서 론
스위스, 스웨덴 그리고 캐나다의 심층처분장 부지선정 현황
스위스 Opalinus clay 지층에서의 반사법탐사
스웨덴 Forsmark 부지 결정질암반에서의 반사법탐사
캐나다 Ignace 부지 결정질암반에서의 반사법탐사
결 론
서 론
고준위 방사성폐기물(High-level Radioactive Waste, HLW)은 원자력발전의 부산물이며, 장기간에 걸쳐 인체 건강과 환경에 매우 유해하다(Ewing et al., 1995). 고준위 방사성폐기물이 미래 세대에 위협이 되지 않도록 하기 위해서는 안전하게 처분하는 것이 중요하다(IAEA, 2018). 원자력 수명주기의 중요한 부분인 고준위 방사성폐기물의 안전한 처분은 에너지 공급, 환경 보호 및 기후변화 완화에 중요한 역할을 하는 원자력의 지속 가능한 발전에 직접적인 영향을 미친다(IAEA, 2022). 현재 국제적인 합의는, 안정된 암반환경에 심지층처분하는 것이 고준위 방사성폐기물의 영구 처분을 위해 가장 안전하고 효과적인 옵션 중 하나라는 것이다(Chapman and McCombie, 2003; Faybishenko et al., 2016; IAEA 2018; OECD/NEA, 2020).
심층처분장 부지특성화는 규제요건을 충족하는 안전성과 폐기물 격리를 보장하는 적합한 부지를 선정하는 데 반드시 필요하다. 부지특성화는 지질에 따라 다르며, 지진에 의한 단층 운동, 화산 활동, 지하수 흐름, 처분장 건설 중 안정성, 저장소 배치 및 운영 후 폐쇄와 같은 요인을 포함한다(USNRC, 2011). 물리탐사는 비파괴 조사 방법으로 지표 또는 심부 암반의 무결성을 손상시키지 않으면서 처분부지의 지질 상태와 조건을 효과적으로 평가할 수 있다. 심층처분장 부지 평가 시 물리탐사 방법과 자료처리, 분석 및 해석기법의 역량과 한계를 이해하는 것은 적절한 부지조사와 부지특성화 계획을 수립하고 실행하는 데 중요하다(USNRC, 2011).
물리탐사법 중 탄성파 반사법탐사는 심층처분장 부지조사에서 지질 또는 지층 경계를 결정하고 암반의 구조적 안정성과 유체 또는 가스의 흐름과 관련된 소규모 단층 및 균열의 존재와 분포를 파악하는 데 효과적인 탐사방법이다. 반사법탐사는 다양한 지질 환경에 적용할 수 있으며, 수백 m ~ 수 km 깊이에서 수 ~ 수십 m 해상도를 확보할 수 있다(Yokokura, 1995; Piété et al., 2013; Mari, 2019). 컴퓨터 계산 능력이 발전되어, 3차원 탄성파 자료 해석(e.g., 균열 투과도(fracture permeability))이 크게 향상되었으며 암석 특성을 유추하는 기술도 향상되었다. 무선통신을 이용한 자료 획득방법은 육상탐사의 효율성을 증대시키고 환경에 미치는 영향을 저감하는 데 도움이 된다(Environmental Agency, 2011).
스위스는 반사법탐사 적용을 통해 1980년대에 처분부지 후보모암을 결정질암반에서 Opalinus clay 지층으로 변경하였으며, 1990년대에는 Opalinus clay 지층을 포함한 중생대 퇴적층의 경계를 고분해능으로 영상화하였다. 1997년에 3차원 반사법탐사를 수행하여 Opalinus clay 지층의 부지 내 분포와 소규모 단층 정보를 파악하였다. 스웨덴은 Forsmark 부지에 반사법탐사를 적용하여 Stage 1 조사에서 부지 내부에 분포하는 변형구조 렌즈에 대한 지질구조 정보를 파악하였으며, Stage 2 조사에서는 부지인근에 분포하는 3가지 변형대의 지질구조를 파악하였다. 캐나다는 Ignace 부지에 반사법탐사를 적용하여 부지 인근에 분포하는 반사체에 대한 정보를 파악하였다.
본 연구에서는 스위스 심층처분장 후보부지에서의 2차원 및 3차원 반사법탐사 적용사례뿐만 아니라 스웨덴 Forsmark 부지와 캐나다 Ignace 부지에서의 2차원 반사법탐사 적용사례도 검토하였다. 단, 반사법탐사 자료처리에 대해서는 검토하지 않고, 반사법탐사 자료획득 방법과 탄성파단면의 지질해석에 초점을 두고 작성하였다.
