서 론

원자력 발전이 지속되고 또 확대됨에 따라 폐기하기로 결정한 사용후핵연료를 포함한방사성 폐기물(radioactive waste) 특히 고준위인 방사성폐기물 처리와 관련된 문제는 안전과 환경 보호에 중요한 문제가 되고 있다(Wang et al., 2018). 전 세계적으로 이러한 고준위 방사성폐기물을 안전하게 처리하는 방법들 중 유일하게 실현 가능한 방법으로 심층처분방법이 받아들여지고 있다(Guo et al., 2001). 이러한 심층처분장 건설을 위해 필수적인 부지 선정 과정에 있어 가장 중요한 고려 사항들 중 하나는, 방사성 핵종(radionuclides)의 누출(leakage)로 인간과 처분장 주위 환경에 악영향을 미치지 않아야 한다는 것이다. 이에 따라, 심층처분장 부지 선정 과정에서 지질 안정성 및 지질환경, 그리고 처분장의 건설 및 운영 관점에서의 적합성을 평가해야 한다(Guo et al., 2001). 특히, 방사성 핵종 누출을 방지하기 위한 최종 방벽 역할을 하게 되는 주변 암반(surround rock mass)을 합당하게 선택하는 것이 중요하다(Wang et al., 2006).

이와 같이 안전한 심층처분장 건설과 관리를 위해서 지질학적으로 안정적인 지역을 부지로 선택하는 것이 필수적이므로, 부지의 적절성과 안정성을 평가할 수 있어야 한다. 심층처분장을 건설할 부지로 적합한 곳의 특성 및 기준은 여러가지가 있지만 그 중 부지 모암의 암종, 지하수 흐름과 같은 수리지질학적 특성, 단층 및 파쇄대의 부재 등의 조건이 가장 중요한 요인이다(IAEA, 1999a; 1999b). 그러므로, 심층처분장 부지의 암반 선택에서 고려해야 할 요인으로 암반의 투수성을 고려한 지하수의 주 유동경로와 같은 방사성 핵종의 이동(migration) 경로, 자기밀봉(self-sealing), 지질 구조와 암반의 무결성과 같은 암반 안정성 등이 있다(Wang et al., 2008; Wang et al., 2018). 이때, 심층처분이 가능한 암반은 투수계수가 작아 암반을 통해 흐르는 지하수의 유속이 낮고, 유량이 적어야 하는데 이는 암반에서의 방사성 핵종 수송이 암반 내 지하수 흐름으로 결정되기 때문이다(Richter, 1978; Blacic, 1981; Madeira et al., 2016). 결정질 암반에서 지하수 이동은 암반의 작은 부분을 차지하는 균열 및 파쇄 구역에서 발생하기 때문에, 심층처분장의 방사성 핵종 수송을 정량적으로 설명하기 위해서는 파쇄대의 위치를 파악하는 것이 필수적이다. 또한, 균열을 지나는 지하수가 아닌 지질 단위를 구성하는 대수층의 물리적 및 화학적 변화는 지표면 아래 위치한 시설에 영향을 미칠 수 있기 때문에(Tanaka et al., 2003) 후보 부지 내의 전체적인 수리지질학적 구조를 평가하는 것 또한 중요하다(Marui, 2003; Marui and Hayashi, 2001).

지하 매질의 특성을 평가하기 위한 전통적인 방법으로 시추공을 설치하여 조사하는 방법이 있다(Come et al., 1999; McEwen, 2007; Rechard et al., 2014). 시추공 기반 조사는 한 지점에서의 암반의 특성이나 유체 흐름에 대한 우수한 정보를 제공할 수 있지만 비균질적인(heterogeneous) 지하 매질에서 단일 측정값을 더 큰 범위로 추정하는 데 어려움이 따른다(Fagerlund and Heinson, 2003). 이를 해결하기 위한 추가 시추공 설치는 비용이 많이 든다는 단점이 있으며, 약 300 m 이상의 심부 조사는 어렵기 때문에(Yang et al., 2019) 심부에 건설될 심층처분장의 부지 평가 방법으로 적절하지 않다. 물리탐사 방법(geophysical survey)은 비파괴적 방법이라는 장점이 있으며, 시추공 조사에 비해 비교적 짧은 시간동안 넓은 지역의 내부 정보를 파악할 수 있는 방법으로 수리지질학적 특성화(Zhang et al., 2021; González et al., 2021) 뿐만 아니라 심부 광물 탐사(Daneshvar Saein et al., 2012), 유류오염 조사(Castelluccio et al., 2018), 산사태 모니터링(Godio and Bottino, 2001)와 같은 다양한 분야에서 적용되고 있다.

물리탐사방법 중 전기(electrical)·전자(electromagnetic, EM)탐사를 통해 파악할 수 있는 전기비저항 내지 전기전도도는 공극률, 광물 함량, 지하수 흐름 등의 많은 요인에 따라 변화하고, 지층의 풍화 상태 및 파쇄대의 존재에 따라 달라지기도 한다(Watlet et al., 2018). 또한, 레이더 탐사 자료에서는 물로 채워진 균열 또는 지하수에서 낮은 진폭의 반사 영역이 단면에 나타난다(Travassos and Menezes, 2004). 이러한 특성에 의해 전기·전자탐사 방법은 심층처분장 모암의 효율성과 수리지질 특성을 평가하는 데 사용할 수 있다(An and Di, 2016; Wang et al., 2018; Huang et al., 2019).

이 논문에서는 먼저 심층처분장을 건설하기에 적합한 부지의 특성에 대해 알아보고, 다양한 지질구조에서 파악할 수 있는 물성 및 현상의 변화와 이로 인한 전기·전자탐사 를 이용한 부지 특성화 방법 및 현장 적용성에 대해 기술하였다. 이후 실제 부지 선정 평가를 위해 수행한 전기·전자탐사 사례들을 나라 및 부지별로 분석하였다.

