서 론

고준위방사성폐기물을 적합한 지질구조를 가진 지하 저장소에 처분하는 방안이 광범위하게 연구되고 있다. 지질구조의 역할은 안정적인 역학적 조건, 유리한 수리 및 지화학적 조건과 낮은 지하수 유동 조건을 만족하여 방사성핵종의 누출 및 이동을 효과적으로 억제하는 것이다(Andersson et al., 2013). 안전한 심층처분을 위해서는 방사성핵종을 수천 년 이상 인간 생태계로부터 격리시킬 수 있는 지질구조를 가진 부지를 선정하여야 한다.

심층처분장 부지조사는 북유럽 국가인 핀란드와 스웨덴이 2000년대에 선도하였으며, 서유럽 국가인 프랑스 및 스위스와 북미의 캐나다가 2010년대 이후에 부지조사를 진행하고 최종 부지를 선정하였다. 핀란드는 1986–1992년 예비 부지조사(5개 지역)와 1993–1999년 상세 부지조사(4개 지역)를 실시하였으며, 2001년에 Olkiluoto 지역을 최종 부지로 선정하였다. 스웨덴은 1995–2000년 타당성 연구(6개 지역)와 2002–2007년 상세 부지조사(2개 지역)를 실시하였으며, 2009년에 Forsmark 지역을 최종 부지로 선정하였다. 스위스는 2011–2018년에 기본조사, 2018년 이후 심층조사(3개 지역)를 실시하였으며 2022년에 Nördlich Lägern 지역을 최종 부지로 선정하였다. 캐나다는 2012–2015년 문헌조사 기반의 예비 평가 1단계(21개 지역)와 2016–2023년 현장조사 기반의 예비 평가 2단계(5개 지역)를 실시하였으며, 2024년에 Ignace 지역을 최종 부지로 선정하였다. 심층처분장 저장소는 프랑스와 스위스가 퇴적암반인 점토층에, 핀란드, 스웨덴과 캐나다는 결정질암반에 설치할 계획이다(Kwon et al., 2023, 2025).

우리나라는 2016년 7월 ｢고준위방사성폐기물 관리 기본계획｣을 발표하였으며, 사용후핵연료 관리정책 재검토위원회 권고안을 반영하여 2021년 12월 ｢제2차 고준위 방사성폐기물 관리 기본계획｣을 발표하였다. 2022년 7월 ｢고준위 방사성폐기물 R&D 로드맵｣을 발표하였으며, 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단 주도로 2021년부터 2029년까지 사용후핵연료 저장, 운반 및 처분에 대한 다부처 연구과제를 진행하고 있다. 2024년 6월 연구용 지하연구시설 부지유치를 공모하고 2024년 12월 태백시를 지하연구시설 부지로 확정하였다. 2025년 3월 국회에서 ｢고준위 방사성폐기물 관리에 관한 특별법안｣이 제정되었다.

본 연구에서는 결정질암반 부지 중 2010년대 이후에 부지조사를 진행한 캐나다를 대상으로, 심층처분장 부지조사에서 물리탐사를 적용하여 지질구조 특성을 도출한 사례를 소개하고자 한다. 본 연구에 소개된 캐나다 부지조사 결과는 캐나다 핵폐기물관리기구인 NWMO(Nuclear Waste Management Organization)가 작성한 Ignace 지역 Revell 부지의 3차원 부지규모 지질모델 보고서를 기반으로 작성되었으며(NWMO, 2021), Mushayandebvu et al.(2023)과 Villamizar et al.(2023)의 논문 내용을 바탕으로 2021년 이후 업데이트된 중력 및 자력 3차원 역산 결과와 반사법 및 VSP 자료의 해석 결과를 반영하였다.

캐나다는 심층처분장 부지인 Ignace 지역 Revell 부지에서 APM(Adaptive Phased Management) 예비 평가 2단계로 항공 중력 및 자력탐사, 지표지질조사, 반사법 탄성파탐사, VSP(Vertical Seismic Profiling) 탐사와 시추조사가 포함된 현장조사를 실시하였다. 항공 중력 및 자력 자료에 대한 2차원 순산 모델링과 3차원 역산을 적용하여 Revell Batholith를 구성하는 4가지 암종의 분포 범위 및 심도에 대한 3차원 기반암 모델이 작성되었다. 또한, 항공 자력 자료, DEM 및 항공 사진 자료에 대한 분석을 통해 Revell 부지에 분포하는 취성, 연성 및 암맥 선구조가 추출되었다. 반사법 자료와 VSP 자료에 대한 해석을 통해 Revell 부지에 분포하는 고철질 암맥의 분포가 파악되었으며, 시추조사에서 파악할 수 없는 1 km 심도 아래에 분포하는 암층의 하단 경계가 약 1.5 km 심도까지 영상화되었다.

