1. 서 론
2. 심부 시추 연구 추진 방법
2.1 심부 시추 기반 암종의 심부 특성 정보 획득 방안
2.2 심부 시추 위치 및 시추 부지 확보 방안
2.3 심부 시추공 정보
3. 연구 지역
3.1 화강암 지역
3.2 퇴적암 지역
3.3 편마암 지역
3.4 화산암 지역
4. 암종별 심도별 균열 특성
4.1 화강암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
4.2 퇴적암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
4.3 편마암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
4.4 화산암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
5. 토의 및 맺음말
1. 서 론
우리나라의 원자력발전은 1978년 4월 고리 1호기를 상업적으로 운전하면서 시작되었다. 현재 사용후핵연료(또는 고준위방사성폐기물)는 원자력발전소 부지 내 임시로 저장되고 있다. 원자력발전소의 운영 및 책임을 맡고 있는 한국수력원자력에 따르면, 2030년부터 한빛, 한울, 고리 원자력발전소 순서로 소내 저장시설의 포화가 예상된다(Ilbo, 2024, Fig. 1). 따라서 고준위방사성폐기물 처분시설의 확보가 시급한 상황이며, 이를 해결하기 위해 고준위방사성폐기물 관련 특별법이 제21대 국회에 이어 제22대 국회에서도 제정을 추진하고 있다.
Fig. 1.
Saturation period of HLW waste storage facilities in nuclear power plant sites from KHNP (Ilbo, 2024)
국제원자력기구(IAEA)는 고준위방사성폐기물의 처분 방법으로 심층처분을 가장 검증된 방법으로 제안하고 있다. 고준위방사성폐기물의 심층처분을 위해서는 국내 지질환경에 적합한 처분시스템을 결정하는 것이 중요하며, 처분시스템 결정에 가장 기초적인 사항은 처분모암이다. 이는 처분모암에 따라 처분시스템이 결정되기 때문이다(KIGAM, 2021). 스웨덴은 결정질암을 처분모암으로 결정하고 다중방벽에 의존하는 KBS-3시스템을 개발하였으며, 스위스는 이암을 처분모암으로 결정하고 천연방벽에 의존하는 시스템을 개발하였다(Cheon et al., 2022a).
암종에 따라 지질학적 특성이 다르므로 심층처분을 위한 처분모암을 결정하기 위해서 국내에 분포하는 다양한 암종의 심부 특성에 관한 이해가 필요하다. 암종별 심부 특성 연구는 장기적이고 다학제적으로 수행되는 점을 고려해야하며, 이러한 측면에서 선진 외국의 경우 30년 이상의 시추기반 연구를 통해 처분가능 모암의 심부 특성에 관한 자료를 확보하고, 암종에 따른 처분 가능성에 대한 연구를 수행해왔다. 그러나 국내의 경우 처분모암을 결정하기 위한 기초 자료가 매우 부족한 상태일뿐 아니라 화강암에 집중되어 있었기에, 복잡한 지질환경을 갖는 우리나라 특성에 비추어 암종별 심부 특성 연구 수행의 필요성이 대두되었다. 이에 한국지질자원연구원은 2017년에 2019년 사이에 수행되었던 전국규모 지질환경 연구결과(KIGAM, 2019)를 토대로 2020년부터 2024년까지 750 m급 심부 시추를 통해 암종에 따른 심부 특성에 관한 연구를 수행하고 있다.
본 보고는 우리나라의 지체구조와 고준위방사성폐기물로서 세계적으로 고려된 처분 가능 암종에 대해 5년 동안 매년 2공씩 수행되었던 심부 시추에 기반하여 획득한 균열 특성 결과를 소개하고자 한다. 균열 특성 소개에 앞서 심부 시추 기반의 암종별 특성 연구의 초기 계획된 추진전략과 시추부지 확보 전략 등에 관해 소개하고, 수행된 시추공 정보와 시추부지 주변의 지질특성에 관해 간략하게 소개한다.
