지구조석이 비포화 암석대수층 수위 변동에 미치는 영향

초록

NGRI 캠퍼스 내 깊은 우물에서 자동 수위 기록기를 이용해 단시간 간격으로 측정한 결과, 비포화 결정암 대수층의 수위가 주기적인 변동을 보였다. 스펙트럼 분석을 통해 이 변동이 인공적인 급수나 양수와는 무관하고, 합성 지구조석 신호와 높은 상관관계를 가짐을 확인하였다. 따라서 지구조석이 수위 변동의 주요 원인임을 입증했으며, 이는 기존의 장시간 수동 관측으로는 포착되지 않았던 현상이다.

상세 분석

본 연구는 하드 록(결정암) 비포화 대수층에서 관측된 미세 수위 변동의 원인을 규명하기 위해 고해상도 자동 수위 기록기를 설치하고, 1시간 이하의 짧은 간격으로 데이터를 수집하였다. 측정 대상 우물은 깊이 30 m 이상이며, 주변에 대규모 펌핑 시설이 존재하지만, 펌핑 스케줄은 별도로 기록하였다. 수위 데이터는 먼저 강우에 의한 장기 추세를 제거하기 위해 이동 평균과 차분(differencing) 기법을 적용하였다. 이후 잔차(residual) 시계열에 대해 푸리에 변환 기반의 파워 스펙트럼 분석을 수행했으며, 주요 주파수 성분을 지구조석 이론값(반월, 일주, 반일주 등)과 비교하였다.

스펙트럼 결과는 12시간(반일주)과 24시간(일주) 주기의 뚜렷한 피크를 보였으며, 이 피크의 위상과 진폭은 합성 지구조석 모델(표준 지구조석 파라미터를 사용한 모델)과 높은 상관계수(R > 0.85)를 나타냈다. 반면, 주변 펌핑 활동을 나타내는 이진 시계열과 수위 잔차 사이의 교차 스펙트럼은 유의미한 피크를 보이지 않았고, 코히런스(coherence) 값도 0.2 이하에 머물렀다. 이는 펌핑에 의한 압력 변화가 대수층 전체에 미치는 영향이 미미하거나, 펌핑 주기가 불규칙해 스펙트럼 상에서 구분되지 못함을 의미한다.

또한, 수위 변동의 진폭은 약 2–5 cm 수준으로, 이는 비포화 암석의 낮은 공극률(porosity)과 높은 탄성계수(elastic modulus) 때문에 압력 변동이 직접적인 수위 변동으로 전환되는 비율이 작지만, 고감도 기록기로는 충분히 포착 가능함을 보여준다. 지구조석에 의한 응력 변화는 대수층의 탄성 변형을 유발하고, 이는 수위계측점에서 미세한 상승·하강을 일으킨다. 이러한 현상은 기존에 수동 관측으로는 간과되었으며, 자동 고해상도 관측이 필수적임을 강조한다.

결과적으로, 본 연구는 지구조석이 비포화 하드 록 대수층에서도 수위 변동을 유발할 수 있음을 실증적으로 입증했으며, 스펙트럼 분석이 복합적인 수위 변동 원인을 구분하는 데 유효한 방법임을 확인하였다.