한 현 철
서 론
우리나라의 지질과학은 일제시대부터 조선총독부 산하 지질조사소(한국자원연구소 전신)에 의해서 시작되었으나 연구의 주목적은 우리나라의 자원수탈을 하기 위함이었다. 그러나 해방 후 우리나라 학자들에 의하여 연구가 수행되면서 국가 산업발전을 위하여 석탄, 금속, 비금속 등 지하자원의 수급을 위한 자원탐사 개발을 선도하였으며 최근에는 자원개발 분야를 확대하여 지하수, 골재, 지열 탐사 등을 수행하고 있다. 또한 장기적인 국토의 효율적인 이용과 자원 자립을 위한 기본연구인 지질도폭 조사는 목적별로 축척을 달리하는 도폭을 지속적으로 조사/발간하고 있다. 현재 한국자원연구소에서는 1/5만을 기본으로 하여 1/2.5만, 1/25만, 1/100만 등을 발간하여 한반도의 지질분포, 지질계통 및 지체 구조적 위치를 규명하며, 통일을 대비한 휴전선 인접지역의 국토개발 지반평가자료를 확보하고 있다. 이와 같은 기본적인 지질정보를 토대로 하여 육상지질 재해요인에 대한 연구는 국부적으로 이루어져 왔으나 육지가 아닌 해저에 대한 지질재해 연구는 1970년대 초 우리나라에 해양지질 및 지구물리에 대한 연구가 한국자원개발연구소(한국자원연구소 전신)에서 시작된 이래로 우리나라에서는 한번도 수행이 된 적이 없다. 따라서 우리나라는 아직도 6.25직후 정책방향인 개발 우선 주의 때문에 재해요인이 있는 곳에 시공(예: 굴업도 핵폐기물 저장소)을 하여 공사가 중단되거나 완공 후에도 지속적인 보완 등에 따른 막대한 경제적 손실을 초래하여 국가 경제 발전에 장애 요인이 되어왔다. 그럼 이러한 문제점을 해결할 수 있는 가정 근본적인 방법은 무엇인가? 이 문제의 답은 간단하다. 즉, 재해요인을 파악하고 그러한 재해요인이 없는 곳에 구조물을 설치하면 된다. 그러나, 가장 어려운 것은 눈으로 보이지 않는 곳에 존재하는 재해요인을 어떻게 찾느냐 하는데 있다. 따라서 이 글은 기본적인 재해요소에는 어떠한 것이 있으며 이들을 해양지구물리학적인 방법을 동원하여 찾는 방법에 대하여 기술하고자 한다.
해저지질재해의 종류 및 피해사례
정성적인 측면에서 분류한 해저지질재해의 종류는 크게 해저면의 정보부족으로 야기되는 불규칙한 해저면, 함몰지형 등과 해저지질구조 변화에 의해 발생되는 활성단층 및 습곡지역 등이 있으며 지질구조 변화와는 무관한 유기물의 숙성작용에 의해 형성되는 가스가 광범위한 의미에서의 해저지질재해의 요소들이 된다. 이러한 지질정보의 부족으로부터 국내에서 발생한 여러 가지의 실질적인 예를 들어보면 다음과 같다.
1. 해저면 정보부재로 인한 피해
가) 선박 좌초 사건: 제5금동호(93년 9월), 시프린스호(95년 7월), 여명호(95년 8월), 제1유일호 (95년 9월), 호남 사파이어호 (95년 11월) 등이 좌초되어 유출된 기름으로 인하여 어장이 황폐화되고 생물자원 손실피해가 막대하였으며 해양 생태계의 파괴되어 오염된 생물의 섭취로 인하여 인간 건강에 심각한 피해를 야기시켰다.
나) 국방 정책적인 측면: 동해에서 발생한 북한 잠수정을 예인할 때 연근해저 해저지형 정보 부족으로 인한 좌초 잠수정 예인시 혼선 야기시킨 이유는 연근해안 지역에서의 복잡하고 불규칙한 정밀해저지형 정보가 대잠수함 작전시 필수적이라는 것을 보여준 사례이다.
