악하고 시추조사에 활용하기 위하여 2010년 9월 해양 탄성파탐사가 수행되었다(Jung et al., 2011; Jung et al., 2012). 지표 지질조사가 불가능한 해상 지역이기 때문에 다양한 지구물리학적 접근이 필요하였다. 남북 방향의 13개 측선에 대해 버블 펄서(bubble pulser) 음원을 이용한 단일채널 탄성파 탐사자료를 획득 및 분석하였으며, 서쪽 측선 자료와 비교하여 동쪽의 10~13번 측선에서 음향 기반암 층에 변화가 관찰되었으나 Jung et al.(2012)은 이를 하각(incision)에 의한 변화로 보았으며, 기반암 분포의 영향으로 나타나는 지자기이상은 아닌 것으로 판단하였다.
Fig. 6에 표시한 4개 빨간 점선은 각각 Jung et al.(2011)에서 수행된 탄성파탐사의 3, 6, 9, 12번 측선에 대응하는 것으로, 비교를 위하여 Figs. 8~11에 각 측선에 대한 자력 자료와 탄성파 단면도를 함께 나타내었다. 각 그래프 및 단면도는 모두 남북방향 기준이며, 탄성파 단면도에는 해저면과 기반암 층을 표시하였다. 탄성파 단면에서 해저면은 갑작스러운 굴곡 없이 평탄하고 기반암의 노출로 인한 융기 지형도 보이지 않으며, 12번 측선에서만 불규칙한 기반암 형태가 나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 이러한 기복이 심한 기반암은 지자기 이상이 나타나는 영역의 동쪽 일부에서만 나타나는 특성으로, 자력 이상은 탄성파 단면에서 확인되지 않는 기반암을 관입한 화성관입체에 의한 영향으로 추정이 가능하다. 연구지역에서 약 ±2,000nT의 강하고 규모가 큰 지자기 이상이 나타나는 것은 백악기 퇴적암층에 비해서 대자율이 훨씬 높은 화강암 및 화강반암 등으로 구성된 백악기~고제3기의 불국사 화성암 또는 신생대 화산암에 기인할 것으로 추정된다. 또한 인근 육상에서 나타나는 열수변질작용에 의한 천부 변질대의 영향도 고려해볼 수 있다. 한편, 해저면 인공 지장물의 영향일 수 있다는 의견도 제기되어, 국립해양조사원에서 제공하는 해양공간정보를 통해 확인해 본 결과 해상 자력탐사 구역 안에는 어초, 침선 등 인공 시설물이 없었다.
지자기 이상대 인근 육상인 해남군 황산면에는 금광상이 분포하고 있으며, 1995년 캐나다 탐사 전문회사인 Ivanhoe Co. Ltd.의 수년간의 노력 끝에 천열수광상인 은산 광체가 발견되어 국내 기업인 순신개발(주)에서 인수하여 개발 시작하였고, 그 후 모이산 광체가 개발되었다. 2010년부터 대우조선개발(주)에서 재인수하였고, 현재는 골든썬(주)에서 운용 중이다. Ivanhoe Co. Ltd.는 이후 몽골 Oyu tolgoi에서 10년 이상의 노력으로 다중금속광산을 개발하여 채광 중이다. Bowden(2007)은 해남 지역에서의 저황화, 고황화작용 천열수계에 의한 열수, 변질작용을 지표 및 갱내 노두 조사, 시료분석 등을 통해 제시하였다. 호주의 40년 이상 광상학 전문가인 Noel C. White는 2006년 해남의 은산, 모이산 현장 답사 후 이 지역에서의 황화 금 퇴적물과 반암 구리-금 퇴적물의 발생 가능성을 지적하며, 반암형 동-금광상(porphyry copper-gold deposit)을 찾는데 목적을 둔 탐사가 최우선되어야 한다고 주장하였다. 천부로는 인근 육상의 광체와 같은 천열수광상을, 심부로는 반암동광상 등 대규모 광체 가능성을 충분히 갖고 있다고 보인다.
