Technical Notes

Tunnel and Underground Space. June 2021. 145-166
https://doi.org/10.7474/TUS.2021.31.3.145

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 한국응력지도 2020 데이터베이스 구축 및 지도 제작

  •   2.1 데이터베이스 구축

  •   2.2 한국응력지도 2020 제작

  • 3. 한반도 현지응력 분포 특성

  •   3.1 한반도 전역의 현지응력 분포 특성

  •   3.2 지역별 현지응력 분포 특성

  •   3.3 세계 대륙별 응력분포와의 비교

  • 4. 현지응력 영향인자 사례분석

  •   4.1 지형적 영향

  •   4.2 암질 영향

  •   4.3 지하공동(광산 채굴) 영향

  •   4.4 지질구조(단층대) 영향

  • 5. 결 론

1. 서 론

지구 지각 내에 존재하는 현지응력은 오랜 기간 동안 지하자원 개발을 위한 최적 설계와 지하공간의 안정성 확보를 위한 핵심 인자로서 중요성을 인정받아왔다(Amadei and Stephansson, 1997, Zoback, 2010, Cornet, 2015). 지진과 단층 운동의 메커니즘을 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 근래에는 지각의 운동과 변형을 이해하는 데 있어 현지응력에 대한 정확한 정보가 요구된다(Reiter et al., 2014, Heidbach et al., 2016a).

지하의 응력을 측정하는 방법으로는 수압파쇄법(hydraulic fracturing method) (Haimson and Cornet, 2003), 오버코어링법(overcoring method) (Sjoberg et al., 2003)과 같이 직접적으로 응력을 측정하는 방법과 시추 공벽파괴(borehole breakout)나 시추 유도균열(drilling induced fractures)과 같은 시추공 응력지시자를 활용하거나, 단층거동이나 지진 메커니즘을 이용하여 간접적으로 응력을 산정하는 방법이 있다(Zang and Stephansson, 2009).

체계적이고 신뢰도 높은 응력정보를 제공하기 위한 국제적인 노력의 일환으로 지난 1986년부터 세계응력지도(World Stress Map) 프로젝트가 진행되고 있다. 세계응력지도는 다양한 방법으로 얻어진 응력 정보에 표준화된 등급을 부여함으로써 광범위한 지구 과학 분야에서 사용 가능한 개방형 데이터베이스를 제공하고 있다(Heidbach et al., 2016b).

국내에서도 응력정보를 얻기 위하여 전국 100여개 지역에서 현지 응력 측정을 수행해왔다. 광산개발이 활발하던 1990년대 초반까지 오버코어링법을 주로 이용하였고, 1980년대 후반부터 수압파쇄기술에 대한 연구를 본격적으로 시작하여 1990년대 이후로는 수압파쇄시험법을 토목 및 건설현장에 적용하여 현지응력을 측정해오고 있다(Synn et al., 2013). 지난 40여 년간 한국지질자원연구원과 지반조사 민간기업 등을 통하여 지하 1 km 이내 천부 심도에서 상당한 양의 응력정보를 얻어 왔으나, 대다수가 해당 부지에서의 안정성 조사를 위한 일차적 목적으로만 활용되어, 이를 수집하여 체계적으로 분석하려는 시도가 많지 않았다.

국내에 부존하는 지하자원의 개발과 지하공간 활용의 목적 및 근래에 더 많은 관심을 받고 있는 단층과 지진 발생의 원인 규명을 위해서는 광역적인 응력 분포 패턴에 대한 이해뿐만 아니라 국지적으로 현지응력에 영향을 미칠 수 있는 원인에 대해서도 종합적으로 검토하려는 노력이 필요하다. 이를 위해 현재까지 측정된 다수의 현지응력 실측자료를 통합하여 데이터베이스를 구축하고 이를 바탕으로 한국응력지도 2020(Korea Stress Map 2020)을 제작하였다.

한국응력지도 2020과 데이터베이스에 활용된 응력 정보들은 수압파쇄법과 오버코어링법의 제한적인 측정심도로 인하여 해당심도가 지하 1 km 이내의 비교적 천부 범위에 포함되는 자료들이며, 세계응력지도에서 제안한 지침(20)을 준수하여 분류 및 활용되었다.

한반도 전역의 지역별 현지응력 분포를 보여주는 국내 최초의 한국응력지도로서, 향후 방사성폐기물 지층처분과 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS), 지하연구시설(Underground Research Laboratory, URL) 등의 심도 1 km 이내의 지하공간 활용 분야 및 지진, 단층 등의 국토안전 분야 등에 중요한 기초 공공자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

2. 한국응력지도 2020 데이터베이스 구축 및 지도 제작

2.1 데이터베이스 구축

한국응력지도 2020의 제작을 위한 데이터베이스를 구축하기 위하여 1980년대 이후부터 현재까지 국내에서 이루어진 현지응력 측정 자료를 확보하여 정리하였다. Table 1과 같이, 전국의 306개 시추공으로부터 지하 10~880 m의 심도에서 수압파쇄법과 오버코어링법을 활용하여 측정한 총 1,401개의 응력정보를 수집하였다.

