1. 서 론
2. 전국규모의 지질 특성
3. 전국규모의 암석역학적 특성과 현지응력 특성
3.1 국내 전역의 암석역학적 특성
3.2 지역별 암석역학적 분포 특성
3.3 전국규모 현지응력 특성
4. 시추사례에 기반한 국내 결정질암과 퇴적암의 특성 검토
4.1 지질학적 특성
4.2 암석역학적 특성
5. 처분 후보 암종에 대한 검토
5.1 지질학적 검토
5.2 역학적 검토
6. 결 론
1. 서 론
원자력발전은 방사성폐기물이 필수적으로 발생하며, 발생된 방사성폐기물은 원자력발전이 시행된 나라 내에 처분해야만 한다. 원자력안전법은 열 발생률이 2 kW/m3, 반감기 20년 이상의 알파선을 배출하는 핵종으로 방사능 농도가 4000 Bq/g이상인 방사성폐기물을 고준위방사성폐기물(High-Level Radioactive Waste, HLW)이라 정하고 있으며, 우리나라의 경우 고준위방사성폐기물은 사용후핵연료가 대부분이다.
현재 전 세계적으로 고려되고 있는 고준위방사성폐기물의 처분방식은 심층처분(Deep Geological Disposal)이다. 심층처분은 고준위방사성폐기물이 인간 생활권과 격리될 수 있도록 지하 심부의 균질하고 단단한 암반에 공학적 방벽 등을 이용한 다중방벽 개념으로 고준위방사성폐기물을 처분하는 것이다. 심층처분에 있어 처분 지역의 모암에 따라 처분개념이 달라진다(Fig. 1). 전 세계적으로 처분 모암으로 고려되는 암종은 화강암이나 편마암과 같은 결정질암, 이암, 점토암, 셰일 등과 같은 퇴적암, 응회암과 같은 화산암, 암염 등이 있다. 한 예로, Fig. 1(a)는 결정질암을 처분 모암으로 선정한 대표적인 국가 중 하나인 스웨덴의 처분개념이며, Fig. 1(b)는 퇴적암을 처분모암으로 선정한 스위스의 처분개념을 제시한 것이다.
Fig. 1
Deep geological repository concept based on different rock types ((a) modified from SKB, 2004, (b) Nagra, 2016)
처분 모암의 선정은 각국의 지질환경에 따라 다르게 결정되는 것으로 알려져 있으며, Table 1은 우리나라를 포함한 각국의 대표적인 지질환경과 결정된 처분 모암, 그리고 관련한 지하연구실험실(URL)이 위치한 암종을 제시한 표이다.
Table 1.
HLW disposal, URL rock type, and geological distribution in some countries
국내의 경우 아직 고준위방사성폐기물 심층처분에 대한 모암이 결정되지 않았으나, 2020년 이전까지 주로 화강암이나 편마암 등 결정질암반에 대한 연구가 주로 수행되어 왔다. 최근 2019년 한국지질자원연구원(KIGAM)에서는 전국규모의 축척 1:25만 통합지질도를 2019년 한국지질자원연구원(KIGAM)에서 발간하였으며, 동시에 암종, 광상, 단층, 선형구조 등의 지질환경정보도에 관한 연구결과가 제시되었다. 이러한 결과를 토대로 2020년부터 국내에 분포하는 여러 암종에 대한 심부 특성 연구가 진행 중이다(KIGAM, 2019, KIGAM, 2020, Cheon et al., 2022a). 또한 화강암에 대한 심부 시추 사례연구를 바탕으로 암반공학분야의 핵심 평가인자 및 분포 범위 등에 대한 연구 결과가 제시된 바 있다(Cheon et al., 2022b). 본 연구는 기존에 수행되었던 연구 결과와 현재 수행 중인 퇴적암, 편마암 등을 포함한 여러 암종에 대한 연구 결과를 토대로 국내 지질환경을 고려한 심층처분 후보 암종군에 대해 검토하여, 처분 모암으로서의 암종에 따른 특성과 가능성을 제시하고자 한다. 이를 위해 전국 규모의 지질학적 특성과 암석역학적 특성에 대해 검토한 후, 구체적 사례에 기반하여 암종에 따른 지질학적, 역학적 특성에 대한 분석을 수행하고 처분 암종으로서의 가능성에 대해 고찰하였다. 이와 같은 연구가 향후 고준위방성폐기물 심층처분에 있어 유용한 정보를 제고할 수 있을 것으로 기대한다.
2. 전국규모의 지질 특성
국내에 분포하는 암종은 크게 선캠브리아기 변성암복합체, 현생누대 퇴적암, 중생대 화강암으로 분류되며, 신생대 화성암류가 분포한다. 선캠브리아기 변성암류는 경기육괴와 영남육괴에 걸쳐 가장 넓게 분포한다. 선캠브리아기 변성암복합체는 최소 5번의 변형작용을 받았고(Kihm and Hwang, 2009), 백립암상의 고압형 변성작용으로 암상과 지질구조가 매우 복잡하다(Lee et al., 2000, Oh et al., 2005, 2006). 국내 분포하는 퇴적암은 크게 고생대 퇴적암인 조선누층군, 옥천누층군, 평안누층군, 연천층군과 중생대 퇴적암인 경상누층군과 대동층군 등으로 구성된다. 또한 백악기와 신생대 퇴적암 등이 작은 퇴적 분지 형태로 분포하고 있다. 중생대 경상누층군은 경상분지에 넓게 분포하고 층리가 잘 발달할 뿐만 아니라 퇴적층을 구성하는 암종들도 다양하다(Chough and Sohn, 2010). 중생대 화강암은 크게 백악기 불국사화강암과 쥐라기 대보화강암으로 나뉜다. 백악기 불국사화강암의 경우 경기육괴, 옥천대, 영남육괴와 경상분지에 분포하나 쥐라기 대보화강암에 비해 소규모로 분포한다. 쥐라기 대보화강암은 경기육괴, 옥천대, 영남육괴에 분포하며, 특히 경기육괴와 옥천대의 경계부를 따라 넓게 분포하고 있다. 백악기 불국사화강암과 쥐라기 대보화강암의 가장 큰 차이점은 정출심도로, 쥐라기 대보화강암이 백악기 불국사화강암에 비해 상대적으로 깊은 곳에서 정출되어 조립질을 가지는 반면, 백악기 불국사화강암은 상대적으로 천부 관입으로 인해 세립질이거나 반상질이며 조직이 균질하지 않은 것이 특징이다(Hong, 1987, Cho and Kwon, 1994).