스위스, 스웨덴 그리고 캐나다의 심층처분장 부지선정 현황
스위스, 스웨덴과 캐나다는 1990년대 후반 또는 2000년대 중반부터 심층처분장 부지선정 작업을 착수하였으며, 전 국토를 대상으로 한 부지 식별조사, 5 ~ 6개소 후보부지에 대한 기본조사와 2 ~ 3개소 후보부지에 대한 심층조사와 같이 단계별 부지조사를 통해 최종부지를 선정하였다(Table 1). 스위스는 Jura Ost, Nördlich Lägern, Zürich Nordost 지역에서 심층조사를 실시하여 Nördlich Lägern 지역을 최종부지로 제안하였고, 스웨덴은 Forsmark, Simpevarp와 Laxemar 부지에서 상세조사를 실시하여 Forsmark 부지를 을 최종부지로 선정하였으며, 캐나다는 Ontario주 Ignace 지역과 South Bruce 지역 중 하나를 최종부지로 선정할 예정이다(Fig. 1).
Table 1.
Summary of site selection process milestone for deep geological disposal sites in Switzerland, Sweden, and Canada
Fig. 1.
Location maps of proposed geological siting area in Switzerland, Sweden, and Canada (Nagra, 2008; SKB, 2010b, 2011; NWMO, 2022b). (a) Proposed siting regions for Stage 2 site survey in Switzerland, (b) Location map of siting studies for spent nuclear disposal in Sweden, (c) Location map of interested community status for site selection process in Canada.
스위스 정부와 원자력발전 운영사는 방사성폐기물 관리를 위해 1972년에 방사성폐기물관리공동조합 Nagra (National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste)를 설립하였으며, 심층처분장 부지조사를 Nagra에서 담당하고 있다. 스위스는 2004 ~ 2008년에 연방 에너지부(SFOE, Swiss Federal Office of Energy)에서 심층처분 부지선정 방안인 Sectoral Plan을 개발하였으며, 2008 ~ 2011년에 Stage 1 전국단위 식별조사, 2011 ~ 2018년에 Stage 2 기본조사를 수행하였으며, 2018년 11월에 Jura Ost, Nördlich Lägern, Zürich Nordost 지역을 심층조사 후보부지로 선정하였다(Vomvoris et al., 2013). 2018년 이후에 3개소 후보부지에 대해 Stage 3 심층조사를 수행하고 있으며, 2022년 9월에 심층처분장 최종부지로 Nördlich Lägern 지역을 제안하였다.
스웨덴 정부는 방사성폐기물 관리를 위해 1972년에 방사성폐기물관리공단 SKB(Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co.)를 설립하였으며, 심층처분장 부지조사를 SKB에서 담당하고 있다. 1995 ~ 2000년에 원전 인근 6개소에 대한 Feasibility study를 수행하였으며, 2000년 11월에 Östhammar시 Forsmark, Oskarshamn시 Simpevarp와 Laxemar 지역을 상세조사 대상부지로 선정하였다. 2002 ~ 2007년에 상세 부지조사를 수행하였으며, 2009년 6월에 Forsmark 지역을 심층처분장 최종부지로 선정하였다(SKB, 2011). 2022년 1월에 연방정부에서 Forsmark 심층처분장 부지와 Oskarshamn시 밀봉포장 시설의 건설면허를 승인하였고, 2020년대 중반에 처분시설 건설에 착수할 예정이며 완공까지 10년 정도 소요될 것으로 예상한다.
캐나다 정부는 방사성폐기물 관리를 위해 2002년에 방사성폐기물관리공단 NWMO(Nuclear Waste Management Organization)를 설립하였으며, 심층처분장 부지조사를 NWMO에서 담당하고 있다. 캐나다 정부는 2007년 6월에 심층처분장 부지선정에 관한 Adaptive Phased Management (APM) 계획을 발표하였다. 2010 ~ 2013년에 부지조사 참여의향을 표명한 22개 지자체를 대상으로 Step 2 식별조사를 진행하여 후보부지 21개소를 선정하였다. 2012 ~ 2015년 Step 3 Phase 1 예비조사를 통해 후보부지 11개소를 선정하였으며, 2016 ~ 2022년 Step 3 Phase 2 기본조사를 수행하였다. 2017년 9월에 11개소 후보부지를 5개소로 압축하였으며, 2020년 1월에는 Ontario주 Ignace 지역과 South Bruce 지역 2개소로 압축하였다. Ontario주 Ignace 지역 기반암은 결정질암반인데 반해, South Bruce 지역은 퇴적암반으로 캐나다는 심층처분 부지조사가 거의 완료된 상황임에도 처분부지 대상 모암이 결정되지 않았다. NWMO는 2022년 4월에 시추조사를 완료하였으며, 2024년에 심층처분장 최종부지를 선정할 예정이라고 발표하였다.
