Aims & Scope

Exmouth 열개 분지는 Carnarvon 분지의 남쪽 소분지에 속한다. Carnarvon 분지는 고생대 후기에서 신생대에 형성된 소분지들로 이루어져 있으며 호주의 북서쪽에 위치한다(Bradshaw et al., 1988)(그림 1). 분지의 퇴적층은 두께가 15 km에 이르며 중생대에서 신생대 시기에 퇴적되었고, 삼각주 퇴적물, 해양 규산염 퇴적물 그리고 대륙붕 탄산염 퇴적물로 구성되어 있다. 호주의 북서부 대륙주변부는 쥐라기에서 백악기 초기까지 이어진 여러 번의 확장 구조 운동으로, 주요 단층과 퇴적 가능 공간이 형성되며 남동 방향의 구조선이 만들어졌다.

Fig. 1. 
Location map of sedimentary basin, tectonic elements, and oil and gas fields (Australia, 2021).

트라이아스기 초기 대륙 강괴내의 침강이 일어나며 하부에는 Locker 셰일층이 상부에는 하성 삼각주 퇴적층인 Mungaroo 층이 넓게 퇴적되었다(그림 2). 트라이아스기 후기에서 쥐라기 초기에는 지역적인 침강이 발생하며 Exmouth 열개 분지가 형성되었다(Mitchelmore and Smith, 1994; Driscoll and Karner, 1998). Exmouth분지는 두번의 열개 작용의 영향을 받았으며 첫번째 열개는 쥐라기 초·중기의 열개작용으로 Exmouth 대지의 북쪽에 위치한 Argo Lan이 분리되었다. 두번째 열개는 백악기 초기에 일어났으며 서쪽의 Exmouth 대지와 남쪽의 Greater India가 분리되었다.

Fig. 2. 
Chronostratigraphic chart for the Exmouth Sub-basin comprising tectonic event (after McCormack and McClay, 2013).

분지 형성 시기인 쥐라기에 해양성 세립질 퇴적물이 우세하게 퇴적되었고 쥐라기 후기 첫 번째 열개 시기에 분지의 지형을 형성하였다. 백악기 초기 열개 작용에 의해 Barrow 삼각주의 퇴적체가 퇴적되었으며, 퇴적물의 근원지는 Greater India의 남쪽 융기대, Exmouth 대지의 경계부분, Cape Range의 절리대이다. 두 번째 중생대 열개 시기에는 Greater India의 일부와 북서 붕단에 능동형 대륙분지가 형성되었다. Barrow 층군의 재동작용으로 Birdrong 사암층이 퇴적되었고, 해수면 상승에 의해 퇴적된 클라우코나이트(Glauconite)가 풍부한 Mardie Green 사암층이 상부에 퇴적되었다. 이 후 급격한 해수면의 상승으로 Muderong 셰일층이 광역적으로 퇴적되며 중요한 덮개암 역할을 하고 있다. 규산염퇴적층은 백악기 후기까지 퇴적되었고 그 후에 탄산염 퇴적층이 우세하게 나타난다(Marshall and Lang, 2013; McCormack and McClay, 2013; Gartrell et al., 2016).

중합 후 탄성파 자료의 신호대 잡음비를 높이고 불연속면을 강조하기 위한 스펙트럴 밸런싱(spectral balancing)을 통해 원본자료에 내재된 중심 주파수를 향상시키게 되면 층의 수직 및 수평 분해능이 향상되어 탄성파 자료의 해석이 용이해진다(Chopra et al., 2011). 또한 탄성파 속성 분석의 정확도가 높아져 자료의 의미 있는 해석이 가능하다. 이 연구에서는 속성 분석 전 단계로 잡음 제거와 스펙트럼 향상 과정을 수행하였다.

