서 론

일반적으로 지질조사를 수행할 때 암석분포와 지층의 연속성을 이해하기 위하여 단층이나 습곡, 절리 등의 지질구조를 밝히려고 노두를 관찰하는 지표지질조사 외에도 지구물리탐사, 지형 및 영상분석 등 다양한 기법들이 활용되고 있다. 지구물리탐사 방법 중에 방사능탐사는 지층이나 토양에 포함되어 있는 방사성 동위 원소로부터 방출되는 자연 방사선을 검출하는 방법으로 주로 우라늄 광상 탐사, 단층 및 균열대, 암석의 분포 경계 등의 지질조사 등에 활용되고 있다(IAEA, 2003; Söderström and Eriksson, 2013; Youssef and Elkhodary, 2013; Yun and Cho, 2019). 국내에서 방사능탐사는 주로 항공기를 이용하여 방사능 원소 이상도를 작성하기 위하여 한국지질자원연구원에서 1982년부터 수행되어 왔으며(Park et al., 2015), 전국토를 대상으로 연차적으로 항공 방사능탐사를 수행하여 모든 에너지 레벨에서 감지된 감마선 방출의 합계인 총 감마선 계수율(Total)과, 칼륨(K), 우라늄(U), 토륨(Th) 등의 4가지 방사능도를 지속적으로 작성 및 발간하고 있다. 최근에는 희토류, 니켈 등 2차전지 생산에 필요한 핵심광물자원을 탐사하기 위한 목적으로 헬리콥터를 이용한 항공 방사능탐사가 항공 전자탐사 및 자력탐사와 함께 수행하고 있으며, 넓은 지역을 효율적으로 탐사할 수 있는 이점이 있다(Shin et al., 2013).

지상에서의 방사능탐사는 휴대가 쉽고, 현장 자료 획득 및 해석이 간단하여 주로 단층, 균열대, 암상 경계 등의 개략적인 지질조사 목적으로 널리 활용되고 있지만, 국내에서는 현장 적용 사례가 거의 없다. 일부 광물자원탐사 과정에서 피복된 지층의 암상분포 및 경계를 파악하기 위하여 휴대용 방사능탐사에 GPS를 부착하여 조사자가 정해진 영역 안에서 이동하면서 탐사 자료를 획득하여 방사능 분포도를 작성하여 광화대 평가에 활용한 사례가 있다(Ko et al., 2015). 휴대용 방사능탐사기가 국내 많이 보급되어 있고, 탐사 방법이나 해석 기술이 일반화 되어있음에도 불구하고, 지질조사나 광물자원탐사에 널리 활용되고 있지 않다. 그 이유는 국내 현장탐사 사례가 축적되어 있지 않아 해석의 노하우가 없어 방사능탐사 결과를 통한 개략 지질조사의 유용성이 널리 알려지지 않고 있기 때문으로 생각된다.

따라서 이 기술보고에서는 방사능탐사의 원리 및 방법을 설명하고, 항공 및 지상에서의 현장 탐사 사례를 간략히 소개함으로써 방사능탐사의 장단점과 지질조사 및 광물자원탐사에 유용한 지질 특성 정보를 제공할 수 있음을 보고하고자 한다.

방사능탐사 원리

방사성 동위원소의 붕괴 계열

암석과 광물 중에는 우라늄(²³⁸U), 토륨(²³²Th), 칼륨(⁴⁰K) 등의 방사성 동위 원소가 포함되어 있다. Fig. 1과 같이 ²³⁸U과 ²³²Th은 어미 핵종으로부터 차례로 딸 핵종이 생성되는 붕괴 계열을 형성한다. 이러한 붕괴 과정에서 α선, β선 γ선이 방출되는데 이 방사선은 각 핵종마다 고유 한 에너지를 가지고 있다. 붕괴 계열의 중요한 특성에는 방사 평형이 있는데, 이것은 어미 핵종의 반감기가 딸 핵종의 반감기에 비해 충분히 길 때, 일반적으로 딸 핵종 반감기의 7~10배 시간이 경과한 후에는 어미와 딸 핵종의 붕괴율과 원자 수의 비율도 일정하게 된다. 따라서 방사 평형 상태에 있는 어미 핵종의 존재양은 딸 핵종으로부터 방출되는 방사능 측정값으로부터 산정할 수 있다. 이러한 방사성 동위원소의 붕괴 계열을 이용하여 방사능탐사에서는 우라늄(²³⁸U)은 비스무트(²¹⁴Bi)를 측정하고, 토륨(²³²Th)은 탈륨(²⁰⁸Tl)을 측정하여 방사능 세기를 산정하며, 탐사 결과로는 모든 방사능 세기를 계수하는 Total과 K, U, Th의 3가지 방사성 핵종에 대응하는 스펙트럼을 얻을 수 있다.