적합한 심층처분장 부지 특성

심층처분장 부지로 이용 가능한 암반들은 크게 투수 계수가 낮은 점토암, 결정질암, 증발암(evaporite) 등이라 할 수 있으며(Brotzen, 1982), 이들 암반들 중에서도 무결암이어야 한다. 무결암이란, 단층 및 전이대(transition zone)로부터 자유로울 수 있도록 충분히 두꺼우면서도 측면으로 넓게 분포하며, 시간이 지남에 따라 폐기물에서 발생할 수 있는 열의 영향도 견딜 수 있을 만큼 용융점이 높고 강도도 큰 암석을 의미한다(Brotzen, 1982). 긴 세월이 지나 심층처분장 내로 지하수가 침투한다면 처분용기가 부식되고, 파손된 공학적방벽을 통해 유출된 방사성 핵종이 지하수를 따라 이동해 지표까지 도달할 수 있으므로(Fig. 1), 심층처분장은 최대한 지하수위에서 멀리 떨어져 있으면서도 암반 자체 특성도 지하수의 유량이 적고 유속이 낮은 곳이 적당하다(Brotzen, 1982; Falck and Nilsson, 2009). 지질 구조적으로는 후보 지역의 판(tectonic plates)이 움직인다거나 혹은 후보지 근처에 단층이 존재하거나 파쇄대가 잘 발생한다면 누출의 가능성이 높아지기 때문에, 저장소를 건설하기 전에 후보 지역 대상 심도의 지질 구조 적합성을 먼저 규명해야 한다(Wang et al., 2018).

Fig. 1.

Path of a radionuclide is leaked due to impact or damage to an engineering barrier when a fracture (including a fault) or groundwater is located near a radioactive waste disposal site.

결정질암

결정질암은 크게 화성암과 변성암을 지칭하는 것으로 화강암, 응회암 그리고 현무암 등의 암석을 포함한다. 화강암은 상대적으로 건조하여 풍화 작용에 강하고, 부피 및 강도가 커 적합하다고 판단되고 있으며, 화강암을 모암으로 하는 대표적인 심층처분장 건설 전 실험용 지하연구시설로 스위스의 Grimsel 테스트 부지(Grimsel Test Site, GTS)가 있으며(Schneeberger et al., 2019), 건설 중에 있는 심층처분장은 핀란드의 Onkalo가 있다(Koittola, 2014; Sammaljärvi et al., 2017). 응회암과 현무암은 흡착 및 분자체(molecular sieving) 특성이 있는 제올라이트(zeolite)를 다량 포함하고 있어 방사성 핵종 유출 시 이동을 지연시킬 수 있다. 특히, 현무암은 공극률이 상대적으로 작고, 밀림(creep) 현상이 잘 일어나지 않는다는 장점이 있어(Roxburgh, 1987), 미국 네바다주에 위치한 Busted Butte 연구실이 응회암에 건설되었으며(Allan and Leonard, 1992; Turin et al., 2002) 핸포드(Hanford)에 위치한 BWIP(Basalt Isolation Pilot Plant) 프로젝트에서는 현무암을 후보 암종으로 고려하였다(Fecht, 1978).

증발암

증발암의 대표적인 암석으로는 석고, 경석고, 암염이 있는데, 이중 암염은 수리전도도가 상대적으로 낮고, 밀림에 의한 균열을 메울 수 있는 자기 밀봉(self-sealing) 능력이 있어 응력에 대한 소성 거동을 고려하여 계산하였을 때 800 m 이상의 깊이에서 지하수의 영향이 없을 경우, 심층처분장 부지로 적절하다(Roxburgh, 1987). 뉴 멕시코주의 칼즈배드(Carlsbad)에 위치한 WIPP(Waste Isolation Pilot Plant)가 증발암에 건설되었다(Sturchio et al., 2014).

점토암

점토질암은 공극률이 높지만 공극수가 크기가 매우 작은 암석 입자에 잡혀 있어, 수리전도도가 매우 낮아 자기밀봉 능력이 높다((Roxburgh, 1987). 특히, 소성 점토는 응력을 가한 경우, 균열이 잘 생기지 않는다는 장점이 있지만 역학적 강도가 낮다(Brookins, 2012). 이에 반해 석영, 장석과 같은 다양한 광물을 포함하며, 점토가 압축되어 형성되는 셰일은 소성 점토에 비해 역학적 강도가 커 안정적이고, 공극들이 서로 연결되어 있지 않아 수리전도도가 낮다는 장점이 있는데 반해 온도가 상승하게 되면 역학적 강도가 감소하고, 단열이 존재하는 경우도 있어(Brookins, 2012) 심층처분장 건설에 적합한 점토질암을 평가하고자 하는 연구가 수행되고 있다(Grambow, 2016). 최근, 스위스에서 점토암으로 이루어진 Nördlich Lägern 지역을 심층처분장 부지로 최종 제안한 바도 있다(Steinebrunner, 2019).

다양한 지질구조에서의 전기적 물성 변화 및 물리 탐사

심층처분장 후보 부지를 평가하는 데 주로 적용되는 전기·전자 현상에 기초한 탐사법에는 지하의 전기전도도 분포를 파악하는 전자(Electromagnetic, EM) 탐사(부록 A-1)와 자기지전류(Magnetotelluric, MT) 탐사법(부록 A-2)이 있으며, 이 외에도 매질의 유전율(electrical permittivity) 특성을 파악하는 지표투과레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사(부록 A-3), 매질의 전기비저항(electrical resistivity, ER) 분포를 측정하는 전기비저항 탐사(ER survey/tomography, ERT) (부록 A-4) 등을 사용하기도 한다.

물성 변화

암석학적 특성

암석학적 매핑은 심층처분장 평가의 주요 목표로 암석학적 단위의 연속성을 파악하는 것이 주된 관심사이다. 물리탐사 방법은 지표 및 시추공 탐사를 통해 암석학적 매핑을 측면 및 수직으로 확장하고 정보를 향상시키는 데 사용할 수 있다. 밀도, 대자율(magnetic susceptibility), 탄성파 속도(seismic velocity), 전기비저항과 같은 물성은 지질학적 연속성과 후보지의 무결성 특성을 파악할 수 있는 매개변수이다. 이 매개변수에 기초하여 암석학적 단위의 기하학적 구조와 연속성 및 무결성, 토양과 상부 퇴적물(overburden), 기반암의 깊이와 관련된 정보들을 파악할 수 있다.

심층처분장의 구조적 안정성은 지하매질의 특징(e.g., 단층, 묻힌 계곡(buried valleys), 유역(basin geometry)) 에 달려있는데 이런 특징들에 의해 탄성파 속도, 밀도, 전기비저항과 같은 물성이 다르게 나타난다(Telford et al., 1976). 특히 결정질 암반에서는 유체가 흐르는 경로인 균열과 파쇄대는 지하수가 많이 분포하므로 전기전도도가 높다는 특징이 있다(McGinnis et al., 2011).

수리지질적 특성

수리지질학적 매핑과 수포화도, 염도, 공극률과 같은 매개변수 특성화에 물리탐사 방법을 사용하여 효과적으로 진행할 수 있다(Hubbard and Rubin, 2000). 즉, 물리탐사를 활용하여 지하수위, 대수층의 기하학적 특성을 매핑할 수 있으며, 심층처분장 건설에 중요한 암석 단위 내의 일차적 흐름 경로와 관련된 균열과 파쇄대와 같은 2차 다공성 특성 파악(Binley et al., 2010)에도 이용할 수 있다.