스위스 Opalinus clay 지층에서의 반사법탐사
스위스 북부지역을 중심으로 광물 및 지열자원 탐사를 위한 상당한 규모의 반사법탐사가 과거에 수행되었으며, 1980년대, 1990년대와 2010년대 초반에 3차례에 걸쳐 심층처분장 부지조사로 2차원 반사법탐사를 수행하였다. 반사법탐사 자료획득과 기본 자료처리는 독일 DMT사에서 수행하였으며, 심층 자료처리와 자료해석은 Nagra에서 담당하였다. 스위스 남부에는 험준한 지형을 이루고 있는 Alps 산이 위치하며, 북서부에도 프랑스와 스위스의 국경을 중심으로 Jura 산맥이 위치하여 심층처분장 부지는 북동부 지역을 대상으로 선정하였다(SFOE, 2008).
스위스에서 2017년까지 수행된 반사법탐사 측선(Fig. 2)을 보면, 북부지역을 중심으로 광물 및 지열 자원탐사를 위한 2차원 탐사(회색 실선)를 수행하였고, 북동부 지역을 대상으로 중 ‧ 저준위 방사성폐기물 처분장 후보 부지에서 2차원 탐사(자주색 실선), 그리고 HLW 심층처분장 부지조사를 위해 Jura Ost(JO), Nördlich Lägern(NL)과 Zürich Nordost(ZNO) 3개소 부지에서 3차원 탐사가 수행되었다(Frieg, 2018).
Fig. 2.
Map of Switzerland showing the locations of seismic profiles, deep boreholes, rock laboratories, and LLW sites (Frieg, 2018).
스위스에서 심층처분장 부지조사에서 수행된 2차원 및 3차원 반사법탐사 수행 내역(Table 2)을 보면, 2차원 반사법탐사는 Sectoral Plan(2008년) 이전인 1982 ~ 1984년에 23 측선 400 km, 1991 ~ 1992년에 12 측선 235 km의 자료를 획득하였으며(Nagra, 1994, 1995), Stage 2 기본조사 단계인 2011 ~ 2012년에 20 측선 305.7 km의 자료를 획득하였다(Nagra, 2013). 3차원 반사법탐사는 1997년에 Zürich Nordost 부지, 2015 ~ 2017년에 심층처분장 3개소 후보부지에서 수행하였으며, 최종적으로 약 250 km2 영역의 심부 지질특성에 대한 고분해능 영상을 획득하였다(Nagra, 2018). 2011 ~ 2012년에 수행된 반사법탐사(Fig. 3)는 Stage 2 기본조사 단계의 L/ILW(Low and Intermediate Level Radioactive Waste) 처분장 후보부지(Fig. 3 검정색 실선 표시 영역)에서 수행된 탐사로써 Jura Ost, Nördlich Lägern, Süranden, Jura Südfuss 부지에 걸쳐 수행되었다(Nagra, 2013).
Table 2.
Contents of seismic reflection survey lines at deep geological disposal sites in Switzerland (Nagra, 1994, 1995, 2013, 2018)
스위스는 1978년에 심층처분장 대상 모암 연구를 착수하였으며, 1980년에 고생대 후기 결정질 기반암을 1순위 모암 후보로 결정하고 북동부 지역에서 모암과 상부 퇴적층의 특성 연구를 수행하였다. Project Gewähr 1985를 통해 결정질암 특성화 연구를 수행한 결과, 결정질 기반암 최상부층 심도가 조사영역 남단에서 최대 1,500 m 정도까지 깊어, 500 m 내외 심도에서 처분장에 적합한 규모를 가진 결정질암 후보 부지를 찾지 못하였다. 탄성파탐사와 심부 시추조사를 통해 이전에는 존재를 알지 못했던 수 km 심도의 고생대 석탄-페름기(Permo-Carboniferous) Trough 지층의 개략적인 분포범위와 심도를 인지하였다(Nagra, 1994).
스위스와 프랑스 국경에 위치한 Jura 산맥은 지형이 험준한 Folded Jura와 완만한 Tabular Jura로 영역이 나뉘며, Jura Ost 부지의 서쪽에 위치한다(Fig. 3, Fig. 4). 1982 ~ 1984년에 수행한 반사법탐사 중 Jura Ost 부지 중앙을 통과하는 남북방향의 82-NF-10 측선에서 얻은 탄성파 단면과 지질해석 단면을 통해(Fig. 4), 측선 북쪽에 위치한 Tabular Jura 영역과 중앙에 위치한 Folded Jura 영역을 관통하며 1 km 이내 심도에 균질한 결정질 기반암이 분포할 것으로 예상하였다. 하지만, 반사법탐사 자료의 지질해석 단면에서 Tabular Jura 영역 하부에 수 km 심도의 석탄-페름기 Trough 지층이 분포하며, Folded Jura 영역 하부의 결정질 기반암이 1 km 이상 매우 깊은 심도에 분포하였다. Nagra는 1982 ~ 1984년 심부 시추조사와 반사법탐사 조사 결과를 기반으로 심층처분장 후보 부지를 Jura 산맥의 영향이 작은 북동 방향 부지에 집중하였으며, 심층처분장 대상 모암도 결정질암에서 Opalinus clay 지층으로 변경하였다(Nagra, 1994).
