서 론

원자력 에너지는 저탄소, 저이산화탄소 배출 에너지 생산으로의 사회적 전환에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 원자력 에너지의 확대 및 신규 도입을 위한 핵심 과제 중 하나는 관련 폐기물의 안전한 처분 방법의 입증이다. 지난 수십 년간 전 세계적으로 고준위 방사성폐기물(high-level radioactive waste, HLW)을 적합한 지질구조를 가진 지하 저장소에 처분하는 방안이 광범위하게 연구되고 있다. 지질구조의 역할은 안정적인 역학적 조건, 유리한 수리 및 지화학적 조건, 낮은 지하수 유동, 그리고 처분장에서 누출될 수 있는 방사성핵종의 이동을 효과적으로 억제하는 것이다(Andersson et al., 2013).

규제요건을 충족하는 안전성과 폐기물 격리를 보장하는 적합한 심층처분장 부지를 선정하기 위해서는 부지특성화가 필요하다. 부지특성화는 지질조건에 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).

사용후핵연료는 캐니스터(canister)라는 저장용기에 밀봉 포장되어 심층처분장 저장소에 처분되며, 공학적 방벽과 천연방벽에 의해 인간 생태계와 수천 년 이상 격리된다. 하지만, 캐니스터가 지진 또는 지하수 등에 의해 손상 또는 부식되면 천연방벽을 이루는 지하암반의 파쇄대를 따라 방사성핵종이 지하수와 함께 유출될 수 있다. 따라서 천연방벽을 이루는 저장소 인근의 지하암반은 파쇄대가 최소로 분포하는 영역을 선정하여야 한다.

국내에서 도로, 철도, 지하철과 같은 교통인프라, 발전소, 산업단지, 아파트단지 건설의 부지조사에서 단층파쇄대와 같은 지질구조는 항공사진 판독, 수치지형도 분석, 야외 노두조사와 같은 지표 지질조사와 시추코어 지질주상도를 통해 주로 조사되며, 물리탐사 기법은 지표탐사를 중심으로 보조적으로 사용된다. 하지만, 심층처분장 저장소는 지하 500 m 심도에 위치하여 지표에서 관찰된 노두를 바탕으로 수백 m 심도의 지질조건을 파악하는 데 어려움이 있으며, 시추조사는 저장소가 위치하는 암반을 손상하므로 적용 수량에 제약이 따른다. 이에 반해 비파괴 조사 방법인 물리탐사는 지표 또는 심부 암반의 무결성을 손상시키지 않으면서 처분부지의 지질 상태와 조건을 효과적으로 평가할 수 있다(USNRC, 2011). 또한, 물리탐사는 적용되는 방법에 따라 탐사 심도와 분해능이 다양하며, 수 m ~ 수십 km의 탐사심도에 분포하는 지질조건에 대한 정보를 제공할 수 있는 장점이 있어서, 해외 심층처분장 부지조사에 널리 적용되었다.

스웨덴은 상세 부지조사 단계에서 지표 지질조사, 물리탐사와 시추공 조사를 통해 Forsmark 부지에 분포하는 지질구조를 조사하였으며, 결정론적 방법과 통계적 방법을 이용하여 변형대 및 균열에 대한 지질모델을 작성하였다. 항공 및 육상 자력탐사를 적용하여 고각의 선구조(lineament)를 조사하였으며, 반사법탐사를 적용하여 최대 5 km 심도에 분포하는 저각의 단층파쇄대 또는 변형대에 대한 고분해능의 영상을 획득하였다. 또한, 물리검층, 시추공 영상촬영, 시추공 레이다탐사와 같은 시추공 물리탐사를 적용하여 시추공 주변에 분포하는 균열 및 소규모 변형대의 분포 특성을 파악하였다. 자력탐사와 반사법탐사에서 탐지된 비교적 규모가 큰 선구조와 변형대는 결정론적 지질모델에 반영되었으며, 시추공 물리탐사 결과는 주로 균열 및 소규모 변형대의 통계적 지질모델 작성에 활용되었다. 본 연구에서는 SKB사가 Forsmark 부지 상세 부지조사 stage 2.2와 2.3 단계에서 작성한 부지특성 모델에 대한 보고서(SKB, 2007a; 2008a)와 지질모델에 대한 보고서(SKB, 2007b; 2008b) 내용을 중심으로 Forsmark 부지 변형대의 결정론적 지질모델 작성 사례를 검토하였다.