최근 2019년 한국지질자원연구원은 축척 1:25만 지질도를 통합하는 과정에서 국내에 분포하는 암종들에 대한 분포 면적을 조사하였다(Fig. 2). Fig. 2의 외곽 원은 암종별 분포 면적의 비율, 내곽 원은 각 암종을 특징에 따라 암상별과 시대별로 세분한 결과로, 심성암과 변성암이 각각 30%이며, 퇴적암은 25%로 분포하였다. 변성암의 경우 화강편마암, 흑운모편마암, 편암으로 세분되었고, 퇴적암은 고생대, 백악기, 트라이아스기 및 쥐라기 퇴적암으로 구분하였다. 그리고 심성암의 경우 쥐라기, 백악기, 트라이아스기 심성암 등으로 세분하였다.
Fig. 2
Circle diagram of rock distribution in South Korea based on rock types and geologic age (KIGAM, 2019)
Fig. 2와 같이 국내 분포 암종은 어느 특정한 암종이 우세한 것이 아닌 여러 암종이 혼재되어 있으며, 생성 시기에 따라 다른 특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 지질학적 관점 이외 지질공학이나 암석역학적 관점에서 각 암종에서 보이는 일반적 특성은 다음과 같다. 본 논문에는 고준위방사성폐기물 처분부지 암종으로 고려되고 있는 결정질암인 화강암과 편마암, 퇴적암인 셰일과 이암 등에 대해 기술하였다.
결정질암인 화강암은 천천히 냉각 고결되어 암석 구성 광물들이 등립질 및 완정질 조직을 가지며, 화강암체는 하나의 큰 등방체로 볼 수 있다. 풍화작용을 받지 않은 신선한 화강암은 일축압축강도가 100 MPa 이상의 강도를 갖는 단단한 암석이다. 풍화작용을 받으면 구성 광물인 장석이 먼저 풍화되고 석영 입자들이 많이 남아 모래와 같은 토사로 변한다. 풍화가 더 진전되면 소위 양파구조가 발달하는 특징이 있다. 편마암은 변성작용에 의해 만들어진 면구조인 엽리가 발달하며, 외부에 편마암이 노출되는 경우 엽리를 따라 풍화가 급격히 발생하는 특징이 있다. 엽리면의 경사 방향과 암반구조물의 방향에 따라 역학적으로 불안정성을 유발할 수 있으며, 구성 광물인 운모의 미끄러짐 특성으로 인해 전단강도가 저하될 수 있다. 단층점토 내 백운모가 포화되었을 때 마찰각이 20% 이상 감소할 수 있다. 이는 굴착 등에 따라 암반 내 지하수 등이 유입될 경우 풍화대의 전단강도가 급속히 감소할 수 있음을 의미한다. 이암과 셰일의 구분은 쪼개짐의 존재 여부에 따라 구분되며, 퇴적암의 생성 특성상 다른 퇴적암이 교대로 나타나는 경우가 많다. 퇴적암의 분류는 구성 입자의 지름 크기로 분류하나 구성 광물의 점토 함유량에 따라 분류하기도 한다. 풍화작용을 받은 이후 흙과 유사한 공학적 성질을 보일 수 있으며, 점토 성분으로 인한 팽창이 발생할 수 있다(KGS, 2009).
3. 전국규모의 암석역학적 특성과 현지응력 특성
3.1 국내 전역의 암석역학적 특성
전국규모에서 암석의 강도 등을 포함한 역학적 특성에 대해 종합적으로 분석한 논문들은 Kim and Kim(2006), Cheon et al.(2008), Seo et al.(2016), Choi et al.(2021) 등이 있다. 그러나 이들 자료의 대부분은 심도에 대한 정보가 누락되었거나 심도 300 m 이내의 천부나 산악 터널 등을 건설하기 위해 수행되었던 지반조사의 자료에 기반을 두고 있어 고준위방사성폐기물 심층처분 목적으로 직접 활용하는 데 다소 무리가 있을 수 있다. 이런 제약에도 불구하고 국내에 분포하고 있는 다양한 암종에 대한 전반적인 역학적 특성을 판단하는 데 기본 자료로 활용될 수 있다.
국내 전체 암석의 역학적 특성에 대한 종합 분석한 논문 중 Kim and Kim(2006)은 국내 암석을 대상으로 수행된 6,000여 개의 시험 값을 수집하여 다양한 암석 물성의 특성을 분석한 바 있다. 분석된 특성은 일축압축강도, 간접인장강도, 점착력, 내부마찰각, 탄성계수, P, S파 속도 등이다. 본 연구의 주요 결과는 암종별(퇴적암, 화성암, 변성암)로 구분된 암석의 물리적, 역학적 물성 간의 상관관계를 통계적으로 분석한 것이다. 다만 시험에 사용된 암석을 위치, 심도 별로 구분하지는 않은 것으로 조사되었다.
Cheon et al.(2008)은 국내 2,000여 개 시험자료를 수집하여 암종별로 일축압축강도, 탄성계수, 탄성파속도, 밀도, 흡수율 등의 분포 양상을 분석하였고 암종 구별 유무에 따른 특징도 같이 제시하였다. 특히 국가공인시험기관(KOLAS)에서 수행된 자료만을 사용하여 높은 자료의 신뢰성이 있는 것이 특징이다. 구축된 자료를 기반으로 국내 암석의 역학적 물성의 분포 특성 이외 물성 간 상관관계를 제시하였다.
Seo et al.(2016)은 국내 107개 터널의 설계과정에서 수행한 현장 및 실내시험 자료 4,280개를 이용하여 암반 및 무결암의 역학적 특성을 암종 및 강도별로 분석하였다. 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 탄성계수, 포아송비, 일축압축강도, 인장강도, 투수계수, 비중을 분석하였으며, 암종을 화강암, 편마암, 퇴적암, 화산암, 변성암으로 구분하여 역학적 특성의 평균값을 비교하였다. 분석에 사용된 자료는 전국에서 채취되었지만 암석이 채취된 지역, 심도에 따른 영향은 고려하지 않았다는 한계점이 있으며, 분류된 암반등급(풍화암, 연암, 보통암, 경암)과 일축압축강도와의 상관성이 일반적으로 통용되는 분류기준과 다소 불일치하는 결과를 보였다.
