서 론
연구지역
자료 취득과 자료처리
GPR 탐사
관측공 지하수 전기전도도 모니터링
결과 및 고찰
장심도 GPR 자료 해석
지하수의 전기전도도 분석 자료를 이용한 장심도 GPR 탐사의 정확성 검토
장심도 GPR 탐사 자료를 이용한 해수 침투 예측을 위한 지하수 유동 모델링 검증
수리지질학적 특성과 구조 지질학적 분석
GPR 탐사의 장기 부지특성 모니터링 적합성
결 론
서 론
방사성폐기물 처분시설(이하 방폐장)은 건설 후에도 장시간 모니터링을 통해 안전성을 확보해야한다(Baek, 2008; Kim et al., 2018). 방폐장에 대한 모니터링 활동 관련해서 부지 특성에 대한 모니터링 역시 필요하다(Kim et al., 2011; Abdel-Karim et al., 2019). 방폐장이 결정질 암반 내에 건설된 경우, 암반 내 존재하는 단열대를 통한 지하수 유동에 의해 방사성 핵종이 이동될 가능성이 높다(Selroos et al., 2002). 방폐장이 해안가에 위치한 경우에는 방폐장의 열에너지와 해수 영향으로 추가적인 단열대 생성 가능성이 높아질 수 있다(Titus, 1986; Schibuola and Tambani, 2020). 방폐장 부지 및 인근 지역에 발달된 단열대를 통해 해수(혹은 염지하수)가 내륙으로 침투함에 따라 추가적인 단열대 생성 가능성이 있기 때문에 해수 침투 현상을 모니터링하는 것이 방폐장의 장기 안전성 확보에 기여할 수 있다.
해수 침투 모니터링을 위해 시추공 조사 그리고 지하수 시료를 채취하여 분석하는 조사 등의 다양한 조사 기법들이 제시 및 적용되었지만(e.g., Werner, 2010; Hussain et al., 2019; Lovrinović et al., 2021) 시추공 자료는 지점 정보를 이용하여 공간적 해석을 위한 해상도의 제약성과 경제적 비용의 한계가 있다. 물리탐사는 시추공 기반의 조사보다 더 넓은 영역에서의 해수 침투 모니터링을 할 수 있으며, 탐사 종류를 고려한 탐사 설계 등을 통해 해수 침투 특성 규명 목적에 따라 다양한 방법을 적용할 수 있다(e.g., Park et al., 2007; Tal et al., 2019; Palacios et al., 2020). 물리탐사 기법 중 탄성파 탐사는 지질 구조를 해석하거나, 전기비저항 탐사로 지하 매질의 전기비저항 분포를 해석할 수 있지만, 자료를 취득하기 위해서는 송-수신 장치를 지면에 접촉해야 한다(Jeong and Nam, 2024). 따라서 아스팔트같은 단단한 매질에서는 자료를 취득하는 데에 한계가 있다. 반면 지표투과레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사는 전자기파를 전파하는 방식으로 비접촉식 및 비 파괴적 방법이다(Jol, 2008).
Jol et al. (1996)은 해안지역에 대한 GPR 탐사를 처음 적용하였으며, 매질의 전기전도도에 매우 민감한 전자기파는 전기전도도가 매우 높은 해수 침투 여부를 평가에 유용한 조사 방법임을 제시하였다. 해수의 유전율이 매우 높기 때문에(Ellison et al., 1998) 일반적인 토양 혹은 암반보다 전자기파의 속도가 느려진다. 또한 담수보다도 해수의 전기전도도가 매우 높아 감쇠 계수가 매우 증가하기 때문에(Al-Shamma’a et al., 2004) 다른 매질보다 전자기파의 에너지 손실이 매우 커서 해수 침투 영역을 판별할 수 있다(Sensors & Software, 2016). 이에 지표에서 GPR 탐사를 이용하여 해수 침투 영역을 분석하거나(Chen and Chow, 2007), 전기비저항 탐사와 함께 사용하여 해수 침투 영역을 특성화(Maury and Balaji, 2015; Satish Kumar et al., 2016; Albuquerque et al., 2022), 혹은 지표와 시추공에서 각각 수행하여 해수 내 담수 영역 특성화(Igel et al., 2013)하는 등 다양한 형태의 GPR 탐사가 적용되어왔다.