Fig. 1.

Radioactive decay chains of (a) uranium­238 and (b) thorium­232.

방사능탐사 원리

방사능탐사에서 이용되는 방사선은 주로 감마선(gamma-ray, γ)이며, 특별히 다른 방사선과 구별할 필요가 없는 경우에 방사능탐사는 이γ선에 의한 탐사를 가리킨다. 감마선 탐사에는 감마선의 총량만을 계수하는 총 감마선법과 총 감사선량뿐만 아니라 방사성 핵종에 대응하는 스펙트럼의 감마선량을 각각 계수하는 감마선 스펙트럼법이 있다. 감마선 스펙트럼 법에서는 핵종마다 방출되는 감마선의 에너지가 다름을 이용하고, 섬광(scintillation, Nal(Tl))검출기와 스펙트럼 분석기에 의해 각각의 핵종으로부터 방출되는 감마선을 추출한다(KSEG, 2011).

감마선 스펙트럼법의 경우에는 에너지 세기별로 나눈 각 단계를 채널이라고 부르며, Fig. 2에 나타낸 것과 같이 가로축의 0-3.0 MeV의 에너지 범위에서 256(또는 512)개의 채널을 기록한다. 계측 시간 동안 검출기에 입사한 감마선 펄스의 스펙트럼을 분석하여 채널마다 구별해 계수하는데, 일반적으로 ⁴⁰K, ²³⁸U, ²³²Th에 대해서 동시에 모니터링 할 수 있는 넓은 스펙트럼 창(window)으로 되어 있다. K 에너지 창은 ⁴⁰K에서 방출되는 1.46 MeV 감마선을 모니터링하고, U 및 Th 에너지 창은 ²³⁸U 및 ²³²Th 붕괴 계열에서 붕괴 생성물(²¹⁴Bi과 ²⁰⁸Tl에서 방출되는 1.76 MeV와 2.61 MeV)의 감마선 방출을 모니터링 한다. 이러한 창은 일반적으로 K, U 및 Th 측정에 가장 적합한 것으로 총 계수(Total) 창은 총 방사능을 측정한다.

Fig. 2.

Gamma ray energies for three specific nuclides (modified from IAEA, 2003).

Fig. 3은 Nal(Tl)검출기를 이용한 감마선 세기의 측정 원리를 나타낸 모식도이다. 이 섬광검출기는 탈륨(Tl)이 첨가된 요오드화나트륨(NaI) 결정으로 되어 있으며, 밀도가 3.67 g/cm³으로 상당히 높고 원자번호가 높은 요오드(I)를 함유하고 있기 때문에 감마선에 대하여 높은 검출 효율을 갖고 있다. 현장 탐사에서 암석이나 토양에 존재하고 있는 방사성 동위 원소로부터 방출되는 감마선이 형광 물질과 빛전자 증배기(photo multiplier)로 구성되어 있는 NaI(TI) 검출기에 도달하게 된다. 빛전자 증배기는 감마선이 형광 물질을 때려 낸 형광을 증폭시켜 전기 신호로 변환하는 역할을 하고, 그 에너지에 해당하는 크기의 전기적 펄스를 발생시키는 원리이다. 따라서 펄스의 세기(에너지)를 기준으로 하여 스펙트럼을 분석하고, 핵종 고유의 에너지에 대응하는 감마선 세기를 구하여 스펙트럼을 분석할 수 있다.

방사능탐사의 검출기는 NaI 결정의 지름이 크면 감마선 세기를 계수할 수 있는 효율도 커지기 때문에 지표 탐사용, 드론이나 항공탐사용 등 탐사방법에 따라 NaI 결정의 지름이 다르게 제작된다. 지표에서 방출된 감마선의 세기가 공기 중에 노출되어 고도가 높을수록 감쇠하기 때문에 지표 탐사용보다는 드론이나 항공 탐사용 검출기의 NaI 결정 크기가 커져야 한다. 일반적으로 감마선 세기의 측정값의 단위는 기종에 따라 다르지만 cpm(counts per minute) 또는 cps(counts per sec), µR/h(micro Roentgen per hour)로 기록된다.

Fig. 3.

Schematic diagram of gamma ray intensity detection.

