서 론

우리나라는 1978년 고리원전 1호기가 상업 운전을 시작한 이후 2017년 5월까지 총 25개의 원자력발전소가 운영되었으며, 2017년 6월 고리원전 1호기와 2019년 12월 월성원전 1호기가 연구정지단계에 들어감에 따라 2022년 3월 현재 총 24개의 원자력발전소가 운영되고 있다. 원자력발전소 운영에 따라 발생하는 사용후핵연료의 처분은 원자력발전에서 필수적으로 고려되어야 할 중요한 요소로, 21년 3분기까지 총 504,809다발이 발생하였다. 발전소 내 임시저장 시설의 용량을 고려할 때 2031년 한빛원전을 시작으로 순차적으로 포화될 전망이어서 중간저장이나 영구처분에 대한 논의는 불가피하다.

정부는 사용후핵연료 처분을 위해 2016년 7월 ‘고준위방사성폐기물 관리 기본계획’을 수립한 이후 에너지전환 정책과 사용후핵연료 정책 재검토 추진 등에 따라 2021년 12월에 ‘제2차 고준위 방사성폐기물 관리 기본계획’을 심의･확정하였다. 제2차 기본계획에 따르면 부지선정 절차 착수 이후 37년 이내에 영구처분시설 확보가 목표이며, 중간저장시설과 영구처분시설은 한 부지에 건설하게 되어 있는 제1차 기본계획과 같다, 다만, 사회적 합의 기반의 관리시설 부지선정을 좀 더 강화하여 조사계획 수립 후 부지 확정까지 13년에 걸쳐서 선정하도록 하고 있다. Fig. 1은 제1차 기본계획과 제2차 기본계획의 부지선정 절차를 비교 제시한 것이다. 또 다른 차이로 제1차 기본계획에서는 연구용 지하연구시설의 운영이 명시적으로 제시되어 있었으나, 제2차 기본계획에서는 관리시설 부지확보 이후 14년 이내 지하연구시설을 건설･운영하여 인허가 시 필요한 정보를 산출하고 이후 영구처분시설로 확장을 계획하고 있다는 점이다. 다만, 안전처분 과정에 연구용 지하연구시설을 별도로 건설하여 실증 데이터 및 처분시스템 확보를 통한 필요한 기술을 개발한다고 서술하고 있다.

Fig. 1.

Comparison of site selection procedure in the master plan for HLW management in South Korea.

1년의 기간이 할당된 조사계획 수립 및 부적합지역 우선 배제단계에서는 사회적 수용성을 위하여 조사 전반의 계획을 사전 확정, 공표해 예측 가능성과 신뢰성을 제고하고 부적합지역을 우선 배제하여 부지적합성 기본조사 후보부지를 도출하는 것을 골자로 하였다. 이후 제1차 기본계획에서는 없었던 주민의견확인 단계가 부지공모와 함께 진행되도록 하였으며, 이후 부지적합성 기본조사, 부지적합성 심층조사 단계 후 주민의사를 확인 후 최종 부지를 확정하는 단계를 갖는다. 부지평가와 관련하여 필요한 기술로 한반도 지표환경 정량화 방법론, 한반도 단계별 부지조사/평가 요건 개발, 3차원 지질형상 모델링 방법론, 심층처분을 위한 암반 분석기술 등이 있다.

고준위방사성폐기물의 심층처분을 위한 부지선정은 전세계적으로 단계별 접근법을 고려하고 있으며, 우리나라 역시 주민의견과 주민의사확인 등의 사회적 합의와 함께 부적합지역 배제, 기본조사, 심층조사의 3단계 부지선정 절차를 계획하고 있다. 본 보고에서는 부적합지역 배제에 활용할 수 있는 전국규모 지질환경정보도 작성과 관련하여 한국지질자원연구원이 2017년에서 2019년까지 수행했던 사업내용과 함께 2020년부터 수행하고 있는 지체구조별 암종별 심부 특성에 관한 연구내용에 대해 기술하였다. 따라서 본문은 크게 지질환경정보도 또는 지질주제도에 대한 내용과 지체구조와 암종에 따른 다학제적 관점의 연구로 구성되어 있다.

전국규모 지질환경정보도

한국지질자원연구원이 2017년부터 3년간 수행했던 ‘HLW 지층처분 후보부지 선정을 위한 전국규모 지질환경정보 작성’ 연구(KIGAM, 2019)의 목표는 부지선정 1단계에서 사용할 신뢰성 높은 지질환경정보도를 만들고 이를 관리하여 국민에게 정보를 제공할 수 있는 지질환경정보 검증시스템의 구축에 있다. 고준위방사성폐기물 처분사업의 선도국들이 전국규모 수준에서 배제지역을 검토할 때 사용했던 항목들을 종합적으로 분석하여 암종, 광상, 선형구조, 단층, 지진, 융기, 지하수, 지열 등 모두 8항목으로 구분하고 작성하였다.