기존의 GPR 탐사의 해석 가능 심도는 200 MHz 안테나를 이용했을 때에는 지표하 3.5 m, 80 MHz 안테나는 지표하 14 m (Igel et al., 2013)로 비교적 천부 영역에 국한된다. 매우 낮은 진동수의 안테나를 이용하면 심도 60 m까지 해석 가능하지만, 파장 길이가 너무 길어 자료 해상도가 매우 낮기 때문에(Maury and Balaji, 2015) 천부 이상체 탐사, 단열 분포, 지하수위 해석에 국한되어 활용되어 왔다(e.g., Harari, 1996; Nakashima et al., 2001). 최근 들어 안테나의 송신 에너지를 낮춰 되울림(ringing) 잡음을 감소시키는 대신, 실시간 고속 중합(real time sampling, RTS) 기법을 적용하여 신호대 잡음비(S/N비)가 향상되면서, 투과 심도가 향상된 RTS 장심도 GPR이 개발되었다. 이 탐사 장비는 기존 GPR 탐사의 해석 가능 심도보다 깊은 심도까지의 신호를 취득할 수 있게 되었다(Francke and Utsi, 2009; Forte and Pipan, 2017). 장심도 GPR는 터널 내부 구조 평가(Zan et al., 2016), 탄성파 탐사 구조 해석 보정 자료(Francke, 2016)에 활용된 바 있으나, 장심도 GPR 탐사를 이용한 해수 침투와 관련한 조사 사례는 전무한 실정이다.
본 연구는 해안가에 위치한 경주 중 ‧ 저준위방사성폐기물 처분시설(low and intermediate level radioactive waste disposal facility, LILW) 부지의 해안가를 따라 장심도 GPR을 사용하여 해수 침투 특성을 효과적으로 조사할 수 있는지를 평가하고, 실제 관정에서 취득한 기존의 지하수 전기전도도와 비교하여 장심도 GPR 탐사의 정확도를 확인하였다. 장심도 GPR 탐사를 통해 확인된 해수 침투 특성을 기존 지하수 유동 모델링 결과와 비교 ‧ 검토하여 해수 침투 특성 평가와 연계된 지하수 유동 모델링 결과의 검증에 활용될 수 있는지를 평가하였다. 또한 지하수 유동 특성과 연계되는 수리지질학적 특성과 구조 지질학적 특성 조사에 장심도 GPR 탐사가 적합한지를 검토하였다. 또한, 해수 침투와 관련된 장기 부지특성 모니터링과 연계하여 장심도 GPR 탐사를 적용할 수 있는지를 검토하였다.
연구지역
연구대상 부지는 경상북도 경주시 양북면 봉길리에 위치한 월성 원자력 발전소에 인접한 동해의 해안선이다(Fig. 1-red circle). 해당 지역은 백악기 퇴적암(역암, 사암, 셰일)과 이를 관입한 제 3기 화강암류(화강섬록암, 섬록암, 흑운모 화강암) 및 화산암류(유문암, 반상질 조면안산암)로 이루어져 있으며, 이를 덮는 제 4기 충적층과 해안 단구층이 계곡과 해안 지역에 국지적으로 분포하고 있다(Oh and Kim, 2008). 해안선은 방사성폐기물 처분시설 건설을 위해 매립한 적 있기 때문에(Lee, 1987), 장심도 GPR 탐사는 해안가 자동차 도로를 따라 수행되었다.