2. 심부 시추 연구 추진 방법
2.1 심부 시추 기반 암종의 심부 특성 정보 획득 방안
한국지질자원연구원(KIGAM) (2019)의 연구 결과에 따르면 화성암, 편마암, 퇴적암, 화산암의 분포 면적은 각각 30%, 30%, 25%, 6%를 차지하고 있다. 처분모암으로 고려되는 암종 중 암염을 제외하고 화강암, 편마암 등의 결정질암과 이암이나 셰일 등의 퇴적암, 응회암 등의 화산암이 모두 국내에 분포하고 있다. 세계적으로 처분모암으로 고려되고 있는 암종은 크게 화강암 등의 결정질암과 이암이기 때문에 5년 연구의 초반에 화강암과 이암에 관한 심부 시추를 먼저 계획하였다. Fig. 2는 암종별 심부 특성 정보를 획득하기 위해 연구 초반에 수립되었던 연구 추진 전략이다. 이후 결정질암 중 하나인 화강편마암을, 그리고 분포 면적이 작으나 다학제적인 특성 평가가 거의 없었던 화산암에 관한 연구가 진행되도록 하였으며, 마지막 연도인 2024년에는 추가적으로 연구가 필요한 암종에 관해 시추함으로써 처분 가능성이 높은 암종에 관한 정보를 보다 많이 획득하고자 하였다. 그러나 연구를 수행하는 도중 화강암과 퇴적암에 관한 추가적인 시추 필요성이 대두되어 당초 계획된 순서에서 화강암과 퇴적암을 먼저 시추하고 이후에 편마암과 화산암에 관한 시추가 수행되었다.
2.2 심부 시추 위치 및 시추 부지 확보 방안
소수의 시추로부터 전국 규모를 조사하는 것은 쉽지 않고, 이들 시추 위치나 암종이 대표성을 갖는지에 관해 논란의 여지가 있을 수 있다. 이를 고려하여 기존에 제시되었던 한반도의 4개 지체구조를 고려하고, 고준위방사성폐기물 처분장이 건설될 수 있는 충분한 부피의 암체를 포함할 수 있는지, 해당 지체구조에 4개 암종이 분포하는지 등에 관해 검토하여 Table 1 (Fig. 3 참조)와 같이 시추 지역을 선정하였다. Table 1에서 경기육괴에 속하는 강원도 고성과 옥천대에 속하는 대전, 영남육괴에 속하는 안동의 경우 본 연구가 시작되기 이전에 고준위방사성폐기물 관련 심부 시추가 수행되었던 지역이다.
Table 1.
Deep borehole location based on 4 tectonic regimes and 4 rock types
본 보고에서 수행된 심부 시추가 국내에 분포하는 암종의 심부 특성을 평가하기 위한 순수 연구 수단임에도 불구하고, 고준위방사성폐기물과 관련된 사업명 등으로 인해 오해의 소지가 발생할 수 있어 시추 위치의 선정과 부지 확보 방안에 주의하여 위치를 선정였다. 아래는 시추 부지를 확보하기 위해 고려하고 실행했던 전략이다(KIGAM, 2021).
• 첫 번째 확보 전략 : 대학부지, 전국 지질학과와 자원공학과가 있는 대학 협조 요청 및 활용
- 강원대, 경북대, 경상대, 전북대 등등 대학과의 협업
- 도시 내 대학부지 시추로 연구 목적의 오해 가능성 원천 차단 가능
• 두 번째 확보 전략 : 한국지질자원연구 부지 또는 타 출연기관 부지, 원자력 관련기관 부지 활용
- 원주 KSRS 등 지진센터 확보 부지, 해양연구원 등 25개 기관, 한국원자력환경공단 소유 부지
• 세 번째 확보 전략 : 군부대 내 - 고성군 등 접경 지역 활용
• 네 번째 확보 전략 : 광산이나 채석장 부지 등 주민 민원 해결이 상대적으로 용이할 것으로 예상되는 부지 활용
• 다섯 번째 확보 전략 : 시유지, 군유지, 폐교, IC - 주민 접촉이 적은 곳
시추 부지 확보를 위해 위 전략을 적용하였으나 실제로 성공하여 적용된 전략은 첫 번째 대학부지, 두 번째의 연구원 소유 부지, 다섯 번째의 시유지와 군유지였으며, 한 곳의 시추 부지는 주민 접촉이 적은 사유지를 이용하였다.
2.3 심부 시추공 정보
Table 2는 본 연구에서 수행된 심부 시추공에 관한 정보를 요약한 것이다. 고준위방사성폐기물 지층처분장이 약 500 m 심도에 건설될 것으로 예상되어, 예상 심도를 포함하고 향후 수치모델링을 위한 지구과학적 특성을 획득하기 위하여 지층처분장 심도의 2배인 1,000 m 심도의 시추를 수행하고자 하였으나 수행 기간, 비용 등의 제약으로 중간 심도인 750 m로 결정하였다. 최종 시추 심도가 각각 다른 이유는 750 m의 TVD (True Vertical Depth)를 목표로 시추를 진행하였으나, 암종이나 시추 위치의 지반 상태, 기후 등의 여러 원인에 의해 공곡의 차이가 발생하였기 때문이다. 제시된 심도는 시추된 길이를 측정하여 획득한 심도이다.
Table 2.