다) 해저 광케이블 훼손: 한일간 해저 광케이블 사고(1998년)로 인하여 국제전화 및 인터넷 불통사고가 빈번히 일어나고 있으며 사고 발생시 케이블 복원에 따른 경제적인 손실은 물론 필요한 정보의 수급에 막대한 지장을 초래하여 사회활동에 치명적인 요인으로 작용한다.
2. 해저 지질구조 정보부재로 인한 피해
가) 굴업도 방사성 폐기물 저장소: 후보지 선정 후 해저탐사를 실시하여 활성 단층 존재를 확인하여 후보지 취소에 따른 사회적 혼란과 막대한 경제적 손실을 야기시켰으며 우리나라 관행으로 되어있는 선 부지선정 후 조사의 대표적인 실패사례.
나) 교각 건설: 지질구조 정보 부족으로 인해 불필요한 시추를 함으로 건설비 증가에 따른 경제적 손실을 야기시키거나 기반심도 변화에 대한 정보 부족으로 교각 파손과 같은 피해를 초래할 수도 있다.
3. 가스층 존재로 인한 재해
외국의 경우 천부 가스층 분포 지역에서 인위적인 해저면 변화(어로행위, 구조물 설치 등)에 따른 가스 폭발에 의한 피해가 보고되었다. 다행히도 우리나라에서 아직 가스 폭발에 의한 피해 사례는 보도된 바 없지만 연근 해역에 천부가스가 부존 되어 있는 것은 이미 밝혀진 사실이다. 그러나 천부 가스층의 분포 범위, 매몰심도, 매장량 등에 관한 정보가 거의 없는 상태이므로 피해 가능성을 안고 있다.
해양지구물리탐사 방법
해양지구물리탐사 방법에는 목적에 따라 사용하는 장비와 방법이 다르기 때문에 모든 방법과 장비에 대한 소개를 할 수는 없지만 상기 언급한 문제점 등을 해결하기 위한 일반적인 탐사 방법에 대한 설명을 하겠다 (그림 1).
1. 정밀해저지형 탐사
정밀 해저지형 연구를 위하여 과거의 단채널 음향측심기(Echo Sounder)에서 최근에는 다중채널 음향측심기 (Multibeam Echo Sounder)를 많이 사용한다. 다중채널 음향측심기의 특징은 장비의 특성에 따라 다소의 차이는 있지만 한번의 음파를 발사하여 횡 방향으로 수심의 7배가 되는 지역에 대한 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있고 음파를 발생하는 음원발생장치의 구경이 작아 보다 정확한 해저지형자료를 취득한다. 이같이 자료취득과정의 원리는 비교적 간단하지만 자료취득 당시의 해황이나 해수의 불균질성 때문에 잘못된 정보가 기록되어 자료해석에 오류를 범할 수도 있다. 이러한 자료취득의 매개변수들을 자료취득전이나 자료취득을 하면서 보정을 하여야만 올바른 정보를 얻을 수 있다. 따라서 정밀해저지형 탐사를 위해서는 많은 잡음에 대한 영향을 고려하여 최대한 이러한 요인들을 제거한 후 탐사를 시작하여야 한다. 이것을 patch test라 하는데, patch test를 하면서 모든 motion sensor에 대한 보정을 하여야 한다. 보정이 완료되면 탐사구역 내에서 해수속도 측정을 한 후 본격적인 탐사를 시작한다. 그러나 이같은 일련의 과정을 통하여 취득된 자료도 실질적인 해저지형을 100 % 반영하지 못한다. 그 이유는 탐사시의 해황에 따라 야기되는 rolling, pitching, heaving 및 yawing 등과 같은 요인에 따라 인위적인 자료가 취득되기 때문에 이에 대한 보정을 해주어야 한다. 이같은 모든 보정이 완료되면 최종적인 해저면에 대한 정보를 얻게되는 것이다. 그림 2는 1997년 한국자원연구소에서 독도부근 해역에 대한 정밀해저지형 탐사를 실시하여 얻은 해저지형에 대한 도면으로 우리가 알고 있는 것과는 달리 독도 하부에 제주도 1/2 만한 거대한 해저 화산이 존재하고 그 주변에도 비교적 큰 규모의 독립된 해저 화산이 있음을 알 수가 있다.
