1. 서 론
지하 심부를 대상으로 하는 여러 지하연구사업들 중에서 심부 지열 에너지 저장 및 개발의 경우, 주로 수백에서 킬로미터 단위 이하 심도의 암반대수층 내부로 물을 주입하거나 추출하게 된다. 이 때 열에너지를 포함한 지하수인 열수의 분포 및 이동 양상에 관한 특성 분석이 중요한데, 심부 암반대수층 특성상 모암 자체의 공극률은 매우 낮아 불투수성에 가깝기 때문에 대부분의 지하수 흐름이 일부 투수성 암반균열(절리)을 따라 발생하게 된다. 그러므로 지하에너지 저장개발 관련 연구사업에서 부존량과 경제성 등을 평가하고 산정하는데 있어, 심부 암반 시추공에서 지하수가 잘 유동할 수 있는 주요 통로인 투수성 암반균열의 위치와 수리특성, 그리고 균열 사이와 시추공 내부를 통한 지하수 유동 양상에 대한 종합적인 이해가 매우 중요하다(Limberger et al., 2018). 방사성폐기물 지하 처분의 경우에도 부지 선정과 처분 시설의 설계 및 운영 시 안정성 평가를 위한 가장 중요한 요건인 방사성 핵종의 이동을 지배하는 지하수 유동은 바로 암반대수층 내부에 존재하는 투수성 암반균열들에 의해 발생한다(Lee et al., 2023).
이러한 투수성 암반균열의 위치를 확인하고, 균열들이 가지는 수리적 특성과 나아가 균열들 사이의 지하수 유동으로 인한 시추공 내 수직적 흐름 양상들을 파악하기 위해 오래전부터 지온경사 분석 연구가 전 세계적으로 수행되어 왔다(Drogue, 1985, Pathak, 2003, Jirakova et al., 2011, Vidal et al., 2017, Kvalsvik et al., 2022). 지하 심부로 갈수록 지구 내부의 열로 인해 온도가 서서히 증가하게 되는데, 이 지구 내부 열원은 맨틀과 상부지각에 존재하는 붕괴 주기(반감기)가 긴 방사능 동위원소인 K (potassium), U (uranium) 및 Th (thorium) 등이 붕괴하는 기작에 의해 발생되어 지표로 방출되는 붕괴열로 알려져 있다(Urey, 1955, Van Schmus, 1995, Ruedas, 2017). 이러한 지구 내부의 열로 인하여 발생하는 심도에 따른 온도 증가율을 지온경사라고 표현한다. 이 같은 지온경사는 일정한 경향성을 유지하다가 특정 심도에서 지하수의 유입 및 유출에 따라 급격히 증감하게 되는데, 이러한 이상변위(anomaly)를 감지해 지하수가 유동하는 투수성 암반균열의 존재를 파악하는데 활용된다. 또한 시추공 내 수직적인 이상 흐름이 있을 경우에도 지온경사 값이 매우 불규칙하게 변화하는 현상을 통해 이를 파악할 수 있다. 이처럼 지온경사 분석은 투수성 암반균열을 특성화하는데 주로 이용되며, 방사성폐기물 처분 분야에서 처분 심도에서의 온도 분포와 열적 안정성을 평가하는데도 활용된다(Kim et al., 2020).
국내에서는 일부 지하수 기초조사 사업이나 온천개발 관련 조사 프로젝트 등에서 온도검층이나 수리시험을 통해 파쇄 균열암반의 단열분포와 지하수 흐름에 관해 연구를 수행해 왔다(Hamm et al., 2006, Lee and Moon, 2008, Park and Chung, 2016). 그러나 기존 수행된 연구들에서는 심도가 100 m 이내의 몇몇 천부 시추공을 대상으로 주로 현장시험이 수행되었기 때문에, 고심도 암반 내 균열특성을 평가하기에는 어려움이 있었다. 또한 투수성 암반균열들이 가지는 복합적인 수리특성과 균열들 사이의 지하수 유동 및 시추공 내 수리적 흐름 양상 변화를 지온경사와 연계하여 분석한 연구는 국내에서 수행 사례가 매우 부족한 상태이다.
본 논문에서는 국내 화강암 및 화산암류 지역에 위치한 심부 시추공들에서 지온경사와 양수시험 자료분석을 통해 심부 암반대수층 내 투수성 암반균열의 수리특성을 평가하였다. 먼저 온도검층을 통해 각 시추공의 심부 지온 분포를 획득하고, 심도별 온도자료를 활용한 선형회귀분석을 통해 지온경사를 도출하였다. 또한 양수시험을 통해 심부 용출온도를 획득하고, 균열암반에 대한 수리특성을 분석하였다. 기본적인 수리상수인 투수량계수를 산출하였고, 수위강하 자료를 이용하여 균열이 포함된 암반대수층의 우물손실지수 및 유동차원을 도출해 시추공 주변 균열암반의 지하수 흐름특성을 분석하였다. 최종적으로 이러한 물리검층과 수리시험 자료를 통합 분석함으로써 투수성 암반균열의 잠재적 위치와 수리특성, 그리고 시추공 내부 지하수 흐름 양상을 평가하였다.
2. 연구 지역
본 연구가 수행된 위치는 부산 지역 일원의 시험공들로써 화강암과 화산암 지역에 널리 분포되어 있다(Fig. 1). 지질도에 나타난 붉은색 지역이 불국사 화강암류와 마산암류이고, 보라색 지역이 화산암류, 일부 녹색 지역이 퇴적암류이다(Fig. 1(a)). 불국사 화강암류는 흑운모 화강암, 각섬석 화강암, 화강섬록암 등으로 구성되어 있고, 마산암류는 규장암, 미문상화강암, 아다멜라이트 등으로 구성되어 있다. 화산암류는 유문반암과 암산암질로 이루어져 있으며, 북동 혹은 북북동 방향으로 분포하는 불국사 화강암류와 유사한 방향으로 분포한다. 이 지역은 화강암류가 백악기 화산암류에 둘러싸여 분포하기도 하며, 전체적으로 두 암종이 주암종으로써 혼재되어 관찰된다. 부산 지역 동북쪽에 소수 분포하는 퇴적암류는 이천리층으로 주로 흑색 내지는 암회색의 셰일로 구성되어 있고 안산암류 및 유문암류에 의해 관입된 산출상태를 나타내며, 대부분 혼펠스화 되어 있다.
