서 론

고준위방사성폐기물을 생태계로부터 장기간 격리하기 위해 심층처분시설(deep geological repository, DGR)에 처분하는 방법이 세계적으로 고려되고 있다(예: 스웨덴의 SKB와 핀란드의 Posiva 부지; Andersson, 2003; Siren, 2017). 이를 위해 처분부지에 관해 여러 학문별 검토가 이루어지며, 스웨덴 SKB에서는 6개의 학문 분야(지질학, 암반의 열적 특성, 암반역학, 수리지질학, 수리지화학, 용질이동)에 대한 부지기술모델을 만들었다(Andersson, 2003; Birkholzer et al., 2019; Kim et al., 2021). 부지기술모델은 국내에서 부지모사모델 또는 부지특성모델로도 번역된다(Kim et al., 2021; Park et al., 2024).

각 분야의 부지기술모델을 구축하기 위해서는 지질학적 부지기술모델(geologic SDM)이 선행되어야 하며, 이를 기반으로 다른 학문 분야의 부지기술모델이 단계적으로 구축된다(Fig. 1). 구축된 각 부지기술 모델은 수치해석 결과와 추가 지반조사 자료를 반영하여 지속적으로 보완되며, 이러한 보완 과정에서 도출된 결과는 다시 지질학적 부지기술모델에 피드백되어 모델 간 정합성 확보에 활용된다.

이 기술 보고 관련 연구 중 하나인 지질학적 부지기술모델은 스웨덴과 핀란드의 예에서와 마찬가지로 지질학적 조사 자료(geology data)와 지질학적 해석(interpretation)으로 구성된다(Fig. 1의 오른쪽 그림). 지질학적 조사 자료는 관련 문헌, 지표에서의 노두 조사, 시추 조사, 2차원 또는 3차원 탐사자료를 포함한다. 지질학적 해석은 관찰된 모든 자료와 합리적 학설의 가정에 기반한 3차원 지질도이다. 해석은 새로운 자료의 추가 시 기존 해석과 새롭게 추가된 자료의 정합성을 검토한 후 업데이트될 수 있다.

Fig. 1.

Role of geologic SDM for other disciplines (simplified after Kim et al., 2021).

이 기술 보고는 지질학 분야의 부지기술모델 중 해석 부분에 해당되는 3차원 지질 모델의 구축에 대해 보고하고자 한다. 국내의 심층처분 후보 부지는 주로 시·원생대 편마암과 중생대 화강암 등의 결정질 암석이 분포하는 지역이다. 이러한 결정질암은 지질 경계면의 형상이 불규칙하고 복잡하게 나타나는 특징이 있는데 이에 적합한 경계면 형성 방법을 기술하고자 한다.

3차원 지질 모델링 개요

지질학적 부지기술모델은 지표지질 조사, 시추 조사, 지구물리탐사 분야의 자료(예: Kim et al., 2023a)를 기반으로 지질 해석을 추가하여 구축된 3차원 지질 모델과 모델을 만드는 일련의 과정(예: Park et al., 2014)을 포함한다. 추가 조사(시추, 지표, 물리탐사)가 시행될 경우, 추가조사 결과를 반영되어 개선된 모델이 만들어진다.

3차원 지질 모델 구성을 위한 흐름도는 Fig. 2에 나타나 있다. 지질 모델의 구성을 위해 자료에 좌표 정보가 포함되어야 하므로(Park et al., 2014), 해당 지역의 수치지형도와 현장조사 시 측량 결과를 통해 자료를 좌표로 나타낸다. 지질도 정보의 경우, 기발간된 지질도와 지표지질조사를 통해 만들어진 지질도에 대한 분석을 통해, 지질도 내의 모든 불연속 경계의 종류(퇴적, 단층, 관입 경계)를 파악하고, 경계면의 자세(attitude)에 대한 자료 또한 수집한다. 이러한 지질 경계를 지형도 또는 디지털 표고 모델(digital elevation model)에 중첩하여 지질 경계면의 지표 트레이스(지질 경계면과 지표면이 만나 이루는 교선)를 3차원화한다.