2. 중력 탐사
다양한 종류의 선상 중력계가 있지만 가정 보편적으로 사용하는 중력계는 zero-length 스프링(spring)을 사용하는 전형적인 빔(beam) 형태의 불안정형 중력계인 LaCoste-Romberg사의 선상중력계이다. 기본적으로 ±0.01 mgal 이상의 정밀도를 가지고 있지만, 실험실 내에서 해상의 환경을 가정하여 x,y,z 방향의 가속도의 조합 하에서 실험한 결과 정밀도는 ±0.25 mgal 정도이다. 그러나 실제의 환경에서의 정밀도는 이보다 떨어지며, 각종 보정 과정에서의 오차를 감안할 때 통상 선상중력계에 의한 중력이상은 그 정밀도가 ±1 mgal이면 매우 양호한 것으로 취급되고 있다. 선상 중력계를 이용하여 조사 해역에 대한 중력치를 얻는 경우 가장 중요한 것은 절대중력치의 전이이다. 선상중력계는 상대중력계로서 관측지점의 절대중력을 측정할 수 없게 되어 있다. 그러나 해상중력 자료를 이용한 연구에 있어 가장 필수적인 요소인 Free-Air anomaly를 구하기 위해서는 절대중력으로의 환산이 필요하다. 이를 위해서는 선박이 출항하기 전에 절대 중력치를 알고 있는 부두의 한 지점을 이용하여 상대 중력치를 절대 중력치로 환산할 수 있는 기준을 마련하여야 한다. 이 밖에도 장비의 특성에 따른 Meter drift 보정, 조사 방향과 지구의 자전에 상관 관계에 의한 에트바스(Etvs) 영향 등을 보정한 후에 정규중력식을 이용하여 Free-Air anomaly를 구한다. 이같이 얻어진 중력치는 심부 지질구조 변이에 기인하는 단층 및 습곡 등을 알고자 하는데 이용한다.
3. 지자기 탐사
그림 1.schematic diagram showing margin geophysical equipemnts.
해상에서의 지자기 관측을 위하여 일반적으로 사용하는 장비는 proton 형태의 자력계를 사용하며 최근에는 지구 자기장의 일변화에 대한 정보를 동시에 측정할 수 있는 gradiometer라는 장비를 이용한다. 가장 보편적인 장비는 GEOMETRICS사의 G-811G Marine Magnetometer로서 17000 ∼95000 nT 범위 내에서 측정이 가능하고 특히 두 개의 센서(master sensor, slave sensor)를 가지고 있기 때문에 자력에 큰 영향을 미치는 일변화를 고정 관측점 없이 보정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 자력측정을 할 때는 선박에 의한 영향을 최소로 하기 위해 첫 번째 센서(slave sensor)를 최소한 선박 길이의 3배 이상 떨어져서 견인(towing)하여야 한다. 그러나 이러한 방법으로 취득된 자력치는 지질구조를 해석하는데 직접 이용할 수가 없다. 그 이유는 지구자기장의 영향이 포함이 되어있기 때문이며 이를 제거하기 위하여 International Geomagnetic Reference Formula(IGRF)를 이용한다. IGRF는 지구를 구로 가정한 spherical harmonic model에 의해 수학적으로 계산된 값이며 IGRF에 포함된 secular variation값은 한정된 상수만을 이용하여 계산하였기 때문에 완벽하게 지구의 main field를 나타내지는 않는다. 따라서 계산된
잔류자기(total intensity - IGRF)에는 IGRF의 부정확성에서 기인하는 오차가 포함되어 있고 또한 전리층의 영향, solar wind, solar flare 또는 자기폭풍 등과 같은 외부요인 등에 의하여 작게는 60∼70 nT, 크게는 1000 nT 이상의 자력변화를 일으킨다. 이와 같은 영향을 제거시키는 방법은 아직 개발되어 있지 않기 때문에 일반적으로 manual shifting에 의해 보정을 하고 있다. 이같이 얻어진 자력치는 중력변위와 함께 심부 지질구조 변위에 대한 연구를 할 때 이용한다.
