W
(
t
)는 서로 다른 음향임피던스를 갖는 지층(반사계수 시계열
R
(
t
)로 표현)을 통과할 때 변형되어 지표 시스템에
S
(
t
)로 기록된다. 이 과정은 수학적으로
와 같이 표현되며 *는 곱말기(convolution) 연산을 의미한다
(Yilmaz, 2001)
.
Fig. 5
는 S-PS 검층자료의 P파 속도(
Fig. 4
a)와 γ-γ 검층자료의 곱으로 식 (4)에서 계산한 반사계수
R
(
t
)에 요소파
W
(
t
)를 곱말기하여 합성탄성파 기록
S
(
t
)를 얻는 식 (5)의 과정을 보여준다. 밀도는 일반적인 지반탐사에서와 같이 γ-γ 검층자료를 토대로 각 구간별로 일정한 값을 사용하였다(풍화토: 1.95 g/cm
3
, 풍화암: 2.19 g/cm
3
, 연암: 2.37 g/cm
3
, 경암: 2.65 g/cm
3
). VISTA 2D/3D Full PRO
(Schlumberger, 2012a)
및 OMNI3D Workshop
(Schlumberger, 2012b)
프로그램을 사용하여 위상이 영이고 중심 진동수에서 진폭이 가장 큰 스펙트럼을 역푸리에 변환하여(Inverse Fourier Transform)하여 리커 요소파(Ricker wavelet)을 재건하였다(
Fig. 5
a).
(a) Ricker wavelet constructed from the inverse Fourier transform of the amplitude spectrum (center frequency of 50 Hz) and the phase spectrum (zero phase). (b) Schematic diagram of a synthetic seismogram for the interfaces and fracture zones. The upper boundary of the fracture zone is typically represented by a negatively high amplitude due to the lower acoustic impedance in the fracture zone. (c) Construction of a synthetic seismogram using P-wave velocity data, calculation of acoustic impedance, and convolution of the reflection coefficient with a wavelet. The subsurface interfaces and the fracture zones are clearly resolved using the 50 Hz wavelet.
이 연구의 핵심이 되는 주요 파쇄대의 상부 경계면은 이론적으로 위층보다 아래층이 속도가 더 작기 때문에 탄성파기록에서 음의 값을 갖는 큰 진폭으로 나타날 것이다(
Fig. 5
b). 최적 파형 W를 선택하기 위해 Hampson-Russell S-8
(CGGVeritas, 2007)
소프트웨어를 사용하여 중심 진동수가 20, 50, 100 Hz이고 위상이영인 요소파에 대한 각각의 합성탄성파 영상을 출력한 결과(
Fig. 5
c) 주요 지층 경계면 및 암반 파쇄대의 분해능은 50 Hz의 요소파를 선택할 때 가장 높게 나타났다(
Fig. 5
c). 특히 암반에 발달하는 파쇄대는 위층보다 아래층의 속도가 작기 때문에 그 상부 경계면은 진폭이 큰 음의 값을 보인다.
풍화토, 풍화암, 연암, 경암으로 갈수록 속도가 커지므로 각 경계면에 대한 탄성파 트레이스의 진폭은 양의 값으로 커지기 때문에 경계면이 잘 구분되어, 타격수 N 값으로 구분하는 경계면과 대체로 일치하였으나 풍화토와 풍화암의 경계는 약 24 m 깊이로서 약 4 m 차이가 있었다. 이것은
Fig. 4
a에서처럼 P파 속도만으로는 그 값이 완만하게 증가하여 명확한 구분이 어렵기 때문이다. 이 경계면은 음향임피던스의 대비로 작성한 탄성파 트레이스의 영상에서 보다 명확히 구분되고 있다(
Fig. 5
c). 특히 탄성파 토모그래피와 전기비저항 자료에서 규명이 잘 안되고 개별 검층 곡선에서 구분이 어려운 암반 내에 발달한 집중 파쇄대는 연암과 경암 구간에서 각각 FR1과 FR2의 영상으로 뚜렷하게 부각된다.
