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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.40 No.2 pp.177-187
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.40.2.177

DC Resistivity Survey Design for Deep Magma in Mt. Baekdu Using Distributed Acquisition System

Hyosun Lee1, Hyun-Key Jung1,2, Sung-Ho Cho1*, Yesol Kim1,2, Youn Soo Lee3, Dong-Joo Min4
1Mineral Resources Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
2Department of Geophysical Exploration, University of Science and Technology, Daejeon 34132, Korea
3Division of Environmental Science and Engineering, Pohang University of Science and Technology, Pohang, Gyeongbuk, 37673, Korea
4Department of Energy Resources Engineering, Seoul, 08826, Korea
Corresponding author: csh53@kigam.re.kr Tel: +82-42-868-3180
March 8, 2019 April 9, 2019 April 10, 2019

Abstract


Several volcanic activities have continued in Mt. Baekdu since the Millennium eruption, and these phenomena have increased the need for volcanic activity surveillance. Various geophysical approaches are needed to obtain the depth and size of magma chamber that lie several kilometers below the surface. We examined the applicability of direct-current resistivity survey in this study. In order to explore the deep magma chamber of Mt. Baekdu, which has a spatial limitation due to the borderline, a large-scale survey with a length of tens of kilometers should be conducted. This type of survey requires a distributed measurement system and optimized exploration designs. Therefore, we propose survey designs taking advantage of our developed distributed acquisition system and analyze the applicability using numerical simulation. We confirmed that our designs that use single survey line with offline transmitting points show comparable results to the conventional 3D survey. It is expected that our research result can contribute to the deep geophysical exploration in Mt. Baekdu.



백두산 심부 마그마 탐사를 위한 분산계측 시스템을 이용한 전기비저항탐사 설계

이 효선1, 정 현기1,2, 조 성호1*, 김 예솔1,2, 이 윤수3, 민 동주4
1한국지질자원연구원 광물자원연구본부, 34132, 대전광역시 유성구 과학로 124
2과학기술연합대학원대학교 물리탐사공학과, 34132, 대전광역시 유성구 과학로 124
3포항공과대학교 환경공학부, 37673, 경상북도 포항시 남구 청암로 77
4서울대학교 에너지자원공학과, 08826, 서울특별시 관악구 관악로 1

초록


백두산에서는 밀레니엄 대분화 이후로도 수 차례의 화산활동이 계속되어 마그마 거동 감시 연구의 필요성이 지 속적으로 제기되고 있다. 마그마방의 깊이 및 규모를 파악하기 위해서는 다양한 지구물리학적 접근이 필요하며, 본 연 구에서는 전기비저항 탐사의 적용성을 검토하고자 한다. 국경으로 인해 공간적 제한이 있는 백두산에서 심부에 위치한 마그마를 탐사하기 위해서는 측선의 길이가 수십 킬로미터 이상이 되는 대규모 전기탐사가 이루어져야 하며, 이를 위해 서는 분산계측 시스템의 도입과 이에 최적화된 탐사 설계가 필수적으로 요구된다. 따라서 자체 개발된 분산계측 시스템 을 활용하는 탐사설계안을 제시하고 전산실험을 통해 적용 가능성을 분석하였다. 단일 측선과 비동일선상 송신원 배열 을 사용한 탐사설계안을 이용하여 다수의 측선 설치가 필요한 일반적인 3차원 탐사에 준하는 역산 해석 결과를 얻을 수 있음을 확인하였으며, 이 탐사설계안이 백두산 심부 물리탐사에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.



    서 론

    서기 946년, 백두산에서는 화산분화지수(volcanic explosivity index) 7의 큰 규모의 분화가 일어났으며, 이로 인해 직경 4 km 이상의 대규모 칼데라호인 천 지가 생성되었다. ‘밀레니엄 대분화’라고 부르는 이 분화는 수천년 이내 지구상에서 일어난 화산활동 중 가장 큰 규모로 기록되는 인도네시아의 탐보라 화산 분화에 필적하는 대규모 화산활동이었다(Stone, 2011). 백두산에서는 밀레니엄 대분화 이후로도 수 차례의 화산활동이 계속되었으며 분출기록이 Yun and Cui (1996)에 의해 정리된 바 있다. 중국 천지화산관측소 및 장백산화산관측소는 2002-2005년 사이 화산 기원 의 지진활동과 지표 변위가 발생하였음을 보고하였으 며(Xu et al., 2012, Wei et al., 2013), 이러한 분화 가능성을 지시하는 현상들을 근거로 화산활동 감시 연구의 필요성이 지속적으로 제기되고 있다(Stone, 2013;Ri et al., 2016;Wei et al., 2013).

