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문제 정의
- 지진과 관련된 라돈의 이상변화 현상에 의한 성공적인 지진예측을 위해서는 적절한 지하수 내 라돈의 연속측정 방법을 개발하고 시·공간적 라돈의 변화 특성을 파악하는 것이 선행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 지하수 내 라돈 농도 변화를 지진예측을 위해 할용을 위한 예비연구의 일환으로 수행하였다. 최근에 한반도 동남부에서 지진발생 빈도가 증가하고 있음으로, 양산단층과 동래단층이 지나고 있는 부산 금정구 일대의 지하수를 대상으로 연구하였다.
제안 방법
- 최근에 한반도 동남부에서 지진발생 빈도가 증가하고 있음으로, 양산단층과 동래단층이 지나고 있는 부산 금정구 일대의 지하수를 대상으로 연구하였다. 금정구 일대의 암석의 종류에 따른 지하수 중 라돈 농도를 측정하기 위해 저준위 액체섬광계수기 (Liquid Scintillation Counter: LSC, Wallac社 Quantulus 1220)의 최적화 방법을 결정하였고, 그에 따라 측정기기의 최소검출방사능을 계산하였다. 정해진 방법에 따라 조사지역의 10지점을 선정하여 매달 정기적으로 측정하였다.
- 금정구 일대의 암석의 종류에 따른 지하수 중 라돈 농도를 측정하기 위해 저준위 액체섬광계수기 (Liquid Scintillation Counter: LSC, Wallac社 Quantulus 1220)의 최적화 방법을 결정하였고, 그에 따라 측정기기의 최소검출방사능을 계산하였다. 정해진 방법에 따라 조사지역의 10지점을 선정하여 매달 정기적으로 측정하였다. 라돈농도 변화에 영향을 미치는 환경적 요인과의 관계를 알아보기 위해 RAD7을 이용하여 위의 10지점 중 한 지점을 선택한 후 매일 같은 시간에 지하수 내 라돈농도, 수온, 기온, 대기압과 강수량을 동시에 연속 측정하여 상관관계를 알아보았다.
- 지하수 내 라돈 농도 연속 측정을 위해, 10개의 지하수 측정지점 중 측정·분석된 장기변화특성의 양상이 단순하고 변화폭이 적으며, 절리밀도 4단계로서 지진의 영향성이 큰 지역으로 판단된 부산대학교 내 설치된 지하수 관정에서 RAD7을 이용하여 연속 측정을 실시하였다.
- 이렇게 조제한 표준 물질 12개(3000~5500 Bq·L-1의 높은 방사능 표준물질 6개와 1000 Bq·L-1 이하의 낮은 방사능 표준물질 6개)를 각각 10mL 씩 바이알에 담고 섬광액(Mineral oil scintillator : 6NE9571, PerkinElmer) 12 mL 를 혼합하여 라돈-222 생성물질을 조제하였다.
- PSA 준위를 결정하기 위해 라듐-226 표준선원(1.393±0.012 kBq/5mL : NIST) 과 3단계를 거친 증류수를 이용하여 12개의 표준물질을 조제하였다.
- 정해진 방법에 따라 조사지역의 10지점을 선정하여 매달 정기적으로 측정하였다. 라돈농도 변화에 영향을 미치는 환경적 요인과의 관계를 알아보기 위해 RAD7을 이용하여 위의 10지점 중 한 지점을 선택한 후 매일 같은 시간에 지하수 내 라돈농도, 수온, 기온, 대기압과 강수량을 동시에 연속 측정하여 상관관계를 알아보았다.
- 음용수로서 사용되고 있는 지하수 내 라돈농도와 환경적 요인에 따른 농도변화에 대한 연구를 위해 최근에 한반도 동남부에서 지진발생 빈도가 증가하고 있음을 감안하여, 부산지역의 북동쪽 양산단층과 동래단층이 지나고 있는 부산 금정구 일대에 개발 사용되고 있는 심도 100m 이상 되는 지하수를 대상으로 측정지점을 선정하였다. 기반암의 종류를 고려하여 10지점을 선정하여 매달 정기적으로 액체섬광계수기를 사용하여 라돈 농도를 측정하고, 기반암의 종류에 따른 라돈 농도 변화와 시간적 변화 특성 및 요인을 분석하였다. 지하수 내 라돈 농도 연속 측정을 위해, 10개의 지하수 측정지점 중 측정·분석된 장기변화특성의 양상이 단순하고 변화폭이 적으며, 절리밀도 4단계로서 지진의 영향성이 큰 지역으로 판단된 부산대학교 내 설치된 지하수 관정에서 RAD7을 이용하여 연속 측정을 실시하였다.