탄성파 자료 취득과 자료처리 과정에서 남아있는 잡음을 제거하는 과정은 두 단계로 진행하였다. SO-FMH(Structurally Oriented Finite impulse Median Hybrid) 필터를 사용하여 구조적인 형상을 유지하기 위한 잡음 제거를 시행하였다(Henning and Paton, 2011). SO-FMH 필터는 반사신호음과 잡음이 동시에 기록된 탄성파 단면도에서 단층 모서리, 급경사와 같은 구조 영상은 유지하면서 규칙성 잡음이나 구조 보정 결과인 인공 잡음과 같은 규칙성 잡음은 줄이는 목적으로 적용한다. SO-FMH 입력변수는 단층 경사(θ)와 방위(ϕ)로 구성되고 최대 지층경사 방향의 법선 벡터로 정의되어 3차원 화소(voxel) 개수로 필터 크기를 결정한다. 단층경사가 클수록 화소 개수를 늘리고 경사가 급할수록 작게 결정하는 것이 일반적이다(Lee et al., 2013). 이 연구에서는 단층경사도를 고려하여 필터크기를 x 방향, y 방향, z 방향에 각각 3개로 하여 3차원 경사 단면도와 방위 단면도를 구성하였다(그림 4).

Fig. 4. 
Schematic geometry of dip and azimuth angles.

그 후 탄성파 반사 에너지와 상관없이 일관성이 없이 나타나는 무작위 잡음을 제거하게 되면 반사파의 종단이 선명해진다(그림 5). 무작위 잡음을 제거하기 위해 지수함수 평활화 함수를 이용하였다. 평활화 인자는 값이 클수록 원래 신호 값과 가깝고 작을수록 기존 값과 차이가 많이 나게 되는 특성이 있다(Simonoff, 2012). 탄성파 단면도에서는 반사 신호음 특성을 잘 나타나게 하고 돌출 이미지를 완만하게 하여 무작위 잡음을 축소하게 한다. 이 연구에서는 평활화 인자(Smoothing factor)를 0.1로 하여 중합단면도에서 무작위 잡음을 줄이고자 하였다.

Fig. 5. 
The seismic section shows the major fault (a) Original and (b) applied noise filters.

자료의 분해능 향상을 위해, 스펙트럼을 높이거나 대역통과 필터, 고주파수 통과 필터, 저주파수 통과필터를 사용할 수 있다. 이 연구에서는 스펙트럼 향상 기법을 사용하였으며 분석 구간은 Barrow 사암층 내 1672 ms로 설정하였다. 원본 자료의 최대 주파수는 82.7 Hz, 최소 주파수는 7.8 Hz로, 스펙트럼 분석을 위한 최소 주파수는 7.8 Hz로 설정하여 15개의 주파수 띠(frequency band)로 나누었다. 주파수 띠를 조밀하게 나누게 되면 자료 취득 혹은 자료처리 과정에서 형성된 잡음을 제거하거나 필요한 주파수 범위를 자료의 특성에 따라 조절하는데 효과적이다(McArdle et al., 2014; Woo et al., 2016). 분류된 주파수에 가보 필터(Gaber filter)를 적용하였고 스펙트럼을 향상 시킨 후 다시 합쳐 분해능이 향상된 자료를 얻을 수 있었다. 중심 주파수는 46.9 Hz로 유지하였고, 띠폭(bandwidth)은 62.5 Hz에서 58.6 Hz로, 평균 주파수는 입력자료 43.6 Hz에서 출력자료 43.9 Hz으로 조정하였다(그림 6).

Fig. 6. 
The target spectrum for boxcar whitening is defined by (①, ②, ③&④) four frequencies with specific weights. (Grey line: Original spectrum, pink line: target spectrum, purple line: enhanced spectrum (left). The calculated weights of the individual bandpass filtered components with a bandwidth of 7.81 Hz, for the detected frequencies from 7.81 to 82.7 Hz along the horizon of 1672 ms, and enlarged bandwidth and mean frequency with spectral enhancement (right).