Fig. 2는 지질환경정보도와 검증시스템 등에 대한 전반적인 흐름을 제시하고 있다. 선정된 8가지 평가항목에 대한 검증과 시각화를 통해 지질환경정보도를 제작하였다. 지질환경정보 검증시스템(GIVES, Geoenvironmental Information Verification System)은 부지에 대한 과학적 근거를 국민에게 제공함으로써 사회적 수용성 확보를 위한 방안으로 작성되었다. 본 보고에서는 암종, 광상, 선형구조 등을 중심으로 검증방법과 절차 등을 소개할 것이며, 검증시스템 개발과 세부적인 내용 등은 본 보고의 주제를 넘어서기에 여기서 다루지 않을 것이다. 이와 관련해서 한국지질자원연구원에서 발간한 2019년 보고서와 지오빅데이터 오픈플랫폼 웹사이트에서 확인할 수 있다.

Fig. 2.

Overview of the nationwide geoenvironmental information maps and verification system (KIGAM, 2019).

암종 지질환경정보도

암종은 암석의 종류를 뜻하며, 암종에 따라 고유한 지질학적, 열적, 역학적 특성 등이 달라서 처분암종에 따라 처분시스템이 결정되어 부지선정에서 매우 중요한 항목이다(Kim et al., 2020). 국내에서 암종과 관련된 가장 신뢰성 높은 자료는 한국지질자원연구원에서 발간하는 지질도폭이며, 부지선정 1단계인 부적합지역 배제에서는 1:25만 축적의 지질도폭을 평가자료로 활용할 수 있다. 1:25만 축척 지질도폭은 2002년에 발간된 13매로 구성된 것이 가장 최근의 것으로 지질도폭의 제작 특성에 기인하여 도폭 간 경계부에서 서로 일치하지 않는 부분이 존재하였다. 경계부에 대한 재조사를 통해 불일치 지역을 없애고 신뢰성 높은 1:25만 통합지질도를 제작하였다.

암종 지질환경정보도 검증자료, 검증방법과 절차

자료통합 및 검증자료

암종 지질환경정보도에 사용된 자료는 한국지질자원연구원에서 2002년 발간이 완료된 1:25만 지질도폭 총 13매 중 섬지역을 포함하고 있는 지질도폭을 제외한 9매를 이용하여 통합작업과 검증작업을 수행하였다. 또한 한국지질자원연구원 웹사이트에서 지질주제도로 정보가 제공되고 있는 2007년에 1차 통합된 전국규모의 1:25만 버전을 동시에 활용하였다. 1:25만의 경계부에 해당하는 불일치 지역에 대해 2018년까지 발간된 1:5만 도폭을 이용하여 검토하였다. Fig. 3은 검증자료로 사용된 축척별 지질도폭들을 제시한 것이다.

Fig. 3.

Harmonization and verification source data for geological analysis.

검증방법과 검증절차

1:25만 암종항목 지질환경정보도 작성을 위하여 한국지질자원연구원에서 2002년에 발간한 1:25만 지질도폭을 정밀 검토하여, 47개의 불일치 지역을 발견하였다. 발견된 불일치 지역 중 불일치 사항은 지질경계, 암종, 시대, 기호 등이며, 불일치 부분을 해결하기 위하여 기존 문헌자료 분석, 현장조사, 시료채취, 박편 관찰, 연대측정 등을 통해 수정하였다.

Fig. 4는 본 보고에서 수행된 검증방법과 수정 등에 대한 예시로서 첫 번째 열은 1:25만 지질도폭의 경계부분에서 나타난 불일치 지역이며, 두 번째 열은 2007년 1차 통합된 지질도폭의 모습, 세 번째는 불일치 지역에 해당하는 1:5만 도폭을 나타낸 것이다. 불일치 지역에 대해서 검증해야할 불일치 부분과 검증 방법, 그리고 이후 수정사항 등에 대해 서술하였다. 또한 이후 제작된 통합지질도 2018년 버전에 대해 전문가 3인의 검토를 통해 수정, 보완하였다.

