그론딩 지역 DAS 데이터를 활용한 가상 지진학 적용 연구

초록

본 논문은 네덜란드 그론딩에서 수집한 DAS와 지오폰 데이터를 이용해 마르첸코(Marchenko) 방법을 적용, 가상 소스(가상 지진)를 재구성하는 가능성을 평가한다. 표면 반사파를 정밀히 전처리하고 스케일링을 조정한 뒤, 2D 및 1.5D 근사 모델을 사용해 가상 소스 응답을 추정하였다. 결과는 지오폰과 DAS 모두에서 동적 폭탄 실험과 유사한 반사 신호를 재현했으며, DAS의 경우 1.5D 접근법이 일부 세부 정보를 놓치지만 전반적인 구조는 성공적으로 복원됨을 보여준다.

상세 분석

이 연구는 가상 지진학(Virtual Seismology)이라는 개념을 실현하기 위해 마르첸코 적분 방정식 기반의 Marchenko Redatuming 기법을 적용하였다. 핵심 아이디어는 표면에서 기록된 반사파 데이터를 이용해 임의의 심부 위치에 가상 소스를 두고, 그 소스로부터 발생하는 파동을 가상 수신기에서 관측한 것처럼 재구성하는 것이다. 이를 위해서는 (1) 표면 반사 응답이 순수하게 반사파만을 포함하고, (2) 적절한 스케일링이 적용되어야 한다는 두 가지 전제조건이 있다.

데이터 수집

• 조사 지역은 위도 53° 9′ 16.12″, 경도 6° 50′ 53.99″에 위치한 그론딩이며, 750 m 길이의 선형 소스 라인에 2 m 간격으로 전기 구동 진동기(2–180 Hz 스윕)를 배치하였다.
• 동일 라인에 직선형 및 나선형 광섬유를 매설해 DAS를 1 m 간격(게이지 길이 2 m)으로 기록했으며, 4 m 간격으로 수직 지오폰도 배치해 기준 데이터를 확보하였다.
• 375 m 지점에 시추공을 파고 90 ~ 100 m 깊이에 다이너마이트를 폭발시켜 실제 소스 응답을 얻었다.

전처리 과정

1. 직접 도착파 및 지표파 제거: Radon 변환을 이용해 지표파(ground roll)와 직접 파를 뮤트하고, 누락된 영역을 보간하였다.
2. NMO 보정 및 역보정: 하이퍼볼릭 반사면을 정렬하기 위해 NMO를 적용한 뒤, 보간 후 다시 역보정하여 원래 시간축을 복원하였다.
3. 1.5D 근사: DAS 데이터는 전 구간에 걸쳐 SNR이 고르지 않아, 대표적인 CSG(공통 소스 게더) 하나를 선택해 대칭화하고 전체 578 × 578 m 반사 응답을 생성하였다. 이는 모든 소스 위치에 동일한 반사 파형을 가정하는 1.5D 모델이다.

스케일링 보정

• 3D 기하학적 감쇠(≈1/t)를 2D(≈1/√t)로 근사하기 위해 √t 보정을 적용하였다.
• 추가적인 감쇠와 소스 시그니처 차이를 보정하기 위해 a·e^{bt} 형태의 선형·시간 의존 이득을 최적화하였다. 그러나 오프셋 의존 감쇠, 파동장 감쇠, 비정상적인 소스 위상 제거 등은 충분히 반영되지 않아 남은 오차가 존재한다.

가상 소스 재구성

• 초기 초점 함수는 100 m 깊이(다이너마이트 위치)에서의 음향 그린 함수 첫 도착파를 시간 반전시켜 얻었다.
• Marchenko 반복(8회)으로 상향·하향 그린 함수를 추정하고, 이를 합산해 2‑웨이 음향 그린 함수를 만든다.
• 지오폰 기반 결과는 0.3 s와 0.8 s에 해당하는 주요 반사 이벤트를 다이너마이트 실험과 일치시켰으며, DAS 기반 1.5D 결과는 0.4 s와 0.8 s 반사를 재현했지만, 직접 도착파 이후의 미세 구조는 놓쳤다.

제한점 및 향후 과제

• 표면 파 제거에 따른 정보 손실: 지표파와 겹치는 얕은 반사체가 뮤트 과정에서 사라져 내부 다중반사(multiples)의 일부 원천이 손실된다.
• 스케일링 불완전성: 기하학적 감쇠, 오프셋 의존 감쇠, 파동장 감쇠 등을 완전히 보정하지 못해 진폭 정확도가 떨어진다. 특히 DAS는 수직·수평 변형률을 동시에 측정하므로, 변형률‑속도 변환 관계가 불명확해 추가 보정이 필요하다.
• 초점 함수 초기화 오류: 급격한 불연속면(예: 단층)에서 직접 도착파만으로 초기 초점 함수를 추정하면 전방 산란(forward scattering) 효과가 누락된다. 이를 보완하려면 전송 데이터(transmission data)를 활용한 수정이 요구된다.
• 탄성 효과 미반영: 현재 Marchenko 구현은 음향 모델에 기반하므로, 실제 탄성 매질에서 발생하는 S파와 자유면 다중반사는 완전히 설명되지 않는다. 최근 연구는 탄성 Marchenko 방정식 개발을 목표로 하고 있다.

전반적으로, 본 연구는 DAS와 전통적인 지오폰 데이터 모두에서 가상 소스 재구성이 가능함을 실증했으며, 특히 1.5D DAS 접근법이 실용적인 대안이 될 수 있음을 보여준다. 그러나 전처리·스케일링·초점 함수 초기화 등 여러 단계에서 발생하는 오차를 정량화하고 보정하는 것이 향후 연구의 핵심 과제로 남는다.