- 시추코어 자료 및 공내영상 촬영 자료
탄성파 기록에 대한 검증을 위해 시추공벽 영상촬영자료에서 암반 내 파쇄대 및 불연속면의 방향성과 분포상태의 특성을 분석하였다. 즉 파쇄대 구간에 대해 시추코어 시료 및 공벽 영상 자료와의 비교·검토를 통해 불연속면의 수리적인 연결성을 파악하였다.
합성탄성파 기록으로 확인된 암반 내의 파쇄구간(
Fig. 5
c)을 영상촬영 자료(
Fig. 6
a) 및 이로부터 해석된 방향에 따른 균열대의 집중도(
Fig. 6
b)와 비교해 보았다. 앞서 동적 탄성계수와 P파 속도와의 상관관계에서 해석된 42 m 부근(연암)과 53 m 부근(경암)의 암반에 많이 발달한 절리 및 파쇄대의 분포가 영상자료에서 직접 관찰된다.
Fig. 7
은 BH4의 시추 기록과 사진을 보여준다. 5등급 암반분류 체계에서 RQD는 25-72%, RMR은 II-IV 등급으로 분류되는데 연암 구간의 RQD와 RMR은 각각 25-42%, IV 등급으로 분류되어 경암 구간에 비해 파쇄가 많은 것으로 해석된다. 특히 합성탄성파 기록(
Fig. 5
c)에서 뚜렷이 관찰된 주요 파쇄대 FR1(연암 구간)과 FR2(경암 구간)는 시추주상도의 RQD가 낮은 구간(
Fig. 7
a)과 시추코어 사진의 코어 손실대(core loss zone)(
Fig. 7
b)와 잘 부합된다.
(a) Borehole view (optical televiewer image) and (b) joint sections for N-S and E-W directions. FR1 and FR2 with arrows indicate fracture zones in soft and hard rock, respectively. Several joints are developed, particularly in the fracture zones (approximately 43 m deep), branching off in all directions.
(a) Drilling logs and (b) photograph of drill-core. The fracture zones (FR1 and FR2) apparent in the synthetic seismogram (Fig. 5c) and in the televiewer image (Fig. 6a) are observed in drilling logs and in the core data.
결과 및 토의
이 연구에서는 S-PS검층으로 부터 획득한 P파 속도, γ-γ 검층으로 부터 획득한 밀도 정보로 부터 음향 임피던스를 이용하여 지하 불연속 경계면 파악하였다.
검층자료를 이용하여 산출한 동적 탄성계수와 P파 속도와의 상관관계를 해석한 결과 대체로 P파 속도가 증가할수록 동적 탄성계수도 증가하였다. 또한 절리 및 파쇄대 구간이 포함된 연암과 경암 구간에서 동적 탄성계수의 표준편차가 상대적으로 크게 나타났다.
불연속 경계 특히 파쇄대 구간의 상부는 개별적인 속도 정보 보다는 S-PS 검층과 γ-γ 검층으로 얻은 P파 속도와 밀도의 복합 정보로 부터 작성된 합성탄성파 영상에서 음의 극성을 갖는 높은 진폭으로 잘 규명되었다.
Acknowledgements
자료 분석에 대한 이 논문은 2012년도 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2012R1A1A2041933).
BIO
김지수
충북대학교 지구환경과학과
361-763, 충북 청주시 흥덕구 성봉로 410(개신동)
Tel: 043-261-3201
Fax: 043-273-9645
E-mail: geop22@cbnu.ac.kr
이재영
나노테크이엔지 / 충북대학교
431-824, 경기도 안양시 동안구 평촌대로374번길
(비산동) 대서빌딩 5층
Tel: 031-383-2646
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서용석
충북대학교 지구환경과학과
361-763, 충북 청주시 흥덕구 성봉로 410(개신동)
Tel: 043-261-2765
Fax: 043-273-9645
E-mail: ysseo@cbnu.ac.kr
주현태
충북대학교 지구환경과학과
361-763, 충북 청주시 흥덕구 성봉로 410(개신동)
Tel: 043-261-3201
Fax: 043-273-9645
E-mail: loginer-kool@hanmail.net
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