지하수위 매핑

지하의 불포화 영역과 포화 영역 사이의 경계면을 파악할 수 있는 주요 물성은 전기비저항, 유전율, 탄성파 속도이다. 일반적으로 물이 공극을 채우고 있는 경우, 공극수의 상대적으로 높은 전기전도도 대비 암석과 퇴적물의 전기전도도는 매우 낮기 때문에 지하수가 존재하게 되면 전기비저항이 낮아지고, 물의 유전율은 공기에 비해 약 81배로 암석에 비해 큰 값을 나타낸다(Chandra, 2015). 또한, 공극이 물로 채워져 함수비가 높은 경우 탄성파 속도가 커지는 것과 같은 물리적 특성 대비로 지하수위를 해석할 수 있다.

대수층 특성화

후보 부지의 대수층을 특성화하기에 유용한 물성과 현상으로는 전기비저항(흙의 낮은 전기비저항 대 비고결성 대수층의 모래), 충전성(막 분극으로 인한 점토의 높은 반응) 등이 있다. 또한, 시추공 물리탐사를 통해 기존에 알고 있던 특성을 확장하여 매핑할 수도 있다. 예를 들어, 전기비저항 값과 수리전도도 값의 관계 등을 통해 전기비저항 단면에서 수리전도도 단면으로 확장하여 매핑할 수 있으며(Slater and Sandberg, 2000; Karasaki et al., 2008), 염수와 담수 사이의 물성 대비를 활용하여 해수 및 담수의 경계 매핑을 수행할 수도 있다(Sandberg, 1987).

구조지질학적 특성

단층(Fault)은 매우 흔한 지질 구조로 단층면(fault surface)을 따라 작게는 몇 밀리미터(mm)에서 크게는 몇 킬로미터(km)까지도 이동하기 때문에 심층처분장 후보 부지는 단층의 움직임의 영향을 받지 않거나 적은 곳으로 선정해야 한다(Dermol and Kontić, 2011; Rezaeimahmoudi et al., 2014). 이때 단층뿐 아니라 절리(joint) 및 파쇄대(fracture)와 같은 추가적인 구조 지질학적 특성을 파악하는 것도 중요하다. 단층, 절리와 같은 지질학적 구조에서는 단층면과 절리면을 따라 생기는 열린 틈(open fracture)이 물로 포화되기 쉬워 전기비저항 탐사 시 저비저항으로 나타나기도 하며, 단층 종류에 따라 전기비저항 대비(contrast)가 나타나는 영역을 해석하여 그 각도나 깊이 등을 파악할 수도 있다(Goto et al., 2005; Syukri et al., 2014). 탄성파굴절법탐사 시 단층은 저속도이상대가 나타나며, 이는 대부분 MT탐사나 EM탐사를 통해 얻은 결과의 저비저항 이상대와 관련이 있게 나타난다(Kim and Han, 2007).

전기·전자탐사를 이용한 부지선정 평가 적용성

전자탐사

전자(electromagnetic; EM) 탐사는 전자기파가 지하 매질로 전파하면서 발생하는 현상을 측정하는 방법으로 송신샘에서 전류를 흘렸다가 끊었을 때, 1차장이 없는 상태에서 2차장을 측정하는 시간영역 전자탐사(time-domain EM; TEM)와 연속적인 전자기파를 송신하여 알짜장을 측정한 후, 이론적으로 계산을 통해 1차장을 제거하여 2차장을 구하는 주파수 영역 전자탐사(frequency-domain EM; FEM)로 나눌 수 있다. 일반적으로 지면에 접촉한 전극을 통해 측정하는 다른 전기·전자탐사에 비해 EM 탐사는 지면과 직접 접촉할 필요가 없어 항공 전자탐사(airborne EM; AEM)가 가능해 상대적으로 쉽게 광대역 탐사를 수행할 수 있다는 장점이 있다(Hambleton-Jones et al., 1984; Ito et al., 2012). 또한, 고전도성 매질에서 높은 해상도를 제공하고, 고저항성 매질에서는 높은 투과율을 제공한다(West et al., 1987). 지하 매질의 전기전도도는 수분 및 염분 함량 뿐만 아니라 지질 구조, 질감, 광물학과 관련이 있기 때문에(Nadler and Frenkel, 1980; Shainberg et al., 1980), 심층처분장 부지 선정 과정에서 전기전도도 분포를 파악하여 지하 매질에서 단층 및 균열대 위치를 파악하거나 대수층 점토 분포 및 지하수 매핑하는 데 활용할 수 있다(Taylor et al., 1992; Sheets and Hendrickx, 1995; Femina et al., 2002).

자기지전류탐사

MT 탐사는 지구의 자연적 전자기장을 이용하여 수십 m ~ 수 km 깊이의 전기전도도 분포를 조사하는 수동적 지구물리학적 방법으로 수직, 수평적 변화에 민감하여 복잡한 지질학적 구조를 파악하기에 적합하다(Vozoff, 1972). MT 탐사법의 강점은 전기장과 자기장을 측정하여 전기비저항 분포를 정량적으로 해석할 수 있고, 친환경적이자 저비용으로 매우 심부까지 탐사할 수 있어 심부에 위치할 심층처분장 부지를 평가하는 방법으로 적합하다(Ogawa et al., 2001). 특히 심부 MT 탐사는 부지조사에서 전기비저항 분포를 파악하여 지하 매질에서 단층대 위치를 규명하거나 지하수 조사 등에 주로 활용될 수 있다.

방폐장 대상 심도가 1 km 전후임을 감안하면, MT 탐사 방법 중 높은 주파수를 사용하는 가청주파수 자기지전류탐사(Audio-frequency MT; AMT)가 보다 많이 이용될 수 있으며, 자연 송신원에 기초하면 신호의 시간적 계절적 변동이 커 이를 보완하기 위해 인공 송신원을 사용하는 인공샘 가청주파수 자기지전류탐사(Controlled-Source AMT; CSAMT) 탐사를 수행하기도 한다. AMT와 CSAMT 각 탐사법의 장점을 고려한 복합 역산을 수행하여 단일 해석보다 해석의 정확성을 향상시키기도 한다.

