지진 및 탄성파 탐사

지진 및 탄성파 탐사

지진(earthquake)에 대한 관심은 지진이 일어났을 때 인간에게 극심한 피해를 주기 때문에 이를 극소화시키는데 지진학(seismology)은 발전되었다. 지구물리학(geophysics)에서 과심을 갖는 것은 지구 내부구조에 관한 정보를 얻는 것이다. 깊은 곳에서 지진이 발생하여 진행해 오는 도중 암석의 성질에 따라서 지진파의 특성이 변하게 된다. 지진파의 주행시간, 진폭, 주파수, 파형을 분석하면 지구내부의 물리적 특성 및 구조를 이해하는데 자료를 제공해 줄 것이다. 이같이 자연발생적인 지진을 대상으로 지진 발생에 연관된 문제와 지진파, 지구구조를 연구하는 분야를 지진학(earthquake seismology)이라 한다. 또한, 인공적으로 지진파를 발생시켜 국부적인 지질구조, 지질특성 등을 연구 조사하여 자원탐사를 하는 것을 탄성파 탐사(seismic prospecting)라 한다.

 

모두 근본적으로 원리가 동일하며, 실제로 상호 보완하여 발전하고 있다. 두 가지 방법 중 탄성파 탐사는 석유 탐사 분야로서 지하 지질구조를 조사하여 시추 후보지를 선정한다. 이 탐사방법은 경제적인 측면에서 가장 많이 사용되는 방법이기 때문에 많은 발전을 거듭해 왔다.

 

 

이론적 배경 및 일반적 특성

 

물체의 탄성 (elasticity)
탄성이란 어떤 물체가 외부의 힘을 받았을 때 그 크기나 모양이 변하고 내부에는 이 힘에 저항하는 저항력이 생기고, 외력을 제거하면 다시 원위치에 되돌아온다는 물체의 특성이다. 물론, 물체가 한계 이상으로 변형되면 외력을 제거한 후에도 물체의 형태는 변형된 상태로 남게 된다. 이 한계를 탄성한계(elastic limit)라고 한다. 또한 어떤 범위에서는 일정한 관계로 외력에 비례하는 변화를 보인다는 후크의 법칙(Hooke's law)이 적용된다. 이 법칙이 적용되는 범위를 비례한계 (propotional limit)라 한다. 실제로 지진파가 지구내부를 전파할 때 주위 암석의 변형이 크지 않다면 지구는 탄성체이며 이때 지진파의 전파속도나 진행 방향은 암석의 탄성적 성질에 의하여 결정된다.

 

 

응력(stress)
응력의 크기는 단위면적당의 힘이고, 탄성고체 내부의 한 점에서의 응력은 그 점을 포함한 무한히 작은 임의의 면적요소를 통하여 양쪽의 물체부분이 상호간에 작용하는 힘을 말한다. 물체에 작용하는 힘이 작용면에 수직이면 이를 수직응력(normal stress)이라 하고 평행이면 전단응력(shear stress)이라 한다.

 

 

변형률
탄성체는 응력을 받아 크기나 모양이 변화한다. 이 변형은 몇가지 기본적인 양으로 분해하여 나타내면 편리하다. 그림 6-2에서 인접한 두 지점(P, Q )를 고려하면 이 탄성체가 응력을 받아 변형을 일으켰을 때 이들 각 점의 변위 및 두 점간의 상대적 변위를 살펴보면 벡터 u 는 P점의 변위를 나타내고 Q점의 변위벡터는 u+du 이 1식 6-2에서 Q의 변위 벡터는 S와 A를 사용하여 표시할 수 있다.

 

Q점의 총 변위 = U = SdR - AdR

 

변형 회전

U : 순수 병진운동 S : 대칭텐서 A: 반 대칭텐서

 

 

후크 법칙(Hooke's law)
탄성체 내에서 응력과 변형률의 관계는 비례 한계 내에서는 후크의 법칙을 만족한다. 이를 6개의 변형률 성분의 선형함수로 나타낼 수 있는데, 이를 후크의 법칙의 일반형(generalized Hookes law)은 6개의 연립방정식으로 나타낼 수 있으며 36개의 상수가 필요하다. 실제로 지구상에는 대칭성 물질이 많이 있어서 독립상수는 줄어든다. 예를 들어, 등축정계 (cubic-crystal)는 3개, 등방성 (isotropic)은 단지 2개의 상수만이 독립적이다. 일반적으로 등방성 물질로 가정하여도 무방하다. 등방성 물질에 대해선 후크의 법칙은 두 개의 상수(A, B)로 표시되며 이를 전단 탄성률과 Lame 상수(A)라 하는 2개의 탄성상수에 따라서 나타낼 수 있다.