자료 취득과 자료처리
GPR 탐사
해안가 자동차 도로를 따라 수행된 GPR 탐사 자료는 2개의 측선에 대해 취득되었다. 사용된 GPR 탐사 장비는 스웨덴 RadarTeam사의 Cobra Plug-in GPR와 제어 장치, 52 MHz를 주 진동수로 송신하는 SE-40 안테나, Plug-in LF모듈을 장착하였다(Fig. 2). 이 장비들의 조합은 52 MHz를 주 진동수로 하는 전자기파를 1,600 ns까지 초당 32,000번 송신 및 수신하기 때문에 최대 120 m 심도까지의 전자기파 전파가 가능하다. 해당 장비들을 비전도성 파이프로 제작된 카트에 RTK GPS를 함께 장착하여, 시속 3~4 km/h의 이동 속도로 이동하면서 자료를 취득하였다(Fig. 2a). 차량 접근이 가능한 지역에서는 차량에 장비를 연결하여 탐사하였으며, 차량 접근이 불가능한 지역에서는 인력이 직접 장비를 운용하여 탐사하였다(Fig. 2b). 탐사 측선은 도로 방향과 일치시키기 위해 남서에서 북동 방향으로 측정하였으며 HG-1과 HG-2 측선으로 구간을 나누어 수행하였다(Fig. 3). 각 측선의 길이는 1,167 m, 806 m이다.
취득한 자료는 영시간보정(zero time correction), 디와우(Dewow), 진동수 영역 필터링, 디컨볼루션 순서로 자료 처리하였다. 이후, 추가적인 보정을 위해 고도 보정, 구도 보정, 심도 보정 그리고 속도 분석으로 자료를 보정하여 자료를 해석하였다.
관측공 지하수 전기전도도 모니터링
방폐장 부지에는 지하수의 전기전도도를 모니터링하는 관정이 다수 분포하고 있으며(Fig. 3), 방폐장 건설 중 실제 지하수위와 지하수의 전기전도도를 6년 간 모니터링하였다. GPR 탐사 측선과 가까운 관정은 GM-4와 GM-2이며, 두 관정은 각각 측선 HG-1의 975 m 부근과 1,015 m 부근에 위치한다(Fig. 3). 또한, 측선 HG-1로부터 GM-4는 수직 거리 48 m, GM-2는 수직거리 57 m씩 떨어져 있다.
Fig. 3.
Map showing the HG-1 and HG-2 survey lines (magenta lines) and area of seawater intrusion (skyblue line), modified from Kim et al. (2018).
결과 및 고찰
장심도 GPR 자료 해석
HG-1은 측선의 125~375 m 구간의 심도 -10 EL.m (해발 고도)~-20 EL.m 일부 구역과 725 m 이후 구간의 지표 부근 10 EL.m 깊이를 제외하고는 전체적인 영역에 걸쳐 전자기파 신호가 감쇠된다(Fig. 4a). HG-2는 측선의 300 m부터 끝까지 HG-1과 유사하게 천부 10 EL.m까지를 제외하고, 측선의 300 m 기준의 좌측보다 전자기파 신호의 크기가 상대적으로 작다(Fig. 4b).
해수는 다른 매질보다 전기전도도가 높기때문에 전자기파의 에너지 손실이 매우 커서, 전자기파 감쇠가 큰 영역을 해수 침투 영역으로 해석할 수 있다(Sensors & Software, 2016). 이 물리적 특성을 이용하여 GPR 탐사를 통해 Chen and Chow(2007)는 심도 1.5 m내에 전자기파 감쇠가 큰 영역을 해수가 침투된 영역으로 평가하였고, Maury and Balaji(2015)는 시추공 자료와 복합 해석하여 해수가 침투된 층서를 구분하였다. 따라서 HG-1의 125~375 m처럼 일부 영역만 신호가 감쇠한 영역은 전이대에 의해 해수가 일부 영역에만 침투된 영역으로 추정되며, 725 m 이후 구간과 HG-2의 300 m이후 구간은 해수가 전체적으로 침투된 것으로 해석된다. 이 때, 두 구간은 매립 전의 해안선과 일치하는 특징을 띤다(Fig. 3b-blue line).