- 측정기기의 성능에 따른 최소검출방사능을 결정하기 위해 계측시간에 따라 알파스펙트럼의 채널에서 피크영역을 선택하여 계수율을 측정하였다. 최소검출방사능은 어떤 방사능 준위에서 시료 내 검출할 수 있는 최소방사능을 결정해 주는 개념으로서 기기의 감도 레벨(Critical Level)을 결정짓는 척도가 된다.
- 시료채취를 위한 지하수는 심도 100m 이상의 암반에서 펌프를 이용해 올린 후 고여있던 물을 5분 이상 흘려보내고, 지하수 10 mL 를 라돈기체의 손실없이 곧바로 섬광액 12 mL와 신속하게 혼합하였다. 시료채취 시 라돈의 붕괴보정을 위해 모든 시료의 채취시간을 기록하고 측정시간까지 시간보정을 해주었다. 그리고, 라돈-222의 짧은 반감기를 고려하여 시료채취 후 24시간이내 측정하였으며, 방사평형을 위해 4시간이상 방치한 후 측정하였다.
- 시료채취 시 라돈의 붕괴보정을 위해 모든 시료의 채취시간을 기록하고 측정시간까지 시간보정을 해주었다. 그리고, 라돈-222의 짧은 반감기를 고려하여 시료채취 후 24시간이내 측정하였으며, 방사평형을 위해 4시간이상 방치한 후 측정하였다. 측정효율은 표준물질 조제 후 방치시간에 따른 라듐-226의 영속 방사평형을 고려하여 결정하였고, 이 때 라돈농도는 아래의 식을 이용하였다[16].
- 시료 측정용기는 “wat250” 모드로 하여 정해진 용량(250 mL)의 시료를 채수한 후, 5분 동안 4회 측정하였다.
- 액체섬광계수기는 PSA 준위를 1 단위로 변경하며 측정할 수 있기 때문에 라듐-226 표준선원으로 만든 12개의 표준물질 중 비방사능 216.7 Bq·L-1을 가지고 PSA 준위를 80에서 130 범위까지 1씩 바꾸면서 측정하였다.
- 라돈농도의 장기적인 측정을 위해 금정구 10개 지점 중 시료채취가 용이한 부산대학교 내 설치된 민방위급수용 지하수공에서 매일 같은 시간에 같은 매뉴얼을 이용하여 측정하였다. 라돈-222의 붕괴생성물 218Po과 214Po는 이온상태로서 다른 물질에 흡착이 잘되므로 챔버 내의 수분 조절을 위해 측정 시 측정기기 내부에 장착되어 있는 펌프를 이용한 purging 작업이 중요하다.
- 라돈-222의 붕괴생성물 218Po과 214Po는 이온상태로서 다른 물질에 흡착이 잘되므로 챔버 내의 수분 조절을 위해 측정 시 측정기기 내부에 장착되어 있는 펌프를 이용한 purging 작업이 중요하다. 따라서, 시료채취 전 RADH2O의 로드를 분리한 후 purging 모드로 약 10여분동안 작동하고 측정기기의 챔버 내 수분을 6% 이하로 떨어뜨린 후 측정하였다. 시료를 채취할 때는 심도 200 m 암반의 관정 속에 고여 있는 지하수에 라돈기체가 녹아있어 측정의 불확도를 높일 수 있으므로, 지하수를 3분 이상 흘려보내고 기포가 생기지 않도록 채취하였으며, 시료채취 후 30분 안에 측정하였다.