스웨덴 심층처분장 부지선정 및 건설 현황

스웨덴은 1990년대에 심층처분장 부지선정 작업을 착수하였으며, 부지 식별조사, 기본 부지조사, 상세 부지조사와 같이 단계별 부지조사를 통해 Forsmark 지역을 최종부지로 선정하였다(Table 1). 스웨덴 정부는 1972년에 방사성폐기물 관리회사인 SKB(Swedish nuclear fuel and waste management Co.)사를 설립하여 심층처분장 부지선정과 건설 및 운영을 담당하도록 하였다. 1995년~2000년에 원전 인근 8개소에 대한 타당성 조사(feasibility study)를 수행하였으며(2개소는 주민투표로 중단), 2000년 12월에 Östhammar시 Forsmark 지역과 Oskarshamn시 Simpevarp/Laxemar 지역을 상세 부지조사 후보로 선정하였다(Fig. 1). 2002년~2007년에 2개 지역에서 상세 부지조사를 수행하였으며, 2009년 6월에 Forsmark 지역을 최종부지로 선정하였다(SKB, 2011). 2022년 1월에 스웨덴 정부에서 Forsmark 지역 심층처분장 부지와 Oskarshamn시 밀봉포장 시설의 건설면허를 승인하였고, 2024년 10월에 토지환경법원이 심층처분장 건설의 환경면허를 승인하였다. 2025년 1월에 Forsmark 지역에서 처분시설 건설을 착공하였으며, 2030년대 중반부터 2080년대까지 심층처분장을 운영할 계획이다.

Fig. 1.

Location maps of proposed geological siting area in Sweden (Andersson et al., 2013). (a) The locations of the Forsmark and Simpevarp/Laxmar sites, which have been subjected to detailed site investigations, (b) Outlines of final deep geological disposal site at Forsmark, (c) Photograph showing the flat topography at Forsmark.

심층처분장 저장소는 19억 년 전에 형성된 결정질암반에 조성되며, 사용후핵연료 약 12,000톤을 6,000개의 저장용기에 처분할 계획이다. 지하 500 m 심도의 심층처분장을 건설하기 위하여 길이 60 km 이상의 터널을 굴착할 예정이다.

Forsmark 부지 지질 및 부지특성 모델

Forsmark 부지 지질

Forsmark 부지의 심층처분장 저장소 깊이는 500 m이며, 기반암은 화강암, 화강섬록암과 tonalite 같은 결정질암반이 주를 이룬다(Brojerdi et al., 2013). Forsmark 부지 기반암은 19~17억 년 전 고원생대 Svecokarelian 조산운동에 의해 형성되었으며, 이 시기에 형성된 주요 암종은 변성암이다. 조산운동으로 최소 2차례 이상의 연성변형 작용이 발생하여 부지 인근 연안지역에 뚜렷한 변형대(deformation zone, DZ) 벨트가 형성되었으며, 변형대 사이에는 렌즈상 지체구조(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, 2010). Forsmark 부지 지질도(Fig. 2)에서 Forsmark 변형대(FDZ)와 Eckarfjärden 변형대(EDZ)는 남쪽 연안에 위치하며, Singö 변형대(SDZ)는 북쪽 해저에 위치한다. 지질도에서 검정색 굵은 실선은 3개의 광역 변형대, 회색 파선은 지구조 운동으로 형성된 층상 구조(tectonic foliation) 또는 줄무늬(tectonic banding)와 같은 선형 구조, 빨간색 실선은 Forsmark 부지 경계, 파란색 실선은 연안선을 나타낸다(Juhlin and Stephens, 2006).

Fig. 2.

Bedrock geological map of the candidate area and surroundings at the Forsmark site (Juhlin and Stephens, 2006).

Forsmark 부지특성 모델

Forsmark 지역의 부지특성 모델(site descriptive model, SDM)은 2002년~2007년에 수행된 상세 부지조사 성과를 기반으로 개발하였다. 1995년~2000년에 수행된 기본 부지조사 성과를 바탕으로 부지특성 초기 모델 version 0을 개발하였으며, 초기 상세 부지조사 성과를 반영하여 예비 부지특성 모델로 version 1.1과 version 1.2를 개발하였다. 부지 특성에 대한 분석과 모델링 작업은 3단계로 진행되었으며, 주로 저장소의 공학적 특성과 안전성 평가의 불확실성을 저감하는데 초점을 맞췄다(Table 2). stage 2.1에서는 SDM 모델링 작업에 필요한 요소를 현장 조사에 반영하는 부분에 초점을 맞추었으며, stage 2.2에서는 지질, 암반역학, 열물성, 생태계, 방사성핵종 이동, 수리지구화학, 수리지질과 같이 7가지 분야별 모델을 개발하였다(Fig. 3a). stage 2.3에서는 지질, 열물성과 암반역학 모델을 보완하였으며(Fig. 3b), 7가지 분야별 모델들은 부지특성 통합모델인 SDM-Site 프레임워크로 통합되었다(SKB, 2008a).

