서 론

탄성파 탐사자료는 겹쌓기(stack) 과정을 거치면서 신호대잡음비(signal to noise ratio; S/N)가 향상되고 개괄적인 지하의 생김새를 보여준다. 그러나 일부 복잡한 지하구조의 경우 반사된 탄성파가 여러 방향으로 에돌이(diffraction, 회절)하면서 왜곡되어 실제 형태와 다른 영상으로 단면이 나타난다. 왜곡된 지하의 형태와 잘못된 반사층의 심도를 실제와 가깝게 바로잡는 기술이 다양한 방법으로 연구 되어왔고 이를 통상 참 반사 보정(migration)이라 명한다. 참 반사 보정은 에돌이 곡선을 따른 적분법(키르히호프 참 반사 보정, Kirchhoff), 유한 차분법(FDM)을 이용하는 방법, 파동 마당의 위상이동 및 아래로 연속, 진동수-파수(F-K) 영역 참 반사 보정 등 다양한 방법으로 수행된다(Yilmaz, 2001).

이전에 키르히호프 참 반사 구조보정 기법을 울릉분지 탄성파 탐사자료에 적용하여 지하구조의 영상화가 시도되기도 하였으나 음향기반암과 심부퇴적 층서의 영상화에 초점이 맞추어지기보다 기법의 적용성을 확인하는데 국한되었다(Ko et al., 2001). 또한 Jang et al. (2006)은 동해 울릉분지의 가스하이드레이트 탄성파 탐사자료에 겹쌓기 전 심도 구조보정을 적용하여 해저면 모방 반사면(Bottom Simulating Reflector)을 확인한 바 있다. 그러나 가스하이드레이트 탐사자료에서 연구되는 탄성파 단면은 해저면에서 1.0 s 이내의 천부 층서에 국한되어 제작 및 연구되었다(Na et al., 2011; Horozal et al., 2009). 심부 지각에 대한 기존의 탄성파 자료는 해상도가 낮아 자력 탐사자료와 함께 해석할 필요가 있었다(Park et al., 2000). 해저면 탄성파 기록계를 이용한 울릉분지의 심부 지구조 연구에서도 다중채널 해저 탄성파 탐사자료가 중요하게 이용된 사례가 있다(Kim et al., 1998). 최근 연구에서는 동해 울릉분지 탄성파 탐사자료가 이산화탄소 저장 용량을 예비 평가하는데 적절히 활용되기도 하였다(Kim et al., 2012).

울릉분지를 영상화하는 연구는 지질 해석으로 연계되었고 탄성파 단면이 정확한 구조를 구현해야 할 필요성이 증대되었다. 자원 탐사를 위한 탄성파 시퀀스 층서분석 연구에서 지속적인 탄성파 탐사자료의 재처리 및 추가 전산처리 필요성이 강조되었고, 울릉분지의 천부 퇴적층서 및 퇴적 역사 연구 과정에서도 정확한 탄성파 단면의 효용이 부각되었다(Choi, 1998; Joh and Yoo, 2009). 특히 울릉분지의 지하 심부 구조를 영상화하는 탄성파 단면은 지구조 변화 및 발달사 연구의 중요한 연구자료로 이용되었다(Yoon and Chough, 1995). 지질해석의 타당성을 높일 수 있도록 울릉분지 탄성파 탐사 자료의 취득 및 품질 향상을 위한 연구도 지속적으로 수행되면서 영상화 연구의 여건이 성숙되었다(Koo et al., 2008; Mo, 2013).

본 연구는 울릉분지의 기반암을 포함하는 심부 탄성파자료에 대하여 겹쌓기-전후 참 반사 보정을 수행하고 그 결과를 비교해보기로 한다. 탄성파 층서 및 구조 해석 과정에서 입력자료로 이용되는 단면이 지니는 특성을 소개함으로써 자료가 가공되는 단계별로 어떠한 변화가 있는지 실제 사례로 제시하고 동해 울릉분지의 층서 해석 및 지구조 연구 자료로 활용 가능한 지하 구조를 자세히 영상화하는 탄성파단면을 도출하고자 한다.