Summarized information of drilled deep boreholes
| Location |
Hole number | Rock type | Core bit |
Depth (GL.-m) | Year |
| Wonju | WBH-1 | Plutonic rock (granite) | PQ*(to approx. - 50 m), NQ after PQ | 757.3 | 2020 |
| Chuncheon | CBH-1 | Plutonic rock (granite) | NQ | 751.2 | 2020 |
| Jinju | JBH-1 | Sedimentary rock | HQ**(to approx. -250 m) NQ after HQ | 754.3 | 2021 |
| Daegu | DBH-1 | Sedimentary rock | HQ(to approx. -250 m) NQ after HQ | 750.9 | 2021 |
| Hongcheon | HBH-1 | Metamorphic rock (gneiss) | NQ | 761.1 | 2022 |
| Changwon | MBH-1 | Sedimentary rock | HQ(to approx. -50 m) NQ after HQ | 753.5 | 2022 |
| Yeongam | YBH-1 | Volcanic rock | HQ(to approx. -250 m) NQ after HQ | 756.2 | 2023 |
| Namwon | NBH-1 | Plutonic rock (granite) | HQ(to approx. -50 m) NQ after HQ | 754.3 | 2023 |
| Hadong | HDBH-1 | Metamorphic rock (gneiss) | HQ(to approx. -50 m) NQ after HQ | 753.1 | 2024 |
| Yeousu | YSBH-1 | Volcanic rock | HQ(to approx. -50 m) NQ after HQ | 751.5 | 2024 |
3. 연구 지역
3.1 화강암 지역
화강암 지역에서의 시추는 2020년 강원도 원주시 태장동 일원(WBH-1)과 강원도 춘천시 효자동의 강원대학교 춘천 캠퍼스(CBH-1)에서 수행되었다. 이후 2023년에 전라북도 남원 일원에서 NBH-1이 시추되었다. 화강암 시추 지역은 각각 옥천대, 경기육괴, 영남육괴에 속한다. 경상분지에도 화강암이 존재하나, 경상분지에는 주요 단층이 발달하여 있으며, 화강암의 분포 면적도 넓지 않아 조사 대상에서 제외하였다(Fig. 4(left)).
원주 화강암 연구 지역은 중생대 쥐라기 각섬석-흑운모 화강암이 주로 분포하고 있으며, 암반 조직이 매우 치밀하고 경암 이상의 강도를 갖는 중립질 또는 조립질의 균질한 암상을 보인다. Fig. 5(left)는 연구 지역 주변의 선형구조(선)(lineament, 지표상에서 단층, 파쇄대, 지질경계등과 같은 대규모 지질구조적 특성들이 반영되어 뚜렷한 직선 혹은 완곡의 형태로 나타나는 것)으로 북서-남동, 북동-남서, 북북동-남남서 등 다양한 방향으로 선형구조가 발달하여 있으나, 시추 위치는 선형구조에 교차하거나 중첩되어 있지 않다(KIGAM, 2021, Cheon et al., 2022b, Cheon et al., 2024a, Lee et al., 2024). Fig. 5에서 Fig. 8의 그림에서 표시된 별표와 영문은 시추 위치와 시추공 번호를 의미한다.
Fig. 4.
Distribution of igneous rocks (left), metamorphic rocks (center), sedimentary rock (right) and location of drilled deep boreholes in this study (modified from Bae et al.(2021) and Choi(2011))
Fig. 5.
Lineaments of granite research areas (left: Wonju, center: Chuncheon, right: Namwon) (KIGAM, 2021)
춘천 화강암 연구 지역은 선캠브리아기 흑운모 편마암으로 구성되어 있으며, 규암과 대리암이 피복한 상태에서 관입한 중생대 쥐라기 화강암들이 분포하고 있다. 춘천 화강암은 등립질 조직을 보이며 일부 장석 반정을 포함하고 있는 것으로 나타났다. 선형구조는 북북동-남남서, 북북서-남남동 방향이 우세하게 발달하고 있다(Fig. 5(center), KIGAM, 2021, Cheon et al., 2022b).
남원 화강암 연구 지역은 남원화강암으로 불리는 중생대 쥐라기 대보화강암으로 선캠브리아기 변성암류를 관입하여 저반에 분포한다(Kim and Lee, 1984). 남원 화강암은 장방형 내지 정방향의 장석 반정을 갖는 반상화강암과 백운모와 흑운모를 동시에 함유한 복운모 화강암, 흑운모만 갖는 흑운모 화강암으로 구분된다. 알칼리 장석의 함량이 높아 강도가 높을 것으로 판단되었다. 선형구조는 북북동-남남서, 북동-남서 방향과 북북서-남남동이 주변에 발달하여 있으나 시추 위치에 교차되는 선형구조는 없다(Fig. 5(right)).
