1. 서 론
2. 응력모델 구축 절차
2.1 단계와 판단 기준
2.2 자료 수집과 선별
2.3 응력장과 주응력 방향
2.4 응력 크기
2.5 인근 실측값과의 비교와 기준 범위 설정
2.6 응력모델의 표현
3. 태백 URL 부지 적용
3.1 부지 개요
3.2 응력자료
3.3 응력장과 주응력 방향
3.4 연직응력
3.5 입력 자료와 방법에 따른 차이
3.6 응력 크기
4. 인근 실측값과의 비교
4.1 응력 크기
4.2 최대수평주응력 방향
4.3 기준 범위와 부지 응력모델
5. 고 찰
5.1 절차 적용 결과의 검토
5.2 활용과 한계
6. 결 론
1. 서 론
터널, 지하 저장시설, 지열 개발, 고준위방사성폐기물 심층처분과 같이 심부 암반에 건설되는 시설의 설계와 안정성 해석, 굴착손상영역(excavation damaged zone) 예측, 열-수리-역학 연계해석(thermo-hydro-mechanical coupled analysis)에는 현지응력(in-situ stress)이 초기조건으로 필요하다(Amadei and Stephansson, 1997; Zoback, 2007). 그러나 계획 심도의 응력을 부지에서 측정하려면 그 심도까지 시추공을 굴착해야 하며, 측정 개수가 적고 결과의 편차도 크다(Stephansson and Zang, 2012). 따라서 조사 초기의 개념설계와 수치해석에서는 측정 없이 초기응력의 범위를 설정해야 한다.
국제암반공학회(ISRM) 제안법(suggested method)은 부지 응력모델을 단계적으로 구축하도록 권고한다(Stephansson and Zang, 2012). 먼저 지형과 지질, 시추공 자료, 기존 응력자료, 지진 단층면해(focal mechanism solution) 등 가용한 자료로 최적 추정 응력모델(Best Estimate Stress Model, BESM)을 세우고, 다음으로 부지 내 응력측정(Stress Measurement Methods, SMM)을 수행하며, 마지막으로 측정값과 수치해석을 결합하는 통합 응력 결정(Integrated Stress Determination, ISD)을 거쳐 최종 응력모델(Final Rock Stress Model, FRSM)을 수립한다. 스웨덴 Forsmark와 핀란드 Olkiluoto의 처분 부지특성모델(site descriptive model)에서도 응력의 방향과 크기, 불확실성을 포함한 응력모델을 암반역학 분야의 주요 항목으로 제시하고 조사 단계마다 갱신하였다(Glamheden et al., 2007; Mattila et al., 2022). 국내에서도 이들 사례를 바탕으로 암반역학 및 열물성 부지특성모델링의 수행전략이 제안된 바 있다(Park et al., 2024). 본 연구는 이 가운데 기존 자료만으로 구축하는 BESM 단계를 다룬다.
국내에는 수압파쇄와 오버코어링 측정 자료를 집성한 한국응력지도(Kim et al., 2021)가 있고, 지진 단층면해로 한반도의 응력 방향과 크기를 추정한 연구(Soh et al., 2018)도 보고되어 있다. 그러나 측정 자료의 대부분은 심도 300 m 이내의 터널과 사면 조사에서 얻은 것이어서(Kim et al., 2021) 심도 500 m 이상에 건설되는 시설에 그대로 적용하기 어렵다. 전국 규모의 자료로 특정 부지의 응력모델을 구축하려면 자료의 선별과 결합, 결과의 표현 방식을 정한 절차가 필요하다. 절차가 정해져 있어야 부지마다 같은 기준으로 모델을 구축하고 이후 SMM 단계의 측정값과 항목별로 비교할 수 있다.
본 연구에서는 한국응력지도와 지진 단층면해 등 기존 자료만으로 부지 응력모델을 구축하는 절차를 단계별 판단 기준과 함께 정리하고, 이를 강원도 태백시에 계획된 연구용 지하연구시설(Underground Research Laboratory, URL) 부지(KORAD, 2024a)에 적용하였다. 태백 부지는 시설의 계획 심도가 약 500 m이고, 최대 심도 약 700 m의 지질조사 시추공 4개에서 암종 경계와 코어 물성이 보고되어 있어(KORAD, 2024b) 이 절차에 필요한 부지 자료를 갖추고 있다. 본 연구는 같은 부지의 기술보고서(KIGAM, 2025)를 바탕으로 하였으나, 절차를 일반화하고, 지진마다 해 하나만 입력하여 역산을 다시 수행하였으며, 인근 광산의 심부 실측값과 비교하였다.
2. 응력모델 구축 절차
2.1 단계와 판단 기준
본 연구에서 정리한 절차를 Fig. 1에 나타내었다. 이 절차는 ISRM 제안법의 BESM 구축 과정을 국내 자료 여건에 맞추어 자료 수집, 자료 선별, 응력역산(stress inversion), 크기 산정, 인근 실측값과의 비교, 응력모델 표현의 여섯 단계로 나눈 것이며, SMM 단계에서 측정값을 얻으면 첫 단계로 돌아가 모델을 갱신한다. 각 단계의 입력 자료와 판단 기준, 태백 부지에 적용한 값을 Table 1에 정리하였다. 반경과 심도의 경계값은 부지 주변 자료의 개수와 분포에 따라 달라지므로, 본 절차에서는 그 값보다 값을 정하는 방법을 제시한다.
Fig. 1.
Procedure for establishing the best estimate stress model of a site from the Korea Stress Map and focal mechanism data (after Stephansson and Zang, 2012)
Table 1.
Steps of the procedure, criteria for each step and the values applied to the Taebaek URL site
| Step (Fig. 1) | Input | Criteria and rationale | Applied to the Taebaek site |
| Data collection | KSM stress measurements (HF, OC) and focal mechanism catalog | Radius set by the number of data, not fixed; large enough to include deep data and enough mechanisms | Boreholes within 40 km (32 holes, 136 intervals); mechanisms within 80 km (24 events) |
| Data selection |
Depth, quality grade, duplicate solutions, disturbance | Measurements are not inputs: shallow intervals as background data, intervals at the planned depth as comparison data; one solution per event; quality subset for a check; disturbed data flagged | Intervals shallower than 300 m as background; quality C subset (16 events); mine overcoring flagged |
| Stress inversion | Fault plane solutions | Linear inversion with bootstrap; one nodal plane per event with random selection; radius enlarged until the result is stable (azimuth SD within 5°, 90% or more of bootstraps in one regime, same regime by an independent method) | MSATSI, 2000 bootstraps, fraction of valid planes 0.5; radius 80 km; Vavryčuk (2014) with μ = 0.6 |
|
Magnitude estimation |
Core densities, friction coefficient, pore pressure | Sv from layered density; horizontal stresses from the frictional limit and the stress ratio R (SHmax upper bound, Shmin lower bound) | Three density layers; μ 0.6 and 0.85; hydrostatic pore pressure |
|
Comparison with measurements |
Measurements at or below the planned depth near the site | Compare regime and horizontal stress ratios; decide whether the frictional range is the estimate or an upper-bound case; set the reference range (most likely range for design) | Sinyemi HF, 508-849 m, 24 intervals, 36 km from the site |
| Stress model |
Items of the ISRM suggested method | Best estimate, range and basis for each item | Section 4.3 |
2.2 자료 수집과 선별
절차에 사용하는 응력자료는 두 가지이다. 하나는 한국응력지도(Korea Stress Map, KSM; Kim et al., 2021)에 집성된 국내 수압파쇄와 오버코어링 측정 자료로, 세계응력지도(World Stress Map, WSM)의 품질등급 체계(Heidbach et al., 2016a)에 따라 최대수평주응력(SHmax) 방향의 품질등급이 매겨져 있다. 다른 하나는 세계응력지도 데이터베이스(Heidbach et al., 2016b)와 한국지질자원연구원 학술지진연보(KIGAM, 2020-2025), 국제지진센터(International Seismological Centre, ISC) 회보 등에 수록된 지진 단층면해이다. 이 밖에 연직응력 산정에는 부지 시추공의 암종 경계와 코어 비중을 사용한다(2.4절).