연구지역 및 탄성파 탐사자료

동해 울릉분지에서 심해 환경의 탄성파 탐사기술을 시험하기 위하여 2013년 2차원 탄성파탐사가 수행되었으며 취득된 자료 중 남서-북동 방향의 측선을 대상으로 참 반사 보정 영상화 연구를 수행하였다(Fig. 1). 연구지역은 동해 울릉분지의 열개 및 확장사를 연구하는데 중요한 지역이며 남서쪽 지역의 경우 최근까지 화산활동이 존재하여 음향 기반암 형성에 영향을 미쳤다(Lee et al., 1999). 울릉분지의 수심이 깊은 중앙부 영역이 후열도 분지(back-arc basin)로 탄성파 자료 상에서 음향 기반암(acoustic basement)이 6.0 s 근방에서 해석되었다. 그러나 남서쪽 기반암의 경우 후기 마이오세의 압축력을 받아 생성된 배사구조를 보이며 얕은 심도에서도 확인된다. 이러한 고기반암들은 울릉분지 사면지역에 분포하며 판상의 화산성 실트류가 복합체를 이루며 상부에 존재한다. 여기서는 저기반암과 고기반암 지역을 모두 포함하도록 대륙사면과 심해저평원을 가로지르는 측선을 연구자료로 선정하였다.

측선의 총 길이는 62.5 km이며 그 중 점선으로 표시된 31.25 km의 남서쪽 부분이 해저 지형 및 퇴적 양상의 변화가 큰 부분이므로 이에 대하여 탄성파단면을 작성하고 비교하였다. 자료취득 매개변수로 수신기 432개가 사용되었고 음원의 규모는 2,289 in³이다(Table 1). 수신기는 12.5 m 간격으로 배열되어 1 ms 간격으로 8 s까지 반사파를 기록하였으며 본 연구에서는 6 s까지를 영상화하여 단면을 작성하였다. 연구대상 지역의 수심은 최저 1,300 m, 최고 2,200 m이며 북동쪽으로 갈수록 깊어진다. 현장자료는 화살표로 표시된 일부 잡음이 존재하여 송곳신호 및 돌발잡음 편집(spike & noise burst edit)을 수행하였다(Fig. 2(a)). 해당 음원모음 탄성파 기록은 북동 방향 측선의 시작점에서 추출한 것으로 해저면에서 일차 반사된 반사신호가 1번 수신기(Near OFF)의 2,900 ms, 432번 수신기(Far OFF)의 경우 4,500 ms에 기록되었다. 음원모음의 6,000 ms 하부에서 다중반사파(MULT)가 기록되었으며 다중반사파가 나타나는 상부영역에 대한 영상화에 주안점을 두었기 때문에 다중반사파 잡음 제거를 시도하지 않았다. 음원모음 탄성파 기록을 1480 m/s의 수층 속도를 적용하여 수직 시간차 보정(NMO correction)한 결과 화살표로 표시된 해저면 및 하부지층 반사파가 수평적으로 정렬됨을 확인할 수 있다(Fig. 2(b)).

자료처리

본 연구에서는 탄성파 자료처리 각 단계에서 작성되는 단면들이 지하 구조를 어떻게 영상화하는지 네 가지 결과에 대하여 비교하였다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 단계별로 도시할 탄성파 단면은 저급겹쌓기단면(brute stack section), 자료처리 겹쌓기단면(processed stack section), 겹쌓기 후 참 반사 보정 단면(post-stack migrated section) 및 겹쌓기 전 참 반사 보정단면이다(pre-stack migrated section). 겹쌓기 전후의 참 반사 보정효과를 확인하기 위하여 자료처리 과정은 정보정(static), 진동수-파수 필터(f-k filter), 수직 시간차 보정, 송곳신호 및 돌발잡음 편집, 진동수-거리 곱풀이(f-x deconvolution)로 간결하게 구성하였다(Table 2). 정보정은 취득장비에서 고유 설정된 100 ms의 보조 기록시간을 전체 탄성파 기록에 대하여 감산하여 수행하였다. 진동수-파수 필터는 일부 후방 산란(back scattering)되는 잡음을 억제하기 위하여 적용되었다. 무작위로 발생하는 잡음은 송곳신호 및 돌발잡음을 편집하는 과정에서 제거되었다. 반사기록의 해상도가 지하구조 영상화에 적절하다고 판단하여 띠 통과 필터(bandpass filter)는 적용하지 않았다.