Fig. 3.
Layout of the 2D seismic reflection survey lines conducted during 2011–2012 for deep geological site survey in Switzerland. Black solid lines and red dashed lines denote proposed L/ILW and HLW disposal sites, respectively (Nagra, 2013).
Fig. 4.
(a) Location map of seismic survey line during 1982–1984, and (b) interpreted 2D seismic section and lithographic profile for 82-NF-10 survey line (Nagra, 1986).
중생대 쥐라기 시대에 생성된 Opalinus clay 지층은 지층상태가 균질하고 수리전도도가 낮으며, 반사법탐사에서 지층 경계가 명확히 영상화된다는 특징이 있다. 1991 ~ 1992년에 수행한 Zürich Nordost 부지 중앙을 통과하는 91-NO-68 측선의 탄성파 단면과 지질해석 단면(Fig. 5)을 보면 고생대(Palezoic) 지층과 신생대 제3기(Tertiary) 지층 사이에 중생대 지층인 Muschelkalk, Keuper, Lias, Opalinus clay, Dogger, Malm 층이 일정한 두께를 가지고 순차적으로 균질하게 분포하고 있다. 탄성파 단면에서도 1 km 심도까지 중생대 퇴적층의 지층경계가 뚜렷하게 영상화되고 있는 데 반해, 중생대 지층 하부에 분포하는 결정질 기반암과 고생대 석탄-페름기 Trough 지층의 구조 영상은 일부 단층대를 제외하고 파악하기 어려웠다. 1991 ~ 1992년에 실시한 2차원 반사법탐사 결과는 Opalinus clay 지층이 400 ~ 900 m 심도에 약 100 m 내외의 두께로 분포하며, 진폭 분석 결과 지층 내 변형이 작고 수평응력 정도도 낮은 것으로 추정되어 심층처분장 대상 모암으로 적합하다고 판단되었다(Nagra, 1995; Spillmann et al., 2010).
Fig. 5.
(a) Location map of seismic survey line during 1991–1992, and (b) interpreted 2D seismic and lithographic profile for 91-NO-68 survey line (Nagra, 1995; Spillmann et al., 2010).
중생대 퇴적층의 지층상태와 지질구조를 상세히 파악하기 위하여 1997년에 Zürich Nordost 부지에서 광범위한 3차원 반사법탐사를 수행하였다. 탐사 면적은 약 50 km2, 대상 심도는 250 ~ 1,200 m로 설정하였으며, 기록계는 Sercel SN388, 수진기로 SM4U 10 Hz 지오폰을 사용하였다. 측선 간격은 180 m, 측점 간격은 30 m, 샘플링 시간을 2 ms, 측정시간은 4초이다. 지표 상태와 민가 또는 건물과의 거리를 고려하여 송신원으로 화약 또는 Vibroseis를 사용하였으며, 화약 비중이 77.4%, Vibroseis 비중이 22.6%이다. 화약은 매설관로 등 지표 하부 조건을 고려하여 2.5 m 심도 시추공 3곳에 200 g의 화약을 설치하거나 6 ~ 12 m 심도 시추공 1곳에 600 g의 화약을 장약하였다. Vibroseis는 Mertz M10 장비를 이용하였으며 최대 출력(peak force) 7톤(1.5만 파운드), 주파수는 10 ~ 100 Hz이며, 12초 길이의 non-linear sweep 신호 또는 24초 길이의 random sweep 신호를 발생시켰다(Nagra, 2001; Spillmann et al., 2010).
