[논문]대전지역 대보 화강암내 우라늄 광물의 산출상태와 지하수내 우라늄의 기원

황정

doi:10.9720/kseg.2013.4.399

[국내논문] 대전지역 대보 화강암내 우라늄 광물의 산출상태와 지하수내 우라늄의 기원
Occurrence of U-minerals and Source of U in Groundwater in Daebo Granite, Daejeon Area 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.23 no.4, 2013년, pp.399 - 407

초록
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대전지역은 우리나라에서 고함량 우라늄 지하수에 대한 우려가 높은 지역이다. 대전의 복운모 화강암 지역의 지하수에서 우라늄의 함량이 높지만 복운모 화강암에서 우라늄 함량은 화강암의 세계 평균치 보다 낮고 우라늄 광물의 산출이 아직 보고되지 않았다. 이 연구는 우라늄의 근원암과 지하수에 우라늄을 공급할 수 있는 우라늄 광물의 산출상태를 규명하는데 있다. 이를 위해 지표 방사능 탐사와 전자현미경을 이용한 광물학적 연구를 수행하였다. 우라늄 이상은 화강암맥과 열수변질된 화강암에서 측정되었다. 우라늄 이상을 보이는 화강암맥은 복운모 화강암과 운모-편암의 경계부에 발달한다. 복운모 화강암 내의 우라늄 이상대는 열극대를 따라 석영 세맥이 충진한 열수변질대에 발달한다. 우세한 열수변질작용은 칼륨 변질작용과 프로필리틱 변질작용이다. 우라니나이트는 화강암맥과 열수변질된 화강암에서 공통적으로 산출되는 우라늄 광물이며, 코피나이트와 우라노페인은 열수변질 화강암에서 산출된다. 모든 우라늄 광물은 백운모, 녹니석, 녹염석, 방해석 등과 같은 열수변질 광물과 밀접히 공생한다. 우라늄 광물이 산출되는 화강암맥과 열수변질된 화강암은 대전지역 지하수 내 우라늄의 주요 기원암으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Some groundwater in Korea contains high U concentrations, especially where two-mica granite occurs in the Daejeon area. The elemental U in the two-mica granite is lower than that in normal granites elsewhere in the world, and U-minerals have yet to be reported in the two-mica granite in the Daejeon area. This study focuses on investigating the occurrence of U-minerals serving as the U source in groundwater. In situ gamma ray spectrometry and mineralogical analyses using EPMA were performed. U-count anomalies were identified in a granitic dyke and in hydrothermally altered granite. Uraniferous granitic dykes occur along the contact zone between the two-mica granite and mica-schist. The uraniferous parts within the two-mica granite are developed in the hydrothermally altered zone, which contains numerous quartz veinlets within a fracture zone. Hydrothermal alteration is dominated by potassic and prophylitic alteration. Uraninite is a common U-mineral in granitic dykes and hydrothermally altered granite. Coffinite and uranophane occur in the hydrothermally altered granite. All of these U-minerals are commonly accompanied by hydrothermal alteration minerals such as muscovite, chlorite, epidote, and calcite. It is concluded that granitic dyke and hydrothermally altered granite are the main source rocks of U in groundwater.

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문제 정의

고함량 우라늄 지하수가 집중 보고되는 대전지역의 화강암에는 아직까지 보고되지 않은 우라늄 광화대의 부존 가능성이 매우 높다. 이 연구에서는 우라늄 광화대의 부존 가능성을 규명하기 위해 지표 방사능 탐사를 수행하여 우라늄 이상대를 추적하고, 우라늄 광화대와 우라늄 광물의 산출상태를 기재하였다. 또한 연구결과를 이용하여 대전지역 지하수내 우라늄의 기원을 고찰하였다.

가설 설정

Crossed nicols. (b) Muscovite containing quartz as the breakdown product of K-feldspar. Open nicols.
(b) Uraninite occurs along grain boundaries between quartz and feldspar in leucocratic granite, and is commonly associated with alteration minerals such as muscovite and chlorite. (c) Chlorite -rimmed uraninite occurs along grain boundaries between biotite and feldspar in two-mica granitic dike. (d) Pyrite-rimmed uraninite occurs in plagioclase grains in hydrothermally altered granite.