이 가운데 모델은 단층면해를 역산하여 만들며, 한국응력지도의 측정 자료는 모델을 만드는 데 쓰지 않고 측정 심도에 따라 배경 자료와 비교 자료로 나누어 사용한다. 지표 부근의 측정값은 지형과 풍화, 국지 지질구조, 삭박(denudation)의 영향으로 수평응력비(horizontal-to-vertical stress ratio) Shmin/Sv와 SHmax/Sv가 크고 분산이 심하므로(Kim et al., 2021) 부지 주변 응력 상태의 배경 자료로만 제시한다. 여기서 Shmin은 최소수평주응력, Sv는 연직응력이다. 배경 자료의 경계 심도는 수평응력비의 분산이 줄어드는 심도로 정한다. 시설의 계획 심도에 이르는 측정값이 부지 주변에 있으면 모델과 비교하는 자료로 사용하며(2.5절), 두 심도 사이의 측정값은 배경 자료로 함께 표시한다. 광산 갱내 측정과 같이 공동의 영향이 포함될 수 있는 자료는 비교에는 쓰되 그 한계를 함께 기록하고, 실측 연직응력이 상재하중과 뚜렷이 다르면 공동의 영향을 받은 자료로 보아 참고로만 표시한다.
단층면해의 선별 기준은 대표 해의 선택과 검색 반경이다. 동일 지진이 여러 출처에 보고된 경우 해 하나만 사용하며, 본 연구에서는 학술지진연보의 해를 우선하였다. 지진 하나에는 절면(nodal plane) 하나만 입력한다. 반경은 역산이 안정될 만큼의 지진이 확보될 때까지 확대한다. 단층면해가 적으면 주응력 크기의 상대적인 비인 응력비(stress ratio) R(2.3절의 식 (1))의 부트스트랩(bootstrap) 구간이 넓어지고 응력장의 종류(stress regime)도 바뀔 수 있으므로, 반경을 바꾸어 가며 결과를 비교하고 결과가 안정되는 가장 작은 반경을 채택한다. 안정의 기준은 SHmax 방향의 부트스트랩 표준편차가 5° 이내이고, 부트스트랩의 90% 이상에서 최적해와 같은 응력장이 나오며, 독립적인 방법(2.3절)의 최적해도 같은 응력장을 주는 것으로 하였다. 품질등급이 높은 부분집합으로도 역산하여 낮은 등급의 해가 결과를 좌우하지 않는지 확인한다.
2.3 응력장과 주응력 방향
응력역산은 한 지역의 단층들이 동일한 응력장에서 활동하였고 각 단층의 미끄러짐 방향이 단층면에 작용하는 전단응력 방향과 일치한다는 가정(Wallace, 1951; Bott, 1959)에 근거한다. 이 조건을 다수의 단층면해에 적용하면 세 주응력의 방향과 응력비를 구할 수 있으나, 응력의 절대 크기는 구할 수 없다. 역산에는 MSATSI(Martínez-Garzón et al., 2014)를 사용한다. MSATSI는 Michael(1984, 1987)의 선형 역산을 구현한 SATSI(Hardebeck and Michael, 2006)의 MATLAB 버전이다.
응력비 R은 다음과 같이 정의한다.
여기서 S1, S2, S3는 최대, 중간, 최소 주응력(압축을 양으로 함)이다. R은 MSATSI가 출력하는 φ = (S2 − S3)/(S1 − S3)로부터 R = 1 − φ로 구한다. S2가 연직에 가까운 주향이동 응력장에서는 S1 = SHmax, S2 = Sv, S3 = Shmin이므로 R = (SHmax − Sv)/(SHmax − Shmin)이 되며, R이 1에 가까울수록 Sv는 Shmin에 가깝다.
단층면해의 두 절면 가운데 어느 것이 실제 단층면인지는 알 수 없다. 따라서 지진 하나에 절면 하나만 입력하고, 부트스트랩 재추출에서는 뽑힌 해마다 확률 0.5로 입력 절면을 보조면(auxiliary plane)으로 바꾼다. 부트스트랩 분포로부터 주응력 방향과 R의 불확실성을 산정하며, S1이 수평에 가까우면 SHmax 방향은 S1의 방위로 취하고 0°와 180°가 같은 축 자료이므로 각도를 두 배로 하여 원형 평균을 계산한다. 절면 선택의 영향은 Vavryčuk(2014)의 방법으로 확인한다. 이 방법은 두 절면 가운데 불안정도(fault instability)가 큰 면을 단층면으로 택하며 역산을 반복하고, 불확실성은 같은 부트스트랩 재추출로 산정한다. 이 단계의 결과는 응력장의 종류, SHmax 방향과 신뢰구간, R의 최적값과 범위이다.
2.4 응력 크기
연직응력은 부지 시추공에서 확인된 암종 경계와 코어 비중으로 상재하중을 적분하여 산정한다. 부지 시추 자료가 없으면 지질도의 암종과 문헌 비중으로 범위를 정하고 시추 이후 갱신한다.
수평응력의 크기는 가장 미끄러지기 쉬운 방향의 단층에서 전단응력이 마찰강도를 넘을 수 없다는 마찰 한계(frictional limit) 조건으로 산정한다(Zoback, 2007). 이 한계 상태에서 최대 및 최소 유효주응력의 비는 마찰계수 μ로 정해진다.
여기서 P는 공극압이다. Soh et al.(2018)은 이 조건과 역산으로 얻은 R을 결합하여 한반도의 응력 크기를 추정하였다. 주향이동 응력장에서는 식 (1)과 (2)에서 다음 관계를 얻는다.