4. 탄성파 탐사
탄성파 탐사는 육상에서와 마찬가지로 반사법 탐사와 굴절법 탐사로 구분되며 탄성파 탐사는 해저면 하부에 있는 퇴적층 및 기반암의 발달 상황을 알고자 할 때 이용하고 굴절법 탐사는 퇴적층과 기반암의 속도를 알고자 할 때 일반적으로 이용한다. 굴절법 탐사는 아주 특수한 경우에만 사용하므로 지질재해 연구에 필수적으로 사용하는 반사법 탐사에 대한 설명만을 하겠다.
해상에서 사용하는 탄성파 반사법 탐사에는 음원을 발생시키는 원리에 따라 여러 가지 종류의 탐사장비가 있다. 일반적으로 전기 충격을 이용한 Sparker System 및 압축공기를 이용한 Air-Gun System는 비교적 저주파를 발생하기 때문에 심부 지질구조를 알고자 할 때 사용하며 3.5 kHz의 주파수를 이용하는 Sub-Bottom Profiler는 천부 지질구조를 연구할 때 사용한다. 이러한 장비를 이용하여 취득된 자료는 음원에서 수진기까지의 거리 차이 및 다양한 잡음에 의해 왜곡된 이미지를 보여주게 되며 이에 대한 보정은 필수적이다. 탄성파 자료보정은 음원에서 발생되어 수층 및 지층을 통과한 후에 수진기에 도달한 탄성파 신호의 신호 대 잡음비를 극대화시켜 지질학적인 해석이 용이한 형태의 탄성파 단면을 제작하는 것으로서, 이득회수, 공통 중간점 모음, 동보정, 중합, 최종단면 출력 등의 기본전산처리 과정과 디콘볼루션, 필터링, 구조보정 등의 추가처리과정, 자기상관도분석, 스펙트럼분석, 속도분석 등의 전산처리 변수분석과정 등이 있다. 그림 3은 Sparker System을 이용하여 얻어진 자료로서 가스 함유층을 보여주고 있으며 그림 4는 Air-Gun System으로 얻어진 탄성파 단면으로 활성 단층을 보여주고 있다.
그림 2. Detailed morphological around Dokyo. Two small isalnd 37o 14'N denote dokdo. Counter interval with a solid line is 20 m, and color indexed contour interval is 200 m.
그림 3. Seismic obtained from Sparker system and showing a shallow gas Layer
해저지질재해 정보의 활용
상기에 언급한 바와 같이 해양지구물리 탐사를 이용하여 해저에 존재하는 다양한 형태의 지질재해 요소를 규명할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 해저지질재해에 대한 정보는 국가 연안역 개발이나 잠수함 활동 영역 선정등과 같은 건설, 산업 및 국방 정책 수립시 절대적으로 요구되는 것이며 이러한 정보 없이는 효율적인 정책수립과 계획이 어렵고, 정책추진 과정에서 차질을 가져와 막대한 경제적 손실을 초래하게 된다. 선진 외국에서는 해저지질재해에 대한 연구를 통하여 국가 정책 수립에 이용하는 것 이외에 재해방지 연구를 통하여 국민 복지에 필요한 자료를 제공하고 있다. 따라서 해양지구물리 탐사를 통하여 한반도 주변에 해저 지질재해 발생가능성이 있는 지역을 파악하고 이들에 대한 원인을 규명함으로써 국가 연안지역 개발 및 국방정책 수립은 물론 지질환경 변화에 따른 국민 복지에 필요한 정보를 제공하는데 크게 기여할 수 있다.
그림 4. Air-Gun seismic profile showing faults.
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한현철 박사는 미국 Texas A&M 대학 해양지구물리학 박사 학위를 취득하였으며, 한국자원연구소 석유해저연구부 선임연구원, 충남대학교 지질학과 겸임교수, 한국 ODP 사업단 과학위원으로 재직 중이다. 수상경력으로는 과학기술부 장관상을 표창받았다. |