Current Issue

한국전력공사가 공개한 한국전력 통계에 따르면 2022년 우리나라 전력소비량의 약 29.6%를 원자력에너지가 담당하고 있다(KEPCO, 2022). 석탄 및 석유를 이용한 화력발전은 대기오염을 발생시킬 수 있으나, 원자력발전은 이러한 오염을 일으키지 않아 최근 EU 텍소노미에서 녹색 에너지원으로 분류되었다(Ahn and Kwon, 2021). 하지만 원자력발전의 문제는 일본 후쿠시마 원전에서와 같은 방사성물질의 유출이나 원자력발전의 부산물인 사용후핵연료(spent nuclear fuel)의 안전한 관리방법에 있다.

현재까지 우리나라의 원자력발전소에서 발생하는 사용후핵연료를 포함한 고준위 방사성폐기물(high-level radioactive waste, HLW)은 각 발전소에 임시저장 중이다. 중·저준위 방사성폐기물(low- & intermediate-level radioactive waste, LLW & ILW)은 2015년 경주에 건설된 처분장에서 관리되고 있으나, 고준위 방사성폐기물의 최종 관리를 위한 처분장은 아직 건설되지 못하였으며, 임시로 저장 중인 발전소 내 저장용량의 포화시점은 임박해오고 있다(KHNP, 2023).

현재까지 고준위 방사성폐기물 최종 관리를 위해 다양한 방법들이 제시되었다. 우주처분(space disposal)과 섭입대처분(subduction-zone disposal)도 제시되었지만, 이 경우 비용 문제뿐만 아니라 사고 시 막대한 방사능 오염이 발생할 수 있는 문제가 있다(Burns et al., 1978; Attrill and Gibb, 2003). 특히 섭입대처분의 경우 폐기물이 맨틀 내로 침강하지 않고 융기할 가능성을 배제할 수 없다는 어려움이 있다(Uyeda, 1984). 또한 해양처분(sea dumpling 또는 sub- seabed disposal)과 빙하처분(ice sheet disposal)은 각각 런던협약(1990)과 남극조약(1961)에 의해 금지되었다. 따라서 현재 가장 가능성이 높은 방법으로 고려되고 있는 심부 암반을 이용한 방법에는 약 500 m 심도에 폐기물을 처분하는 심층처분(deep geological disposal)과 약 5 km 심도의 시추공을 굴착해 3~5 km 구간에 폐기물을 처분하는 심부시추공처분(deep borehole disposal) 방법이 있다(Chapman and Mc Kinley, 1987; NAS, 1957). 이 중에서도 국제원자력기구(International Atomic Energy Agency, IAEA)는 심층처분을 권고하고 있다(IAEA, 1981, 1989). 고준위 방사성폐기물 관리 선도국인 스웨덴과 핀란드는 심층처분을 최종 관리방안으로 결정하여 인허가를 이미 획득하였으며, 특히 핀란드는 현재 처분시설을 건설 중이다.

심층처분은 개념적으로 고준위 방사성폐기물을 담는 처분용기(canister), 이를 외부로부터 막아주는 완충재(buffer)와 뒷채움재(backfill)로 구성된 공학적방벽(engineered barrier), 그리고 이 모든 것들을 인간생활권으로부터 격리할 심부암반에 해당하는 천연방벽(natural barrier)을 포함한 다중방벽(multi-barrier) 시스템으로 구성된다. 그중 천연방벽은 인위적인 성능향상이 어렵기 때문에 부지선정 과정이 중요하며, 특히 천연방벽을 구성하는 기반암의 물리화학적 특징은 방사성핵종 이동에 영향을 미치는 수리지화학적 특성의 파악에 매우 중요하다. 따라서 기반암의 성능평가를 위해 충분한 기간에 걸친 부지선정 절차뿐만 아니라 다양한 부지특성의 파악을 위한 조사를 통해 장기적인 안전성을 평가해야 한다.