3차원 반사법탐사 계획 측선, 실제 수진기가 설치된 측점 위치와 송신원 종류(Fig. 6(a))와 3차원 bin에서의 CDP 중첩수(Fig. 6(b))를 감안하여 3차원 자료처리를 수행하였으며, 입체적인 3차원 탄성파 영상을 획득하였다(Fig. 6(c)). 3차원 반사법탐사는 농작물의 영향을 방지하기 위하여 1월 ~ 3월 동절기에 실시하였으며, 약 9,000개의 송신 자료를 취득하였다. 자료처리를 통해 구성한 3차원 bin의 CDP 중첩수는 대다수 영역에서 20개 이상에 도달하여 양질의 자료를 획득하였다. 3차원 반사법탐사 영상은 Opalinus clay 지층이 상부의 Malm marl 지층이나 하부의 Lias 지층보다 지진 등 지질구조 운동의 영향에 안정함을 보여준다. 또한, 진폭 영상을 통해 Opalinus clay 지층을 약 10 m 정도 이격시키는 단층을 파악하였다. 3차원 탄성파 자료의 지층경계 해석을 통해 Opalinus clay 지층이 100 ~ 120 m 두께로 심층처분장 저장소 건설에 적합함을 확인하였다(Spillmann et al., 2010).
Fig. 6.
(a) Air photograph showing a small portion of the 3D seismic survey area. (b) The targeted nominal fold of 20 was largely reached or exceeded. (c) 3D seismic data volume with marked horizons and structures (Spillmann et al., 2010).
스웨덴 Forsmark 부지 결정질암반에서의 반사법탐사
스웨덴의 심층처분장 최종 부지인 Forsmark 부지의 심층처분장 대상 깊이는 500 m이며, 초기 부지조사는 1,000 m 깊이까지 이루어졌다. Forsmark 부지의 기반암은 화강암, 화강섬록암과 tonalite 같은 변성화산암(metavolcanic rock)이 주를 이루며, 주향방향은 WNW 또는 NW이다(Brojerdi et al., 2013). Forsmark 부지 기반암은 19 ~ 18억 년 전 고생대 Svecokarelian 조산운동에 의해 형성되었으며, 이 시기에 형성된 주요 암종은 변성암으로 최소 2차례 이상의 연성변형(ductile deformation) 작용이 발생하였는데, 연성변형으로 Forsmark 부지 인근 연안지역에 뚜렷한 변형대(deformation zone) 벨트와 변형대 사이에 변형구조 렌즈(strain tectonic lens)가 형성되었다. 변형대 벨트의 주향방향은 WNW 또는 NW이며, Singö 전단대(shear zone)라고 불리는 수십 km 연장의 편마암과 압쇄암 지역을 포함한다. 지질조사와 물리탐사 자료를 기반으로 Forsmark 부지에서 최대 200 m 두께를 가진 3개의 변형대가 확인되었다(Stephens et al., 2009; SKB, 2010a). Forsmark 부지 남쪽 연안에 위치한 Forsmark 변형대(FDZ), Eckarfjärden 변형대(EDZ)와 북쪽 해저에 위치한 Singö 변형대(SDZ)의 지질도(Fig. 7)를 보면, 광역 변형대(Regional deformation zone; 검정색 굵은 실선), 엽리(foliation) 또는 줄무늬(banding)와 같은 선구조(회색 파선)가 Forsmark 부지(빨간색 실선)와 연안선(파란색 실선)에 나타난다(Juhlin and Stephens, 2006).
Fig. 7.
Bedrock geological map of the candidate area and surroundings at the Forsmark site (Juhlin and Stephens, 2006).
Forsmark 부지에서 2002년(Stage 1)과 2004년(Stage 2)에 2차원 반사법탐사를 수행하였으며(Fig. 8), 반사법탐사 자료획득과 자료처리는 스웨덴 Uppsala 대학 주도로 진행되었다. 반사법탐사는 상세 부지조사 Stage 1에서 Forsmark 부지 전 영역을 대상으로 5개 측선(빨간색 실선) 자료를 획득하였으며, Stage 2에서는 3개 변형대의 지질구조 정보 획득과 심층처분에 적합한 저장소 위치를 파악하기 위하여 Forsmark 부지 북서방향과 남서 방향에서 10개 측선(하늘색 실선) 자료를 획득하였다(측선 길이와 송신점 수량은 Table 3 참조; SKB, 2002, 2005).
Fig. 8.
Stage 2 profiles acquired in 2004 are shown as light blue lines. Station locations for profiles acquired in 2002 (Stage 1) are shown as red lines. Green circles represent deep boreholes. Candidate area is marked by purple line (SKB, 2005).