자료처리 과정에서 첫 번째로 작성된 저급겹쌓기단면은 탄성파 음원모음에 정보정과 진동수-파수 필터가 적용된 자료를 1,480 m/s의 상속도로 수직 시간차보정하고 겹쌓기(stack)한 결과이다(Fig. 4). 단면의 수평축은 공통중간점 번호, 수직축은 탄성파가 수신기에 도달한 시간을 나타낸다. 탐사 진행방향은 북동에서 남서이고 해저면은 사면을 지나면서 수심이 얕아진다. 기존 연구에서 울릉분지의 해저면에 가까운 천부 퇴적층은 원양성 저탁류(turbidites)와 그 하부의 질량류(mass-transport deposit)로 퇴적상이 분명하다고 보고되었다(Lee et al., 2001). 저급겹쌓기단면은 천부 퇴적층이 적절히 영상화되었으나 심부의 반사신호 공백영역(Blank) 심도에서 지층의 구조가 확인되지 않았다. 화살표로 나타낸 공심점 8000과 9000 사이의 2,700 ms 하부에서 강한 반사신호가 관찰되며 이는 음향 기반암의 일부 구조로 파악된다. 저급겹쌓기단면은 지하 전체 영역을 해수의 속도로 가정하고 수직 시간차 보정한 결과로 심부의 음향 기반암을 구체적으로 영상화하기에는 부족함을 확인하였다.

깊은 심도의 지질해석을 위해서 심부 지층의 탄성파 전파속도를 도출하고 이를 이용하여 겹쌓기를 수행한다. 일차적인 겹쌓기속도를 도출하는데 보편적으로 사용되는 분석방법인 닮음(semblance) 분석을 수행하여 지하의 속도분포를 추정하였다(Fig. 5). 정확한 지하의 속도를 알고 있는 경우 참 반사 보정이 정확하게 수행될 수 있지만 본 자료의 경우 시추자료가 없어 반사법 탄성파 탐사자료로부터 속도정보를 추정하고 부드럽게 수정(smoothing)하여 이용하였다. 푸른 색에서 붉은 색으로 갈수록 속도가 높아지며 음향 기반암이 상승하는 남서쪽의 경우 심부에 고속도 영역이 넓게 분포하였다. 공간적인 속도변화는 저급겹쌓기단면 상에서 기반암 심도가 남서쪽에서 북동쪽으로 깊어지는 추세와 유사한 경향이었다. 속도 정보의 타당성을 판단하기 위하여 공통 중간점 모음이 수평적으로 정렬되었는지 확인하였다. Fig. 6(a)는 공통 중간점 5000, 6000 및 7000에서의 탄성파 기록으로 벌림(offset)에 따라 반사파 도달시간이 증가한다. 도출된 탄성파 겹쌓기속도를 이용하여 수직 시간차 보정과 반사파 늘어짐 자르기(stretch muting)를 수행한 공통 중간점 모음을 Fig. 6(b)에 나타내었으며 반사 이벤트들이 수평적으로 정렬되어 있어, 여기서 적용한 속도가 적합한 것으로 판단하였다.