    심각한 인명 및 재산상의 피해를 일으키는 대규모 분화를 대비하기 위하여 화산 하부 수 킬로미터 이 상의 마그마 관련 지하정보 규명은 매우 중요한 문 제이다. 마그마가 있는 깊은 심도의 정보를 얻기 위 해서는 다양한 지구물리학적 접근이 필요하며, 현재 까지 자기지전류(MT, magnetotelluric), 중력, 탄성파 탐사 및 이종 물리탐사 자료의 복합해석 등 화산지 대 지질구조 해석을 위한 다양한 기법의 적용이 시 도되고 있다(Park et al., 2011;Song et al., 2007;Zhang et al., 2002).

    화산을 구성하는 물질들의 자기적·전기적 성질로 인해 화산활동이 일어나면 여러 지구전자기학적 현상 이 발생하며, 온도변화에 의한 열잔류자기효과나 지 하의 압력변화에 따른 압전효과(piezoelectric effect), 자연전위(SP: self potential) 및 전기비저항 변화 등이 알려져 있다(Yun et al., 2014). 전기비저항 변화 측면 에서 마그마가 관입하면, 지하의 전류는 흐르기 쉬워 지고, 지하의 전기비저항 구조가 시간적으로 변하게 되는 것이며, 이러한 지구전자기학적 현상은 마그마 나 열수, 화산가스 등의 변화와 관계되어 발생하는 것이 많다(Yun et al., 2014). 따라서 전기적 물성 변 화 모니터링이 유용하게 적용될 수 있으며, 그 첫 단 계는 주 마그마방의 위치 및 규모를 파악하는 것이다.

    지하에 인공적인 전류를 인가하여 비저항 분포를 파악하는 전기비저항탐사는 간단하면서 분해능이 높 은 탐사법이다. 일반적으로 지하수탐사, 지반조사, 광 물자원탐사 등의 분야에서 이용되는 전기비저항탐사 는 수십 미터에서 수백 미터 깊이를 대상으로 하지 만 대규모 탐사가 가능하다면 기존에 화산지대에 주 로 적용되어온 자기지전류탐사와 비교하여 분해능이 높은 비저항 모델을 구할 수 있다. 또한 자기지전류 탐사와 전기비저항탐사 자료를 함께 분석하여 보다 정확한 상호보완적인 정보 획득이 가능할 것이다. 이 러한 상호보완적인 여러 가지 종합 탐사 수행은 지 구물리탐사에서 통상적인 것이다. 이 연구에서는 대 규모 탐사를 가능하게 하는 분산계측 시스템을 이용 한 전기비저항탐사의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 전기비저항탐사의 일반적인 현장계측을 고려하면 현 장 업무 및 장비 측면에서 화산지대는 매우 어려운 탐사환경이다. 대상 심도가 깊어지면 이에 비례하여 전극간격이 넓어지기 때문에 케이블의 길이가 길어져 운반 및 설치에 어려움이 따르며, 국경지역이라는 특 성으로 인해 시간적·공간적 제약을 갖고 있다.

    이러한 특수 환경에 대응하기 위하여 송수신 분리 DGPS 동기 방식의 분산계측 시스템을 개선 적용하 면 효율적인 지하 심부 정보 획득이 가능하다. 분산 계측 시스템은 국내에서는 Jung et al.(1999)에 의해 처음 개발되었으며, 제주도에서 총 12.9 km 측선에 대하여 2.4 km 깊이까지 탐사한 결과를 제시하였다. 이 후 최신 전기전자기술을 적용해 현장에서의 운용 성과 효율성을 높인 새로운 시스템이 Cho et al. (2015) 및 Cho(2017)에 의해 개발되었으며, 상용 장 비와의 비교검증을 완료한 후 태백의 산악지형에서 총 4 km 측선에 대하여 1 km 깊이까지 짧은 시간에 효율적으로 탐사한 결과를 제시하였고, 이를 바탕으 로 계속해서 완성도를 높이고 있다(Cho et al., 2017). 이 논문에서는 백두산과 같은 대규모 탐사에 최적화 개발된 분산계측 시스템을 소개하고 이를 이용한 탐 사설계안을 제시한다. 전산모델링을 통해 일반적인 배열법 탐사와 비교한 결과를 제시하고 적용 가능성 을 분석한다.