시추공 주변을 오버코어링할 때 발생되는 암반의 변형률을 계측하여 암반에 작용하고 있는 현지응력의 크기와 방향을 산정하는 오버코어링법의 경우, 3차원 응력상태를 구할 수 있는 장점이 있으나 응력 계산을 위해 추가적으로 탄성계수에 대한 정보를 알아야 하고 외곽 천공에 따른 측정심도에 제한이 있다. 이에 비해, 시추공의 일부 구간을 패커로 격리시킨 후 물을 주입하여 수압에 의해 발생한 균열과 압력을 계측하여 현지응력의 크기와 방향을 측정하는 수압파쇄법의 경우, 연직방향을 주응력방향으로 보고 수직균열이 발생함을 가정하여 수평주응력을 추정하지만, 부지 조사용 시추공을 이용할 수 있으므로 본격적인 굴착 단계 이전에 적용이 가능하고 탄성계수 없이 응력을 직접 측정할 수 있으며 대심도 시추공에서도 적용할 수 있다는 이점이 있어 전세계적으로 가장 널리 활용되는 방법이다. 확보된 국내 현지응력 측정자료의 대다수도 수압파쇄법을 활용한 것으로, 전체 시추공의 약 92%인 282개 시추공에서 얻어진 응력정보가 수압파쇄법을 이용해 측정된 것이다. 또한, 주로 지반조사 목적으로 현지응력을 측정하였기 때문에 응력정보들의 측정심도가 비교적 천부인 지하 수백 미터 심도 이내의 심도에 해당했다. 일부 지하 1 km 심도 이내의 심부 광산 및 지하비축기지 내에서는 오버코어링법이 적용되었다.

Table 1.

Statistics on in-situ stress measurement data in South Korea

Measurement
method 
Boreholes Number of
measurement data
Depth
(m)
WSM Quality Ranking
A B C D E
Hydraulic
fracturing (HF)
282 1377 10~849  0 7 25 242 8
Overcoring (OC) 24 24 142~880  0 0 0 8 14
Total 306 1401 10~880  0 7 25 250 22

데이터베이스의 분류 항목은 측정법[수압파쇄법(HF), 오버코어링법(OC)], 지역, 위치[위도, 경도], 심도, 수압파쇄시험 압력자료[공극수압(Po, pore pressure), 초기파쇄압력(Pb, breakdown pressure), 균열개구압력(Pr, reopening pressure), 균열폐쇄압력(Ps, shut-in pressure)], 측정응력자료[수직응력(Sv, vertical stress), 최소수평주응력(Sh, minimum horizontal stress), 최대수평주응력(SH, maximum horizontal stress)], 수압파쇄균열자료[균열 형태, 경사, 방위], 응력방향, 응력장(stress regime), 세계응력지도 질적 등급(WSM Quality Ranking) 등이다. 응력분포 패턴으로 심도에 따른 현지응력 및 측압계수 분포 범위, 지역별 분포도 데이터베이스의 분석 자료로 포함되어 있다.

세계응력지도 질적 등급 분류에 따라 응력 자료의 총 등급은 Table 2와 같이 측정 횟수와 정확도, 측정심도에 기반하여 A등급에서 E등급까지 총 5개로 나누어진다. A등급에서 E등급으로 갈수록 해당 응력정보의 질적 등급이 낮아짐을 의미한다.

데이터베이스 자료의 대부분을 차지하는 수압파쇄 응력 자료의 경우, 질적 등급 분류는 단일 시추공에서 응력의 측정 심도와 심도 범위, 단일 시추공 내에서 측정한 최대수평주응력 방향의 개수, 그리고 최대수평주응력 방향의 표준편차로 정량화되는 응력 방향의 일관성 등 총 네 가지의 기준을 근거로 수행되며, 이 중 단 하나의 기준이라도 부합하지 않으면 아래 등급으로 하향 조정된다. 예를 들어, A등급의 질적 분류를 만족하는 수압파쇄 응력측정 자료가 되기 위해서는, 단일 시추공에서 5개 이상의 심도에서 응력 방향과 크기가 측정되어야 하며 최초 측정 심도는 300 m이상, 측정 범위는 최초 측정 심도로부터 300 m 이상의 구간을 만족하여야 한다. 또한 측정을 마친 후 획득한 응력 자료를 분석해보았을 때 응력 방향의 표준편차가 12° 내로 일관되어야 한다. D등급은 단일 시추공에서 응력 방향 측정이 한 심도에서만 이루어진 경우이며, 이 경우 응력의 크기는 여러 구간에서 측정되었다 하더라도 D등급으로 분류된다. E등급의 경우 응력 방향에 대한 정보 없이 응력의 크기만 측정된 경우이다. 오버코어링 응력자료의 경우, 응력의 측정 횟수와 측정 심도 및 표준 편차의 세 가지 기준을 근거로 질적 등급이 분류되며, 측정 심도 10 m 이상의 최소 2회 이상 측정된 자료를 D등급 이상으로 분류한다.

수압파쇄 응력자료의 질적 등급 분류에서는 각 시추공 자료를 개별적인 것으로 구분함으로써 결과적으로 단일 시추공당 측정 심도 범위의 기준 요건으로 인해 한국응력지도 2020 데이터베이스 내의 전체 응력정보가 B 등급 이하로 분류되었다. 일부 지역에 대해 몇 개의 측정 시추공이 존재하는 경우도 다수 있어 이들을 하나의 지역으로 본다면 A 등급으로 분류할 수 있으나, 엄격하고 체계적인 관리를 위하여 세계응력지도 프로젝트에서 제안하는 질적 등급 분류를 준수하였다. 오버코어링 응력자료의 경우, 측정 횟수가 적고 관련 정보가 불명확한 관계로 대부분의 응력 정보가 D나 E등급으로 분류되었다.

Table 2.