울릉분지 탄성파 시험측선의 탄성파 자료를 겹쌓기하고 송곳신호 및 돌발잡음 편집과 진동수-거리 곱풀이를 수행하여 자료처리 겹쌓기단면을 작성하였다(Fig. 7). 저급겹쌓기단면에서 탄성파 도달시간 5,000~6,000 ms에서 강한 진폭으로 나타나는 해저면 다중반사파가 신호대잡음비 증가와 함께 현저히 줄어들었다. 자료처리 겹쌓기단면은 타원으로 표시된 영역에서 음향 기반암에 윗걸침(on-lap)하는 층서가 저급겹쌓기단면보다 선명하다. 해당 층서는 울릉분지 형성에서 주요한 퇴적양상을 차지하는 마이오세 층의 발달을 지시한다. 화살표로 나타낸 영역에서 부정합면 상부로 퇴적매질이 경사층리를 이루며 아랫걸침(down-lap)함이 관찰된다. 자료처리 겹쌓기단면을 통하여 울릉분지 연구지역의 지하 구조를 살펴볼 수 있었고 층서 해석이 가능한 깊이가 5,000 ms 이상까지 연장되었다.

참 반사 보정 효과 검증

음향 기반암의 상부는 화산성 실트류의 복합체로 마이오세 후기의 후열도 분지가 닫히는 시기의 압축력에 의해 배사 형태로 생성되었고 그 구조가 복잡하다(Lee et al., 1999). 탄성파 단면에서 확인되는 반사기록 중 경사가 급하고 복잡한 구조에서 반사된 신호는 왜곡되어 영상화되므로 연구지역의 음향 기반암 위치 역시 본래의 형태와 다를 것으로 추정된다. 따라서 자료처리 겹쌓기단면에 대하여 키르히호프 기법의 겹쌓기 후 참 반사 보정을 적용하여 지하 구조의 변화를 검토하였다. 키르히호프 기법의 참 반사 보정은 모든 반사면이 촘촘히 존재하는 회절점으로 구성되어 있다고 가정하고 겹쌓기 단면 위 반사신호의 각 부분을 회절파의 일부분으로 생각하여 참 반사 보정을 수행한다(Yilmaz, 2001). 키르히호프 기법의 참 반사 보정은 파동방정식을 바탕으로 수행되므로 경사가 급한 반사면의 왜곡을 참 반사면으로 보정하는 장점이 있다. 울릉분지 연구자료를 참 반사 보정한 결과 주요 기반암 반사면 신호의 경사도가 증가하였다(Fig. 8). 해저면과 천부 저탁류 퇴적층의 경우 경사가 완만하므로 참 반사 보정을 적용하기 전과 후에 변화가 크지 않다. 반면 단면상에 화살표로 나타낸 급경사 구조는 자료처리 겹쌓기단면에 비해 곡률이 줄어들고 종단부의 길이가 짧아졌다. 이는 공간상의 여러 경로에서 전파 가능한 탄성파 반사신호 중 실제 반사점의 위치를 찾는 참 반사 보정 기법을 적용한 단면에서 공통적으로 나타나는 현상이다. 울릉분지 탄성파 자료에 겹쌓기 후 참 반사 보정을 적용한 결과 음향 기반암을 중심으로 경사가 급한 구조들이 실제 구조에 가깝게 수정되었음을 확인하였다.

탄성파 자료는 겹쌓기 과정에서 신호대잡음비가 향상되지만 벌림에 따른 반사기록의 정보가 손실되기 마련이다. 따라서 구조가 수평적이고 단순한 지역에서는 겹쌓기 후 참 반사 보정을 적용해도 되지만, 구조가 복잡한 지역에서의 참 반사 보정기법은 겹쌓기 전의 자료에 대하여 적용하는 것이 보다 정확하다. 울릉분지 탄성파 탐사 음원모음에 겹쌓기 전 키르히호프 참 반사 보정을 적용하여 단면을 작성하고 도시하였다(Fig. 9). 해저면, 천부 퇴적층서 및 기반암 등의 구조가 실제 구조에 가깝게 변화된 것으로 판단된다. 특히 음향 기반암의 연속성이 향상되었고 화살표로 나타낸 분지 하부 퇴적층이 적절히 영상화되었다. 사각형 영역을 확대하여 탄성파 단면별로 도시하고 영상화 품질의 차이를 보다 세밀히 확인하였다.