심층처분을 고려하고 있는 국가들에서는 처분부지에 대해 투수율이 낮고 균질하며 진화과정에 대한 예측이 가능한 암종을 고려하고 있다. 퇴적암의 경우 층서 대비를 위한 기준층(key bed)을 활용하여 암상분포 해석이 용이하지만 층과 층 사이의 투수성 차이와 투수율이 높은 암종 자체의 보완이 힘들다. 반면 화강암과 같은 결정질암류의 경우 단일 암종으로 구성되지만 마그마 유체에 의해 생성된 성인적 특성상 직접적인 관찰 없이 심부의 암상분포 확인이 어렵다. 우리나라에서는 처분부지 대상 암종으로 결정질암을 고려 중이며, 퇴적암과 같은 기준층 없이 심부 암상분포를 확인하기 위해서 연구자, 연구 시기, 분석 절차 등에서의 편차로부터 발생할 불확실성을 최소화하고, 동등한 해상도로 평가할 수 있는 공통된 기준이 필요하다. 또한 심층처분의 지질학적 조건을 고려했을 때 지표 부근에서 확인하기 힘든 심부 지질특성에 대한 정보를 제공할 수 있는 시추공 자료에 위의 기준을 적용한 적절한 분석이 수행되어야 한다.

현재 우리나라에서는 지하연구시설(Underground Research Laboratory)이나 최종 처분을 위한 부지가 선정되지 않아 천연방벽을 구성하는 기반암의 물리화학적 특성과 진화특성을 이해하기 위해 한국원자력연구원을 중심으로 부지 내 연구용으로 굴착된 소형 지하연구터널(KAERI Underground Research Tunnel, KURT)과 그 주변 지역에 약 100~1,000 m 심도로 굴착된 시추공들을 활용한 다양한 예비연구가 수행 중이다(Choi et al., 2021a, 2021b; Jeong et al., 2021; Jung et al., 2021, 2022). 특히 결정질암 내 단열대와 같은 구조를 따라 관입하는 특성이 있는 암맥류와 단열 주변의 열수작용에 의해 형성된 변질구조의 분포를 파악하는 것은 천연방벽 내에서 유체의 주요 이동통로가 될 수 있는 취성구조의 분포를 파악하는데 중요하다. 이번 연구에서는 KURT 주변 시추공을 선별하여 시추코어 분석, 암석기재학적 관찰, 그리고 지화학 분석 등을 통합하여 우리나라에서 처분부지 구성 암종으로 고려되고 있는 결정질암의 암상분포에 대해 동일한 해석이 가능하도록 기반암이 과거부터 현재까지 장기간 동안 겪어온 진화과정을 복원하는 방법론을 구축하고자 하였으며, 이를 위해 먼저 KURT 부지 내 분포하는 암맥 및 변질대와 함께 대표적인 암상(rock type)을 분류하고 심도별 분포를 파악하고자 하였다. 이렇게 획득한 시추공 암상자료와 지화학분석 결과를 데이터베이스화하면 이후 3차원 암상모델 제작에 활용할 수 있을 것이다(Park et al., 2021b).

KURT 부지를 포함하는 연구지역은 한반도 지체구조구상 경기육괴와 옥천변성대의 경계부에 가깝고 북-동방향으로 발달하는 옥천변성대의 중간 정도에 위치한다. 연구지역은 기반암인 선캠브리아시대 흑운모편마암(biotite gneiss) 및 호상편마암(banded gneiss)을 선캠브리아시대부터 고생대에 이르는 옥천층군의 변성퇴적물(metasediment)이 부정합으로 피복하고 있으며, 이를 중생대의 편상화강암(schistose granite), 흑운모화강암(biotite granite), 복운모화강암(two mica granite), 섬록암(diorite), 반상화강암(porphyritic granite), 홍색장석화강암(pink feldspar granite), 그래노파이어(granophyre), 석영반암(quartz porphyry) 및 각종 암맥류가 관입하고 있으며, 이를 다시 제4기 충적층(alluvium)이 부정합으로 피복하고 있다(그림 1b; Park et al., 1977; Kim and Lee, 1981; Hwang and Moon, 2018; Lee et al., 2021).

Fig. 1. 
(a) Geotectonic map of the Korean Peninsula with the Yuseong area marked in a black box (modified from Kee et al., 2019). (b) Geological map of the Yuseong area (modified from Park et al., 1977; Kim and Lee, 1981; Hwang and Moon, 2018; Lee et al., 2021). (c) Location map of the boreholes around KURT (KAERI Underground Research Tunnel) used in this study.