공극압은 지하수면이 지표에 있는 정수압(0.00981 MPa/m)으로 가정하고, μ는 Byerlee(1978)의 실험 결과에 따라 0.6과 0.85를 적용한다. R은 역산의 최적값과 부트스트랩 구간을 적용하여 범위로 산정한다. 식 (3)과 (4)는 부지 주변의 단층이 마찰 한계에 있다고, 즉 같은 R에서 차응력이 가장 큰 상태라고 가정한 값이므로, 이렇게 얻은 SHmax는 상한, Shmin은 하한에 해당하며 주향이동 응력장에서 Shmin의 상한은 Sv이다. 역단층 응력장(S1 = SHmax, S2 = Shmin, S3 = Sv)에서는 같은 조건에서 SHmax/Sv = q(1 − P/Sv) + P/Sv, Shmin/Sv = SHmax/Sv − R(SHmax/Sv − 1)이고, 정단층 응력장(S1 = Sv, S2 = SHmax, S3 = Shmin)에서는 Shmin/Sv = (1 − P/Sv)/q + P/Sv, SHmax/Sv = 1 − R(1 − Shmin/Sv)이다(Zoback, 2007).
2.5 인근 실측값과의 비교와 기준 범위 설정
ISRM 제안법은 BESM 구축에 부지 주변의 기존 응력자료를 활용하도록 권고하지만, 입력으로 쓸지 비교 자료로 쓸지와 같은 구체적인 활용 방식은 제시하지 않았다. 본 절차에서는 계획 심도에 이르는 인근 실측값을 모델의 입력이 아니라 비교 자료로 사용한다. 모델의 방향과 R은 단층면해에서, 크기는 마찰 한계 조건에서 구하므로 실측값과는 독립적이며, 실측값과 비교하면 모델의 타당성을 따로 검토할 수 있다. 실측값을 처음부터 입력으로 쓰면 이 비교를 할 수 없고, 부지에서 떨어진 측정값의 신뢰도를 판단할 방법도 없어진다. 다만 비교 결과로 기준 범위를 정하면 그 범위는 실측값에 의존하므로, 응력모델에 조정 여부와 사용한 실측 자료를 함께 적는다.
마찰 한계로 산정한 값은 지각이 마찰 평형 상태에 있다고 가정한 값이다. 심부 시추공 측정에서 지각 응력이 μ = 0.6-1.0의 마찰 한계에 있다는 보고가 많으나(Lund and Zoback, 1999; Townend and Zoback, 2000), 이 가정이 어디서나 성립하는 것은 아니므로 이 값은 정의상 SHmax의 상한이고 Shmin의 하한이며, 실제 응력이 그 한계에 얼마나 가까운지는 실측으로만 알 수 있다. 국내에서도 수압파쇄 측정값과 지진 단층면해로 추정한 응력 상태를 비교한 사례가 있다(Haimson et al., 2003; Chang et al., 2010). 인근 실측값과의 비교는 마찰 한계로 산정한 범위를 추정값의 범위로 쓸지, 추정값과 구분되는 상한 또는 하한 경우로만 둘지를 정하는 근거가 된다.
비교 항목은 응력장의 종류와 Shmin/Sv, SHmax/Sv이다. 처분 부지의 응력모델은 설계에 쓸 최적값과 가장 가능성이 큰 범위(most likely range), 그 밖의 상한과 하한으로 표현하는 것이 관행이다(Martin, 2007; Mattila et al., 2022). 본 절차에서는 실측 중앙값이 마찰 한계로 산정한 범위 안에 들면 그 범위를 수치해석의 기준 범위(reference range)로 쓴다. 실측값이 한쪽으로 치우쳐 중앙값이 그 범위 밖에 있으면, 마찰 한계로 산정한 범위는 추정값이 아닌 상한 또는 하한 경우로 두고, 기준 범위는 실측 중앙값에서 실측값이 모델 쪽으로 분포하는 끝값(모델이 실측값보다 크면 실측 최댓값, 작으면 실측 최솟값)까지로 정하여 실측의 중심값과 마찰 한계 사이를 잇는 범위가 되게 한다. 끝값을 백분위가 아닌 최댓값(최솟값)으로 하는 것은 계획 심도의 실측 구간이 적을 때 범위를 좁게 잡지 않기 위해서이다. 인근 실측값이 없으면 이 단계는 생략하고 마찰 한계의 범위를 상한으로 사용하며, 기준 범위를 정하지 못하였음을 응력모델에 명시한다.
2.6 응력모델의 표현
ISRM 제안법은 응력모델에 응력장의 종류, 주응력의 방향과 신뢰구간, 심도에 따른 크기와 범위, 각 항목의 근거와 불확실성 요인을 포함하도록 하고 있다. 본 절차에서는 항목별 최적값, 범위, 근거를 한 표에 정리한다(태백 부지는 4.3절). 수치해석에서는 최적값으로 기본 해석을, 범위로 민감도 해석을 수행하고, SMM 단계에서는 같은 표의 항목별로 측정값과 비교한다.
3. 태백 URL 부지 적용
3.1 부지 개요
부지는 태백시 철암동 태백고원자연휴양림 일원의 산지이다(Fig. 2). 한국원자력환경공단은 이곳에서 시추공 4개(TBH-1~4, 최대 심도 약 700 m)를 굴착하고 전기비저항탐사, 자기지전류탐사(magnetotelluric survey), 코어 실내시험을 수행하였다(KORAD, 2024b). 1:5만 장성도폭(Yoon, 1967)에 따르면 지표에는 고원생대 홍제사화강암이, 그 주변에는 고생대 조선누층군 퇴적암과 백악기 화산암이 분포한다.
Fig. 2.
Location of the Taebaek URL site, stress measurements from the Korea Stress Map (Kim et al., 2021) and focal mechanisms listed in Table 2. Bars on focal mechanisms show the SHmax azimuth of single events (quality C and D); squares without a bar are quality E events, for which the azimuth is not defined. The inset shows the location of the site in the Korean Peninsula
시추 결과(Fig. 3) 지표의 홍제사화강암은 두께 130-231 m이고, 그 아래에 백악기 산성화산암과 조선누층군의 화절층, 풍촌층, 묘봉층, 면산층이 순서대로 나타나며, 심도 468-519 m에서 홍제사화강암이 다시 출현한다. KORAD(2024b)는 오래된 화강암이 젊은 퇴적암 위에 놓인 이 구조를, 화강암체가 충상단층(thrust fault)을 따라 퇴적암 위로 이동한 클리페(klippe)로 해석하였다. 부지를 북동-남서로 지나는 동점단층은 전기비저항탐사에서 확인되었다. 코어 시험에서 상부 홍제사화강암(2개), 화산암과 퇴적암(4개), 하부 홍제사화강암(10개)의 평균 비중은 각각 2.72, 2.93, 2.65이며, 이 값을 연직응력 산정에 사용하였다(3.4절).
Fig. 3.