3.2 퇴적암 지역
퇴적암 지역에서의 시추는 2021년에 경상남도 진주시 가좌동의 경상대학교 진주캠퍼스(JBH-1)와 대구광역시 북구 산격동의 경북대학교(DBH-1)에서 수행되었다. 이후 2022년에 경상남도 창원시 마산합포구 삼진체육관 일원의 MBH-1을 시추하였다. 퇴적암 시추 지역은 모두 경상분지 내에 위치해 있다. 퇴적암은 옥천대에도 존재하고 있으나 균질하고 넓은 분포 면적을 가져야 하는 조건에 부합하지 않아 조사 대상에서 제외하였다.
진주 퇴적암 연구 지역은 중생대 백악기 퇴적암인 진주층으로 흑색 또는 암회색의 이암과 셰일, 회색 사암이 혼재 되어 분포한다. 이암은 주로 괴상으로 관찰되고 엽층리가 발달되어 있다. Fig. 6(left)는 연구 지역 주변의 선형구조선을 나타내고 있는데, 주로 남-북, 동-서 방향에서 우세하게 발달하고 있으며, 북서-남동 방향의 이차적인 선형구조를 보여주고 있다(KIGAM, 2021, KIGAM, 2022, Lee et al., 2024).
Fig. 6.
Lineaments of sedimentary rocks research areas (left: Jinju, center: Daegu, right: Changwon) (KIGAM, 2021, KIGAM, 2022, Lee et al., 2024)
대구 퇴적암 연구 지역은 중생대 백악기 퇴적암으로 경상분지 하양층군 최상부 지층에 해당하는 대구층이다. 주로 자색 이암으로 구성되어 있으며 사암, 역질 사암, 역암이 협재되어 있다. Fig. 6(center)와 같이 연구 지역 주변의 선형구조선은 북동동-남서서, 남-북 방향이 우세하게 나타나고 있으며, 북북동-남남서 방향이 두 번째로 우세하게 나타나고 있다(KIGAM, 2021, KIGAM, 2022).
창원 퇴적암 연구 지역은 중생대 백악기 퇴적암인 진동층으로 흑색 또는 암회색의 이암, 셰일이 주를 이루며, 일부 회색 사암이 협재되어 있다. 선형구조선(Fig. 6(right))은 북서서-남동동 방향이 가장 우세하게 나타나고 있으며, 남-북, 북동-남서 방향 등 다양한 선형구조들이 주변에 존재한다(KIGAM, 2021, KIGAM, 2022, Lee et al., 2024).
3.3 편마암 지역
편마암 지역에서의 시추 위치는 2022년에 강원도 홍천시 북방면의 강원대학교 학술림 부지(HBH-1)와 2024년에 시추가 수행된 경상남도 하동군 적량농공단지 일원의 HDBH-1이 있다. 편마암은 경기육괴와 영남육괴에 주로 분포하고 있어 기존 시추가 이루어진 영남육괴의 안동지역을 고려하여 경기육괴에 속하는 홍천지역을 우선 연구 위치로 선정한 후 추가로 영남육괴의 하동군을 후보지로 선정하였다.
홍천 편마암 연구 지역은 의암층군의 규암부 하부로 규암에서 멀지 않은 용두리편마암복합체에 위치하고 있어, 호상편마암과 흑운모편마암, 석류편마암 등의 편마암류로 구성되어 있다. 연구 지역 주변의 선형구조로 북북서-남남동, 북북동-남남서 방향의 선형이 우세하게 발달하고 있으며, 이는 시추 위치 근처의 계곡 이외 주변에도 발달하여 있다. 또한 북동-남서 및 북동동-남서서 방향의 선형구조도 발달하여 있다(Fig. 7(left)).
Fig. 7.
Lineaments of gneiss research areas (left: Hongcheon, right: Hadong) (KIGAM, 2021, KIGAM, 2022, Lee et al., 2024)
하동 편마암 연구 지역은 지리산변성복합체 내에 위치하고 있으며, 대표적 기반암은 반상변정질편마암과 화강암질편마암이다. 반상변정질편망암의 가장 큰 특징은 자형의 장석 변정을 갖고 있다는 점이다. 화강암질편마암은 약하게 흑운모를 포함한 광물들이 엽리조직을 따라 배열하고 있고, 중립질 내지 조립질의 광물 입자를 가지고 있다. 선형구조는 남-북 방향이 지배적으로 나타나고 있다(Fig. 7(right)(KIGAM, 2022, Lee et al., 2024).