그중 KURT를 포함한 부지의 주요 구성암석인 중생대 복운모화강암은 유성지질도폭 내에서 루프펜던트(roof pend-ant) 형태로 분포하는 흑운모편마암류, 변성퇴적물, 편상화강암과 흑운모화강암을 관입하며, 도폭의 북동부로부터 남부에 이르는 넓은 영역에 분포한다. 따라서 연구지역 내 복운모화강암은 이전에 형성된 암석들을 포획하는 형태로 산출되며, 지질도상에서 렌즈상의 페그마타이트(pegmatite)를 포함하고 있다. 도폭에 의하면 페그마타이트 암맥의 두께는 대부분 5 m 미만이며, 밀집부에서 복운모화강암 내 백운모의 함량이 증가하는 경향이 있다(Park et al., 1977). 도폭상에서 군집의 형태로 나타나는 고철질 암맥과 규장질 암맥은 KURT 지역의 주요 구성암석인 복운모화강암과, 이후에 형성된 중생대 섬록암, 반상화강암, 홍색장석화강암, 그리고 석영반암을 관입하며, 도폭 전역에 남-북 방향으로 나타난다. 또한 약대를 따라 얇게 관입하는 암맥의 특성상 KURT 부지 내에 소규모로 분포하고 있다.

한국원자력연구원에서는 2006년부터 연구지역인 KURT 부지의 지질학적, 수리지질학적, 지구화학적, 열역학적 특성을 연구하기 위한 다수의 시추공을 확보하였다. 시추공은 연구 목적에 따라 최소 100 m부터 최대 1 km까지 다양한 심도를 갖고 있으며, 수직공과 경사공은 물론 수평공도 존재한다. 이번 연구에서는 심부 지질특성의 수직적인 분포를 파악하기 위해 400 m 이상의 심도를 지닌 수직공을 대상으로 수직 및 수평적 암상 변화를 조사하였다. 이를 위해 시추공 간에 충분한 이격을 둔 네 공(AH-1, AH-3, DB-2, YS-1)을 선정하였다(그림 1c). AH-1 시추공은 약 450 m, YS-1 시추공은 약 500 m, AH-3과 DB-2 시추공은 약 1,000 m 심도이며, 기본적인 시추공 정보는 표 1과 같다(Park et al., 2021a).

시추코어를 활용한 심부의 암상분포 분석은 광역규모(유성지질도폭; Park et al., 1977)에서의 암석학적 특성을 바탕으로 수행하였다. 시추공의 심도별 암상분포를 파악하기 위해 유성지질도폭에서 보고된 암상별 분포와 광물학적 특징을 바탕으로 암상의 사전분류를 진행하였다. 사전분류 결과를 바탕으로 시추코어 시료를 채취하여 지화학분석 및 현미경 관찰을 수행하여 네 개의 시추공 내 심도별 암상분포를 파악하였고, 이를 종합하여 시추코어를 이용한 심부 암상분포 분석절차를 제시하였다(그림 2).

Fig. 2. 
Flowchart of the procedure for analyzing deep lithological distribution using drill cores (modified from Choi et al., 2021a, 2021b, 2022; Jeong et al., 2021; Jung et al., 2021, 2022).

3.1. 사전분류

먼저 시추코어의 심도별 구성광물, 입도, 결정도, 그리고 색 등의 겉보기 특징을 사전분류하였으며, 이때 다음과 같은 기준을 설정하였다(Choi et al., 2021b).

i) 시추작업시 시추코어 회수 단위인 1 m 간격으로 겉보기 암상 판별

ii) 시추코어 회수 단위 1 m의 과반 이하인 50 cm 이내의 암상 변화 제외

iii) 변질대의 경우 단열을 따라 부분적으로 변질된 부분과 완전하게 변질되어 이전 암상의 확인이 어려운 부분으로 분류해 겉보기 암상 판별과 별도 표기

iv) 단층대의 경우 앞의 변질대와 구분하기 위해 파쇄 구간에 인접한 변질 부분을 기재

이러한 기준을 바탕으로 사전분류된 심도별 암상분포 결과는 칼럼 형태의 데이터베이스로 정리하였다(그림 3 AC, 4). 사전분류된 암상들의 특징은 표 2와 같다(Modified from Choi et al., 2021a, 2021b; Jung et al., 2021).