Fig. 2.

Flowchart for the construction of a 3D geologic model.

이 기술 보고와 관련된 연구에서는 지질 구조와 함께 지질 경계면으로 체적화시킨 지질 단위를 구성하고 이를 종합하여 3차원 지질 모델을 구축하기 위해 SKUA-GOCAD를 활용하였다. SKUA-GOCAD는 지질 구조 해석과 3차원 지질 모델링, 석유 및 광물자원 개발에 널리 활용되는 소프트웨어이다.

SKUA-GOCAD에서 지질 볼륨을 만들기 위해서는 우선적으로 지질 경계면을 만들어야 한다. 지질 경계면들을 3차원에서 폐합시켜 체적을 갖는 지질 단위가 만들어지는데 이를 지질 볼륨(geologic volume)이라고 한다. 따라서 지질 볼륨은 3차원 지질 모델 내의 특정 암체나 지질학적 단위가 차지하는 공간적 영역을 의미한다. 이 기술 보고 관련 연구에서의 지질 볼륨은 1) 특정 암상(지질 유닛), 2) 변질대, 3) 단층대, 4) 암상의 분대(zonation, 예: 안동 화강암의 분대, Hwang et al., 2002)를 포함한다. 이와는 별도로 부피가 없이 면으로만 나타나는 경우도 있는데, 단층면이 이에 해당된다.

위에 설명한 과정에서 지질 경계면을 만들 때 이용된 자료는 지질도에 나타난 지질 경계면을 기반으로 한 것인데, 심층처분 부지 모델링은 지하 환경의 구조적·물리적 특성을 고해상도로 재현해야 하는 고난도 작업으로, 이를 위해서는 다양한 지반·지질 조사 요소들이 필수적으로 수반되어야 한다. 특히 정밀한 지표조사와 심부시추조사 및 코어 기술 기록은 지하 지질 정보를 직접적으로 확보하는 핵심 절차이며, 탄성파 탐사를 포함한 물리탐사는 지하 구조의 연속성과 물성 변화를 해석하는 데 중요한 근거를 제공한다. 더불어, 모델링 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 관측 자료와 부합하며 지질학적으로 타당한(admissible) 지질구조 해석 과정이 필수적이다. 이러한 요소들은 심층처분 부지의 지질학적 특성을 종합적으로 이해하고, 안전성 평가를 위한 정교한 지질·지반 모델을 구축하는 데 반드시 요구된다. 이에 3차원화된 지질 자료, 시추 자료, 탐사자료와 이미 만들어진 지질 경계를 비교하여 필요시 지질 경계면을 수정하는 과정을 통해 지질 모델의 지질 경계면과 여러 자료의 정합성이 유지되게 한다. 이와 같은 수정 과정은 새로운 자료가 지질학적 부지기술모델에 추가될 때마다 지속적으로 반복되게 된다.

지질 경계면 정의 방법과 지질 볼륨의 구성

3차원 지질 모델의 구축은 궁극적으로 지질 볼륨을 정의하는 것이다. 지질 볼륨은 모델 내의 특정 암체나 지질학적 단위가 차지하는 공간적 영역을 의미하며, 이러한 영역은 상부의 지형, 복수의 측면 지질 경계, 그리고 하부의 지질 경계로 둘러싸인 구조로 나타낼 수 있다. 따라서, 지질 볼륨의 정확한 정의를 위해서는 이를 둘러싸는 지질 경계면(geologic boundary)들이 우선적으로 정밀하게 생성되어야 한다. 이 과정의 정확성이 전체 3차원 모델의 신뢰성을 결정하는 핵심적인 요소가 된다.

지질 경계면을 구축하기 위해 다음과 같은 4가지의 방법을 비교했다. 1) 복수의 지질 단면보간법, 2) 최적 적합 평면(best-fitting plane) 방법, 3) 층서 기반 보간법, 4) 포인트 클라우드 보간법이 이에 해당되며, 각각의 기법은 모델링 대상이 되는 지질 특성에 따라 그 장단점이 명확하게 구분된다(Hänni, 2014; Park et al., 2015; Zhang et al., 2022; Bédard et al., 2023; Kim et al., 2023b).