3.4 화산암 지역
Lee(2019)에 따르면 국내 화산암 지역은 한반도 동남부 경상남북도 일대와 전라남도 남부 일대에 분포하며 경상누층군의 유천층군이 속하며, 신생대 제3기에 포항분지 및 장기분지 등의 퇴적분지 내 퇴적암이 형성되면서 응회암과 화산암들이 함께 공존한다고 한다. 제4기 화산활동에 의해 생성된 대표적인 화산암 지역은 백두산, 제주도, 울릉도와 독도 , 경기도 연천군의 한탄강 일대이다. 화산암 지역에서의 시추는 2023년 전라남도 영암군 대불종합체육공원 일원(YBH-1)과 2024년 전라남도 여수시 소라면 일원(YSBH-1)에서 수행되었다. 화산암은 국내 면적의 6%를 차지하고 타 암종에 비해 상대적으로 국부적인 영역에 분포하고 있다.
영암 화산암 연구 지역은 유문암과 응회암들이 혼재되어 분포하고 있으며, 유달산응회암은 화산력응회암, 응회암 및 응회각력암으로 구성되어 있으며, 괴상의 형태를 보인다. 남악응회암 역시 화산력응회암, 응회암 및 응회각력암으로 구성되어 있으나 유달산응회암에 비해 밝은 색을 띤다. 선형구조(Fig. 8(left))는 다양한 방향으로 발달하고 있으나, 선형 구조선의 빈도나 연장이 작은 편에 속한다(Lee et al., 2023, Lee et al., 2024).
Fig. 8.
Lineaments of volcanic research areas (left: Yeongam, right: Yeosu) (KIGAM, 2022, Lee et al., 2024)
여수 화산암 연구 지역은 유문암과 유문암질 응회암류가 분포하는 지역으로, 괴상의 유문암과 일부 응회각력암을 포획체로 가지고 있다. 또한 용결 조직을 보이는 용결응회암이 산출되고 있다. 선형구조(Fig. 8(right))는 북동동-남서서 방향으로 시추 위치 하부에 존재하며, 먼 주변에 남-북 또는 북북동-남남서의 구조가 발달하여 있다.
4. 암종별 심도별 균열 특성
시추 수행 후 회수 코어의 로깅 자료로부터 코어회수율(TCR, Total Core Recovery), 암질지수(RQD, Rock Quality Designation) 그리고 절리 빈도(또는 개수)를 산정하였으며, 공내 영상 촬영(OPTV, Optical Televiewer)이나 공내 초음파 촬영(ATV, Acoustic Televiewer)으로부터 추출한 절리의 방향 정보에 관해 암종에 따라 서술하면 다음과 같다.
4.1 화강암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
원주 화강암 연구 지역에서 시추는 전 구간의 TCR이 100%였으며, RQD는 10에서 100%의 값을 보였다(Fig. 9). 전체적으로 평균 91이상의 높은 RQD가 나타났으나, 시추 초기 풍화 및 연암 구간과 단층대가 있는 것으로 파악된 구간 489.1~497.7 m구간은 주변에 비해 낮은 약 35의 RQD 값을 보였다. RQD는 알려진 바와 같이 절리 빈도와 반대의 경향을 보였다. 공내 초음파 촬영에서 획득한 총 절리는 576개로 조사되었다. 절리군 클러스터링을 한 결과, 총 2개의 절리군이 관찰되었으며, 각각 68/171과 35/042의 경사/경사방향을 보여, 고각(60∼90°)와 중각(30 ∼60°)의 절리가 우세하게 나타남을 알 수 있다(Fig. 10, Cheon et al., 2024b).
Fig. 10.
Joint distribution and clustering in Wonju (left), Chuncheon (center) and Namwon (right) (Cheon et al., 2024b)
춘천 화강암 연구 지역에서 시추 역시 전 구간의 TCR이 100%였다. RQD는 0에서 100까지의 변화와 함께 평균 약 84의 값을 보여 원주에 비해 상대적으로 변동이 컸으며, 300 m 부근에서는 RQD가 0의 값을 보이기도 하였다(Fig. 11). 이 구간은 저각 (0∼30°) 및 고각의 절리가 중첩되어 소규모 파쇄가 있었으며, 절리면을 따라 차별 풍화가 진행되기도 하였다(Fig. 12). 춘천 화강암 지역은 4개의 절리군이 관찰되었으며, 9/260, 61/305, 78/8, 76/77의 경사/경사각을 가져 하나의 저각의 절리군과 3개의 고각의 절리군으로 구성되어 있음을 알 수 있다(Fig. 10(center)).
Fig. 11.