    연구지역 개요

    연구 현황

    백두산은 중국 지린성과 북한의 경계에 위치하며, 북중국 대륙괴 위에 플리오세-플라이스토세의 화산활 동으로 인해 현무암지대가 형성되었으며, 제4기에 들 어오면서 단층대 및 단열대를 따라 현무암질 용암이 더해지며 연구지역 일대에 화산활동이 더욱 광범위하 게 일어났을 것으로 추정되고 있다(Cheong et al., 2017;Zhang et al., 2002). 백두산, 망천아산, 남포태 산을 중심으로 조면암류의 화산활동은 약 60만 년 전부터 발생하였다(Zhang et al., 2002).

    활발한 화산활동이 있었던 이 지역에 2002-2005년 사이 화산 기원의 지진활동과 지표의 변위가 발생하 였음이 알려지면서(Xu et al., 2012, Wei et al., 2013) 백두산 하부 마그마의 기원과 진화 매커니즘 규명에 대한 국제적 이목이 집중되고 있다. 광물분석 및 화 산가스, 지표변위 등 지표 조사를 통한 연구가 다수 발표된 바 있으나(Cheong et al., 2017;Kayla et al, 2016;Wei et al., 2013;Xu et al., 2012;Yun et al., 2013) 이러한 방법은 화산 분화의 전조현상 파악이 어려워 지표 물리탐사 및 시추공 모니터링이 필요하 다. 마그마 가까이까지 뚫는 심부 시추는 비용이 많 이 들기도 하지만 정확한 정보를 얻기 위해서는 시 추 위치 선정이 매우 중요한데, 지표에서의 정밀한 물리탐사 자료 획득과 처리, 그리고 지질학적 종합 해석은 이를 위한 전제조건이다. 이와 관련하여 탄성 파탐사, 자기지전류탐사 및 중력탐사를 이용하여 백 두산 마그마방의 규모와 깊이를 규명하고자 하는 연 구가 이루어졌다(Kim et al., 2017;Ri et al, 2016;Zhang et al., 2002).

    현재까지 백두산 하부 마그마방의 규명을 위한 여 러 연구가 발표되었으며, Zhang et al.(2002)과 Song et al.(2007)은 지하 10 km에서부터 4개 층의 마그마 방을 심도별로 제시하기도 하였다. 최근에는 백두산 정상부로부터 지하 약 5 km 지점에 새로운 마그마방 이 존재할 가능성을 제시하는 연구가 발표되고 있다 (Chae et al., 2013;Ozawa and Taniguchi, 2007;Yun et al., 2013). 마그마방의 깊이와 개수, 규모에 대해 다양한 의견이 존재하며 모델이 아직 정립된 것은 아니나, 주된 마그마방이 정상부 직하부 수 킬 로미터에 위치하며 그 아래로 갈수록 작은 규모의 마그마방들이 심도별로 존재할 것으로 추정되고 있다. 먼저 지표에서 가장 가까이 있으며 규모가 큰 주 마 그마방의 거동을 주의 깊게 살펴야 할 것이다.

    Fig. 1은 중국의 과학자들에 의해 수행된 자기지전 류탐사 단면을 보여주며, 이 결과로부터 천지의 수 킬로미터 밑에 마그마방이 있을 것으로 추정하였다 (Zhang, 2002). 이 자기지전류탐사 결과는 북동방향 의 측선 상 17개 지점 측정 자료를 이용하여 2차원 역산한 단면으로, 공간 분해능이 너무 낮아 높은 신 뢰도를 지닌 자료로 받아들여지지는 못하고 있다. Stone(2011)은 북한 과학자들이 독자적인 자기지전류 관측을 통해 약 6 km 밑에 마그마방이 있을 것으로 판단하고 있다고 전했다. 또한 화산 아래 마그마 분 포를 파악하기 위한 현재까지의 시도들은 아직은 분 해능이 낮아 신뢰할 수 없어 더 나은 영상화가 필요 하다는 의견이다.