최근 Choi et al.(2021)은 국내에서 수행된 다양한 암석 실내시험 결과를 취합하여 이를 암종별, 강도별, 지역별로 분류하고 이를 통계적으로 분석한 결과를 제시하였다. Cheon et al.(2008)에서 사용된 자료와 함께 서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부 암반공학실험실에서 수행된 자료를 바탕으로 분석하였으며, 암종을 세부적으로 분류하는 대신 변성암, 화성암, 퇴적암 등으로 구분하여 비중, 공극률, 탄성파속도, 일축압축강도, 압열인장강도, 점착력, 내부마찰각에 대한 다양한 통계자료를 제시하였다. 또한 암석을 강도에 따라 분류하여 암석의 강도에 따른 다양한 역학적 물성의 분포를 분석하였으며, 분포자료는 절대빈도 대신 상대빈도로 표현하여 상호비교가 쉽도록 제시되었다(Fig. 3). 다른 연구와 마찬가지로 역학적 물성 간의 상관관계를 집중적으로 분석하였다. 하지만 대상 시험결과를 취득한 심도에 대한 정보는 없으며, 대부분 터널 혹은 토목구조물의 시공 시 획득된 지반조사결과에 해당하므로 비교적 천부 암반에 대해 얻어진 시험 결과일 것으로 판단된다.
토목구조물 등에 적용되는 목적과 달리 고준위방사성폐기물 심층처분 목적으로 국내에서 300 m 이상 심부 시추한 사례는 한국원자력연구원이 수행했던 강원도 고성군, 대전광역시 유성구 지역의 시추사례와 한국지질자원연구원이 수행했던 경상북도 안동군의 사례 등 소수만이 존재한다. 최근 고준위방사성폐기물과 관련하여 한반도 지체구조별 암종별 심부 특성 파악을 위해 2020년부터 5년 동안 한국지질자원연구원에서 매년 2공씩 750 m 심도의 심부 시추를 수행하고 있다. 2020년에는 강원도 춘천과 원주에서 화강암을 대상으로 시추가 수행되었으며, 2021년에는 경상남도 진주와 경상북도 대구에서 퇴적암을 대상으로, 2022년에는 경상남도 창원의 퇴적암과 강원도 홍천의 편마암을, 2023년에는 전라남도 영암의 화산암과 전라북도 남원의 화강암에 대해 시추를 수행 중이다.
3.2 지역별 암석역학적 분포 특성
Choi et al.(2021)의 연구는 지역별로 암석의 물성을 분석한 내용을 포함하였으며, 서울특별시, 광역시, 도별로 암종(화성암, 변성암, 퇴적암)에 따른 암석의 역학적 물성 및 변형계수의 분포를 표와 공간분포로 제시하였다. Fig. 4는 분석된 지역별 암석의 물성을 암종을 토대로 정규 크리깅을 수행하여 공간상에 도시한 것이다. 지역별, 암종별 표본의 크기 등에서 차이가 큰 점, 특정 지역에 편중되는 등의 한계가 있어 일축압축강도의 공간적 분포는 참고 자료로만 활용하도록 제안하였으며, 단순 지역별 분류가 아닌 지체구조별 분류 및 그에 따른 분포의 차이 등 추가적인 분석이 필요할 것으로 보고하였다.
Fig. 4
Spatial distribution of the uniaxial compressive strength of different rock types (unit: MPa) (KIGAM, 2020, Choi et al., 2021)
3.3 전국규모 현지응력 특성
전국규모의 현지응력 분포패턴 및 특성에 대한 종합적인 분석 보고는 국내 전역에 대한 현지응력 실측자료가 어느 정도 축적된 2010년 이후부터 본격적으로 이루어졌으며(Synn et al., 2013), 최근 지난 수십 년간 국내 전역에서 이루어진 1400여 개의 현지응력 실측자료를 통합한 한국응력지도가 발간되었다(Kim et al., 2021). 본 논문에는 이 자료들을 중심으로 전국규모의 현지응력 특성을 요약 분석하였다.
한국응력지도 구축에 이용된 현지응력 자료는 전국의 300여 지역에서 수압파쇄법 및 오버코어링법을 이용해 실제 측정된 것이며 전체적으로 심도 1 km 이내의 비교적 천부에서 이루어진 것이다. 즉, 국내 전역의 광역적인 현지응력 분포 패턴을 알 수 있으면서 한편으로는 천부 개별 측정지역의 지형 및 지질과 같은 국지적 특성을 반영하고 있을 가능성이 크다.
Fig. 5는 세계응력지도(Heidbach et al., 2016) 기법을 이용하여 <한국응력지도 2020> (Kim et al., 2021)에서 작성한 국내 전역의 광역적인 현지응력 분포도이다. 국내 전역에 대한 현지응력 측정 결과의 통계적 평균값으로 얻어진 최대수평응력 방향은 진북으로부터 시계방향으로 80° ± 41°(평균 ± 표준편차) 범위로서 NE~SE 범위에 있다. 최대수평응력 방향의 분산도가 비교적 큰 것은 1 km 이내의 천부 지역에 대한 것이어서 거시적인 한반도 지각의 응력장 내에 있으면서도 천부 지역별 지형 및 지질 영향을 포함하고 있기 때문으로 보인다.
국내 전역에서 이루어진 전체 현지응력 측정 결과(Fig. 6)와 함께, 심도(Z)에 대한 수직응력(Sv), 최소수평응력(Sh), 최대수평응력(SH), 최소측압계수(Kh = Sh/Sv), 최대측압계수(KH = SH/Sv), 평균측압계수(Kavg = (SH+Sh/2Sv) 등의 국내 전체 평균적 경향을 통계적으로 도출한 관계식은 다음과 같다.