예를 들면, Fig. 4는 1:25만 안동도폭과 강릉도폭의 경계 부분이 2002년 통합본에서는 홍제사화강암의 경계가 단절되어 있는 것이 발견되었으며, 1:5만 장성도폭에서는 점선으로 1:25만 강릉도폭 부분에서 홍제사화강암의 경계를 점선으로 표시하였다. 점선으로 표시된 지역의 암종 차이를 확인하기 위하여 현장 조사를 실시하였으며, 현장 조사에서 관찰된 암종들을 토대로 하여 경계를 실선으로 수정하였다. 또한 불일치 지역에 대한 기존 연구 자료(Kim and Lee, 1983)를 수집 및 참고하여 최종적으로 경계를 수정하였다. 불일치 지역들 중 시대가 서로 일치하지 않는 5군데 지역에 대해서는 현장 조사를 거쳐 채취된 시료에 대해 절대연령측정을 통해 시대를 결정하여 수정하였다. 위와 같은 과정을 거쳐 1:25만 암종 항목 지질환경정보도 2019버전이 완성되었다(Fig. 5)

Fig. 4.

Example of verification and correction for inconsistent area of 250K geological map.

Fig. 5.

250K Harmonized geological map (KIGAM, 2019).

광상 지질환경정보도

고준위방사성폐기물의 처분 기간인 최소 10만 년은 매우 긴 시간으로, 여러 가지 사유로 인해 후대에 처분 장소에 대한 정보가 유실되어 망각한 채 유용 광상을 찾아 고준위방사성폐기물의 영구처분시설 내로 채광을 위한 굴착 등을 할 수 있으므로 기존 개발한 광산의 위치는 중요한 평가항목 중 하나이다. 그러나 정확한 광산의 위치를 표시한 지질환경정보도가 존재하지 않았다. 이에 광산 정보를 보유한 (구)한국광물자원공사, (구)한국광해관리공단, 한국지질자원연구원의 자료를 이용하여 상호검증을 통해서 신뢰성 높은 광산분포도를 제작하였다.

연구 당시 광상 및 광산과 관련된 위치 자료를 보유하고 있는 기관들은 한국지질자원연구원, (구)한국광물자원공사, (구)한국광해관리공단으로 휴광, 폐광, 가행광으로 분류하여 자세한 광산들의 위치 정보를 보유하고 있었다. 검증에 사용된 자료는 한국지질자원연구원의 3,059개, (구)한국광물자원공사의 10,840개, (구)한국광해관리공단의 5,544개로 총 19,443개이다. 광산에 대한 위치는 광산을 포함한 광구(1.5 km × 1.8 km)를 구획하여 표현하였다. 검증 자료는 구분항목, 광상, 광종, 광산명, 주소, 참조보고서, 생산년도, 자료조사 형식 등이 포함되어 있으며, (구)한국광물자원공사의 자료를 기초로 제작 되었다.

광상 검증을 위하여 3개 기관의 자료를 이용하여 광산 위치를 초기에 점으로 표현하였다. 이 때 GPS에 의한 표준화와 행정구역을 GPS로 변환하는 방법을 사용하였다. 각 기관들에서 수집한 자료들 중 광산 위치가 일치하지 않는 경우가 존재하여 현장조사를 수행하여 보정하였다. 그러나 대규모 광산은 노천채굴과 함께 갱내채굴 등으로 인해 복잡하고 광범위한 갱을 형성하였기에 점으로 광산 위치 표기가 표준화가 되지 않는 문제점이 발생하였고, 이를 해결하기 위해 1.5 km × 1.8 km인 광구로 위치를 표현하였다. 이렇게 광구로 위치를 표현함에 따라 비표준화된 위치 표기를 상쇄할 수 있으며, 광상의 분포 가능성을 표시할 수 있었다. 광구로 표현된 (구)한국광물자원공사의 온라인 자료를 사용하여 금속, 비금속, 석탄 등으로 광종을 분류하고 광산위치에 대한 단순 오류사항을 수정하였다. 이렇게 광상 지질환경정보도의 2018버전이 제작되었고, 검증을 위해 (구)한국광해관리공단의 자료를 이용하여 검증을 수행하였으나, 두 기관사이의 자료차이가 매우 커서 검증대신 자료를 모두 표기하는 방법을 사용하였다. 이 후 한국지질자원연구원의 비공개 자료를 이용하여 검증하여 일부 광종 등을 수정한 광상 지질환경정보도 2019버전이 완성되었다(Fig. 6)

Fig. 6.

Mine distribution map (KIGAM, 2019).