    백두산 지역에서의 전기비저항탐사 특징

    대부분의 물리탐사 방법이 그렇지만 깊은 심도를 대상으로 하는 탐사는 분해능이 낮아 다양한 방법의 상호보완이 필요할 것이다. 이러한 측면에서 전기비 저항탐사를 제안하고자 하며, 백두산의 특수한 현장 상황을 고려한 탐사 시스템 및 탐사설계를 제시하고 자 한다. 화산지대에서의 탐사는 대규모 특수한 현장 으로 일반적인 접근으로는 매우 어려우며 전기비저항 탐사를 적용할 시 여러 가지 요소를 고려해야 할 것 이다.

    백두산 마그마방의 물성에 대해 명확하게 밝혀지지 않았으나 자기지전류탐사 결과를 통해 주변암보다 비 저항이 낮을 것으로 추정하고 있다(Zhang, 2002). 먼 저 모암보다 비저항이 낮은 대상에 대한 전기비저항 탐사의 적용성을 고려해봐야 한다. 2차원 전기비저항 탐사에서 모암보다 비저항이 낮은 대상체는 고비저항 대상체보다 역산 오류가 크게 나타난다. 이는 간단한 전산모델링으로 확인해볼 수 있으며, Kim et al. (2010)의 전기비저항탐사 모델링 및 역산 소프트웨어 인 EM2D와 Dipro를 이용하여 실험한 결과를 Fig. 2 에 나타내었다.

    Fig. 2는 배경 매질 100 Ω·m에 각각 고비저항인 10,000 Ω·m 이상대와 저비저항인 1 Ω·m 이상대가 흰색 박스에 위치하는 모델을 설정하고 쌍극자 간격 4 km의 쌍극자-쌍극자 탐사를 한 자료의 역산 단면이 다. 이상대의 위치를 재현해내는 고비저항체 모델의 경우와 달리 저비저항체 모델의 경우 실제 깊이보다 더 깊이 있는 것처럼 나타난다. 이러한 특성은 다른 연구논문에서도 언급된 바 있으며, Min et al.(2008) 은 금속광 탐사에 있어 모암과 저비저항체의 전기물 성차가 클수록 저비저항대의 폭이 실제보다 과장되게 나타나고 깊이가 실제보다 깊게 나타나 왜곡이 발생 함을 전산모델링을 통해 분석하였다. Lee et al. (2009)은 주변에 비해 높은 전기전도도를 갖는 금속 광상 탐사에 있어 3차원 탐사 및 3차원 역산 해석을 해야 함을 전산실험을 통해 보인 바 있다. 따라서 백 두산 마그마방 탐사에 있어서는 3차원 탐사 설계가 필요하다.

    또한 십 수 킬로미터 깊이까지 탐사하기 위해 쌍 극자 길이는 수 킬로미터가 되어야 하기 때문에 탐 사 시스템 측면에서는 다음의 요소를 고려해야 한다. 전기비저항탐사에서는 지하로 인가되는 송신 전류와 수신 쌍극자에서의 전압을 측정하여 비저항 분포를 파악한다. 탐사 규모가 커져 송신 쌍극자와 수신 쌍 극자 사이의 거리가 멀어질수록 수신 쌍극자에서 계 측되는 전압이 작아지기 때문에 고출력 송신기와 정 밀계측이 필요하다. 그리고 전기비저항탐사에서 전압 측정 범위는 대지 조건에 따라 수 uV~수십V 범위로 매우 넓으며, 신호대잡음비(signal to noise ratio)는 접지 조건에 따라 달라져 탐사대상 지역의 접지 조 건을 고려하여 탐사 시스템의 계측 범위를 설계해야 한다.

    분산계측 시스템을 이용한 탐사 설계

    수 km 이상의 대규모 측선이 필요한 전기비저항탐 사의 경우 현실적으로 멀티케이블 운용이 불가능하고, 케이블을 설치한다 하더라도 길어진 전선길이 때문에 효율적인 전류 송신과 깊은 심도의 탐사를 위한 대 전류 송신이 어려워진다. 따라서 독립 분산형 수신기 를 운용하여 케이블 설치의 효율성을 높이고, 분리된 송신기를 이동 운용함으로써 효율적인 전류송신과 더 불어 대전류 송신 탐사를 가능하게 하면 효과적인 탐사를 수행할 수 있게 된다.

