서 론

전통적인 탄성파 탐사 방법은 주로 송신원으로 P파를 이용하였으며, 다성분 탄성파 탐사(multi-component seismic survey)는 P파 또는 S파를 발생시킬 수 있는 음원과 3축 수신기를 이용하여 다양한 성분의 자료를 얻을 수 있는 탐사 방법이다. P파와 S파는 지층을 통과할 때 다른 전파 특성을 가지므로 다성분 탄성파 탐사 자료를 통해 더 많은 정보를 얻을 수 있다(Garotta, 1999). P파와 함께 S파를 음원으로 이용할 경우, S파 성분을 측선 방향과 수직인 방향(SH component)과 수평인 방향(SV component)으로 구분하여 3 성분(P, SH and SV component) 음원을 발생시킬 수 있으며 3축 수신기를 통해 최대 9 성분 탄성파 자료를 취득할 수 있다.

국외의 다성분 탐사 사례로 Al-Hawas et al.(2003)은 다성분 탄성파 탐사를 통해 취득한 북-남, 동-서 측선 방향의 자료를 이용하여 균열대의 방향을 추측하는 연구를 수행한 바 있다. 또한, Cafarelli et al.(2006)은 브라질에서 취득한 4 성분 탄성파 자료를 이용하여 가스 지시자를 확인한 연구를 수행한 바 있다. 국내의 경우 해저면 케이블(OBS) 자료로부터 울릉분지 가스하이드레이트 유망지역의 P파 및 모드전환 S파 속도에 관한 연구(Kim and Byun, 2011)를 수행한바 있다. 또한 포항 영일만 해상에서 이산화탄소 지중저장을 위한 OBS 탐사를 수행하였다(Shinn et al., 2018; Park et al., 2018). 이러한 다성분 탄성파 탐사 자료는 P파 자료만으로는 확인이 어려운 암상 구분, 균열대 방향, 저류층 확인 등이 가능하다는 장점이 있다(Potters et al., 1999; Qian et al., 2009; Ozdemir et al., 2010). 그러나 기존의 P파만을 포함하는 자료에 비해 S파 자료를 포함하는 다성분 자료의 처리 및 분석에는 어려움이 있으며(Garrota, 1999; Chopra and Stewart, 2010; Galvis et al., 2017), 다성분 탄성파 자료의 특성에 관한 연구가 필요하다. 다성분 자료의 특성 분석의 연구로 복소신호 분석(Rene et al., 1986), 속도 분석(Gaiser, 1993), 극성 분석(Guevara and Stewart, 1998) 등이 수행되었다.

탄성파 자료의 특성 분석과 같은 연구를 수행함에 있어 현장 탄성파 탐사 자료를 이용하는 것이 이상적이나 시간 및 비용적으로 어려움이 있어 수치 실험(numerical modeling)과 축소모형 실험(physical modeling)과 같은 모형 반응을 이용하는 방법이 이용된다. 수치 실험은 전파하는 탄성파의 거동을 수학적으로 나타내는 방법으로(Alterman and Karal, 1968; Etgen and O’Brien, 2007) 현장성 반영이 어려운 단점이 있다. 축소모형 실험은 현장 탐사 환경을 모사하여 실제 탄성파와 지층 모델을 통해 자료를 취득하는 방법으로 수치 실험의 단점을 보완할 수 있다(Shin et al., 2006). 또한 탐사 변수들의 축소를 통하여 현장 탐사와 유사한 조건을 설정하여 보다 물리적이고 실제적인 자료를 얻을 수 있다는 장점이 있다(Choi et al., 1995; Stewart and Cheadle, 1989).

탄성파 축소모형 실험과 관련하여 국내외에서 연구가 이루어지고 있으며, 국외의 경우 Tatham et al.(1983)은 S파를 이용하여 취득된 CDP 자료를 P파 자료와 비교한 연구를 수행하였으며, 이방성 지층 모델에서 S파의 전파 시간(Ebrom et al., 1988), 단층에서의 S파 이방성(Johnson et al., 1989), 균열 밀도에 따른 S파 속도(Wei et al., 2014)에 관한 연구도 수행되었다. 특히 Ebrom et al.(1989)는 돔이 포함된 지층 모델에서 9 성분 자료를 취득하였으며, 각 성분의 특성을 확인하는 연구를 수행하였다(Ebrom et al., 1992). 또한 이방성 매질에서의 다성분 축소모형 연구(Cheadle et al., 1990; Dewangan et al., 2006), 레이저 초음파를 이용한 연구가 수행되었다(Bayon and Rasolofosaon, 1993). 한편 국내의 경우 1988년 처음 탄성파 축소모형 실험을 도입하여(Kim et al., 1988) 지층 정보 및 물성 규명(Shin et al., 2006), 이방성 매질의 이방성 계수 파악(Ha and Shin, 2010)에 관한 연구가 수행되었으나 국내에서 탄성파 축소모형 실험을 이용하여 9 성분 자료의 취득 및 특성 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 단일 채널 다성분 탄성파 축소모형 취득 시스템을 구성하여 단층과 채널을 모사한 모델에 대해 9 성분 자료를 취득하였으며, 취득한 자료에 나타나는 P파 및 S파 자료의 특성을 분석하여 9 성분 탄성파 축소모형 실험의 적용성을 확인하고자 하였다.