캐나다 심층처분장 부지선정 및 부지조사 현황

캐나다 정부는 핵연료폐기물법(Nuclear Fuel Waste Act)에 따라 2002년에 핵폐기물관리기구로 NWMO를 설립하였으며, 2007년에 사용후핵연료의 장기 관리 방안으로 APM(Adaptive Phased Management) 계획을 발표하였다. Table 1은 캐나다의 심층처분장 부지조사 및 선정에 대한 주요 이력을 정리한 것이다. NWMO는 2010년에 심층처분장 부지선정 절차를 시작하였으며, 2012년까지 Saskatchewan주와 Ontario주의 22개 지자체에서 참여 의향을 표명하였다(Fig. 1(a)). 2010–2015년에 시행된 부적합 지역 배제 절차와 예비 평가 1단계를 통해 11개소 후보 부지가 선정되었다. 2016–2022년에 예비 평가 2단계로 항공탐사, 지표지질조사, 탄성파탐사와 시추조사가 포함된 현장 조사가 실시되었다. 2017년 9월에 후보 부지가 Ontario주에 위치한 5개 지역으로 압축되었으며, 2020년 1월에 결정질암반의 Ignace 지역과 퇴적암반인 South Bruce 지역이 최종 후보 부지로 선정되었다. 2022년 4월에 Ignace 지역과 South Bruce 지역에 대한 시추조사가 완료되었고, 두 지역에 대해 작성된 3차원 지질모델을 기반으로 한 안정성 평가 등을 통해 2024년 11월 Ignace 지역이 심층처분장 최종 부지로 선정되었다. 2025년에 Ignace 지역 Revell 부지에 대한 상세 부지 특성화 작업이 시작되었으며, 2026년 1월 캐나다 영향평가청(Impact Assessment Agency) 웹페이지(https://iaac-aeic.gc.ca/050/evaluations/proj/88774)에 심층처분 프로젝트에 대한 Initial Projection Description 자료를 공고함으로써 인허가 절차가 개시되었다(APM-GRG, 2024; NWMO, 2025a).

Fig. 1.

Location map showing the status of interested communities for the site selection process in Canada (a), and timeline showing the site selection, permitting, and construction of the deep geological repository (b) (NWMO, 2022c; Parmenter, 2024).

심층처분 저장소는 27억 년 전 시생대(Archean)에 형성된 결정질암반에 조성되며, 사용 후 핵연료 약 590만 다발(112,750톤)을 12.3 만개의 저장용기에 처분할 계획이다. 심층처분 저장소는 지하 500–800 m 심도, 2 × 3 km 영역에 건설되며, 심층처분 프로젝트는 부지 준비, 건설, 운영 및 폐쇄 후 모니터링 기간을 포함하여 향후 160년간 지속될 예정이다(NWMO, 2025b). NWMO는 2030년에 영향평가청으로부터 심층처분 프로젝트를 승인받고, 2032년에 심층처분장 건설에 대한 인허가를 획득할 계획이다. 또한, 2033년에 심층처분 저장소 설계 및 건설을 착수하고 2043년부터 운영을 개시할 계획이다(Fig. 1(b); Parmenter, 2024).

Ignace 지역 지질 및 심부 시추조사 현황

Ignace 지역 지질 특성

Ignace 지역의 Revell Batholith는 북서 방향으로 길게 뻗은 형태를 띠며, 길이는 약 40 km, 면적은 약 455 km²에 달하며, 약 27억 년 전 시생대에 생성되었다(Fig. 2). Revell Batholith의 3가지 주요 암종은 생성 시기순으로 biotite tonalite~granodiorite 계열, hornblende tonalite~granodiorite 계열과 biotite granite~granodiorite 계열이다. Biotite tonalite~granodiorite 암석군은 Revell Batholith의 남서쪽 및 북동쪽 가장자리를 따라 분포하며, hornblende tonalite~granodiorite 암석군은 Revell Batholith의 중심부를 둘러싼 두 개의 불규칙한 형태의 지대에서 발견된다. Biotite granite~granodiorite 암석군은 Revell Batholith의 북부, 중부 및 남부 지역에 폭넓게 분포하고 있다. 칼륨 장석 거대 결정들이 특징인 화강암체(feldspar megacrystic granite)가 Revell Batholith의 중앙부에 타원형 모양으로 분포하며, 주변 암석에 비해 강한 자성을 띠고 있어 항공 자력탐사를 통해 그 형태가 명확히 파악되었다(Mushayandebvu et al., 2023).

Fig. 2.

Bedrock geology map showing the Revell Batholith and the surrounding metavolcanic rocks of the Bending Lake and Raleigh Lake greenstone belts with topographic hill-shading (Mushayandebvu et al., 2023).

약 27억 년 전 시생대에 생성된 상부 지각(supracrustal) 암석이 Revell Batholith를 완전히 둘러싸고 있으며, 남서쪽에는 Bending Lake greenstone belt가, 북동쪽에는 Raleigh Lake greenstone belt가 분포한다. 상부 지각 암석 그룹에서는 고철질 변성화산암(mafic metavolcanic rock), 중성–규장질 변성화산암, 변성 퇴적암, 철광층, 고철질 관입암과 같은 5가지 주요 암종이 분포한다. 서북서 방향의 고철질 휘록암 암맥(diabase dyke)은 Revell Batholith의 북부 지역을 가로질러 주변 greenstone belts까지 뻗어 있다. 노두 조사 결과 암맥 폭은 약 15–30 m에 이르며, 약 19억 년 전 고원생대(Paleo-proterozoic)에 생성되었다(Mushayandebvu et al., 2023).