World Stress Map quality ranking scheme for hydraulic fracturing and overcoring data (Heidbach et al., 2016a)

Stress
indicator
A
SH believed to be
within ± 15°
B
SH believed to be
within ± 15-20°
C
SH believed to be
within ± 20-25°
D
Questionable SH
orientation
(± 25-40°)
E
no reliable information
(> ± 40°)
Hydraulic
Fracture
(HF)
• ≥ 5 hydrofrac
orientations in a
single well with s.d.
≤ 12°
• depth ≥ 300 m,
and
distributed over a
depth range ≥
300 m
• ≥ 4 hydrofrac
orientations in a
single
well with s.d. ≤ 20°
• depth ≥ 100 m, and
distributed over a
depth range ≥ 200 m
• ≥ 3 hydrofrac
orientations in a
single
well with s.d. ≤ 25°
• depth ≥ 30 m, and
distributed over a
depth range ≥ 100 m
• Single hydrofrac
orientation
• Wells in which only
stress magnitudes are
measured, without
information on
orientations
Overcoring (OC) • ≥ 11 measurements
with depth ≥ 300 m
and s.d. ≤ 12°
• ≥ 8 measurements
with depth ≥ 100 m
and s.d. ≤ 20°
• ≥ 5 measurements
with depth ≥ 30 m
and s.d. ≤ 25°
• ≥ 2 measurements
with depth ≥ 10 m
and s.d. ≤ 40°
• < 2 measurements or
depth < 10 m or s.d. > 40°
• Measurements in
boreholes
extending less than two
excavation radii from the
excavation wall
• Distance to topographic
features less than three
times the height of the
topographic feature

질적 등급 분류 결과와 함께 추가적으로 진행된 응력장(stress regime) 분석의 경우, Fig. 1과 같이, 직교하는 세 응력의 상대적 크기에 따라 정단층성 응력장(normal fault stress regime, NF), 주향이동단층성 응력장(strike slip stress regime, SS), 역단층성 응력장(thrust fault stress regime, TF)으로 구분한다. 정단층성 응력장은 수직응력의 크기가 가장 크고 최소수평주응력의 크기가 가장 작은 경우, 주향이동단층성 응력장은 최대수평주응력의 크기가 가장 크고 최소수평주응력의 크기가 가장 작은 경우, 역단층성 응력장은 최대수평주응력의 크기가 가장 크고 연직응력의 크기가 가장 작은 경우이다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F1.jpg
Fig. 1

Three main tectonic stress regimes : normal fault stress regime, strike slip stress regime, thrust fault stress regime (Heidbach et al., 2016a)

2.2 한국응력지도 2020 제작

확보된 306개의 시추공의 응력자료 데이터베이스를 바탕으로, 응력 정보를 세계응력지도 질적 등급 분류(A-E등급)와 응력장(NF, SS, TF)에 따라 분류하여 Fig. 2와 같이 한국응력지도 2020을 제작하였다. 응력지도의 작성 기준은 세계응력지도에서 제안하는 기준(Heidbach et al., 2016a)에 준하여 작성하였다.

Fig. 2의 한국응력지도에서 각 응력정보들은 도형과 색상, 선으로 구분된다. 응력 측정방법은 도형(별모양: 수압파쇄법, 짧은 실선: 오버코어링법)으로, 응력장은 자료의 색상(빨간색: 정단층성 응력장, 녹색: 주향이동단층성 응력장, 파란색: 역단층성 응력장)으로 나타내었다. 도형을 교차하는 선의 방향은 최대수평주응력의 방향을 의미하며, 선의 길이는 질적 분류 등급에 따라 차등을 두어 표시하였다.

한국응력지도를 통하여 한반도 전역에서의 광역적인 현지 응력 패턴을 확인할 수 있다. 수압파쇄법과 오버코어링법의 제한적인 측정심도로 인하여 대다수가 얕은 심도에서 측정된 응력정보이므로, 지형 및 지질의 영향으로 지역적인 응력 교란이나 불균질성을 내포하고 있을 가능성이 크다. 좀 더 세밀하고 체계적인 분석을 통해 한반도 전역의 현지응력 분포 특성과 국부적 영향 요소에 대해 검토해 보았다.

3. 한반도 현지응력 분포 특성

3.1 한반도 전역의 현지응력 분포 특성

한반도 전역에서 이루어진 전체 현지응력 측정 결과를 도시한 결과가 Fig. 3이다. 전국적 거리 차이뿐만 아니라 전체 측정 심도가 지하 I km 이내의 비교적 천부로 인한 국부적 지형 및 지질의 영향 등으로 비교적 분산 폭이 넓은 현지응력 분포 양상을 보인다. 한반도 전체에 대한 평균적 경향을 통계적으로 도출하면, 심도별 평균 수직응력(Sv), 최소수평주응력(Sh), 최대수평주응력(SH)의 심도-응력 관계식은 아래와 같으며, Fig. 3에서 응력정보들과 함께 각 관계식을 점선으로 도시하였다. 식에서 Z는 지표로부터의 심도이다.

Sv=0.0266Z,R2=0.975

Sh=0.0178Z+1.9214,R2=0.6711

SH=0.0305Z+2.349,R2=0.6418

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F2.jpg
Fig. 2

Korea Stress Map 2020

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F3.jpg
Fig. 3

Distribution of in-situ stresses measured by hydraulic fracturing and overcoring method in South Korea

응력성분의 상대적 크기는 수평응력 대 수직응력의 비인 측압계수(Kh, KH, Kavg)로 나타내며, 지하 구조물의 안정성과 단층의 거동 등을 파악하는 데 필수적인 요소이다. 측압계수는 일반적으로 심도가 깊어질수록 감소하는 경향을 보이며, 천부 심도에서는 지역적 차이, 암반이나 지형적 영향 등으로 변화의 폭이 크게 나타난다(Synn et al., 2013). 국내 현지응력 측정자료의 심도에 따른 측압계수 변화 범위의 상한 및 하한 경계는 Fig. 4와 같이 얻어진다.