이 기술 보고에서 중점적으로 다루는 포인트 클라우드 보간법은 지표 지질 경계의 트레이스를 기준으로 점 집합체인 포인트 클라우드를 생성하고 점과 점 사이의 공간을 보간하여 지질 경계면을 구성하는 방법이다. 이 방법은 특히 관입암의 불규칙하고 복잡한 지질 경계를 반영하는 데 효과적이며, 국내 심층 처분 후보 부지와 같은 결정질암 환경에 가장 적합한 것으로 평가된다(Kim et al., 2023b).

이 기술 보고와 관련된 연구에서 지질 볼륨은 다음 세 단계를 거쳐 만들어진다. 첫째, 지표 상의 지질 경계의 2차원 데이터를 3차원 포인트 클라우드 데이터로 변환하고, 둘째, 생성된 포인트 클라우드를 보간하여 연속적인 3차원 경계면을 만들며, 마지막으로 3차원 지질 경계면들을 합쳐서 지질 볼륨을 형성한다.

지표 상의 지질 경계면의 포인트 클라우드 데이터화 및 보간

데이터 획득 및 디지털화 과정은 지질도 상의 2차원 데이터를 3차원 공간상의 포인트 클라우드(점들의 집합체)로 변환하는 첫 단계이다. 먼저, 지질 경계면의 트레이스를 따라 이산화(또는 좌표 수치화, digitize)하여 점들의 좌표(x, y)를 기록한다(Fig. 3A). 이 과정 후, 각 점의 z 좌표는 국토지질정보플랫폼에서 제공되는 1:50,000 또는 1:25,000 스케일의 수치지형도(digital elevation model, DEM)를 활용하여 부여된다(Fig. 3B). 그다음에는 각 점이 놓여 있는 지질 경계면의 주향(strike)과 경사(dip) 정보를 부여한다. 어느 특정 점(Fig. 3A의 i점)의 인접한 두 점(i-1점과 i+1점)을 이용하여 주향 방향을 계산한다. 주향에 수직한 두 방향 중 경사 방향은 좌표를 수치화하는 진행 방향(i-1점에서 i+1점)에 대해 오른쪽을 향하도록, 즉 북미지역에서 널리 쓰이는 오른손 법칙(right-hand rule)과 유사한 방법으로 정의한다. 경사각은 지질도에 표시된 면 구조의 방향 자료나 지질도와 함께 제공되는 단면에서의 경사각을 사용한다. 여기서 주의할 점은 지질도에 제공된 지질 단면의 방향이 지질 경계의 주향 방향과 90도가 아닌 경우, 단면상의 경사각이 위경사(apparent dip)가 되므로 이를 진경사(true dip)로 변환하는 과정이 반드시 필요하다는 것이다. 이렇게 정의된 경사 방향과 경사각을 기반으로, 별도의 작성된 프로그램을 사용하여 각 점을 해당 경사 방향으로 일정 간격으로 원하는 심도까지 하강시킨다. 이 과정을 지질 경계 트레이스의 시작점에서 끝점까지 반복적으로 적용하면, 이 점들이 3차원 공간에서 면을 나타내는 포인트 클라우드가 된다.

Fig. 3B의 포인트 클라우드를 기반으로 지질 경계면을 생성하기 위해서는 보간 과정이 필수적이다. 보간은 3차원 공간상에 흩어져 있는 점들 사이의 빈 공간을 수학적 계산을 통해 채워 연속적인 표면을 만드는 과정이다. 이 연구에서는 복잡한 지질 경계의 곡면을 정밀하게 재현할 수 있는 SKUA-GOCAD를 사용하여 보간된 지질 경계면을 만들었다. SKUA-GOCAD는 복잡한 지질 경계의 곡면을 정밀하게 재현하고 해석 결과를 유연하게 갱신할 수 있다는 장점이 있다(Caumon et al., 2009). 보간의 결과물은 세 개의 노드(node)점을 연결하여 만들어지는 삼각형들로 구성된 삼각망 메쉬(triangular mesh)로 나타난다. SKUA-GOCAD는 직접 보간법과 간접 보간법의 두 가지 보간 기법을 제공한다.

