해저 열수광상 탐사와 자료 해석을 위한 소형루프형 전자탐사 연구

Abstract

해저의 다양한 화산활동에 의해 지각 하부의 다양한 금속들이 융해된 열수가 열수구를 통해 분출하며 유용광물의 침전을 통해 이루어지는 해저 열수광상은 해저면에 연속적인 규모로 퍼져있게 되는데, 자체로 품위가 높고 금, 은 등의 고가의 광물을 함유하는 관계로 최근 세계 각국이 경쟁적으로 광구확보에 나서고 있다. 우리나라가 2009년 해저광물 탐사권을 획득한 남태평양 통가 배타적 경제수역 내 해저 열수광상 지역에서의 이상대 탐지와 매장량 평가를 위한 해양 탐사가 요구되고 있다. 이를 위하여 이 연구에서는 육상에서 활발히 적용되고 있는 비접촉식 송수신 일체형 탐사법인 다중주파수 소형루프형 전자탐사를 해저 열수광상 탐지에 적용하였다. 전도성인 바다 환경에서 열수광상을 포함하는 층서구조 모델링법을통해서 기기적 변수와 물성적 변수의 특성을 확립하여 소형루프형 전자탐사 기기의 설계를 제안하고 탐사 자료의 효율적인 해석을 도모하였다. 마운드를 이루는 열도화산작용 지대의 개략도로부터 층서구조의 해저 열수광상 모델을 설정하였다. 먼저 전기전도도가 매우 높은 전도성 환경에서 전자기 감쇄가 급격히 일어나는 경우에도 소형루프형 전자탐사가 적용 가능한지를 확인하기 위해 송신루프와 수신루프가 일정거리 떨어진 bistatic형 시스템을 이용하여 반무한 공간에서의 육상탐사를 가정한 전자기 반응과 무한 공간에서의 해양 탐사의 반응을 확인하여 탐사 가능성을 확인하였다. 해저 열수광상층의 전기전도도와 층두께, 해양 지각의 전기전도도 세가지 물성변수와 송수신 거리, 안테나 시스템의 종류, 안테나의 배열, 해저면에서의 운용 높이, 사용 주파수 등의 기기변수에 따른 전자기 반응을 계산하여 실제 탐사에 적용할 수 있는 기기 디자인을 제안하고 탐사 및 제어 변수를 확인하였다. Bistatic형 시스템의 경우 수 미터 이상의 두께를 갖는 열수광상을 확인하기 위해서 송수신 간격을 늘리면 수신 신호의 크기가 너무 작아지게 되는 한계가 있으며 실제 운용을 생각하면 크기의 제약도 있다. 대안으로 원형 송신루프의 모멘트를 증가시켜 고출력을 낼 수 있고 심도에 대한 고해상도 반응을 얻을 수 있는 monostatic형 시스템을 제안하여 전자기 반응을 계산하였다. Monostatic형 시스템에서는 일차장의 반응을 최소화 시키는 상쇄루프의 개념을 적용하고 정규화한 민감도 분석을 통해 주파수 대역에 따른 해저 열수광상층의 전기전도도의 감도 변화 양상과 기전력의 범위를 살펴보며 실제 탐사 기기 디자인의 유효한 크기를 제안할 수 있었다. 또한 송신루프의 형태가 직사각형인 경우 처음 monostatic형 시스템의 이론적 접근 시 원형루프의 계산을 이용한 것과는 전 주파수대역에서 정적오차를 보임을 확인하였고, 이를 이용한 소형루프형 전자탐사 반응 계산 모듈을 구성하여 실해역 탐사의 여러 상황에 바로 적용가능하게 하였다. 남태평양에서 측정한 원시 전기전도도 자료를 이용하여 크기 3 m × 2 m의 직사각형 송신루프를 이용한 소형루프형 전자탐사를 가상으로 구성해보았다. 해저 열수광상이 해양 지각 상부에 부존하는 경우 10 ~ 5,000 Hz의 주파수 대역에서 10 m 내외의 열수광상층 두께에 대한 구분 반응을 얻을 수 있었고, 열수광상 위를 해성 퇴적층이 미터 단위로 덮고 있는 경우에는 열수광상층의 부존 여부는 확인할 수 있었으나 5 m 이상의 두께에 대해서는 구분이 어려울 것으로 파악되었다. 모든 경우에서 안테나 시스템이 해저면에서 떨어지게 되면 이상성분부터 반응의 크기가 급감하면서 열수광상층의 수직분포에 대한 구분을 놓치게 되는 것을 감안하여 10 m 이하의 높이로 운용해야 할 것을 제시할 수 있었다.