연구 수행 지역의 지형은 크게 동부구릉성지대와 서부평야지대로 구분할 수 있다(Fig. 1(b)). 동부구릉성지대는 대부분 해발 300~700 m의 구릉으로 부산항을 병풍처럼 감싸고 있으며, 해안은 리아스식 해안으로 해안선이 복잡하며 해안 평야가 발달하여 있지 않다. 김해에서 부산으로 편입된 김해평야는 낙동강 하구에 발달한 삼각주로 오랫동안 낙동강 상류에서 운반되어 퇴적된 평균 60 m 이상의 충적층으로 구성되어 있다. 낙동강 하천의 흐름과 해수 연안류에 의해 사주가 넓게 해안선에 평행한 방향을 따라 발달하고 있다.
온도검층과 양수시험이 수행된 현장 시추공들은 심도 210~791 m의 범위를 보였으며, 직경은 20 cm로 설치되었다. 시추공마다 케이싱의 깊이는 상이했으며, 150~250 m 범위를 나타냈다. 지하수위는 5~110 m로 큰 편차를 보이는데, 여러 연구 시추공에서 50 m 이하의 낮은 지하수위 값을 나타내고 있다. 이러한 수치는 일반적인 암반대수층 내 심부 시추공에서 보이는 지하수위보다 훨씬 낮은 값으로써, 이 일대에 온천지구가 존재하고 이로 인해 주변에서 지속적인 양수가 진행되어 수위하강이 발생하기 때문에 지하수의 수두가 낮은 곳에 형성되어 있는 것으로 판단된다.
3. 심부 암반시추공 내 지온분포
특수한 지열이나 온천의 흔적이 지표에 나타나지 않는 일반적인 지역에서도 지하 온도는 심도에 따라 증가한다. 이는 지하 심부에 열원이 있기 때문에 일어나는 현상이며, 이 열원으로부터 지표로 향한 열의 흐름은 계속하여 발생하게 된다. 이 열원은 지구 내부 맨틀과 상부지각에 존재하는 긴 반감기의 동위원소인 K, U 및 Th 등의 붕괴열로 인해 발생한다(Urey, 1955, Van Schmus, 1995, Ruedas, 2017). 지하 온도 분포를 파악하기 위해서는 시추공 내에서 온도를 측정하게 되는데, 각 심도에 따른 온도의 분포를 측정하는 물리검층 방법을 온도검층이라 한다. 이 온도검층을 통해 심도에 따른 지온의 분포를 알 수 있으며, 시추공 내 온도 변화를 분석하여 지온 이상변위대를 밝힐 수 있다. 또한 심도에 따른 온도의 증가율을 계산함으로써 더 깊은 곳의 온도를 합리적인 범위 안에서 추정할 수 있다. 이 증가율을 지하증온율 또는 지온경사라고 하는데, 보통 1 km 혹은 100 m 구간의 온도차로 표시한다. 현재까지의 자료에 의하면 우리나라의 평균 지온경사는 29.34°C/km 로 추정되며(Kim et al., 2002), 고온의 온천지대에서는 30~50°C/km의 높은 값을 보이기도 한다.
일반적으로 공내에서의 온도 측정은 시추공 내 물인 자연 지하수의 온도를 측정하는 것이므로, 암석과 물의 온도가 평형을 이룬 상태에서 검층을 실시하여야 한다. 이러한 조건을 충족시키기 위해서는 원칙적으로 상당한 시간 동안 시추공 내 안정 상태를 유지해야 한다. 온도검층은 지하의 온도 분포를 파악하는 것 외에도 시추공 내 지하수의 흐름 해석에도 이용될 수 있다.
연구 지역의 지온분포를 알아보기 위하여 각 심부 시추공들에서 측정한 온도검층 자료를 이용해 지온경사를 산출하였다. 온도검층 자료는 시추공주변의 지온을 반영하여 지하 심도에 따른 온도 변화를 잘 나타내는데, 간혹 지하 심부에서 지하수의 불규칙적인 유동으로 인하여 지하 온도가 교란되어 나타나는 경우가 있다.
Fig. 2는 부산 부곡 지역의 심부 시추공에서 기록된 심도별 지온분포도를 나타낸다. 일반적으로 지온 그래프는 Fig. 2(a)와 같이 x축이 온도, y축이 심도로 표기된다. 그러나 Fig. 2(b)에 나타난 것처럼, 본 논문에서는 온도에 따른 심도 관계를 분석함에 있어서, 심도를 독립변수로 온도를 종속변수로 하는 선형회귀분석을 활용하였고, 심도가 깊어짐에 따라 지온경사(그래프상 기울기 값) 및 지표 용출온도(y축 절편 값)를 추정하였다. 이 과정에서 통상적인 지온분포 그래프는 x축과 y축이 바뀐 Fig. 2(b)와 같은 그래프 형태로 표현된다. 본 논문에서 사용된 모든 지온 그래프는 Fig. 2(b)와 같이 x축이 심도, y축이 온도인 형태로 표기되었다.