전기·전자탐사 이외 탐사법과 복합 해석

부지의 적합성 평가를 위해 전기·전자탐사법 이외에 탄성파 탐사를 수행한 결과와 전기·전자탐사 결과를 복합해석하기도 한다(Femina et al., 2002; Ronczka et al., 2017; An et al., 2015). 이때 전기·전자탐사를 수행함으로써 물로 포화된 파쇄대 내지 균열대를 파악하고, 이외에도 수리지질학적 특성이나 전기적 특성을 가지는 구조들을 파악할 수 있다. 탄성파탐사는 전기·전자탐사를 통해 파악한 전도성 내지 전기비저항 이상의 원인을 해석하는 데 도움이 될 수 있으며, 반대로 전도성 이상은 탄성파탐사를 통해 얻은 약한 반사 영역 내에 균열이나 파쇄 영역이 있는지에 대한 추가 해석을 가능하게 한다(Juhlin and Palm, 1999; Yao et al., 2020).

나라별 심층처분장 부지선정 적용 사례

일본 호로노베 지역

일본에서는 지하연구시설 건설을 위한 후보 부지로 호로노베 지역을 선정하였으며, 부지를 평가하기 위한 지표조사를 2001년 4월부터 실시하였다(Shigeta et al., 2003). 문헌조사 결과를 바탕으로 4개 지역을 선정하여 이를 포함하는 광범위한 지역의 암석학적 정보를 파악하고자 헬리콥터(helicopter) 기반의 항공(airborne)전자탐사(HAEM), 자기 및 감마 분광분석(spectrometry)을 수행하였다. 이후, MT/AMT 탐사를 수행하여 광대역 HAEM탐사에서 얻을 수 없었던 더 깊은 지하의 지질구조에 대한 정보를 얻을 수 있었다. 이를 토대로 시추공 결과와 비교하여 주로 사암과 역암으로 구성된 사로베츠(Sarobetsu) 층과 유치(Yuchi) 지층이 오마가리(Ohmagari) 단층 서쪽 지표면에서 1000 m 깊이까지 분포하는 것으로 해석을 확대할 수 있었다.

뿐만 아니라 오마가리(Omagari) 단층의 3차원 형상을 이해하고자 AMT탐사를 수행하였다(Hatanaka et al., 2008). 탐사를 통해 얻은 높은 전기비저항 구역은 오마가리 단층을 따라 담수가 우선적으로 침투할 수 있는 구역으로 해석할 수 있었으며, 탄성파 반사법 탐사 및 시추공 탐사를 기반으로 해석한 이상체 위치와도 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 오마가리 단층의 3차원 매핑을 위해 AMT 탐사 외에도 노두 조사(outcrop survey), 시추공 이미지 분석, 전기비저항 검층, 지하수 화학 분석, 탄성파 반사법 탐사 결과를 종합하여 해석의 질을 개선할 수 있다고 판단하였다(Hatanaka et al., 2008).

호로노베(Horonobe) 해안가 지역에서는 부지 근처의 암석학 및 수리지질학적 특성을 파악함으로써 이 지역의 적합성을 판단하기 위해 MT탐사를 수행하였다(Ueda et al., 2014). 탐사를 위해 길이 1420 mm, 직경 60 mm의 광대역 진동수 범위가 104 ~ 700 Hz인 상용 유도 코일(Schlumberger- EMI사의 BF-4 센서)을 자기장 센서로 사용하여 두 개의 수평 자기 구성 요소를 측정하였고, 전기장 측정 시 발생하는 잡음을 줄이기 위해 Ag-AgCl 비분극 전극을 사용하였다. 육상 및 해안에서 측정한 MT 자료의 2D 역산 단면 결과, 육상 MT 측선 아래에 약 50 m 깊이의 고비저항(10 ~ 100 ohm-m) 영역과 상대적으로 저비저항의 얇은(10 ~ 30 m) 층을 확인하였다(Fig. 2a). 고비저항 영역은 염수가 전기비저항이 높은 신선한 빗물에 의해 씻겨 나가는 사로베츠층으로 해석하였으며, 이와 반대로 얇게 나타나는 저비저항 층은 해저 침강 시 포화된 염수에 의한 실트 점토의 석호(lagoon) 퇴적물로 해석할 수 있고, 이는 시추공 물리검층(geophysical logging) 자료(data)(Fig. 2b)와도 일치하는 것을 확인할 수 있다(Koshigai et al., 2012). 또한, MT 전기비저항 단면만으로는 구분하기 어려운 유치층과 코에토이(koetoi)층을 탄성파 반사법 결과의 속도 변화를 통해 해석할 수 있었다(Fig. 2c).

Fig. 2.

Comparison of (a) MT electrical resistivity cross-section with (b) logging, and (c) seismic reflection cross-section performed in the Horonobe coastal area (Ueda et al., 2014).

해저전자탐사 적용 결과, 이전 조사의 지질 정보로부터 추정에 머무르고 있던 단층 분포의 연장선과 단층의 연속성을 확인할 수 있었다. 또한, 지하 심부 암반의 분포를 추정하는 것이 가능 해졌으며, 더욱이 측정한 전기비저항의 분포로부터 암반의 균열의 발달 또는 변질의 정도와 투수성의 분포 등과 같은 정보를 파악할 수 있다. 해저전자탐사법은 다중 채널 음파 탐사에 비해 정밀도가 떨어지지만 음파 탐사의 적용이 어려운 연안 결정질 암반에서의 적용이 가능하고, 암반의 균열 밀도와 같은 성상에 관한 정보를 알 수 있어 높은 적용성을 기대할 수 있다고 판단하였다.

중국 간쑤성

중국에서는 3가지(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ) 변성 화강암(metamorphic granite)이 주를 이루는 간쑤(Gansu)성에 위치한 베이샨(Beishan) 지역을 대표적인 폐기물 처리장 후보지로 하여 항공자력탐사, 중력탐사, 인공샘 AMT탐사(CSAMT), 전자탐사를 포함한 여러 물리탐사를 수행하였다(An et al., 2013; Zhang et al., 2011). 후보 부지를 둘러싼 암반의 단층 깊이 및 작은 규모의 노두(outcrop)와 약화된 영역을 식별하기 위해 CSAMT를 수행하였다(An et al., 2013). CSAMT 탐사는 쌍극자에 의해 지면으로 전달되는 교류에 의해 생성되는 전기장, 직교 자기장을 측정하고 겉보기 전기비저항 계산을 위해 Cagniard 전기비저항(Cagniard, 1953) 방법을 사용하였으며, 탐사 측선의 길이는 1.56 km, 인접한 전극의 거리는 20 m로 설정하여 탐사 심도를 약 1 km까지 하였다. 송신원은 측선에서 남서쪽으로 약 12.4 km 떨어진 곳이 위치시킨 후 9,600 ~ 1 Hz의 다양한 진동수를 사용하여 측정한 자료에 대해 정적 효과를 감소시키기 위해 해닝(hanning) 필터(Torres-Verdin and Bostick, 1992)를 적용하였다.