4. 시추사례에 기반한 국내 결정질암과 퇴적암의 특성 검토
고준위방사성폐기물 심층처분은 처분 암종의 특성에 의해 크게 좌우되기 때문에 다양한 암종에 대한 지표 및 심부 특성 연구가 필수적이며, 이를 위해 장기적이고 다학제적인 연구들이 수행되어야 한다. 한국지질연구원은 2020년부터 국내 분포 암종에 대한 심부지질특성 연구를 위해 심부 시추조사를 수행해오고 있다(Table 2). 심부시추는 Kim et al.(2008)에서 구분된 경기육괴, 옥천대, 영남육괴, 경상분지 등 지체구조와 KIGAM(2019)에 의해 구분된 암종의 두 요소를 고려하여 수행되고 있다. 결정질암의 경우 2020년 경기육괴에 속하는 춘천 지역과 옥천대의 원주 지역의 쥐라기 화강암에 대한 지표지질조사와 심부 시추조사를 수행했으며, 2022년에는 경기육괴에 속하는 홍천 지역의 편마암과 2023년에는 영남육괴의 남원 지역의 화강암에 대해 심부 시추조사를 수행하고 있다. 퇴적암의 경우는 2021년에는 중생대의 경상분지에 속하는 진주 지역의 진주층과 대구 지역의 함안층에 대해서 수행하였으며, 2022년에는 창원 지역의 진동층에 대해 수행하였다. Table 2에서 알 수 있는 바와 같이 고준위방사성폐기물과 관련하여 수행되었던 시추 연구가 많이 이루어지지 못했기 때문에 본 논문에서 제시하는 내용이 국내 결정질암이나 퇴적암을 모두 대표한다고 할 수 없다. 그렇지만 사례로서 제시한 결정질암 중 화강암과 퇴적암 중 진주층의 시추 결과를 중심으로 한 특성 분석은 두 암종의 특성비교가 가능할 것으로 여겨진다. 한편 선캠브리아기의 용두리 편마암 복합체에 속하는 홍천 편마암의 경우 여러 번의 변성작용으로 인해 발달한 편리와 함께 불균질성이 높아 처분 암종으로 단점으로 작용한다.
Table 2.
Deep boreholes drilling sites completed or planned for HLW based on tectonic structures and rock types (updated from Cheon et al., 2022a)
4.1 지질학적 특성
원주 지역은 경기육괴 남동부에 위치하며 쥐라기 화강암이 넓게 분포하고 있다. 이 지역은 선캠브리아기 치악산 편마암류가 기저부를 이루며, 이들과 함께 대리암과 편암이 소규모로 분포한다. 이 지역은 쥐라기 화강암인 원주화강암과 섬록암, 백악기 화강반암 등이 관입하며 발달하였다(KIGAM, 2020). 원주에 분포하는 쥐라기 화강암은 구성광물에 따라 각섬석-흑운모화강암과 흑운모화강암으로 구분되나 중립질 내지 조립질의 각섬석-흑운모화강암이 우세하게 분포한다. 춘천 지역은 경기육괴 중부에 위치하며 선캠브리아기 흑운모편마암이 기저부를 이루며, 규암과 대리암이 흑운모편마암을 부정합으로 피복하고 있으며, 이들을 쥐라기 춘천화강암이 관입하며 발달하였다. 이 지역의 쥐라기 화강암은 중립질 내지 조립질이며, 등립질 조직을 보인다. 그러나 일부 장축이 최대 2 cm 이상의 장석반정이 관찰되기도 한다.
국내 분포하는 퇴적암들 중 중생대 퇴적암 내에 이암이 많이 분포하고 있는 것으로 보고되어오고 있다(Chough and Sohn, 2010). 특히 중생대 백악기 퇴적분지 또는 퇴적층에 분포하는 이암의 경우 상대적으로 층후가 두꺼워 처분 모암으로서 가능성이 있는 것으로 판단된다(Figs. 7 & 8). 특히 진주층, 함안층, 진동층의 경우 상하부의 다른 층들에 비해 이암의 층후가 매우 두껍게 발달하는 것으로 보고되었다(Chough and Sohn, 2010). 진주층은 경상누층군 최하부 신동층군의 최상부 지층이며, 신동층군은 경상분지의 서쪽 주변부에 해당하는 소위 낙동곡분(Chang, 1977)을 따라 퇴적되었으며, 서쪽 경계부 기반암을 부정합으로 피복하고 동쪽으로는 상부층인 하양층군과 정합으로 접하고 있다. 층후가 2~3 km인 이 층군은 주로 사암과 이암으로 구성되며, 일부 역암과 이회암이 협재한다. 이 층군은 하부로부터 낙동층, 하산동층과 진주층으로 구성되며, 호성퇴적층인 진주층의 층후는 약 1,200 m이다. 진주층은 주로 암회색 내지 흑색의 이암, 흑색 셰일과 사암으로 구성된다. 이 층 하부에는 하산동층이 분포하며, 상부로는 칠곡층에 의해 피복되어 있다. 진주층의 상부는 조립질 사암과 역질 사암이 협재하며, 중부에는 주로 사암과 셰일이 호층을 이루며 분포한다. 특히 상부에서는 상대적으로 사암보다 셰일이 우세하게 분포하며, 사암 또한 세립질 사암이다(Lee and Yang, 1990). 함안층은 백악기 경상누층군 하양층군에 속하며 경남 사천에서 대구에 이르기까지 북동-남서 방향으로 넓게 분포한다(Fig. 7, Um et al., 1983). 이 층의 하부는 신라역암이 분포하며 상부는 진동층이 분포한다. 함안층은 판상의 사암 내지 실트스톤이 퇴적된 후 적색 이암이 얇게 피복한다(So et al., 2007, Kim et al., 2011a). 함안층은 괴상 또는 생교란작용을 받은 자색 이암이 우세하며 일부 사암이 협재되어 있다(Kim et al., 2011a). 이 층의 두께는 약 500~2,600 m이다.
암석 내에 발달하는 단열대의 발달 특성은 암석의 물성뿐만 아니라 지하수의 이동과 저류, 핵종의 이동 등에 매우 많은 영향을 미칠 수 있어 고준위방사성폐기물 심층 처분장의 장기 지질 안정성에 많은 영향을 초래할 수 있으므로 이에 대한 면밀한 조사가 수행되었다. 지질구조 발달특성, 암상학적 기재, 단열 형태, 단열면의 발달 형태, 단열 빈도 등을 중심으로 조사되었다.