TCR, RQD and joint frequency from core logging in Chucheon (KIGAM, 2021, Cheon et al., 2024b)
남원 화강암 연구 지역에서 시추는 TCR이 11∼100%의 분포를 보였으며, 전체 평균 98.9%였다. RQD 역시 0∼100%의 분포를 보이며 평균 90.9%로 확인되었다. 절리 빈도는 450∼500 m 구간에서 가장 높은 절리 빈도를 보였는데, 이 구간은 알칼리 장석 화강암이 흑운모화강암을 관입한 구간으로 일부 코어 손실과 파쇄대 구간이 존재한 구간이었다(Fig. 13). 코어 로깅에서 관찰한 절리는 총 1,636개로 조사되었으며, 남원 지역에서의 대표적인 절리군은 4개였다. 각각 경사/경사방향은 39/219, 78/332, 74/014, 77/141로서 3개의 고각(60∼90°) 절리군과 하나의 중각(30∼60°)의 절리군이 우세하게 나타남을 알 수 있다(Fig. 10(right)).
4.2 퇴적암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
진주 퇴적암 연구 지역의 시추에서 TCR은 거의 대부분의 구간이 100%이며 RQD는 100~200 m 심도와 단층대가 출현한 680~700 m 심도에서 부분적으로 18~37% 범위를 보였다. 절리 빈도는 250 m에서 650 m까지 낮은 값을 보이다가 이후 다시 증가한 양상을 보였다(Fig. 14). 코어 로깅에서 산정한 총 절리는 2,051개로 조사됐지만 초음파 공내 영상 촬영(ATV)에서 획득한 절리의 수는 451개로 산정되었다. 절리는 층리를 따라 발생하는 경향을 보여 9/180의 값을 보였다(Fig. 15(left)).
Fig. 15.
Joint distribution and clustering in Jinju (left) and Changwon (right) (Cheon et al., 2024b)
대구 퇴적암 연구 지역에서 TCR은 대부분의 구간이 80~100%이며 RQD는 2.3~50 m, 300~350 m 심도와 단층대가 출현한 390~400 m 심도에서 부분적으로 낮은 RQD 범위를 보였다. 코어 로깅에서 파악한 절리는 총 3,503개였다(Fig. 16).절리의 풍화정도는 대부분 신선한 상태이고, 파쇄정도는 심한 균열~괴상까지 다양하게 분포하고 있었다. 고해상도 시추공 영상촬영(OPTV)은 시추공의 붕괴로 인해 390.1 m까지 자료가 취득되었고, 확인된 절리의 총 개수는 837개였다. 취득된 구간 중 전체 절리의 70% 이상인 200 m이하 구간에서 100 m 구간마다 절리면을 분석한 결과, 경사가 2∼21°를 가지며 경사방향은 52, 124, 236° 등 다양하게 분포하는 절리군과 67° 경사와 266° 경사방향을 갖는 고각의 절리가 분포하고 있었다(Fig. 17).
창원 퇴적암 연구 지역의 TCR은 47~100%의 분포를 보이고 있으며, 전체 평균은 99.2%로 확인되었다. RQD는 0~100%의 분포를 보이며, 평균 90.1%로 확인되었다. RQD는 340 m에서 550 m 구간에 낮은 값을 나타내는 구간이 빈번함을 볼 수 있으며, 이 구간은 단층대 및 파쇄대 등이 분포하는 구간이다. RQD가 낮은 구간은 단층대, 파쇄대 구간이 대부분이며, 342 m부근에서는 암맥에 의해 낮아진 경우도 있었다(Fig. 18). 절리면의 풍화정도는 대부분 신선한 상태이고, 파쇄정도는 심한 균열~괴상까지 다양하게 분포하였다. 코어 로깅에서 획득한 절리는 총 1,891개이며, 650 m 이후에서는 절리는 거의 없었다. 절리군 분석에서 28/48, 27/117, 9/169, 76/303, 10/347과 같이 5개의 절리군이 파악되었으며, 층리 경사와 유사한 2개의 절리군을 포함한 4개의 절리군이 저각을 나타내고 있으며, 하나만 고각의 절리군을 형성하였다(Fig. 15(right)).
4.3 편마암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
홍천 편마암 연구 지역의 시추에서 TCR은 25~100%의 범위를 보이며 평균 97.2%로 코어가 회수되었으며 RQD는 0~100%로 평균 70.3%로 확인되었다(Fig. 19). RQD가 낮은 구간은 편마암 내에 발달하는 엽리와 단층대, 절리가 우세하게 발달된 구간 등의 지질구조에 의한 것으로 분석되었다. 풍화정도는 대부분 신선한 상태이고, 파쇄정도는 심한균열~괴상까지 다양하게 분포하였다. 특히, 홍천 편마암 시추공에서는 여러 개의 단층이 분포하는 것으로 확인되었다. 코어 로깅에서 획득한 절리의 총개수는 3,813개 였다. 시추공 영상촬영은 굴진 완료 후 공막힘으로 인해 182m 심도까지 측정하였고 이를 토대로 절리와 엽리의 방향성 및 분포 특성을 분석한 결과 2개의 절리군이 우세하였다. 절리군의 경사/경사방향은 58/80, 56/241이었으며, 엽리의 각도와 유사하였다(Fig. 20(left)).
