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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.39 No.2 pp.154-163
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.39.2.154

Geoacoustic Model at the SSDP-105 Long-core Site of the Ulsan Coastal Area, the East Sea

Woo-Hun Ryang1*, Gwang-Soo Lee2, Jooyoung Hahn3
1Division of Science Education and Institute of Science Education, Chonbuk National University, Jeonju 54896, Korea
2Korea Institute of Geoscience and Mining Resources (KIGAM), Daejeon 34132, Korea
3Agency for Defense Development, Jinhae 51678, Korea
Corresponding author: ryang@jbnu.ac.kr Tel: +82-63-270-2790 Fax: +82-63-270-2802
April 19, 2018 April 24, 2018 April 25, 2018

Abstract


Geoacoustic model comprises physical and acoustic properties of submarine bottom layers influencing sound transmission through sea water and underwater. This study suggested for the first time that we made a geoacoustic model of long-coring bottom layers at the SSDP-105 drilling site of the Ulsan coastal area, which is located in the southwestern inner shelf of the East Sea. The geoacoustic model of 52 m depth below seafloor with three-layer geoacoustic units was reconstructed in the coastal sedimentary strata at 79 m in water depth. The geoacoustic model was based on the data of a deep-drilled sediment core of SSDP-105 and sparker seismic profiles in the study area. For actual modeling, the geoacoustic property values of the models were compensated to in situ depth values below the sea floor using the Hamilton modeling method. We suggest that the geoacoustic model be used for geoacoustic and underwater acoustic experiments of mid- and low-frequency reflecting on the deep bottom layers in the Ulsan coastal area of the East Sea.



동해 울산 연안해역 SSDP-105 심부코어 지점의 지음향 모델

양 우헌1*, 이 광수2, 한 주영3
1전북대학교 과학교육학부/과학교육연구소, 54896, 전북 전주시 덕진구 백제대로 567
2한국지질자원연구원, 34132, 대전광역시 유성구 과학로 124
3국방과학연구소, 51678, 경남 창원시 진해구 진해우체국 사서함 18

초록


지음향 모델은 수중과 해저 음파의 전파에 영향을 미치는 해저 지층의 물성과 음향 특성을 포함한다. 이 연구는 동해 남서부 내대륙붕에 위치한 울산 해역의 SSDP-105 시추 지점에서 심부 지층의 지음향 모델을 처음으로 제시하였 다. 수심 79 m의 연안 퇴적 지층에서 52 m 심도의 3개 지음향 모델을 구성하였다. 지음향 모델은 연구 해역의 SSDP-105 심부시추 코어 자료와 스파커 탄성파 단면 자료에 근거한다. 실제 모델링을 위해, 모델의 지음향 특성값은 Hamilton 모델링 방법을 이용하여 해저면 하부 현장 심도의 특성값으로 보정하였다. 이 지음향 모델은 동해 울산 연안 해역에서 심부 지층의 지음향 특성을 반영하는 중·저주파수 지음향/수중음향 실험을 위해 활용될 것이다.



    서 론

    지음향 모델(geoacoustic model)은 해저와 수중 음 파의 전파 과정에서 중요한 영향을 주는 해저 지층의 물성과 음향 특성 파악을 위해 구성한다(Hamilton, 1980, 1987; Jackson and Richardson, 2007). 연구 해 역의 지음향 특성값을 포함하는 지층 환경매개변수값 을 가능한 넓은 지역에 걸쳐, 많이, 직접, 정확히 측 정할 수 있다면, 지음향 모델의 신뢰성이 높아지고 음파의 전파 과정에 대한 보다 정밀한 예측이 가능 하다(Hamilton, 1980; Ainslie, 2010). 그러나 해저 지 층의 지음향 특성 자료를 획득하는 것은 기술적인 또는 재정적인 문제로 어렵다. 특히 수십 m 심도까 지 다루는 심부 해저 지층의 지음향 모델을 구성하 기 위해서는 심부 코어 자료가 필요하지만, 우리나라 대부분의 해역에서 심부 코어의 물성과 지음향 특성 자료를 함께 활용하는 것은 매우 어렵다(Ryang et al., 2014, 2016). 왜냐하면 지음향 특성값 측정을 목 적으로 심부 코어링을 수행하는 경우가 거의 없기 때문이다.