옥천대의 원주 지역에서 회수된 화강암 시추 코어에서 관찰되는 암상의 특성은 각섬석-흑운모화강암이며, 중립질 내지 조립질의 입자크기를 갖고 있으며 주로 등립질조직을 보이나, 부분적으로 장석반정에 의한 반상조직을 보였다. 또한 염기성 미립 포유암(Mafic Microgranular Enclave, MME)과 흑운모 덩어리(biotite clot)를 포함하고 있다. 경기육괴의 춘천 지역 화강암 시추코어의 암상은 흑운모화강암이며, 중립질 내지 조립질의 입자크기를 갖고 있으며 주로 등립질 조직과 일부 반상조직을 보였다.
Fig. 8
Schematic stratigraphic column of the Jinju subbasin with brief descriptions and interpretations (Chough and Sohn, 2010)
원주 화강암 시추 코어 내에는 저각에서 고각의 단열들이 시추공 전체에 걸쳐 분포하며, 단열면의 형태는 계단형태나 물결형태로 발달하였다(Fig. 9). 화강암에서 관찰되는 판상절리(sheeting joint)는 지표로부터 증가와 감소를 반복하며 약 141.9 m까지 발달하였다. 특히 저각의 단열들에서는 변질대가 잘 발달하지 않으나, 고각의 단열(> 50°)들을 따라 노란색과 녹색의 변질대가 시추공 전체에 걸쳐 발달하였다. 이는 저각의 단열들보다는 고각의 단열들을 따라 유체의 이동이 주로 일어났던 것을 지시할 수 있다. 노란색 변질대의 경우 단열면을 따라 국부적으로 발달하는 것으로 볼 때, 지표수나 지하수 등의 유동에 의해 변질된 것으로 판단된다. 그러나 녹색의 변질대는 화강암 내 장석을 변질시키며 발달하며 시추공뿐만 아니라 주변에 넓게 발달한다. 그리고 원주 화강암 시추코어 내에는 총 19개의 단층들이 인지되며, 단층의 구획은 단층핵(fault core), 단층비지(fault gouge)의 발달여부와 단층면 내 단층활면(slickenside), 단층조선(slickenline), 단층홈(fault ridge or ridge-in-groove)등의 발달 여부로 결정하였다. 총 19개의 단층들의 발달특성은 경사이동단층의 정단층(60.4 m, 478.8 m, 550.2 m)과 역단층 내지 드러스트단층(215.6 m, 286.5 m, 424.4 m, 424.8 m, 425.7 m, 426.1 m, 491.8 m, 540.2 m, 661.9 m)들이며, 주향이동단층은 우수향 주향이동단층(339.8 m, 421.1 m)과 좌수향 주향이동단층(561.5 m, 579.3 m, 588.0 m, 655.6 m, 670.3 m) 모두 발달하였다. 단열밀도는 단층대 주변과 변질대 주변에서 높게 발달하였다. 단층대 주변의 단층손상대 분포는 주향이동단층의 경우 단층면을 기준으로 좌우가 대칭적인 두께와 빈도로 발달하나, 경사이동단층의 경우 하반보다 상반에서 집중되어 발달하였다. Fig. 10은 시추코어에서 발달한 역단층의 예를 제시한 것이다.
Fig. 10
One of the well-developed reverse faults detected in cores of the Wonju Granite (KIGAM, 2020)
진주층은 암회색 이암층과 회색 사암층의 호층으로 구성된다. 백악기 퇴적암인 진주층과 함안층을 대상으로 수행한 시추조사에서 확보된 시추코어에 대한 수행된 정밀 지질구조 조사의 결과를 요약하면 다음과 같다.
진주 지역의 시추공(진주층) 내에 발달하는 단열들 중 저각의 단열들은 층리면과 평행한 것들이며, 고각 절리들의 경우 진주층 내에 발달하고 있는 방해석맥이나 석영맥이 분리되어 발달한 단열들이다(Fig. 11). 단열면의 형태는 계단형태, 물결형태와 평면형태가 발달하였으며, 일부 단열들면을 따라 황철석 또는 철산화물들이 분포하고 있었다. 고각의 방해석맥이나 석영맥 또는 이들의 분리되어 발달한 단열들은 주로 사암층 내에서 발달하며, 이들이 셰일층을 만나는 지점에서 첨멸하는 특성을 보여주었다. 진주층 시추코어에서는 총 10개의 단층들이 발달하는데 경사이동단층의 정단층(7.3 m, 77.6 m, 126.9 m, 206.0 m, 224.5 m)과 역단층 내지 스러스트단층(339.1 m, 495.2 m, 685.1 m)들이며, 주향이동단층은 좌수향 주향이동단층(226.2 m)과 운동감각이 인지되지 않는 주향이동단층(677.2 m)이 모두 발달하고 있다. 화강암과 유사하게 단열밀도는 단층대 주변에서 상대적으로 높게 나타났다.
Fig. 11
One of the well-developed reverse faults detected in cores of the Jinju formation (KIGAM, 2021)
4.2 암석역학적 특성
심부 시추공에서 획득한 무결암 시료를 활용하여 심도에 따른 역학적 특성의 변화를 분석하였다. 심도별 분포 특성을 파악하기 위해 50 m 간격을 기본으로 하여 절리를 포함하지 않은 무결암 시료에 대해 수행한 시험 결과는 Fig. 12와 같다.
원주 화강암(Fig. 12(a))의 경우 심도에 따라 탄성파속도(Vp, Vs)와 비중(specific gravity, S.G.)이 증가하는 경향을 보이나 흡수율(water absorption or saturation, W.S.)은 반대로 감소하는 경향을 보였다. 일축압축강도(uniaxial compression strength, UCS)의 경우, 변질대 구간인 450 m와 700 m 심도에서 경향을 벗어난 결과를 보였다. 원주 화강암은 고각의 절리와 심부에서의 낮은 역학적 물성은 절리를 따른 물의 유동으로 암반이 변질되어 역학적 특성이 감소하였음을 의미한다. 이는 지하수 유동이 발생한 절리의 표면에 방해석이 침전된 지질공학적 분석결과와도 일치한다(KIGAM, 2021). 따라서 보다 상세한 역학적 분석을 위해서는 암종이나 구성 광물뿐 아니라 절리의 발달이나 수리지질특성 등 지질학적, 지질공학적 특성을 동시에 고려해야 함을 확인할 수 있었다. 원주 지역에 발달한 균열(또는 단열)에 대한 정보는 ATV (Acoustic Televiewer) 물리검층을 통해 획득하였으며, 이로부터 추출한 균열 경사와 경사각을 스테레오 넷에 도시하면 Fig. 13(a)와 같다. 원주 화강암은 크게 2개의 절리군과 산발된 다양한 절리가 존재하며, 다수의 고각 절리가 발달되어 있다.