Fig. 3.

Procedures of forming point cloud for geologic boundary. (A) Digitization of x, y coordinates of geologic boundary from a geologic map. (B) (from bottom to top) Digitization of x, y, z coordinates on geologic map and DEM model, and formation of point clouds.

직접 보간법은 모든 입력 점을 정확히 통과하는 면을 형성하는 방식이다(Fig. 4). 이는 입력 데이터와 최종 메쉬 간의 불일치가 전혀 없다는 점에서 장점이 있다. 그러나, 입력 데이터에 오류나 노이즈(noise)가 포함되어 있을 경우, 그 오류가 최종 메쉬에 그대로 반영되어 지질학적으로 비현실적이거나 왜곡된 경계면이 만들어질 수 있다.

Fig. 4.

Result of direct triangulation interpolation method.

간접 보간법은 입력자료와 보간된 면 사이의 불일치를 최소화하는 최적의 곡면을 찾는 방식이다(Frank et al., 2007; Caumon et al., 2013). 이는 SKUA-GOCAD의 독자적인 알고리즘인 DSI (discrete smooth interpolation)를 기반으로 한다. DSI 알고리즘의 핵심은 보간된 지질 경계면이 데이터를 단순히 통과하는 것이 아니라, 데이터의 전체적인 경향성이 반영된 지질 경계면을 찾는 것이다. 이러한 접근 방식의 가장 큰 장점은 데이터의 오류나 잡음에 대해 높은 유연성을 가진다는 점이다.

DSI 알고리즘의 유연성은 제약조건(constraints) 설정으로 극대화된다. 제약조건은 소프트 제약조건(soft constraints)과 하드 제약조건(hard constraints)이 있다(Fig. 5). 소프트 제약조건은 포인트 클라우드의 경향성을 반영할 수 있도록 메쉬를 구성하는 삼각망 각각의 이동 방향과 크기를 정해주는 것이고(Fig. 5B), 하드 제약조건은 전체 메쉬 모양이 움직이는 방향을 정해주는 규칙이다(Fig. 5A). 따라서 소프트 제약조건이 없는 메쉬는 메쉬 내의 삼각망의 이동 방향이 설정되지 않아 움직이지 않으며, 하드 제약조건 없이 소프트 제약조건만 있다면 메쉬가 기준면에 평행한 방향으로 자유롭게 변형되어 경계면이 압축되거나 줄어들게 된다(Fig. 5C의 밝은 면에 비해 줄어든 음영 진 면). 따라서 간접 보간법에서는 일반적으로 하드 제약조건과 소프트 제약조건이 함께 사용되며, 이러한 제약조건을 통해 입력 데이터와 완벽히 일치하지는 않지만, 포인트 클라우드의 경향성을 가장 잘 반영하는 최적의 곡면을 생성한다(Fig. 5D). 이는 데이터에 포함된 오류를 걸러내고, 새로운 조사 자료가 추가될 때 모델을 유연하게 갱신할 수 있는 기반을 제공한다.

Fig. 5.

Conversion of a flat surface (A and B) to a curved surface with discrete smooth interpolation method in SKUA-GOCAD. (A) Hard constraints on shaded area. (B) Soft constraints indicated with thin lines. (C) An example after application of only soft constraints (without hard constraints) and (D) after interpolation with both hard and soft constraints. See text for details.