HG-1은 해안 매립 영향에 의한 천부 매립층과 함께 천부 단열대, 파쇄된 기반암 및 심부 파쇄대가 관찰된다(Fig. 5). 측선의 약 100 m 내외의 심도 0 EL.m 부근에는 전자기파가 균일하지 않고, 여러 구간에서 강한 반사 신호가 관찰되기 때문에 기반암이 파쇄되어 있는 것으로 해석된다. 이와 비슷한 반응은 측선의 375~500 m 사이에서는 동일한 심도(0 EL.m), 560~700 m 전후는 심부 암반(-35 EL.m)에서도 관측되어 해당 구역 역시 상대적으로 단열이 발달된 것으로 보인다. 측선의 시작부터 약 100 m까지의 -20 EL.m 심도와 측선의 약 220 m 부근의 -40~-50 EL.m에는 경사 파쇄대가 발달한 것으로 해석된다. 해수가 침투된 것으로 해석된 우측 영역 내에도 측선의 850 m 부근에서 일부 반사 신호가 상대적으로 크게 나타나는 암반 파쇄 영역이 관측되며, 이는 균열에 의한 반사 계수 차이가 크기 때문으로 보인다. 이 밖에 측선에서 일부 해수 침투가 발생한 것으로 해석되는 영역(Fig. 4a-blue line)내의 180 m와 300 m 부근에서 강한 반사파를 띠는 이상체(anomalies)가 관측된다(Fig. 5).
천부는 장심도 GPR의 특성 상 음영대 및 천부 매립구조와 가로등 노이즈, 기타 지하 매설물들에 의한 신호들이 나타난다. 측선의 375 m에서의 강한 반사 신호는 지면에 위치한 맨홀같은 도체 이상체에 의한 반응으로, 잡음에 해당한다. 하지만 일반적인 자료처리에서는 제거되지 않는다는 한계가 있다.
Fig. 5.
GPR section (HG-1) showing geological interpretations. The profile is the same as in Fig. 4a.
지하수의 전기전도도 분석 자료를 이용한 장심도 GPR 탐사의 정확성 검토
지하수 모니터링 관정(GM-2와 GM-4)은 특정 심도 구간의 지하수 시료 및 수두를 측정하기 위해 설치되었으며, 두 관정 내 지하수의 전기전도도는 각각 2011년 6월, 2010년 9월부터 증가하기 시작하였다(Fig. 6b; Kim et al., 2018). 2014년 6월에는 GM-2의 -23~-52 EL.m에서 취득한 4번째 지하수 시료(GM-2-4)는 전기전도도가 최대 20 mS/cm로 매우 높고, -82~-104 EL.m까지의 6번째 시료는 그보다는 약간 낮은 15 mS/cm의 전기전도도를 보여 점진적으로 더 많은 양의 해수가 침투하고 있음을 알 수 있다. -59 EL.m에서부터 취득한 GM-4의 지하수 시료는 해수가 침투하는 초기 시간에는 비교적 낮은 심도(>-129 EL.m; GM-4-1(-59~-88 EL.m), GM-4-2(-89~-129 EL.m)에서 전기전도도가 높았으나 시간 경과에 따라 2012년 6월부터 더 심부(GM-4-3, GM-4-4)에서 지하수 전기전도도가 증가한다.
일반적으로 지하수의 밀도 차이에 의해서 해안가에서는 밀도가 낮은 담지하수 대수층이, 밀도가 높은 염지하수 층의 상부에 존재하며, 두 층 사이에는 경계면이 존재한다(Antonellini et al., 2008). 그러나 연구 부지에서는 건설 초기에 측정된 지하수의 전기전도도는 얕은 심도(-23~-52 EL.m)의 GM-2-4에서 매우 높고, 더 아래 심도의 지하수보다 높은 값을 나타내었다. GM-4에서는 -130 EL.m 상부에 존재하는 지하수의 전기전도도가 -130 EL. m 하부 지하수보다 더 높기때문에 해당 지점 인근에서는 천부 심도에서 해수가 침투하고 있는 것으로 보인다(Fig. 6b and c).