Lithology of boreholes TBH-1 to TBH-4 at the site and the thrust fault inferred from the repeated Hongjesa granite (data from KORAD, 2024b)
3.2 응력자료
부지 중심은 후보 구역(270 m × 270 m)의 중심(37.13°N, 129.07°E)으로 정하였다(KORAD, 2024b; Fig. 2). 한국응력지도 2020(Kim et al., 2021)의 자료 가운데 부지 반경 40 km 내에서 응력 크기가 보고된 시추공은 32개(수압파쇄 21개, 오버코어링 11개), 측정 구간은 136개이다. 이 가운데 101개 구간(수압파쇄 96개, 오버코어링 5개)은 심도 300 m 이내이고, 300-500 m 구간은 2개이다. 계획 심도(약 500 m)보다 깊고 세 주응력이 모두 보고된 자료는 부지에서 36 km 떨어진 정선 신예미광산의 갱내 시추공 4개(심도 508-849 m, 28개 구간)와 장성광업소의 오버코어링 1개(880 m)뿐이다. 장성광업소를 제외한 오버코어링 10개는 1980년대 탄광 갱내 측정으로, 원보고서를 확인할 수 없어 위치를 광산 위치로 두었고 수평응력의 평균값만 남아 있어 항목별 비교에는 쓰지 않았다. 2.2절의 기준에 따라 심도 300 m 이내의 자료는 배경 자료로만 제시하였고, 300-500 m의 2개 구간도 계획 심도에 못 미쳐 비교에는 쓰지 않고 표시만 하였으며(4.1절), 계획 심도 이상의 자료는 모델과의 비교에 사용하였다. 경계 심도 300 m는 수평응력비가 심도와 함께 줄어 분산이 작아지는 경향(Kim et al., 2021)과 부지 주변 자료의 분포(4.1절)를 보아 정한 것이며, 경계를 계획 심도인 500 m로 올려도 비교 자료는 같다.
응력역산에는 부지 반경 80 km 내의 단층면해 24개(1982-2024년, 규모 2.2-4.7, 진원 심도 1.2-19.2 km)를 사용하였다(Table 2). 출처는 세계응력지도 2016 데이터베이스(Heidbach et al., 2016b) 13개, Soh et al.(2018)의 편집 자료 1개, ISC 회보(ISC, 2025) 1개, 학술지진연보(KIGAM, 2020-2025) 9개이며, 2016년 이전의 해는 Soh et al.(2018)이 한반도 응력역산에 사용한 문헌 해와 같고, 2019년 이후의 해는 학술지진연보에서 새로 추가하였다. 2010-2018년 지진의 해는 사용한 자료원에 보고된 것이 없었다. 입력 절면은 출처에 첫 번째로 보고된 절면이며(Table 2), Zoback(1992)의 분류로는 주향이동 12개, 역단층 6개, 정단층 1개, 분류 불가 5개이다. 분류 불가(E등급)는 P축과 T축으로 응력장의 종류를 정할 수 없다는 뜻이며, 미끄러짐 자료로는 역산에 쓸 수 있으므로 포함하였다. 24개 가운데 5개(Table 2의 10, 11, 16, 19, 22)는 동해 해역의 지진이다. 반경을 80 km로 정한 것은 40 km 내의 지진이 8개에 그쳐 역산하지 않았고 60 km에서는 2.2절의 안정 기준을 만족하지 못하였기 때문이며, 반경에 따른 결과 차이는 3.5절에 제시하였다. 자료 수가 적어 공간을 나누지 않고 24개 전체를 한 번에 역산하였고, 부트스트랩은 2000회 수행하였으며, Vavryčuk(2014) 방법의 마찰계수는 크기 산정의 하한값인 0.6으로 두었다.
Table 2.
Focal mechanism solutions within 80 km of the site used for the stress inversion
| No. | Date | Lat (°N) | Lon (°E) | Depth (km) | M | Strike/Dip/Rake (°) | Regime/Q | Dist. (km) | Src. |
| 1 | 2023-12-07 | 37.19 | 129.08 | 1.6 | 3.1 | 297/40/6 | U/E | 7 | K |
| 2 | 2008-11-05 | 37.07 | 129.14 | 4.7 | 2.4 | 270/47/15 | U/E | 9 | W |
| 3 | 1999-04-07 | 37.19 | 128.84 | 1.5 | 3.3 | 110/85/4 | SS/C | 21 | W |
| 4 | 2006-01-19 | 37.20 | 128.80 | 7.0 | 3.2 | 123/86/-14 | SS/C | 25 | W |
| 5 | 2004-05-30 | 36.97 | 129.34 | 14.6 | 2.2 | 310/65/54 | TF/D | 30 | W |
| 6 | 2002-03-24 | 37.38 | 129.23 | 11.5 | 2.4 | 142/45/17 | U/E | 31 | W |
| 7 | 1996-12-13 | 37.25 | 128.72 | 6.0 | 4.5 | 309/86/23 | SS/C | 34 | W |
| 8 | 2007-10-16 | 37.44 | 128.91 | 1.2 | 2.9 | 289/44/-37 | NF/C | 37 | W |
| 9 | 2019-02-25 | 36.76 | 129.03 | 6.7 | 3.1 | 13/77/-166 | SS/C | 42 | K |
| 10 | 2002-12-07 | 37.40 | 129.43 | 16.4 | 2.7 | 162/39/56 | TF/C | 44 | W |
| 11 | 2022-03-06 | 37.30 | 129.53 | 17.5 | 2.9 | 188/50/99 | TF/C | 45 | K |
| 12 | 2001-06-08 | 36.75 | 128.83 | 14.3 | 2.3 | 169/25/78 | TF/D | 47 | W |
| 13 | 2009-05-01 | 36.80 | 128.70 | 5.0 | 3.9 | 125/84/67 | U/E | 49 | I |
| 14 | 2009-12-03 | 36.71 | 128.59 | 1.2 | 2.8 | 125/85/-2 | SS/C | 63 | W |
| 15 | 2007-05-18 | 36.55 | 129.03 | 15.3 | 2.4 | 300/42/38 | TF/D | 65 | W |
| 16 | 1982-02-28 | 37.04 | 129.81 | 10.0 | 4.7 | 129/69/16 | SS/C | 67 | W |
| 17 | 2024-07-05 | 36.51 | 128.85 | 14.9 | 2.8 | 281/76/-14 | SS/C | 72 | K |
| 18 | 2009-05-02 | 36.55 | 128.71 | 13.1 | 2.6 | 116/68/-20 | SS/C | 72 | S |
| 19 | 2019-04-21 | 36.87 | 129.84 | 13.5 | 3.8 | 182/48/86 | TF/C | 75 | K |
| 20 | 2019-02-17 | 36.71 | 128.40 | 19.2 | 2.8 | 108/65/2 | SS/C | 75 | K |
| 21 | 2019-06-23 | 36.68 | 128.40 | 15.7 | 2.9 | 104/67/-9 | SS/C | 77 | K |
| 22 | 2006-04-29 | 37.09 | 129.95 | 2.0 | 3.5 | 206/76/-130 | U/E | 78 | W |
| 23 | 2019-01-02 | 36.76 | 128.31 | 8.0 | 2.8 | 97/70/0 | SS/C | 78 | K |
| 24 | 2022-12-25 | 36.50 | 128.64 | 13.2 | 2.8 | 96/64/-16 | SS/C | 80 | K |
Regime after Zoback (1992): SS strike-slip, TF thrust, NF normal, U unclassified;
Src.: database from which the solution was taken, K KIGAM (2020-2025), W WSM 2016 (Heidbach et al., 2016b), I ISC (2025), S Soh et al. (2018)
3.3 응력장과 주응력 방향
역산 결과 S1은 방위 74°, 경사(plunge) 3°로 거의 수평이고, S2는 경사 75°로 연직에 가까우며, S3는 방위 164°, 경사 15°로 나타났다(Fig. 4a). 따라서 부지 일대는 S2가 연직에 가까운 주향이동 응력장이며, SHmax는 동북동-서남서, Shmin은 북북서-남남동 방향이다. S1이 거의 수평이므로 SHmax 방향은 S1의 방위 74°로 취하였다. 부트스트랩 2000회 가운데 97%에서 S2가 연직에 가장 가까운 주응력으로 나타났다. 세 주응력이 연직과 수평에서 벗어난 각도가 15° 이내이므로 이후에는 Sv, SHmax, Shmin을 주응력으로 취급한다.