제안 방법

이 연구에서는 우라늄 광화대의 부존 가능성을 규명하기 위해 지표 방사능 탐사를 수행하여 우라늄 이상대를 추적하고, 우라늄 광화대와 우라늄 광물의 산출상태를 기재하였다. 또한 연구결과를 이용하여 대전지역 지하수내 우라늄의 기원을 고찰하였다.
이 연구에서는 대전지역 화강암류에 대하여 방사능 탐사를 수행하여 화강암류 내 우라늄 이상대를 추적하였다. 확인된 우라늄 이상대에 대하여 지질조사를 수행하여 야외 산출상태를 기재하였다. 방사능 탐사에서는 76개 지점에서 각 암상별 총방사능의 강도, 방사능 강도를 농도로 환산한 방사성 원소의 등가 함량(eU, eTh, K) 측정 자료 177개를 획득하였다.
우라늄 이상대 암석에 대한 구성광물의 산출상태를 기재하기 위하여 100여개의 연마박편을 제작하여 광석 및 편광 현미경 기재 연구를 수행하였다. 광석 및 편광 현미경으로는 확인이 어려운 우라늄 광물의 산출상태는 전자현미경의 후방산란전자영상(back-scattered electron image, BSE)을 이용하여 기재하였다.
우라늄 이상대 암석에 대한 구성광물의 산출상태를 기재하기 위하여 100여개의 연마박편을 제작하여 광석 및 편광 현미경 기재 연구를 수행하였다. 광석 및 편광 현미경으로는 확인이 어려운 우라늄 광물의 산출상태는 전자현미경의 후방산란전자영상(back-scattered electron image, BSE)을 이용하여 기재하였다. 후방산란전자영상은 무거운 원소의 광물일수록 밝은 영상을 보이는 특성을 보이므로 비교적 가벼운 원소로 구성된 조암광물에서 산출되는 우라늄 광물을 발견하고 확인하는데 유용하다.
후방산란전자영상은 무거운 원소의 광물일수록 밝은 영상을 보이는 특성을 보이므로 비교적 가벼운 원소로 구성된 조암광물에서 산출되는 우라늄 광물을 발견하고 확인하는데 유용하다. 확인된 우라늄 광물에 대하여는 에너지분산분광기(Energy dispersive spectrometer, EDS)를 이용한 정성 분석 연구를 수행하였다. 연구에 사용된 전자현미경은 한국기초과학지원연구원의 Shimazu사 EPMA 1600을 이용하였다.
방사능 탐사는 우라늄의 기원암일 가능성이 높은 화강암류를 4가지 유형의 암상으로 세분하여 수행되었다. 암상별 탐사 대상 암석은 쥬라기 화강암(Jgr), 쥬라기 화강암내 발달하는 열수변질대(Hag), 쥬라기 화강암과 그 주변에 발달하는 화강암맥(Peg) 그리고 백악기 화강암(Cgr)이다.
이 연구에서는 대전지역 화강암류에 대하여 방사능 탐사를 수행하여 화강암류 내 우라늄 이상대를 추적하였다. 확인된 우라늄 이상대에 대하여 지질조사를 수행하여 야외 산출상태를 기재하였다.

대상 데이터

자연방사성 물질 중 지하수와 관련하여 관심의 대상이 되는 원소는 라돈과 우라늄이다. 라돈은 불활성 기체이므로 공기 중에 노출되면 쉽게 탈기되므로 지하수중의 라돈 함량은 급격하게 감소한다.
확인된 우라늄 이상대에 대하여 지질조사를 수행하여 야외 산출상태를 기재하였다. 방사능 탐사에서는 76개 지점에서 각 암상별 총방사능의 강도, 방사능 강도를 농도로 환산한 방사성 원소의 등가 함량(eU, eTh, K) 측정 자료 177개를 획득하였다. 이 연구에 활용된 GR-320A 모델의 방사능 측정기는 지름이 10 cm에 달하는 넓은 측정 면적을 갖고 있어 신뢰성이 높은 방사성 원소 함량 자료를 얻는데 유용하다.
확인된 우라늄 광물에 대하여는 에너지분산분광기(Energy dispersive spectrometer, EDS)를 이용한 정성 분석 연구를 수행하였다. 연구에 사용된 전자현미경은 한국기초과학지원연구원의 Shimazu사 EPMA 1600을 이용하였다.
방사능 탐사는 우라늄의 기원암일 가능성이 높은 화강암류를 4가지 유형의 암상으로 세분하여 수행되었다. 암상별 탐사 대상 암석은 쥬라기 화강암(Jgr), 쥬라기 화강암내 발달하는 열수변질대(Hag), 쥬라기 화강암과 그 주변에 발달하는 화강암맥(Peg) 그리고 백악기 화강암(Cgr)이다. 방사능 탐사결과 각 암상별 총방사능의 강도, 방사능 강도를 농도로 환산한 등가 함량(eU, eTh, K)에 대한 177개의 자료를 얻었다(Table 1).
암상별 탐사 대상 암석은 쥬라기 화강암(Jgr), 쥬라기 화강암내 발달하는 열수변질대(Hag), 쥬라기 화강암과 그 주변에 발달하는 화강암맥(Peg) 그리고 백악기 화강암(Cgr)이다. 방사능 탐사결과 각 암상별 총방사능의 강도, 방사능 강도를 농도로 환산한 등가 함량(eU, eTh, K)에 대한 177개의 자료를 얻었다(Table 1). 각 암상별 K(%)의 범위(평균값)는 Cgr 2.
우라늄 광물의 산출상태 화강암맥의 우라늄 광물 : 우백질 화강암맥에서 현저한 우라늄 이상을 보이는 부분은 열수변질을 받아 다량의 백운모와 녹니석이 방해석과 함께 산출되는 곳이다. 우백질 화강암맥에서 산출되는 우라늄 광물은 우라니나이트(uraninite, UO₂)이며, 우라니나이트는 석영내에서 장석과 함께 산출되거나(Fig. 5-a), 석영과 장석의 입자 경계에서 백운모, 녹니석, 티탄석과 함께 산출된다(Fig. 5-b). 복운모 화강암맥에서 산출되는 우라늄 광물은 우라니나이트이며, 흑운모와 장석의 입자 경계부에서 녹니석에 둘러쌓인 상태로 산출된다(Fig.