Revell 부지 심부 시추조사 현황

핀란드 방사성폐기물 관리회사인 POSIVA는 2001년에 심층처분장 최종 부지로 선정된 Olkiluoto 부지에서 58개소의 심부 시추조사를 수행하였으며(POSIVA, 2012; Cheon et al., 2025), 스웨덴 방사성폐기물 관리회사인 SKB는 2009년에 심층처분장 최종 부지로 선정된 Forsmark 부지에서 25개소의 심부 시추조사를 수행하였다(SKB, 2008). 이에 반해 캐나다 NWMO는 2024년에서 심층처분장 최종 부지로 선정된 Ignace 지역 Revell 부지의 예비 평가 2단계 현장 조사에서 단지 6개소의 심부 시추만 수행하였다(NWMO, 2023a). Olkiluoto 부지, Forsmark 부지와 Revell 부지 모두 기반암이 결정질암반이지만, 형성 과정과 시기에는 차이를 보인다. Olkiluoto 부지와 Forsmark 부지는 19–17억 년 전 고원생대의 Svecokarelian 조산운동에 의해 형성되었다. Olkiluoto 부지가 격렬한 변성 작용을 받아 복잡한 구조를 가진 혼성암질 편마암이 주를 이루는 반면에, Forsmark 부지는 마그마 덩어리가 굳으면서 형성되어 암질이 균질하고 괴상 구조를 가진 변성 화강암이 주를 이룬다. Revell 부지의 Revell Batholith는 27억 년 전 시생대에 마그마 덩어리가 지하 깊은 곳에서 굳어서 형성된 것으로 격렬한 조산운동의 영향을 받지 않아 암질이 매우 균질한 괴상 구조의 화강암류가 주를 이룬다(NWMO, 2020b). 처분 부지의 기반암 암종과 지질 구조의 복잡성이 시추조사 수량에 큰 영향을 미치며, 이와 함께 부지조사 사례가 증가함에 따라 시추조사 수량을 제한하는 추세를 보인다.

Table 2는 Revell Batholith 북측에 위치한 Revell 부지의 시추조사 보고서에서 시추공 위치, 시추 기간, 경사방향/경사각과 시추 길이를 발췌하여 정리한 것이며, Fig. 3은 Revell 부지의 시추공 위치와 경사 방향을 도시한 것이다. 6개 시추공 모두 시추 길이는 약 1,000 m이며, IG_BH01은 수직 시추인 반면에 나머지 5개 시추공은 70° 경사로 시추하였다. Revell 부지에서 실시된 지표지질조사 결과, biotite granodiorite-tonalite가 주를 이루는 균질한 화강암질 암석이 분포하고 균열 발생 빈도가 낮은 것으로 확인되었다. Table 3은 시추 코어에 대한 육안 조사, 암석 시험과 물리검층 자료를 기반으로 암종을 구분하고, 각 시추공에서의 암종별 길이를 정리한 것으로 IG_BH04와 IG_BH05를 제외한 4개 시추공에서 biotite gradnodiorite-tonalite와 biotite tonalite가 전체 시추 코어의 95% 이상을 점하고 있다. 이는 Revell 부지 지표에서 관찰된 화강암질 암석이 1,000 m 심도까지 균질하게 분포하고 있음을 시사한다(NWMO, 2021, 2023a).

Fig. 3.

Location map of the boreholes at the Revell site (a) and an enlarged satellite image of the borehole locations (b). Red diamonds and white lines indicate the locations and trajectories of the boreholes (Villamizar et al., 2023; Parmenter, 2024).

중력 및 자력 자료를 이용한 3차원 기반암 모델 작성

NWMO는 Ontario주 북서부에 위치한 Ignace 지역에서 획득한 항공 중력 및 자력 자료를 이용하여 Revell Batholith 3차원 기반암 모델을 생성하였다. Revell Batholith가 분포한 영역을 중심으로 남북방향 30.7 km, 동서방향 31.4 km로 964 km² 영역에서 항공 중력 및 자력 자료가 획득되었으며, 야외 시료에서 암종별로 밀도와 대자율을 측정하여 순산 모델링과 역산의 입력자료로 활용되었다. 중력 및 자력 자료에 2차원 순산 모델링과 3차원 역산을 적용하여 Revell Batholith를 구성하는 4가지 암종과 주변의 greenstone belts를 구성하는 암종의 분포 범위와 심도가 파악되었다.

중력 및 자력 이상도 작성

중력 이상도는 Sander Geophysics Limited(SGL)사가 2014년도에 획득한 항공 중력자료(고도 98 m, 측선 간격 100 m)에 Geological Survey of Canada(GSC)가 1944–2018년에 획득한 육상 중력자료(측점 간격 12 km)를 병합하여 작성되었다(Fig. 4(a)-(c)). 두 중력 자료는 측점 간격 차이가 커서 병합이 쉽지 않은데, minimum curvature gridding algorithm을 이용하여 500 m 크기의 격자 자료로 병합되었으며, 내삽을 통해 격자 크기를 50 m로 감소시켰다. 자력 이상도는 SGL사가 2014년도에 획득한 항공 자력자료(고도 98 m, 측선 간격 100 m)에 Fugro Airborne Survey(Fugro)사가 2000–2001년에 획득한 항공 자력자료(고도 73 m, 측선 간격 200 m)를 병합하여 작성되었다(Fig. 4(d)-(f)). 두 자력 자료는 측정 시기가 10년 이상 차이나고 고도도 25 m 차이가 있어 병합에 앞서 각 자료에 IGRF (International Geomagnetic Reference Field) 제거, 고도 차이 보정과 같은 전처리가 수행되었다. Minimum curvature algorithm을 이용하여 25 m의 자료로 병합되었으며 재샘플링을 통해 격자 크기를 50m로 증가시켰다(NWMO, 2015a, 2020a).

Fig. 4.