    이러한 상황에서 수십 m 심도 해저 지층의 영향을 받는 중·저주파수 음파전달을 현장실험 또는 모의실 험으로 수행하는 경우, 심부 코어 자료의 부족은 실 험 결과의 해석과 적용에 어려움을 준다. 이에 본 연 구는 한국지질자원연구원(Korea Institute of Geoscience and Mining Resources: KIGAM)이 해양 지질 연구 를 목적으로 동해 울산 연안 해역에서 해저면 하부 52 m 심도까지 시추하여 분석한 SSDP-105 심부 코 어 자료를 이용하여(Fig. 1; KIGAM, 2000), 이 지점 의 심부 지음향 모델을 구성하였다. 코어 퇴적물의 물성과 지음향 특성값의 상관 회귀식을 이용하여 지 음향 특성값을 구하고, 시추 지점에서 Hamilton 모델 링을 수행하였다(Hamilton, 1980, 1987; Jackson and Richardson, 2007). 이는 울산 연안의 동해 대륙주변 부 해역에서 중·저주파수 수중음향 및 지음향 모델 링 실험을 위한 현장 지음향 자료로 활용될 수 있을 것이다.

    연구 자료 및 방법

    해저지층 자료는 한국지질자원연구원(KIGAM)과 (주)에이에이티(AAT)가 획득한 스파커(sparker) 탐사 단면 자료와 SSDP-105 심부시추코어 자료를 이용하 였다. 스파커 탄성파 자료는 울산 연안 해역의 동해 한국대륙주변부에서 획득된 12Map-AAT3514-3540 (70 line-km)와 12Map-AAT3522 (20 line-km)의 2개 측선 자료를 이용하였다(Figs. 1~3; KIGAM, 2012). 이 2개의 탄성파 측선은 SSDP-105 심부 시추지점을 동-서 방향과 북동-남서 방향으로 교차하여 전개되었 으므로 시추 지점의 해저 지층의 특성을 서로 다른 두 방향의 단면으로 보여준다. 스파커 탄성파 시스템 은 수중에서 방사된 음파가 해저면과 해저 지층에서 반사되어 오는 반사파를 수진기로 수신하여 자료를 취득하는 탐사 방법이다. 본 연구에 사용된 스파커 탐사기는 CSP-D/Squid 2000 (Applied Acoustics Engineering)이며, 사용된 음원의 파워는 1000~2000 J이고, 주파수 대역은 0.3~2 kHz이다.

    SSDP-105 심부시추 코어링은 4개의 앵커를 이용 하여 시추 해역에서 고정하여 시추하는 시추선 (KAN407호)을 이용하였다(KIGAM, 2000). 시추기는 모델 YL-6을 사용하였고, 시추기 코어는 내부직경 158 mm의 케이싱과 내부직경 80 mm의 코어바렐, 내 부직경 78 mm, 외부직경 130 mm의 비트를 사용하였 다(KIGAM, 2000). 수분 함량이 높은 해저면 하부 3~4 m 심도 퇴적층은 진동식 시추를 하였으며, 그 하 부는 고화 정도에 따라 타력식 또는 회전식의 방법 을 사용하였다(KIGAM, 2000). 시추지점의 정밀한 위치 결정을 위한 DGPS 장비(Sercell NR103)와 정 확한 시추심도제어를 위한 ATLAS 정밀음향측심기 (PDR)가 사용되었다(KIGAM, 2000).