    Fig. 3은 Cho et al.(2017) 버전의 분산계측 시스템 의 사진을 보여주며, Fig. 4는 분산계측 시스템을 이 용한 탐사 방법의 개략적인 모식도를 나타낸 것이다. 전기적으로 분리되어 있는 복수개의 독립 분산형 수 신기 모듈과 송신기는 시간 동기와 각각의 위치정보 기록을 위해 각각의 DGPS 수신기를 운용한다. 복수 의 단선 케이블을 이용하여 전극과 수신기를 연결함 으로써 현장에서의 업무가 간소화된다. 송신기를 이 동시킴으로써 원하는 위치에서의 송신기 운용이 가능 하고, 송신 케이블 길이 최소화로 대전류 송신 시 높 은 효율로 전류 인가가 가능하다.

    또한 Fig. 4의 모식도는 분산계측 시스템을 이용하 여 쌍극자-쌍극자 탐사를 하는 방법을 보여주고 있지 만 자유로운 송신 및 수신 위치 선택이 가능하기 때 문에 다양한 탐사 설계가 가능하다. 수신 측선과 동 일선상 송신 이외에도 비동일선상 송신이 가능하여 탐사현장 조건에 맞도록 방법을 설계하면 되므로 자 유도가 높다. Fig. 5는 하나의 수신기에서 내부의 계 측 채널과 3개의 전극이 연결되는 방식을 보여준다. 1번 채널에서 1-2번 전극 사이의 전압을, 2번 채널에 서 2-3번 전극 사이의 전압을, 3번 채널에서 1-3번 전극 사이의 전압을 측정하도록 배선함으로써 기본 쌍극자 간격 a와 두 배 쌍극자 간격 2a 탐사를 동시 에 할 수 있으며, 5개 전극을 하나의 수신기에 연결 하면 쌍극자 간격 4a 탐사까지 동시에 할 수 있게 된다.

    완전히 분리된 송신기와 수신기에서 각각 측정되는 송신전류 값과 전극간 전압은 10 nsec의 정밀도를 갖 는 DGPS 수신기의 PPS (pulse per second) 로직 신 호를 이용하여 동기된다. 송신기의 전력회로는 최대 전압 2,400 V (peak to peak), 전류 90 A의 대전력 바이폴라 스위칭이 가능하여 탐사 현장 특성과 목적 에 따라 다양한 규모의 DC 전원공급기를 연결하여 활용할 수 있다. 대전력 송신 시의 안전 문제를 고려 하여 송신기의 모든 제어는 무선으로 연결된 스마트 디바이스를 통해 이루어진다.

    독립된 분산형 수신기와 분리된 송신기의 운용은 시스템 설계를 단순화 시켜주며, 탐사 시스템을 구성 하는 요소 중 고장 발생률이 가장 높고 복잡한 스위 칭 보드의 생략으로 시스템의 신뢰성이 향상된다. 또 한 개별 모듈로 이루어진 시스템 구조로 고장 시 빠 른 유지보수가 가능하다. 이 장비는 상용 장비와의 비교 탐사를 통해 계측 성능을 검증하고, 태백의 산 악지형에서 4 km 측선에 대하여 100 m, 200 m 쌍극 자 간격 탐사를 하여 반복성 및 연속성 있는 탐사자 료를 획득한 바 있으며(Fig. 6), 지속적인 현장탐사를 통해 개선되고 있다(Cho, 2017;Cho et al., 2015;Cho et al., 2017). 이와 같은 현장탐사를 통해 개선 된 탐사 시스템 및 현장 노하우는 백두산 탐사에 유 용하게 활용될 수 있다.