방사능탐사 방법 및 자료 처리

방사능탐사기는 사람이 들고 다니면 측정할 수 있는 휴대용, 차량 등을 이용하여 신속히 이동하면서 측정하는 차량용, 드론이나 헬리콥터를 이용한 항공용으로 대별할 수 있다. 탐사 방식은 조사지역의 넓이, 탐사 대상과 목적, 정밀도에 따라 가장 알맞은 것을 선택하며, 측선과 측점을 설정할 때에는 탐사 대상과 목적, 지형 및 지질 조건, 인공 구조물 등과 같은 장해 요인, 원하는 탐사의 정밀도나 작업 효율성 등을 고려하여 계획한다. 지질조사를 위하여 휴대용 방사능탐사기를 사용할 경우 측점을 격자 모양으로 배열하는 방법과 하나의 측선을 설정해 그 선 위에 측점을 배열하는 두 가지 방법이 있다. 전자는 사전 정보가 없는 단층이나 틈새의 위치와 주향을 파악하는 경우에 효과적이고, 후자는 위치와 주향이 어느 정도 예상되는 단층이나 틈새의 위치나 규모를 확인하는 경우에 효과적이다. 이 때 측점 간격은 필요한 정밀도나 작업 효율성에 따라 결정되며 일반적으로 격자는 10~30 m의 간격으로 설정하는 경우가 많으며, 측선 위에서는 5~20 m 간격으로 측점을 설정하는 경우가 대부분이다. 검출기는 지표면에 설치해 측정하는 것을 기본으로 하지만 지표면으로부터 30 cm 정도의 높이에 고정해 측정해도 되는데 모든 측점에 대해 똑같은 조건을 적용해야 한다(KSEG, 2011). 측정 시간은 감마선 NaI(TI) 검출기의 민감도나 탐사 목적 등을 고려하여 결정하지만, 일반적으로 60~500초 정도로 다양하게 설정할 수 있다. Fig. 4는 휴대용 방사능탐사기를 사용하여 지표면에서 측정하는 사진과 DR(does rate), K, U, Th의 4가지 방사능세기의 측정값을 보여주고 있다.

Fig. 4.

Field photograph and measured values obtained using a gamma ray spectrometer.

현장에서 측정된 자료는 총 감마선법과 감마선 스펙트럼법 모두 측점에 대한 위치 정보, 측정 시간, 총 감마선량과 지표 3 핵종(K, U, Th)의 세기가 기록되어 있다. 총 감마선법으로 측정했을 경우는 시간에 따른 변화 등을 보정한 값에 대해 측선마다 그래프로 표시하거나 등가선으로 표시되는 평면 분포도로 나타낼 수 있다. 또한 감마선 스펙트럼법에서는 출력된 자료를 이용하여 에너지 준위별로 감마선 스펙트럼도 얻을 수 있고, 이로부터 총 감마선량 및 3가지 핵종인의 스펙트럼 감마선량을 구할 수 있으며, 시간에 따른 변화 등을 보정한 값에 대해 U/K, Th/K, U/Th의 스펙트럼 비를 산출해 각각의 값에 대해 그래프 또는 분포도로 나타낼 수 있다. 이러한 스펙트럼의 비를 이용하면 측선 상에 지층이 다르거나 지표면 상황이나 인공 구조물의 영향을 어느 정도 제거하고 지질 정보를 추출할 수 있다.

실내 및 현장 적용 사례

사광상(중사) 탐사를 위한 기초실험

국내 희토류 수요가 증가하면서 하천유역의 사광상(placer mineral deposit)조사 필요성이 요구되고 있다. 4대강 중에서 사행천 만곡부에는 중사(heavy sand)가 침적되는 특성과 중사 내에는 희토류 광물인 모나자이트를 비롯하여 비중이 높은 티탄철석, 저어콘, 루틸, 자철석, 가넷 등의 유용광물이 상당량 함유되어 있다. 특히 모나자이트는 화학적으로나 기계적으로 안정성이 높아 풍화 저항성이 크며, 우라늄과 토륨 등 방사성 물질을 함유하고 있어 방사능탐사 활용 가능성을 알아보기 위하여 실내에서 기초적 실험을 수행하였다.