Gravity and magnetic data over the 3D model area (NWMO, 2020a). (a) SGL airborne gravity anomaly map with GSC ground station locations, (b) GSC regional ground gravity anomaly map with station locations marked, (c) Merged Bouguer gravity anomaly map with a 500 m grid cell size, (d) SGL magnetic anomaly map with a 25 m grid cell size, (e) Fugro magnetic anomaly map with a 50 m grid cell size, (f) Merged magnetic anomaly map with a 50 m grid cell size.

중력 및 자력 자료의 역산을 통해 Ignace 지역에 분포하는 주요 암종의 분포 범위를 파악하기 위해서는 각 암종별로 신뢰성 높은 밀도와 대자율 값이 필요하다. NWMO는 예비 평가 2단계 현장 조사에서 Ignace 지역에 분포하는 암석 샘플로부터 암종별 밀도와 대자율을 측정하였다. 물성 측정 값이 부족한 암종은 Ontario Geological Survey(OGS)가 Ignace 지역 인근에서 수집한 암석 시료 샘플이 활용되었으며, 밀도와 대자율 측정 값은 GSC가 보유한 전국의 암석 물성 측정값과 비교하여 신뢰성을 검토하였다. Table 4는 Ignace 지역에서 측정한 암종별 밀도와 대자율 값을 정리한 것이다(NWMO, 2020a).

중력 및 자력 자료 2차원 순산 모델링

중력 및 자력 자료에서 타원형 Revell Batholith 암체의 장축과 직교 및 평행한 3개의 측선을 설정하고(Fig. 5), 각 측선별로 Seequent사 GM-SYS Profile Software 모듈을 이용하여 2차원 순산 모델링이 수행되었다. 1단계로 Revell Batholith와 주변의 Raleigh Lake 및 Bending Lake greenstone belts를 각각 단일 암종으로 가정하고 측정 자료와 계산 자료의 오차를 최소로 하는 순산 모델링이 수행되었다(NWMO, 2015a). 2단계로 Revell Batholith는 4가지 암종, 주변의 greenstone belts는 7가지 암종으로 구분하고 현장 샘플에서 측정한 밀도와 대자율 값을 이용하여 보다 세밀한 암층 구조에 대한 순산 모델링이 수행되었다. Fig. 6은 2차원 순산 모델링 결과로 중력 및 자력 자료의 오차가 최소가 되도록 Revell Batholith를 구성하는 4가지 암종과 greenstone belts를 구성하는 암종의 분포범위와 심도를 수정하며, 이를 반영하여 각 측선에서의 암종 분포 단면 모델이 업데이트 된다(NWMO, 2020a). 순산 모델링으로 계산된 중력 및 자력 자료는 측선 양단의 고각의 경사를 가진 일부 greenstone 분포 지역을 제외하고 측정 자료와의 오차가 크지 않았다. 2차원 순산 모델링을 통해 Revell Batholith를 구성하는 4가지 암종의 분포 범위와 심도가 개략적으로 파악되었다.

Fig. 5.

Location of the 2D profiles overlain on a simplified bedrock geology map (a), a Bouguer gravity anomaly map (b), and a magnetic anomaly map (c) (NWMO, 2020a).

Fig. 6.

2D forward modeling results for the updated model. The gravity and magnetic profiles show the observed, calculated, and misfit data (NWMO, 2020a). (a) Gravity profiles and updated density models, (b) Magnetic profiles and updated magnetic susceptibility models, (c) Updated rock lithology unit models generated by 2D forward modeling.

중력 및 자력 자료 3차원 역산

Intrepid Geophysics사의 GeoModeller 소프트웨어를 이용하여 중력 및 자력 자료의 3차원 역산이 수행되었다. 지표에 노출된 기반암 분포를 기반으로 초기 3차원 지질 모델이 작성되었으며, 중력 자료에 대한 2차원 순산 모델링 결과를 반영하여 지질 모델을 업데이트하고 3차원 역산의 초기 모델로 활용되었다(Fig. 7). 역산 과정에서 지질조사 등에서 파악된 암종 분포나 암층 순서 등이 크게 변하지 않도록 제한을 가하며, 암종 분포 범위나 심도가 초기 모델에서 점진적으로 업데이트된다. 역산 시 물성 변화를 100%로 설정하면 암종 경계 위치는 고정되고 개별 복셀(voxel)의 물성만 업데이트되는 반면에, 물성 변화를 0%로 설정하면 각 암종의 물성값은 고정되고 암종 경계 위치만 업데이트된다. 3차원 역산의 마지막 단계에서 중력 단독, 자력 단독과 중력 및 자력 복합 역산 중 하나를 선택하여 역산이 수행된다. Fig. 8(a)는 측정 자료와 3차원 역산 예측 자료를 비교한 것으로 중력자료는 Revell Batholith 암종 경계와 feldspar megacrystic granite 암종 내부에서 약간의 차이를 보이는 반면에, 자력 자료는 Revell Batholith 내부에 비해 주변 greenstone belts에서 상당한 차이를 보인다. Fig. 8(b)는 3차원 역산에서 파악된 각 측선에서의 암종 분포를 도시한 것으로 Revell Batholith를 구성하는 4가지 암종의 분포 범위와 심도가 파악되었다(NWMO, 2020a).

Fig. 7.

Initial model for 3D inversion based on 2D forward model profiles using gravity data (Mushayandebvu et al., 2023).

Fig. 8.

Gravity and magnetic anomaly map and distribution of rock units, derived from joint gravity and magnetic inversion results. The interpolated starting model boundaries and features appear as faint lines on all images in (b) (NWMO, 2020a). (a) Comparison of the observed and predicted gravity and magnetic anomalies, (b) Distribution of rock units along lines 1, 2, and 3.