이 연구지역의 지자기이상이 규모가 크고 뚜렷하기 때문에 대규모 잠두광상의 가능성을 염두에 두고 추가적인 물리탐사가 필요할 것이다. 또한 Lim et al.(2001)에서 제시된 해남지역을 포함하는 소지괴의 회전운동 가능성을 고려하면 잔류자기를 고려한 연구도 필요할 것으로 판단된다. 한편 지자기이상대가 육상 중력탐사 자료에서 나타난 저밀도 이상대 남쪽에 나타난 것이기 때문에 중력 이상대의 연장 조사나 해상 지역의 중력 자료를 획득할 필요가 있다. 이러한 목적으로 Rim et al.(2011)은 바지선 상 중력탐사 적용을 검토하기 위해 흔들리는 바지선 위에서 장시간 연속 측정 중력탐사 자료를 획득하고, 조석 보정 등 과정을 거쳐 유용한 자료를 추출하는 기법을 통해 해상 중력탐사가 가능성이 있음을 확인하였다. 그러나 아직까지는 중력 이상대의 연장이 확인되지 않았기 때문에 두 이상대의 상관관계는 조사가 더 필요할 것이다.
결론
이 연구는 해남지역에서 수행된 항공 및 해상 자력탐사 결과를 보고하고, 지질학적 · 광상학적 연구자료와 탐사자료를 분석하여 이상반응의 원인 규명에 기여하고자 하였다. 해상 자력탐사를 통해 항공 자력탐사 자료와 양상이 일치하면서 보다 세밀한 총자기이상도를 획득할 수 있었으며, 항공 자력탐사로 확보되지 못한 진도 근해의 고이상까지 포함하여 작성할 수 있었다. 자력 자료는 46,966 ~ 52,107nT의 분포를 보였으며, 이 지역의 평균 지자장 세기를 고려하면 약 ±2,000nT 이상의 강한 이상 값을 보이는 것이다. 이는 주변 해역에서는 나타나지 않는 고립된 이상반응으로, 기반암의 분포에 따른 영향은 아닌 것으로 보인다. 총자기이상을 측선별로 나타낸 그래프를 통해 이 일대 지자기 이상이 폭이 좁은 반응으로 나타나는 비교적 얕은 깊이의 소규모 이상대와 폭이 큰 반응으로 나타나는 심부의 대규모 이상대 반응이 중첩되어 나타난다는 해석도 가능하다. 이 지자기 이상은 백악기 퇴적암층에 비해서 대자율이 훨씬 높은 화강암 및 화강반암 등으로 구성된 화성암 또는 화산암에 기인할 것으로 추정되며, 인근 육상의 광체와 같은 열수변질작용에 의한 천부 변질대의 영향도 고려해볼 수 있다.
이 지역의 지자기이상이 규모가 크고 뚜렷하게 나타나고 있기 때문에 인근 육상과 같은 천열수광상 및 심부 반암동광상 등 대규모 광상의 가능성을 열어두고 추가적인 조사가 필요하다. 또한 이 일대 소지괴의 회전운동 가능성이 제기된 바가 있기에 잔류자기를 고려한 추가 연구도 필요하다. 육상 중력탐사 자료에서 나타난 저밀도 이상대 하부에 지자기이상이 나타난 것이며, 중력 이상대의 연장이 확인되지 않았기 때문에 두 이상의 상관관계를 파악하기 위해서는 항공 중력탐사 또는 해상 중력탐사가 수행될 필요성이 있다. 연구지역은 육상과는 다르게 지표 조사 및 노두 확인이 불가능한 해상 지역이기 때문에 간접적으로 지질구조를 파악하기 위하여 항공 자력탐사에 이어 선상 자력탐사, 탄성파탐사, 바지선 중력탐사 등의 다양한 시도가 이루어졌으며, 앞으로 시추 조사를 포함한 다양한 지구물리학적 접근이 필요하다. 해상이라는 특성으로 인해 이상대 지역의 지표 지질조사 자료 없이 순산 및 역산 해석을 하는 데에는 무리가 있다고 보이며, 다른 방법의 물리탐사 자료 및 시추 자료가 보강된 후 해석 모델이 제시가 되어야 할 것이다.