진주 퇴적암은 사암, 셰일, 사암과 셰일이 혼재되어 존재하기 때문에 50 m 간격과 함께 암종 분포를 고려하여 시료를 획득하였다. 퇴적암의 경우 시추공 유지와 안정적 시추 등을 위해 250 m까지 HQ의 크기로 시추한 후 NQ로 추가 시추가 수행되어 200 m 이내 천부 심도의 경우 획득 시료 크기의 차이로 결과에서 제외하였다. 250 m, 400 m, 450 m, 600 m는 셰일 시료이며, 300 m, 350 m, 500 m, 550 m, 650 m, 750 m는 사암과 셰일이 혼재된 시료이며 700 m는 사암 시료이다. Fig. 12(b)에서 알 수 있는 바와 같이 역학적 물성은 암종과 심도에 따라 편차를 보였으나, 암종에 따라 구별된 뚜렷한 특징을 보이진 않았다. 특히, 일축압축강도는 130 MPa 에서 250 MPa사이의 높은 값을 보여 국내 퇴적암이 국외에서 보고된 퇴적암의 일반적 강도에 비해 높음을 재확인할 수 있었다. 일축압축강도 시험 후 파괴양상은 사암과 셰일 모두 취성의 특성을 보였으며 이는 높은 강도에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 13(b)는 진주 퇴적암에서 발단된 균열로, 원주 화강암에 비해 상대적으로 낮은 경사각의 균열이 우세함을 알 수 있다. 이는 퇴적암의 경우 층리의 영향으로 저각의 균열이 우세하게 나타나는 경향과 일치한다.
Fig. 12
Physical and mechanical distributions with depth of the Wonju granite (a) and the Jinju formation (b) (Cheon et al., 2022b)
Fig. 13
Fracture distribution patterns from the borehole of the Wonju granite (a) and the Jinju formation (b) (KIGAM, 2021, 2022)
현지응력 산정은 수압파쇄시험을 통해 이루어졌으며, 수압파쇄시험으로부터 직접 측정이 가능한 균열파쇄압력, 균열폐쇄압력은 심도에 따라 증가하는 경향을 암반인장강도는 심도에 따라 약간 감소하는 경향을 보였다(Cheon et al., 2022b). 균열파쇄압력, 균열폐쇄압력, 암반인장강도 등을 이용하여 심도에 따른 원주 지역의 현지응력을 도시하면 Fig. 14와 같다. 심도에 따라 최대수평응력과 최소수평응력이 증가함을 알 수 있으며 증가 정도는 최대수평응력이 최소수평응력에 비해 다소 크게 나타남을 알 수 있다. 최대수평응력의 평균방향은 진북으로부터 시계방향으로 101° ± 36° 범위로 NE~SE 범위에 있어 한국응력지도에서 산정된 방향에 포함됨을 알 수 있다. 수직응력 대 수평응력의 비로 표현되는 측압계수는 심도가 깊어짐에 따라 줄어드는 경향을 보이면서 1에 근접하였다(Fig. 15(a)). 최대수평응력과 최소수평응력은 심도에 따른 편차가 조금 있으나 대략 1.46의 비를 보였다(Fig. 15(b)). 원주 지역의 경우 작용하는 최대응력이 30 MPa이하로 무결암 시험편의 평균 강도에 비해 대략 15 % 수준이고 최소 강도에 비해서도 25% 정도 수준이기 때문에 개략적 관점에서 역학적 안정성은 높을 것으로 판단된다.
Fig. 14
Magnitude and direction of in-situ stress from the borehole of the Wonju granite (Cheon et al., 2022b)
Fig. 16은 진주 퇴적암에서 수행한 현지응력과 측압계수를 제시한 것으로 600 m까지 심도에 따라 최대수평응력과 최소수평응력이 증가함을 알 수 있다. 원주 화강암과 같이 최대수평응력이 심도에 따라 증가하는 정도가 컸으며, 최대수평응력의 평균방향 역시 101° ± 16° 범위의 NE~SE 범위 내에 있었다. 다만, 600 m 이하의 경우 상대적으로 낮은 파쇄압력과 기존균열의 영향 등으로 현지응력이 낮게 측정되어, 보다 정확한 분석을 위해 심도별 지질자료와 시추코어로깅자료 등과 함께 향후 검토할 예정이다. 최대수평응력과 최소수평응력은 심도에 따른 편차가 조금 있으나 대략 1.40의 비를 보였으며, 진주 지역에 작용하는 최대응력은 약 23 MPa로 무결암 시험편의 평균 강도에 비해 12% 정도 수준으로 역학적 안정성은 원주와 같이 높을 것으로 판단된다.