하동 편마암 연구 지역에서 TCR은 10~100%의 분포를 보이고 있으며, 전체 평균은 96.6%로 확인되었다. RQD는 0~100%의 분포를 보이며, 평균 71.8%로 확인되었다. 암질지수가 50% 이하의 낮은 분포를 보이는 구간은 심도 30.1~100 m, 500~650 m 구간으로 확인되었다(Fig. 21). 심도 30.1~100 m 구간은 풍화도에 의한 암질지수 저하로 확인되며, 500~650 m 구간은 흑운모 편마암과 녹니석 편암이 주로 분포하는 구간으로 단층 및 전단대 분포, 이에 따른 코어회수율 저하 등에 의한 것으로 판단되었다. 이와 함께 절리 빈도 또한 유사 구간에서 상대적으로 높은 빈도를 보였다. HDBH-1 시추공에서는 여러 조의 단층대가 분포하고 있는데, 대부분이 심도 500~650 m 구간에 밀집되어 있다. 단층대 및 파쇄대의 경우, 암질지수 저하 구간과 유사한 심도에 분포하고 있으며, 대부분이 흑운모 편마암과 녹니석 편암 구간에 발달하고 있다. 이러한 단층은 단층각력암, 단층 점토로 분포하고 있으며, 코어 손실(core loss)을 유발하여 코어회수율에 영향을 준다. 녹니석 편암은 연성 전단대에 해당하는 것으로 판단되며, 이러한 연성 전단대는 산발적으로 단층대와 함께 분포하였다. HDBH-1의 절리 분석결과, 주된 절리는 경사 26°, 경사방향 335°로 분석되었으나, 모든 방향으로 고르게 절리가 분포하는 것으로 확인되었다. 이는 지표지질조사에서 확인된 엽리의 경사/경사방향과 유사한 방향의 분포를 보이고 있다. 두 번째 절리군은 23/229의 값을 보였다.
4.4 화산암 시추공에서 획득한 코어 및 균열 정보
영암 화산암 연구 지역에서 TCR은 15~100%의 분포를 보이고 있으며, 전체 평균은 98.3%로 확인되었다. RQD는 0~100%의 분포를 보이며, 평균 86.3%로 확인되었다. Fig. 22에서와 같이 암질지수는 천부부터 심도 100 m 구간에서 40 이하의 낮은 값을 나타내는 구간이 발달하는 것을 볼 수 있으며, 이는 유문암이 발달하는 구간으로 하부에 분포하는 응회암보다 상대적으로 낮은 강도 및 풍화정도에 의한 것으로 분석되었다. 이와 마찬가지로 절리 빈도 또한 심도 100 m 이후로는 일부 구간을 제외하고는 대부분이 m당 5개 이하로 낮아지는 경향을 보였다. 코어 로깅에서 획득한 절리는 총 2,293개였다. YBH-1의 절리 분석결과, 주요 절리의 경사/경사방향은 22/233으로 분석되었으며, 이는 지표지질조사 결과의 유문암의 유동 구조와 응회암의 층리의 방향과 유사하였다(Fig. 23(left)). YBH-1의 절리는 대부분 20~30도 내외로 분포하는 화산암 층리에 의한 것으로 분석된다.
여수 화산암 연구 지역의 TCR은 38~100%의 분포를 보이고 있으며, 전체 평균은 98.7%로 확인되었다. RQD는 0~100%의 분포를 보이며, 평균 76.4%로 확인되었다. 가장 낮은 회수율과 암질지수는 심도 700~751.5 m에 분포하고 있다(Fig. 24). 암질지수는 일부 구간을 제외하고는 평균 76.4%로 높은 암질지수로 분포하고 있다. 심도 700 m 이후에는 절리 빈도가 증가하여 암질지수가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이 심도는 화산암류인 라필리 응회암, 관입암류인 장석반암, 안산암질 반암, 퇴적암류인 이암, 사암 등이 교호하며 분포하였다. 잦은 암종 변화로 인해 절리의 빈도가 높아진 것으로 분석되며, 특히 관입암류 분포 구간에서 파쇄대를 수반하여 회수율 또한 낮아지는 경향을 보였다. YSBH-1 시추공에서 확인된 절리면의 개수는 총 431개로 확인되며 절리를 분석한 결과, 주요 절리는 경사각 63°/ 경사방향 191°로 분석되었으며, 주요 절리와 함께 발달하는 절리는 대부분 63~73도로 비교적 고각 절리로 분포한다. 두 번째와 세 번째 절리군의 경사각/경사방향은 각각 73/098, 66/122이었다(Fig. 23(right)).