Stage 1 부지조사는 Forsmark 부지 내부에 분포하는 수십 km 연장과 수 km 폭을 가진 변형구조 렌즈를 대상으로 실시되었다. Forsmark 부지 기반암에는 변형작용에 의한 습곡(fold) 구조가 많이 분포하므로, 반사법탐사를 적용하여 심층처분장 부지 인근의 습곡구조 분포와 경사방향 등 지질구조를 고분해능으로 영상화하고자 하였다(Juhlin and Stephens, 2006). Stage 1 반사법탐사는 2002년 3월 ~ 5월에 실시되었으며 송신원으로 시추공 발파를 이용하여 5개 측선 자료를 획득하였다. 측선 길이는 2.1 ~ 5.3 km이며, 약 1,300개 지점에서의 발파를 통해 약 15.4 km 연장의 자료를 획득하였다(Table 3). 기록계는 Sercel 348 시스템, 채널 개수는 100개, 수진기는 28 Hz 수직 지오폰, 송신점 간격 10 m, 수진기 간격 10 m이며 계획된 CDP 중첩수는 50이다. 발파 송신원은 측선에서 30 cm 이격시켰으며, 시추공을 1 m 굴착하여 기반암에 위치시키고자 하였으며, 1 m 깊이에서 기반암이 나타나지 않으면 50 cm를 추가 굴착하였다. 화약은 기반암에서는 15 g, 토사구간은 75 g을 장약하였다(SKB, 2002).
Table 3.
Contents of seismic reflection survey lines for geological disposal site survey’s stages 1 and 2 at the Forsmark site (SKB, 2002, 2005).
측선 Profile 3과 Profile 5에서의 탄성파단면(Fig. 9)을 보면, Forsmark 부지 남동부에서 왕복주시 1초 이내에서 다수의 반사면이 뚜렷하게 관찰된다. Forsmark 부지조사 대상 심도는 약 900 m로 탄성파단면에서 왕복주시 약 0.3초에 해당된다. 측선 Profile 5 북서부 CDP 700 이후 구간에서 나타나는 A1 반사면은 0.3초 이후 시간에 관찰되고 남동방향의 경사를 가지며 CDP 750 이전에는 관찰되지 않는다. 측선 Profile 5 A1 반사면 상부에서는 다른 반사이벤트가 뚜렷하게 관찰되지 않아 향후 Stage 2 조사에서는 Forsmark 부지 북서쪽에 좀 더 초점을 맞춰서 심층처분장 저장소 위치를 모색하기로 하였다(Juhlin and Stephens, 2006).
Fig. 9.
Stacked sections down to 1.6 s for profiles 3 and 5. Index map in the lower left-hand corner of each section shows the location of the profile (thick line) relative to the other profiles (thinner lines) of the survey. The left side represents the southeast direction and the right side represents the northwest direction (Juhlin and Stephens, 2006).
Stage 2 반사법탐사는 2004년 10월 ~ 12월에 실시되었으며 송신원으로 시추공 발파와 VibSIST 시스템을 이용하여 10개 측선 자료를 획득하였다(SKB, 2005). 측선 길이는 0.74 ~ 4.3 km이며, 약 1,900개 지점에서의 발파를 통해 약 24.6 km 연장의 자료를 획득하였다(Table 3). 기록계는 Sercel 408 시스템, 채널 개수는 160 ~ 276개, 수진기는 28 Hz 수직 지오폰, 송신점 간격 10 m, 수진기 간격 10 m이며 계획 CDP 중첩수는 80이다(SKB, 2005). 화약 천공 심도와 장약량은 Stage 1 조사와 동일하다(Brojerdi et al., 2013).
측선 Profile 2b_Profile 2, Profile 5와 Profile 5b에서의 CDP 중합단면이 병합된 탄성파단면(Fig. 10)에서는 다수의 뚜렷한 반사면이 보이는데, 측선 Profile 5에서 가장 뚜렷한 반사면은 넓은 경사면을 가진 A1 반사면이다. 측선 Profile 5b 북서쪽의 0.6초 이전에 나타나는 A1 반사면은 측선 Profile 2b의 1초 이후에 관측되는 A1 반사면과 연결되었을 것으로 추정되었다. 측선 Profile 2b의 남서방향 1초 이전 시간에 J1 반사면이 뚜렷하게 나타나며 지표에서 관찰되는 EDZ 변형대와 유사한 지질특성을 보이는바, EDZ를 가로지르는 동일한 구조에 의해 생성된 것으로 해석되었다. Forsmark 부지의 반사법탐사 주요 해석 결과는 ① A1 반사면의 영역이 지하에서 훨씬 더 넓게 분포하며, ② J1 반사면은 EDZ를 가로지르는 동일한 구조에 의해 생성되고, ③ FDZ 하부에 분포하는 C2 반사면은 SDZ를 가로질러 넓게 분포한다는 것이다. Forsmark 부지에서 반사법탐사를 수행하여 4 km 이내 심도에서의 변형대의 지질정보를 획득하였으며, 지질 구조운동으로부터 안전한 최적의 심층처분장 저장소 위치를 선정하는 데 크게 기여하였다(Brojerdi et al., 2013).
Fig. 10.