지질 볼륨 구성

앞서 설명한 과정을 통해 생성된 지질 경계면들은 3차원 지질 볼륨을 정의하기 위해 B-rep (boundary representation) 프레임워크(framework) 내에서 활용된다. 육면체의 모서리(edge)와 면(surface)은 육면체를 구성하는 기하학적 요소이지만, 이와 유사한 B-rep의 요소인 보더(border)와 영역(region)은 위상수학적 요소이다. 즉, 형상에 대한 정보는 정확하게 기하학에서 정의할 수 있지만, 다른 요소들과의 공간적인 관계와 연속성은 위상 수학에서 정의된다. SKUA-GOCAD와 같은 B-rep 기반 모델에서는 보더(border)의 개념이 사용된다. 보더는 사용자가 정의한 곡면들간의 관계이며, 이 보더들을 연결하여 닫힌 다면체를 형성하면 영역(region)이 된다. 즉, B-rep에서의 보더와 영역은 기하학에서의 모서리와 면에 해당되는 개념을 위상수학적으로 확장하여 관계성이 중요시되는 지질 모델에 적용한 것이다. 이 기술 보고에서는 지질 경계면을 보더로 설정하고, 보더를 연결하여 영역에 해당하는 지질 볼륨을 구성하였다.

지질 모델 구축 예시: 안동 일원

결정질암이 모암인 지역의 3차원 지질 모델을 만들기 위해 안동대학교를 중심으로 가로 6.5 km, 세로 4.6 km, 심도 1.2 km의 모델링 대상 영역을 설정하였다. 지질 모델링은 중평동 도폭과 지질도폭설명서(Kim et al., 1970)을 참고하여 작성되었으며, 참고문헌을 통해 보완하였다(Kang and Lee, 2008). 모델링 지역은 선캠브리아기 변성편마암이 중앙부에 분포하며, 서측 및 동측에는 화강암체가 분포한다. 또한 선캠브리아기 변성편마암의 일부는 백악기 알코스 사암과 단층 접촉을 하고 있는 것으로 해석된다. 기반암에 발달 된 이 단층은 충적층이 피복하고 있다(Fig. 6).

Fig. 6B는 Fig. 6A의 충적층 하부의 지질 경계를 추정한 지질도이다. 추정 지질도의 지질 경계면, 모든 지질 경계면에 대한 경사방향과 경사각을 기반으로 포인트 클라우드를 작성하였다(Fig. 6C의 점들). 단층면의 방향, 관입경계의 방향은 지질도폭과 구조해석 연구를 참고하였다(Kang and Lee, 2008; Kim et al., 1970). 이렇게 작성된 포인트 클라우드는 SKUA-GOCAD 소프트웨어에서 보간을 위한 입력자료로 활용된다. 입력자료의 보간 과정에서는 SKUA-GOCAD 고유 알고리듬인 DSI (discrete smooth interpolation)를 활용하였다. 이 과정에서 하드 제약조건은 면의 기하학적 일관성을 유지하도록 하며, 소프트 제약조건은 관측 자료를 따라갈 수 있도록 하여 복잡한 곡면 구조를 안정적으로 재현할 수 있다(Fig. 6C).

Fig. 6.

Geologic map of Andong area, (A) with the Quaternary alluvial deposit and (B) after removing the Quaternary alluvial deposit. The “U” symbols on (B) represent the units at the structurally upper (“U”) position. (C) Geologic boundaries constructed after interpolating point clouds.

3차원 지질 모델을 구성하기 위한 마지막 단계에서는 전체 모델링 영역을 감싸는 경계 박스를 정의하고, B-rep을 구성하는 순서를 정한다. 안동 지역의 경우, 전체 모델 영역을 편마암으로 채우고(Fig. 7A), 동서지역의 화강암 모델을 만들어 화강암 볼륨이 편마암을 치환하게 하였다(Fig. 7B). 남측의 알코스 사암 또한 이미 만들어진 편마암과 화강암 볼륨을 치환하였다(Fig. 7C). 이때 동시에 모델의 단층면을 정의하였다. 마지막으로 충적층이 분포하는 지역의 특정 고도의 상부에 존재하는 기반암을 충적층이 치환하게 된다(Fig. 7D).

Fig. 7.