자력 및 DEM 자료를 이용한 선구조도 작성

SGL사는 2014년도에 Ignace 지역에서 항공 자력 자료와 LiDAR 센서를 이용한 DEM(Digital Elevation Model) 자료를 함께 취득하였다. SGL사는 항공 자력자료에 IGRF 제거, RTP(Reduction to Pole) 변환 등의 자료처리를 수행하여 총자기장(total magnetic intensity) 지도를 작성하고, 총자기장의 수직 1차 미분 자료를 이용하여 자력 선구조(magnetic lineament)를 파악하였다. 또한, DEM 자료와 항공사진 자료를 이용하여 지표 선구조(surficial lineament)를 파악하였으며, 자력 및 지표 선구조 자료를 지표지질 자료와 대비하는 과정을 거쳐서 최종 선구조를 추출하였다.

선구조 지질특성 분류 및 분석

암석의 선구조는 크게 연성(ductile), 취성(brittle) 및 암맥(dyke) 선구조로 구분하여 해석되었다. 입자배열, 엽리(foliation)와 같은 암석의 미세 조직구조(fabric)와 관련된 선구조는 연성 선구조로 분류되는데, 자력 자료에서 굽은 선형(curvi-linear)의 높은 자기 이상 양상을 보인다. 절리(joint), 맥(vein), 단층과 같은 단열(fracture) 구조는 취성 선구조로 분류되는데, 주로 연속적이고 낮은 자기 이상 특성을 보인다. 암석의 균열에 마그마가 관입하여 주로 형성되는 암맥 선구조는 크기와 조성 물질에서 차이를 보이며 뚜렷한 선형의 높은 자기 이상을 보인다(Fig. 9; NWMO, 2015b).

Fig. 9.

Examples of ductile and brittle lineaments, as interpreted from magnetic and DEM data (NWMO, 2015b). (a) Ductile features defined by curvilinear highs in the magnetic data, (b) Brittle lineaments defined by breaks in magnetic highs and curvilinear lows in the magnetic data, (c) Brittle lineaments defined by curvilinear breaks in DEM data.

자력 이상의 선구조 분석은 크게 두 단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 총자기장 1차미분 자료에서 높은 자기 이상 궤적을 따라 연성 선구조를 추출하는 것인데, 이 궤적은 변성화산암과 변성퇴적암 내 층서 또는 화강암류 저반(batholith)과 편마암 내의 미세 조직구조를 나타낸다. 두 번째 단계는 지질 시대, 선구조 종류(예: 연성, 취성 또는 암맥), 지질 작용과 관계없이 구조적 특성을 보이는 모든 선구조를 추출하는 것이다. 주로 1차 수직 미분 자기장 자료가 활용되며, 선형 구조의 불연속, 자기장 차이, 높거나 낮은 선형 자기 이상을 포함하여 자기장 자료의 여러 특성에서 선구조가 추출된다. 또한, 계곡, 사면 등과 같이 DEM 이미지에서 보이는 지형구조 특성과 관련된 선형 또는 굽은 선형 궤적을 발췌하여 선구조가 추출된다(Fig. 10; NWMO, 2015b).

Fig. 10.

Map showing the locations of ductile features and lineaments as interpreted from magnetic and DEM data (NWMO, 2015b). (a) Ductile features interpreted as tectono-stratigraphic form lines from the first vertical derivative magnetic data, (b) Lineaments interpreted from the first vertical derivative magnetic data, (c) Lineaments interpreted from DEM data.

선구조 분포 및 기하학적 특성 분류

Ignace 지역 항공 자력자료에서 192개의 자력 선구조가 추출되었다. 이중 100개는 낮은 자기이상을 가진 취성 선구조, 82개는 암석의 미세 조직구조와 유사한 경향을 보이는 연성 선구조, 10개는 높은 자기이상을 보이는 암맥 선구조로 해석되었다. DEM 및 항공 사진 자료에서 4,676개의 선구조가 추출되었는데, 선구조 유형을 분류하지 않고 지표 선구조로 분류되었다. 지표 선구조는 지표를 덮고 있는 표토층과 수층의 영향으로 자력 선구조에 비해 전반적으로 길이가 매우 짧다. 자력 및 지표 선구조를 종합 검토하여 총 4,701개의 선구조가 추출되었으며, 그 중 3,668개는 취성 선구조, 1,023개는 연성 선구조, 10개는 암맥 선구조로 분류되었다. Table 5는 항공 자력자료, DEM 및 항공 사진 자료에서 추출된 선구조 수량과 선구조 길이의 통계적 특성을 정리한 것이다. Fig. 11의 자력 선구조를 보면 Revell Batholith 내부에는 검은 실선의 취성 선구조가 분포하고, Revell Batholith 외부 greenstone belts에는 자주색 실선의 연성 선구조가 분포한다. 자력과 지표 선구조에서 동시에 관측된 선구조(공통 선구조)는 113개로 전체 선구조 수의 2.4%에 불과하지만 길이는 전체 선구조 길이의 20%에 달한다. 특히 공통 선구조는 Revell Batholith 북서부 보다는 남동부에서 많이 분포한다. 한편 공통 선구조를 제외하고 DEM 및 항공 사진에서만 관측된 선구조는 4,501개이고, 자력 자료에서만 관측된 선구조는 88개이다. 전체 4,701개 선구조의 방향을 분석한 결과, 평균 35°의 NE-SW 방향이 우세한 취성 선구조 그룹과 평균 127°의 NW-SE 방향이 우세한 연성 선구조 그룹으로 구분되었다. 또한, 선구조를 지질 특성, 방향과 함께 길이에 따라 등급이 분류되었다. 1차 선구조는 길이 10 km 이상의 광역(regional) 규모, 2차 선구조는 길이 2–10 km의 지역(local) 규모, 3차 선구조는 길이 500 m–2 km의 부지(site) 규모 선구조로 분류되었다. Fig. 12는 Revell Batholith 북측에 위치한 Revell 부지(Fig. 3(a)) 내부에 분포하는 선구조를 방향과 길이에 따라 분류한 것으로 Revell 부지 내부에 광역 규모 선구조는 분포하지 않고 지역 및 부지 규모 선구조만 분포하였다(NWMO, 2018).

