에너지자원공학과에서는 에너지 및 광물자원에 대하여 공부하게 되는데 그 중에서도 자원 및 지질 구조에 대한 탐사와 정제에 대하여 주로 배우게 됩니다. ‘에너지자원공학’이라는 이름으로부터 석유, 석탄 등의 자원 종류는 쉽게 떠올리지만, 자원을 어떻게 탐사하고 얻어내는지에 대하서는 잘 모르시는 분들이 많을 텐데요. 이번에는 자원들을 정제하고 활용하기 이전에 중력, 자력 및 전자기를 이용하여 지하자원 및 지질 구조에 대한 자료를 수집, 처리, 해석하는 방법과 이 자료들을 공학적으로 응용하는 방법을 배우는 ‘중자력 및 전자기탐사’ 수업에 대해 소개해드리려고 합니다.
먼저 ‘물리탐사’라는 개념에 대해 알아야 하는데요. 물리탐사란 대지를 구성하고 있는 각 물질이 가지는 고유한 물리적 성질 차이를 직, 간접적으로 이용하여 지질구조의 양상, 암반의 종류, 성질, 상태 등을 조사하는 탐사법을 일컫습니다. 일반적으로 분석하고 싶은 넓은 지역에 대해 대략적인 탐사를 진행하고 이 결과를 토대로 주 관심대상 지역을 선정하여 이에 대해 여러가지 탐사 방법을 적용하는 방식으로 진행됩니다. 물리 탐사의 과정은 크게 자료 수집, 자료 처리, 자료 해석의 3단계로 진행되는데요. 과거에는 현장에서 자료를 보고 직접 해석하는 경우가 많았으나 최근에는 컴퓨터와 소프트웨어의 발전으로 다양한 자료 처리기법이 개발되어 자료 처리 단계가 중요한 단계로 자리잡게 되었습니다.
이번 수업에서는 이름에서 알 수 있듯 여러 물리탐사의 갈래 중 중력탐사, 자력탐사, 전기비저항탐사, 전자탐사의 총 4가지 탐사법에 대해서 배우게 되는데요. 각 탐사법이 어떤 특성을 가지는지, 더 나아가 탐사를 통해 얻은 자료가 어떻게 가공되어 활용되는지 알아보겠습니다.
1. 중력 탐사
중력 탐사는 자원을 탐색하고 지질 구조를 분석하는 데에 활용되며 광물 혹은 지질 구조의 밀도 차이에 따른 중력가속도 변화를 측정하는 탐사법입니다. 우리가 보통 물리 문제를 풀 때 중력 가속도는 일정하다고 가정하지만, 실제로는 그 값이 위치에 따라 조금씩 변한다는 사실 알고 계셨나요? 중력 가속도는 지구의 질량, 물체와 지구 질량 중심 간의 거리에 의존하는데, 지구가 완전한 구형이 아닌 동시에 밀도 역시 균일하지 않으므로 질량이 같은 물체이더라도 위치에 따른 지구 내부 구조가 상이함에 따라 중력 값, 중력 가속도 값이 다르게 측정됩니다. 즉, 지하에 매장된 자원의 밀도가 클수록 중력가속도가 커지는 원리를 이용하는 것인데요. 예를 들어 어떤 지역의 중력 가속도가 주변보다 크게 측정된다면 밀도가 큰 자원이 매장되어 있을 것이라고 예상할 수 있습니다. 정밀도가 높은 중력가속도 측정기기를 이용하여 지표면의 중력가속도 변화를 mgal(밀리갈; 미터법에 의한 가속도 단위) 단위로 측정하고, 그 측정값에서 이론적인 중력값과 지구의 형상, 위도에 따른 중력 변화 및 계기 변인 보정 값을 제거하면 실질적인 밀도 데이터를 도출할 수 있습니다. 이후 데이터를 해석하면 해당 지역이 어떠한 지질 물질로 이루어져 있는지, 또 어떤 광물이 존재하고 있는지를 알아낼 수 있게 됩니다.
2. 자력 탐사
자력 탐사는 매립되어 있는 문화재나 자원의 탐색에 활용되며 암석, 광물의 대자율(Magnetic Susceptibility) 차이로 인한 지구 자기장의 지역적인 변화를 측정하여 분석하는 방법입니다. 대자율은 ‘자기 감수율’이라고도 불리는데요. 쉽게 말하면 물질이 자화되는 정도를 나타내는 척도입니다. 그렇다면 지질구조나 암석의 대자율은 어떤 요소들에 의해 결정될까요? 바로 ‘자성’입니다. 자성은 원자 핵 주위를 도는 전자의 궤도 운동과 전자의 스핀에 따른 자기모멘트에 의해 결정되고, 그 특성에 따라 반자성, 상자성, 강자성 세가지로 분류됩니다. 한 원자 내부의 모든 전자가 쌍을 이루어 홀전자가 없다면 이를 반자성이라고 하며, 반자성 물질에 외부 자기장이 가해지면 외부 자기장에 반대되는 방향으로 자화되어 자기장을 형성합니다. 이는 약한 음의 대자율을 가진다고 볼 수 있으며 암염이 대표적인 반자성 광물에 해당합니다. 반대로 홀전자가 존재하는 경우는 상자성으로 분류되고 외부 자기장과 같은 방향으로 자화되며 원자들 간의 약한 자기적 상호작용이 일어나 반자성보다 약 10배 강한 양의 대자율을 가지게 됩니다. 감람석, 휘석 등이 여기에 해당합니다. 마지막으로 강자성 물질은 인접 원자 간의 매우 강한 상호작용과 전자궤도의 중첩으로 인해 외부자기장이 없더라도 강력한 자발적 자화가 나타나며 강한 양의 대자율을 갖습니다. 암석의 대자율은 해당 암석을 구성하고 있는 광물들의 자성, 암석의 산염기성, 온도, 외부 자기장의 변화 등 여러 요인들에 의해 변화하는데요. 이를 종합적으로 분석하여 목표 지역의 자원을 탐사한답니다.