Order of forming geologic units in SKUA-GOCAD (geology SDM modelling software). (A) Filling the entire region with the Precambrian gneiss. (B) Forming intrusive boundaries between the Precambrian gneiss and the Jurassic granite. (C) i) Defining the Jurassic granite body and ii) forming fault contacts between the Cretaceous arkosic sandstone and the crystalline rocks of the gneiss and granite. (D) Defining the volume of arkosic sandstone and Quaternary alluvial deposit.

토 의

3차원 지질 모델링에서는 일반적으로 경계면을 정의하고 이를 조합하여 지질 볼륨을 구성하는 방법이 활용된다(예: Park et al., 2014). 퇴적암 지역의 경우, 시추 자료를 기반으로 층간 경계면의 심도와 특성(정합, 부정합 등)을 입력하면, SKUA-GOCAD와 같은 3차원 지질 모델링 소프트웨어에서 시추공 간의 공간에 대한 보간 작업을 통해 지질 경계면과 볼륨을 구성할 수 있다. 그러나, 화강암, 편마암 등 결정질 암석으로 이루어진 지역은 지질 경계면(예: 관입 경계)이 매우 불규칙하여 소프트웨어의 자동 보간 기능을 사용하기 어렵다. 실제로 편마암-화강암-편암이 산출하는 지역에서 단면을 작성하고 가상의 시추공을 생성하여 SKUA-GOCAD로 보간을 시도했으나, 단면을 반영하는 3차원 지질 모델이 생성되지 않았다. 또한, 결정질 암석 지역의 3차원 지질 모델링에 활용할 수 있는 자료가 제한적인데, 이 중 가장 접근하기 쉬운 자료는 지표에 노출된 지질 경계이다. 따라서 이 연구에서는 지표의 지질 경계를 기준으로 포인트 클라우드를 생성하고 이를 보간하여 지질 경계면을 작성하는 방법을 적용하였다.

앞에서 보간법에 대한 설명이 있었는데, 직접 보간법과 간접 보간법은 단순히 기술적인 차이를 넘어, 모델링에 대한 근본적인 접근의 차이를 의미한다. 직접 보간법이 데이터가 완벽하다는 가정하에 모델이 데이터에 완벽하게 일치해야 한다는 접근법인 반면, 간접 보간법은 실제 지질 데이터가 항상 불완전하고 잡음을 포함한다는 현실이 고려되고 불완전성 속에서 가장 신뢰할 수 있는 해석을 찾아내는 방식을 선택한다는 접근법이다. 즉, 간접 보간법은 데이터에 포함된 오류를 걸러내고, 새로운 조사 자료가 추가될 때 모델을 유연하게 갱신할 수 있다는 기반을 제공한다. 특히, 심층처분시설의 경우, 추가적인 조사와 탐사, 시공 중 조사가 이루어지므로 장기간에 걸쳐 데이터가 지속적으로 추가되고 새 지질 모델이 만들어지므로, 현재의 데이터를 있는 그대로 반영하는 직접 보간법 보다 자료의 경향성에 주안점을 두는 간접 보간법이 더 적합할 수 있다.

저반(batholith), 암주(stock), 암맥(dike), 암상(sill)과 같은 관입암체의 지질 경계는 주변 모암의 층리나 엽리와의 평행 여부에 따라 조화적 경계(concordant boundary)와 부조화적 경계(discordant boundary)로 구분될 수 있으며, 이를 더 확대하면 어느 특정 지질 경계의 주변 암석내 층리, 엽리와의 관계를 설명할 때 유용하다(Fig. 8A and B). 예를 들어, 선캠브리아기 편마암 상부의 퇴적층은 부정합 상부의 층리가 부정합 면과 평행하므로, 퇴적층의 자세(attitude)를 통해 부정합면의 방향을 유추할 수 있다. 이처럼 조화적 지질 경계의 경우, 경계면의 위치와 방향에 대한 불확실성이 낮다. 반면, 부조화적인 관입 경계는 지질도 상의 지표 위치가 정확하더라도, 지하에서 그 경계가 어느 방향으로 연장되는지 판단하기 어렵다. 이 기술 보고에서는 지질도에 표시된 경계면의 경사각 또는 지질 단면을 근거로 관입 경계의 방향을 설정하였다. 그러나 지질도 작성 시의 조사자들 역시 지하에서의 관입 경계면의 연장 방향에 대해 불확실성을 가지고 해석했을 가능성이 높기 때문에, 시추 조사 등의 직접적인 자료 활용이 필요하다.

