A proposal of marine geophysical exploration techniques for offshore plant installation

2-1. 본 연구의 제안

외국에서 제시한 해양물리탐사 기법(Figure 1 (a))[3][4]과 본 연구에서 제안하고자 하는 기법(Figure 1 (b))을 비교하였다. 외국의 기법은 탐사에 대한 특별한 구분이 없으나, 본 연구에서는 예비조사, 기초조사, 정밀조사의 순서로 탐사를 수행하여 보다 효율적인 탐사가 수행되도록 하였다. 예비조사에서는 실제 해양플랜트가 설치되기에 적합한 지역인지를 판단하기 위한 탐사를 수행하였다.

기초조사는 해양플랜트 설치 시 고려해야 할 부분 중 해저면 에서 확인되어야할 특징들을 찾기 위한 탐사를 수행하였다. 정밀조사에서는 지질학적 지하구조 특징을 확인하기 위해 탐사를 수행하였다.

외국에서 제시한 해양물리탐사 기법 중 금속성의 물질이나 대규모 단층을 확인하기 위한 방법으로 제시된 자력탐사의 경우 작업의 목적, 대상 구조, 측정방법 등을 고려해야하며, 관측된 자기장에는 많은 교란 성분이 많이 포함되어 있어다는 단점이 존재 한다. 또한, 지하구조의 분해능이 낮고 수직구조는 분해가 어렵다[5]. 이러한 단점은 본 연구에서 파악하고자 하는 천부 지층의 구성 양상과 대규모의 단층 파악 등에 제한적 요소로 작용할 것으로 사료되어 본 연구에서는 자력탐사를 제외하였다. 이를 보완하기 위한 탐사로서 천부지층 탐사와 고해상 탄성파 탐사를 선정하였다. 외국의 지침에도 천부지층 탐사와 고해상 탄성파 탐사를 수행하는데, 이때는 대규모의 단층이나 층의 구별, 천부 지층의 구성 양상을 파악하는 것에 주목적이 있다.

Figure 1:

Applied marine geophysics method (a) over seas case and (b) this research case.

본 연구에서는 천부지층 탐사와 고해상 탄성파 탐사를 수행하여 본래의 목적 이외에 금속성 물질의 탐지에도 활용하고자 한다. 이 경우 금속성의 물질이 기존의 해양 지반환경과의 현격한 임피던스의 차이로 인하여 이상대로 발견이 가능하며[6], 대규모 단층을 찾는 것 역시 자력탐사에 비해 수직 해상도가 높은 자료를 제공할 수 있을 것으로 사료되기에 선정하였다. 외국에서 제시된 방법 중 해저면 촬영의 경우 해저면의 대부분이 뻘(mud)로 구성되어 있고, 물살이 빠른 국내 해저 환경 상 신뢰도 높은 자료의 취득이 어렵다. 또한 광범위한 지역을 촬영하기 위해 AUV(Automatic Under Vehicle)나 ROV(Remotely Operated Vehicle)를 사용해야 하지만, 국내에 보편화 되지 않았으며, 잠수부를 이용하는 방법은 시간·경제적인 면에서 비효율적이다. 이에 본 연구에서는 해저면 촬영을 광역적 탐사 수행 후 이상체가 발견된 경우 수행하는 것으로 하였다.

해양 물리탐사는 충분하지 못한 물성대비나 비유일성, 분해능에 의해 취득된 자료의 신뢰도가 낮아질 수 있으며, 직접적으로 해저면이나 해저지질양상을 확인할 수 없다는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자 추가적인 방법을 제안하였다. 외국의 지침에 제시된 해저면 저질조사 이외에 해상 시추조사를 수행하여 광역적인 물리탐사와 국지적인 시추조사와의 상호 보완적 양상을 통하여 더욱 신뢰도 높은 자료를 취득 하고자 하였으며, 채취된 시료를 바탕으로 실내 토질시험을 진행하여 해저지반의 역학적 특성을 파악하고자 하였다. 실내 토질 시험의 경우 ‘항만 및 어항 설계기준’을 바탕으로 하였고, 외국의 지침을 참고하여 시험 항목들을 선정 하였다. 해양플랜트 운용 시 빠른 유속과 파고는 해양플랜트가 설치된 해저면의 변화를 일으키거나 지지하는 하부의 안전을 위협할 수 있기에 해양플랜트가 받을 영향을 고려하고자 해양플랜트가 설치될 지역에서 연속 조류 측정 시험을 선정 하였다.