5. 토의 및 맺음말
연구 지역에서 시추 위치는 선형구조와 교차하지 않은 구간을 선정하였음에도 목표 심도 750 m까지 시추하는 동안 여러 종류의 단층대 또는 파쇄대를 만나게 되었다. 단층대와 파쇄대 구간에서는 이미 알려진 바와 같이 TCR 및 RQD 값이 낮게 나오며 절리 빈도가 증가하는 경향을 보였다.
코어 로깅에서 파악한 절리의 총개수와 공내 영상 촬영(OTV 또는 ATV)을 통한 물리검층에서 획득한 절리의 총개수에서 차이가 발생하였으며, 일반적으로 코어 로깅에서 파악한 절리의 개수가 많았다. 시추 후 코어를 회수하는 경우 암반 내에서 떨어져 있지 않았던 절리 등이 주변의 응력이 해방되면서 또는 건조되면서 분리되어 코어에서 절리의 개수가 많았던 것으로 여겨진다. 공내 영상 촬영의 경우, 영상 해상도와 자동 추출 또는 수동 추출 방식에 따라 차이가 발생할 수 있으나 절리의 경사방향을 확인할 수 있는 장점이 있다. 획득된 절리의 정보가 많은 경우 대표 절리군이나 경향에는 큰 차이가 없을 것으로 생각된다.
Table 3은 암종별 주요 절리에 관한 정보를 요약한 것이다. 화강암의 경우 고각의 절리군이 우세하게 나타났으며, 이는 일반적으로 천부에서 보이는 판상절리(sheeting joint)와 심부에서 보이는 고각의 절리 발달과 유사한 경향을 보였다. 퇴적암의 경우 대부분 저각의 절리가 우세하며 이는 퇴적암에 형성된 층리와 관련이 있는 것으로 판단된다. 편마암의 경우는 중각 또는 저각의 절리가 우세하게 나타났으며, 이들 역시 연구 지역 편마암의 엽리와 유사한 경사를 갖는다. 편마암에서 절리 빈도는 전 구간에 걸쳐 높게 조사되었는데, 이는 편마암에서 변성 등의 작용으로 인해 단층대 또는 파쇄대가 상대적으로 많이 존재하였기 때문으로 여겨진다. 화산암의 경우 유동 구조나 층리에 평행하게 발생하는 저각의 절리가 우세한 지역도 있으나, 반면에 고각의 절리가 발생한 지역도 있었다.
Table 3.
Dip/dip direction with rock types
심부 시추 전에 주변 노두에서 수행한 지질조사의 균열 정보와 심부 시추공에서 획득한 균열 정보는 암종이나 상황에 따라 다르게 발생할 수 있다. Table 3의 비고에서 언급한 바와 같이 편마암에서 엽리나 퇴적암에서 층리 등과 유사하게 발생하는 경우도 있으나, 화강암 같은 경우에는 천부와 심부에서 발생하는 절리 패턴의 차이로 지표 노두 조사로 심부의 주요 절리를 파악하는 데 어려움이 있을 수 있다.
예로 남원 화강암 연구 지역의 시추 위치를 중심으로 그 주위 노두에 발달한 절리의 경사/경사방향은 86/348, 82/281, 80/243, 38/094과 같다. 1개 중각과 3개의 고각 절리는 유사하나 경사방향 등에서 많은 차이가 발생하고 있음을 알 수 있다(Fig. 25).
다른 예로 여수 화산암 연구 지역의 노두 조사 결과, 유문암에 발달하는 유동구조(flow structure)의 경사는 10도에서 50까지 다양하게 발달하며, 경사방향 역시 다양한 방향을 보였다. 노두에서 관찰된 절리의 경사는 85도 이상 고각과 50도 미만의 저각인 반면, 심부 시추공에서 획득한 절리 정보는 3개의 고각 절리가 분포하였으며, 노두에서 보인 유동 구조와도 차이가 있었다(Fig. 26).
앞에서 언급한 바와 같이 화강암 3공, 퇴적암 3공, 편마암 2공, 화산암 2공에 대한 750 m급 심부 시추를 통해 획득한 코어로부터 절리의 특성을 조사, 분석하였다. 절리의 특성은 암종에 따라 각각 다르며, 노두에서 조사된 지표 지질조사나 선형구조 정보가 심부의 정보와 일치하지 않는 경우가 다수 발생함을 알 수 있어, 고준위방사성폐기물 처분시설과 같이 심부에 위치하는 경우에는 반드시 시추공을 활용한 조사가 수행되어야 함을 다시 확인할 수 있었다.