Fig. 11.

Lineaments map of the Revell Batholith and the surrounding greenstone belt area. In panel (a), the black, purple, and green lines represent brittle lineaments, ductile lineaments, and diabase dykes, respectively. The bold black lines represent lineaments that coincide in the magnetic and surficial datasets, while the thin purple (magnetic) and thin black (surficial) lines represent lineaments that do not coincide in panel (c) (NWMO, 2018). (a) Interpreted magnetic lineaments from the first vertical derivative magnetic data, (b) Interpreted surficial lineaments from LiDAR DEM and orthoimagery data, (c) Interpreted lineaments with and without coincidence between the magnetic and surficial datasets.

Fig. 12.

Distribution of lineaments at the Revell site, classified by lineament orientation set (a) and lineament length order (b) (NWMO, 2021).

반사법 탄성파탐사와 VSP 탐사를 통한 암층 모델 작성

반사법 탄성파탐사와 VSP 탐사 자료 취득

핀란드 Vibrometric사는 Revell 부지 예비 평가 2단계 현장조사로 2020년 11월, 12월에 울퉁불퉁한 6개 측선에서 수진기 기준 17.3 km 연장의 2차원 반사법 탄성파탐사 자료를 획득하고 자료처리를 수행하였다(Fig. 13(a); Table 6; Villamizar et al., 2023, NWMO, 2022a). 반사법 탄성파탐사 목적은 Revell 부지 300–700 m 심도(최대 1,500 m)에 분포하는 준 수평 또는 45°이하 완만한 경사를 가진 지질구조 분포를 파악하는 것이다. 탄성파 에너지원으로 Vibrometric사에서 개발한 mini-Sosie 유형의 VibSIST-3000 장비가 사용되었으며, 수진기는 I/O Sensor사의 10 Hz SM-24 지오폰이 사용되었다. VibSIST-3000 장비는 산악지형에서도 높은 에너지와 안정적인 송신 파형을 제공하여 신속한 탐사가 가능한 장점이 있다. 송신원 간격은 20 m, 수진기 간격은 10 m이며, 매 송신 시 200개 이상의 수진기에서 2 km 이상 구간의 자료가 취득되었다(측선 Line 3-1 제외). 울퉁불퉁한 측선을 감안하여 정보정에 3차원 토모그래피 역산이 적용되었으며, 3차원 중합과 3차원 구조보정 자료처리 기법이 적용되었다(NWMO, 2022a).

Fig. 13.

Location of the seismic reflection acquisition lines (black) with stacking lines (blue) (a), and location of VSP shot points (triangles) (b). Shot locations for the VSP survey in IG_BH06 are marked with green triangles. Red diamonds indicate borehole locations, and white lines show the trajectory. The background shows hill-shaded topography (Villamizar et al., 2023).

3개의 시추공 IG_BH04, IG_BH05, IG_BH06에서 VSP 탐사 자료가 취득되었다. VSP 탐사 목적은 시추공 주변에 분포하는 급격 또는 완만한 경사를 가진 지질 구조를 영상화하고 반사면의 공간적인 분포를 파악하기 위함이다. VSP 송신원은 수신 시추공을 거의 둘러싸도록 배치하여 송수신원 거리를 다양하게 하고 넓은 방위각 자료가 취득되도록 하였다(Fig. 13(b)). VSP 송신원은 반사법 탄성파탐사와 동일하게 VibSIST-3000 장비가 사용되었으며, 수진기로는 12개의 3성분 지오폰이 5 m 간격으로 배치된 Vibmetrics사의 RD-XYZH가 사용되었다. 송신원과 수신공 거리는 최소 30 m 내외, 최대 1 km 내외이며, 80–980 m 심도에 수진기를 설치하여 자료를 획득하였다(Table 7; Villamizar et al., 2023).

탄성파 단면 해석을 통한 암맥 분포 및 암층 경계 파악

그라운드롤과 같은 큰 진폭을 가진 표면파로 인해 탄성파 자료에서 반사파를 파악하기 어려우며, 잡음 감쇠를 위한 여러 자료처리 기법을 적용하더라도 천부에 분포하는 잔여 표면파 에너지로 인해 심부에 분포하는 반사면을 파악하기 어렵게 된다. NWMO는 반사파에 대한 정성적인 해석에 앞서 구조보정 단면에 중합 후 L2-norm 데이터 정규화를 적용시켰으며, 그 결과 50 ~ –850 m 고도에 분포하는 반사파가 보다 명확하게 영상화되었다(Fig. 14(a)). VSP 자료에 대한 해석은 두 단계로 구성된다. 먼저, VSP 심도–시간 단면에 쌍곡선 주시 적합(hyperbolic traveltime fitting)이 적용되어 일관성을 가진 반사파가 파악되었다. 다음으로 시추조사 결과를 기반으로 VSP 구조보정 단면에 대한 정성적인 해석이 실시되었다. Fig. 14(b)는 시추공 IG_BH06에서의 VSP 해석 단면으로 400 m 이내 심도에 녹색 실선으로 도시된 이벤트는 지질 구조와 무관하게 천부 잡음에 의해 생성된 것이며, 빨간색 점선으로 도시된 4개의 반사면은 시추공 IG_BH06을 관통하는 고철질 암맥(mafic dyke)으로 판명되었다(Villamizar et al., 2023).