SHmax 방향의 부트스트랩 평균은 74°로 최적값과 같고, 표준편차는 5°, 95% 구간은 65-83°이다. 이 방향은 한반도 동부에서 보고된 동북동-서남서 방향의 광역 응력장(Soh et al., 2018; Kim et al., 2021)과 일치한다.
응력비는 R = 0.68이고 부트스트랩 중앙값은 0.72, 16-84% 구간은 0.62-0.83, 95% 구간은 0.50-0.92이다(Fig. 4b). 스테레오넷에서 S2와 S3의 부트스트랩 점이 북북서-남남동 방향의 띠를 이루는 것은 S2와 S3의 크기 차이가 S1과 S2의 차이보다 작아 두 축이 서로 바뀌기 쉽기 때문이다. 반면 S1은 좁은 범위에 모여 있어 SHmax 방향은 R보다 안정적으로 결정된다.
3.4 연직응력
연직응력은 부지 시추공 TBH-1~4에서 확인된 암종 경계와 코어 비중(KORAD, 2024b)으로 상재하중을 적분하여 산정하였다. 시추공 평균으로 지표에서 201 m까지는 상부 홍제사화강암(비중 2.72), 201 m에서 495 m까지는 화산암과 퇴적암(2.93), 그 아래는 하부 홍제사화강암(2.65)이다. 산정된 연직응력은 심도 500 m에서 13.9 MPa, 1000 m에서 26.9 MPa로, 기술보고서의 전 구간 평균 비중 2.76(KIGAM, 2025)을 적용한 값(13.5, 27.1 MPa)과 약 3% 안에서 일치한다. 하부 화강암은 시추 종료 심도(약 700 m) 아래로도 1000 m까지 연속된다고 가정하였다.
3.5 입력 자료와 방법에 따른 차이
입력 범위와 품질등급, 역산 방법을 달리하여 결과의 안정성을 검토하였다(Table 3). SHmax 방향은 모든 경우에 66-82° 안에 있었으나, R은 0.61-0.89로 입력과 방법에 따라 달라졌다. C등급 16개만 사용하면 MSATSI의 R이 0.63으로 낮아지지만 24개 결과의 16-84% 구간(0.62-0.83) 안에 있다. 반경을 60 km로 줄이면 지진이 13개로 줄어 방향의 표준편차가 8°로 커지고, 주향이동 응력장으로 판정되는 부트스트랩 비율이 0.70(MSATSI)과 0.60(Vavryčuk 방법)으로 낮아지며, Vavryčuk 방법의 최적해에서는 S3가 연직에 가까워져 응력장의 종류가 달라진다. MSATSI의 최적값 R = 0.88이 부트스트랩 16-84% 구간(0.63-0.87) 밖에 있는 것도 이 경우뿐이다. 반경을 100 km로 넓히면 방향은 77-82°로 80 km의 결과와 비슷하나 R은 0.81-0.89로 커지고, 전체 41개를 쓰면 주향이동으로 판정되는 비율이 0.87-0.89로 낮아진다. 따라서 2.2절의 안정 기준을 만족하는 가장 작은 반경은 80 km이다. 반경 100 km에서 추가되는 17개 가운데 10개는 동해 해역의 지진이고 이 가운데 6개가 역단층 성분의 해이며, 나머지 7개는 내륙 지진이다. 동해 연안과 해역에 역단층 지진이 집중된다는 점(Soh et al., 2018)을 보면, 반경을 넓힐수록 해역 자료의 비중이 커져 R이 커지는 것이며, 이렇게 커진 R이 내륙 산지인 부지의 응력 상태를 나타낸다고 보기 어렵다. 따라서 80 km는 안정 기준을 만족하면서 내륙 지진이 다수(24개 중 19개)인 가장 작은 반경이라는 점에서 부지의 응력장을 대표하는 반경으로 채택하였다. 80 km 내의 지진 가운데 동해 해역의 5개를 제외한 19개로 역산하면 방향은 66-67°, R은 0.61-0.72로, 방향은 24개 결과의 95% 구간(65-83°) 안에 있으나 하단에 가깝고 R은 16-84% 구간의 하단 부근이다. 제외한 5개 가운데 3개는 역단층 해로, 동해 쪽에 역단층 지진이 집중된다는 Soh et al.(2018)의 관찰과 부합한다. 절면을 불안정도 기준으로 선택한 Vavryčuk 방법에서는 24개에 대해 R이 0.79, 방향이 73°로, 방향은 MSATSI 결과와 표준편차 이내에서 일치하고 R은 부트스트랩 16-84% 구간 안에 있다.
Table 3.