CSAMT 역산 결과, 조사 지역 전체에 걸쳐 1,000 ~ 4,000 ohm-m의 고비저항이 나타나는 영역을 모암인 화강암으로 해석하였으며, 기존의 지질정보에 의해 이미 알고 있었던 단층의 위치(측선 320 m와 670 m 지점)에서 약 500 ohm-m의 저비저항 영역이 북서쪽으로 70 ~ 80°로 뻗어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이와 비슷한 저비저항 양상을 띠는 영역이 측선의 1,140 m와 1,340 m 지점 천부에서 나타났으며, 이는 이전의 지질 조사에서 관찰되지 않았던 새로운 단층으로 해석할 수 있었다.

베이샨 지역에서 균열대 위치뿐 아니라 그 생성 원인까지 파악하기 위해 AMT 탐사, 시추공 물리검층과 함께 탄성파탐사를 복합하여 수행하기도 하였다(Yao et al., 2020). AMT 측선에 위치한 BS15 시추공의 물리검층 자료를 통해 그 부근에 현저히 낮은 전기비저항 이상체가 있음을 확인하였으며, 원인을 조사하기 위해 탄성파탐사를 수행하였다. 이때, 탄성파탐사 결과로부터 파악 가능한 반사 영역은 균열 또는 암석학적 특징에 대한 정보를 얻을 수 있지만 단일 탐사만으로는 반사를 일으킨 대상에 대한 정확한 정보를 얻기 쉽지 않다. 반면, AMT탐사에 의해 탐지된 전도성 이상은 일반적으로 파쇄 영역과 관련이 있기 때문에 균열대 여부를 확인할 수 있고, 형상 및 범위를 개략적으로 설명할 수 있지만, 파쇄의 원인을 규명하기는 어렵다는 단점이 있어 변형 여부를 확인할 수 있는 탄성파탐사와 복합 해석하여 상호 탐사법의 단점을 보완하였다. 탐사 결과, AMT에 의해 확인된 BS15 시추공 부근의 전도성 이상체 영역의 탄성파탐사 단면에서는 약한 반사로 인해 연속적인 볼록 또는 오목한 모양으로 끊기는 것을 확인할 수 있으며, 이는 일반적으로 변형(deformation) 현상과 관련이 있어 이상체의 원인을 파쇄대를 형성하는 변형으로 추론하였다.

간쑤성의 또다른 후보지인 신창(Xinchang) 지역에서 단층대 위치 파악을 위해 높은 진동수의 전자탐사를 수행하였다(Zhang et al., 2011). 탐사를 위해 Xinchang-Xiangyangshan 구간에 SW330 방향으로 약 77 km 길이의 측선을 설계한 후, TM(transvers magnetic) 모드와 TE(transvers electric) 모드로 나누어 측정하여 그 둘에 대해 각각 자료처리하고, 켤레(conjugate) 기울기 방법을 사용하여 역산하였다. 그 결과, 역산 단면에서 화강암 암반으로 이루어진 영역은 800 ohm-m 이상, 깊은 단층 구조에서는 500 ohm-m 미만으로 베이샨 지역의 CSAMT 자료와 유사하게 나타났다. 이외에도 측선의 88 ~ 89번 지점 사이에서 물로 차 있을 것으로 예상되는 200 ~ 500 ohm-m의 저비저항 균열대가 약 500 m 넓이로 분포하는 것을 확인하였으며, 저비저항을 따라 약 70°로 기울어진 단층대로 추측할 수 있었다(Fig. 3a). 또한, 약 5 km의 무결(intact) 암반의 위치도 확인하였다. 측선의 164 ~ 177 지점에서는 최소 100 ohm-m의 전기비저항을 나타내는 응력 상태가 매우 복잡하고, 물을 포함한 균열이 다수 존재하는 50 ~ 70° 각도의 단층대로 해석할 수 있었다(Fig. 3b).

Fig. 3.

EM inversion results at Xinjiang. (a) 70° fault zone present along the low resistivity seen in the 83-94 line cross-section (b) Interpretation of the low resistivity region as a fault zone at an angle of 50 to 70° with many fractures containing water (Zhang et al., 2011).

단층대의 깊이 및 각도와 같은 정보를 파악한 후, 암석의 무결성과 불연속성에 대한 더 정확한 판단을 위해 이에 효과적인 지표 고해상도 전자탐사(EM)를 수행하고, 시추공 조사를 통해 얻은 지질정보와 복합 해석을 수행하였다(Wang et al., 2018). 지질정보(Fig. 4a)와 EM 탐사 결과(Fig. 4b)를 통해 얻은 전기비저항 대비를 해석하여 주요 단층의 위치를 파악하여 연구지역의 3D 지질모델을 확립하였다(Fig. 4c). 3D 지질모델을 통해 단층이 지나지 않는 약 2 km 깊이의 우수한 무결성을 가진 암반을 확인하였으며, 지하연구시설(Underground Research Laboratory, URL)이 위치하기에 적합한 장소로 해석하였다. 3D 모델은 부지의 심층 지질환경 특성을 시각적으로 제시하며, URL 설계를 최적화하는 효율적인 도구로서 작용할 수 있다고 판단하였다(Luo et al., 2017).

Fig. 4.

A geological model constructed by combining drilling data and EM data for the Xinchang URL site (Wang et al., 2018).

파악하고자 하는 구조의 명백한 전기적 특성의 존재로 전자탐사를 통해 단층 구조와 공간 패턴의 특성을 충분히 파악하였으며, 포괄적인 해석을 위해 다른 물리탐사 방법 및 지질학적 정보와 통합하여 지질도를 제작하였다.

중국 내몽고(Inner Mongolia) 지역

중국의 또다른 대표 후보부지로 투수성이 좋지 않은 점토암으로 이루어진 내몽고 자치구 지역에서 활발한 연구가 진행되고 있으며, 부지의 적절성 판단을 위해 MT 탐사를 수행한 바 있다(Huang et al., 2019). 해당 연구에서는 내몽고 타무수(Tamusu) 지역 점토암의 공간적 분포 및 지하의 깊은 지질구조 특성을 파악하기 위해 4개의 MT 측선을 약 2 ~ 3 km 길이로 설치하고, 각 측선을 따라 21 ~ 31개의 송신원을 위치시켰다. 측정한 자료는 적응형 정규화(adaptive regularization) 역산 알고리듬을 사용하여 역산하였다. L1 측선의 서로 다른 MT 역산 결과와 이전의 탄성파 탐사 해석 단면 및 시추공 자료를 종합하여 지질학적 추론 모델을 제시하였다. MT결과에서 전기비저항이 낮은 얕은 깊이의 층은 백악기 제4기 및 상부 Bayin-Gebi 층(K1b2-3)으로 대부분 사암과 진흙 모래일 것으로 추측하였다. 또한, 중간 정도의 전기비저항에 해당하는 중간층은 백악기 하부 Bayin-Gebi(K1b1)층으로 대부분 진흙으로 구성되어 있는 것으로 판단하였으며, 고비저항의 깊은 층은 역암(glutenite)과 응회암(tuff)으로 이루어져 있을 것으로 예상된다. 이를 종합하여, 중간층인 백악기 하부 Bayin-Gebi 층을 고준위 방사성 폐기물 저장소의 부지 선정을 위한 목표 층으로 제안하였다.