    시추 퇴적물의 함수율 측정은 이미 무게를 측정한 시료 용기에 약 5 g의 시료를 채취한 후, 전체 무게를 측정하여 24시간 이상 냉동시켰다(KIGAM, 2000). 냉 동된 시료는 냉동건조기에 24시간 동결 건조시킨 후, 다시 무게를 측정하였다(KIGAM, 2000). 퇴적물 내 에 포함된 함수율(H2O, %)은 다음 식으로 계산하였 다(KIGAM, 2000): H2O (%)=100*(wet weight−dry weight)/wet weight. 입도분포 분석은 모래 크기 (>63μm)를 위한 표준건식체질법과 머드 크기(<63 μm)를 위한 피펫법이 이용되었다. 입도 조직의 퇴적 물 유형은 Folk and Ward (1957)과 Folk (1968)의 기준 에 의해 분류되었다. 지음향 모델의 현장 온도 보정과 음속비(sound speed ratio)를 구하기 위해 Mackenzie (1981)의 해수 현장 음파속도 계산식을 사용하였다. 현장 저층수의 평균 온도와 염분은 한국해양자료센터 (Korea Oceanographic Data Center, KODC)가 동해 정선 정점 208-01에서 20년 동안(1995~2014년) 측정 한 수층 자료를 이용하여 구하였다(Fig. 1).

    연구 지역과 해양 지질

    울산 연안의 연구해역에서 시추지점은 울산광역시 울주군 간절곶 연안 대륙붕에 위치한다(Fig. 1). SSDP-105 시추 지점은 울산항에서 남동방향으로 약 15 km 거리, 수심 79 m에 위치하며, 심부시추코어는 해저면 하부 심도 약 52 m까지 회수되었다(Figs. 1, 4; KIGAM, 2000). 울산 연안 지층은 동해 울릉분지 (Ulleung Basin)의 남서쪽에 위치하며, 동해 한국대륙 주변부(Korean continental margin)를 구성한다(Fig. 1). 해저 지형은 내대륙붕, 외대륙붕, 대륙사면, 심해 저 평원으로 구성되며, 시추지점은 내대륙붕 지역에 위치한다. 내대륙붕 지역은 수심 100 m 이내 지역이 며, 대륙붕의 폭이 5~10 km로 좁고 등심선이 해안선 에 평행하게 나타난다(KIGAM, 2012). 내대륙붕의 경사는 대체로 완만하지만, 내륙에 가까울수록 경사 가 비교적 급해지며, 불규칙한 형태의 기반암이 노출 된다. 또한 연안 인근에는 낙동강 기원의 머드 퇴적 물이 최상부층으로 퇴적되어 있다.

    동해 한국대륙주변부는 수차례에 걸친 지구조운동 의 영향으로 복잡한 기반암 지형을 형성하고 있으며, 그 상부에는 두꺼운 퇴적층이 분포한다(Chough et al., 2000). 연안 지층의 구성은 하부에 후기 마이오 세나 전기 플라이오세 퇴적층이 강한 침식에 의하여 해저면에 직접 노출이 되었거나, 침식 후 상부에 후 기 플라이오세 이후의 퇴적층들이 얇게 피복하고 있 다(Ryang et al., 2007; Kwon et al., 2009). 또한 해 안선과 인접한 육상에서는 중기 마이오세 이후 횡압 축을 받은 기반암이 융기하여 형성된 제4기 해안단 구들이 존재한다(KIGAM, 2012).

    결 과

    탄성파 자료와 코어 퇴적층 자료

    SSDP-105 시추 코어의 탄성파 자료 해석과 퇴적 학적 해석은 한국지질자원연구원의 연구 결과와 해석 을 따랐다(Figs. 2~4; KIGAM, 2000). 본 연구에 사 용된 스파커 탄성파 단면에서는 탄성파 층서의 최상 부 탄성파 단위층 IA의 상부 일부를 관찰할 수 있는 반면, 단위층 IA의 하부 부분과 하부 탄성파 단위층 을 관찰할 수 없다. 이는 최상부 탄성파 단위층 IA의 퇴적층 내에서 발생한 천부가스로 인해 스파커 음원이 투과하지 못한 결과로 해석된다(Figs. 2, 3; KIGAM, 2000).