다성분 탄성파 축소모형 실험

다성분 탄성파 자료의 성분은 음원과 수신기의 성분에 따라 결정된다(Table 1). Table 1의 수신기 H 성분은 하이드로폰을 나타내며 S파를 음원으로 이용하는 경우 최대 9 성분 탄성파 자료를 취득할 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 P, SV, SH 성분 송수신기를 이용하여 9 성분 자료를 취득하였다.

Fig. 1.

The diagram of P, SH and SV components.

축소모형 실험을 이용하여 9 성분 탄성파 자료를 취득하기 위해 다성분 자료 취득 시스템(Fig. 2)을 구성하였다. 취득 시스템은 신호 제어부(source control unit)와 자료 취득부(data acquisition unit)로 구성되어 있다. 신호의 생성 및 제어를 위한 신호 제어부는 펄서/리시버와 트랜스듀서를 이용하여 P파와 S파를 발생시킨다. 펄서/리시버는 OLYMPUS사의 5058PR 이며, 트랜스듀서는 중심 주파수가 1 MHz인 OLYMPUS사의 콘택트 타입 트랜스듀서 V103-SM(P파)과 V153-SM(S파)을 이용하였다. 트랜스듀서와 모델의 커플링을 위해 커플런트(couplant)를 이용하였으며 특히 S파 트랜스듀서는 S파용 커플런트를 이용하였다. 자료 취득부는 탄성파 축소모형 실험 자료를 취득을 위한 디지털 오실로스코프와 취득된 자료를 저장하는 PC로 구성되어 있다.

Fig. 2.

Multi-component seismic physical data acquisition system.

탄성파 축소모형 실험의 탐사 변수는 현장 규모의 탐사 변수를 식 (1)과 같은 축소비를 고려하여 설계된다(Vogel et al., 1985).

여기서 αc는 속도 변수, αf는 주파수 변수, αλ는 모델 크기 변수이다. 속도 변수의 경우 매질 자체의 특성으로 조절이 어렵다. 본 연구에서는 주파수 변수와 모델 크기 변수의 조절을 통해 1:20000의 축소비를 설정하였다. 등방성 매질에서 취득된 P파 및 S파 트랜스듀서의 파형과 현장 규모의 주파수 스펙트럼을 Fig. 3에 나타내었으며 축소모형 실험에서 취득된 P파의 중심주파수는 800 kHz, S파의 중심주파수는 400 kHz 이다. 축소비(1:20000)를 고려하여 현장 규모의 P파 및 S파 트랜스듀서의 중심 주파수는 각각 40 Hz, 20 Hz 이다.

Fig. 3.

Source waveform of (a) P wave and (b) S wave and frequency spectrum of (a) P wave and (b) S wave.

본 연구에서는 탄성파 축소모형 실험을 이용하여 지층 모델(Fig. 4(a))에서 9 성분 자료를 취득하였다. 지층 모델은 상부는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene), 하부는 acrylic으로 구성된 2층 모델이며 채널과 단층을 포함한다. 채널에 공기, 물, 미네랄 오일을 주입하여 주입 유체에 따라 다성분 자료를 취득하였다. 각 층은 등방성 매질로 가정하였으며 채널은 두 번째 층에 S자 형태로 존재하며(Fig. 4(b)) 폭은 30 mm, 깊이는 20 mm, 부피는 540 cm³이다. 각 층과 유체의 P파, S파 속도와 밀도를 측정하여 Table 2에 나타내었다. Fig. 5는 Fig. 4(b)에 나타낸 탐사 측선의 단면도이며 단일 채널 자료 취득을 위한 음원 및 수신기의 배치를 나타내었다. 설계된 축소모형 및 현장 규모의 탐사 변수를 Table 3에 나타내었다. 축소비를 고려하여 현장 규모로 나타내었을 때 오프셋은 480 m, 음원 간격은 40 m이며 총 음원 개수는 101개 이다.