Sensitivity of the inversion result to input selection and method
| Input | Method | N | R (16-84%) | SHmax azimuth (°) | S2 plunge (°) | Strike-slip fraction |
| 80 km, all | MSATSI | 24 | 0.68 (0.62-0.83) | 74 (74 ± 5) | 75 | 0.97 |
| 80 km, all | Vavryčuk (2014) | 24 | 0.79 (0.67-0.89) | 73 (73 ± 5) | 82 | 0.96 |
| 80 km, quality C | MSATSI | 16 | 0.63 (0.51-0.79) | 80 (77 ± 5) | 85 | 0.98 |
| 80 km, quality C | Vavryčuk (2014) | 16 | 0.78 (0.56-0.86) | 74 (77 ± 5) | 81 | 0.94 |
| 60 km, all | MSATSI | 13 | 0.88 (0.63-0.87) | 80 (76 ± 8) | 78 | 0.70 |
| 60 km, all | Vavryčuk (2014) | 13 | 0.82 (0.62-0.89) | 70 (73 ± 8) | 11 (S3: 78) | 0.60 |
| 100 km, quality C | MSATSI | 30 | 0.81 (0.68-0.88) | 82 (80 ± 3) | 82 | 0.95 |
| 100 km, quality C | Vavryčuk (2014) | 30 | 0.89 (0.78-0.94) | 78 (79 ± 2) | 81 | 0.90 |
| 100 km, all | MSATSI | 41 | 0.84 (0.72-0.90) | 80 (78 ± 3) | 74 | 0.89 |
| 100 km, all | Vavryčuk (2014) | 41 | 0.88 (0.80-0.93) | 77 (77 ± 3) | 81 | 0.87 |
| 80 km, inland only | MSATSI | 19 | 0.61 (0.51-0.77) | 67 (69 ± 5) | 89 | 0.99 |
| 80 km, inland only | Vavryčuk (2014) | 19 | 0.72 (0.62-0.79) | 66 (67 ± 4) | 82 | 1.00 |
inland only: the five offshore events (Nos. 10, 11, 16, 19 and 22 in Table 2) excluded; for 60 km the best R of MSATSI lies outside its own 16-84% range
3.6 응력 크기
식 (3)과 (4)에 R = 0.68(0.62-0.83)과 μ = 0.6, 0.85를 적용하여 산정한 응력 크기를 Table 4에 정리하였다. 수평응력비는 Shmin/Sv 0.63-0.83, SHmax/Sv 1.5-2.2이며, 이는 각각 마찰 한계에서 Shmin이 가질 수 있는 최솟값과 SHmax가 가질 수 있는 최댓값의 범위이다. 심도 1000 m에서 Sv는 26.9 MPa, Shmin은 17.0-22.4 MPa, SHmax는 39-59 MPa이고, 심도 500 m에서는 각각 13.9 MPa, 8.7-11.5 MPa, 21-31 MPa이다. SHmax는 μ와 R이 클수록 커지며, Table 4의 범위에서 SHmax의 폭은 μ(0.6-0.85)보다 R(0.62-0.83)에 더 크게 좌우된다(Fig. 5). 심도 1000 m의 응력다각형(stress polygon)에서 모델 범위는 주향이동 영역의 마찰 한계선을 따라 놓인다(Fig. 6). 이 범위를 인근 심부 실측값과 비교한 결과는 4장에 제시하였다.
Table 4.
Estimated stress magnitudes for the ranges of R and μ (hydrostatic pore pressure)
4. 인근 실측값과의 비교
4.1 응력 크기
마찰 한계로 산정한 수평응력비 범위를 부지 반경 40 km 내의 측정값과 함께 Fig. 7에 나타내었다. 심도 300 m 이내의 수압파쇄 96개 구간에서 SHmax/Sv는 1.1-5.1(5-95% 범위, 중앙값 2.2), Shmin/Sv는 0.7-2.7(중앙값 1.4)로 넓게 분산되며 얕을수록 커진다. 이 구간의 85%에서는 Shmin이 Sv보다 큰 역단층 응력 상태이다. 이 경향은 국내 자료 전반에서도 보고되었으며(Kim et al., 2021), 얕은 측정값을 배경 자료로만 둔 근거가 된다. 심도 300 m 이내 자료의 SHmax/Sv 중앙값(2.2)은 같은 반경의 심부 실측 중앙값(아래의 1.41)보다 뚜렷이 커서, 얕은 자료를 계획 심도로 연장하면 SHmax를 크게 평가하게 된다.
Fig. 7.
Ratios of (a) maximum and (b) minimum horizontal stress to vertical stress with depth: the stress model compared with measurements within 40 km of the site (Kim et al., 2021)
심도 500 m 이상의 수압파쇄 자료는 정선 신예미광산 갱내 시추공 4개의 28개 구간(508-849 m)이다. 이 가운데 BH-1 공의 4개 구간(512-527 m)은 SHmax/Sv가 0.3-0.8로 연직응력보다 작고 같은 광산의 다른 3개 공과 경향이 달라 비교에서 제외하였다. 나머지 24개 구간의 중앙값은 Shmin/Sv 0.77(16-84% 범위 0.64-0.91), SHmax/Sv 1.41(1.13-1.65)이고, 92%의 구간에서 SHmax > Sv > Shmin의 주향이동 응력 상태를 보여 단층면해 역산으로 얻은 응력장과 일치한다. BH-1을 포함한 28개 구간으로 계산해도 중앙값은 Shmin/Sv 0.75, SHmax/Sv 1.36, 주향이동 비율은 79%로 아래의 결론은 같다. 이 광산은 부지에서 36 km 떨어져 있으나, 계획 심도 이상에서 세 주응력의 크기를 비교할 수 있는 유일한 수압파쇄 자료이므로 비교 자료로 사용하였다. 신예미 자료의 연직응력은 상재하중 계산값이다.
Shmin/Sv는 24개 구간 가운데 50%가 모델 범위(0.63-0.83) 안에 들고 중앙값(0.77)도 범위 안에 있으며, 범위를 벗어난 12개 구간 가운데 9개는 모델 상한(0.83)보다 크다. 반면 SHmax/Sv는 42%만 모델 범위(1.5-2.2) 안에 들고 58%는 모델 범위의 최솟값(1.5)보다 작으며, 측정 최댓값은 1.83이다. 측정된 주응력으로 계산한 응력비 R의 중앙값은 0.63으로 역산값 0.68보다 조금 작으나 부트스트랩 16-84% 구간(0.62-0.83) 안에 있다(Table 5). 실측 R이 역산값과 비슷한 반면 SHmax는 모델보다 작고 Shmin은 큰 쪽으로 치우친 것은, 응력의 형태는 같고 차응력만 마찰 한계보다 작은 상태로 함께 설명된다. 실측 중앙값을 식 (2)에 넣으면 μ = 0.5 정도에 해당한다.
Table 5.
Comparison of the stress model with hydraulic fracturing data deeper than 500 m (Sinyemi mine, 24 intervals)
부지에서 6 km 떨어진 장성광업소의 심도 880 m 오버코어링 측정값은 실측 연직응력 기준으로 SHmax/Sv 0.90, Shmin/Sv 0.37로 훨씬 작다. 이 측정의 연직응력은 34.5 MPa로 상재하중(약 24 MPa)보다 40% 이상 커서 채굴 공동 주변의 응력 재분배가 반영된 값으로 판단되며, 참고 자료로만 표시하였다.
4.2 최대수평주응력 방향
반경 40 km 내에서 방향 품질이 B-D등급인 시추공 19개의 SHmax 방향은 평균 65°이나 원형 표준편차(circular standard deviation)가 39°에 이르고, 역산 방향(74°)의 30° 이내에 드는 것은 8개에 불과하다(Fig. 8). 대부분 심도 200 m 이내의 자료이다. 신예미광산의 심부 2개 공은 105°와 107°(D등급)로 역산 방향보다 시계 방향으로 약 32° 치우쳐 있다. 이 차이의 원인은 현재 자료로 가리기 어렵다. 신예미광산이 있는 정선-영월 일대의 태백산분지는 조선누층군이 쥐라기의 충상단층으로 변형되고 일부 단층이 백악기에 다시 움직인 지역이며(Zwingmann et al., 2011), 단층 부근의 응력 방향이 광역 방향과 다르게 나타난 사례는 국내 동남부에서도 보고되었다(Chang et al., 2010). 부지 자체에도 충상단층 구조와 북동-남서 방향의 동점단층이 있으므로(3.1절), 계획 심도의 국지 응력 방향은 역산으로 얻은 광역 방향과 다를 수 있다. 시추공 자료만으로는 부지의 SHmax 방향을 정하기 어려우므로, 현재로서는 단층면해 역산 결과(N74°E, 95% 구간 65-83°)를 부지의 SHmax 방향으로 쓴다. 이 구간은 통계적 불확실성만 나타내며 국지 지형과 단층에 의한 변화는 포함하지 않는다(5.2절).