해당 시추공의 온도검층은 지표에서 지하 심도 791 m까지 수행되었으며, 시추공 내에서 지하수의 유동이 거의 없어 심도별 온도증가율이 큰 변화 없이 일정하게 나타나고 있다. 물론 그래프를 자세히 살펴보면 지온 분포가 지온경사 직선을 벗어나 변화하는 부분에서 지하수의 유출입이 발생할 가능성이 있으나, 전체적으로는 시추공 내부의 흐름이나 수직적인 혼합이 강하지는 않은 것으로 판단할 수 있다. 심도별 온도자료를 이용하여 회귀분석된 지온경사는 약 23.57°C/km이며 지표온도는 약 14.83°C로 산출되었다. 일반적으로 지온경사를 구하기 위해 지표 시작 온도와 지하 가장 깊은 곳의 온도를 직선으로 연결하는 과정을 거친다. 그러나 공내 지하수의 유동이 있거나 외부로부터의 유출입 등의 원인으로 인해 획득된 지온 값이 원래의 지온경사 경향을 벗어나게 되는 경우가 많다. 따라서 전체 지온분포에서 지하수 유동이 없거나 혹은 약한 구간의 자료를 이용해 지온경사를 산출함으로써 시추공 지하수 본연의 지온경사를 보다 정확하게 반영할 수 있다.
Fig. 3은 부산 낙민 지역의 심부 시추공에서 기록된 심도별 지온분포도를 나타낸다. 온도검층은 지표에서부터 심도 약 648 m까지 실시되었으며, 공저에서의 온도는 약 28.70°C를 기록하였다. 부산 낙민 지역 심부 시추공에서의 지온분포도를 보면 심도 약 420 m부근에서 지온경사가 급격히 변하였으며 이는 심도 420 m에서 하부로 지하수가 유동하는 것으로 해석된다. 심도 600 m 이하 구간에서도 지온경사를 크게 벗어난 위치가 관측되며, 400~600 m 사이에 심도별 온도 값이 매우 불규칙하게 변동하면서 증가하는 형태로 미루어 이 부분에 시추공 내 지하수의 수직적인 흐름이 강하게 발생하고 있다고 판단할 수 있다. 지하수 유동을 고려하지 않은 지온경사는 Fig. 3에서와 같이 약 18.57°C/km로 산출되었으며, 지하수 유동이 없는 구간인 심도 150~420 m 구간에서의 지온경사는 약 24.91°C/km로 산출되었다. 본 연구지역의 지온분포를 해석하기 위한 지온경사는 가급적 시추공 내에서 지하수 유동이 없거나 적은 구간의 자료를 이용하여 산출하였다.
Fig. 4는 부산 동래 지역의 심부 시추공에서 기록된 심도별 지온분포도를 나타낸다. 온도검층은 지표에서부터 심도 약 210 m까지 실시되었으며, 공저에서의 온도는 약 37.90°C를 기록하였다. 지온경사 그래프를 살펴보면, 심도별 지온분포 자료인 보라색 점선이 불규칙한 경향을 나타내고 있으며, 앞선 Fig. 3의 낙민 지역보다 시추공 내 지하수의 수직적 유동이 보다 더 심한 것으로 해석된다. 심도 100 m 이상의 상부 구간에서는 지온의 증가가 일정한 경향을 보이는 반면, 심도 100 이하의 하부 구간에서는 지온의 변동성이 매우 심하게 관찰된다. 수직적인 지하수 유동이 비교적 약한 것으로 판단되는 구간인 심도 0~100 m 구간을 기준으로 지온경사를 산출하면 약 111.80°C/km의 값을 나타냈다. 이 값은 국내 평균 지온경사보다 4배 정도 높은 편인데, 이는 심부에 고온의 지하수가 지표 가까이로 상승 이동함으로써 나타나는 현상으로 추정된다.
4. 심부 투수성 암반균열 수리특성분석
앞서 언급한 것처럼, 시추공 내에서 실시되는 온도검층은 시추공 내에 저류된 자연 상태 지하수의 온도를 심도별로 측정하는 것이다. 이 때, 시추공 내의 지하수가 주변 암석의 온도와 평형을 이루고 지하수의 유동이 없이 안정화 되어 있는 경우, 심도에 따른 온도증가율 자체가 그 지역의 지온경사를 온전히 대표할 수 있다. 그러나 시추공 내의 지하수가 수직적으로 불규칙하게 유동성을 보이는 경우에는 이를 구체적으로 해석하여 실제 그 지역 본연의 온도증가율을 가장 잘 반영할 수 있는 지온경사를 구해야 한다. 이를 통해, 시추공이 관통한 대수층 내 투수성 암반균열 심도와 이들 피압의 크기에 따른 지하수 유동을 해석할 수 있다.
지온경사 분석과 더불어 양수시험 분석을 수행하였는데, 양수시험 시 각 시추공에서 측정한 용출온도(양수로 인해 지하 심부에서 지표로 유출된 지하수 온도)를 이용해 투수성 암반균열의 평균적인 심도와 각 균열들에서 유입되는 지하수 양 및 투수량계수의 비율을 추정할 수 있다. 이러한 과정과 더불어 양수시험에서 구한 수리상수 값을 분석함으로써 투수성 암반균열과 이 균열이 속한 암반대수층의 전반적인 수리특성을 평가하였다.
4.1 지온경사 분석
Fig. 5는 부산 낙민 지역에서 온도검층자료 해석을 통해 도출된 지온경사 자료를 분석한 그림을 나타낸다. 이 지역의 지질은 중생대 안산암류로 구성되어 있으며, 시추 심도는 648 m이고 케이싱은 지표에서부터 심도 200 m까지 설치되어 있다. 지온경사 분석 결과, 가장 큰 이상변위(anomaly)를 보이는 3개 구간(410 m, 601 m, 648 m)이 확인되었는데, 이들 위치가 지하수가 유동할 수 있는 대수층 구간 내 대표적인 투수성 암반균열로 판단되었다. 3개의 암반균열이 속한 대수층 구간 중 610 m 구간이 상대적으로 피압이 적은 것으로 해석되며, 410 m과 648 m 부근 암반균열에서 유입되는 지하수가 610 m 구간으로 유동되는 것으로 해석할 수 있다. Piezometric head는 상부 지하수위(수리수두)이고, 대수층 내에서 해당 구간의 피압 수두가 높은 곳에서 낮은 곳으로 지하수의 흐름(유동)이 발생하게 되는데, 심도 610 m의 피압이 상대적으로 적은 것은 심도 410 m에서 평균 지온경사에 비해 낮아진 온도 기울기 상태로 610 m까지 이어지다가 601 m 하부부터 다시 기울기가 급상승하여 원래의 지온경사 경향을 따라가는 것을 통해 유추할 수 있다. 심도 410 m의 낮은 온도를 가지는 지하수가 아래 방향으로 이동하면서 410~610 m 구간의 온도를 평균 지온경사보다 낮게 만들었기 때문으로 판단되며, 따라서 온도 변화에 따른 지하수의 수직적인 흐름을 평가했을 때, 심도 410 m에서 610 m쪽으로의 지하수 유동의 원인을 피압(수두) 차이에 의한 흐름으로 판단하였다.