Fig. 3.

Procedure for site descriptive modeling work and SDM reports during modeling stages 2.2 and 2.3 (SKB, 2008a). (a) Procedure from site investigation to site description, (b) SDM-Site main report and background reports on different levels produced during modeling stages 2.2 and 2.3.

지질모델 - 단위 암반 및 변형대

Forsmark 부지 지질모델은 상세 부지조사의 지질조사, 물리탐사와 시추조사 결과에서 탐지된 개별 암반층, 선구조와 변형대를 교차 검증하는 과정을 통해 지질구조 분포특성의 세부정보를 업데이트하는 방식으로 진행되었다. 상세 부지조사 stage 2.2에서 변형대의 결정론적 지질모델을 작성하였으며(SKB, 2007b), stage 2.3에서는 보완 자료를 기반으로 결정론적 지질모델에 대한 검증 작업이 수행되었다(SKB, 2008b).

상세 부지조사 단계에서 지질모델 구성을 위해 단위 암반(rock unit)과 변형대를 정의하여 부지 내 지질학적 특징을 묘사하였다. 단위 암반은 광물 조성, 입자 크기, 주요 암종의 생성 시기와 연성 변형 특징을 기반으로 정의된다. 변형대는 연성 또는 취성 변형이 발생한 2차원 구조를 의미한다. 변형대 중 전단이동(shear movement) 없이 취성변형이 발생한 것은 파쇄대(fracture zone), 전단이동과 함께 취성변형이 발생한 것은 단층대(fault zone)로 지칭하였다.

지질모델은 단위 암반에 대한 암반 영역(rock domain) 모델과 균열 영역(fracture domain)에서의 결정론적 변형대 모델 및 통계적 모델 3가지로 구분된다(SKB, 2007b).

- 암반 영역 모델: 단위 암반의 지층 구성에 대한 지질모델

- 결정론적 변형대 모델: 중대규모 변형대의 분포 특성에 대한 지질모델

- 통계적 모델: 균열 및 소규모 변형대와 같은 불연속면의 통계적 분포 특성에 대한 이산단열망 모델(discrete fracture network, DFN)

SKB사는 변형대의 취성구조를 길이 및 폭에 따라 4가지로 구분하였으며, 중대규모 변형대는 결정론적 지질모델, 균열 및 소규모 변형대는 통계적 지질모델에 적용하였다(Table 3).

물리탐사 자료를 이용한 지질모델 작성

부지특성 모델을 작성하기 위하여 항공, 지표 및 시추공에서 다양한 종류의 부지조사가 시행되었다. 지표 지질조사, 지형측량, 항공 및 지표 물리탐사가 수행되었으며, 이를 통해 얻은 정보는 기반암 암종 구성과 선구조 지도 작성의 주요 근거를 제공하였다.

상세 부지조사 단계의 시추조사

상세 부지조사 단계의 시추조사는 12개소 시추 지점(drill site)에서 다양한 깊이의 코어 시추와 얕은 깊이를 대상으로 한 타격(percussion) 시추 2가지 방식으로 진행되었다. 시추공 이름에서 KFM은 코어 시추, HFM은 타격 시추를 지칭한다. 코어 시추공(빨간색 원)의 수량은 25개, 전체 길이는 17.8 km이며, 타격 시추공(파란색 원)의 수량은 38개, 전체 길이는 6.5 km이다(Fig. 4). 코어 및 타격 시추는 모두 일정 경사를 가진 방향 시추로 천공되었으며, 시추 궤적은 시추위치도에 노란색 실선으로 도시되어 있다. 타격 시추는 코어 시추공 해석에서 단위 암반의 경계와 변형대의 식별을 보조하기 위하여 시행되었다. Forsmark 부지특성 모델 작성에는 12개소 시추 지점에서 실시된 25개의 코어 시추공 자료를 활용하였으며, 최대 시추 깊이는 약 1,000 m이다(SKB, 2008a).