- 따라서, 시료채취 전 RADH2O의 로드를 분리한 후 purging 모드로 약 10여분동안 작동하고 측정기기의 챔버 내 수분을 6% 이하로 떨어뜨린 후 측정하였다. 시료를 채취할 때는 심도 200 m 암반의 관정 속에 고여 있는 지하수에 라돈기체가 녹아있어 측정의 불확도를 높일 수 있으므로, 지하수를 3분 이상 흘려보내고 기포가 생기지 않도록 채취하였으며, 시료채취 후 30분 안에 측정하였다. 시료채취시간은 하루 중 오후 3시에서 4시사이로 고정하였는데, 이는 라돈농도의 일변화에 대한 시간이 변동요인으로 작용하지 않도록 하기 위해서이다.
- 시료채취시간은 하루 중 오후 3시에서 4시사이로 고정하였는데, 이는 라돈농도의 일변화에 대한 시간이 변동요인으로 작용하지 않도록 하기 위해서이다. 동시에 환경적 요인으로 작용하는 기온, 수온, 대기압, 강수량을 측정하였다. 이 또한 같은 조건에서 환경요인과의 상관관계를 알아보기 위해서이다.
- 시료 측정용기는 “wat250” 모드로 하여 정해진 용량(250 mL)의 시료를 채수한 후, 5분 동안 4회 측정하였다. 6개월간의 라돈농도의 변화를 통해 수온, 기온, 대기압, 강수량과의 상관관계를 알아보았다.
- 따라서, 액체섬광계수기 Quantulus 1220의 감도레벨은 약 20분의 계측시간이 적당하며, 0.61 Bq·L-1 이하의 농도는 미검출값으로 처리하였다.
- 라돈농도에 영향을 주는 환경요인과의 상관관계를 알아보기 위해 위에서 선택한 10지점 중 심도 200 m 아다 멜라이트를 기반암으로 하는 한 지점을 선택하여 2011년 11월부터 2012년 4월까지 6개월 간 수온, 기온, 대기압, 강수량을 측정하여 라돈농도와 비교하였다. 그림 5를 보면, 6개월 간 지하수 내 라돈 농도는 평균 39.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 지하수 내 라돈 농도 변화를 지진예측을 위해 할용을 위한 예비연구의 일환으로 수행하였다. 최근에 한반도 동남부에서 지진발생 빈도가 증가하고 있음으로, 양산단층과 동래단층이 지나고 있는 부산 금정구 일대의 지하수를 대상으로 연구하였다. 금정구 일대의 암석의 종류에 따른 지하수 중 라돈 농도를 측정하기 위해 저준위 액체섬광계수기 (Liquid Scintillation Counter: LSC, Wallac社 Quantulus 1220)의 최적화 방법을 결정하였고, 그에 따라 측정기기의 최소검출방사능을 계산하였다.
- 우리나라의 식수나 생활용수로 사용되고 있는 지하수는 정부에서 관리하는 민방위급수시설과 개인이 관리하는 시설로 구분되는데, 대부분 화학적 수질검사기준에 따라 공급하고 있다. 음용수로서 사용되고 있는 지하수 내 라돈농도와 환경적 요인에 따른 농도변화에 대한 연구를 위해 최근에 한반도 동남부에서 지진발생 빈도가 증가하고 있음을 감안하여, 부산지역의 북동쪽 양산단층과 동래단층이 지나고 있는 부산 금정구 일대에 개발 사용되고 있는 심도 100m 이상 되는 지하수를 대상으로 측정지점을 선정하였다. 기반암의 종류를 고려하여 10지점을 선정하여 매달 정기적으로 액체섬광계수기를 사용하여 라돈 농도를 측정하고, 기반암의 종류에 따른 라돈 농도 변화와 시간적 변화 특성 및 요인을 분석하였다.
- 주변영향을 많이 받는 라돈의 특성 상 단기적이고 연속적인 측정을 위하여 본 실험에서는 DURRIGE社 RAD7과 그의 세부장비인 RADH2O 를 이용하였다. RAD7은 건축물 실내 및 지하 생활 공간 등의 라돈가스농도 측정이용이하도록 제작되었으며, 1시간 이내에 EPA Action Level인 4 pCi·L-1 까지 측정가능하고, 빠른 응답 속도와 신속한 영점 조정으로 수분이내에 재측정 가능한 장점이 있다.