Fig. 3. 
An example of the data sheet of rock type analysis and its classification into three different stages. (a) Apparent classification. (b) Simplification. (c) Final rock types. Sampling locations are marked as a star mark. See the text and Table 2 for abbreviations.

Fig. 4. 
Geological log showing the rock types of all boreholes at the pre-classification stage. Apparent columns (AC) are on the left, and simplified columns (SC) are on the right for each. The geological log depths (m) of all boreholes are calibrated to the ground level (108.16 m), which is the zero point of the DB-2 borehole. For the locations and ground level of the borehole, see Figure 1 and Table 1, respectively. See the Table 1 for abbreviations.

Table 2. 
Pre-classified rock types for apparent analysis of selected samples (Modified from Choi et al., 2021a, 2021b; Jung et al., 2021).

시추코어의 대표암상을 결정하기 위해서는 구간의 단순화 작업이 필요하다(Palmén et al., 2004; Aaltonen et al., 2010). 따라서 앞서 1 m 간격으로 정의한 칼럼을 일차적으로 단순화하여 심도별 암상을 정의하였으며, 이때 다음과 같은 기준을 설정하였다.

i) 암상 결정시 최대 간격은 50 m (분석 대상 시추공 최장 심도인 1,000 m의 5%)로 설정하고, 폭이 그 이상일 경우 추가 시료채취를 통해 암상 정의

ii) 앞의 기준을 따르되 2.5 m (최대 암상 결정 간격인 50 m의 5%) 이내의 폭은 제외

iii) 폭 2.5 m 이내로 연속적으로 나타나는 암맥류의 경우 시작지점부터 종료지점까지 한 구간으로 기재

iv) 점이적인 변질대의 경우 시작지점부터 종료지점까지 한 구간으로 기재

이렇게 단순화된 결과(그림 3 SC, 4)는 이후 시료위치 선정기준이 된다. 앞의 기준에 따른 네 시추공에서의 겉보기 특징 파악 및 1차 단순화 결과는 각각 표 3~6의 AC 및 SC와 같다.

Table 3. 
Rock types of AH-1 at the apparent classification step, simplification step, and final step with sampling locations. Abbreviation: D=depth from; RT=rock type; AT=alteration type. See the text for other abbreviations.

Table 4. 
Rock types of AH-3 at the apparent classification step, simplification step, and final step with sampling locations. Abbreviation: D=depth from; RT=rock type; AT=alteration type. See the text for other abbreviations.

Table 5. 
Rock types of DB-2 at the apparent classification step, simplification step, and final step with sampling locations. Abbreviation: D=depth from; RT=rock type; AT=alteration type. See the text for other abbreviations.

Table 6. 
Rock types of YS-1 at the apparent classification step, simplification step, and final step with sampling locations. Abbreviation: D=depth from; RT=rock type; AT=alteration type. See the text for other abbreviations.

3.3. 지화학분석 및 시료기재

선정한 시추코어 시료의 전암 주원소 성분을 한국지질자원연구원 지질자원분석센터에 설치된 X-선 형광분석기(X-ray fluorescence spectrometer, Shimadzu SRF-2400)를 활용하여 분석하였으며(표 7), 이를 기반으로 화성암 시료를 분류하고 지화학적 특성을 구분하였다(그림 5, 6). 또한, 암석의 박편을 제작하여 겉보기 특징으로 확인할 수 없는 광물들의 조직적 특성을 분석하였다. 만약 분석결과가 사전분류 결과와 일치하지 않을 경우, 사전분류에서 정의된 해당 구간을 지화학 및 암석기재학적 분석결과를 활용해 수정하였다. 또한 사전분류 단계에서 50 m 이상 구간이 같은 암상으로 정의되어 채취된 다수의 시료가 서로 다른 암상으로 확인될 경우 추가 시료를 채취하여 동일한 분석을 통해 재검토한다.

Table 7. 
Whole-rock major element concentrations (wt.%) of the samples.