Fig. 4.

(a) The 2^nd layered physical model comprising fault and channel and (b) upper section of lower layer.

Fig. 5.

Diagram of survery for acquiring single channel data.

S파 트랜스듀서는 떨림 방향이 고정되어 있어 송신 및 수신 트랜스듀서의 회전을 통해 SV 성분과 SH 성분을 나타낼 수 있다. 트랜스듀서의 떨림 방향을 확인하기 위해 횡등방성(VTI)매질에서 송수신 트랜스듀서를 10° 간격으로 회전하여 취득한 신호의 진폭 변화를 Fig. 6에 나타내었으며 최대 진폭을 갖는 방향을 0°로 설정하였다.

Fig. 6.

Variation in amplitude with the angle of S wave transducer on the VTI material.

다성분 탄성파 자료 특성 분석

본 연구에서는 단층과 채널을 포함한 지층모델에서 채널 내에 공기, 물, 미네랄 오일을 주입하여 9 성분 단일 채널 자료를 취득하였다. 주입한 유체에 따라 취득된 자료를 축소비를 고려한 현장 규모로 Fig. 7, 8, 9에 나타내었다. Table 2에 나타낸 P파 및 S파 속도를 이용하여 주시를 계산하였을 때 상하부층의 경계, 채널, 모델 바닥면의 주시와 일치하는 것을 확인하였으며, P-P, SH-SH, SV-SV 성분과 같이 방향성이 일치하는 자료에서 상대적으로 강한 진폭을 가지며, 방향성이 일치하지 않은 SH-SV, SV-SH 성분의 자료는 약한 진폭을 가진다. 또한 현장 탐사 자료에서 나타나는 현상 중 하나인 회절 현상과 다중 반사파가 기록되었다. 회절 현상은 파장에 따라 다르게 나타나며, P파와 S파의 파형(Fig. 3)과 같이 파장이 서로 달라 P-P 성분과 SH-SH 성분의 회절 신호를 비교한 Fig. 10에서 P파와 S파의 회절 양상이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7.

The single channel multi-component seismic data with air filled in the channel. (a) P-P, (b) P-SH, (c) P-SV, (d) SH-P, (e) SH-SH, (f) SH-SV, (g) SV-P, (h) SV-SH and (i) SV-SV components.

Fig. 8.

The single channel multi-component seismic data with water filled in the channel. (a) P-P, (b) P-SH, (c) P-SV, (d) SH-P, (e) SH-SH, (f) SH-SV, (g) SV-P, (h) SV-SH and (i) SV-SV components.

Fig. 9.

The single channel multi-component seismic data with mineral oil filled in the channel. (a) P-P, (b) P-SH, (c) P-SV, (d) SH-P, (e) SH-SH, (f) SH-SV, (g) SV-P, (h) SV-SH and (i) SV-SV components.

Fig. 10.

Diffraction patterns of (a) P wave and (b) S wave.

S파 성분 중 SH 성분의 경우 지층 경계면에서 반사가 일어날 때 다른 성분으로 변환이 잘 일어나지 않는 특성을 가진다(Hardage et al., 2011). 이러한 SH 성분의 특성을 확인하기 위해 취득한 자료의 SH-P 성분과 SV-P 성분을 비교하였을 때(Fig. 7, 8, 9(b), (d)) SH-P 성분 자료의 진폭이 상대적으로 약하게 나타나며, 이를 통해 축소모형 실험을 통해 취득된 자료에서 SH 성분의 특성이 확인되었다. Fig. 11은 채널 내의 유체에 따라 P-P 성분 자료의 2 s까지의 신호를 나타낸 것이다. 주입 유체가 공기인 경우(Fig. 11(a)) 명점(bright spot)이 확인되었으며, 물과 미네랄 오일인 자료에서는 확인되지 않는다. 명점은 탄성파 단면에서 반사파의 진폭이 강하게 나타나는 현상으로 현장에서 취득된 자료에서 지층 내의 가스층에 의해 주로 나타난다. 따라서 현장 탄성파 자료에서 나타나는 명점, SH 성분의 특성이 축소모형 실험을 통해 취득된 자료에서 확인이 가능하여 다성분 축소모형 실험의 적용성을 확인할 수 있었다.

Fig. 11.

The P-P component single channel data with the channel injected with (a) air, (b) water and (c) mineral oil.