Fig. 5는 일반적인 강모래와 중사의 감마선 세기와 강모래 중에 중사의 함량이 증가할 때 감마선 세기의 변화특성을 알아보기 위해 실내에서 실험한 결과이다. 시료 용기는 10 × 10 × 20 cm의 아크릴 박스를 사용하였으며, 동일한 배경치를 가진 지표에서 모래와 중사를 따로 박스에 넣고 휴대용 감마선 검출기(RS-230, Radiation Solutions Inc.)로 측정하였다. 또한 모래 1,200 g에 무게비 1%, 2%, 3%의 중사 함량을 증가시킨 혼합 시료에 대해서도 감마선 세기를 측정하였다. Fig. 5a에서 강모래와 중사의 감마선 세기 측정결과를 보면, 중사에서는 Total, U, Th에서는 감마선 세기가 높게 나타나고, K에서는 오히려 낮게 나타나고 있다. 이것은 시료채취의 주변 지질과 관계가 있을 것으로 판단되며, 중사보다 일반적인 강모래가 화강암 풍화작용으로 생성된 곳이라 K 함유량이 많을 것으로 추측된다. 그러나 Fig. 5b에서와 같이 모래 중에 중사의 함유량이 많아지면 전체적으로 감마선의 세기가 증가 하고 있어 하천의 만곡부에 침적되어 있는 중사를 탐사하는데 드론이나 헬리콥터를 이용한 방사능탐사가 유용할 것으로 생각된다.

Fig. 5.

Results of an indoor experiment related to radiometric exploration of a placer mineral deposit.

자원탐사를 위한 지질조사 적용 사례

일반적으로 방사능탐사는 화성암의 경우 산성암은 염기성암보다 방사능이 강하고, 동종의 암석에서도 산출 지역에 따라 매우 다른 방사성 물질의 함유량을 나타내고 있으며, 새로운 용암은 오래된 것에 비해 강한 방사성을 나타내고 있다. 이것이 방사능탐사로 암상 분포 경계 확인이 가능한 근거라고 할 수 있다. 최근 우리나라의 전기차, 이차전지, 반도체 분야의 산업발달에 필요한 핵심 광물(리튬, 니켈, 코발트, 망간, 흑연, 희토류)의 안정적인 공급망 확보를 위하여 국내 유망 광화대를 찾는 과정에서 지상 또는 항공 방사능탐사를 수행하고 있으며, 그 결과를 전기 ‧ 전자탐사, 자력탐사 결과와 함께 종합적으로 해석함으로써 자원탐사에 유용한 지질정보를 제공하고 있다.

Fig. 6은 공주시 유구읍 일대에서 니켈의 잠재성을 가지고 있는 초염기성암체(자철석 함유)의 분포를 구획하기 위하여 항공자력 및 전자탐사와 함께 수행한 항공방사능탐사 결과이다. 헬리콥터 내에 감마선 검출기(RSX-5, Radiation Solutions Inc.)를 탑재하여 시속 70 km/h로 조사 영역(13 × 5.5 km)에 대해 측선 간격 100 m로 총 56개 측선에 대해서 감마선 세기 자료를 취득하였다. Fig. 6a 지질도에서 HS 기호로 표시된 영역이 초염기성암체인 각섬석편암이 분포하고 있는 곳으로 방사능탐사 결과를 보면, 주변의 화강편마암(PCEgny)이나 흑문모편마암(PCEbgn)보다 감마선 세기(total gamma ray intensity)가 낮게 나타나고 있어 암상의 경계를 뚜렷하게 구분 할 수 있다.

Fig. 6.

Geological map and results of airborne radiometric exploration.

Fig. 7은 흑연광상 조사 과정에서 지표에서 감마선 세기를 측정한 결과이다. 광화대 탐사를 위해 설정한 전기비저항탐사 측선 길이 400 m 중에 흑연광화대가 관찰되는 측선 75-265 m를 대상으로 측점 간격 5 m로 K(%), U(ppm), Th(ppm)의 3가지 방사능 핵종을 대상으로 감마선 세기를 측정하여 분석했다. 현장에서 측정은 호미로 지표의 부엽토 등을 제거하기 위해 10-20 cm 정도 흙을 파서 평탄면으로 조성한 뒤 휴대용 감마선 검출기(RS-230)의 헤드를 지면에 밀착시키고, 60초간 감마선 세기를 측정했다.

Fig. 7a는 K과 U, Th의 측정 단위가 다르지만, 각 측점별 감마선 세기를 그래프로 나타낸 것으로 B18~B27사이에서 Th의 변화가 크게 관찰된다. 이러한 이유는 흑연광상이 분포하는 주변 지질과 연관이 있을 것으로 판단된다. 이 흑연광상의 지질은 선캄브리아기 원남층군의 편마암류 및 편암류를 중생대 춘양화강암이 관입하고 있으며, 흑연광체는 변성퇴적암의 편마암류 및 편암류에 발달되어 있다. 따라서 감마선 세기의 Th이나 U은 화강암보다 변성암류에서 높게 나타나고 있으며, 이는 곧 흑연광상의 광화대 분포를 시사하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 7.

Identification of graphite ore bodies based on radiometric and electrical resistivity survey results.