선형구조 지질환경정보도

선형구조는 지표상에서 단층, 파쇄대, 지질경계 등과 같은 대규모 지질구조적 특징들이 반영되어 뚜렷한 직선 또는 완곡의 형태로 나타나는 것을 말한다(Ko et al., 2018). 선형구조는 부지선정과 평가 시 가장 기본적인 자료로 활용된다. 선형구조도의 제작과정에는 정해진 규칙이나 프로그램은 없으며, 일반적으로 전문가의 수작업을 통해 만들어진다. 2017년 이전에 한국지질자원연구원에서 사용되던 선형구조도는 오랜 기간에 걸쳐 만들어진 것으로 명확한 메타데이터가 없어 Ko et al.(2018)에 의해 새로운 선형구조도를 작성하였고 과거 선형구조도와 함께 통합하여 신뢰성 높은 선형구조도를 제작하였다.

Ko et al.(2018)에 따르면 선형구조의 검증자료를 위해 기존에 한국지질자원연구원에서 보유한 한반도 선형구조 분석 자료와 함께 추가적으로 국내 선형구조 전문가들을 통한 전국규모 선형구조 분석을 실시하여 획득한 신규 자료들을 활용하였다. 기존 한반도 규모의 광역 선형구조 분석 자료는 위성영상(Landsat TM)과 음영기복도 자료로 분석한 자료이며, 신규로 취득한 자료는 남한 지역을 대상으로 최신 위성영상(Landsat ETM+)과 국토지리정보원에서 제공하는 수치표고모델(Digital Elevation Model)로 제작한 고해상도의 음영기복도이다(Fig. 7).

Fig. 7.

Verification source data for lineament analysis (Ko et al., 2018).

선형구조를 검증하기 위하여 한국지질자원연구에서 발간한 2012년도 선형구조도로부터 총 5676개의 선형구조에 대해 길이(연장선) 방향성, 밀도 분석 등을 수행하였다. 이 과정에서 연장성의 과소평가나 개수밀도와 길이밀도 분석에서 사용한 임계기준의 적합성, 단층자료와의 불일치 등이 문제점으로 파악되었다. 검증하는 동안 핀란드식 선형구조 분석방법의 벤치마킹을 통한 자료의 품질을 확인하였고, 다양한 분야의 전문가로부터 자문을 받아 추가적으로 선형구조를 획득하였다. 이를 통합하는 과정에서 자료의 중복이나 동일한 선형구조에 대한 상이한 연장성 평가 등의 문제점을 확인하였고, 중복 자료의 제거나 수정, 연장성을 최대로 평가하는 등의 방법을 활용하여 보완하였다. 이러한 과정을 거쳐 Fig. 8과 같은 선형구조도 2019버전을 제작하였다.

Fig. 8.

Lineament map (KIGAM, 2019).

지질환경과 처분모암

선도국들의 지질환경과 처분모암

고준위방사성폐기물의 안전한 심층처분을 위해서는 국내 지질환경에 적합한 처분시스템을 결정하는 것이 매우 중요하며, 처분시스템 결정에 가장 기초적인 사항이 처분모암이다. 이는 처분모암에 따라 처분시스템이 결정되기 때문이다. Table 1은 고준위방사성폐기물 심층처분분야의 선도국들이 결정한 처분모암과 각 나라들의 지질 분포에 대해 간략하게 제시한 것이다. 우리나라의 경우 잠재적으로 고려하는 처분모암이 존재할 수 있으나, 아직까지 최종적으로 결정된 바가 없다.

스웨덴은 결정질암을 처분모암으로 다중방벽에 의존하는 KBS-3 시스템을 개발하였으며(Fig. 9(a)), 스위스는 이암을 처분모암으로 결정하고 천연방벽에 의존하는 시스템을 개발하였다(Fig. 9(b)). 스웨덴이나 핀란드와 달리 스위스 등에서 제시한 심층처분시스템의 차이가 발생하는 이유는 자국의 처분환경, 즉 지질학적 특성을 고려한 것이다. Fig. 10에서 알 수 있는 바와 같이 스웨덴이나 핀란드는 대부분 결정질암으로 구성되어 있는 반면, 스위스의 지질분포(Fig. 11)는 결정질암뿐 아니라 사암, 이암 등 다양한 암종이 분포하고 있다.

Fig. 9.

Schematic layout of the HLW repository in Sweden and Switzerland.

Fig. 10.

Generalized geological map of Scandinavia (Müller et al., 2017).

Fig. 11.

Simplified geological map of Switzerland (Litty and Schlunegger, 2017).