4.3 기준 범위와 부지 응력모델
비교 결과를 요약하면, Shmin/Sv는 실측 중앙값이 모델 범위 안에 있고 범위를 벗어난 측정값은 대부분 모델보다 컸으며, SHmax/Sv는 실측값의 58%가 모델 범위의 최솟값(1.5)보다 작았다. SHmax가 모델보다 작게 측정된 원인으로는 실제 지각 응력이 마찰 한계보다 낮을 가능성, 수압파쇄로 구한 SHmax가 균열 재개구압(reopening pressure)과 공극압 가정에 따라 달라지는 점(Haimson and Cornet, 2003), 채굴 공동의 영향, 측정 지점이 부지에서 36 km 떨어져 있고 지질이 다른 점을 들 수 있다. 실측 Shmin이 모델보다 큰 쪽으로 치우친 것은 첫째 원인과 부합하나, 현재 자료로 주된 원인을 가리기는 어렵다.
원인이 무엇이든 실측 SHmax/Sv의 대부분이 모델 범위 아래에 있으므로, 2.5절의 기준에 따라 마찰 한계로 산정한 범위(1.5-2.2)는 SHmax/Sv의 추정값이 아닌 상한 경우로 두고, 수치해석의 기준 범위는 실측 중앙값(1.41)에서 실측 최댓값(1.83)까지인 SHmax/Sv 1.4-1.8로 정하였다. 이 범위는 부지에서 측정한 값이 아니라 36 km 떨어진 신예미광산의 실측값에 근거한 잠정 기준 범위이며, 부지 측정값이 확보되면 같은 기준으로 다시 정한다. 이 범위는 Forsmark 응력모델에서 설계에 쓰도록 제시한 가장 가능성이 큰 범위(Martin, 2007)에 해당하며, 모델 범위의 최댓값 2.2는 상한 경우로 검토한다. Shmin/Sv는 0.63-0.83을 기본으로 하되, R이 95% 구간 상단(0.92)에 있으면 식 (3)의 Shmin/Sv가 0.91(μ = 0.6)로 Sv에 가까워지고 실측값의 16-84% 범위 상단(0.91)도 이와 비슷하므로, 주향이동과 역단층의 경계에 가까운 응력 상태도 민감도 해석에 포함할 필요가 있다.
이상을 종합한 태백 URL 부지의 응력모델을 2.6절의 형식에 따라 Table 6에 정리하였다. 기본 해석의 최적값은 SHmax/Sv 1.5와 Shmin/Sv 0.76의 짝으로 두었다. 이 짝은 R = 0.68로 역산의 최적값과 같고, 식 (2)로는 μ = 0.55에 해당하여 마찰 한계(μ = 0.6) 안에 있다. 범위의 경우별 짝은 Table 6의 주석에 적었다.
Table 6.
Stress model of the Taebaek URL site established from the Korea Stress Map and focal mechanism data
| Item | Best estimate | Range | Basis and main uncertainty |
| Stress regime | Strike-slip (S2 near vertical) | 97% of bootstraps | Focal mechanism inversion (24 events within 80 km) |
| SHmax azimuth |
N74°E (best and bootstrap mean) | 95% interval 65-83° | Focal mechanism inversion; Sinyemi boreholes 105-107°; local topography and faults not included |
| Stress ratio R | 0.68 |
0.62-0.83 (16-84%), 0.50-0.92 (95%) | Focal mechanism inversion; 0.61-0.89 by method and radius (Table 3) |
|
Plunge of principal stresses |
Within 15° of vertical and horizontal | - | Focal mechanism inversion |
| Sv |
13.9 + 0.026(z − 500) MPa (z in m, 500-1000 m) | - | Layered core densities of TBH-1 to TBH-4; granite assumed below 700 m |
| Shmin/Sv |
0.76 (paired with SHmax/Sv 1.5, R = 0.68) |
0.63-0.83 (frictional limit); 0.91 if R = 0.92 | Frictional limit; Sinyemi HF median 0.77 (16-84% 0.64-0.91) |
| SHmax/Sv |
1.5 (provisional reference range 1.4-1.8) |
1.4-2.2 (2.2: frictional upper bound) | Frictional limit used as the upper-bound case; provisional reference range from Sinyemi HF (median 1.41, maximum 1.83), not from site measurements |
Valid for 500-1000 m depth with hydrostatic pore pressure. Pairs of SHmax/Sv and Shmin/Sv for analyses, with R = (SHmax − Sv)/(SHmax − Shmin): base 1.5/0.76 (R = 0.68, μ = 0.55); lower 1.4/0.81 (R = 0.68); upper 1.8/0.73 (R = 0.75); frictional upper bound 2.2/0.76 (R = 0.83, μ = 0.85); Shmin close to Sv 1.6/0.91 (R = 0.87).
5. 고 찰
5.1 절차 적용 결과의 검토
태백 부지에 절차를 적용한 결과 다음 세 가지가 확인되었다. 첫째, 얕은 측정값은 계획 심도의 응력 상태를 나타내지 못한다. 심도 300 m 이내의 SHmax/Sv는 1.1-5.1로 분산되며, 계획 심도의 범위는 단층면해 역산과 마찰 한계로 산정한 1.5-2.2를 인근 심부 실측값과 비교하여 잠정 기준 범위 1.4-1.8로 정하였다. 둘째, 단층면해 역산의 반경은 미리 정하지 않고 결과가 안정되는 지진 수로 정해야 한다. 이 지역에서는 40 km 내 8개, 60 km 내 13개에 불과하여 80 km에서야 안정 기준을 만족하였으며, 반경과 품질등급, 역산 방법을 바꾸어도 SHmax 방향은 66-82°로 안정적이었으나 R은 0.61-0.89로 입력에 따라 달라졌다. 셋째, 마찰 한계로 산정한 SHmax/Sv를 추정값이 아닌 상한 경우로 두어야 한다는 것이 인근 심부 실측값으로 확인되었다. R = 0.68의 마찰 한계값(1.55-1.73)은 실측 중앙값(1.41)보다 10-23% 크며, 인근 심부 실측값과 비교하지 않고 이 범위를 그대로 쓰면 수치해석의 SHmax를 크게 설정할 수 있다.
다른 부지에 적용할 때 달라지는 것은 주로 반경과 비교 자료이다. 지진이 드문 지역에서는 반경이 커지고 결과가 광역 응력장에 가까워진다. 한국응력지도와 단층면해 자료가 있으면 다른 부지에도 같은 순서로 적용할 수 있으나, 지진이 드물거나 계획 심도의 실측값이 없는 부지에서는 모델의 범위가 넓어지고 기준 범위는 부지 측정 이후에 정하게 된다. 역단층이나 정단층 응력장으로 나오는 부지에서는 2.4절의 해당 관계식을 쓴다.