    Fig. 7은 이 연구에서 전기비저항탐사 측면에서 설 정한 백두산 하부 3차원 모델의 평면도 및 단면도를 보여준다. 앞선 연구 문헌들을 고려하여 대상체인 마 그마방은 전기비저항이 1 Ω·m, 규모는 4 km×4 km× 2 km로 지표로부터 마그마방 중심이 6 km 깊이에 위 치하는 모델을 가정하였으며, 배경 매질의 비저항은 100 Ω·m로 설정하였다. 이 연구에서는 전기비저항탐 사의 적용성에 대한 예비적인 검토 단계로 지형을 고려하지 않았으나, 실제 탐사 시에는 정확도를 높이 기 위해 역산 해석 시 지형도 고려되어야 한다. 전극 간격을 대상체에 비해 좁게 설정한 탐사는 분해능 측면에서는 유리하지만 비교적 깊은 심도의 정보를 얻고자 할 때는 불리해지며, 깊은 심도에 대한 정보 를 획득하기 위해서는 전극간격이 넓어야 한다. 이러 한 제약이 있는 조건에서도 양호한 탐사자료를 얻기 위해서는 새로운 접근의 송수신 배열이 필요하다(Lee et al., 2015;Lee et al., 2017).

    이 연구에서는 개발된 분산계측 시스템을 활용하여 1개 수신 측선을 설치하고 송신점을 이동하면서 탐사 하는 설계안을 제시한다. 일반적으로 여러 개의 측선 을 설치하는 3차원 쌍극자-쌍극자 탐사를 비교 대상 으로 하였으며, 3개 측선을 사용하였다. 그러나 실제 백두산 지역에서는 국경으로 인해 여러 개의 평행 측선 설치가 불가능할 것으로 사료된다. Fig. 8은 각 탐사 방법의 송수신 배열을 보여주는 모식도이다. Fig. 8a2 km 전극간격으로 설치된 3개 측선에 대 하여 2 km와 4 km 쌍극자 간격으로 동일선상 탐사를 하는 것이다. Fig. 8b와 Fig. 8c는 비동일선상에서 송 신하고, 마그마방 직상부에 2 km 전극간격으로 설치 된 1개 수신 측선에 분산계측 시스템의 수신기를 연 결하여 2 km와 4 km 쌍극자 간격으로 전압을 측정하 는 설계안을 보여준다. 파란색 점은 송신 전극을 의 미하며, 점 사이의 간격이 송신 쌍극자 길이가 된다. Fig. 8b 및 Fig. 8c에 빨간색 선으로 표시된 수신 측 선에 Fig. 4와 같이 3개 전극마다 하나의 수신기가 연결되며, Fig. 5와 같은 배선을 통해 2 km와 4 km 쌍극자에 대한 전압을 동시에 측정하게 된다.

    전산 실험을 통한 타당성 검증

    전산 실험은 Loke(2014)의 3차원 모델링 소프트웨어 인 Res3Dmod와 3차원 역산 소프트웨어인 Res3Dinv를 이용하였다. 모델링 자료에 0.3%의 가우시안 잡음 (gaussian noise)을 섞어 역산하였으며, 3차원 역산 모 델로부터 y축 위치가 23 km인 xz 단면을 추출하여 Fig. 9에 나타내었다. 추출 단면은 Fig. 7의 모델에서 마그마방을 가정한 이상대의 중앙을 지나는 단면이다.

    Fig. 9a는 3개 측선 동일선상 탐사자료의 역산 모 델, Fig. 9b는 1개 측선 동일선상 탐사와 4개 송신점 비동일선상 탐사자료의 역산 모델을 보여준다. Fig. 9c는 1개 측선 동일선상 탐사와 8개 송신점 비동일 선상 탐사자료의 역산 모델을, Fig. 9d는 동일선상 탐사 없이 8개 송신점 비동일선상 탐사자료의 역산 모델을 보여준다. Fig. 9b는 Fig. 9a와 비교하여 이상 대가 실제보다 과장되게 나타나지만, 4개 송신점 비 동일선상 탐사자료가 추가된 Fig. 9c의 경우 그 정도 가 확연하게 줄어들고 전기물성은 Fig. 9a보다 실제 와 가깝게 재현한 것을 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 9d에서와 같이 동일선상 탐사 없이 비동일선상 탐사 자료만 사용한 경우 원래 모델의 재현이 어려웠다.