탄성파 속성은 반사 형상에 기초한 기하학적 속성과 반사 특성에 기초한 물리적 속성으로 구분할 수 있다(Taner et al., 1994). 기하학적 속성은 층서 해석과 단층 또는 구조 해석에 적합한 속성으로 3차원 탄성파 자료의 반사 이벤트가 제공하는 정보를 토대로 연속성, 일치성, 무질서, 부정합, 단층, 경사, 경사 방향 등을 알 수 있다. 구조 해석에 사용되는 주요 기하학적 속성에는 경사와 방위각, 일관성(coherence) 및 곡률(curvature)이 있으며 이 연구에서는 경사 속성을 이용하였다. 반사면의 종단(edge)을 나타내기 위한 물리적 속성에는 단층 위치와 연장성을 표현하는데 적합한 속성인 텐서와 셈블런스 속성 분석을 사용하였다. 텐서는 진폭 변화를 계산하여 값이 높게 나타나는 부분을 단층으로 표현하며 큰 단층과 작은 단층의 인지에 적합하다. 위상의 변화를 계산하는 셈블런스 속성은 위상이 끊어진 부분을 단층으로 인지한다.

경사 속성은 구조 속성의 하나이다. 경사와 방위각은 3차원 공간에서 지층의 방향을 정의하기 위한 한쌍의 각도이다. 경사와 방위각에 의해 정의된 벡터는 최대 경사 방향을 나타내는 접선 벡터로 구조적인 변형이 있는 부분에서 가장 가파르다(그림 7b).

Fig. 7. 
Comparison of the fault trend before and after seismic attribute analysis for 3-D seismic data from Vincent field. (a) Original seismic volume, (b) Dip, (c) Tensor, (d) Structurally oriented semblance seismic attribute.

여기에서 첫번째 dt/dx는 x축 방향의 차이이며 두번째 dt/dy는 y축을 나타내며 경사는 ms의 단위를 가진다.

텐서 속성은 탄성파 자료의 진폭값의 변화를 계산하여 반사면의 종단을 강조하기 위한 속성으로 반사면의 주요 방향과 관련된 구조를 분석하기에 적합한 속성이다(Harris and Stevens, 1988).

νm 은 세 방향의 고유벡터(eigenvectors)이고 λm 세 방향의 고유값(eigenvalues) 으로 층서면보다는 단층면을 보여주는데 적합하다(그림 7c).

구조 지향 셈블런스(Structure Oriented Semblence) 속성은 분석자료의 트레이스로부터 공분산 행렬을 형성하여 고유 구조를 계산하게 된다(Gersztenkorn and Marfurt, 1999). 셈블런스 속성은 다양한 지연 시간(time lag) 및 경사에 대응하는 가장 높은 일관성을 갖는 경사를 추정할 수 있다. 세 가지 알고리즘 중에서 가장 빠르고 다양한 유형(크거나 작은 규모의 단층)의 단층을 확인 하기에 적합한 속성이다(Marfurt et al., 1998). 또한 단층이 형성된 후 그 영향으로 형성되는 이차적인 단층들을 확인하는데 적합하다(그림 7d). 이 속성은 작은 규모의 단층뿐만 아니라 광역적인 단층을 표현하는데 유용하다. 텐서 속성이 굴곡으로 표현되는 단층에 적합하다면 구조 지향 셈블런스 속성에서는 단층의 경사에 의해 끊어짐을 표현한다.