    한국지질자원연구원이 분석한 시추 코어는 퇴적 단 위층 I, II, III, IV로 구성되며, 퇴적환경은 육성 (terrigenous), 하구만(estuary), 연근해 천해 환경이 교 호하는 퇴적환경에서 형성된 것으로 해석된다(Fig. 4; KIGAM, 2000). SSDP-105 코어의 퇴적 단위층 I의 퇴적물 유형은 세립질 머드이며, 내대륙붕 머드 퇴적 층으로 해석된다(Fig. 4). 퇴적 단위층 II의 퇴적물 유 형은 모래층, 머드층, 역층이 교호하며, 하구만 환경 과 천해 환경이 겹쳐지는 퇴적환경에서 형성된 것으 로 해석된다. 퇴적 단위층 III의 퇴적물 유형도 모래 와 머드가 교호하는 양상이며, 하구만 및 천해 환경 의 교호 퇴적층으로 해석된다. 퇴적 단위층 IV의 퇴 적물 유형은 엽층리 머드이며, 전체 구간에서 유공충 이 전혀 발견되지 않는 점에 근거하여 육상 환경에 서 퇴적된 머드층으로 해석된다(KIGAM, 2000).

    지음향 자료

    지음향 자료는 P파 속도와 감쇠, 음속비(sound speed ratio), S파 속도로 구성된다. SSDP-105 코어의 지음향 자료는 코어 퇴적물의 평균입도(Mz)를 기준 으로 Hamilton 지음향 모델링을 통해 산출하였다 (Hamilton, 1980, 1987; Jackson and Richardson, 2007). 지음향 P파 속도는 평균입도와 상관된 다음 회귀식 을 이용하였다: P파 속도(m/s)= −1.183Mz2 −23.186Mz +1755.5. 이 회귀식은 국방과학연구소(Agency for Defense Development: ADD, 2004)가 인근 해역의 시추 코어들에서 1 MHz 주파수 기준 P파 속도 측정 실험을 통해 실측한 252개 P파 속도값과 평균입도값 자료를 이용하여 산출한 것이다. 코어의 P파 속도는 23oC 1기압의 Hamilton 기준 속도로 보정하였다 (Table 1; Hamilton, 1971). P파 속도의 감쇠값은 Jackson and Richardson (2007)의 회귀식을 이용하였 다. P파 속도의 감쇠값 k (dB/kHz-m)는 평균입도 Mz(ϕ)를 회귀식 k=0.697e−0.183Mz에 넣어 계산하였다 (Table 1). S파 속도값은 P파 속도값을 회귀식(Vs= −481 +0.348Vp)에 넣어 계산하였다(Table 1; Jackson and Richardson, 2007). 퇴적물 물성값인 습윤밀도(wet density), 평균입도(Mz), 공극률(porosity), 퇴적물 유형 (sediment type)은 모두 실측값이다(Table 1; KIGAM, 2000).

    SSDP-105 코어 퇴적층 중 입도 분석된 48개 심도 지점에서 평균입도값을 이용하여 48개 P파 속도값과 감쇠값을 계산하였다. 계산된 P파 속도를 Hamilton 조건(23oC, 1기압)으로 보정했을 때, 퇴적 단위층 I, II, III, IV는 각각 1467~1620, 1634~1712, 1551~ 1718, 1473~1685 m/s의 P파 속도 범위를 보였다 (Table 1). P파 속도의 음감쇠는 퇴적 단위층 I, II, III, IV에서 각각 0.14~0.27, 0.29~0.46, 0.20~0.48, 0.14 ~0.39 dB/kHz-m의 음감쇠 범위를 보였다(Table 1).

    지층 모델

    SSDP105 지층모델 구성을 위해, 퇴적 단위층 I는 지음향 단위층 1로, 퇴적 단위층 II와 III은 지음향 단위층 2로, 탄성파 단위층 IV는 지음향 단위층 3으 로 구성하였다. 퇴적 단위층 II와 III은 그 물성값과 P파 속도가 유사하므로 지음향 단위층(Geoacoustic Unit: GU) 2로 통합하여 구성하였다. 심도 증가에 따 른 P파 속도 상승률은 각 단위층의 퇴적층에서 머드 층이 모두 교호하므로 Hamilton (1980)의 육성기원 퇴적물의 선형 P파 속도 상승률을 따랐다. 표층 50 cm 심도까지는 1.3 s−1, 표층 50 cm부터 하부 52 m 심도까지는 1.23 s−1의 P파 속도 상승률을 적용하였다 (Hamilton, 1979).