    Fig. 9의 역산 모델에서 동일선상 탐사와 비동일선 상 탐사를 함께 사용함으로써 일반적인 3차원 탐사 에 준하는 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 동일 선상 탐사 없이 비동일선상 탐사만 할 경우에는 원 래 모델의 재현이 어려웠다. 여러 송수신 배열법의 효과를 수치적으로 비교하기 위하여 역산 모델의 비 저항 값과 원래 모델의 비저항 값의 차이를 깊이별 로 RMS (root-mean square)를 계산하여 Fig. 10에 나타내었다. 깊이별 모든 셀의 비저항 값의 차이를 대상체 중심 심도인 6 km보다 얕은 깊이에서는 일반 적인 3차원 탐사가 작은 오차를 보이다가 대상체 심 도 이상에서는 동일선상 및 비동일선상 탐사를 함께 사용한 방법이 더 작은 오차를 보인다. 이는 제안하 는 배열법이 다양한 기하학적(geometry) 송수신의 조 합이 가능하기 때문인 것으로 해석된다. 8개의 비동 일선상 송신점만을 이용한 탐사의 경우 대상체 심도 이상에서 가장 작은 오차를 보이지만, 이는 배경 매 질의 물성을 모델에 가깝게 재현한 결과일 뿐 Fig. 9 에서 볼 수 있듯이 대상체를 재현한 것은 아니다.

    여러 측선을 설치하여 많은 수의 자료를 계측할 수 있다면 좋겠지만, 실제 백두산 지역에서는 국경으 로 인해 여러 개의 측선 설치가 어려울 것으로 판단 된다. 전산 모델링 분석을 통해 제안하는 탐사 설계 안이 적용성이 있음을 확인하였으며, 분산계측 시스 템을 이용하여 최소한의 수신점을 설치하고 송신점을 이동하면서 탐사를 하면 탐사 효율을 상당히 높일 수 있을 것이다. 또한 앞서 언급한 화산 지대 전기비 저항탐사를 위한 탐사 시스템 측면에서 접지 조건 조사를 통한 고출력 송신기와 정밀계측 시스템의 최 적화도 함께 준비되어야 한다.

    동일한 규모의 대상체에 대해 4 km 전극간격 탐사 보다 2 km 전극간격 탐사를 하면 상대적으로 대상체 규모가 크기 때문에 분해능이 좋아지는 것은 당연하 다. 하지만 모든 현장에서 예상되는 대상체의 규모에 비해 좁은 전극간격으로 탐사를 할 수는 없다. 대상 체의 심도와 현장의 여러 가지 제약조건이 전극간격 설정에 연관되기 때문이다. 알고자 하는 심도의 정보 를 얻기 위해서는 그에 대응하는 전극간격을 사용해 야하기 때문에 정보를 얻고자 하는 심도에서 분해능 을 높여야 한다. 이 연구에서는 마그마방의 너비를 4 km, 중심까지의 깊이를 6 km로 설정하였으나, 실제 규모와 깊이를 알 수 없기 때문에 제안하는 설계안 의 탐사결과가 깊이에 따른 오차의 편차가 작다는 점이 고무적이다.

    화산 하부의 마그마 분포 파악과 거동 변화 모니 터링 연구는 지질학적으로도 매우 중요하지만, 대규 모 재난 발생 가능성 측면에 있어서도 반드시 필요 하다. 이를 위해 지표에서의 화산현상 관측이나 탐사 도 필요하지만 마그마 가까이에서의 정밀한 모니터링 또한 중요할 것이다. 심부 마그마까지 시추하기 위해 서는 비용이 많이 들기도 하지만, 정확한 정보를 얻 기 위해 시추 위치 선정은 매우 중요하다. 이를 위해 서는 지표에서의 정밀한 물리탐사 자료 획득과 처리, 지질학적 종합 해석이 뒷받침되어야 한다.