3. 전기비저항 탐사
전기비저항 탐사는 지하수 조사, 고대 유적지 조사 등에 활용되며 겉보기 전기비저항의 변화를 측정하여 지하 광물의 전기적 특성에 따른 값을 분석하는 방법입니다. 전기비저항은 매질이 전류의 흐름을 얼마나 방해하는지를 수치화한 것으로 물질마다 고유한 값으로 나타납니다. 예를 들어 퇴적암의 경우에는 암석 내부에 유체가 들어있는 공극이 많아 일반적으로 전기비저항이 작은 반면 화강암은 밀도가 높고 빈공간이 거의 없기에 전기비저항이 크다고 생각할 수 있습니다. 실제 현장탐사에서는 저항 값을 측정한 뒤 겉보기 전기비저항을 얻는데요, 이는 저항(R)과 전극배열의 거리계수(Geometric factor, K)의 곱으로 나타납니다. 저항 값은 물질의 모양, 구조에 따라 바뀔 수 있으므로 거리계수를 곱해줌으로써 물질의 크기에 관계없이 일정한 비저항 값을 얻을 수 있는 것이죠. 그렇다면 전극배열의 거리계수는 어떻게 측정할까요? 전극배열이란 땅에 전류를 흘려주는 전류전극과 이에 따른 전위차를 측정하는 전위전극을 배치하는 방식을 말합니다. Figure 4의 4가지 배열이 대표적으로 사용되는데 수직 수평 요소, 전극을 펼칠 수 있는 공간, 동원가능한 인력 등의 요소를 복합적으로 고려하여 적절한 전극배열을 선택합니다. 각 전극배열마다 전극의 배열 양상, 전극 간의 거리를 복합적으로 계산하여 전극배열 거리계수를 도출하고 이로부터 겉보기 전기비저항을 구할 수 있습니다. 측정한 데이터는 자료 처리 과정을 거쳐 지하구조를 영상화 하는데 사용되어 분석할 수 있게 됩니다.
4. 전자 탐사
전자 탐사는 현재 가장 다양하게 장비가 개발되어 각종 지구물리탐사 문제에 광범위하게 적용되고 있는 방법으로서 크게 주파수(진동수) 영역 전자 탐사법(frequency-domain Electroㅡagnetic survey; FEM)과 시간 영역 전자 탐사법(time-domain Electromagnetic survey; TEM)으로 구분됩니다. FEM에서는 하나 혹은 여러 개의 전자기장 송신원(source)를 이용하여 전자기장의 위상 이동을 측정하고, TEM에서는 시간의 경과에 따른 전자기장의 진폭을 측정한다는 차이가 있습니다. 근본적인 원리는 아래의 그림과 같습니다.
지표면에서 Transmitter의 도선이나 코일에 교류전류를 흘려주면 전류량의 변화에 따라 전자기장이 발생하고 이 1차 전자기장에 의해 지하에 있는 광물에는 유도 전류가 흐르게 됩니다. 이 유도 전류가 만드는 전자기장이 다시 2차 전자기장이 되어 Receiver를 통해 자료가 수집되는데 이 2차 전기장의 특성을 분석하면 지하 광물의 위치와 형태, 종류를 해석할 수 있습니다. 마치 지하의 광물들과 통신을 하는 것처럼 생각할 수 있죠. 정말 신기하지 않나요? 이렇게 물리 탐사의 방법 중 중자력, 전자기와 관련된 4가지 탐사법을 모두 알아보았습니다. 지구조와 광물 자원의 위치와 물성을 찾아내는 탐사법, 이제 감이 좀 오시나요? 생각했던 것보다 스케일도 거대하고 활용되는 기술도 광범위한데요. 이렇듯 에너지자원공학과는 융합적인 역량을 모두 공부하고 습득할 수 있는 매력적인 학과랍니다. 이번 전공수업소개를 통해 에너지자원공학과에 대한 이해도를 높일 수 있었으면 좋겠습니다.
- 참고문헌
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[1] Reynolds, John M. "최신 물리탐사의 활용." (2015).
[2] 지구물리 공학 – 민동주 교수님 강의록
[3] "https://www.scienceall.com/%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%83%90%EC%82%ACgeophysical-exploration/
[4] "https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%83%90%EC%82%AC
- 그림출처
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그림 1. Telford, Applied Geophysics, (1990)
그림 2. https://www.researchgate.net/figure/Schematic-representation-of-diamagnetic-paramagnetic-and-ferromagnetic-materials_fig1_304614864
그림 3. Reynolds, John M. "최신 물리탐사의 활용." (2015).
그림 4. Reynolds, John M. "최신 물리탐사의 활용." (2015).
그림 5. Reynolds, John M. "최신 물리탐사의 활용." (2015).
그림 6. 지구물리 공학 – 민동주 교수님 강의록 수록 이미지. (2015).
그림 7. Korus, Jesse. (2018). Combining Hydraulic Head Analysis with Airborne Electromagnetics to Detect and Map Impermeable Aquifer Boundaries.