이 기술 보고에서 3차원 지질 경계 작성을 위해 사용된 주요 자료는 지질도에 기재된 지질 경계이다. 지질도의 지질 경계는 겉보기에는 2차원 자료 같지만, 실제로는 지형 고도가 이미 포함된 자료로서 3차원 공간상에서의 지질 분포를 포함하고 있다(Fig. 8C). 즉, 지형 기복이 있는 지역에서는 지질도의 표현된 지질 경계선 자체가 이미 3차원 정보를 전달하는 셈이며, 이런 점에서 지질도의 지질 경계를 기반으로 생성한 포인트 클라우드는, 단순 2차원 도면의 디지털 자료가 아닌, 3차원 입력자료로 간주해야 한다.

그러나, 초기 지질 모델은 지질 경계면을 지하로 연장하는 과정에서 지질도와 문헌자료를 기반으로 한 가정이 반영되므로, 불확실성을 내포한다. 예컨대, 지질 경계면을 지하로 연장할 때, 지표에서는 상호 접하지 않던 두 경계면이 지하에서는 서로 교차하는(cutting across) 현상이 발생할 수 있다(Fig. 8D). 이 경우, 지질학적 해석을 바탕으로 타당한 교차 관계(cross-cutting relation) 해석이 필요하며, 불확실성 평가를 위해 이러한 해석 과정과 내용은 반드시 기록으로 남겨두어야 한다.

Fig. 8.

Geometry of geologic boundaries with respect to other structures and topography (A) concordant geologic boundary (thicker line). (B) discordant geologic boundary (thicker line). (C) An illustration showing geologic boundary on map inherently includes a 3D coordinates. (D) An illustration showing two planar structures with subparallel geologic traces can cut across each other at subsurface level.

아울러, 지층 경계면의 경사값은 현장 수기 측정 과정에서 미소한 오차가 발생할 수 있으며, 측정 자료를 대표하는 면을 결정하는 과정에서도 오차가 발생한다. 이러한 지점에서의 경계면 방향에 대한 각도 측정의 오차 또는 경계면 결정 시의 오차는 경계면을 지하로 연장할 때 경계면 위치의 큰 차이를 발생 시킨다. 이러한 특성을 고려하면 단일의 최종 모델을 제시하기보다는, 지층 경계면의 평균 방향과 통계적 불확실성을 고려해 Fig. 9와 같이 방향자료를 신뢰수준(alpha 95, 예: de Oliveira et al., 2024)과 함께 불확실도를 제시함이 바람직하다. 이러한 95% 신뢰수준의 콘(cone)의 중간지점과 여러 끝점의 방향을 경계면으로 설정하여 이를 누적되는 시추자료, 물리탐사자료와 비교하는 레퍼런스로 활용함이 바람직하다.

또한 구축된 3차원 지질 모델은 시추자료, 물리탐사자료와 비교 검증 절차가 반드시 거쳐야 한다. 이 연구에서 구축한 안동 지역의 지질 모델은 현 시점에서는 시추자료나 물리탐사 자료 확보의 제약으로 인해 직접적인 정합성 평가에는 어려움이 있으나, 향후 심층처분 안전성 규명을 위한 실증 기반 연구에서는 초기 지질 모델과 추가 조사자료의 간의 일치 여부 평가 및 모델 업데이트 과정이 필수적으로 포함되어야 한다.

Fig. 9.

Average direction and 95% confidence circle (α₉₅) in scattered datasets representing poles to a geologic boundary.