2-2. 현장 적용

본 연구에서 제안한 해양물리탐사 기법의 적용을 위해 거제도 OO 해역에서 탐사를 수행하였다. 탐사는 제안과 같이 예비조사와 기초조사, 정밀조사로 세분화하여 수행하였다.

예비조사는 단일빔 음향측심기를 이용하여 정밀수심조사를 수행하였으며(Figure 2), 그랩(grab)을 이용하여 해저면 저질조사를 수행하여 탐사를 수행할 구역의 수심이 50 m 이하인 지역이고 해저면이 모래질로 이뤄져 있는 지역이라는 것을 확인하였다. 기초조사는 예비조사가 이뤄진 구역과 동일한 1 ㎢의 구역에서 15 line-㎞의 탐사를 수행하였다(Figure 3 (a)). 기초조사에서는 해저면의 특징을 확인하는 것에 목적을 두어 해양플랜트의 설치 시 영향을 줄 수 있는 해저면의 특징을 파악하였다.

Figure 2:

The result of pilot survey-bathymetry contour map.

Figure 3:

Track chart (a) basic survey and (b) precise survey.

이러한 특징 확인을 위하여 다중빔 음향측심기를 이용한 정밀수심조사와 측면주사 음파탐지기를 이용한 해저면 측사탐사를 수행하였다. 정밀 수심조사를 통해 해저면의 기복과 정확한 수심정보를 파악하였고, 해저면에 있을 수 있는 해양 구조물 및 케이블, 인공어초, 특이지형을 확인하기 위하여 해저면 측사탐사를 수행하였으나, 특이사항은 발견되지 않았다(Figure 4).

Figure 4:

The result of basic survey-side scan sonar mosaic image.

또한 13개의 지점을 선정하여 그랩을 이용해 해저토를 채취하였으며, 채취한 시료에 대한 실내 토질 시험을 수행하였다. 수행된 시험 항목은 입도, 수분단위중량, 비중 등 이며, 실험 결과는 Table 3에 나타내었다.

Table 3:

The result of laboratory soil test(grab samp ling).

정밀조사에서는 기초조사에서 취득된 해저면 특징을 바탕으로 탐사구역을 0.25 ㎢로 좁혀 7.5 line-㎞의 측선에서 해저의 지질특성을 파악하고자 하였다(Figure 3 (b)).

측선의 방향은 수심의 구배 및 지형적 조건을 따라 북서에서 남동 방향으로 설정하여 탐사를 수행하였다. 정밀조사에서는 고해상탄성파 탐사와 천부지층탐사를 수행하였으며, 바이브로 코어러(vibro corer)를 이용한 시추조사를 통해 탄성파 탐사자료와의 상호보완적 해석을 하고자 하였다. 또한 해류의 영향을 파악하기 위하여 연속해류 조사를 수행하였다. 해저면 저질 조사의 결과 탐사구역은 가는 모래와 굵은 모래로 표층이 덮여 있다는 것을 확인 하였다

또한 다중빔 음향측심기를 이용한 정밀 수심조사 결과를 확인해보면 탐사구역의 수심은 45 m ~ 50 m 로 나타났으며, 북동에서 남동 방향으로 갈수록 수심이 깊어짐을 확인하였다(Figure 5 (a)).

가장 수심이 얕은 북동쪽에서 가장 깊은 남동쪽 까지는 깊이의 변화가 3.09 ㎜/m로 나타났다. 조사구역에서의 평균 수심의 구배는 0.99 ㎜/m를 나타내어 대체로 평탄한 지형인 것으로 확인되었다(Figure 5 (b), (c)). 측면주사 음파탐지기를 이용한 해저면 측사 탐사 결과 특이 사항을 발견하지 못하였다. 정밀조사 구역에서 수행된 고해상 탄성파 탐사와 천부지층 탐사를 수행하여 취득된 자료에 대하여, 탄성파 자료처리 및 자료해석을 수행하였다[7]. 해석 시 Mitchum et, al. [8]의 탄성파 음향특성(Figure 6)을 이용하여 자료 해석을 수행하였다. 자료 처리 및 해석의 결과는 Figure 7 (c)에 나타냈다.