Location map and (a) merged stacked section of (b) survey line Profile 2b_Profile 2, Profile 5, and Profile 5b (Brojerdi et al., 2013).
캐나다 Ignace 부지 결정질암반에서의 반사법탐사
캐나다 Ignace 부지에는 Revell Batholith로 대표되는 결정질암반이 분포하며, NWMO는 심층처분장 후보 부지로 Revell Batholith 북서측 화강섬록암(granodiorite) 분포지역을 선정하였다(Fig. 11(a)). Revell Batholith는 캐나다 순상지(Canadian Shield) 시생대(Archean) Superior Province의 Wabigoon Subprovice 서쪽 부분에 위치한다. Revell Batholith는 27억 년 전에 형성된 심성암(plutonic rock) 화강암체로 연장 40 km, 폭 15 km, 면적 455 km2의 심층처분 후보모암이 분포한다. 항공 중력 ‧ 자력탐사 자료의 3차원 역산 결과 Revell Batholith는 상대적으로 편평한 기반을 가지며, 일부 지역에서 심도가 최대 4 km까지 분포하였다(NWMO, 2020). Revell Batholith 북쪽과 동쪽에는 Raleigh Lake Greenstone Belt가 분포하며, 남서쪽에 Bending Lake Greenstone Belt가 분포한다(Fig. 11(a)). 심층처분장 후보부지 위치(Fig. 11(a)의 빨간색 박스)를 보면 북서방향의 휘록암(diabase) 암맥이 부지 내부에 분포하고 있다.
Fig. 11.
(a) Geological map of the Revell Batholith and study area for Ignace site and(b) map of the planned seismic survey lines. The black dots on the Ignace site survey area indicate the locations of the three deep boreholes at a depth of approximately 1,000 meters (NWMO, 2022a).
NWMO는 APM Phase 2 기본조사로 Ignace 부지에서 2017 ~ 2020년에 약 1,000 m 심도의 3개의 시추공(IG_BH01, IG_BH02, IG_BH03; Fig. 11(a))을 천공하고 물리검층, 수리시험 등의 시추공 조사를 수행하였으며, 시추조사에 관찰된 지질이상체의 공간적 특성을 파악하기 위하여 2020년에 2차원 반사법탐사를 수행하였다. 반사법탐사 목표는 300 ~ 700 m 심도(최대 1,500 m)에 분포하는 준 수평 또는 45°이하의 저경사 지질구조 정보를 획득하는 것이다. 반사법탐사 자료획득과 자료처리는 핀란드 Vibrometrics사에서 수행하였으며, 2020년 11월 하순 ~ 12월 중순에 산길을 따라 울퉁불퉁한 6개 측선(Fig. 11(b))에서 자료를 획득하였다(측선별 송신횟수, 측선연장 등은 Table 4 참조; NWMO, 2022a).
Table 4.
Measured lengths of the seismic reflection survey lines for the geological disposal site survey at the Ignace site (NWMO, 2022a).
탄성파 에너지원으로 핀란드 Vibmetric사에서 개발한 mini-Sosie 유형의 VibSIST-3000 장비를 사용하였다. VibSIST-3000 장비는 SIST(Swept Impact Seismic Technique) 기법을 이용하여 일정 시간 동안 다중 충격을 가하는 탄성파 송신원으로 SIST 기술은 1990년대에 미국 Kansas Geological Survey에서 개발하였으며, 2000년대 초에 핀란드 Vibrometric사에 의해 기술적으로 정교하게 완성되었다(Park et al., 1996; Cosma and Enescu, 2001). VibSIST-3000 장비는 산악지형에서도 높은 에너지와 안정적인 송신 파형을 제공하여 신속한 탐사가 가능한 장점이 있다. 유압햄머는 분당 400 ~ 800회의 타격을 가하며, 타격 시 2,500 ~ 3,250 J의 에너지를 발생시킨다. 수진기로는 SM-24 10 Hz 지오폰을 사용하였으며, 들판 길을 따라 10 m 간격으로 지오폰을 설치하였다(탐사 장비와 자료획득 전경은 Fig. 12 참조; NWMO, 2022a).
Fig. 12.
Photographs of VibSIST-3000, reflection survey line, and an operator during acquisition (NWMO, 2022a).