GPR 탐사 결과는 전자기파 감쇠를 기반으로 해수 침투를 해석했을 때, GM-2와 GM-4 지하수 모니터링 관정 인근에서는 약 10 EL.m부터 해수 침투가 발생되는 것으로 해석된다. 장심도 GPR 탐사의 정확성 평가를 위해 이용된 지하수 조사 자료는 2014년 12월에 취득한 것으로 처분시설 건설 및 운영 이후 해수 침투 영역이 변화되었을 가능성이 높다. 따라서 지하수의 전기전도도 자료를 이용한 장심도 GPR 탐사의 정확성 평가를 위해서는 좀 더 천부에서의 시료를 채취하거나 나공상태 또는 스크린이 설치된 지하수 관측공에 대한 전기전도도 검층 자료가 추가적으로 요구된다.
Fig. 6.
(a) Simulation of seawater intrusion by groundwater flow modeling (Oh and Kim, 2008) and (b) groundwater electrical conductivity data at GM-2 and GM-4 (from Kim et al., 2018).
장심도 GPR 탐사 자료를 이용한 해수 침투 예측을 위한 지하수 유동 모델링 검증
Oh and Kim(2008)은 연구 부지에 대해 방폐장 건설 전, 운영 중, 폐쇄 후의 지하수 유동 모델링을 수행하여, 해수 침투 특성을 제시하였다(Fig. 6a). 지하수 유동 모델은 투수성 단열대를 따라 해수 침투가 발생하며, 해안 전체 구역을 통해 처분시설 전면에 해수가 유입될 것으로 예측하였다.
Fig. 4에 제시한 것과 같이 장심도 GPR 탐사 자료에서 HG-1 측선의 125 m부터 375 m 구간 중 일부 영역과 725 m부터 1,047 m 구간, HG-2 측선의 300 m부터 806 m 구간에서 해수 침투가 확인되었다. 이와 같은 조사 결과와 운영 중 해수 침투 평가를 위한 지하수 유동 모델링 결과와 비교하면, 처분시설과 해안 사이의 투수성이 높아 처분시설 전면 해안 전체 구역을 통해 해수가 유입된다고 예측한 지하수 유동 모델링 결과가 유효한 것이 아님을 확인할 수 있다. 즉 GPR 탐사 결과에 기초할 때 HG-2 측선의 0 m에서 300 m 구간은 투수성이 낮아 해수 침투가 발생하지 않는 것으로 평가되며, 이에 따라 지하수 유동 모델링 수행 과정 중 해안지역 전반에 걸쳐서 수리전도도를 높게 설정한 부분을 수정할 필요가 있다.
이와 같이 GPR 탐사를 통해 확인된 해수 침투 특성 평가 내용은 해수 침투 예측을 위한 지하수 유동 모델링의 검증과정에서 활용될 수 있다.
수리지질학적 특성과 구조 지질학적 분석
해수 침투 영역으로 해석된 HG-1 측선의 125~375 m 내에서 180 m와 300 m 부근의 -25 EL.m 심도에서 수평 형태의 강한 반사 신호(anomalies)가 관측되었다(Fig. 4a, Fig. 5). 강한 반사 신호는 매질 사이의 반사계수의 차이가 클 때 발생하는데, 암반 내 균열, 비균질 상태의 이상이 있을 때에도 생성된 구조로부터 강한 반사가 발생한다(Van den Bril et al., 2007). 따라서 전자기파가 감쇠되어 해수가 침투된 것으로 해석된 영역 내에서 강한 반사를 띠는 해당 영역은 기반암 내에 생성된 단열대로 해석되며, 이 단열대를 통해 해수가 침투한 것으로 유추할 수 있다.
시추공 기반 지하수 전기전도도 해석만으로는 해수 침투 영역을 공간적으로 해석하는 데에 한계가 있지만, GPR 탐사 단면에서 전자기파가 감쇠하는 영역 내에 단열 구조를 동시에 관측함으로써 해당 구조를 따라 해수 침투가 발생했을 가능성을 제시할 수 있다. 따라서 장심도 GPR 탐사가 구조 지질학적 특성을 평가할 수 있는 도구로 적합함을 확인하였다.