타무수지역 외에 내몽고에 위치한 알사(Alxa) 지역도 심층처분 부지로 논의되고 있으며(Blacic, 1981; An and Di, 2016), 기존 지각 안정성 연구 결과를 토대로 타무수(Tamusu)지역과 인접한 알사의 타무수 암반을 대상으로 물리탐사를 수행하였다(An and Di, 2016). 전자탐사 수행 전 항공 자기탐사와 중력 탐사를 수행하여 암반의 내부 밀도(internal density)와 자기 성질(magnetic properties)의 분포가 균일하지 않음을 확인하여 균열과 파쇄가 존재한다고 해석하였다. 선행 탐사 결과의 검증을 위해 CSAMT 탐사를 수행하였으며, 각 측선에서 쌍극자 거리를 1.25 ~ 1.4 km한 총 4개의 측선을 설계하였다. 탐사 결과, NE 측선(Line1, 2)은 얕은 깊이에서 전기비저항이 낮은 반면, 중간 깊이에서는 중간-높음 또는 중간-낮음을 보이는 부분이 존재하는데, 이는 중력 및 자기 탐사의 균열 및 파쇄 해석 결과와 일치하는 영역으로 이 영역의 암반이 연속적이지 않고 균열과 파쇄가 존재함을 명확히 할 수 있었다. 암반이 연속적이지 않고 균열과 부서진 암반이 존재하기 때문인 것으로 해석하였다. 그러나 제안된 폐기물 저장소의 깊이(500 ~ 1,000 m) 이하에서는 전기비저항 특성에서 암반이 손상되지 않았음을 확인하였다.

후속 연구에서는 CSAMT를 수행하여 더 정확하고, 많은 정보를 포함한 자료를 얻기 위해 먼저, 연구영역의 대표적인 구조에 대해 3차원 유한요소법을 사용한 수치모델링을 수행하고, 그 반응을 분석하여 실제 진동수 범위 선택 및 해석 가능한 구조를 확인하였다(Di et al., 2018). 이후 연구지역에 14개의 측선에서 자료를 측정하여 그 결과를 굴착 정보와 결합함으로써 저장소를 건설하기에 적합한지 평가하였다.

탐사에 적합한 진동수 선정을 위해 전기비저항과 모양이 다른 이상체(75° 기울어진 단층대 모양의 1000 ohm-m 이상체 A, 타원형 모양의 1500 ohm-m 이상체 B, 직사각형 모양의 1000 ohm-m 이상체 C)를 포함한 모델을 설정한 후 역산하였다. 6310 ~ 1 Hz의 총 20개 진동수에서 실험해본 결과, 진동수가 높은 경우 A, C 이상체가 선명하게 보이지만 B의 경우 높은 진동수에서 보이지 않다가 3980 Hz로 감소하면 나타나기 시작해 가장 낮은 진동수까지 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 현재 탐사에서 이상체를 잘 확인할 수 있는 진동수 파악을 꾀하였다.

수치모델링 결과를 통해 이전의 연구를 발전시키고자 뚜렷한 파쇄가 보이지 않는 지역을 선정하여 추가적인 파쇄 구간을 파악하고자 하였다. 다양한 요인을 고려하여 설정한 측선의 방향은 N74°E으로 모두 약 3 km이며, 간격은 500 m로 하였다. 측선과 송신기 사이의 거리는 9 ~ 16 km이고, 송신 쌍극자 길이는 약 2 km이다. 탐사 결과, 연구지역의 500 m 깊이 아래의 일반적인 전기비저항 값은 3,000 ohm-m 이상으로 1,000 ohm-m 정도의 전기비저항 영역은 암반에 파열이 존재하는 것으로 해석할 수 있다(Fig. 5). 측선과 겹치는 시추공 결과에서 나타나는 부서진 암석 및 파쇄는 저비저항 구간과 일치함을 보였으며, 이와 같은 저비저항 이상은 물을 더 많이 함유하고 있는 공극률 및 투과성을 가질 수 있는 영역으로 해석하였다(Fig. 6).

Fig. 5.

CSAMT 2D inversion result of the 14 lines in Alxa area (Di et al., 2018).

Fig. 6.

Comparative analysis of the CSAMT inversion results with (a) synthetic data, (b) 2D inversion result of CSAMT data, and (c) drilling data.

영국 셀라필드

영국의 폐기물 처리장 후보 부지인 셀라필드(Sellafield)에서 CSAMT탐사를 수행하여 부지의 전체적인 수리지질학적 특성을 파악하고자 하였다(Unsworth et al., 2000). 탐사는 10개 채널 EMI MT-1 시스템을 사용하여 1 ~ 4096 Hz 진동수 범위의 자료를 얻을 수 있었으며, 이는 2.5D 모델링과 역산을 수행하여 해석하고자 하였다. 역산 결과는 전기비저항 크기에 따라 1 km 정도 내륙으로 확장되어 있는 해안가 아래 낮은 전기비저항(<20 ohm-m) 영역과 서쪽으로 깊어지는 중간 정도의 전기비저항 값(20 ~ 200 ohm-m), 그 외 높은 전기비저항 값(> 200 ohm-m)으로 나누어 해석하였다. 연구지역에서 대체로 전기비저항 값이 낮은 고염수(hypersaline) 영역은 서쪽에서 나타났으며, 이는 흐름 도관 역할을 함과 동시에 장벽의 역할을 할 수 있는 단층의 영향으로 해석하였다. 이때 시추공 자료와 비교하여 염수는 균질하지 않으며, 고염수 영역의 동쪽에도 전기비저항이 높지만 여전히 염분이 있는 구역이 존재하는 것으로 해석할 수 있었다. 탐사 결과, 전기비저항 모델은 현장에서 수집된 검층자료와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었으며, 고염수 지하수 구역의 존재를 파악하고, 더 나아가 수리지질학적 단층의 영향을 판단할 수 있는 기반을 제공하였다.