단층파쇄대 조사 사례

휴대용 감마선 검출기는 작은 규모의 단층이나 균열대 등 대상 지역 안에서 측선과 측점을 임의로 설정할 수 있고, 측점의 위치 측량을 정확하게 할 수 있기 때문에 폭이 1 m 정도, 길이가 수 m 내외로 형성된 단층이나 균열을 탐사하고자 할 때 매우 유용하다. 일반적으로는 단층이나 파쇄대와 같이 지표에 노출된 균열이 지하 심부로 연장되어 있을 경우 감마선 세기가 주변보다 높게 나타난다. 그러나 파쇄대나 균열대에 단층점토 등으로 충진되어 있을 경우에는 감마선 세기가 주변보다 오히려 낮게 나타나는 경향이 있어 이러한 사실에 근거하여 방사능탐사를 지질구조 조사에 활용하고 있다.

Fig. 8은 활성단층조사 과정에서 전기비저항탐사 측선을 따라 측점 간격 4 m로 감마선 세기를 측정한 결과이다. 산지의 비탈면에 호미로 부엽토를 제거하고 평탄하게 조성한 지표면에서 휴대용 감마선 검출기(RS-230)의 헤드를 밀착시키고, 60초간 감마선 세기를 측정했다. 탐사지역은 세종특별자치시 장군면 송학리에 위치한 공주단층대 주변으로 단층 파쇄대와 균열대에서 감마선 세기가 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 현장조사에서 산의 하류방향으로 미끄림 현상에 의한 열극부가 측선 상에서 확인되고 있으며 이러한 위치에서 감마선 세기가 오히려 단층 파쇄대보다 높게 나타나고 있어 열린 단열구조에서 감마선의 세기가 높음을 이해할 수 있다.

Fig. 8.

Identification of fault fracture zones based on radiometric and electrical resistivity survey results.

결 론

방사능탐사의 장점은 다른 물리탐사방법에 비해 현장 작업의 효율성, 분석 및 해석의 간편성에서 탁월하고, 최근 들어 드론을 활용한 방사능탐사는 짧은 시간에 대량의 자료를 획득하여 탐사의 정밀도를 높일 수 있어 지질조사뿐만 아니라 방사능환경조사 분야에서도 활용하고자 기술을 개발하고 있다(Yun et al., 2015). 항공 방사능탐사의 경우, 한국지질자원연구원에서 1982년부터 전국토를 대상으로 방사능도를 작성하는 연구가 수행되면서 헬리콥터를 이용한 자료 획득 및 해석 기술이 축적되어 오고 있다. 그러나 지상에서의 방사능탐사는 휴대용 탐사기가 국내에 많이 보급되어 있음에도 불구하고 현장 활용 사례가 거의 없어 자료 축적 및 해석 기술 노하우가 요구되고 있다. 방사능탐사 결과인 감마선의 세기는 지하의 지질적인 요인뿐만 아니라 인공 구조물, 지표 환경, 우주선 등 여러 가지 요인에 의하여 많은 영향을 받는다. 특히 탐사에서 측정되는 감마선의 세기는 지표에서 30-50 cm 내의 암석이나 토양으로부터 발생된 것으로 지표면 부근의 성질과 상태(매립토 토질의 변화, 지표가 마르고 젖은 정도의 차이, 석재나 콘크리트)가 감마선 세기에 영향을 준다. 따라서 방사능탐사는 지표면에서 방출하는 방사선 세기를 측정하는 방법으로 깊이에 따른 암상 및 지질구조를 파악하기는 어렵다. 또한 단층 등의 지질 구조를 해석할 때에는 기존의 지질 문헌 자료, 선 구조 분석, 지표 지질 답사나 다른 지구물리 탐사법에 의한 결과를 종합적으로 해석하는 것이 바람직하다.

이 기술 보고서에서 소개한 방사능탐사 현장 사례는 자원탐사를 위한 지질조사나 단층조사에서 전기비저항탐사 결과와 함께 암석의 분포 및 경계, 단층 파쇄대와 균열대 등 유용한 지질 정보를 손쉽게 얻을 수 있음을 알 수 있다. 현실적으로 국내산지의 경우, 울창한 숲이 형성되어 있어 노두 발견이 어려워 지표 지질조사로 암석 분포나 경계를 파악하기가 쉽지 않고, 지질 답사에서도 부엽토로 피복된 파쇄대나 암맥 등 지질특성을 매핑하기가 쉽지 않다. 이러한 지질조사의 환경적 어려움에 방사능탐사를 활용할 수 있을 것으로 생각하며, 향후 국내 방사능탐사를 활용한 지질조사 자료 및 해석 노하우가 축적되어 가기를 기대한다.