Fig. 14.

Seismic reflection image of Line 1.2 after post-stack L2-norm data normalization (a), and the VSP interpretation result of IG_BH06 through the south-southwest migrated section in depth (b) (Villamizar et al., 2023).

시추 코어 암종 분포를 보면 Revell 부지는 매우 균질한 화강암류가 1 km 심도까지 분포하며, 주요 불연속면은 기반암내에 분포하는 암맥으로 파악되었다(Table 3). 시추공 IG_BH01의 물리검층 자료에서 기반암을 구성하는 biotite granodiorite tonalite의 밀도와 탄성파속도의 중간값이 2.66 g/cm³과 5,660 m/sec인 반면, 고철질 암맥이 분포하는 I1–I8 구간의 밀도와 탄성파속도는 2.8 g/cm³과 5,882 m/sec로 4–5% 정도 높은 수치를 보이며, 이를 음향 임피던스로 환산하면 약 9.4% 높은 수치이다. 따라서 반사법 자료와 VSP 자료에서 나타나는 반사이벤트는 주로 고철질 암맥에 의한 반사파로 추정되었으며, 시추 코어 암종과의 대비를 통해 검증하였다. 또한, 텔레뷰어 검층 결과 고철질 암맥이 분포한 곳에서 단열 발생 빈도가 높았다(Fig. 15(a)). 지질 특성이나 물성이 유사한 암층이 단위 암층(rock unit)으로 정의되었으며, 초기에는 시추 코어와 물리검층 자료를 기반으로 암층이 구분되었다. 고철질 암맥이 포함된 암층은 RU3a와 RU3b 암층으로 분류되었으며, RU3b 암층은 5–15개의 암맥을 포함하며 6개 시추공에서 150–450 m 범위에 분포한다. 시추공 IG_BH01에서 I1이 분포한 구간은 RU3a, I2–I8이 분포하는 구간은 RU3b로 분류되었다(Fig. 15(b); Villamizar et al., 2023).

Fig. 15.

Geophysical logging results for borehole IG_BH01 and the distribution of rock units in six boreholes (Villamizar et al., 2023). (a) Bulk density, P-wave velocity, acoustic impedance, and fracture intensity per 1 m, (b) Distribution of rock units in six boreholes along a southwest-to-northeast transect.

반사법과 VSP 자료에 대한 해석을 통해 총 31개의 고철질 암맥의 분포가 식별되었으며, 이 중 22개는 VSP, 9개는 반사법 자료 해석을 통해 식별되었다(Fig. 16(a)). 반사법 자료가 VSP 자료와 높은 상관성을 보여주었지만, 낮은 해상도와 불규칙한 측선 배치로 인해 반사법 자료에서 식별된 고철질 암맥 중 약 30%에서만 3차원 공간 특성이 추출되었다. 6개 시추공에서 내삽을 통해 추출한 RU3b 암층 경계는 제한된 공간 정보로 인해 매우 완만한 구배를 보이며, 시추 심도인 1 km 아래에 분포하는 RU3b 하단 경계는 파악되지 않았다(Fig. 15(b)). 반사법 자료 해석 결과를 기반으로 RU3b 암층 경계를 영상화한 결과, RU3b 상단 경계에서 6개 시추공의 암층 경계와 잘 일치하였으며, RU3b 하단 경계도 1.5 km 심도 범위에서 영상화되었다(Fig. 16(b); Villamizar et al., 2023).

Fig. 16.

Interpreted reflection surfaces and rock unit boundaries derived from reflection seismic and VSP data (Villamizar et al., 2023). (a) Interpreted reflection surfaces from reflection seismic data (blue) and VSP data (green), (b) Interpolated upper and lower domain boundaries of the RU3b rock unit domain.

물리탐사 기법의 상호 보완적인 역할과 특성

중력 자료는 자력 자료에 비해 심부 암반의 영향을 많이 받으며, 심부에 분포하는 완만한 경사의 퇴적층이나 괴상 형태로 분포하는 결정질암반의 분포 범위와 심도를 파악하는데 효과적이며, 자력 자료는 대자율 물성값에서 큰 차이를 보이는 고각의 경사를 가진 암맥의 분포를 파악하는데 효과적이다. 이러한 중력 및 자력 자료의 보완적인 특성을 이용하면 부지에 넓게 분포하는 암층과 국부적으로 분포하는 암맥의 분포 범위와 심도에 대한 3차원 기반암 모델을 효과적으로 작성할 수 있다.