Fig. 4.

Location maps of drilling sites and boreholes at the Forsmark site. In the borehole nomenclature, KFM denotes a core-drilled borehole, while HFM denotes a percussion-drilled borehole (SKB, 2008a). (a) Location of drill sites and boreholes at the Forsmark site, (b) Detailed maps of each drill site that show the location and projection of boreholes.

시추공 물리탐사를 이용한 통계적 DFN 모델 작성

시추공 영상촬영, 시추공 레이다탐사와 물리검층 같은 시추공 물리탐사 기법은 암종, 변질(alternation), 취성 또는 연성 변형과 같은 지하 암반의 지질학적 특징을 도출하는 데 크게 기여한다. Forsmark 부지 조사에서는 시추 코어에 대한 지질학적 분석과 함께 시추공 물리탐사 자료를 활용하여 단일 시추공 지질해석(geological single-hole interpretation, GSHI)을 실시하였다.

시추조사에서 회수된 코어는 시추 위치에서의 불연속면 분포에 대한 정보만 포함하고 있으며 회수 과정에서 방향 정보를 상실하므로 코어 관찰에 의한 불연속면 분포 특성 파악에는 많은 한계와 오류가 동반된다. 시추공 영상촬영은 지하 시추공벽을 고분해능 카메라 또는 초음파를 이용하여 촬영하는 기법으로 불연속면의 경사방향, 경사각, 폭과 같은 분포 특성을 높은 신뢰도로 정량화하는데 유용하다. 불연속면의 경사방향, 경사각 등 분포 특성에 대한 통계 수치는 3차원 이산단열망(DFN) 모델링 수행 시 주요 입력 인자로 활용된다.

상세 부지조사 stage 2.2 21개 코어 시추공에 시추공 영상촬영을 적용하였다. 변형대 구간에서는 균열 빈도가 증가하는 데(Fig. 5a), 이를 포함하면 신선한 기반암에서의 균열 분포특성에 왜곡을 줄 수 있다. 따라서 기반암에 분포하는 이산단열망 모델링에서는 변형대 구간의 균열 자료는 제외하였다. 변형대 구간을 제외한 구간에서의 균열 수량은 평균 1,523개(4.1개/m)이며, 이중 열린 균열 수량은 평균 349개(0.9개/m)로 22.9%를 차지한다(SKB, 2007b).

Fig. 5.

Cumulative frequency plot of fractures in the borehole (a) and radargram showing an overview of the borehole radar measurements in KFM08C (b) (SKB, 2006b; 2007c).

대부분의 시추공 물리탐사 기법이 시추공벽 인근 수십 cm 내외 암반 또는 균열의 정보만 파악할 수 있는 반면에, 수십 MHz 대역의 안테나를 사용하는 시추공 레이다탐사는 안테나 주파수에 따라 시추공 주변 수 m 이상의 거리에 위치하는 불연속면에 대한 기하학적인 정보를 파악할 수 있다.

Forsmark 부지 시추공에서 20, 100, 250 MHz 쌍극자 안테나와 60 MHz 방향탐지 안테나를 사용하여 시추공 주변 수 m ~ 수십 m 거리에 분포하는 다양한 크기의 불연속면에 대한 기하학적인 분포를 파악하였다(Fig. 5b). 시추공 레이다탐사는 레이다 단면에서 연속성을 가지는 반사파 이벤트를 발췌하여 반사체의 존재를 추정하며, 시추 자료와의 대비를 통해 지질 이상대와 상관성이 높은 반사체만 관리하고 나머지 반사체는 통계적 DFN 모델의 소규모 변형대 분포특성에 활용된다(Fig. 6). 시추공 레이다탐사 반사체와 시추 코어에서 관찰된 불연속면의 상관성 분석을 통해 반사체의 지질 특성을 파악하고 신뢰 수준을 검토하였다. stage 2.2 20개 코어 시추공에서 레이다탐사로 탐지된 반사체 수량은 271개이며, 이중 암종 경계가 121개, 열린 균열, 손상대 또는 단층각력암이 101개이며 닫힌 균열은 28개이다(Table 4). 시추공 레이다탐사로 탐지된 반사체에 대한 기하학적인 정보는 지질 특성과 크기에 따라 결정론적 지질 모델 또는 통계적 DFN 모델의 입력 인자로 활용되었다.