시추공에 설치된 수중펌프로 일일 400 m3/day의 양수량(Q, pumping rate)으로 양수를 진행하였을 때, 약 3일 경과 후 52.68 m 수준의 지하수의 수위하강(drawdown)이 발생하였다. 용출온도(양수온도)는 26.5°C로 측정되어 시추공에 관통한 대표적인 3개의 투수성 암반균열에서 흘러나온 지하수의 온도를 반영한 것으로 해석된다. 본 시추공에서 수직적인 지하수 유동이 있는 구간의 온도는 자연 상태 주변 암석 본연의 지온을 온전히 반영한다고 볼 수 없으며, 따라서 지하수 유동이 없는 구간인 150~400 m에서의 지온경사 25.09°C/km를 이 시추공의 대표 지온경사로 산정할 수 있다.
Fig. 6은 부산 장전 지역에서 온도검층자료 해석을 통해 도출된 지온경사 자료를 분석한 그림을 나타낸다. 이 지역의 지질은 중생대 미문상화강암으로 구성되어 있으며, 시추 심도는 720 m, 케이싱은 지표에서부터 심도 250 m까지 설치되어 있다. 지하수의 자연 수두는 심도별 온도분포에서 알 수 있듯이 지표하 약 98 m 부근에 형성되어 있으며, 지하수가 유동할 수 있는 주요 투수성 암반균열 위치는 지온경사의 강한 이상변위가 보이는 310 m, 610 m로 해석된다. 2개 투수성 구간 중 610 m의 투수균열이 포함되어 있는 암반대수층이 상대적으로 피압이 적은 것으로 판단되며, 이에 따라 310 m 대수층에 부존하는 지하수가 610 m 구간으로 하강하여 수직 유동되는 것으로 추정할 수 있다.
시추공 내에 설치된 수중펌프로 일일 약 370 m3/day로 양수 시, 약 3일 경과 후에 35.70 m 정도 지하수의 수위하강이 발생하였으며, 이때 양수된 용출온도는 40.1°C로 측정되어 시추공이 관통한 2개의 큰 주요 투수성 암반균열 사이의 온도 범위를 나타내고 있다. 310 m 위치에서의 대수층 온도는 34.24°C이고, 610 m 위치의 대수층 온도는 46.81°C이므로, 양수 용출 온도와 각각의 투수균열의 온도를 비율로 산정해보면 약 53%와 47%의 값이 도출된다. 즉, 수중펌프로 양수 시 양수되는 지하수의 총량 중에서 310 m 투수균열 구간에서 유출되는 지하수의 양은 53%, 610 m 구간에서 유출되는 지하수의 양은 47% 정도로 추정할 수 있으며, 이는 시추공의 전체 투수량계수 값에도 동일하게 적용하여 각 주요 투수성 암반균열이 차지하는 투수량계수 비율과 양을 산출할 수 있다.
본 시추공의 지하수위는 약 98 m 지하에 형성되어 있으며, 지형고도가 약 12 m인 점을 고려하면 예상보다 매우 낮은 곳에 자연 지하수두가 형성되어 있다. 이러한 낮은 지하수위 원인은 주변 지역 양수에 의한 것으로 추정할 수 있으며, 장기간의 수위 모니터링 결과 주변 동래 온천지구 지역에서 양수의 영향을 받아 그 지역 시추공의 수위변화와 유사한 변화 양상을 나타내고 있다(Jungang consultant, 2024). 따라서 본 시추공은 동래온천의 높은 지하온도를 포함하는 열수가 유동하고 있는 암반대수층을 관통하였으며, 이로 인해 지온경사가 다른 시추공에 비해 매우 높게 나타나고 있는 것으로 추정된다. 지표 근처인 상부에서의 지온경사를 살펴보면 64.04°C/km이며 하부에서의 지온경사는 29.40°C/km을 나타내고 있다. 이 시추공의 최종 시추심도인 720 m 부근에서 지온을 해석해 보면, 이 지역의 평균 지온경사로 해석한 온도보다 약 17.77°C 가량 지온이 높은 것으로 해석된다.
Fig. 7은 부산 부곡 지역에서 온도검층자료 해석을 통해 도출된 지온경사 자료를 분석한 그림을 나타낸다. 이 지역의 지질은 중생대 미문상화강암으로 구성되어 있으며, 시추 심도는 790 m, 케이싱은 지표에서부터 심도 200 m까지 설치되어 있다. 지하수가 유동할 수 있는 주요 투수성 암반균열 위치는 지온경사의 이상변위가 보이는 350 m, 620 m로 해석된다. 2개 투수성 구간 중 350 m의 투수균열이 포함된 암반대수층이 상대적으로 피압이 적은 것으로 판단되며, 이에 따라 620 m 대수층에 부존하는 지하수가 350 m 구간으로 상승하여 수직 유동되는 것으로 추정할 수 있다.