    지음향 모델

    지음향 모델 구성을 위해, P파 속도, 관측 평균 수 온과 염분 자료, Mackenzie (1981) 수식 등을 이용하 여 음속비를 구하였다(Hamilton, 1980). 음속비는 코 어 최상부에서 측정된 P파 속도를, KODC 수층 자 료를 입력하여 Mackenzie (1981) 음속식으로 구한 저 층수 P파 속도로 나누어 계산하였다(Hamilton, 1980). 지음향 모델의 P파 속도는 음속비를 곱한 후, 현장 P파 속도로 보정하였다(Table 2; Hamilton, 1980). 현 장 S파 속도값은 현장 P파 속도값을 회귀식(Vs= −481 +0.348Vp)에 넣어 계산하였다(Table 2; Jackson and Richardson, 2007). 지음향 단위층 1, 2, 3의 음속비 는 각 지음향 단위층의 평균 음속비값인 0.980, 1.098, 0.994로 각각 구하였고, 저층수 P파 속도값은 현장 수심 79 m 지점에서 Mackenzie (1981) 음속식으로 구한 1482 m/s를 적용하였다. P파 속도 감쇠값, S파 속도값, 습윤밀도값은 각 지음향 단위층의 평균값을 적용하였고, 퇴적물 유형은 지음향 모델의 각 심도를 대표하는 퇴적물 유형으로 표기하였다(Table 2).

    결과적으로 SSDP-105 지점에서 Hamilton 모델링 을 통해 지층 심도 52 m까지 3개 지층으로 구분된 지음향 모델을 구성하였다(Table 2; Fig. 5). 연구 해 역의 해저 지층은 주파수 1 MHz 기준으로 현장 P파 속도는 1453~1679 m/s를 보이는 3개의 지음향 단위 로 구분할 수 있었다. SSDP-105 시추 지점의 시추코 어와 탄성파 자료에 근거한 Hamilton 지음향 모델식 은 다음과 같다(Table 2; Fig. 5; D=퇴적층심도).

    • 지음향 단위층 1: Vp (m/s)=0.980*1482 (m/s)+1.23 (s−1)*D (m)

    • 지음향 단위층 2: Vp (m/s)=1.098*1482 (m/s)+1.23 (s−1)*D (m)

    • 지음향 단위층 3: Vp (m/s)=0.994*1482 (m/s)+1.23 (s−1)*D (m)

    토 의

    울산 연안 지층에서 Hamilton (1980) 모델링을 활 용한 심부 지음향 모델을 처음으로 제시하였다. 스파 커 자료, 심부 코어 자료, 기 연구된 층서 모델 (KIGAM, 2000, 2012)을 고려하여, 주파수 1MHz, 해저면 하부 심도 52 m의 지음향 모델을 구성하였다 (Table 2; Fig. 5). 특히 연안 환경은 외해 환경에 비 해 수심이 얕으므로 해저 경계면과 해저 지층에 의 한 음파 간섭현상이 음전달 과정에 상대적으로 큰 영향을 미친다(Zhou et al., 1987; Carey et al., 1995; Katsnelson et al., 2012). 또한 연안 천해 환경에서 중·저주파수 음파 전파 모델링을 수행하기 위해서는 해저면 하부 50 m 이상 100 m까지 해저 지층의 지음 향 특성과 물성을 파악하는 것이 중요하다(ADD, 2004; Ryang et al, 2014).