채널 내에 물과 미네랄 오일을 주입한 자료(Fig. 11(b), (c))의 50~60 번째 트레이스에서 약 1.5 s에 회절에 의한 신호가 기록되었다. 공기의 경우 P파의 전파가 어려워 나타나지 않았다. 주시를 확인하였을 때 회절 신호는 채널 하부에 의한 신호로 판단되며 하부층에 비해 주입 유체에서의 P파 속도가 낮아 모델의 바닥면에 의한 신호보다 늦게 기록되었다.

채널에서 나타나는 P-P, SH-SH 성분의 55번째 트레이스와 80번째 트레이스를 시간-주파수 영역으로 변환하여 유체에 따른 P파와 S파의 시간에 따른 주파수 변화를 확인하였다(Fig. 12). 시간-주파수 영역의 P-P 성분 자료에서 주입 유체가 공기인 경우 고주파수 성분이 감쇠되어 저주파수 성분이 상대적으로 강하게 나타났다. 그러나 S파 성분인 SH-SH 성분의 경우 주입 유체에 관계없이 유사한 주파수 성분을 가졌으며 유체에서의 전파가 어렵기 때문으로 판단된다.

Fig. 12.

Time-frequency domain spectrogram of the P-P component of (a) air, (b) water, (c) mineral oil and (d) lower layer. Time-frequency domain spectrogram of the SH-SH component of (e) air, (b) water, (c) mineral oil and (d) lower layer.

결 론

본 연구에서는 축소모형 실험을 이용하여 다성분 단일 채널 탐사를 수행하여 9 성분 탄성파 자료를 취득하였다. 다성분 자료 취득을 위해 단층과 채널을 모사한 모델을 이용하였으며 채널에 공기, 물, 미네랄 오일을 주입하여 채널 내의 유체에 따라 다성분 탄성파 자료를 취득하였다. 다성분 탄성파 단면을 취득을 위해 축소비를 고려하여 탐사를 설계하였으며 취득된 자료를 현장 규모로 나타내었다. 취득된 자료와 지층의 단면을 비교하였을 때 단층과 지층 경계면 등이 일치하였으며, 송수신기의 방향성이 일치하는 성분(P-P, SH-SH, SV-SV)은 강한 진폭을 가지며, 방향성이 일치하지 않는 성분(SV-SH, SH-SV)의 경우 약한 진폭을 나타냈다. 또한 현장 탄성파 자료에서 나타나는 현상 중 하나인 회절과 다중 반사파를 확인할 수 있었다. 이를 통하여 다성분 탄성파 축소모형 실험이 적용성을 반영할 수 있다고 판단된다.

축소모형 실험을 활용하여 취득된 다성분 자료에서 S파의 특성 중 하나인 SH 성분의 특성을 P-SH 성분과 P-SV 성분의 비교를 통해 확인할 수 있었다. 채널 내의 유체가 공기인 경우의 P-P 성분의 자료에서 채널의 반사파 진폭이 강하게 나타나는 명점 현상이 나타났다. 이를 채널이 존재하는 부분과 채널이 존재하지 않는 부분의 트레이스를 시간-주파수 영역에서 확인하였을 때 채널 내의 공기 층에 의해 고주파수 성분이 감쇠되어 채널의 반사파 신호에서 저주파수 성분이 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

주입 유체가 액상인 경우 P-P 성분 자료의 1.5 s 신호에서 채널의 하단부로부터 기인된 것으로 해석되는 회절신호가 기록되었다. 공기의 경우 탄성파의 전파가 어려워 기록이 되지 않았으며 S파의 경우 유체에서의 전파가 어려워 SH-SH 성분의 자료에서 기록되지 않은 것으로 판단된다. 따라서 지층 내에 유체가 존재할 때 탄성파 자료 해석에 주로 이용되는 P-P 성분 자료와 S파 성분 자료의 비교를 통해 해당 유체의 상(phase)을 구분할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 검층 자료와 같은 추가적인 자료를 통해 유체의 상 뿐만 아니라 유체의 종류 또한 구분이 가능할 것으로 사료된다.

본 연구에서는 다성분 탄성파 자료의 처리 및 해석의 선행 연구로서 축소모형 실험을 이용하여 단일 채널 9 성분 탄성파 자료를 취득하였으며 취득한 다성분 자료에 나타나는 특성을 분석하였다. 축소모형 실험을 이용한 다성분 탄성파 탐사의 적용성을 확인할 수 있었으며 다성분 탄성파 자료의 처리 및 해석의 배경 연구로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 향후 축소모형 실험을 이용한 다채널 다성분 자료의 취득 및 분석 연구의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.