Fig. 10은 지질 경계면의 업데이트 과정을 설명한다. 추가 조사자료가 확보되면 기존 모델의 경계면을 단순히 대체하는 것이 아니라 포인트 클라우드 기반의 초기 경계면(Fig. 10A)과 새로운 시추자료 간의 차이를 보정하는 보간과 재매핑 절차가 요구된다(Fig. 10B). 즉, 실측 자료가 존재하지 않는 구간은 주변 경향성을 반영한 간접보간을 활용하며, 실측 자료가 확보된 지점은 삼각망의 노드로 직접 포함시켜 해당 위치에서 경계면이 실측값을 통과하도록 갱신한다. 이와 같은 과정을 통해 지질 모델이 업데이트되며 불확실성을 줄여 모델의 신뢰도를 높일 수 있다.

서론에서 언급한 바와 같이 3차원 지질 모델은 부지기술모델을 구축하기 위한 플랫폼으로 다른 분야 모델과의 연계성이 필수적으로 고려되어야 한다. SKUA-GOCAD에서 만들어지는 지질 모델은 앞서 설명한 B-rep 형태의 모델로 내부의 사면체 또는 그리드의 메쉬가 채워지지 않은 형태이다. 최근 수치해석 도구 및 구조-해석 연계 기술이 발달함에 따라 다른 분야의 수치해석 소프트웨어에서 경계면의 형상정보만을 활용하여 내부 볼륨 메쉬를 자동으로 생성이 가능하다. 하지만, 이러한 유연성에도 실제 적용 과정에서는 경계면 간의 미세한 간극, 중복 등의 문제로 볼륨 메쉬 생성의 실패가 발생하기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 지질 모델을 해석 목적에 맞춰 단순화하거나 스무딩하는 등의 다양한 전처리 과정이 필요하며, B-rep 모델을 해석이 용의한 메쉬의 형태로 변환하는 기능을 포함한 도구의 개발이 되어야 한다. 향후 연구과제가 고도화됨에 따라 지질 모델-해석모델 간의 자동화된 연계 워크플로우가 정교해질 것이며, 산출물의 기술적 유연성도 확대될 것으로 기대된다.

Fig. 10.

Updating of geologic boundary after addition of new data sets.

결 언

직접적인 조사 자료인 시추자료가 많지 않은 초기 단계에는 결정질 암석 지역의 3차원 지질 모델링을 위해 지표 지질 경계 기반 포인트 클라우드 보간 방법을 활용하는 것은 유효하고 논리적인 접근법이다. 그 이유는, 첫째, 활용할 수 있는 지중 자료가 희소함에도 테스트할 수 있는 모델(가설)이 만들어질 수 있다는 점이다. 둘째, 지형 고도가 포함된 지질도 자체가 3차원 데이터이기 때문에 3차원 지질 모델링의 논리적 출발점이 된다.

포인트 클라우드를 주 자료로 활용하여 초기 모델이 구축된 다음, 이 모델은 시추 조사 및 각종 탐사의 설계에 활용될 수 있다. 활용 분야는, 수직/경사 시추 결정, 경사 시추의 경우 경사 방향 결정, 시추 심도, 시추공 내에서 이루어지는 각종 공내 시험의 설계 등이다. 아울러, 지구물리 탐사법의 선정 및 탐사 측선의 설계에도 활용이 가능하다. 이러한 조사 자료가 누적되며 조사 결과를 3차원 모델에 반영 시 불확실성을 저감할 수 있다.

3차원 지질 모델은 수리지질학, 핵종 이동 등의 여러 물리 화학적 현상에 대한 수치해석에 활용이 가능하다(예: DECOVALEX 연구 그룹, Birkholzer et al., 2019). 예를 들면, 지질 모델에서 지질 도메인을 설정하여 수치해석 분야에 물성(material properties)값을 제공하거나 수치해석 결과를 지질 도메인 별로 정리하여 보관 시 활용이 가능하다. 아울러, 심층처분시설의 건설 시, 터널 설계에도 활용이 가능하며, 터널 시공 중에 획득되는 막장 관찰(face mapping)을 모델에 포함시킴으로써 3차원 지질 모델의 신뢰도 제고가 가능할 것으로 판단된다.