우리나라 지질환경

암종분포

우리나라의 분포 암종은 분포 면적에 따라 크게 선캠브리아기 변성암복합체, 고생대 퇴적암, 중생대 화강암, 신생대 화성암류로 분류된다. Fig. 12는 1:25만 지질도폭들을 이용하여 우리나라에 분포하는 암종들을 분포면적에 따라 분류하고 작성한 암종별, 시대별 분포면적을 제시한 것이다. 외부의 큰 원에서 제시된 각 암종별로 분포 면적을 비교해보면, 심성암과 변성암이 각각 30%로 가장 넓은 면적을 차지하고 있으며, 그 다음으로 퇴적암이 25%의 면적을 차지하고 있다. 화산암의 경우 약 9%로 가장 적게 분포하고 있다. 또한 내부 작은 원은 각 암종들 내에 지질시대와 암종으로 분포를 표시하였다. 심성암의 경우 쥬라기와 백악기 시대가 가장 많이 분포하며, 변성암 내에서는 흑운모화강편마암, 화강편마암, 편암의 순서로 분포를 나타내고 있다. 퇴적암의 경우 백악기의 퇴적암이 가장 넓게 분포하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 12.

Rock distribution area in Korea by rock types and period(KIGAM, 2019).

지체구조

한반도는 유라시아판의 동쪽 연변부에 위치하며, 지체구조는 선캠브리아기의 암석이 주로 분포하는 영남육괴, 경기육괴, 낭림육괴, 관모봉육괴와 현생 누대의 암석이 주로 분포하는 경상분지, 옥천대, 임진강대, 평남분지, 두만강분지 등으로 이루어져 있다. 이중 우리나라에 분포하는 지체구조(구)는 Fig. 13과 같이 경기육괴, 영남육괴, 옥천대, 경상분지와 일부 임진강대이다(Kim et al., 2008; KIGAM, 2010; Cheong and Kim, 2012). 특히 우리나라의 지체구조는 아시아 대륙과 유사한 부분이 많으며, 동해는 대륙 연변해로 태평양판의 운동과 관련하여 형성된 후배호분지(back arc basin)로 제3기 이후에 동해가 확장되면서 형성된 것으로 보고되었다. 그러나 일본은 이와 관련하여 형성된 화산열도(island arc)로 한반도 전체와는 다른 지체구조적 특징을 보이나, 한반도 남동부인 경상분지와 일본 남서부, 한반도의 옥천대와 일본의 히다대(Hida belt)는 동해가 확장되기 전의 특성과 매우 유사한 부분이 있다(KIGAM, 2010).

Fig. 13.

Tectonic maps of northeast Asia (a) and South Korea (b). IB, Imjingang Belt; GM, Gyeonggi Massif; OB, Okcheon Belt; TB, Taebacksan Basin; YM, Yeongnam Massif; GB, Gyeongsang Basin (from Kim et al., 2008).

지체구조별 암종별 심부 특성 연구

우리나라 지체구조별 암종별 심부 시추현황

고준위방사성폐기물 심층처분을 위한 부지선정 절차는 각 나라의 상황에 따라 다르게 진행되고 있다. 스웨덴과 같은 나라는 분포 암종이 상대적으로 단순하여 처분모암을 결정질암으로 정한 후에 지하연구시설의 건설과 부지선정 절차에 들어간 반면, 스위스는 복잡한 암종 분포를 고려하여 결정질암과 이암 지역에 지하연구시설을 건설하고 연구를 수행한 후 부지선정 초기단계에서 처분모암을 결정하였다. 고준위방사성폐기물 심층처분을 위해 스웨덴은 약 100공에 해당하는 시추조사를 실시하였으며, 이중 50여 공이 500 m 이상의 심부시추공이었다. 스위스의 경우는 300 m 이상의 300공이 넘는 시추조사를 실시하였다. 스위스의 면적이 약 4만 km²(우리나라 면적의 약 0.4배), 스웨덴의 면적은 45만 km²(우리나라 면적의 약 4.5배)에 해당하지만 스위스에서 시추공의 수가 많은 이유는 다양하고 복잡한 암종분포에 기인한 것으로 추정된다.

반면 우리나라의 경우 고준위방사성폐기물 심층처분을 목적으로 2020년 이전까지 화강암과 편마암 등 결정질암에 대해서만 10여 공의 심부 시추를 실시하였다. 이외 이산화탄소 지중저장이나 심부 지열 발전 등을 위한 심부 시추공과 시추공으로부터 획득한 자료가 다수 존재하나 시추 목적과 대상 암종 등이 달라 대부분 고준위방사성폐기물을 위한 자료 활용에는 부적합하다.