Fig. 6.

Schematic chart that shows the procedure for the development of the radar correlation (SKB, 2007c).

항공 및 육상 자력탐사를 이용한 급격한 경사의 변형대 모델 작성

자력탐사는 주로 지표 천부에 위치하는 광역 및 지역 규모의 선구조(lineament)를 파악하는 데 효과적인 물리탐사 기법이다. 선구조는 일반적으로 지층이나 기반암, 암석 등에 나타나는 선 형태의 구조를 의미하며, 지형도, 지질도, 위성영상, 수치지도, 항공 자력 자료 등을 종합분석하여 선형 구조도를 작성한다.

1990년대 중후반 Östhammar 지역의 타당성조사 당시 스웨덴 지질조사소(Geological Survey of Sweden, SGU)에서 200 m 측선 간격의 항공 자력탐사를 수행하였으며, 2002년에 육상과 연안 지역에서 50 m 측선 간격의 헬리콥터 기반 항공 자력탐사를 수행하였다. 또한, 2006년에 육상 자력탐사와 함께 바다 및 호수에서 보트를 이용한 10 m 측선 간격의 고밀도 자력탐사 자료를 11.08 km²의 영역에서 획득하였으며, 이중 육상 구간은 6.41 km², 해상 및 하상 구간은 4.67 km²이다(Table 5; Fig. 7a).

Fig. 7.

Location maps of magnetic surveys and identified lineaments at the Forsmark site (SKB, 2007b). (a) Coverage of different survey methods according to Table 3, (b) Magnetic lineament identified inside and immediately around the Forsmark local model area.

항공 자력탐사 자료의 총자기장 자기이상도에 대한 분석을 통해 광역모델 영역과 지역모델 영역에서 선구조를 파악하였다. 항공 자력탐사 자기이상도에서 낮은 수치를 보인 이상대가 위치한 곳의 지표 노두에서 급한 경사의 파쇄대가 관찰되었으며, 시추 코어에서는 급한 경사를 가진 변형대가 관찰되었다. 수치가 낮은 자기 이상대는 대자율이 낮은 화강암 또는 변형대를 따라 관찰되는 변질의 영향으로 분석되었다. stage 2.1 단계 항공 자력탐사 자료에 대한 분석을 통해 광역모델 영역에서 연장 3 km 이상 선구조가 43개 파악되었으며, 지역모델 영역에서 연장 3 km 이하 선구조가 51개 탐지되었다(SKB, 2006a).

후보부지 북서부 육상 및 해상 자력탐사 자료의 자기이상도 분석에서 수직 방향, 수평 방향 및 경사 방향 미분 자료처리를 수행하여 소규모 선구조를 추출하였다(SKB, 2007d). stage 2.2 단계 지역모델 영역 자기이상도에 대한 분석을 통해 파악된 선구조는 그 연장에 따라 3 km 이상, 1~3 km, 1 km 이하 선구조로 분류하였다. 항공 자력탐사에서는 주로 연장 1 km 이상의 규모가 큰 선구조가 파악되었으며, 육상 자력탐사를 통해 연장 1 km 이하의 소규모 선구조가 파악되었다(Fig. 7b). stage 2.2 단계 항공 및 육상 자력탐사를 통해 총 855개의 선구조를 파악하였으며, 이중 연장 10 km 이상 광역 선구조는 2개, 연장 1~10 km의 선구조는 91개, 연장 1 km 이하 소규모 선구조는 762개였다(SKB, 2007d).

자력탐사 자료와 시추공에서 획득된 지질 정보를 기반으로 급격한 경사를 가진 변형대의 3차원 분포 및 형상을 영상화하는 결정론적 지질모델을 작성하였다(Fig. 8a). 연장 3 km 이상인 변형대(빨간색)는 지역 모델 북동부와 남서부에 WNW~NW 방향, 남동부에 ENE 방향으로 분포한다. 한편, 연장 1~3 km의 변형대(녹색)는 주로 ENE 방향이며, 북서부에 NNW 방향과 북동부에 NNE 방향의 변형대가 일부 분포한다. 3차원 결정론적 지질모델에서 저장소가 위치하는 고도 –500 m에서 평면도를 추출하여 저장소가 위치한 심도에서 Singö 변형대를 비롯한 여러 변형대의 분포 위치와 방향을 파악할 수 있었다(Fig. 8b).