Kh=ShSv,KH=SHSv,Kavg=SH+Sh2Sv

0.1+20Z<Kh<0.4+500Z

0.2+30Z<KH<0.6+1000Z

0.15+25Z<Kavg<0.5+750Z

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F4
Fig. 4

Variation of stress ratio with depth: (a) minimum horizontal stress ratio, Kh, (b) maximum horizontal stress ratio, KH, (c) average horizontal stress ratio, Kavg

한반도 전역에 대한 측정 결과의 통계적 평균값으로 얻어진 최대수평응력 방향은 Fig. 5(a)에서 확인할 수 있듯이, 진북으로부터 시계방향으로 80°± 41°(평균 ± 표준편차) 범위이다. 전체적으로 볼 때 한반도의 최대수평응력 방향은 북동에서 남동 범위에 있다. 편의상 행정 경계로 구분한 지역별 결과는 Fig. 5(b)이며, 지역별로 큰 차이는 없는 것으로 확인되었다. 최대수평응력 방향이 비교적 넓게 분산되어 있는 것은 측정 자료의 대부분이 1 km 이내의 천부 지역에 대한 것이어서 광역적인 한반도 지각의 응력장 내에 있으면서도 국지적으로 천부의 지형 및 지질의 영향을 많이 포함하고 있는 것으로 판단된다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F5.jpg
Fig. 5

(a) Distribution of max. horizontal stress directions in South Korea, (b) Comparison of max. horizontal stress directions by region (GG: Gyeonggi-do, GW: Gangwon-do, CB: Chungcheongbuk-do, CN: Chungcheongnam-do, GB: Gyeongsangbuk-do, GN: Gyeongsangnam-do, JB: Jeollabuk-do, JN: Jeollanam-do, JJ: Jeju-do)

3.2 지역별 현지응력 분포 특성

앞서 언급한 바와 같이 각 지역별 현지응력의 분포 특성을 보면, 지역에 따라 확연한 차이가 나타나지는 않는데, 경기도, 강원도, 충청남・북도, 경상남・북도, 전라남・북도, 제주도 지역 각각의 최대수평응력을 도시한 결과는 Fig. 6부터 Fig. 14와 같다. 최대수평응력의 방향은 동-서 방향을 경계로 30°~50°의 큰 표준편차 내에 위치하였다. 이는 산발적인 측정 위치와 수압파쇄와 오버코어링을 활용한 측정심도의 한계, 그리고 각 측정 자료가 내포한 지형적 특징 및 지질학적 이력과 관련이 있을 것으로 여겨지며, 추후 더 깊은 심도까지 포함한 폭넓은 추가적인 분석이 요구된다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F6.jpg
Fig. 6

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Gyeonggi-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F7.jpg
Fig. 7

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Gangwon-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F8.jpg
Fig. 8

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Chungcheongbuk-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F9.jpg
Fig. 9

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Chungcheongnam-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F10.jpg
Fig. 10

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Gyeongsangbuk-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F11.jpg
Fig. 11

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Gyeongsangnam-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F12.jpg
Fig. 12

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Jeollabuk-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F13.jpg
Fig. 13

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Jeollanam-do

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F14.jpg
Fig. 14

(a) Stress ratio and (b) distribution of maximum horizontal stress direction in Jeju-do

3.3 세계 대륙별 응력분포와의 비교

한국응력지도 2020의 한반도 전체 현지응력 분포도에서 평균수평응력 대 수직응력의 비인 평균측압계수(Kavg)의 하한 및 상한 경계 식은 앞에서 기술한 바와 같이 다음과 같다.

Kavg=SH+Sh2Sv,0.15+25Z<Kavg<0.5+750Z

Brown and Hoek(1978)은 전 세계의 120개 현지응력 측정 자료를 취합하여 심도-응력 관계식을 도출하였는데, 그 하한 및 상한 경계 식은 다음과 같다(Synn et al., 2013).

0.3+100Z<Kavg<0.5+1500Z

Fig. 15(a)는 위의 두 자료를 비교 도시한 것이며, Fig. 15(b)는 전 세계 대륙별 현지응력 측정 자료를 취합하여 대륙별 분포 양상을 비교한 결과이다(Haghi el al., 2018)

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F15.jpg
Fig. 15

(a) Comparison of average horizontal stress ratio between Korea and worldwide regions, (b)Comparison of average horizontal stress ratio by continent (Haghi el al. (2018))

한반도지역의 측압계수 분포는 세계 전체의 측압계수 분포에 비해 약간 낮은 값의 측압계수 범위를 보이고, 세계 대륙별 측압계수 분포 비교에서는 아시아 대륙의 값이 세계 전체 및 타 대륙에 비해 약간 낮은 값의 범위에 있다. 즉 한반도지역 측압계수는 다른 아시아지역 전체의 측압계수 분포 범위와 비슷한 양상을 나타내고 있다.

이 외에 기 발표된 외국의 측압계수에 대한 연구 결과는 Table 3과 같다(Synn et al., 2013).

Table 3.