    심부 지음향 모델을 구성하기 위해서는 연구 해역 을 대표하는 해저 지층에 대한 심부 시추, 코어 퇴적 물 회수, 물성 및 지음향 실험 등이 필요하다. 비록 시추 지점의 수가 제한적이지만, 최근 한국지질자원 연구원은 연근해에서 심부시추를 수행하고, 시추 코 어 실험에서 지음향 특성값과 퇴적물 물성값을 함께 측정하고 있다(예, Kim et al., 2018). 그러나 기술적 또는 재정적 문제로 우리나라 주변 해역에서 충분한 수의 심부 시추를 수행하는 것은 어렵다. 보다 넓은 해역에서 심부지층의 지음향 정보를 구축하기 위해서 는 기존에 해양 지질 연구를 목적으로 시추하고 실 험한 심부 코어 자료를 활용하는 것이 필요하다. 한 편으로 지음향 특성값은 코어를 획득하고 절개한 실 험실 상황에서 즉시 측정해야 하는 환경매개변수값이 므로, 현재 저온 저장고에 보관된 절개 코어에서는 다시 측정할 수 없는 실험값이다. 기존 해양지질 연 구를 목적으로 획득된 대부분 코어의 경우, 실험 당 시에 지음향 특성값을 측정하지는 않았지만, 심도에 따른 평균입도와 공극률 등과 같은 물성값은 측정하 였다. 이 측정된 퇴적물 물성값과 인근 해역에서 직 접 측정하고 구한 지음향 특성값의 상관 회귀식을 이용하여 지음향 특성값을 구하는 것이 심부 지층의 지음향 정보를 구축할 수 있는 현실적인 방안이 될 수 있다. 본 연구는 이러한 목적으로 울산 연안에서 획득된 SSDP-105 심부 코어의 자료를 이용하여 심 부 지음향 모델을 구성하였다.

    결 론

    동해 남서부 내대륙붕 연안에 위치한 울산 해역의 SSDP-105 심부 시추 지점에서 해저면 하부 52 m의 심부 지음향 모델을 처음으로 제시하였다(Table 2). 이 모델 구성을 위해 연구 해역의 스파커 탄성파 단 면 자료, SSDP-105 코어 자료, 인근 해역에서 연구 된 지음향 자료를 이용하였다. 실제 모델링을 위해, 지음향 특성값은 Hamilton 모델링 방법을 이용하여 해저면 하부 현장 심도의 특성값으로 보정하였다 (Fig. 5). 이 지음향 모델은 동해 울산 연안 해역에서 심부 지층의 지음향 특성을 반영하는 중·저주파수 지음향/수중음향 실험을 위해 활용될 것이다.

    사 사

    논문의 그림 작업을 함께 해 준 강솔잎양에게 감 사드립니다. 논문을 심사해 주신 심사위원들께 감사 드립니다. 이 논문은 국방과학연구소의 연구과제 (UD170014DD) 지원에 의해 수행된 연구 결과입니다.

    Figure

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    Geographic location of the study area showing the long-core site (○) of SSDP-105 (KIGAM, 2012, 2014). The thicker solid lines represent the sparker profiles in Figs. 2 and 3. Note the location of water-mass measuring station of the Korea Oceanographic Data Center (KODC). The bathymetry is in meters (in km in the inset). KCM Korean continental margin, NKP North Korea Plateau, SKP South Korea Plateau, UB Ulleung Basin, JB Japan Basin, YB Yamato Basin, YR Yamato ridge.

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    Sparker seismic profile showing the coring location of SSDP-105 in Line 12Map-AAT3522 (for location, see Fig. 1; cf. Fig. 3; KIGAM, 2012). Vertical depth is expressed with two-way travel time in seconds.

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    Sparker seismic profile showing the coring location of SSDP-105 in Line 12Map-AAT3514_3540 (for location, see Fig. 1; cf. Fig. 2; KIGAM, 2012). Vertical depth is expressed with two-way travel time in seconds.

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    Lithology and sedimentary facies of the SSDP-105 core (for location, see Fig. 1; KIGAM, 2000).

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    Geoacoustic model SSDP-105 at the SSDP-105 site of inner shelf environment (for location, see Fig. 1). Equations confer with the text and geoacoustic values in Table 2.

    Table

    Location, water depth, and temperature, salinity, and p-wave speed of bottom water of the SSDP-105 core site in the study line of 12MAP-AAT3522 (for location, see Fig. 1). Geoacoustic and physical properties of the core sediments comprise Pwave speed and attenuation, wet density, mean grain size, porosity, and sediment type. The P-wave speed and attenuation of Hamilton modeling were compensated to the condition of 23oC and 1 atm using the sound speed ratio (Hamilton, 1971; 1980)

    Geoacoustic model of the SSDP-105 core site (for location, see Fig. 1). Note in situ P-wave speeds (Vp) of bottom water and sedimentary strata below the seafloor, modeled using the Hamilton method

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