KIGAM 한국지질자원연구원

더 깊고 정밀하게!

3만 파운드급 탄성파 탐사 장비,GIN30-진삼공으로 땅속을 들여다본다

글 이창현 책임연구원(심층처분환경연구센터)

깊은 땅속을 연구하기 위해서는 다양한 방법이 활용되고 있다. 직접 땅을 파고 들어가 그 속을 살펴볼 수도 있고, 땅속에 진동을 발생시켜 그 파동이 반사되거나 굴절돼 돌아오는 신호로 더 깊은 땅속을 탐사하는 방법도 있다. 한국지질자원연구원은 국내 최대 규모의 ‘3만 파운드급 바이브로사이즈 GIN30’(진삼공, 이하‘GIN 30’)을 본격적으로 운용하며 복합 지질재해 문제 해결을 위한 본격적인 연구에나선다.

3만 파운드급 바이브로사이즈 GIN30(진삼공)

GIN30은?

땅속을 들여다보는 방법으로는 땅을 파서(굴착) 육안으로 관찰하거나 시료를 채취하여 조사하는 것이 가장 정확하고 직접적일 수 있으나, 깊은 심도를 관찰하기에는 현실적으로 불가능하다. 직접 조사방법의 하나인 시추의 경우에도 전 세계적으로도 깊이 13km를 도달하지 못하였다.(콜라 프로젝트 시추심도 12,262m, 사할린 프로젝트 시추심도12,345m)

간접적으로 땅속을 조사하는 방법으로 땅의 물리적 성질(특성) 변화를관찰하여 지층의 구분과 구조를 파악하는 방법을 통칭 “물리탐사”라 한다. 물리탐사법은 이용하는 물리적 특성에 따라 전기탐사, 전자탐사, 레이다탐사, 방사능탐사, 중력탐사, 자력탐사, 탄성파 탐사 등등으로 나뉘고, 탐사법을 적용하는 위치에 따라 육상탐사, 해양탐사, 항공탐사, 지표탐사, 시추공 탐사 등등으로 분류되어 다양한 탐사법이 있다. 예를 들면우리 연구원에서는 해양 탐사 전문선박인 탐해 2호를 이용하여 해양탄성파 탐사, 항공기를 이용한 항공전자탐사, 비저항탐사, 지표투과레이다(GPR-ground penetration radar) 탐사, 물리검층 등 여러 물리탐사들을 수행하고 있다.

다앙한 물리탐사 방법 중 하나인 육상 탄성파 탐사는 지표 인근에서 인위적으로 진동을 발생시켜 진동이 매질(파동을 전달하는 물질)을 전파함에 따라 매질의 특성 차이로 인해 발생하는 반사나 굴절 등으로 되돌아오는 진동을 측정하고 분석함으로써, 땅속의 특성을 파악하는 탐사법을 의미한다. 탄성파 탐사는 크게 3가지 요소, 진동을 발생시키는 장치-송신원, 진동을 감지하는 장치-수진기와 이러한 송신원과 수진기를 제어하고 측정되는 자료를 기록하는 장치-측정장치가 필수적이다.

금번 우리 연구원에 도입된 GIN30은, 탄성파 탐사 송신원 중 진동형송신원의 일종인 바이브로사이즈(vibroseis)를 일컫는 장비로, Groundforce Initiating Navigator의 약자 GIN과 바이브로사이즈의 능력을 나타내는 30만 파운드를 결합하여 GIN30으로 명명하였다.

육상 탄성파 송신원의 종류로는 충격형-햄머나 무거운 추등, 폭발형-다이너마이트와 샷건(shot gun), 진동형으로 크게 나눌 수 있는데,GIN30과 같은 진동형 송신원은 특징은 일정 시간 동안 지면에 밀착된플레이트를 통해 특정된 범위 내에서 시간에 따라 진동수가 변하는 진동을 땅에 인가해 인공적으로 탄성파를 발생시키는 점이 다른 송신원과 구별된다.

다른 송신원에 비해 진동형 송신원인 GIN30의 가장 큰 장점은 인공적으로 원하는 진동을 다양하게 제어하여 발생시킬 수 있다는 점이다. 송신 진동을 제어 가능함으로써, 반복적으로 송신할 수 있어 땅에 가하는 총 에너지의 크기를 늘릴 수 있는 큰 장점이 있다. 이는 깊은 땅속을 탐사하는 것을 가능하게 한다. 즉 깊은 땅속을 관찰하기 위해서는 그에상응하는 많은 에너지가 필수적이다.