저급겹쌓기단면의 확대된 영역에서 위로 볼록한 원호 형태의 에돌이 반사신호가 중첩되어 나타나면서 기반암 상부와 퇴적층의 경계가 불분명하다(Fig. 10(a)). 기본 자료처리가 적용된 겹쌓기단면은 3,000 ms 하부의 반사신호가 보다 선명하게 확인되었고 화살표로 표시된 경사진 반사신호가 저급겹쌓기단면에 비해 다수 영상화되었다(Fig. 10(b)). 그러나 겹쌓기 단면으로는 에돌이 현상의 보정이 충분치 않아 묻힌 초점 현상(buried focus effect)이 여전히 존재하고 따라서 퇴적층과 기반암의 경계가 불분명하여 지질 해석에 적합하지 않다. 겹쌓기 후 참 반사 보정 단면을 확대하여 관찰한 결과 급경사 반사면의 에돌이가 상당수 억제되었음을 확인하였다(Fig. 10(c)). 도시된 탄성파 단면은 영역의 중앙부에 경사가 급한 배사 구조가 발달하고 이를 경계로 상하부 속도 차이가 크므로 참 반사 보정 효과를 명확히 보여주는 예이다. 겹쌓기 전 참 반사 보정을 수행하고 탄성파 단면을 도시한 결과 음향 기반암의 연속성이 향상됨과 동시에 반사신호의 진폭이 크게 강조되었다(Fig. 10(d)). 이는 연구 지역의 화산암류로 추정되는 음향 기반암과 상부 퇴적층의 임피던스 차이가 크기 때문인 것으로 해석된다. 확대된 겹쌓기 전 참 반사 보정단면에서 일부 과보정된 인위적 잡음이 확인되지만 수평방향으로 반사신호의 연속성이 향상되어 탄성파 해석에 적합한 품질을 확보하였다. 동해 울릉분지의 발달사 및 융기된 음향 기반암의 구조를 해석하기 위하여 겹쌓기 단면의 왜곡된 구조를 시간영역 겹쌓기 전 참 반사 보정으로 바로잡을 필요가 있음을 확인할 수 있었다.

결 론

동해 울릉분지 심해지역의 탄성파 탐사자료에 대하여 겹쌓기 후 및 겹쌓기 전 참 반사 보정을 적용하였다. 겹쌓기 단면에서 확인되는 천부 저탁류 및 반원양성 퇴적층은 참 반사 보정을 수행한 결과 큰 구조변화가 없었다. 심부 마이오세 경사층리와 하부 음향 기반암 경계는 참 반사 보정을 적용하여 적절히 영상화되었다. 참 반사 보정이 적용된 탄성파 신호는 에돌이 현상이 현저히 억제되어 지하의 구조를 실제와 가깝게 나타내었다.

겹쌓기 전 참 반사 보정을 적용한 단면은 울릉분지의 5,500 ms 심도 퇴적층서의 해석이 가능하였다. 또한 공통 중간점번호 7,000에서 10,000까지 수평거리 18 km에 해당하는 기반암의 연속성이 향상되어 부정합면의 경계를 명확히 구분할 수 있었다. 겹쌓기 전 참 반사 보정 탄성파 단면은 관입암류와 화산암류로 추정되는 울릉분지 기반암의 매질 특성이 반영되어 진폭이 강조되었다.

탄성파 겹쌓기단면과 참 반사 보정을 적용한 단면을 비교하여 구조적인 왜곡이 단계적으로 극복하는 과정을 제시하였다. 연구결과 울릉분지 심부 지질구조의 연장성과 기반암 분포를 규명하기 위하여 탄성파 탐사자료에 겹쌓기 전 참 반사 보정 기법 적용이 효과적임을 확인하였다. 탄성파 단면의 해상도 제고를 위하여 다양한 참 반사 보정 기법들을 비교하고 연구지역에 적합한 입력 매개변수를 찾는 노력이 지속적으로 요구된다. 아울러 신뢰도 높은 탄성파 층서 해석을 위하여 다양한 자료처리 기법이 시험되고 제작된 탄성파 단면이 소개될 필요가 있다.