컬러 블렌드(RGB, HSV 또는 CMY)는 여러 개의 속성을 함께 구현하는 방법으로 단층이나 하도와 같은 지질학적 사건과 암질의 변화를 고해상도로 확인 할 수 있을 뿐만 아니라 퇴적층 두께에 관한 지질학적 정보를 제공하는데 효과적이다. 컬러 블렌드 도구는 다중 속성 데이터를 체계적으로 시각화하는데 효과적인 방법이다. 서로 다른 종단 속성을 가진 자료들은 서로 다른 방법의 단층에 대한 표현이기 때문에 다중 속성을 함께 구현하여 블렌딩된 탄성파 볼륨은 단층 해석에 효과적이다(Froner et al., 2013). CMY 블렌딩에 색별로 할당된 속성은 하늘색은 텐서, 분홍은 구조 지향 셈블런스, 노랑은 경사 속성이다. CMY 블렌딩은 가장 깊게 경사진 부분을 노란색으로 표현하고, 세 볼륨이 합쳐지는 부분을 검정으로 표현하여 단층 인지에 효과적이다(그림 8). 입력되는 각각의 볼륨의 속성값은 정규화되어 색의 변화는 일반적인 값의 변화를 지시하게 된다(Froner et al., 2013). 특히 이 연구에서는 함께 구현된 탄성파 속성 분석결과 단층선이 검정으로 표시되어 연장성과 변위를 확인하는데 유리하였다.

Fig. 8. 
The fault lines are delineated with CMY color blending volume.

Exmouth 소분지에서 취득한 탄성파 자료를 분석한 결과 층서는 열개 작용과 함께 퇴적된 쥐라기층과 열개 시기 말에 형성된 백악기 퇴적층 그리고 후 열개 시기에 형성된 백악기에서 신생대 층으로 나누어진다(그림 9). 탄성파 자료의 반사면 종단 특성과 형상을 이용하여 열개 시기를 세 개의 층서경계면(JSB1~3)으로 구분하였고, 후 열개 시기의 층서는 물리 검층 자료와의 대비를 통해 KV (Valanginian 부정합면), KC (Top of Gearle 실트암층), TO (Korojon 탄산염층), TM (top of Mandu 층)으로 구분하였다(그림 9, 10).

Fig. 9. 
Interpretation of seismic section of 1211 inline. Seven main unconformities were interpreted across the survey area. JSB1 to JSB3 (Jurassic horizon), KV (Valanginian unconformity), KC (Top Gearle siltstone), TO (Top Cardabia Group), TM (Top Mandu Formation).

Fig. 10. 
Stratigraphic Correlation of gamma-ray logs of Vincent 1~3, JSB3 (Jurassic horizon), KV (Valanginian unconformity), KC (Top Gearle siltstone), TO (Top Cardabia Group).

• 열개 시기(syn-rift): 열개 시기에 퇴적된 퇴적층은 진폭의 연속성과 특성에 따라 두개의 층으로 나누어진다. JSB1지층경계면 하부 퇴적층의 진폭은 연속성이 좋고 평행, 준평행의 특징을 띠며 진폭의 두께 또한 두껍다. JSB1 지층경계면과 JSB2 지층경계면사이 퇴적층의 진폭은 무질서 하거나 발산하는 형태를 보이고 JSB1 지층경계면 하부층에 비해 강한 진폭을 보여준다. 두 지층경계면에 발달하는 단층은 변위가 크다(270 ms).

• 열개 말기(late syn-rift): 시간단면 1334 ms에서 1840 ms에 해당하며 퇴적가능공간을 채우는 퇴적체의 유입이 활발히 일어나며 진폭의 연속성이 좋고 평행 또는 준평행의 모습을 보여준다. 진폭은 대체적으로 약하나 지역적으로 강한 진폭이 나타나기도 한다. 이 퇴적체는 Barrow 층 하부에 사암층으로 이루어져 있다(Hocking, 1990). Barrow 층은 연구 지역의 주요 석유·가스 탐사 개발층으로 강한 진폭을 나타내는 지층은 유체나 가스를 함유한 지층일 가능성이 있다.

• 후 열개 시기(post-rift): 후 열개 시기로 접어들며 Valanginian 부정합면이 넓게 형성되어 진폭이 강한 KV 경계면을 볼 수 있다. 이 시기 이후의 퇴적체는 암질의 변화에 따라 크게 네가지 시퀀스로 나눌 수 있다(그림 9).