시추공 내에 설치된 수중펌프로 일일 약 310 m3/day로 양수 시, 약 3일 경과 후에 102.25 m 정도 지하수의 수위하강이 발생하였으며, 이때 양수된 용출온도는 24.5°C로 측정되어 시추공이 관통한 2개의 큰 주요 투수성 암반균열에서 흘러나온 지하수의 온도를 반영한 것으로 해석된다. 350 m 위치에서의 대수층 온도는 22.91°C이고, 620 m 위치의 대수층 온도는 29.51°C이므로, 양수 용출 온도와 각각의 투수균열의 온도를 비율로 산정해보면 약 75%와 25%의 값이 도출된다. 즉, 수중펌프로 양수 시 양수되는 지하수의 총량 중에서 350 m 투수균열 구간에서 유출되는 지하수의 양은 75%, 620 m 구간에서 유출되는 지하수의 양은 25% 정도로 추정할 수 있으며, 이는 시추공의 전체 투수량계수 값에도 동일하게 적용하여 각 주요 투수성 암반균열이 차지하는 투수량계수 비율과 양을 산출할 수 있다.
본 시추공의 경우, 수직적인 지하수 유동이 강하지 않은 편이라 전체적인 회귀분석선인 지온경사와 심도별 지온분포가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 지하수 유동이 가장 적은 150~790 m 구간에서의 지온경사인 24.40°C/km을 이 지역의 대표적인 지온경사로 판단할 수 있다.
Fig. 8은 부산 녹천 지역에서 온도검층자료 해석을 통해 도출된 지온경사 자료를 분석한 그림을 나타낸다. 이 지역의 지질은 중생대 미문상화강암으로 구성되어 있으며, 시추 심도는 230 m, 케이싱은 지표에서부터 심도 150 m까지 설치되어 있다. 지하수의 자연 수두는 심도별 온도분포에서 알 수 있듯이 지표하 약 90 m 부근에 형성되어 있으며, 지하수가 유동할 수 있는 주요 투수성 암반균열 위치는 지온경사의 강한 이상변위가 보이는 140 m, 225 m로 해석되며, 주변에서의 지하수 양수로 인해 본 시추공 내 불규칙한 지하수 유동이 심한 것을 관찰할 수 있다. 심도 110~125 m 부근의 온도 이상변위는 케이싱이 설치되어 지하수의 유출입이 어려운 구간에서의 값이기 때문에 유의미한 지온경사로 해석할 수 없다. 본 시추공은 케이싱이 150 m 부근까지 설치되어 있으나 맨 하부쪽 케이싱과 시추공벽 암반 사이에는 틈(공간)이 존재하여 이를 통해 지하수의 유입이 발생하였다. 시추공 내에 설치된 수중펌프로 일일 약 150 m3/day로 양수 시, 약 3일 경과 후에 55 m 정도 지하수의 수위하강이 발생하였으며, 이 때 양수된 용출온도는 58.9°C로 측정되어 시추공이 관통한 2개의 큰 주요 투수성 암반균열에서 흘러나온 지하수의 온도를 반영한 것으로 해석된다. 그 중 특히 시추심도인 230 m 구간에서 지온이 61.47°C이며, 양수 용출온도가 58.9°C로 거의 근접한 것을 미루어 볼 때, 본 시추공의 지하수 용출구간은 두 주요한 투수성 암반균열 중에서도 주로 225 m 구간인 것으로 추정할 수 있다.
본 시추공의 지하수위는 약 90 m 지하에 형성되어 있으며, 지형고도가 약 11 m인 점을 고려하면 예상보다 매우 낮은 곳에 자연 지하수두가 형성되어 있다. 이러한 낮은 지하수위 원인은 주변 지역 양수에 의한 것으로 추정할 수 있으며, 장기간의 수위 모니터링 결과 주변 동래 온천지구 지역에서 양수의 영향을 받아 그 지역 시추공의 수위변화와 유사한 변화 양상을 나타나고 있다. 따라서 본 시추공은 동래온천의 높은 지하온도를 포함하는 열수가 유동하고 있는 암반대수층을 관통하였으며, 이로 인해 지온경사가 다른 시추공에 비해 매우 높게 나타나고 있다. 지하수위가 형성된 심도 90 m부터 230 m까지의 지온경사를 보면 약 189.5°C/km로 매우 높은 값을 나타내고 있다. 이 시추공의 시추심도 230 m에서 지온을 해석해 보면, 앞선 부산 장전 지역의 지온경사로 해석한 온도보다도 약 38.1°C 정도 지온이 높은 것으로 해석된다. 본 녹천 지역에서 지온경사는 약 189.5°C/km로 계산되었으나, 심도가 200여 미터로 낮은 범위에서 측정 및 분석되었고, 시추공 내 열수의 강한 수직방향 유동으로 인해 지하수의 흐름 교란이 심하기 때문에, 189.5°C/km의 값을 이 지역의 대표 지온경사로 보기는 어렵다. 대표성이 있는 정확한 지온경사를 구하기 위해서는, 200 m 이하의 더 깊은 심도에 대한 추가적인 온도 검층이 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 9는 부산 금천 지역에서 온도검층자료 해석을 통해 도출된 지온경사 자료를 분석한 그림을 나타낸다. 이 지역의 지질은 중생대 미문상화강암으로 구성되어 있으며, 시추 심도는 210 m, 케이싱은 지표에서부터 심도 210 m까지 설치되어 있다. 케이싱 하단 부분에 스크린이 설치되어 케이싱 내로 지하수가 유입될 수 있도록 하였다. 지하수의 자연 수두는 심도별 온도분포에서 알 수 있듯이 지표하 약 110 m 부근에 형성되어 있으며, 지하수가 유동할 수 있는 주요 투수성 암반균열 위치는 지온경사의 강한 이상변위가 보이는 120 m, 140 m로 해석된다. 시추공 내에 설치된 수중펌프로 일일 약 370 m3/day로 양수 시, 약 3일 경과 후에 7.09 m 정도 지하수의 수위하강이 발생하였으며, 이 때 양수된 용출온도는 66.7°C로 측정되어 시추공이 관통한 2개의 큰 주요 투수성 암반균열에서 흘러나온 지하수의 온도를 반영한 것으로 해석된다. 상부 대수층인 125 m 지점에서의 지온이 약 62.5°C, 하부 대수층인 140 m 지점에서의 지온이 약 72°C이므로 지하수 양수 시, 상부 대수층에서 56%, 하부 대수층에서 44% 정도의 비율로 지하수가 유출되는 것으로 해석된다. 심도 150~210 m의 지온분포가 거의 일정한 것은 더 깊은 심도인 하부 210 m쪽에서 높은 온도를 가지고 있는 열수가 상부 방향으로 수직 상승하여 유동함으로써, 지하수 혼합(교란)이 발생하기 때문에 심도가 깊어지면서 달라지고 있음에도 온도가 크게 변하지 않고 일정한 상태로 관찰되었다.