데이터처리
- 그림 4는 암석별로 지하수 내 라돈농도의 월별 변화를 나타낸 것이다. 10개 지점에서 같은 시료를 이용하여 2개의 바이알을 만들었으며, 각각 5분씩 4회 측정한 값의 평균을 나타낸 것이고, 그래프의 불확도는 각 바이알의 평균 측정값에 대한 표준편차를 나타낸다. 기체의 용해도는 온도에 반비례한다는 사실을 고려 할 때 지하수 내 라돈 농도는 여름이 낮고 겨울이 높은 양상을 나타내어야 하나, 연구지역의 10개 지점에서 1년간 정기적으로 측정된 라돈농도의 계절적 변화 양상을 살펴보면, 뚜렷하게 구분되는 특징적 변화양상이 나타나지 않고 있다.
성능/효과
- 이에 백그라운드의 계수율이 낮아지는 경향을 보이는 100에서 120범위 사이와 측정효율이 높게 나타나는 100에서 110범위 사이에서 FM값이 최대가 됨으로 이 구간에서 알파 스펙트럼과 베타 스펙트럼이 가장 잘 분리되었다고 할 수 있다. 이때 CPM 또한 100에서 110범위 사이에서 높은 값을 보이므로, 액체섬광계수기의 측정 최적화를 위한 값은 PSA 준위 100에서 110범위로 결정할 수 있다.
- 이 범위에서의 측정효율 차이는 9% 이다. 다른 표준물질과의 비교에서도 비슷한 경향을 보이므로 위의 결과를 최적화된 PSA 준위로 설정하는데 문제가 없는 것으로 확인했다.
- 그림 3은 각 계측시간에 대한 최소검출방사능을 보여준다. 표준물질과 동일한 조건인 PSA 110에서 시료용액 10 mL 에 대해 1분에서 240분 까지 4회 씩 측정했을 때의 평균값을 표시한 것으로 측정시간 20분이 지났을 때 일정한 최소검출방사능을 가지는 것을 볼 수 있다. 따라서, 액체섬광계수기 Quantulus 1220의 감도레벨은 약 20분의 계측시간이 적당하며, 0.
- 조사지역의 동일한 화강암 지역의 지하수에서 라돈 농도에서 많은 차이를 나타내고 있다. 4가지 종류의 화강암 지역의 지하수 내 라돈농도 변화를 보면, 흑운모화강암의 라돈농도 변화는 약 25%에서 45%사이의 변화를 보이고, 미문상화강암에서는 크게 60%까지의 차이를 나타낸다. 아다멜라이트에서는 약 40%까지의 변화를 보이고, 안산암에서는 약 20% 의 라돈농도 변화가 나타난다.
- 즉 절리 밀도가 높은 암석은 라돈의 발산력이 높기 때문에 암석으로부터 더 많은 라돈이 지하수로 유입될 수 있으며, 높은 비표면적(specific area)은 암석으로부터 모원소인 라듐이 더욱 많이 용해되어 지하수 내 라돈 농도가 증가된다. 본 연구에서도 동일한 암석을 기반암으로 하는 지역에서도 단층대에 가까워 절리 밀도가 높은 지역의 지하수에서 라돈 농도가 높게 나타나는 경향이 나타내어 암석의 절리 발달이 지하수 내 라돈농도에 주요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 최소검출방사능은 표준물질을 이용하여 최적의 조건으로 결정된 PSA준위 110에서 측정기기의 최소방사능을 결정하였는데, 계측시간을 20분으로 측정했을 때 0.61 Bq·L-1 로 나타났다.
- 그러나 대기압과 지하수 내 라돈 농도에의 영향을 분석해보면, 그림 5와 그림 6에서와 같이, 대기압이 지하수 내 라돈 농도에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 이번 연구에서 분석된 지하 200 m에 존재하는 암반 지하수에는 이러한 대기압의 영향이 미치지 않는다고 할 수 있다.
- 이상의 지하수 내 라돈농도의 지난 6개월간 변화에 대한 기상요인에 대한 영향을 분석 결과를 종합하면, 지하 깊은 곳에 존재하는 암반 지하수에서는 수온, 대기온도와 대기압과 같은 이 큰 영향을 미치지 못하며, 강수가 일시적으로 라돈농도에 약간의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과는 지하수 내 라돈농도의 변화에는 보다 복합적인 환경적 및 지질학적 요인(지하수 순환작용 및 지진현상 등)에 의한 영양을 시사함으로 이에 대한 더욱 자세한 분석이 필요한 것으로 나타났다.
