Comprehensive investigation of discontinuities in South Korea using deep borehole : geometrical characteristics, fracture characterization, predictive model : 장심도 시추공을 활용한 우리나라에 분포하는 불연속면 조사 : 형태학적 특징, 불연속면 특징화, 예측 모델

국문 초록 (Abstract)

암반 내에 존재하는 불연속면은 암반의 변형, 강도와 같은 암반의 공학적 특징 뿐만 아니라 암반 내 흐름의 선택적 경로(preferential pathway)로 작용하기 때문에 수리지질학적 특징에도 영향을 미친다. 현재 우리나라는 사용 후 핵연료와 같은 고준위방사성폐기물의 처분 방법으로 심층처분을 계획하고 있다. 원자력 선도국들은 고준위방사성폐기물을 심도 500m 내외의 안정한 지층구조에 천연방벽(natural barriers)과 공학적 방벽(engineered barriers)으로 구성된 다중방벽 시스템을 이용해 처분하는 심층처분법을 채택하고 있다. 고준위방사성폐기물 심층처분장의 목표는 핵종이 유출되어도 생물권에 영향을 미치지 않도록 고준위방사성폐기물을 수만 년의 시간동안 고립시켜 충분한 반감기를 거치게 하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 천연방벽의 장기적인 안정성이 확보되어야 한다. 따라서, 우리나라에 분포하는 대표적인 암석의 종류인 퇴적암, 화성암, 변성암에 대하여 심부 시추를 통해 암반 내에 분포하는 불연속면을 조사할 필요가 있다.

본 연구에서는 심부 환경에서의 불연속면의 분포 특성을 알아보기 위해 퇴적암, 화성암, 변성암을 포함하는 총 6개 연구지역(대구, 진주, 대전, 원주, 안동, 홍천)의 장심도 시추코어를 활용하여 조사하였다. 분포 심도, 경사각, 분포 밀도, 간격(spacing)과 같은 형태학적 특징들을 조사하였고, 홍천 편마암에서 나타나는 절리와 단층 코어를 특징화 한 분류모델을 제안하였으며, 지질학적 변수들을 활용한 불연속면 밀도 예측 모델을 개발하였다.

불연속면의 형태학적 특징들을 암종별로 비교한 결과, 같은 암종 내에서 비슷한 경향성이 확인되었다. 퇴적암 지역들은 암반 내의 층리 구조를 따라 발달한 수평의 경사각을 갖는 불연속면이 특징적으로 나타났으며, 화성암 지역들은 아수평의 경사각을 갖는 불연속면이 우세하게 나타났다. 변성암 지역들은 엽리가 발달한 안동 지역에서는 수평의 경사각을 갖는 불연속면이 우세한 반면, 상대적으로 적은 엽리가 발달한 홍천 지역에서는 아수평의 경사각을 갖는 불연속면이 우세하게 발달하였다. 이와 같은 결과는 암반 내의 구조들이 불연속면의 생성에 영향을 주기 때문으로 추정된다. 분포 피팅을 실시하여 간격의 확률 밀도 함수를 수식으로 나타낸 결과, 로그정규분포가 분포함수 중 가장 적합한 것으로 나타났다.