Worldwide stress-depth correlation equations

References Correlation equations Remarks
Brown & Hoek (1978) 0.3 + 100/z < Kavg < 0.5 + 1500/z World (0~3000), 120 data
Cui et al.(2013) 0.4 + 10/z < Kavg < 0.9 + 1000/z China (0~4000 m), 1780 tests of HF and OC at 403 boreholes
Haimson (1978) KH = 0.96 + 300/z
Kh = 0.64 + 80/z
USA (0~5000 m), HF data
Herget (1987) Kavg = 1.25 + 267/z Canada (0~2500 m)
Kang et al. (2010) Kavg = 0.7 + 116.5/z China (0~1300 m), 97 HF data in 49 coal mines
Zang et al. (2012) 1/3 < Kavg < 0.8 + 1200/z World (0~3500 m), Crystalline rock

4. 현지응력 영향인자 사례분석

현재까지 국내에서 현지응력 측정은 지하 1 km 심도 이내에서 이루어졌으며 그 중에서도 대부분이 심도 500 m 이내의 천부이다. 이로 인해 현지응력의 경향은 한반도 지체구조 거동과의 연관성뿐만 아니라 개별 측정 지역의 지형, 암질 등과 같은 국지적 특성을 많이 반영하고 있을 것으로 여겨진다. 국내 현지응력측정 자료에서 이러한 국지적 특성을 나타내는 사례를 조사 분석하였다.

4.1 지형적 영향

4.1.1 산악 지형 지역 A

2000년도에 전남 장수군 장수터널에서 확인된 수압파쇄 응력 측정 결과는 산악지형이 국지적으로 현지응력에 영향을 미칠 수 있음을 알려주는 사례로 볼 수 있다(한국지질자원연구원, 2000).

Fig. 16과 같이, TB-7 시추공은 산 좌측의 계곡에 위치하고 TB-8 시추공은 산 우측의 산등성이에 위치하였다. 계곡 지형은 수평응력의 집중도가 높고 산등성이 지형은 바깥쪽을 구속하는 암반이 없어서 수평응력의 구속력이 저하되는 것으로 알려져 있는데, 실제로 응력측정결과, Fig. 17의 결과에서 확인 할 수 있듯이, TB-7 시추공 개소가 TB-8 시추공 개소에 비해 현지응력 크기와 측압계수가 상대적으로 크게 나타났다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F16.jpg
Fig. 16

Topographical and geological cross-sectional view of in-situ stress measurement area in the Jangsu Tunnel

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F17.jpg
Fig. 17

(a) In-situ stresses and stress ratios of (a) TB-7 and (b) TB-8 boreholes in Jangsu Tunnel

4.1.2 산악 지형 지역 B

2012년, 충북 단양군과 경북 영주시를 연결하는 죽령터널에서의 수압파쇄 응력 측정 결과에서도 산악지형의 영향을 확인할 수 있다(한국지질자원연구원, 2012).

Fig. 18 지형도에서 TTB-7 및 TTB-12 시추공은 죽령을 가운데에 두고 서로 반대쪽 산등성이에 위치하고 있으며 수평 이격거리는 약 7 km이었다. TTB-7 시추공이 죽령 정상에서 완만한 산등성이를 따라 멀리 있지만 두 시추공 모두 유사한 지형 즉 산등성이부에 위치하고 표고와 시추심도도 비슷하여 위치상의 지형적 차이는 없었다. 측정결과 Fig. 19(a)와 (b)에서 확인할 수 있듯이, 두 시추공에서 측정된 현지응력 및 측압계수의 크기나 변화 양상은 같은 경향을 보여서 두 시추공 지점을 포함하는 지역은 동일한 양상의 응력장 영역에 있는 것으로 나타났다. 산악 지형의 천부에서는 지형 영향이나 잔류응력 등으로 응력의 크기 변화 및 심도에 따른 측압계수의 변화율도 크게 나타나고 심도가 깊어질수록 그 변화 정도는 점차 작아지는 경향이 있는데, 이 지역에서도 Fig. 19(c)와 같이, 100 m 이내 심도에서는 측압계수 변화율이 크다가 100 m 하부에서는 비교적 완만한 변화 경향으로 비슷한 측압계수 범위를 보였다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F18.jpg
Fig. 18

Topographical cross-sectional view of in-situ stress measurement area in the Jukryeong Tunnel

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F19.jpg
Fig. 19

Results of in-situ stress measurement in the Jukryeong Tunnel: (a) TTB-7 borehole, (b) TTB-12 borehole, (c) Integrated (TTB-7 and TTB12) in-situ stress and stress ratios

4.1.3 수치해석 연구 사례

Pan et al.(1995)는 미국 Yucca Mountain 산악지형 모델을 이용하여 중력 및 수평지각력이 작용할 때의 응력분포를 수치해석으로 모델링하여 지형의 영향을 연구하였다. Fig. 20에서 수평응력은 지표에 가까운 천부에서는 지형의 영향으로 위치에 따라 차이가 있으며, 그 영향권은 수평 평지 기준선에서 산 높이의 0.5배 하부까지 미치고 수평응력의 영향권이 수직응력에 비해 더 큰 것으로 나타났다. 모델 중앙의 산을 기준으로 우측 계곡부에서의 압축 수평응력 집중이 좌측 산등성이부보다 크게 나타났고, 이 압축 수평응력 집중도는 수직 중력보다 수평지각력에 의해 크게 발생하였다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F20.jpg
Fig. 20

Contour diagrams of normalized stresses in mountainous terrain under (a) gravity only and (b) combined gravitational and far-field horizontal tectonic loading (Pan et al. (1995))

4.2 암질 영향

4.2.1 암질변화 지역 A

1996년, 경남 단층대 지역의 단층파쇄대와 주변 기반암 구간에서의 수압파쇄법을 활용한 응력 측정 사례는 암질변화로 인한 현지응력의 국부적 차이를 보여준다(한국지질자원연구원, 1999a).