Fig. 8.

Three-dimensional geological model of the deformation zone with steep slopes and a plan view at an elevation of –500 m (Stephens et al., 2015). (a) Vertical or steeply dipping deformation zones included in the deterministic local geological model in 3-D space, (b) Integrated geological model for deformation zones and fracture domains at –500 m elevation inside the proposed repository volume in the local model volume.

반사법탐사를 이용한 완만한 경사의 변형대 모델 작성

Forsmark 부지 반사법탐사는 2002년에 부지 내부 영역을 대상으로 5개 측선 15.4 km 연장의 자료를 획득하였으며, 2004년에 부지 외부 북부, 북서부와 남쪽에서 10개 측선 24.6 km 연장의 자료를 획득하였다(Fig. 9a; SKB, 2005b). 반사법탐사는 결정질암반에서 저각의 불연속면 탐지에는 탁월한 효능을 보이지만, 고각의 불연속면 탐지에는 한계를 갖는다.

반사법탐사에서 탐지된 반사체 이벤트는 측선 인근의 시추 코어에서 관찰되는 변형대와의 대비를 통해 반사체의 지질 특성을 파악한다. Profile 3과 Profile 5가 교차하는 남동부의 시추공 KFM03A에서는 연장 356~399 m, 448~455 m, 638~646 m, 803~816 m, 942~949 m 구간 시추 코어에서 변형대가 관찰되었으며, Profile 1과 Profile 4가 교차하는 북서부의 KFM01A에서는 연장 386~412 m와 639~684 m 구간 시추 코어에서 변형대가 관찰되었다. 이를 반사파 단면에 나타나는 반사체와의 대비를 통해 반사이벤트의 지질 특성을 파악한다. 시추조사는 수직 시추가 아닌 일정 경사를 가진 방향시추로 수행하였기에 시추공 내 연장이 심도에 해당하지는 않는다. 다만, 시추공 KFM01A는 75~85°, KFM03A는 82~86° 경사로 시추하여 시추공 내 연장이 심도와 유사할 것으로 보인다.

Forsmark 부지에서의 반사법탐사 해석 단면을 보면 Profile 3과 Profile 5가 교차하는 남동부 2 km 이내의 얕은 심도에 완만하게 경사진 반사체가 분포하는 반면에, Profile 1과 Profile 4가 교차하는 북서부에서는 1.5 km 하부 깊은 심도에 반사체가 분포한다(Fig. 9b). 반사법탐사 자료와 시추공에서의 지질, 시추공 물리탐사 및 수리지질 자료를 통합한 결과는 후보 영역 남동쪽에서 뚜렷하게 나타나는 완만하게 경사진 반사체가 수리전도성이 높은 파쇄대임을 보여주었다(SKB, 2008a). stage 1 후보영역 내부 반사법탐사를 통해 28개의 반사체 분포를 파악하였으며, stage 1 & 2 후부영역 내외부 반사법탐사를 통해 38개의 반사체 분포를 파악하였다(Table 6).

Fig. 9.

Seismic reflection profiles (a) and examples of interpretation of seismic reflector (b) during a detailed site investigation at the Forsmark site. The green circles indicate the locations of the deep boreholes, and the purple line marks the candidate area (SKB, 2005b; 2008a).

반사법탐사 자료와 시추공에서 획득된 지질 정보를 기반으로 완만한 경사를 가진 변형대의 3차원 분포 및 형상을 영상화하여 결정론적 지질모델을 작성하였다(Fig. 10a). 직육면체로 도시된 지역모델 북동부에 Singö 변형대가 분포하며, 지역모델 남동부에 완만한 경사를 가진 변형대가 다수 분포함을 보여준다. 3차원 결정론적 지질모델에서 단면도를 추출하면 지역 모델 내부와 외부에 분포하는 여러 완만한 변형대의 분포 위치와 방향을 보다 명확히 파악할 수 있다(Fig. 10b). 변형대는 저장소의 안전성에 가장 큰 위해를 가할 수 있는 요소로 평가되었으며, 저장소 배치 설계 시 변형대와 일정 거리 이상 이격되도록 설계하였다(SKB, 2009).

Fig. 10.

Three-dimensional geological model of the deformation zone with gently dipping slopes (a) and a section view of the southeastern part of and outside the local model volume (b) (Stephens et al., 2015).