측선이 불규칙하여 3차원 중합(stacking)과 3차원 구조보정(migration) 자료처리 기법을 적용하였고, 2차원 반사법 자료에 대한 정보정(static correction)은 불규칙한 측선을 감안하여 3차원 토모그래피 역산을 적용하였다. 구조보정 자료처리 기법은 3차원 중합전 구조보정(pre-stack migration) 알고리즘을 이용하였다. 측선별 탄성파단면(Fig. 13)과 전체 측선에 대한 Fence Diagram(Fig. 14)을 보면, 1.5 km 심도의 단면에서 다수의 준 수평 또는 저각의 반사이벤트가 관찰되며 시추공에서의 지질이상대와 잘 부합되었다. 탄성파단면에서 관찰되는 반사이벤트는 다양한 주향 방향을 보이고 있으며 서로 +자 형태로 교차하여 분포하였다. 대부분의 반사이벤트는 북쪽방향으로 기울어서 분포하며 20°미만의 낮은 경사각을 보였다. 시추공에서 다수의 파쇄대가 관찰되는데 반해, 탄성파단면에서 관찰되는 반사이벤트는 상대적으로 많지 않았다. 시추공에서 가장 큰 임피던스 대조는 흑운모 화강암, tonalite 기반암과 밀도 차이가 큰 각섬석에서 주로 관찰되었다(NWMO, 2022a).
Fig. 14.
High band pass filtered migrated profiles viewed from the (a) S-SE and (b) N-NW. 3D view of the high-pass filtered migrated profiles, viewed from the (c) S-SE and (d) N-NW, with the interpreted reflectors (NWMO, 2022a).
결 론
심층처분장 부지조사를 위해 반사법탐사를 수행한 스위스, 스웨덴과 캐나다의 사례를 분석하였다. 스위스에서의 반사법탐사는 Opalinus clay 퇴적암반을 대상으로 수행하였으며, 스웨덴은 변성화산암, 캐나다는 화강섬록암으로 결정질암반을 대상으로 반사법탐사를 수행하였다.
스위스는 반사법탐사 결과를 기반으로 고생대 석탄-페름기 Trough 지층과 결정질 기반암이 1 km 이상 깊은 심도에 분포함을 인지하여 심층처분장 대상모암을 Opalinus clay 지층으로 결정하였다. Opalinus clay를 비롯한 중생대 퇴적층의 지층경계를 고분해능으로 잘 영상화하여 Opalinus clay 지층이 400 ~ 900 m 심도에 약 100 m 내외의 두께로 분포하고 지질 구조작용에 의한 변형이 작음을 파악하였다. Zürich Nordost 부지에서 3차원 반사법탐사를 수행하여 Opalinus clay 지층을 약 10 m 정도 이격시키는 소규모 단층을 파악하고 부지 전체 영역에서의 Opalinus clay 지층의 분포와 두께를 파악할 수 있었다.
스웨덴은 Forsmark 부지 상세 부지조사 단계에서 2차원 반사법탐사를 실시하여 Forsmark 부지 내부의 변형구조 렌즈 위치, 남쪽 연안의 FDZ와 EDZ 변형대 위치와 북쪽 해저의 SDZ 변형대 위치를 파악하였다. 반사법탐사를 적용하여 약 4 km 이내 심도에서의 변형대와 관련된 여러 반사면의 영상을 획득하였으며, 변형대 발생이 적은 부지 북서측에 최적의 심층처분장 저장소 위치를 선정할 수 있었다.
캐나다는 Revell Batholith 북서측 화강섬록암이 분포하는 Ignace 부지에서 화약 대신 SIST 기술을 이용하여 개발된 VibSIST-3000 장비를 이용하여 반사법탐사를 수행하였다. 산악지형으로 인해 측선 굴곡이 심하여 3차원 토모그래피 역산을 이용한 정밀한 정보정 자료처리를 실시하였으며, 1.5 km 심도 내에 분포하는 반사면을 파악하였다. 대부분의 반사면은 북쪽방향으로 기울어서 분포하며 20°미만의 낮은 경사각을 보였다. 탄성파단면에서 관찰된 다수의 준 수평 또는 저각의 반사면은 시추공에서 관찰된 지질이상대와 잘 부합하였다.
국내에서는 2009년에 한국지질자원연구원에 2,500파운드급 mini-Vibrosies 송신원 T-2500이 도입되었으며, 인천시 석모도와 포항시 흥해읍에서의 지열자원 부지조사, 포항분지와 장기분지의 CO2 육상 지중저장소 부지조사에 반사법탐사를 적용하여 수백 m 심도의 지질구조를 파악하였다. 2021년에는 3만 파운드급 Vibroseis 송신원 GIN 30이 신규로 도입되었으며, 향후 심층처분장 부지조사에 반사법탐사를 적용하여 1 km 이상 심도에 대한 고분해능 지질구조 영상을 획득할 수 있을 것으로 기대된다. 국내에는 화강암, 편마암 등의 결정질암반 기반암이 폭넓게 분포하고 있으며, 스웨덴과 캐나다 사례와 같이 심부 불연속면 지질구조 정보를 파악하는데 반사법탐사가 크게 기여할 것으로 기대된다.