시추공 A와 B는 단층 파쇄대를 사이에 두고 약 400 m 정도 떨어져 있으며 A 시추공은 파쇄대 내에 있고 B 시추공은 기반암 내에 위치하는데, 단층 파쇄대와 주변 기반암의 암질 비교를 RQD(Rock Quality Designation) 로 나타내면 단층 파쇄대는 RQD가 30 이하이고 주변 기반암은 RQD가 50 이상이었다. RQD란 10 cm 이상인 코어의 길이의 합을 백분율로 표시한 암질지수이다. 현지응력 측정 결과는 Table 4와 같으며, 단층 파쇄대에서는 주변 기반암 지역에 비해 최소수평응력의 변화가 뚜렷하게 나타났는데 단층 파쇄대에서 측정된 최소수평응력에 대한 측압계수는 주변 기반암 내에서 측정된 것에 비해 약 65%로 작게 측정되었다. 파쇄대와 같이 절리가 많이 존재하거나 암질이 연약한 지역에서는 수평응력의 이완으로 측압계수가 상대적으로 작아진 것으로 보인다.

Table 4.

Results of in-situ stress measurement in Gyeongnam fault zone

Depth (m) Sv (MPa) Sh (MPa) SH (MPa) Kh KH
Borehole A
(Fracture zone, RQD<30)
26~66 0.70~1.77 1.43~2.95 2.17~4.70 1.40~2.19 2.33~3.68
Borehole B
(Bedrock, RQD>50)
23~45 0.62~1.21 2.10~2.67 2.22~3.90 2.21~3.41 2.47~3.74

4.2.2 암질변화 지역 B

2008년에 현지응력을 측정한 강원도 인제군 인제양양터널의 경우, Fig. 21(a)에서처럼 NTB-9 시추공 및 NTB-10 시추공은 이격거리가 약 1.2 km이고 사이에 습곡 구조가 존재하며, 두 지역은 지형과 암질에서 차이가 있었다(한국지질자원연구원, 2008). NTB-9은 산 정상부이고 NTB-10은 계곡부에 위치하였다. NTB-9는 암맥과 파쇄대가 다수 존재하고 NTB-10은 별로 없으며. 암반등급분류에서 NTB-9는 II등급(69점)이고 NTB-10은 I등급(85점)이었다.

수압파쇄 측정 결과 얻어진 현지응력 크기와 측압계수를 각각 도시하면 Fig. 21(b)와 (c)와 같다. NTB-9 지역이 NTB-10 지역에 비해 지표하 시험 심도는 깊지만 현지응력 크기와 측압계수는 상대적으로 작게 나타났다. 이러한 차이는, 기본적으로 두 시추공 사이의 습곡구조로 인해 현재의 응력장 체계가 다를 수가 있고 또한 국지적으로 산등성이와 계곡의 지형 차이, 지질구조(암맥, 파쇄대) 차이, 암질(암반등급, 평균절리간격, 암반강도 등) 차이 등에 기인한다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F21.jpg
Fig. 21

(a) Borehole location, (b) In-situ stresses, and (c) stress ratios in Yangyang Tunnel

4.2.3 국외 측정 사례

암반 고유의 특성이 현지응력에 영향을 미칠 수 있음을 연구한 국외의 측정 사례들을 살펴보면, Warpinski and Teufel (1991)는 네바다 실험 지역 중 하나인 Rainier Mesa에서의 수압파쇄 응력 측정 결과를 통해 Fig. 22와 같이, 암반의 탄성계수 및 포아송비와 현지응력과의 상관관계를 보고한 바 있다. Amadei(1996)는 서부 콜로라도 지역에서 사암이나 실트암층에 비해 셰일층에서 응력 측정치가 더 높게 나타난 사례와 아이슬란드 응회암층에서 큰 응력 차이가 확인된 사례를 통해서 Fig. 23과 같이 퇴적층에서의 암종 변화에 따른 현지응력의 변화양상에 대해 보고한 바 있다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F22.jpg
Fig. 22

Relationship between rock properties and in-situ stresses (Warpinski and Teufel, 1991)

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F23.jpg
Fig. 23

In-situ stresses in stratified rock masses (Amadei, 1996)

4.3 지하공동(광산 채굴) 영향

강원도 정선군 한덕철광에서는 2009년부터 2014년 까지 5개년에 걸쳐 여러 심도의 다른 갱도에서 수압파쇄법을 이용하여 현지응력을 측정하였으며(한국지질자원연구원, 2009, 2010, 2011, 2013, 2014) 이를 통합한 결과, Fig. 24와 같이 전체적으로 동일한 현지응력 양상이 나타났다. 단, 2009년 측정 개소인 255ML(지표하 500 m)의 시험 개소에서는 작은 현지응력 크기와 측압계수 양상(그림에서 속이 빈 도형)을 보였는데 시험 시추공에 인접한 채굴적 및 이완대의 영향을 받은 것으로 판단된다.