    결 론

    화산을 구성하는 물질들은 자기적·전기적 성질을 갖고 있기 때문에, 마그마, 열수, 화산가스 등의 변화 에 의해 지하의 전기비저항 구조가 변하게 된다. 이 러한 현상에 대한 정보를 파악하기 위해 다양한 지 구물리학적 접근이 필요하며, 특히 분해능이 높은 전 기비저항탐사의 적용이 필요하다. 백두산 지역에서의 깊은 심도를 대상으로 대규모 전기비저항탐사를 수행 하기 위한 맞춤형 분산계측 탐사 시스템을 제시하고, 공간적, 시간적 제한이 있는 백두산에서 개발된 분산 계측 시스템을 이용하여 효율적으로 자료를 획득하기 위한 탐사설계안을 제시하고 전산모델링을 통해 적용 가능성을 분석하였다. 분산계측을 이용한 탐사설계를 통해 여러 측선을 설치하는 일반적인 3차원 탐사에 준하는 결과를 얻을 수 있음을 확인하였으며, 이는 백두산 물리탐사에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 비동일선상 송신점이 많을수록 진실에 가 까운 역산 모델을 재현할 수 있지만 과잉 탐사가 되 지 않도록 탐사 대상에 대한 충분한 지질학적 사전 조사, 접지 조건 조사 및 전산모델링을 통해 적절하 게 선택하여 탐사설계가 이루어져야 할 것이다.

    전기비저항탐사는 다양한 분야에서 보편적으로 활 용될 만큼 비교적 간편하고 분해능이 좋은 탐사법이 다. 배경 매질 대비 저항성 대상체의 경우 2차원 탐 사만으로도 어느 정도 대상체를 영상화할 수 있지만, 전도성 대상체를 영상화하는데 취약한 단점이 있다. 그러나 제안 탐사 설계안과 같이 3차원 탐사를 하면 이 단점을 극복할 수 있으며, 전기탐사와 비교하여 상대적으로 잡음에 취약하지만 전도성 대상체 영상화 에 유리하고 수십 킬로미터 이상 깊이까지 탐사가 가능한 자기지전류탐사를 함께 수행하여 분석하면 보 다 정확한 정보 획득이 가능할 것이다. 이 연구에서 제시하는 동일선상 탐사와 비동일선상 탐사를 함께 사용하는 전기비저항탐사 방법은 화산지대 전기비저 항 분포 파악 및 마그마 거동 모니터링에 유용하게 적용될 수 있으며, 심부시추 위치 선정을 위한 정밀 한 정보를 제공하는데 기여할 수 있을 것이다. 또한 이러한 심부 전기탐사는 시추공을 포함하는 전기장 정밀 모니터링으로 확장될 수 있다. 백두산 대규모 폭발 시 계절별 풍향에 따라 남측도 화산재로 인한 큰 작물 피해와 항공, 미세먼지 등 막대한 피해가 예 측되기 때문에 백두산 마그마는 시급히 규명해나가야 할 사항으로 남측 및 북측과 중국의 긴밀한 과학기 술 협력을 바탕으로 해결해나가야 할 중대한 일이라 생각된다.

    사 사

    이 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 “텐서 초고출력 스마트 전자기탐사 시스템 개발 및 심부 광물탐사 현장실증” 및 민·군기술협력사업 “이상체 정밀 탐지용 고감도 전/자기장 통합 모니터링 시스템 기술 개발” 연구의 일환으로 수행되었습니다.

    Figure

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    Resistivity structure obtained by MT sounding in Baekdusan (Zhang, 2002).

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    Inverse model of (a) resistive target and (b) conductive target model data.

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    Photographs of the distributed acquisition system (Cho et al, 2017). (a) Transmission unit and (b) receiver unit.

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    Diagram of proposed concept for distributed data acquisition.

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    Diagram of connection between measurement channels of a receiver module and three electrodes.

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    Survey line and inverse model of field data in Taebaek (modified from Cho(2017)).

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    Plan view and cross-section of synthetic model for numerical modeling, and the scale of conductive body is 4 km×4 km×2 km.

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    Survey configurations. (a) 3 inline survey (conventional 3D survey) with 2km and 4km dipole spacing, (b) 4 transmitting points with one inline survey, (c) 8 transmitting points with one inline survey. Potential measurement dipole spacings are 2 km and 4k m for all survey.

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    The xz-plan extracted from inverted 3D resistivity model for survey design using (a) 3 inline survey (conventional 3D survey), (b) 4 transmitting points with one inline survey, (c) 8 transmitting points with one inline survey, and (d) 8 offline transmitting points without inline survey (modified from Lee et al.(2017)).

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    RMS error as a function of the model depth between true model and inverted model for each of the survey configurations.

    Table

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