본 시추공의 지하수위는 약 110 m 지하에 형성되어 있으며, 지형고도가 약 11 m인 점을 고려하면 예상보다 매우 낮은 곳에 자연 지하수두가 형성되어 있다. 이러한 낮은 지하수위 원인은 주변 지역 양수에 의한 것으로 추정할 수 있으며, 장기간의 수위 모니터링 결과 주변 동래 온천지구 지역에서 양수의 영향을 받아 그 지역 시추공의 수위변화와 유사한 변화 양상을 나타나고 있다(Jungang consultant, 2024). 따라서 본 시추공은 동래온천의 높은 지하온도를 포함하는 열수가 유동하고 있는 암반대수층을 관통하였으며, 이로 인해 지온경사가 다른 시추공에 비해 매우 높게 나타나고 있다. 이 지온분포도에서는 정확한 지온경사를 도출할 수 없어서 지표온도인 15°C와 하부 대수층 구간을 연결하여 지온경사를 구하였으며, 이 때 지온경사는 약 396°C/km로 산출되었다. 이 시추공의 시추심도 210 m에서 지온을 해석해 보면 앞서 장전 지역의 지온경사로 해석한 온도보다 약 52.5°C 정도 지온이 높은 것으로 나타난다. 앞선 녹천 지역과 마찬가지로 본 금천 지역에서 지온경사는 약 396°C/km로 계산되었으나, 심도가 200여 미터로 낮은 범위에서 측정 및 분석되었고, 시추공 내 열수의 강한 수직방향 유동으로 인해 지하수의 흐름 교란이 심하기 때문에, 396°C/km의 값을 이 지역의 대표 지온경사로 보기는 어렵다. 대표성이 있는 정확한 지온경사를 구하기 위해서는, 200 m 이하의 더 깊은 심도에 대한 추가적인 온도 검층이 필요할 것으로 판단된다.
지온경사 분석에 이용된 심부 시추공들의 평균 굴착심도는 519.6 m이고 최대 굴착심도는 790 m이었다. 지온분포는 25.7~ 65.5°C로 측정되었으며, 평균 36.7°C의 온도 값을 나타내었다. 연구 지역의 지온경사를 살펴보면, 낙민/장전/부곡 시추공에서 24.4~29.4°C/km의 범위를 보이며, 국내 일반적인 심부 암반대수층의 지온경사와 비슷하거나 약간 낮은 값을 보였다. 반면에 녹천/금천 지역의 시추공은 189~396°C/km의 매우 높은 지온경사 값을 나타내고 있다. 이 두 지역에서 관찰되는 매우 높은 지온경사의 원인은 지하수가 깊은 심도의 하부에서 지열을 공급받아 상부 지표로 상승하는 것으로 추정된다. 또한 이들 높은 지온경사 시추공의 경우, 지질구조선과도 밀접한 관련성이 있는 것으로 판단되며, Fig. 10에 보이는 것처럼 연구지역을 북동 방향으로 관통하는 동래단층 서쪽 지역에 높은 용출온도와 지온경사를 가지는 심부 시추공들(금천 & 녹천)이 주로 분포한다. 이를 통해, 주요 단층인 동래단층이 심부에 높은 온도를 포함한 지하수(열수)를 하부에서 상부 지표쪽으로 유동시킬 수 있는 주요 통로로써의 역할을 하는 것으로 추정된다. 이러한 큰 파쇄대의 존재는 주변 암반대수층에 연결된 암반 절리들에게 지하수를 공급해주는 저장소나 수리학적 경계 역할을 할 수 있기 때문에, 향후 추가적인 물리검층과 수리연결성시험 등을 통해 단층이 암반대수층 내 지온경사와 지하수 흐름 양상에 미치는 영향에 대한 정밀분석이 필요하다.
Fig. 10.
Location of Dongrae fault and test boreholes located in study area (modified from Son et al.(1978))
4.2 양수시험 분석
4.2.1 우물손실지수 분석
본 연구지역에서 양수시험을 수행하여 균열암반에 대한 수리상수 산출 및 수리특성을 해석하였다. 심부 시추공 내에 설치된 수중모터펌프를 이용하여 양수를 실시하면 시추공 내에서 지하수의 수위강하가 발생하게 되는데, 이 때 양수율(Q)과 수위강하(sw)의 관계식은 다음 식 (1)과 같다(Rorabaugh, 1953).
sw는 시추공 내에서의 지하수의 수위강하(m), Q는 양수율(m3/day), B는 대수층손실상수(-), C는 우물손실상수(-), n은 우물손실지수(-)이다. 상기 식에서 보면 시추공 내에서의 수위강하는 대수층손실 부분과 우물손실 부분의 합으로 구성되어 있다. 대수층손실 부분은 대수층의 저항으로 생긴 수위강하이고 수위강하가 양수율과 1차원적인 비례관계가 있으며, 우물손실 부분은 수위강하가 양수율과 n(≥2)차적인 비례관계를 가지고, 양수가 이뤄지는 시추공 스크린 부근에서 난류에 의해 생긴 수위강하로 해석된다. 양수율이 많아질수록 총 수위강하에서 우물손실이 차지하는 비율이 점차 늘어나게 된다.
