에너지자원공학과: 탄성파탐사

 

 

안녕하세요! 서울대학교 에너지자원공학과 21학번, 공우 15기 홍희주입니다.

여러분 혹시 탄성파라는 단어를 들어보신 적 있으신가요? 익숙하지는 않더라도, 지진파라는 단어는 들어보셨을 거라고 생각해요. 이 과목에서는 지진파를 이용해서 지하의 지질 물성을 파악하는 방법, 즉 탄성파 탐사에 대해 소개하고 있어요.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1.1 과목의 전반적인 개요

이 수업은 에너지자원공학과 3학년 1학기 전공 필수 과목이에요. 탄성파 탐사란, 송신기에서 인공적으로 지진파를 발생시켜 수신기에서 신호가 들어오기까지의 시간을 측정한 뒤, 이를 통해 지하 지질의 밀도, 여러 가지 탄성 계수 및 지하 구조를 알아내는 탐사를 말해요. 이 과목에서는 탄성파 탐사의 원리, 데이터 해석 방법, 데이터 보정 방법 등 전반적인 과정을 배울 수 있어요. 이 글에서는 다음과 같은 목차로 탄성파 탐사의 원리에 대해 간략하게 소개해드리고자 해요.

• 탄성파 종류
• 암석에서의 탄성파 속도
• 탄성파 탐사에 필요한 장비

1.2 탄성파 종류

탄성파는 크게 Body wave와 Surface wave로 나눌 수 있고, Body wave는 다시 P파와 S파, Surface wave는 다시 Rayleigh 파와 Love 파로 나눌 수 있어요.

먼저 Body wave에 대해 다음과 같이 정리할 수 있어요.

P-wave	S-wave
파동의 전파 방향과 동일한 방향의 압축 및 팽창 단축 변형	파동의 전파 방향에 수직한 방향으로 shear strain
파동의 전파 방향으로 입자 운동 일어남	파동의 전파 방향에 수직한 방향으로 입자 운동 일어남

대부분의 탄성파 탐사에는 오로지 P파만을 사용해요. P파의 속도가 S파보다 빠르기 때문에 수신기에 더 빨리 도착해 신호를 감지하기 쉽기도 하고, 땅의 수직 변위만을 감지하는 수신기만으로도 탐사를 진행할 수 있기 때문이에요. P파와 S파 모두를 사용하는 탐사에 대해서는 대학원 과정에서 배우실 수 있답니다.

다음은 Surface wave에 대해 정리한 내용이에요.

Rayleigh wave	Love wave
Free surface 또는 두 개의 다른 고체 매질 경계면에서 전파	표면이 층으로 이뤄져 있고 surface layer의 S파 속도가 빠를 때 발생
입자들이 지표면에 수직한 평면에 포함되고 전파 방향을 포함하는 타원형으로 운동	Free surface에 평행하고 전파 방향에 수직한 방향으로 입자가 운동함
거리에 따라 진폭이 exponential하게 감소함	Body wave와 비슷하게 1/r에 비례하게 진폭 감소

Rayleigh 파를 통해서 상부 지각과 맨틀의 구조와 조성을 알아낼 수 있어요. 진동수에 따라서 파의 진행 속도가 다르기 때문에 파의 진동수를 분석해 지하의 탄성파 속도 구조를 만들 수 있고, 이를 통해 지하 자원의 위치를 파악할 수 있어요. 마찬가지로 Love 파를 분석해도 지하의 탄성파 속도 구조를 알아낼 수 있어요.

1.3 암석에서의 탄성파 속도

암석의 조성(composition), 입자의 모양이나 sorting 정도(texture), 공극률(porosity), 공극 속에 포함되어 있는 **유체(pore fluid)**의 종류에 따라서 암석의 탄성 계수와 밀도가 달라지고, 그에 따라 탄성파 속도도 달라질 수 있어요. 따라서 지층의 암종이 달라짐에 따라 아래 그림처럼 탄성파 속도가 달라진답니다. 탄성파 속도를 이용하면 수신기에서 측정한 시간 데이터를 깊이 데이터로 변환해줄 수 있고, 지하의 암종과 공극 속 유체를 추측할 수 있어요.

S파는 유체를 지나가지 못하기 때문에 탄성파 속도를 유추하기 더 어려워요. 즉, P파는 공극에 차 있는 유체 종류가 변화함에 따라 속도가 변하지만, S파는 오직 입자의 물성과 texture에만 영향을 받아요. 따라서, P파와 S파의 속도를 모두 안다면 pore fluid의 변화를 감지할 수 있어요. 석유 탐사에서는 이를 가스가 차 있는 공극을 찾을 때 활용한답니다.

1.4 탄성파탐사에 필요한 장비

탄성파탐사에는 송신기(source)와 수신기(transducer, receiver)가 꼭 필요해요. Seismograph가 탄성파의 waveform을 시간에 따라서 기록하는데, 이 기록한 데이터를 seismogram이라고 해요.