빈센트 지역에서 취득된 3차원 탄성파 자료는 3.5 s까지 탐사되었다. 가장 하부의 층은 쥐라기 초·중기 열개 작용과 함께 퇴적된 층으로 두 개의 층으로 나눌 수 있으며 단층의 변위가 크다(그림 9). JSB1과 JSB2 지층경계면에서 나타나는 단층을 살펴보면 동‒서 방향의 신장력에 의해 형성된 북북동‒남남서 방향의 단층을 볼 수 있다(그림 11d, 11e). 동쪽으로는 수평 변위가 큰 단층을, 서쪽으로는 북북동 방향에서 북동방향으로 발달한 시리즈의 단층을 볼 수 있다.

Fig. 11. 
The time slices attribute map (right) show the CMY color blending analysis results of each surface (left): (a) KC (Top of Gearle), (b) KV (Valanginian unconformity), (c) JSB3 (Jurassic sequence boundary 3) (d) JSB2 (Jurassic sequence boundary 2) (e) JSB1 (Jurassic sequence boundary 1).

열개 말기(late syn-rift) 에는 단층의 연장선이 짧아지고 복잡해지는 것을 확인 할 수 있다(그림 11c). 동시 열개성 작용에 의해 형성된 주단층과, 주단층의 발달에 따라 이차적으로 형성된 단층선이 교차하는 모습도 관찰된다. 백악기 초기의 Exmouth 분지는 후 열개 시기에 들어서며 신장력에 의한 영향이 줄어 들었고 단층선도 사라지는 것을 확인할 수 있다(그림 11b). 이 시기에는 동쪽에 발달했던 단층의 변위가 줄며 단층선이 희미해지고 서쪽에 발달한 단층은 북동-남서방향으로 발달해 있는 모습이 관찰된다. 후 열개 시기는 구조적인 안정기로 단층이 거의 사라지고 지형적인 특성만 나타난다(그림 11a).

단층의 경사는 주단층의 경우 북서 방향(270~285°)으로 경사지며 반향단층의 경우 남동 방향(90~105°)으로 경사진다(그림 12). 주단층은 열개 동시성 단층이고 반향단층은 열개 작용이 지속되며 형성된 단층으로 변위가 짧고 분포 범위도 작다.

Exmouth 소분지의 구조적 진화과정은 순차적으로 진행되어 왔으며 두번의 열개 작용과 두번의 후열개작용에 의해 퇴적층이 형성된 것으로 연구되었다(Black et al., 2017). Vincent 오일 필드의 탐사 자료는 10.5 × 8.3 km²로 범위가 좁아 두번의 열개 작용과 두번의 후 열개 작용에 의한 기록이 모두 존재하지는 않는다. 초기 열개 과정에서 형성되었던 다상 신장단층(polyphase extensional fault)의 모습은 확인되지 않았으나, 트라이아스기 후기에서 신생대 초기까지 진행된 수차례의 열개 작용에 의해 발달한 단층의 방향(N-NNE)이 동일함을 확인하였다. 기존의 연구를 토대로 연구 지역의 열개 과정을 분석해 보면 쥐라기 초·중기의 열개 작용으로 형성된 단층과 퇴적층, 쥐라기 후기 열개 작용에 의해 퇴적된 층과 재활성화가 일어나며 형성된 단층들, 그리고 후 열개 시기의 퇴적층이 쌓여 있는 것으로 해석된다(그림 13).

Fig. 12. 
Apparent dip direction and the angle at syn-rift periods illustrate a variation in the orientation of major and antithetic faults.

Fig. 13. 
Comparison of the fault structure model in vincent seismic data and previous evolutionary models of the Exmouth sub-basin (a) Lower to Middle Jurassic syn-rift, (b) Cretaceous syn-rift, and (c) Cretaceous to present post-rift stages.