결 론

SKB사는 2002년~2007년에 수행된 상세 부지조사 단계에서 지표 지질조사, 물리탐사와 시추공 조사를 통해 Forsmark 부지에 분포하는 지질구조를 조사하였으며, 결정론적 방법과 통계적 방법을 이용하여 변형대 및 균열에 대한 지질모델을 작성하였다.

Forsmark 부지 기반암은 19~17억 년 전 조산운동으로 형성되었으며 결정질암반이 주를 이룬다. 기반암 내에는 Forsmark 변형대, Eckarfjärden 변형대와 Singö 변형대로 구성된 변형대 벨트가 분포하며, 변형대 벨트의 주향방향은 WNW 또는 NW이다.

SKB사는 상세 부지조사 단계에서 Forsmark 지역의 부지특성 초기 모델인 version 0과 예비 부지특성 모델인 version 1.1 및 version 1.2를 작성하였다. 부지특성에 대한 분석과 모델링 작업은 3단계로 진행되었으며, stage 2.2에서 지질, 암반역학, 열물성, 생태계, 방사성핵종 이동, 수리지구화학, 수리지질과 같은 7가지 분야별 모델을 개발하였다. 지질모델은 단위 암반에 대한 암반 영역 모델과 균열 영역에서의 결정론적 변형대 모델 및 통계적 모델 3가지를 개발하였다.

12개소 시추지점에서 25개 코어 시추와 38개 타격 시추를 수행하였다. 시추조사와 함께 시추공 영상촬영, 시추공 레이다탐사와 물리검층과 같은 시추공 물리탐사를 수행하였다. 시추공 영상촬영을 적용하여 불연속면의 경사방향, 경사각, 폭과 같은 분포 특성을 정량화하였으며, 이를 3차원 이산단열망(DFN) 작성 시 주요 입력 인자로 활용하였다. 시추공 레이다탐사를 적용하여 시추공 주변 수 m ~ 수십 m 거리에 위치하는 불연속면의 기하학적 정보를 파악하였으며, 불연속면의 크기에 따라 결정론적 지질모델 또는 통계적 DFN 모델의 입력 인자로 활용하였다.

50 m 측선 간격의 항공 자력탐사와 10 m 측선 간격의 고밀도 육상 및 해상 자력탐사를 실시하여 자기이상도를 작성하였다. 자기이상도에서 낮은 수치를 보인 이상대 위치에서 급한 경사를 가진 파쇄대 또는 변형대가 관찰되었으며, 자기 이상대에 대한 분석을 통해 급격한 경사를 가진 변형대의 선구조 분포를 파악하였다. 선구조는 연장에 따라 3 km 이상, 1~3 km, 1 km 이하 선구조로 분류하였다. 자력탐사 자료와 시추공에서 획득된 지질 정보를 기반으로 급격한 경사를 가진 변형대의 결정론적 지질모델을 작성하였다.

2002년에 Forsmark 부지 내부에서 5개 측선 15.4 km 연장의 반사법 자료를 획득하였으며, 2004년에 Forsmark 부지 외부에서 10개 측선 24.6 km 연장의 반사법 자료를 획득하였다. 시추공 지질 정보를 기반으로 반사법탐사 반사체에 대한 해석을 통해 Forsmark 부지 인근 1 km 내외 심도에 분포하는 완만한 경사를 가진 변형대의 분포 양상을 영상화하였다. 반사법탐사 자료와 시추공에서 획득된 지질 정보를 기반으로 완만한 경사를 가진 변형대의 결정론적 지질모델을 작성하였다.

심층처분장 부지조사에서는 기반암을 손상시킬 수 있는 시추조사 수량에 큰 제약이 따른다. SKB사는 Forsmark 부지 인근 약 20 km²의 면적에서 10개소 21공의 코어 시추만 수행하였으며 단일 시추공 지질해석과 지질모델 구축에 다양한 물리탐사 기법을 적극 활용하였다. 특히, 물리탐사 기법 중 공간적 분해능이 뛰어난 자력탐사, 반사법탐사, 시추공 영상촬영과 시추공 레이다탐사를 적용하여 다양한 규모의 선구조, 변형대 및 균열에 대한 정보를 획득하였다. 향후 Forsmark 부지 지질모델 구축에 적용된 각종 물리탐사 기법에 대한 심도 있는 연구가 수반된다면 국내 물리탐사 기술이 고도화되고 한 단계 도약할 수 있는 기회가 될 수 있을 것으로 기대된다.