기존의 절리 거칠기와 단층대 모델들의 적용성을 보완하고자 홍천 편마암에서 나타나는 절리와 단층대를 특징화 하여 분류모델을 제안하였다. 절리의 경우 선행 연구에서 제시된 절리 거칠기 분류 모델을 따라 편평(Planar; P), 불규칙(Irregular; I), 곡선(Curved; C), 계단(Stepped; S) 패턴으로 분류하였다. 단층대의 경우 단층코어의 발달 정도와 단층 영향지대의 발달 정도를 기준으로 4가지 패턴으로 분류 가능하였다. 4가지 단층대의 형태는 단층점토(fault gouge), 단층각력(fault breccia), 재암석화(lithification)로 특징지을 수 있다. 홍천지역 내 나타나는 절리와 단층대를 두 모델을 활용하여 분류한 결과 4,075개의 절리와 34개의 단층대를 모두 분류 할 수 있었다. 절리 패턴의 경우 암석의 광물조성과 관련이 있는 것으로 나타났다. 반상변정질 편마암의 경우 불규칙(I) 패턴이 우세하게 나타났는데, 이는 반상으로 인해 광물 입자 경계가 거칠기가 큰 형태로 나타나 입자 경계를 따른 불규칙 형태의 절리들이 생성된 것으로 보인다. 단층대의 경우 심도가 깊어짐에 따라 단층점토와 단층각력이 수반되지 않는 형태가 우세하게 나타났다. 이는 심부 환경에서 단층의 영향력이 약해지는 것을 의미한다. 또한 단층 코어 주변의 불연속면의 공간적 배열을 분석하고, 암반분류 기준을 활용하여 단위 구간 내 변형 정도(Damage index)를 분류하였다. 단층 코어 주변의 불연속면은 심도가 깊어질수록 적어지는 경향을 보였으며, 분류된 단위 구간 내 변형 정도는 단층의 영향력을 직관적으로 나타낼 수 있었다.

단층대가 상대적으로 흔하게 나타나는 변성암 지역인 홍천과 안동을 대상으로 지질학적 변수를 활용하여 불연속면 밀도 예측 모델을 개발하였다. 예측은 다중선형회귀분석(Multiple linear regression)이 활용 되었으며 사용된 지질학적 변수는 다음과 같다: 암석의 종류, 일축압축강도, 암석의 입자 크기, 암석의 밀도, 단위 구간 내 가장 우세한 층의 두께, 간격(spacing), 단층대. 홍천 지역에 대해 후진소거법(Backward elimination)을 적용하여 지질학적 변수들 중 다중선형회귀분석의 통계적 가정을 만족시키는 변수들을 선별했다. 그 결과, 단위 구간은 2 m로 결정되었으며 선별된 지질학적 변수는 암석의 종류, 암석의 밀도, 암석의 입자 크기, 간격, 단층, 단위 구간 내 가장 우세한 층의 두께이다. 동일한 선별 변수를 안동지역에 적용하여 모델의 타당성을 검증하였으며, 홍천지역의 파쇄대의 폭과 최빈 입자크기를 가중치로 활용한 모델 또한 개발하여 파쇄대의 영향을 분석하였다. 가중치를 활용하지 않은 모델들은 홍천과 안동에서 결정계수(R2)가 각각 0.644, 0.669으로 나타났으며, 가중치를 활용한 모델은 0.899의 결정계수 값을 보였다. 두 지역은 단층의 영향이 가장 많이 나타난 지역으로 단층으로 인한 불규칙성을 고려했을 때, 지질학적 변수들은 불연속면의 밀도와 유의미한 상관성을 갖는 것으로 보이며 예측 변수로 활용이 가능할 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• References 4
• Chapter 2. Analysis of geometrical characteristics of fractures in South Korea 8
• Abstract 8
• 1. Introduction 8
• 2. Materials 11
• 3. Methods 15
• 4. Results and Discussion 18
• Joints: Dip angles and densities 19
• Joint spacings: Descriptive statistics and distribution 24
• 5. Conclusions 32
• References 34
• Chapter 3. Fracture characteristics of Hongcheon gneiss in South Korea assessed from deep drill core samples 39
• Abstract 39
• 1. Introduction 39
• 2. Materials 42
• 3. Methods 42
• 4. Results and Discussion 48
• Joint pattern 48
• Characterization of fault zones 52
• Validation 58
• 5. Conclusions 61
• References 63
• Chapter 4. A predictive model of fracture density using geological variables 70
• Abstract 70
• 1. Introduction 70
• 2. Methods 73
• 3. Geological Variables 75
• 4. Results and Discussion 78
• 5. Conclusions 85
• References 87
• Chapter 5. Conclusions 90
• Abstract (in Korean) 92