시추공에서 양수를 실시하면 먼 거리로부터 시추공 부근으로 지하수가 유입되는 수렴흐름이 발생되어 시추공 주변에서는 유체가 흐르는 통로가 좁아지고, 이에 따라 지하수 유체의 속도는 급격히 빨라지면서 난류가 발생하게 된다. 따라서 양수하는 시추공 부근에서는 이러한 저항을 극복하기 위해 수위강하를 더 크게 발생시키게 되는데 이를 우물손실이라고 한다. 충적층과 같은 다공성 매질에 굴착된 시추공에서 양수를 할 경우, 주변 지하수는 대수층의 전 두께를 통해서 양수정 내로 유입된다. 이때 양수정에 설치된 케이싱의 스크린, 시추 시 발생되는 양수정 벽에서의 공극 감소, 양수정 내로 유입 시 방사상 흐름으로 인한 지하수 유속 증가 등으로 우물 손실이 발생하게 된다. 이러한 요인들은 모두 양수가 이뤄지는 시추공 부근에서 발생되는 것으로 시추공 중심으로부터 거리에 따른 이론적인 대수층손실보다 수위강하를 더 크게 발생시킨다. 암반대수층의 경우, 보통 균열암반에 시추된 양수정은 지표로부터 풍화대까지 케이싱을 설치하며, 그 이후 구간은 단단한 암반이 주로 존재하기 때문에 케이싱을 설치하지 않는다. 또한 균열을 관통하는 시추공 내의 공벽에서는 시추 시 충격으로 인해 균열 틈새가 벌어지는 경향을 보이기도 한다. 따라서 암반대수층에 시추된 양수정에서의 우물손실은 다공성 매질에서와는 달리 케이싱이나 공벽의 공극 감소에 의한 영향은 상대적으로 적을 것으로 추정되며, 주로 유입되는 지하수의 난류 흐름에 의한 영향이 클 것으로 예상된다. 일반적으로 풍화가 적은 심부 암반대수층에서 지하수를 양수할 경우, 소수의 주요 균열 틈을 통해 시추공 내로 지하수가 유입하게 된다. 이 때 지하수는 양수 시추공쪽으로 접근할수록 유동 단면적이 좁아지면서 속도가 점점 빨라지게 되고 일정 수준을 넘어서게 되면 기존의 층류가 난류로 변하여 발생하게 된다.
Fig. 11은 본 연구지역 중 양수시험 해석이 가능한 세 지역(낙민/부곡/장전) 심부 시추공에서의 우물손실지수 해석 그래프를 나타낸다. 세 지역의 우물손실지수는 2.42~2.99의 범위를 보였으며, 이는 일반적인 다공성 매질에서 정형화되어 나타나는 2의 값을 벗어나는 수치로써, 이 지역의 균열암반의 수리적 특성이 다공성 매질과는 다르게 다양하고 불규칙하게 나타나는 것을 의미한다. 균열암반에서 우물손실을 결정하는 주 요인이 시추공 부근의 난류이기 때문에, 이 지수 값이 크면 양수율 증가에 따라 난류구간이 상대적으로 크게 확장되고, 이 값이 작으면 양수율 증가에 따라 난류구간이 상대적으로 작게 확장되는 균열모델을 고려해야 한다.
균열암반에 굴착된 양수 시추공에서 양수가 수행될 시에 우물손실이 주로 발생하는 시기는 양수율 변화에 따라 수위강하가 급격하게 일어나는 초기 부분이며, 그 이후 지속되는 수위강하는 암반대수층의 수리특성에 따른 저항(대수층손실)에 의한 것으로 분석된다. 다시 말해, 양수율 증가에 따른 난류구간으로의 전환 여부는 유체의 속도에 의해 좌우되는데, 이 때 단계양수시험의 유속을 지배하는 양수율 증가 이외에는 다른 변수가 존재하지 않으므로, 양수율이 변화하는 초기에 우물손실에 의한 빠른 수위하강이 발생하는 것으로 해석된다.
4.2.2 유동차원 분석
일반적으로 양수시험을 비롯한 여러 수리시험 현장자료들은 검증된 해석해와 표준곡선에 실측 데이터를 매칭하는 표준곡선중첩 방법을 통해 최적의 값을 구할 때까지 이 과정을 반복 수행한다. 이 때, 대부분의 해석해가 다공성 매질의 2차원 방사상 흐름(radial flow)을 기본 전제로 가정하기 때문에, 암반대수층처럼 실제 현장에서 이상적인 방사상 흐름을 벗어난 지하수 유동이 발생하는 환경 조건에서 측정된 자료와는 매칭이 어려울 수 있다. 이 때, 시행착오적인 방법으로 무리하게 매칭하는 경우에는 해석 결과 값이 비정상적으로 나타나는 문제가 야기될 수 있다. Barker(1988)는 이 같이 다공성 매질에 기반한 해석 방법들의 한계점을 극복하기 위해, 지하수 흐름 양상을 실수차원으로 확장하여 해석하는 일반화 방사상 유동 모델(Generalized Radial Flow Model)을 제안하였다. 지하수 유동차원(flow dimension)을 1, 2, 3의 대표적인 정수형으로 분류하고 각각 1차원 선형 유동, 2차원 방사상 유동, 3차원 구상 유동으로 정의하였고, 각 정수형 유동차원 사이에는 실수형 유동차원이 존재한다. 유동차원이 커질수록 지하수의 유입단면(유동면적)이 증가하는 것을 의미하며, 또한 시추공을 중심으로 여러 주변 암반균열들과 연결성이 높아지는 것을 뜻한다(Lee et al., 2024).