미국 네바다(Nevada)주 유카(Yucca) 산맥

Highway 95 단층은 유카 산맥과 네바다주 남서부의 화산 지대에 위치한 단층으로 지하수가 이동하는 매개체 역할을 수행하지만 이에 대해 알려진 바가 거의 없다. 미국 지질조사국(USGS)과 애리조나 수자원과학센터(AZWSC)는 Nye County 핵폐기물 저장소 프로젝트 사무실(NWRPO)과 협력하여 전기비저항탐사, 인공샘 AMT 탐사(CSAMT) 및 시간영역 전자탐사(TEM)를 수행하여 단층 및 암석학적 구조에 의해 제어되고 있는 대수층과 충적층 아래 묻혀 있는 구조물에 대한 이해를 높이고자 하였다(Macy et al., 2012).

전기비저항 탐사는 Zonge GGT-30 송신장비와 Zonge GDP-32 수신기를 사용하였으며, 전극 사이 거리를 600 m로 하여 쌍극자 배열로 수행하였다. 역산 결과, 1 ~ 18 전극 사이에 Paintbrush Group tuffs로 해석할 수 있는 고비저항이 위치하고, 20 ~ 36 사이에 점토 및 실트암을 포함하는 Pre-Crater Flat Group의 퇴적암으로 해석할 수 있는 저비저항 영역이 있음을 파악하였다. 전극 위치 18 ~ 20 부근에서는 전기비저항 값의 뚜렷한 변화를 보이며, 이를 Highway 95 단층으로 해석하였다.

CSAMT 탐사는 Zonge사의 GDP-32 장비를 사용하였으며, 6개의 비분극 전극(porous pot) 6개와 Zong ANT3 자기 안테나, 전기비저항 탐사에 사용한 Zonge사의 송신 및 수신기를 25kW 발전기에 연결하여 사용하였다. 1 km 길이의 쌍극자를 사용하여 전기장을 송신하고, 각 전기장을 측정하는 데 50 ~ 80 m의 쌍극자를 사용하였다. TEM은 1D 역산결과를 보간(interpolation)하여 해석하고자 하였으며, 500 m 크기의 대형 루프를 사용하여 1.5 km 길이의 측선 정보를 해석하고자 하였다.

TEM 역산을 수행하기 위해서는 MORIGEMA와 Zonge 소프트웨어를 사용하였으며, 이들의 결과는 비슷하지만 MORIGEMA결과는 Zonge 소프트웨어가 식별하지 못한 깊은 곳에 위치한 고비저항 고생대 탄산염을 식별할 수 있었다. MORIGEMA 소프트웨어를 사용한 역산 결과, 표면 근처에 약 200 ~ 300 ohm-m의 전기비저항 물체가 높이는 730 m까지 확장되는 것을 확인할 수 있다. 고비저항 물체 아래 700 m에서 약 330 m까지 확장되는 저비저항 영역도 확인할 수 있으며, 저비저항 영역을 Crater Flat Group Tuffs 및 Pre-Crater Flat Group으로 해석하였다. 또한, Highway 95 단층에 의해 상승된 고생대 탄산염을 나타내는 330 m 아래 위치한 영역을 식별할 수 있었다. CSAMT 탐사 결과에서는 4개의 측선에걸쳐 나타나는 Highway 95 단층을 확인하였다. 탐사 결과, 단층의 상세한 위치 표명이 가능하였으며, 지질학적 정보와 결합해 깊은 고생대(Paleozoic) 탄산염을 상승시켜 얕은 지하수의 이동을 억제함으로써 충적층 대수층의 두께를 감소시키고 물의 이동을 제한하는 시나리오를 생성할 수 있었다.

체코 Březový potok 지역

최근 연구에서는 연구 부지의 전체적인 지질지도를 만들기 위해 표면과 깊이 자료를 모두 수집하고자 더 복잡한 접근법을 요하기 때문에 지질학적 및 수리지질학적 매핑, 형태구조(morphostructural) 분석(e.g., Ritter et al., 1995; Jelinek, 2008) 및 지구물리학적 조사(e.g. Demanet et al., 2001; Ganerod et al., 2006)의 복합해석이 유망한 방법으로 여겨지고 있다. 이에 따라 체코의 심층처분장 후보 부지인 Březový potok 지역의 3D 지질 모델 구성을 목표로 지질학적 조사 형태구조 분석 및 물리탐사를 수행하였다(Soejono et al., 2021).

탐사는 암석의 유형과 지질 구조(tectonic zone)를 파악하여 지질지도를 만들기 위한 목적으로 수행하였으며, 측선 위치 또한 목적에 맞게 암석학적 접촉(lithological contact)을 파악할 수 있는 총 14개의 위치를 선정하였다. 해당 연구지역에서는 전기비저항 변화로 약 20 m 두께의 퇴적암 덮개와 지질구조의 종료지점을 나타내는 것을 알 수 있었으나(Fig. 7) 겉보기 전기비저항으로 유사한 광물을 가진 암석 사이의 접촉을 구별하기 어렵기 때문에 굴절법 탄성파탐사를 수행하여 더욱 정확한 해석을 하고자 하였다. 탄성파 굴절법 탐사 결과, 속도가 감소한 구간으로 하강 구역(dip of zone)의 방향과 퇴적 덮개의 두께를 파악할 수 있었다. 결과적으로 기존의 지질지도를 보완하기 위해 물리탐사 결과와 본 연구 도중 파악한 형태구조 분석을 종합하여 새로운 지질지도를 제작할 수 있었으며, 이는 방사성 폐기물의 심층 저장소를 위한 안전 평가 및 최종 부지 선택을 위한 중요한 역할을 할 것으로 평가된다(Fig. 8).

Fig. 7.

(a) Apparent resistivity data of dipole arrays obtained from profile BRP-054500–6500 m; (b) seismic velocity distribution obtained from seismic refraction survey (Soejono et al., 2021).

Fig. 8.

3D geological model constructed based on various geophysical methods. Faults are displayed as grey planes (Soejono et al., 2021).