5.2 활용과 한계
제안한 응력모델은 주응력 방향과 심도에 비례하는 크기로 주어지므로, 주응력 좌표계의 응력텐서를 해석 좌표계로 회전하여 연속체 또는 불연속체 수치모델의 초기응력과 경계조건으로 적용할 수 있다(KIGAM, 2025).
본 모델의 한계는 다음과 같다. 첫째, 단층면해는 심도 1-19 km의 지각 응력을 나타내므로, 심도 500 m 부근에서 지형과 지질구조 때문에 생기는 국지적인 응력 변화는 모델에 들어 있지 않다. 부지는 산지이고, 충상단층 구조와 동점단층이 있으며, 코어 시험의 평균 영률이 상부 화강암 41 GPa, 화산암과 퇴적암 64 GPa, 하부 화강암 54 GPa로 달라 암종 경계와 단층 부근에서 응력의 크기와 방향이 달라질 수 있다. 둘째, 역산에 사용한 지진이 24개로 적고 규모 3 이하가 많아 단층면해 자체의 불확실성이 크며, R은 역산 방법에 따라 0.68과 0.79로, SHmax 방향은 동해 해역의 지진을 제외하면 66-67°로 달라졌다. 셋째, 공극압을 지표 기준 정수압으로 가정하였으나 산지에서는 지하수면이 더 낮을 수 있으며, 지하수면이 지표 아래 100 m이면 같은 마찰 조건에서 SHmax/Sv의 상한은 심도 500 m에서 2.22에서 2.35로, 1000 m에서 2.19에서 2.26으로 커진다. 넷째, 비교에 사용한 심부 실측값은 부지에서 36 km 떨어진 한 광산의 자료이며, 이 광산의 SHmax 방향은 역산 방향과 약 32° 다르다.
본 모델의 적용 심도는 Table 6에 적은 500-1000 m이다. 역산에 쓴 지진은 심도 1 km 이상이고 비교에 쓴 신예미 자료는 심도 508 m 이상이므로, 계획 심도(약 500 m) 이상에서는 모델이 실측값과의 비교로 뒷받침되나 그보다 얕은 구간에는 비교 자료가 없다. 신예미 자료 24개 구간 가운데 13개가 508-600 m에 있어 계획 심도 부근의 비교는 가능하였으나, 그보다 얕은 구간과는 심도가 겹치지 않는다. 지표에서 계획 심도에 이르는 진입 갱도와 얕은 심도의 시험 공간도 URL 설계의 대상이며, Horonobe URL에서는 계획 심도보다 얕은 350 m 갱도에서 굴착손상영역 시험이 수행되었다(Hata et al., 2024). 부지 반경 40 km의 심도 300 m 이내 자료에서 SHmax/Sv가 1.1-5.1로 분산되고 얕을수록 커지는 점(4.1절)을 보면, 얕은 구간의 수평응력비는 본 모델보다 크고 분산도 클 가능성이 있다. 따라서 얕은 구간의 초기 개념설계에서는 수평응력비의 분산이 클 수 있음을 고려해야 하며, 이 구간의 응력은 부지 측정값으로 정해야 한다.
ISRM 제안법에서 BESM은 부지 내 응력측정(SMM)과 통합 응력 결정(ISD) 단계를 거쳐 갱신되며(Fig. 1), 이때 Table 6의 항목별 범위는 측정값의 타당성을 판단하는 기준이 된다. 태백 URL에서 SMM 단계의 측정으로는 수압파쇄, 시추공 이미지 검층(borehole image logging)의 공벽파괴(borehole breakout)와 시추 유도 인장균열(drilling-induced tensile fracture) 분석, 시설 건설 뒤 갱내 오버코어링을 들 수 있고, ISD 단계에서는 이 측정값에 굴착 변위와 굴착손상영역 계측의 역해석(back analysis)을 더하여 최종 응력모델을 정한다. 새로운 지질해석을 반영한 3차원 지질모델이 마련되면 지형과 암종 경계, 단층이 응력 분포에 미치는 영향도 수치해석으로 검토할 수 있다.
6. 결 론
본 연구에서는 한국응력지도와 지진 단층면해 등 기존 자료만으로 부지 응력모델을 구축하는 절차를 정리하고 이를 태백 URL 부지에 적용하여 다음의 결론을 얻었다.
(1) 절차는 자료 수집, 자료 선별, 단층면해 응력역산, 연직응력과 마찰 한계에 의한 크기 산정, 인근 심부 실측값과의 비교, 응력모델 표현의 여섯 단계로 구성되며 단계마다 판단 기준을 두었다. 주요 기준은 측정값을 입력이 아닌 배경 자료와 비교 자료로 구분하는 것, 결과가 안정되는 지진 수에 따라 반경을 정하는 것, 마찰 한계로 산정한 SHmax를 상한 경우로 두는 것, 계획 심도의 실측값으로 기준 범위를 정하는 것이다.
(2) 태백 부지 반경 80 km 내 단층면해 24개를 역산한 결과 부지 일대는 S2가 연직에 가까운 주향이동 응력장이다. SHmax 방향은 N74°E(95% 구간 65-83°), 응력비 R은 0.68(16-84% 구간 0.62-0.83)이며, 반경과 품질등급, 역산 방법을 바꾸어도 SHmax 방향은 66-82°로 안정적이었으나 R은 0.61-0.89로 입력에 따라 달라졌다.
(3) 층별 비중으로 산정한 연직응력은 심도 500 m에서 13.9 MPa, 1000 m에서 26.9 MPa이다. 단층 마찰 한계 조건으로 산정한 수평응력비는 Shmin/Sv 0.63-0.83, SHmax/Sv 1.5-2.2이고, 심도 1000 m에서 Shmin은 17.0-22.4 MPa, SHmax는 39-59 MPa이다.
(4) 부지에서 36 km 떨어진 신예미광산의 심도 508-849 m 수압파쇄 측정값은 주향이동 응력 상태이며, Shmin/Sv 중앙값(0.77)은 모델 범위 안에 있다. SHmax/Sv 중앙값(1.41)은 모델 범위의 최솟값(1.5)보다 작으므로, 마찰 한계로 산정한 SHmax/Sv는 추정값이 아닌 상한 경우로 두고 인근 실측값에 근거한 잠정 기준 범위로 SHmax/Sv 1.4-1.8을 제안한다.
(5) 본 모델은 단층면해 24개와 부지에서 36 km 떨어진 한 광산의 실측값에 근거하며, 국지 지형과 지질구조의 영향은 반영하지 못한다. 따라서 부지 내 응력측정과 통합 응력 결정 단계에서 항목별로 측정값과 비교하여 갱신해야 한다. 이 절차는 한국응력지도의 측정 자료와 역산에 충분한 단층면해가 함께 확보되는 국내 다른 부지에도 같은 순서로 적용할 수 있다.