사용후핵연료 심층처분장에서 가장 위험한 시나리오는 저장소 인근에 분포하는 불연속면을 따라 방사성핵종이 누출되는 사고이다. 따라서 심층처분장 부지조사에서 가장 중요하게 고려되는 조사 항목 중 하나가 불연속면의 분포범위와 심도를 신뢰성 높게 파악하는 것이다. 고분해능 특성을 가진 반사법 탄성파탐사는 완만한 경사를 가진 불연속면의 분포 범위와 심도 정보를 효과적으로 영상화하지만, 급격한 경사를 가진 불연속면은 반사되는 에너지가 미약하여 적용이 제한된다. 자력 탐사는 완만한 경사를 가진 불연속면은 이상대가 폭넓게 분포하고 이상 반응 크기가 작아 이를 탐지하는데 어려움을 겪는 반면에, 급격한 경사를 가진 불연속면은 좁은 영역에서 큰 이상 반응을 보여 효과적으로 탐지할 수 있다. 또한, VSP 자료는 시추공 주변에 분포하는 저각 및 고각의 불연속면을 영상화할 수 있으며, 반사법 및 자력 자료에서 파악된 불연속면을 시추조사 결과와 함께 종합해석하는데 유용한 정보를 제공한다. 부지조사에서 불연속면에 대한 공간적인 정보는 항공 자력 자료와 반사법 및 VSP 자료의 상호 보완적인 특성을 이용하여 파악할 수 있으며, 물리탐사에서 파악된 불연속면은 시추조사를 통해 검증되어야 하며 시추 코어에 대한 육안 관찰 및 물성 시험을 통해 지질학적 특성에 대한 종합해석을 수행한다.

결 론

NWMO는 2016–2022년에 예비 평가 2단계로 항공탐사, 지표지질조사, 탄성파탐사와 시추조사가 포함된 현장 조사를 실시하였으며, Ignace 지역 Revell 부지에서 분포암종에 대한 기반암 모델, 취성, 연성 및 암맥의 선구조도와 고철질 암맥 분포를 기반으로 한 암층 모델을 작성하였다.

Revell 부지 기반암은 약 27억 년 전 시생대에 마그마가 굳어서 형성된 화강암류 결정질암반이 주를 이룬다. Revell 부지에서 시추 길이가 약 1,000 m인 6개의 심부 시추조사가 실시되었으며, 1개의 시추공만 수직 시추이고 5개 시추공은 70° 경사로 시추하였다. 시추조사 결과 화강암류 기반암이 1 km 심도까지 균질하게 분포하였다.

Revell Batholith가 분포한 영역을 중심으로 남북방향 30.7 km, 동서방향 31.4 km로 964 km² 영역에서 항공 중력 및 자력 자료가 획득되었으며, 야외 시료에서 암종별로 밀도와 대자율이 측정되었다. 중력 및 자력 자료에서 Revell Batholith 암체의 장축과 직교 및 평행한 3개의 측선이 설정되었으며, 2차원 순산 모델링을 적용하여 Revell 부지에 분포하는 암종의 분포 범위와 심도가 파악되었다. 2차원 순산 모델링 결과를 초기 모델로 활용하여 3차원 역산이 수행되었으며, Revell Batholith를 구성하는 4가지 암종의 분포 범위와 심도에 대한 3차원 기반암 모델이 작성되었다.

Ignace 지역에서 획득한 항공 자력, DEM 및 항공 사진 자료를 이용하여 선구조가 추출되었다. 암석의 선구조는 지질 특성에 따라 연성, 취성 및 암맥 선구조로 분류되었으며, 취성 선구조는 낮은 자기 이상을 보이고 연성 및 암맥 선구조는 높은 자기 이상을 보였다. 자력자료에서 100개의 취성 선구조, 82개의 연성 선구조와 10개의 암맥 선구조가 추출되었다. 자력 및 지표 선구조 자료의 복합 해석으로 총 4,701개의 선구조가 추출되었으며, 그 중 113개가 자력 및 지표 선구조에서 동시에 추출되었다. 선구조 분석 결과 Revell 부지에는 길이 500 m–10 km의 지역 및 부지 규모 선구조만 분포하였다.

Revell 부지의 울퉁불퉁한 6개 측선에서 17.3 km 연장의 2차원 반사법 탄성파탐사 자료가 획득되었으며, 3개의 시추공에서 80–980 m 심도에 수진기를 설치하여 VSP 자료가 획득되었다. 물리검층, 반사법 및 VSP 자료를 비교한 결과 고철질 암맥에서 주로 반사파가 생성되는 것으로 파악되었다. 반사법 자료와 VSP 자료에 대한 해석을 통해 총 31개의 고철질 암맥의 공간적인 분포가 식별되었으며, 이 중 22개는 VSP, 9개는 반사법 자료 해석을 통해 식별되었다. 또한, 시추 심도인 1 km 아래에 분포하는 고철질 암맥이 다수 포함된 RU3b 암층의 하단 경계가 1.5 km 심도까지 영상화되었다.

고분해능의 항공 중력 및 자력 자료를 이용하여 지질 특성의 변화가 크지 않은 화강암류 암종의 분포 범위와 심도에 대한 기반암 모델 작성 사례는 국내에서도 심도깊은 연구가 필요한 사례로 판단된다. 특히, 항공 중력 자료 취득은 국내에서는 시도되지 않은 방법으로 향후 국내 도입이 필요해 보인다. 일반적으로 결정질 암반에서는 반사법탐사의 적용이 제한된 것으로 알려져 있다. Revell 부지에서 반사법 자료와 VSP 자료를 이용하여 고철질 암맥 경계를 영상화한 사례는 향후 국내 심층처분장 부지조사에서 탄성파탐사 적용 시 큰 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.