결 론

원자력 발전에 에너지 생산의 상당부분을 의존하고 있는 우리나라에서 고준위 방사성폐기물 처리는 불가피하며, 이에 따라 고준위 방사성 폐기물을 안전하게 처리하는 것은 매우 중요하다. 전 세계적으로 안전하면서도 실현 가능한 폐기물 처리 방법으로는 심층처분방법이 유일하다. 심층처분장 부지 선정시에는 암종, 암석학적 단위의 기하학적 구조와 같은 암석학적 특성뿐 아니라 단층 및 파쇄대와 같은 구조지질학적 특성과 파쇄대를 따라 흐르는 지하수와 같은 수리지질학적 요소도 고려할 수 있어야 한다. 이러한 심층처분 부지 선정 시에, 전세계적으로 물리탐사 방법을 많이 적용하고 있는데, 특히 전기·전자탐사는 탄성파 탐사보다 지하 매질 내 물성 변화에 민감하고, 수리지질특성을 파악하는 데 유리하기 때문에 이에 대한 국외 사례들을 분석하였다.

전기·전자탐사를 수행하여 얻을 수 있는 지하 매질의 전기전도도 분포를 통해, 암반 내 지하수가 흐르는 단층이나 파쇄대임 존재 여부를 알 수 있고, 지하수 매핑 및 대수층을 특성화할 수 있다. 전기·전자탐사법 중 CSAMT와 MT 탐사는 매우 깊은 심도까지 탐사할 수 있기 때문에 심층처분장이 부지 선정의 주된 탐사법으로 사용하였다. 또한, 전자 탐사법은, 장비의 비약적인 발전으로 그 효율성과 적용성이 개선되어 깊은 심도에 대해서도 의미있는 정보를 파악할 수 있어 심층처분장 부지 선정 시에 적합하다고 판단된다. 이 논문에서 분석한 후보부지의 전기·전자탐사 관련 물성 변화 및 국외 사례에 기초하여, 향후 국내 부지 선정 단계에 긍정적인 효과를 가져오는 것을 기대해본다.

부록

부록 A: 물리탐사 방법

A-1. 전자(EM) 탐사

전자탐사는 지하의 전기전도도 분포를 파악하기 위해 전자기장을 송신하여 지하에 유기되는 유도전류에 의한 2차장 또는 합성장을 측정하는 물리탐사 방법으로 송신 진동수에 따라 전자기장의 진폭 및 위상 성분을 파악하는 진동수영역 전자탐사와 시간의 지연에 따라 2차장을 측정하는 시간영역 전자탐사로 나뉜다. 지연 시간에 따라 2차장이 깊은 심도로 이동하므로 점진적으로 심도에 따른 정보를 제공할 수 있고, 그 감쇠율은 지하의 전기전도도 분포와 관련된다(West et al., 1987).

전자탐사에서 지하의 겉보기전도도(apparent conductivity, σa)는 다음과 같이 구할 수 있다.

σa=4ωμ0r2ImSP

여기서, P는 1차장, S는 2차장으로 S/P는 1차장에 대한 2차장의 비이고, r은 송수신 간격, μ0은 진공에서의 투자율, ω(=2πf)는 각진동수이다.

A-2. 자기지전류(MT) 탐사

자기지전류 탐사는 자연적으로 존재하는 약 0.001 Hz에서 수십 Hz까지의 전자기장을 이용해 지하의 전기전도도 및 전기비저항 분포를 규명하는 탐사법으로 지하 수십 km의 심부 탐사가 가능한 탐사법이다. MT탐사에서 겉보기 비저항(ρa)과 위상(𝜙) 다음과 같이 정의한다(Vozoff, 1991).

ρa=1ωμ|Z|2

ϕ=arctanIm(Z)Re(Z)

여기서 𝜀는 유전율, 𝜇은 투자율, Z는 임피던스이다.

이때, 송신원으로 사용하는 평면파의 수평 전기장(Ex,Ey)수평 자기장(Hx,Hy)은 임피던스 텐서 Z에 의해 다음과 같은 관계로 나타낼 수 있다(Vozoff, 1991).

ExEy=ZxxZxyZyxZyyHxHy

임피던스의 대각성분은 지하 매질의 비대칭성과 관련된 정보이고, 비대각성분은 전기전도도의 수직 변화량과 관련된 정보를 내포하고 있는 것으로 물리적 의미는 비대각성분 임피던스의 겉보기 전기비저항 및 위상과 관련되어 있다.

A-3. 지표투과레이더(GPR) 탐사

지표투과레이더 탐사는 높은 주파수의 전자기파를 이용하여 지하 구조물을 탐지하는 비파괴적 탐사로 지표면이나 구조물의 표면에 안테나와 같은 장비를 이용하여 발생시킨 전자기파를 입사시킨 후, 유전율, 투자율과 같은 물성에 영향을 받으며 되돌아오는 반사파를 수신기로 기록하여 매질 특성을 파악하는 탐사이다. GPR탐사는 얕은 지표면에서 고해상도의 해석이 가능하며, 매질에서 전자기파의 속도(VEM)는

VEM=cε

로 나타낼 수 있다. 여기서 𝜀는 유전율(permittivity), c는 빛의 속도이다.

또한, GPR 탐사에서 신호의 진폭(A)은 반사되어 돌아오는 신호의 강도를 나타내는데, 다음과 같이 표현할 수 있다.

A=kEe-∂d

이때, k는 비례 상수, E는 전자기파의 진폭, 𝛼는 지층에서 전자기파의 흡수율, d는 탐사 대상과 장비 간의 거리를 뜻한다.

인접한 두 매질 사이의 유전율 차이로 인해 전자기파의 반사가 발생하며, 반사계수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

R=V1-V2V1+V2

여기서 V1과 V2는 각 1층과 2층 매질의 전자기파 속도를 의미(V1<V2)한다.

A-4. 전기비저항 탐사

전기비저항 탐사는 직류(DC) 전류를 송신원으로 하는 탐사로 두 개의 전류 전극 C1, C2를 통해 전류원을 흘려보낸 후, 지하 매질의 고유한 전기적 특성에 의해 형성된 전압(VP)두 개의 전위 전극 P1, P2를 통해 측정하여 지하 매질의 전기비저항 역산 단면을 해석하는 물리탐사 방법이다. 이때, 측정을 통해 얻는 값은 겉보기 전기비저항(ρa)으로 다음과 같이 구한다.

ρa=GVpI

여기서 I는 주입 전류, G 거리계수는 각 전극 쌍 사이의 거리 C1P1, C2P1, C1P2, C2P2로 나타내어 다음과 같이 구한다.

G=2π1C1P1-1C2P1-1C1P2+1C2P2-1

전기비저항 탐사에서는 쌍극자 배열, 웨너 배열, 슐렘버져 배열과 같이 다양한 전극 배열을 사용한다. 실제 현장에서 얻을 수 있는 겉보기 전기비저항은 실제 지질학적 의미를 포함한 것이 아니므로 이를 역산하여 지하의 참 전기비저항(𝜌)을 구현한 후, 해석을 수행한다.