Fig. 12는 본 연구지역 중 양수시험 해석이 가능한 세 지역(낙민/부곡/장전) 심부 시추공에서의 유동차원 해석 그래프를 나타낸다. 유동차원 분석 결과, 세 지역에서 유동차원 분석에서도 1.89~2.43차원의 값을 나타냈는데, 이를 통해 1차원 선형 흐름에서 2차원 방사상 흐름으로의 전환 또는 2차원 방사상 흐름을 넘어 3차원 구상 흐름으로 확장되는 지하수 유동 양상을 추정할 수 있다. 자세히 살펴보면, 낙민 지역의 유동차원(1.89)은 정확히 선형 흐름과 방사상 흐름 사이에 존재하는 수치인데, 실제로는 2차원에 근접한 값으로써 선형 흐름에서 방사상 흐름으로 전환 상태 또는 준방사상 흐름의 지하수 유동 형태를 나타낸다. 낙민 지역 심부 시추공의 수리전도도 값은 1.09×10-7 m/s로써 고투수성의 균열암반대수층 수리특성을 나타내고 있으며, 이를 통해 이 시추공을 관통하는 투수성 암반균열은 상당히 높은 투수성을 가지고 있으나 주변 균열시스템과의 연결성은 양호하지 않을 것으로 추정할 수 있다.
부곡 지역의 유동차원(2.18)은 정확히 방사상 흐름과 구상 흐름 사이에 존재하는 수치인데, 실제로는 2차원에 가까운 값으로써 준방사상 흐름 또는 방사상 흐름에서 구상 흐름으로 전환 상태의 지하수 유동 형태를 나타낸다. 부곡 지역 심부 시추공의 수리전도도 값은 2.97×10-8 m/s로써 중투수성의 균열암반대수층 수리특성을 나타내고 있으며, 이를 통해 이 시추공을 관통하는 투수성 암반균열은 양호한 투수성을 가지고 있으며 주변 균열시스템과의 연결성 또한 양호하여 앞선 낙민 지역에 비해 투수성 암반균열을 통한 지하수의 유입면적이 보다 넓고 많은 균열들과 연결될 확률이 높을 것으로 판단된다.
장전 지역의 유동차원(2.43)은 방사상 흐름과 구상 흐름 사이에 존재하는 수치인데, 방사상 흐름에서 구상 흐름으로 전환되어 확장되는 상태의 지하수 유동 형태를 나타낸다. 장전 지역 심부 시추공의 수리전도도 값은 1.01×10-7 m/s로써 고투수성의 균열암반대수층 수리특성을 나타내고 있다. 이를 통해 이 시추공을 관통하는 투수성 암반균열은 높은 투수성을 가지고 있으며 주변 균열시스템과의 연결성 또한 앞선 낙민 지역이나 부곡 지역에 비해 투수성 암반균열을 통한 지하수의 유입면적이 가장 넓고 많은 균열들과 연결될 확률이 높을 것으로 보인다. 세 지역 중 가장 유동차원의 값이 크고 투수성이 높은 만큼, 이 장전 지역의 시추공에 연결된 암반균열은 외부 지하수계로부터 충분한 양의 지하수를 지속적으로 공급받을 수 있는 열린 절리로 추정할 수 있다.
5. 결론 및 제언
본 연구에서는 국내 화강암 및 화산암류 지역에 위치한 심부 시추공들에서 지온경사와 양수시험 자료분석을 통해 심부 암반대수층 내 투수성 암반균열의 수리특성을 평가하였다. 현장 온도검층을 통해 각 시추공의 심부 지온 분포를 측정하고, 심도별 온도자료를 활용한 선형회귀분석을 통해 지온경사를 도출하였다. 그리고 양수시험을 통해 심부 용출온도를 획득하고, 균열암반에 대한 수리특성을 분석하였다. 핵심 수리상수인 투수량계수를 산출하였으며, 수위강하 자료를 이용해 균열이 포함된 암반대수층의 우물손실지수와 유동차원을 도출해 시추공 주변 균열암반의 지하수 흐름특성을 분석하였다. 종합적으로 이러한 물리검층과 수리시험 자료를 통합 분석함으로써 투수성 암반균열의 잠재적 위치와 수리특성, 그리고 시추공 내부 지하수 흐름 양상을 평가하였다.
지온경사의 이상변위 분석을 통해 투수성 암반균열의 위치 심도를 파악하였으며, 양수 용출온도와의 상관성 분석을 통해 투수균열의 지하수 유출입량과 투수량계수 비율에 관해서 평가하였다. 일부 심부 시추공에서 나타나는 매우 높은 값의 지온경사는 지하 심부에서 상부 지표로의 수직적인 지하수 상승 흐름으로 인한 것으로 해석되었으며, 연구 지역 내에 존재하는 지질구조선인 주요 단층도 지온경사 변화의 원인으로 분석되었다. 또한 양수시험 자료분석을 통해, 산출된 우물손실지수는 2.42~2.99의 값 범위를 나타냈으며, 이는 일반적인 다공성 매질의 우물손실지수인 2에 비해 높은 값으로써 균열암반을 통해 유입되는 지하수의 난류 유동이 발생함을 의미한다. 이처럼 시추공 부근에 난류 발생으로 인해 형성되는 우물손실은 급격하고 커다란 지하수 수위강하를 발생시키는데, 이러한 압력손실 정도를 정확하게 파악함으로써 지하수 흐름 해석 시, 균열모델의 난류구간 적용 및 확장 여부에 활용할 수 있다. 유동차원 분석에서도 1.89~2.43차원의 값을 나타냈는데, 이는 1차원 선형흐름에서 2차원 방사상 흐름으로의 전환 또는 2차원 방사상 흐름을 넘어 3차원 구상 흐름으로 확장되는 지하수 유동 양상을 의미한다.
앞서 언급했듯이, 국내에는 수백 미터 이상의 매우 깊은 심도의 균열암반시추공에서 투수성 암반균열의 위치와 수리특성, 그리고 균열 사이에 발생하는 다양한 지하수 유동 양상에 관한 연구 시도와 데이터베이스가 매우 부족한 상황이다. 본 연구에서 수행한 심부 투수성 암반균열의 특성평가 관련 일련의 분석 과정과 결과들은 심부 암반대수층을 대상으로 하는 여러 지하연구사업들의 성공적이고 효율적인 수행을 위한 핵심 기초 조사 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 아울러 이러한 현장 정보들의 축적을 통한 국내 심부 암반시추공 기반 균열특성의 데이터베이스 구축 노력이 지속적으로 필요할 것으로 판단된다.