- 지하수내 라돈농도의 측정에 사용된 저준위 액체섬광 계수기(Wallac社 Quantulus1220)의 최적화 방법을 위해 라듐-226의 표준선원을 이용하여 조제한 12개의 표준물질로 백그라운드의 계수율, 효율, 알파입자의 CPM과 FM 값을 측정한 결과 PSA준위 100에서 110범위에서 최적조건이 나타났다. 최소검출방사능은 표준물질을 이용하여 최적의 조건으로 결정된 PSA준위 110에서 측정기기의 최소방사능을 결정하였는데, 계측시간을 20분으로 측정했을 때 0.
- 1년 동안의 장기적 변화에서 화강암지역의 지하수에서는 라돈농도가 높게 나타나고, 화산암인 안산암 지역의 지하수에서는 낮은 농도 분포를 나타낸다. 또한, 동일한 암석을 기반암으로 하는 지역에서도 단층대에 가까워 절리 밀도가 높은 지역의 지하수에서 라돈 농도가 높게 나타나는 경향이 나타내어 암석의 절리 발달이 지하수 내 라돈농도에 주요한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 연구 지역의 10개 지점에서 1년간 정기적으로 측정된 라돈농도의 계절적 변화 양상을 살펴보면, 뚜렷하게 구분되는 특징적 변화양상이 나타나지 않고 있다.
- 6개월간 지하수 내 라돈 변화에 대한 기상요인에 대한 영향을 분석 결과, 지하 깊은 곳에 존재하는 암반 지하수에서는 강수가 일시적으로 라돈농도에 약간의 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 수온, 대기온도와 대기압과 같은 기상요인은 큰 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다. 지하수 내 라돈농도의 변화에는 보다 복합적인 환경적 및 지질학적 요인에 영향을 받을 수 있음으로, 이에 대한 더욱 자세한 분석이 필요하다.
후속연구
- 기체의 용해도는 온도에 반비례한다는 사실을 고려 할 때 지하수 내 라돈 농도는 여름이 낮고 겨울이 높은 양상을 나타내어야 하나, 연구지역의 10개 지점에서 1년간 정기적으로 측정된 라돈농도의 계절적 변화 양상을 살펴보면, 뚜렷하게 구분되는 특징적 변화양상이 나타나지 않고 있다. 이러한 변화의 원인에 대하여서는 더욱 자세한 연구가 있어야 할 것이다.
- 따라서 향후 지속적으로 지하수 내 라돈 농도의 장·단기변화와 변화요인 분석을 실시하고 데이터베이스를 구축하여, 지하수 내 라돈변화와 지진과의 상관성도 파악할 예정이다.
- 이상의 지하수 내 라돈농도의 지난 6개월간 변화에 대한 기상요인에 대한 영향을 분석 결과를 종합하면, 지하 깊은 곳에 존재하는 암반 지하수에서는 수온, 대기온도와 대기압과 같은 이 큰 영향을 미치지 못하며, 강수가 일시적으로 라돈농도에 약간의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과는 지하수 내 라돈농도의 변화에는 보다 복합적인 환경적 및 지질학적 요인(지하수 순환작용 및 지진현상 등)에 의한 영양을 시사함으로 이에 대한 더욱 자세한 분석이 필요한 것으로 나타났다.
- 6개월간 지하수 내 라돈 변화에 대한 기상요인에 대한 영향을 분석 결과, 지하 깊은 곳에 존재하는 암반 지하수에서는 강수가 일시적으로 라돈농도에 약간의 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 수온, 대기온도와 대기압과 같은 기상요인은 큰 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다. 지하수 내 라돈농도의 변화에는 보다 복합적인 환경적 및 지질학적 요인에 영향을 받을 수 있음으로, 이에 대한 더욱 자세한 분석이 필요하다. 따라서 향후 지속적으로 지하수 내 라돈 농도의 장·단기변화와 변화요인 분석을 실시하고 데이터베이스를 구축하여, 지하수 내 라돈변화와 지진과의 상관성도 파악할 예정이다.
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