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F24.jpg
Fig. 24

(a) In-situ stresses and (b) stress ratios in Handuk Iron-mine

4.4 지질구조(단층대) 영향

전남 여수시 지하원유비축기지의 현지응력 측정 결과에서 단층대(AO-8와 AO-2 사이, N20W/70SW) 영향 및 지형 영향(AO-8는 계곡부, AO-2는 산능성부)를 확인할 수 있었다(한국지질자원연구원, 1999b, 2003). Fig. 25(a)와 (b)에서처럼 1997년에는 수압파쇄법, 2003년에는 오버코어링법을 이용하여 서로 다른 위치에서 현지응력을 측정하였다. 그 결과는 Table 5이며, 이를 도시한 결과가 Fig. 25(c)와 (d)이다. 단층구조 우측의 AO-8(수압파쇄법 이용) 및 MCT(오버코어링법 이용)의 현지응력 측정결과는 단층구조 좌측의 AO-2(수압파쇄법 이용) 및 BWT(오버코어링법 이용) 개소에 비해 상대적으로 큰 현지응력 및 측압계수 양상을 나타냈다.

Table 5.

Results of in-situ stress measurement in fault zone near Yeosu oil storage tank

location Depth (m) Sv (MPa) Sh (MPa) SH (MPa) Kh KH
Hydraulic fracturing test AO-2 -305 8.2 5.3 7.0 0.65 0.85
AO-8 -155 4.2 7.0 12.4 1.67 2.95
Overcoring MCT -150 5.53 4.5 16.8 0.8 3.1
BWT -188 8.89 7.98 16.01 1.11 1.8

/media/sites/ksrm/2021-031-03/N0120310301/images/ksrm_31_03_01_F25.jpg
Fig. 25

(a) Topographical plan view and (b) longitudinal section view of Yeosu oil storage tank. Results of hydraulic fracturing measurements in AO-2 and AO-8 boreholes: (c) in-situ stresses and (d) stress ratios

5. 결 론

1980년대 이후부터 현재까지 수십 년간 국내에서 수압파쇄법 및 오버코어링법을 이용하여 실제로 측정된 전국 1,400여개의 현지응력 실측자료를 통합하여 데이터베이스를 구축하였다. 이를 바탕으로 세계응력지도 프로젝트에서 제안한 가이드라인에 따라 한국응력지도 2020을 제작하였다. 이와 함께 한국응력지도의 세부 자료로 전국 각 지역별 현지응력 측압계수와 최대수평응력 방향 분포도를 제시하였다.

한반도 전역에서의 광역적인 현지응력 분포를 보면 응력의 크기와 방향 모두 비교적 분산폭이 넓은 분포양상을 보인다. 최대수평응력 방향은 진북으로부터 시계방향으로 80° ± 41°로, 북동에서 남동 범위로 나타났다. 이는 전국적 거리 차이뿐만 아니라 개별 측정 지역의 지형이나 암질 등과 같은 국지적 특성을 크게 반영하고 있을 가능성이 크다. 산악지형, 파쇄대의 암질변화, 광산 채굴과등으로 인한 지하공동의 유무, 단층대 지질구조 등의 영향이 국지적으로 천부심도에서의 암반 응력에 영향을 주어 지역적인 응력 교란이나 차이를 만들었을 것으로 여겨진다.

한국응력지도 2020 데이터베이스는 수압파쇄법과 오버코어링법을 이용해 확보한 천부 심도에서의 응력 정보만을 포함하고 있어, 현재 세계응력지도 사이트에 공식 등록되어 있는 World Stress Map 2016과는 다소 차이가 있다. WSM 2016의 한반도 영역에는 실측 응력정보뿐만 아니라 지진메커니즘을 이용한 심부 응력 정보도 함께 수록되어 있으며, 이 정보를 제외하게 되면 나머지 실측 자료는 소수에 불과하다. 한국응력지도 2020 데이터베이스의 실측 응력 정보들을 세계응력지도에 공식적으로 등록하고자 계획하고 있으며, 이를 통해 보다 신뢰도 높은 양질의 응력정보를 공유할 수 있을 것이다.

2021년 6월 현재, 한국응력지도 2020은 한국지질자원연구원 지오빅데이터 오픈플랫폼(KIGAM Geo Big Data Open Platform)을 통해서 제공되고 있으며, 추가적으로 시추공 내 응력지시자와 지진메커니즘을 이용한 응력자료들을 활용하여 데이터베이스를 지속적으로 업데이트 할 예정이다. 이를 통해 천부 심도뿐만 아니라 지진 발생이 빈번한 심부에서의 응력 정보도 포함하는 광범위하고 신뢰도 높은 자료로서, 지질 및 자원 공학 분야에서 기초적이고도 필수적으로 활용될 수 있기를 기대한다.

Acknowledgements

본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업인 ‘심지층 개발과 활용을 위한 지하심부 특성평가 기술 개발(과제코드 GP2020-010)’의 일환으로 수행되었습니다. 한국응력지도에 활용된 현지응력 자료를 이용함에 있어 기여한 모든 분들께 감사를 드립니다.