앞서 전술한 바와 같이 처분모암을 결정하기 위해서는 먼저 우리나라의 다양한 암종에 대한 이해가 필수적이다. 이는 암종에 따라 지질학적 특성과 함께 수리학적, 지화학적, 역학적, 열적 특성 등이 다르게 나타나기 때문이다. 이에 한국지질자원연구원에서는 2020년부터 매년 2공 이상의 심부 시추공을 확보하고, 다학제적인 관점에서 분야별 심부 지질환경에 대한 평가인자를 도출하고자 연구를 진행하고 있다. Table 2는 지체구조와 암종에 따라 우리나라에서 수행되었던 심부 시추현황과 함께 현재 진행되거나 계획된 시추현황에 대해 제시한 것이다. 2020년 이전까지는 강원도 고성과 대전의 화강암에 대한 조사와 경상북도 안동의 편마암에 대한 조사가 이루어졌다. 2020년에는 경기육괴에 속하는 강원도 춘천지역의 화강암과 옥천대에 속하는 강원도 원주지역의 화강암에 대해 750 m까지의 심부 시추가 수행되었다. 2021년에는 경상분지에 속하는 대구의 퇴적암과 경상남도 진주의 퇴적암에 대해 심부 시추가 수행되었다.

심부 시추공을 활용한 분야별 평가인자 획득 방법

수행 방법 및 평가인자

Kim et al.(2020)은 부지선정을 위한 단계별, 분야별 평가인자에 대해 제시하였다. 본 연구에서는 제시된 평가인자 중 우선적으로 획득되어야 하는 핵심 평가인자를 선정하고 지체구조와 암종에 따라 선정한 지역에서 심부 시추를 통해 이를 획득하고자 하였다. 지질분야에서의 핵심 평가인자로 암상, 단층, 융기율 등을, 암석역학분야에서는 강도, 현지응력, 절리분포, 암반등급 등을, 지화학에서는 성분, 흡착능력, 동위원소 등을, 수리지질분야에서는 수리전도도와 저류계수 등을, 지구물리탐사분야에서는 물리 물성과 불연속면 등을, 지열분야에서는 열전도도와 지온경사 등을 선정하였다.

시추 위치는 지체구조를 고려하고 분포 암종을 검토한 후 문헌과 지표지질조사 등을 수행하여 지질특성과 선구조 등의 특성을 파악하였고, 연대 등의 자료를 기반으로 선정되었다. 시추 위치가 선정된 후 심부 시추공의 조사는 Fig. 14와 같은 절차에 따라 수행되었다.

Fig. 14.

Deep borehole field tests procedure.

시추 중에는 심도와 암상 등에 따른 굴진 상태와 역학적 특성 등을 파악하기 위하여 추력, 토크 등을 실시간으로 계측하고, 폐쇄 순환시스템을 사용하여 수리지질학적, 지화학적 영향이 최소화되도록 하였다. 또한 일정 농도의 우라닌을 순환수에 용해시켜 심도에 따른 우라닌 농도의 변화와 함께 수소이온농도(pH), 전기전도도(Ec), 용존산소농도(DO), 산화환원전위(Eh), 온도(T) 등의 특성과 매일 굴진 전후의 공내 수위를 측정하였다. Fig. 15는 심부 시추공에 사용된 폐쇄 순환시스템의 모식도를 나타낸 것이다.

Fig. 15.

Closed drilling management system in drilling for hydrochemical and hydrological investigation.

시추가 완료된 후 시추공을 활용하여 공경검층, 공내수 온도-전기전도도검층, 전기검층, 밀도검층, 음파검층, 스펙트럴 감마검층, 초음파 주사검층 등 지구물리탐사방법을 활용하여 심도에 따른 물성을 획득하였다. 이후 특정 구간에서의 지화학 특성을 분석하기 위하여 지하수를 채수한 후 실내로 이동하여 지화학 분석을 수행하였다. 수리전도도 특성을 알아보기 위하여 정압주입이나 펄스 방식의 현장수리시험을 수행하였으며, 심도에 따른 현지응력의 크기와 방향 등을 파악하고자 수압파쇄시험을 수행하였다.

시추공으로부터 회수된 코어를 이용하여 연대측정을 포함한 주상도와 구조지질 특성 등 지질학적 관점에서의 분석과 함께 불연속면의 기하학적 특성과 지화학적, 지질공학적, 역학적, 수리지질학적 특성을 분석을 수행하였다. 무결암에 대해서는 역학적 특성과 함께 열적 특성을 위한 분석이 수행되었다. Fig. 16은 회수된 시추 코어의 모습으로 필요 시 상태를 직접 육안으로 관찰할 수 있도록 하였다.

Fig. 16.

Recovered cores.