5. 처분 후보 암종에 대한 검토
5.1 지질학적 검토
북유럽 등에서 처분암종으로 고려되고 있는 화강암의 국내 특징을 검토하면 다음과 같다. 국내에 분포하는 현생 화강암의 관입 시기는 오래된 순서에 따라서 고생대, 트라이아스기 초기, 트라이아스기 후기, 쥐라기 초기, 쥐라기 중기, 백악기 후기, 고제3기 등 7가지로 구분된다(Table 3, Cho et al., 2008, Kim et al., 2008, Kim et al., 2011b, Oh, 2012, Cheong and Kim, 2012). 고준위방사성폐기물 처분의 입장에서 현생 화강암의 특징을 살펴보면 아래와 같이 3가지 인자를 고려할 수 있다. 첫째, 화강암을 정치시킨 다양한 화성활동의 특징. 둘째, 트라이아스기 중기에 일어난 송림조산운동의 영향. 셋째, 쥐라기 초기에 일어난 호남전단대 전단운동의 영향 등이다. 고생대부터 트라이아스기 초기까지 관입한 화강암은 주로 경상북도 북동부에 소규모로 분포한다(Fig. 17, Cheong and Kim, 2012). 이 화강암들은 트라이아스기의 송림조산운동을 받아서 많은 부분에 엽리가 발달하였으며, 발달한 엽리는 고준위방사성폐기물 처분에 불리한 요소로 작용한다. 트라이아스기 후기와 쥐라기 초기에 관입한 화강암은 특징적으로 옥천대 중부와 영남육괴 중부에 주로 분포한다(Fig. 17). 이 암체들은 호남전단대의 전단운동을 받은 경우가 많으며, 이 경우에는 전단작용의 결과 발달한 압쇄엽리가 고준위방사성폐기물 처분에 불리한 요소로 작용할 수 있다. 쥐라기 중기에 관입한 화강암은 경기육괴와 옥천대에 광범위하게 북동-남서 방향의 대상으로 분포한다(Fig. 17). 이 화강암은 고준위방사성폐기물 처분에 충분한 면적으로 제공할 뿐만 아니라 지하 심부에서 관입하여 중~조립질의 일정한 암상을 유지한다. 또한 전단작용을 받은 경우가 드물어 엽리구조도 매주 적다. 따라서 고준위방사성폐기물 처분에는 유리한 조건이 될 수 있다. 마지막으로 백악기 후기부터 고제3기까지 경상도 일대와 옥천대 중부 일대에 주로 관입하였다. 이 암체는 매우 천부에서 관입하여 암상이 균질하지 않고 반상조직을 보이는 경우가 많아 고준위방사성폐기물 처분에 불리한 조건으로 작용한다.
Table 3.
Correlation of Phanerozoic granitoids in Korean Peninsula (compiled from Cho et al., 2008, Kim et al., 2008, Kim et al., 2011, Oh, 2012, Cheong and Kim, 2012)
Fig. 17
Distribution of Phanerozoic granitoids in South Korea classified by emplacement ages (Cheong and Kim, 2012)
Table 4는 고준위방사성폐기물 심층처분에 있어 모암의 성능을 나타내는 지시자에 대해 스위스 처분사업자인 Nagra가 결정질암과 퇴적암의 특징을 비교하여 제시한 것이다. 자체 밀봉(self-sealing)은 고준위방폐물지층처분의 안전성과 장기간 핵종이동을 이해하고 제어하는 매우 중요한 요소이다(NEA, 2010). 자체 밀봉을 통해 핵종이나 유체의 확장에 대한 처분 암종이 장애물로서 장기간 역할을 수행할 수 있으며, 결국 자체 밀봉된 단열들은 핵종의 이동통로가 아닌 차단 역할을 할 수 있다. 또한 퇴적암 중 이암층에서 단열들은 자체 밀봉에 의해 수리전도도 등이 급격히 낮아질 수 있다.
Table 4.
Comparison of characteristics between crystalline rocks and sedimentary rocks as a host rock for HLW (modified from NAGRA presentation, 2017)
특히 진주층 시추코어 주상도 작성 중 이암층 내에서 자체 밀봉으로 판단되는 부분들이 일부 관찰되었다(Fig. 18(a), (b)). 진주층 시추코어에서 다양한 지질구조들이 관찰되었는데 일부 단층파쇄대나 단열들이 형성되고 오랜 시간이 경과된 후 다시 굳어지거나 단단해진 특성들이 관찰되었다. 특히 이와 같은 자체 밀봉의 흔적들은 진주층 내에 협재되어 있는 사암보다는 이암층 내에서 관찰되었다. 또한 이암층 내에 협재되어 있는 사암층 내에 발달하는 고각의 방해석맥 또는 석영맥들이 이암층을 만나는 부분에서 첨멸하는 발달특성이 관찰되기도 하였다(Fig. 18(c), (d)). 이는 이암층이 자체 밀봉뿐만 아니라 세맥들의 발달과 연장까지 제어하는 것으로 판단된다. 진주층에서 관찰되는 이암은 사암이 협재되어 있으나, 일정 간격이 넘는 이암의 층후가 다수 관찰되고 있다. 또한 이암과 사암 등은 입자크기로 구분하는 암종 구분이나 이와 함께 점토광물의 함량과 성분이 중요한 요소로 여겨진다. 현재까지 이와 관련된 명확한 기준은 없으나 점토광물의 함량 정도에 따른 처분의 적합성 여부에 대한 검토도 수행되어야 할 것으로 생각된다.
진주 지역 퇴적암과 달리 원주 화강암 시추코어에서 단열이 발달한 부분인 단열대를 따른 변질대(노란색) 또는 장석 변질대(녹색) 등이 발달하며, 이는 단열을 따라 이동한 지표수 및 열수 등에 의한 것으로 판단되며, 이는 단열대가 유체의 이동통로 역할을 하는 것으로 생각된다(Fig. 19).
이처럼 진주층 내 이암층에서는 기존 단열대 및 파쇄대가 일정 시간이 경과한 후 자체 밀봉과 속성작용 등에 의해 닫히거나 굳어져 유체 유동을 제한하거나 장애물 역할을 할 수 있는 것으로 판단되나, 결정질암인 원주 화강암에서 형성된 단열들은 자체 밀봉 작용이 발생할 수 없으며 오히려 이들이 유체유동의 통로 역할을 하는 것으로 판단된다. 특히 이암층 내에서의 자체 밀봉이 형성될 수 있는 시간은 이암의 특성에 따라 많이 차이가 있다. 즉, 세립질이고 연성 이암(plastic clay)인 경우 상대적으로 자체 밀봉 시간이 짧은 것으로 보고되었다(NEA, 2010). 이는 이암의 특성에 따라 자체 밀봉 정도의 차이가 나는 것을 의미한다. 따라서 국내 퇴적암 중 이암의 층후가 상대적으로 두꺼운 진주층과 진동층에 대한 물성 특성을 면밀히 조사할 필요가 있다.