Fig. 5. 
Rock classification using TAS (total alkali vs. silica) diagram. (a) Plutonic rocks (Middlemost, 1994). (b) Volcanic rocks (Le Maitre et al., 2002).

Fig. 6. 
Chemical classification of plutonic rocks using major elements. (a) FeO_t – Na₂O+K₂O - MgO diagram (Irvine and Baragar, 1971). (b) K₂O vs. SiO₂ diagram (Peccerillo and Taylor, 1976). (c) A/NK vs. A/CNK diagram (Shand, 1943).

사전분류, 지화학 및 암석기재학적 분석 결과를 종합하여 KURT 부지의 대표암상을 도출하였다. 연구지역의 심성암체 내에는 다양한 성분 및 조직적 특징을 갖는 암맥류들이 10 cm 이내부터 약 25 m 두께까지 다양하게 관입하고 있다. 대부분의 암맥은 고철질 성분을 갖지만, 일부 규장질 성분과 거정질 입도를 보이는 암맥류도 발달한다. 또한, 단열대 또는 열수에 의한 변질구간도 발달한다. 이 외에 복잡한 구조나 중첩된 변질작용에 의해 명확하게 구분할 수 없는 구간은 암종미상으로 분류하였다. 상세히 분류된 각 암상들의 특성은 다음과 같다.

4.1. 화강암류

KURT 부지의 화강암류는 유성지질도폭의 복운모화강암에 해당하는 화강암과 함께 화강섬록암으로 구성되며, 복운모화강암에 특징적으로 발달하는 페그마타이트 암맥도 부지 내 화강암류에서 나타난다(Park et al., 1977). 화강암과 화강섬록암은 대표암상 분류에서 지화학 및 암석기재학적 분석 결과에 의해 다른 암상으로 분류되었지만, 각 분석에서 점이적인 화학성분 차이와 구조적 변화를 보인다(그림 5a). 이번 연구에서의 분석절차에 따라 분류된 화강암류는 다음과 같은 특성을 갖는다.

화강암(granite, Gt)은 등립의 중립질 내지 조립질 입도로 육안상으로 입자의 구분이 가능하다(그림 7a, 7b). 박편상에서는 석영, 정장석, 사장석, 미사장석, 흑운모, 백운모, 그리고 일부 장석이 견운모화(sericitization)된 것을 관찰할 수 있다. 주요 광학적 특징으로 석영에서의 파동소광, 정장석에서의 퍼싸이트조직(perthite texture), 사장석에서의 알바이트쌍정(albite twin), 미사장석에서의 격자쌍정(tartan twin)이 관찰된다.

Fig. 7. 
Photographs of representative borehole samples. Side view and cross-section of granite (a, b), granodiorite (c, d), basaltic dyke (e, f), basaltic-andesitic porphyritic dyke (g, h), fine-grained basaltic-andesitic dyke (i, j), fine-grained andesitic dyke (k, l), andesitic porphyritic dyke (m, n) and pegmatitic dyke (o, p).

화강섬록암(granodiorite, Gd)은 알칼리-규산염 분류도(TAS diagram; Middlemost, 1994; Le Maitre et al., 2002)에서 화강섬록암 영역에 도시되지만, 연구지역 내 화강암과 비슷한 영역 내에 함께 군집으로 나타난다(그림 5a). 육안상으로 화강암과 같이 입자의 구분이 가능하나, 흑운모의 함량이 높으며 일부 화강섬록암은 화강암보다 작은 약 1~2 mm 크기의 중립질 입도를 보인다(그림 7c, 7d). 박편상에서는 석영, 사장석, 흑운모, 백운모, 견운모 등을 관찰할 수 있다. 주요 광학적 특징으로 사장석과 석영의 연정에 의해 벌레가 갉아 먹은 듯한 모양의 미르메카이트조직(myrmekite texture)과 사장석에서의 알바이트쌍정이 관찰된다(그림 8b).

Fig. 8. 
Microscope images of representative borehole samples in crossed-polarized light. (a) Granite. (b) Granodiorite. (c) Basaltic dyke. (d) Basaltic-andesitic porphyritic dyke. (e) Fine-grained basaltic-andesitic dyke. (f) Fine-grained andesitic dyke. (g) Andesitic porphyritic dyke. (h) Rhyolitic porphyritic dyke. Symbols: Bt=biotite, Mc=microcline, Ms=muscovite, Qtz=quartz, Ort=Orthoclase, Pl=plagioclase, Px=Pyroxene, red arrow=perthite texture, yellow arrow=myrmekite texture, red circle=intergranular texture, yellow circle=intersertal texture.