심부 암반의 암반역학적 특성

심부 시추공을 이용한 암반특성은 지질학적, 지화학적, 수리지질학적, 지구물리탐사적, 지질공학 및 암석역학적, 열적 분야로 크게 나뉘어 자료를 획득하고 결과를 분석하였다. 본 보고에서는 이 중 2020년에 획득한 화강암에 대한 암석역학적 평가인자 중 핵심 평가인자에 속하는 일축압축강도와 현지응력을 중심으로 기술하고자 한다. 다른 분야나 다른 지역의 분석결과는 추후 암석역학분야와 연계된 다학제적인 분석을 수행한 후 발표할 예정이다.

Table 3은 옥천대에 속하는 원주지역과 경기육괴에 속하는 춘천지역에서 수행된 대심도 시추공의 제원과 요약내용을 제시한 것이다.

Table 3.

Specification of deep boreholes in Wonju and Chuncheon

	Wonju	Chuncheon
photo
add.	1443-9 Taejang-dong	San 21-62, Hyoja-dong
cord.	127°57‘31“E / 37°23’24“N	127°44‘17“E / 37°52’05“N
elev.	175.0 m	104.0 m
depth	757.3 m	751.2 m
dia.	122.7 mm (0 ~ 51m) / 0 mm (51~757.3 m)	76.0 mm
dev.	0.85°/ 2.47°(avg/max)	0.85°/ 2.20°(avg/max)

총 750 m 시추코어에 대하여 약 50 m 간격으로 실내시험용 무결암 시험편을 취득하여 각종 실내시험을 수행하였다. 암석역학분야에서 실내시험을 위한 시험편은 최대한 균질하고 무결한 구간에서 채취하는 것이 일반적이고 본 시험에서도 같은 기준을 통해 시험편을 취득했다.

Fig. 17은 원주지역의 화강암에 대한 심도별 물리적, 역학적 물성분포를 도시한 것으로, 일축압축강도(UCS)의 경우 천부에서 750 m까지 약 200 MPa을 넘는 일정한 값을 보였다. 그러나 450 m와 650 m 구간에서 상대적으로 매우 낮은 일축압축강도를 보였는데, 이는 지하수 유입에 따른 변질로 약화된 것으로 파악되었다. 원주지역의 절리 발달상태는 천부에서는 수평절리가 우세하다가 심부로 갈수록 중각과 고각의 절리가 많아지고 있으며, 고각의 절리면에서 방해석이 침전된 것이 확인되어 상부지표의 지하수 유동이 심부까지 영향을 준 것으로 분석되었다. 탄성파속도(Vp, Vs), 비중(S.G.) 등은 심도에 따라 증가하고, 흡수율(W.S.)은 심도에 따라 감소하는 일반적인 경향을 보였다. 보였다. 그러나 일축압축강도와 탄성파속도와의 관계가 일반적으로 양의 관계를 보이는 것과 달리 나타나, 상술한 영향을 포함한 추가 분석이 필요한 것으로 판단되었다.

Fig. 17.

Physical and mechanical distribution with depth in Wonju granite.

춘천지역 화강암에 대한 심도별 물성분포는 Fig.18에 제시되었다. 저심도 (~150 m) 구간을 제외하면 비교적 일정한 분포를 보이며 특별한 증감 경향을 확인할 수 없었다. 저심도 구간은 풍화 등의 영향을 받은 것으로 판단되며, 지표에서 심도가 충분히 깊은 곳에서는 풍화의 영향이 없거나 확연히 줄어든 것으로 보인다. 일축압축강도의 경우, 250 m 심도에서 경향을 벗어난 결과를 보였으나, 250 m 구간 시험편의 파단면을 확인한 결과, 모든 시료에서 내부 선재균열이 존재했기 때문에 낮은 강도는 이러한 영향인 것으로 파악되었다.

Fig. 18.

Physical and mechanical distribution with depth in Chuncheon granite.

원주와 춘천지역의 화강암에 대해 수행한 수압파쇄시험을 통해 직접 측정이 가능한 균열파쇄압력, 균열폐쇄압력, 균열개구압력, 암반인장강도를 심도에 맞게 도시하면 Fig.19와 같으며, 이를 심도에 따른 직선으로 회귀하면 점선과 같이 표현된다. 두 지역 모두 심도에 따라 균열파쇄압력, 균열폐쇄압력, 균열개구압력은 증가하며, 암반인장강도는 감소하는 경향을 보였다. 결정계수가 확연히 작은 춘천지역 균열파쇄압력을 제외하고 나머지 균열파쇄압력, 균열폐쇄압력, 균열개구압력은 기울기가 유사한 수준으로 증가하였다. Fig. 20은 압력과 인장강도 등으로부터 산정한 심도에 따른 현지응력의 크기와 방향을 제시한 것으로 대체적으로 심도가 증가함에 따라 현지응력의 크기가 증가하는 경향을 보였으나, 방향의 경우는 평균값을 중심으로 분산되어있는 형태를 보였다.