References

1
한국지질자원연구원, 1999a, 서울-부산간 경부고속철도 제 12공구 노반실시설계, 52p.
2
한국지질자원연구원, 1999b, U-1 추가비축기지 조사설계용역 수압파쇄 시험 결과 보고서, 119p.
3
한국지질자원연구원, 2000, 전주-함양간 고속도로 제 10공구 건설공사 지반조사 (수압파쇄시험), 89p.
4
한국지질자원연구원, 2003, 여수 U1 추가비축기지 초기응력 측정 연구, 44p.
5
한국지질자원연구원, 2008, 고속국도 제 60호선 동홍천-양양간 건설공사(14공구) 대안설계 수압파쇄 초기지압 측정, 78p.
6
한국지질자원연구원, 2009, 지하 암반내 복공식 에너지저장시스템 개발 (Development of underground energy storage system in lined rock cavern), GP2009-019-2009(1), 273p.
7
한국지질자원연구원, 2010, 지하 암반내 복공식 에너지저장시스템 개발 (Development of underground energy storage system in lined rock cavern), GP2009-019-2010(2), 232p.
8
한국지질자원연구원, 2011, 지하 암반내 복공식 에너지저장시스템 개발(Development of underground energy storage system in lined rock cavern), GP2009-019-2011(3), 387p.
9
한국지질자원연구원, 2012, 중앙선 도담-영천 복선전철 제 2공구 노반건설공사 수압파쇄 초기지압 측정, 53p.
10
한국지질자원연구원, 2013, 심부 금속광체 정밀 물리탐사 및 채광기술 개발(Development of mining and geophysical exploration techniques for the deep-seated metallic ore deposit), GP2012-006-2013(2), 237p.
11
한국지질자원연구원, 2014, 심부 금속광체 정밀 물리탐사 및 채광기술 개발(Development of mining and geophysical exploration techniques for the deep-seated metallic ore deposit), GP2012-006-2014(3), 176p.
12
Amadei, B. and Stephansson, O., 1997, Rock stress and its measurement. Springer Science & Business Media. 10.1007/978-94-011-5346-1
13
Amadei, B., 1996, Importance of anisotropy when estimating and measuring in-situ stresses in rock, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 33(3), pp.293-325. 10.1016/0148-9062(95)00062-3
14
Brown, E.T. and E. Hoek, 1978, Trends in relationships between measured in-situ stresses and depth, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 15, pp.211-215. 10.1016/0148-9062(78)91227-5
15
Cornet, F. H, 2015, Elements of crustal geomechanics. Cambridge University Press. 10.1017/CBO9781139034050
16
Cui, X., Y. Wang, M. Zhu, X. Hu and F. Xie, 2013, The variations of stress parameters with depth in upper crust in Chinese continent, Proc. 6th Int. Symp. on In-Situ Rock Stress, 20-22 August 2013, Sendai, Japan, pp.974-979.
17
Haghi, A.H., R. Chalaturnyk and H. Ghobadi, 2018, The state of stress in SW Iran and implications for hydraulic fracturing of a naturally fractured carbonate reservoir, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 105, pp.28-43. 10.1016/j.ijrmms.2018.03.002
18
Haimson, B.C., 1978, The hydrofracturing stress measuring method and recent field results, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 15, pp.167-178. 10.1016/0148-9062(78)91223-8
19
Haimson, B.C. and F.H. Cornet, 2003, ISRM suggested methods for rock stress estimation-Part 3: hydraulic fracturing(HF) and/or hydraulic testing of pre-existing fractures(HTPF), Int. J. Rock Mech. & Min. Sci., 40, pp.1011-1020. 10.1016/j.ijrmms.2003.08.002
20
Heidbach, O., A. Barth, B. Muller, J. Reinecker, O. Stephansson, M. Tingay and A. Zang, 2016, World Stress Map Technical Report 16-01, GFZ German Research Centre for Geosciences, 52p.
21
Heidbach, O., M. Rajabi, K. Reiter and M. Ziegler, 2016, World Stress Map 2016, GFZ Data Service, doi:10.5880/WSM.2016.002.
22
Herget, G., 1987, Stress assumptions for underground excavations in the Canadian Shield, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 24(1), pp.95-97. 10.1016/0148-9062(87)91238-1
23
Kang, H., X. Zhang, L. Si, Y. Wu and F. Gao, 2010, In-situ stress measurement and stress distribution characteristics in underground coal mines in China, Engineering Geology, 116, 333-345. 10.1016/j.enggeo.2010.09.015
24
Pan, E., B. Amadei and W.Z. Savage, 1995, Gravitational and tectonic stresses in anisotropic rock with irregular topography, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 32(3), pp.201-214. 10.1016/0148-9062(94)00046-6
25
Reiter, K., Heidbach, O., Schmitt, D., Haug, K., Ziegler, M., and Moeck, I, 2014, A revised crustal stress orientation database for Canada. Tectonophysics, 636, pp.111-124. 10.1016/j.tecto.2014.08.006
26
Sjoberg, J., Christiansson, R., and Hudson, J. A. (2003). ISRM Suggested Methods for rock stress estimation: Part 2: overcoring methods. International journal of rock mechanics and mining sciences, 40(7-8), pp. 999-1010. 10.1016/j.ijrmms.2003.07.012
27
Synn, J.H., C. Park and B.J. Lee, 2013, Regional distribution pattern and geo-historical transition of in-situ stress fields in the Korean peninsula, J. Korean Society for Rock Mechanics; Tunnel and Underground Space, 23(6), pp.457-469. 10.7474/TUS.2013.23.6.457
28
Warpinski, N.R. and L.W. Teufel, 1991, In situ stress measurements at Rainier Mesa, Nevada Test Site-Influence of topography and lithology on the stress state in tuff, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. &Geomech. Abstr., 28, pp.143-161. 10.1016/0148-9062(91)92163-S
29
Zang, A. and Stephansson, O, 2009, Stress field of the Earth's crust. Springer Science & Business Media. 10.1007/978-1-4020-8444-7
30
Zang, A., O. Stephansson, O. Heidbach and S. Janouschkowetz, 2012, World Stress Map database as a resource for rock mechanics and rock engineering, Geotech. Geol. Eng. 30, pp.625-646. 10.1007/s10706-012-9505-6
31
Zoback, M.D, 2010, Reservoir geomechanics. Cambridge University Press.
페이지 상단으로 이동하기