연구지역의 심성암류인 화강암과 화강섬록암으로 분류된 암석들을 대상으로 주원소 함량에 대한 지화학적 분석 결과, 알칼리-철-마그네슘 분류도(AFM diagram; Irvine and Baragar, 1971)에서 칼크-알칼라인(calc-alkaline) 계열에 속하며(그림 6a), 산화칼륨-규산염 분류도(K2O vs. SiO2 dia-gram; Peccerillo and Taylor, 1976)에서는 고칼륨(high-K)에서 중칼륨(medium-K) 칼크-알칼라인 계열에 속한다(그림 6b). 알루미나 포화지수(Alumina Saturation Index, ASI) 도표(Shand, 1943)에서는 대부분 과알루미나(peraluminous) 특성을 보인다(그림 6c).

이번 연구에서는 지표지질조사만으로 알 수 없던 심부의 암석학적 특성에 따른 대표암상 분류와 심도별 분포를 확인하는 작업을 수행하였다. 이를 위해 KURT 연구지역에 굴착된 시추공 중 서로 다른 암상의 수직·수평적 변화를 함께 파악할 수 있는 네 개의 시추공을 선정하였으며, 사전분류 절차 수립과 지화학 및 암석기재학적 분석을 수행하였다. 사전분류에서는 심도별 암석의 구성광물, 입도, 결정도, 색 등의 겉보기 특징을 파악하여 칼럼 형태로 데이터베이스화하고 몇 가지 기준에 따라 단순화하였다. 그리고 대표시료를 채취하여 X-선 형광분석을 통해 화학조성에 따른 암상을 분류하였으며, 현미경 관찰을 통해 암석 내 광물들의 조직적 특징을 분석하여 최종적으로 대표암상을 도출하였다.

KURT 부지를 대표하는 화강암류는 화강암과 화강섬록암으로 구분되며, 시추공에서 확인되는 암상의 대부분을 차지한다. 이를 관입하며 나타나는 암상들로 현무암질 암맥, 현무-안산암질 반암맥, 세립질 현무-안산암질 암맥, 세립질 안산암질 암맥, 안산암질 반암맥, 유문암질 반암맥, 그리고 거정질 암맥을 하나의 암상으로 분류할 수 있었다. 대표암상에 따른 연구지역 내 암상분포에서는 다양한 종류의 고철질 암맥의 산출빈도가 시추공별로 차이를 보이며, 거정질 암맥은 상대적으로 깊은 심도에서 두껍게 분포하였다. 또한 대부분의 암맥상 관입암들은 모암의 단열분포와 관련이 있거나 주변에 변질대가 함께 분포하는 경향을 나타냈다. 단열대를 포함한 취성구조를 따라 관입하는 특성을 갖는 암맥류에 대한 상세분석 결과는 천연방벽 내 취성구조가 과거부터 현재까지 겪어온 진화과정을 복원하기 위한 지질학적 증거로 제시될 수 있을 것이다. 이를 통해 서로 다른 시기에 생성된 암석이 같은 암상을 보이는 경우와 같은 시기에 생성된 암석이 다른 암상을 보이는 경우의 선후관계를 파악할 수 있을 것이다.

이번 연구에 활용된 시추코어 자료는 2차원적 자료이므로 부지를 대표하는 3차원 모델로 모사하는 데 어려움이 있다. 하지만 수립된 절차는 부지를 구성하는 기반암의 특징을 정량적으로 해석할 수 있어 다른 시추공에 적용하였을 때 심부 암석학적 특성을 동등한 해상도로 평가할 수 있을 것이다. 아울러, 도출된 대표암상들의 미량원소 및 동위원소 분석과 절대연령측정을 통해 암석의 생성시기를 제한함으로써 최종적으로 천연방벽의 장기진화를 설명하고 3차원 암상모델을 구축하는데 신뢰도 높은 자료로 제공할 수 있을 것이다.