Fig. 19.

Pressure distribution with depth measured from hydraulic fracturing method.

Fig. 20.

Magnitude and direction of in-situ stress in Wonju.

토의 및 맺음말

제2차 고준위방사성폐기물관리 기본계획의 가장 첫발은 부지선정절차 착수에 있다. 부지선정절차는 조사계획의 수립과 부적합지역 우선 배제부터 시작되며 이를 위해서 전국규모에 대해 배제조건과 선호조건을 판별할 수 있는 지질학적 자료가 밑바탕이 되어야 한다. 한국지질자원연구원에서 2019년에 발간한 8종의 전국규모 지질환경정보도는 이에 대한 기초 자료를 제공할 것으로 기대하고 있다. 이 중 암종, 광상, 단층, 지진 등과 같은 4종의 지질환경정보도는 배제조건으로, 선형구조, 융기, 지하수, 지열 등의 4종의 지질환경정보도는 정도에 따른 선호조건으로 사용될 수 있을 것이다.

부지조사 과정에서 평가해야 할 인자들은 매우 다수이며 또한 다양한 방법에 따라 측정된다. 암석역학적 측면에서만 고려해도 시추공 시추 및 로깅, 실내시험, 현장시험 등이 기본적으로 요구되며 물리적, 역학적, 열적, 수리적 특성이 요구되므로 장기적이고 다양한 연구수행이 필수적이다. Table 4는 암석역학분야에서의 고려해야 할 주요 대상을 균열, 무결암, 암반 등으로 구분하고 이에 대한 획득해야할 평가인자를 나열한 것이며, Table 5는 스웨덴에서 수행되었던 평가인자에서 획득해야 할 특성과 각각에 해당하는 시험방법을 제시한 것이다. 이러한 평가인자와 평가인자의 특성은 고준위방사성폐기물 심층처분의 목적에 맞는 심부 시추공과 회수된 코어를 통해 확보 가능할 것으로 생각된다.

한국지질자원연구원과 서울대학교 암반공학연구실에서 축적된 자료를 바탕으로 일축압축강도를 우리나라에 공간적으로 분포 도시한 결과는 Fig. 21과 같다. 분석의 기반이 되는 베리오그램은 구형 모델을 사용하였고 이를 바탕으로 정규 크리깅을 수행하였다. Fig. 21에서 확인할 수 있듯이 전반적으로 지질구조의 방향을 따라 북동-남서 방향의 방향성을 확인할 수 있으며, 지체구조 수준에서의 강도 분포가 일관성이 부족하거나 일반적으로 인식되고 있는 지체구조별 특성과 다른 경향성을 보이기도 하였다. 특히 경상분지의 일부 퇴적암에서 일축압축강도가 높게 나타나기도 하였는데, 이는 지체구조보다 작은 지역적 규모(regional scale)에서 분포 특성이 유사한 몇몇 지역에 대한 분석이 합리적일 것으로 판단된다. 따라서 광범위한 지체구조와 암종에 따른 연구 이외 세분화된 연구가 앞으로 진행되면 좋을 것으로 생각된다.

Fig. 21.

Spatial distribution of UCS with tectonic structures.

본 보고에서 보다 세부적으로 서술한 암석역학분야 이외 지질, 지화학, 수리지질, 지구물리탐사, 지질공학 분야 등과의 연계된 해석은 더욱 신뢰성 있는 결과를 제공할 것이기 때문에 어느 한 분야를 넘어 상호 협력적인 연구와 사업의 진행이 필수적으로 요구된다. 현재 우리나라는 부지조사에 필요한 자료 축적에서 선도국들에 비해 많이 늦은 감이 있으나 2016년에 체계화된 조사요소 분류 이후 각 분야에서 주요한 평가인자에 대한 한반도 규모의 자료조사, 지체구조와 암종을 고려한 심부 시추공 등을 통한 다학제적인 현장/실내시험 등을 수행하고 있다(KIGAM, 2019; Kim et al., 2020; KIGAM, 2021; Choi et al., 2020; Choi et al., 2021). 이들에서 획득한 자료의 수는 선도국들에 비해 상대적으로 적은 수이지만 부지선정절차와 병행하면서 국외 벤치마킹과 국내 연구기관, 수행기관들 간의 상호 연계를 통해 극복해 나갈 수 있을 것으로 기대한다.