탄성파탐사에서 우리가 알고 있는 값은 source에서 발생시킨 signal과 receiver의 위치이며, 기록한 seismogram을 이용해 지하 구조와 여러 가지 물성을 파악하는 것이 목적이에요. Source는 충분한 에너지를 가진, 최대한 넓은 대역의 진동수를 가진 signal을 발생시킬 수 있어야 하며, 에너지가 탐사에 필요한 P파, S파에 집중되어 있어야 해요. 탄성파탐사를 땅에서 진행하느냐, 바다에서 진행하느냐에 따라 적합한 source가 달라지기도 해요. 대표적으로 땅에서 탐사를 진행할 때는 Vibroseis를 사용해요. Vibroseis는 트럭에 달려 있는 vibrator를 사용해 저주파에서 고주파로 점점 진동수가 높아지는 진폭이 작은 파동을 발생시키는 source에요. 해양 탐사를 진행할 때는 대표적으로 Air gun을 사용하는데, 압축되어 있던 공기를 내보내면서 고압의 bubble을 발생시키는 source에요.

2. 선배의 조언

탄성파탐사 과목을 수강하신다면 이보다 더 자세한 내용을 배우실 수 있어요. 저도 수강할 때 제가 참고문헌으로 남겨놓은 'An Introduction to Geophysical Exploration’을 꼼꼼히 읽으면서 공부했어요. 후배님들도 교재 참고하여 열심히 공부하신다면 큰 어려움 없으실 거에요. 수업에서 어떤 실습을 진행하는지는 교수님에 따라 다르지만, 2024년 1학기에는 탄성파 탐사 자료를 이용해 지층의 경계면을 파이썬으로 생성해보는 실습을 했답니다. 다만 2024년 1학기에만 예외적으로 다른 교수님께서 수업을 맡으셨고, 원래 수업을 진행하시는 교수님은 다른 실습을 진행하실 확률이 높아요. 실습을 진행하게 된다면 주로 seismogram을 분석하게 될 거에요!

탄성파탐사에서 암석의 물성을 파악하는 것이라고 했는데, 이러한 물성에 대해서 더 궁금하시다면 에너지자원공학과의 전선 과목인 암석물리학 개론을 수강하시면 좋을 것 같아요. 물리탐사 중 탄성파탐사 이외에 다른 물리탐사에 대해서도 궁금해지셨다면, 마찬가지로 전선 과목인 중자력 및 전자기탐사 과목을 수강해보세요! 더 나아가 탄성파탐사의 구체적인 알고리즘을 코드로 짜보고 싶으시다면, 전선 과목인 지구물리 모니터링 과목을 추천합니다.

3. 진로 선택에 도움되는 점

개인적으로 저는 탄성파탐사 과목을 수강하고 관심이 생겨 대학원 진학을 결정하게 되어 굉장히 애착이 가는 과목이에요! 에너지자원공학과에서 관련된 랩은 민동주 교수님의 물리탐사 연구실과 조용채 교수님의 응용지구물리연구실이 있어요. 랩을 졸업하신 선배님들 중 지질자원연구원에서 일하시는 선배님들도 계시고, 이산화 탄소를 지중에 저장하는 CCS 산업에 기여하시는 등 여러 분야로 나갈 수 있답니다. 최근 들어 이슈가 되었던 동해의 석유, 가스에 대한 탐사도 탄성파 탐사를 실시한 거랍니다.

4. 맺음말

탄성파탐사를 한 줄로 정리하자면 지표에서 탄성파를 발생시켜 지하의 구조와 물성을 파악하는 것이라고 할 수 있을 것 같아요. 어떻게 알아내는지, 알아낸 결과를 어디에 활용하는지 등에 대해서는 과목을 수강하시면 더 자세하게 배울 수 있어요. 사실 데이터를 얻는 것은 비교적 간단하고, 데이터에서 중요한 신호만을 파악하고 noise를 걸러내는 작업이 훨씬 복잡한데, 이에 대해서도 공부하게 된답니다. 이 과목을 수강하실 계획이라면 시간 여유가 있으실 때 푸리에 변환에 대해 간단하게 공부해 가셔도 좋을 것 같아요! 그럼 즐거운 수강 되시길 바랍니다 :)

Reference

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• Seismic monitoring of torrential and fluvial processes. Scientific Figure on ResearchGate. Retrieved June 25, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Love-a-and-Rayleigh-b-surface-wave-displacements-for-a-horizontal-propagation-from_fig3_295863200
• British Geological Survey. (n.d.). How we measure earthquakes. Retrieved June 25, 2024, from http://earthquakes.bgs.ac.uk/education/eq_guide/eq_booklet_how_we_measure.htm
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