GPR 탐사의 장기 부지특성 모니터링 적합성
방폐장 건설 전에 수행된 건설 이후 해수 침투 예측을 위한 지하수 유동 모델은 처분시설 전면부 해안으로부터 해수가 유입되는 것으로 평가되었다. 그러나 GPR 탐사 결과에서는 처분시설 전면부 해안가로부터의 해수 침투는 없는 것으로 나타났다. GPR 탐사를 통해 확인된 해수 침투 영역은 GM-2과 GM-4에서 모니터링된 지하수 전기전도도의 증가 현상으로 검증될 수 있다. Kim et al.(2018)은 GM-1에서 관측된 지하수의 전기전도도 자료를 분석하여 해수 침투가 발생하지 않는 것으로 제시하였다. GPR 탐사 결과는 GM-1 전면 해안가에 대한 측선 HG-1에서 해수침투가 발생하는 것으로 보이나, 측선 HG-2의 시작부터 약 300 m까지는 해수 침투가 발생하지 않은 것으로 나타나고 있다. 수리지질학적 특성 측면에서, GM-1에서 해수 침투 현상이 발생하지 않는 것은 측선 HG-2에서 확인되는 해수 침투 미발생 영역의 수리지질학적 특성과 유사한 것으로 판단된다(Fig. 4b). 또한 전자기파의 감쇠가 HG-2의 300 m 부터 측선의 끝까지 나타나기 때문에 해당 영역도 모니터링 관정과 유사한 형태로 해수가 침투하여 전기전도도가 높을 것으로 예측된다. 따라서 해수 침투 모니터링 관정의 자료를 보완하기 위해서 GPR 탐사를 부지특성 모니터링에 활용하기에 적합한 것으로 판단되며, 해수 침투 현상에 의해 추가적으로 발생할 수 있는 단열대를 파악하기 위한 모니터링 방법으로 평가된다.
결 론
경주 중 ‧ 저준위 방폐장 부지 해안가를 대상으로 장심도 GPR 탐사를 수행하여 해수 침투 특성을 평가하였다. 방폐장의 안전성 확보를 위해서는 부지의 수리지질학적 및 구조지질학적 특성에 대한 지속적인 모니터링은 필수적이며, 특히 단열대를 통한 처분시설 인근으로의 해수 침투는 시설물의 장기적 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 이 연구는 해수 침투 평가를 위한 효과적인 방법으로 장심도 GPR 탐사를 적용하였다.
지하수 유동 모델링은 불확실성이 높고, 시추공 기반 조사 방법은 공간적 해석의 제약과 높은 비용에 의한 한계가 존재한다. 반면, GPR 탐사는 시추공 기반 조사 방법과 비교하여 경제적이며, 넓은 영역을 비파괴적으로 조사할 수 있는 방법이다. 해수의 높은 전기전도도에 의한 전자기파 감쇠 특성을 고려한 장심도 GPR 탐사 방법은 해수 침투 특성 평가 및 해수 침투 현상과 관련될 수 있는 구조지질학적 단열대의 분포 특성을 효과적으로 파악할 수 있는 유용한 기술임을 확인하였다. 지하수 유동 모델링 결과를 GPR 탐사와 비교하여, 처분시설 전면 해안 지역에서 해수 침투가 발생하는 것으로 예측한 결과가 보완될 필요가 있음을 확인하였다. 그러나 GPR 탐사 결과와 지하수 전기전도도 모니터링 결과는 해수 침투 해석 측면에서 높은 상관성이 있는 것으로 평가되었다. 이 결과는 장심도 GPR 탐사가 방폐장 건설에 따른 해수 침투 예측을 위한 지하수 유동 모델의 검증 및 개선을 위한 기술임을 제시한다. 결론적으로, 장심도 GPR 탐사는 방폐장의 안전성 확보와 연계될 수 있는 해수 침투 특성을 모니터링하는 데 유용한 도구이며, 시추공 기반 조사 자료와 복합해석을 통해 그 활용도는 더 높아질 것으로 기대된다. 또한 지속적인 GPR 탐사를 통해 해수 침투 예측 목적의 지하수 유동 모델링의 검증과정에 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
