Development of In situ Geoacoustic Properties Measurement System for Marine Sediments

Abstract

KISAP (KIGAM Seafloor Acoustic Probe)은 동해안의 다양한 퇴적 환경에 대한 현장에서의 음향 학적 특성을 이해하고 수직 현장 음파 속도를 획득하기 위해 개발되었다. 본 연구에서는 새로 개발된 KISAP의 구조 설계, 작동 원리, 처리 과정 및 해상 실험이 보고되었다. 개발된 시스템은 코어 샘플링과 동시에 지음향 자료를 획득할 수 있다. 본 연구의 목적은 개발된 장비의 현장 및 실험실 자료 분석을 통해 신뢰성을 평가하고, 해저지질 및 물리적 성질에 대한 해저퇴적물의 특성을 조사하고, 다양한 퇴적 환경에서의 현장 음향 특성을 파악하는 것이다. KISAP을 이용한 현장 음향측정은 동해 남부 및 북부의 수심 60 ~ 2100m의 다양한 퇴적 환경에서 수행되었다. KISAP의 신뢰성을 평가하기 위해 현장 속도를 분석하였으며, 현장 자료와 동시에 획득한 주상시료를 이용하여 퇴적물 조직, 물리적 특성 (공극율, 함수율, 습윤전밀도, 전단응력 등) 및 실험실 속도 분석을 실시하였다. 실험실에서 측정된 실험실 속도는 위치와 수심의 변화에 따라 온도와 압력에 대한 현장 조건으로 보정되었다. 동해 북부의 상대적으로 균질한 퇴적물에서 현장 및 실험실 간의 속도 비교는 약 2% 미만의 차이를 나타낸다. 이 자료는 동해 북부에서 획득된 쇄설성퇴적물 및 화산쇄설물에 대한 실험실 자료 (온도 및 압력 보정)와 합리적으로 부합했다. 반면, 울릉 분지의 남부의 침니구조와 가스함유퇴적물에서 측정된 실험실 분석 자료와 현장 자료는 비슷한 경향을 보이지 않는다. 동해의 남서부에서 얻어진 균질한 퇴적층의 현장 속도는 실험실 속도보다 낮다. 이는 퇴적층 내 자유 가스의 존재를 나타낸다. 동해 남부의 침니구조 중 한 정점은 실험실 및 현장에서의 속도 자료는 비슷한 경향을 보이지만, 다른 하나는 완전히 다른 경향을 보인다. 현장 및 실험실 간의 속도 차이는 40-200m/s범위로 매우 크다. 두 개의 침니구조에서 퇴적물의 물리적 성질과 속도는 가스하이드레이트 및 탄산염 단괴에 의해 크게 영향을 받는다. 이 연구는 동해의 여러 환경에서 퇴적물의 현장 음향 학적 행동에 대한 자료를 제공한다.

The KISAP (In situ geoacoustic measurement tool; Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources Seafloor Acoustic Probe) was developed to understand in situ geoacoustic characteristics and to obtain vertical profiles of in situ compressional wave velocity for various sedimentary environments in East Sea. The structural design, operating principle and sea trial of the newly developed KISAP were reported in this study. The system can simultaneously acquire core samples and perform geoacoustic measurements. The objectives of this study were to evaluate the reliability of the developed equipment, to investigate the characteristics of seafloor processes on the geological and physical properties of seafloor, to understand the in situ acoustic characteristics of various sedimentary environments, and to evaluate differences between the geoacoustic parameters measured in the laboratory and in situ. In situ acoustic measurements using the KISAP were conducted in various sedimentary environments between 60 and 2100m of water depth in the southern and northern part of East Sea. In situ data analyzed to evaluate the reliability of the KISAP with laboratory data of simultaneously acquired core samples. The laboratory analysis was carried out Sediment textural, physical properties (porosity, water content, and bulk density), and laboratory sound velocity analysis. The laboratory sound velocity was corrected to in situ conditions for temperature and pressure with changing location and water depth. Comparisons of velocities between the in situ and laboratory in the relatively homogeneous sediments of the northern part of the East Sea reveal a difference of average 60 m/s. The data reasonably matched laboratory data (corrected for temperature and pressure) on clastic and volcaniclastic sediments acquired from northern part of the East Sea. In contrast, Laboratory analysis data and in situ data obtained from the chimney structures and sediments often characterized by acoustic turbidity in the southern part of the East Sea show no similar trend. The in situ velocities of two homogeneous sedimentary layers obtained from the southwestern part of the East Sea are higher or lower than the laboratory velocity. One has a high and narrow range of velocities, and the other has a decrease in signal amplitude and sound velocity (less than 1300 m/s) at a depth of 4 meters below sea level. This indicates the presence of free gas. Laboratory and in situ velocity data of one of the chimney structures in the southern part of the East Sea shows similar trend, but the other shows a completely different tendency. The velocity differences between in situ and laboratory are the ranges of 40-200 m/s. The physical properties and velocity of the sediments in two chimney sites show are significantly affected by gas hydrate and carbonate nodules/concretions caused by gas hydrate dissociation. This study provides data on in situ acoustic behavior of sediments in various environments of the East Sea.