5.2 역학적 검토
역학적 관점에 있어 고준위방사성폐기물 처분시설에 큰 영향을 미치는 요소 중 핵심요소로 현지응력과 강도 특성을 들 수 있다. 본 논문에서는 고준위방사성폐기물 심층처분과 관련하여 처분장 심도를 300 m 하부로 가정한 후, <한국응력지도 2020>에서 300 m 심도 하부의 현지응력 자료에 대해 분포 양상 및 상관관계를 분석하였다. 다만, 300 m 심도 하부의 현지응력 측정 자료는 약 90개 정도로서 양적인 면에서 전체의 10% 이내로 한계가 있었다.
Fig. 20에서 300 m 심도 하부의 심도별 현지응력 분포는 비교적 선형적 변화 양상을 보였다. 심도와 측압계수의 평균적인 상관관계식은 다음과 같이 얻어졌다. 이 상관관계식으로 계산하면 300 m ~ 1000 m 심도 범위에서 Kh는 0.9892~0.4292(변화폭 0.56), KH는 1.4822~0.8522(변화폭 0.63), Kavg는 1.2582~0.6982(변화폭 0.56) 범위의 변화 양상을 보였다.
한편, 300 m 심도 하부 영역에서 선형적인 변화 양상을 보이면서도 중앙 평균식에서 다소 벗어나 상관계수(R2)가 낮은 것으로 나타나는데, 이것은 측정지역별 위치 차이 및 지체구조 차이 등의 영향이 있음을 보여준다. 따라서 이러한 국내 전체의 평균적 경향을 통해 일반적인 현지응력 분포 특성의 추정 평가하지만, 실제 대상 지역에 대한 현지응력 측정은 반드시 수행되어야 함을 의미한다.
전국 규모의 현지응력 상관식과 패턴을 핀란드 Olkiluoto 및 스웨덴 Forsmark 처분장 지역의 현지응력 패턴과 비교하면(Fig. 21), 한반도가 스칸디나비아반도에 비해 현지응력 및 측압계수 크기는 상대적으로 낮은 값을 보이면서 심도에 대한 변화율은 비슷한 패턴을 보였다. 여기서의 한반도 현지응력 자료(Figs. 20 & 21)는 전국의 측정 자료를 평균한 것으로 다양한 지질특성(지구조, 연약대, 균열대 등)을 포함하고 있으므로, 핀란드와 스웨덴의 경우와 같이 처분부지로 선택된 견고한 단일 암반층과 비교하면 현지응력이 상대적으로 낮게 작용하는 것이 당연하다고 볼 수가 있다. 이를 고려해 전국 현지응력 상관식의 상한 범위로 비교해 보면, 핀란드 Olkiluoto 지역과 비슷한 현지응력 상태에 접근한다. Fig. 22(Haghi et al., 2018)의 세계 대륙별 측압계수 분포 비교를 보면, 아시아 대륙의 값이 세계 전체 및 타 대륙에 비해 약간 낮은 범위에 많이 분포하는 경향이 있다. 한반도지역 측압계수는 다른 아시아지역 전체의 측압계수 분포 범위와 비슷한 양상을 나타내고 있다.
국내 분포 암종의 역학적 특성과 국외에 발표된 암종에 따른 특성 비교가 Fig. 23에 제시되었다. 국내 분포 암종의 역학적 특성은 Aladejare and Wang(2017)이 보고한 국외 암종의 역학적 특성에 비해 상대적으로 높은 경향을 보였으며, 특히 일축압축강도와 내부마찰각이 높게 나타남을 알 수 있다. 이는 현지응력과 같이 다른 요소가 같다면 국내 처분시설이 역학적으로 더욱 안정할 수 있다는 것을 의미한다.
전국규모의 암석역학적 특성과 국외 사례 비교는 국내 전역의 자료를 활용하였기에 전국규모에서 획득한 정량적인 수치를 국내 특정 지역에 그대로 적용하기에는 제한이 있으나, 일반적인 경향 및 광역적 범위를 추정하는데 활용이 가능할 것이다. 그리고 Olkiluoto 및 Forsmark의 단일 지역도 심도에 따라 응력장 패턴이 달라지고 강도 역시 달랐기 때문에, 심층처분 대상 지역의 정밀한 응력장 패턴과 역학적 특성을 파악하기 위해서는 지체구조 및 현지암반 특성 조사와 함께 현지응력 측정과 실내, 현장시험 등이 충분하게 이루어져야 할 것이다.
6. 결 론
본 연구에서는 고준위방사성폐기물 심층처분과 관련한 처분 암종을 검토하기 위하여 기존에 보고된 논문과 보고서 등을 중심으로 전국규모의 지질학적 특성과 역학적 특성을 분석하였다. 지질학적으로 암종에 따른 전국규모 분포 면적, 생성 시기 및 특성 등을 분석하였으며, 암석역학적으로 일축압축강도, 점착력, 내부마찰각과 같은 특성과 함께 <한국응력지도 2020>을 통한 전국규모 현지응력의 크기와 방향 등에 대해 검토하였다. 또한 상세한 후보 암종 검토를 위해 결정질암과 퇴적암에 대해 수행된 심부 시추조사 사례를 활용하여, 국외 자료들과 국내의 지질학적 및 암석역학적 특성을 비교 분석하였다.
고준위방사성폐기물 심층처분을 위한 후보 암종으로서 가능성이 있는 암종으로 결정질암 중 화강암, 퇴적암 중 점토광물을 함유하는 이암을 도출하였다. 결정질암인 화강암은 편리 등이 발달하는 편마암에 비해 상대적으로 균질하며 같은 화강암 중에서는 쥐라기의 화강암이 백악기 대비 균질성 더욱 좋을 수 있다는 것이다. 퇴적암의 경우, 층후가 두꺼운 진주층과 진동층 등의 이암이 타 암종에 비해 점토광물의 핵종 흡착 효과나 자체 밀봉 등의 특성으로 적합할 수 있다.
그러나 본 연구에서 제시된 내용은 현재까지 국내의 많지 않은 자료를 바탕으로 분석하고 제시하였기에 본 논문에서 검토한 암종 등을 포함한 추가적인 심부 시추조사와 함께 다학제적이고 지구과학적 연구가 수행된 후 처분 암종이 결정되면 과학적과 사회적 수용성이 증대될 것이다. 또한 본 연구가 향후 고준위방성폐기물 심층처분에 있어 유용하게 활용될 수 있기를 기대한다.