햄머와 무거운 추를 떨어뜨려 물리적으로 땅을 타격하는 방식의 송신원은 GIN30에 비해 단일 송신 크기가 작을 뿐 아니라, 매회 동일한 타격을 유지하기 힘들다. 다이너마이트를 송신원으로 사용하는 경우는 장약을 위한 일정한 구멍을 뚫고 화약을 터트려 진동을 발생시킴으로써,반복송신이 불가능하다. 물론 깊은 곳을 조사하기 위해 많은 양의 다이너마이트를 사용함으로써 1회에 큰 송신 에너지를 발생시키는 것이 가능하기는 하지만 적용 가능한 환경에 많은 제약이 따른다.

GIN2.5

다양한 조사 사업에 활용

금번 GIN30이 도입됨에 따라, 우리 연구원에는 총 2대의 진동형 송신원 GIN30과 GIN2.5를 보유하게 되었다. GIN2.5는 2009년에 처음 도입되어 주로 이산화탄소 지중저장 사업의 부지 선정 및 심부 지질구조 파악을 위한 탄성파 탐사 송신원으로 여러 국가 R&D 사업에 활발히 적용되어 왔다. 경상분지인 의성, 진주와 포항분지, 장기분지등에서GIN2.5를 활용한 육상반사법 탄성파 탐사가 수십 차례 수행되었으며,포항 대잠동 가스전 조사, 강화군 석모도의 지열조사를 위한 탐사를 수행하였다. 또한, 2016년 경주 지진 이후 지진 발생 원인을 규명을 위한한반도 동남부 대단층(양산 및 울산단층) 조사 사업에도 활용되었다.

GIN30을 GIN2.5와 비교하면, 가장 큰 차이점은 이름에서도 알 수 있듯이 약 12배 이상의 강한 에너지를 발생시킬 수 있어, 보다 깊은 곳의 조사가 가능하다. 상대적으로 높은 에너지 발생을 위해 GIN30 전체 장비가 무거워 도로 이동 등과 같은 기동성은 떨어지나, 경사면이나 험지이동에서는 보다 높은 이동성을 보여준다. 앞으로도 탐사 현장의 조건에따라 그리고 탐사 목적 심도에 따라 두 장비 모두 병행하여 사용할 계획이다.

GIN30은 작년 2021년 8월에 연구원에 도입되어, 본격적인 운용을 위한 시험 작동을 진행해오고 있으며, 현재 실재 현장에 사용할 수 있는기본 시험을 마친 상태이다. 두 장비의 기본 성능 비교를 위해 2021년말에는 연구원 기본 사업인 “한반도 동남권 지진·단층 활동 평가를 위한 심부 복합지구물리 모니터링 시스템 구축”에서 구축된 시추공(1km굴착)을 이용한 시추공 탄성파 탐사(VSP; Vertical Seismic Profiling)를 수행하여, 기존 장비인 GIN2.5에 비해 GIN30은 동일한 수진기에서 수배 이상의 진동 감지가 가능함을 확인할 수 있었다.

현재 우리나라의 경우, 지진 및 산사태와 같은 대형 지질재해가 잦아지고 있는 가운데 그 원인으로 지목되는 단층·파쇄대의 위치와 구조의 특성을 조사하기 위한 지하 심부 지층 층서와 구조를 정확히 규명을 위한 기술개발의 필요성이 커지고 있다. 또한, 대규모 CO2지중저장 후보지 및 고준위 방사능 폐기물처분장 후보지 선정을 위한 심부 지질구조상세 조사에 필요성이 확대되고 있어 이러한 분야에 적용할 계획이다.에너지 저장이나 수소저장을 위한 지하 심부 지하공간 활용을 위한 조사에도 활용할 계획이다.

위와 같은 지하 심부 조사뿐 아니라, 건물 및 구조물 내진 설계와 성능평가에 필요한 각종 진동측정 센서의 검증과 교정을 위한 진동 에너지도 제공할 수 있으며, 도심지 아스팔트와 같이 단단한 지반에서 운용할수 있어 도심지 복합 지질재해 문제 해결에 있어서도 활용방안을 확대해 나갈 수 있을 것으로 기대된다.