Figure 5:

The result of basic survey (a) bathymetry chart, (b) level variation ratio of main line and (c) level variation ratio of sub line.

Figure 6:

Classification of reflection configuration [8].

Figure 7:

High resolution seismic section for used (a)sub-bottom profiler, (b)bubble pulserand (c)quad pulser.

고해상 탄성파 자료를 바탕으로 하여 해역에서 12개 지역을 선정, 바이브로 코어러를 이용하여 해상 시추조사를 수행하였다. 시추조사의 결과 1~2 m 가량의 시료를 채취 할 수 있었으며, 실내토질 시험을 통해 확인되어야할 공학적 특성을 확인하였다. 실내 토질시험 결과는 Table 4에 나타내었다. 최종적으로 해류조사를 수행하였으며, 해류조사의 결과로 유향-유속 분포도 (Figure 8)와 진행 벡터도(Figure 9)를 획득하였다.

유향-유속 분포도는 조류의 왕복운동 특성을 나타내며, 진행벡터도는 조류의 누적 이동 궤적으로 나타낸 자료이다. 조사구역 에서의 조류 방향은 창조시 표층과 중층에서는 정서 방향에서 가장 높은 출현율을 보이고, 저층에서는 서남서 방향에서 가장 높은 출현율 을 나타내었다. 낙조시에는 표층과 저층에서 북동 방향, 중층에서는 동북동 방향에서 가장 높은 출현율을 보였다. 또한 해양플랜트 하부에 영향을 가장 많이 미치는 저층에서의 유속이 50 ㎝/s 내외로 나타났으며, 간혹 50~75 ㎝/s의 유속의 경향이 관측되었다.

Table 4:

The result of laboratory soil test(vibro coring).

Figure 8:

Appearance ratio chart of flow rate and direction at GeoJe, (a)surface, (b)middle and (c)bottom layer.

Figure 9:

Scatter plot and progressive vector diagram (a)surface, (b)middle and (c)bottom layer.

2-3 탐사결과의 종합적 해석

정밀조사 구역에서의 고해상 탄성파 자료의 해석 결과와 시추조사의 결과를 종합하여 지층을 추정해 보았다. 정밀탐사 구역의 최상부층 Unit -Ⅰ지층은 약 7m의 두께로 입도분포가 불 균질한 실트질 모래층이 수평하게 퇴적되어 있으며, 간혹 두께 10 ㎝ 내외의 clay seam이 끼어 있을 것으로 추정된다. Unit - Ⅱ는 음향 구분이 Unit - Ⅰ과 다르게 내부반사파가 해퇴(prograding) 형태로 강하게 나타나는데 이것은 과거 지구의 해수면 변동 시기에 해수면이 점점 높아지면서 층이 기울어져 쌓인 형태 또는 해수면이 낮아질 때 침식이 이루어진 형태일 것으로 판단되며, 이 경우 지층의 두께가 약 5m인 모래층으로 추정된다. Unit -Ⅲ의 경우 내부 탄성파 진폭이 비교적 균일한 수평형태로 나타나므로 탄성파 음향 특성상 머드와 실트층으로 추정된다. 해상 시추조사 결과 1~2m의 시추자료를 채취 하였고, 실내 토질 시험을 수행하여 표층은 모래질이 주를 이루고 모래층 아래에 뻘이 나타나는 층도 확인 하였으며 각종 지반정수를 산출하였다.

Figure 7에 나타낸 탄성파 음원에 따른 탄성파 자료를 살펴보면, 깊은 수심과 모래질로 덮여있는 해저면 환경 상 고주파수를 이용한 천부지층 탐사에서는 층의 구별이나 지하구조에 대한 영상이 확연하게 드러나지 않았으며(Figure 7 (a)), 저주파수 음원인 버블펄서를 이용한 자료취득은 음원의 세기가 약하여 심부에서의 특징이 잘 나타나지 않았다(Figure 7 (b)). 바이브로 코어러를 이용한 해상시추조사의 결과로 취득된 시료는 실내 토질시험을 통해서 마찰각, 컨시스턴시, 수중단위중량 등을 측정하여 나타내었다.

탐사구역에서의 해류조사 결과 남서 방향과 북동 방향의 유향의 출현율이 높은 것은 국내 남해안을 흐르는 쿠로시오 해류의 영향이라 사료된다