성능/효과

eTh 함량은 열수변질대와 화강암맥에서 낮게 나타나며 쥬라기 화강암과 백악기 화강암에서는 상대적으로 높게 나타나 eU와는 반대의 경향을 보인다. 이상의 지표 방사능 탐사 결과 대전지역 화강암 내 우라늄 이상대는 쥬라기 화강암의 열수변질대와 화강암맥에 부존한다. 이들 우라늄 이상대는 쥬라기 화강암 내부와 변성암과의 관입 경계부에 주변에서 집중 발달하는데, 주요 우라늄 이상대의 부존지역으로는 유성구 국립현충원, 유성구 반석동, 대덕구 부용면 지역 일대이다(Fig 2).
Lee and Baik (2007)은 한국원자력연구원의 지하처분 연구시설의 복운모 화강암에서 신선한 암석보다는 열극 충진물에서 높은 우라늄과 토륨 함량을 보고하고 이들 원소들이 심부 지하수 혹은 열수를 따라 이동한 결과로 해석한 바 있다. 이번 연구에서 우라늄 광물은 백운모, 녹니석, 녹염석 등의 열수변질광물과 함께 산출됨이 처음으로 확인되었다. 기존의 연구에서 화강암 내 우라늄 함량이 낮고 우라늄 광물의 산출을 확인하지 못한 것은 연구대상을 화강암의 신선한 암석 시료에 한정하였기 때문인 것으로 추정된다.
(2011)은 대전인근의 청원지역에서 고농도 우라늄 지하수가 산출되는 지역의 시추코어 연구에서 방사성 포유물을 포함하는 흑운모가 많이 산출되는 흑운모 편암을 지하수내 우라늄의 주요 근원 암종으로 해석한 바 있다. 대전지역에 수행된 방사능 탐사에서 흑운모 편암을 포함한 모든 암종에서 방사능 이상은 매우 낮게 나타났으며 높은 방사능 이상은 우라늄 광물이 산출되는 열수변질대와 화강암맥에서만 국한되어 나타났다. 따라서 대전지역 방사능 이상의 주요 기원은 우라니나이트, 코피나이트, 우라노페인 등의 우라늄이 주성분인 우라늄 광물로 추정된다.
1. 대전 지역 화강암류에 대한 지표 방사능 탐사 결과 우라늄 이상대는 복운모 화강암과 흑운모 편암과의 경계에서 산출되는 화강암맥과 복운모 화강암내 열수변 질대에 발달한다
2. 우라늄 이상대는 주로 칼륨 변질작용과 프로필리틱변질작용을 받았다. 칼륨 변질대에서는 홍색의 미사장석, 열수성 백운모, 철산화물이 주로 산출되며 붉은색을 띤다.
3. 화강암맥과 열수변질대에서 공통적으로 산출되는 우라늄 광물은 우라니나이트이며. 코피나이트, 우라노페인이 열수변질대에서 산출된다.
4. 대전 지역 지하수 내 우라늄의 주요 근원암은 우라늄이 주성분인 광물들이 산출되는 화강암맥과 열수변질된 복운모 화강암인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	후방산란전자영상이 우라늄 광물 산출상태 확인에 효과적인 이유는?	광석 및 편광 현미경으로는 확인이 어려운 우라늄 광물의 산출상태는 전자현미경의 후방산란전자영상(back-scattered electron image, BSE)을 이용하여 기재하였다. 후방산란전자영상은 무거운 원소의 광물일수록 밝은 영상을 보이는 특성을 보이므로 비교적 가벼운 원소로 구성된 조암광물에서 산출되는 우라늄 광물을 발견하고 확인하는데 유용하다. 확인된 우라늄 광물에 대하여는 에너지분산분광기 (Energy dispersive spectrometer, EDS)를 이용한 정성 분석 연구를 수행하였다.
	우라니나이트는 무엇인가?	우세한 열수변질작용은 칼륨 변질작용과 프로필리틱 변질작용이다. 우라니나이트는 화강암맥과 열수변질된 화강암에서 공통적으로 산출되는 우라늄 광물이며, 코피나이트와 우라노페인은 열수변질 화강암에서 산출된다. 모든 우라늄 광물은 백운모, 녹니석, 녹염석, 방해석 등과 같은 열수변질 광물과 밀접히 공생한다.
	대전지역의 지질학적 특징은 무엇인가?	, 1977)과 대전도폭(Lee et al., 1980)이 있으며, 이들에 의하면 연구지역의 지질은 주로 선캄브리아의 변성암류와 시대미상의 옥천누층군 그리고 이를 관입한 중생대 화강암류로 구성된다. 연구지역의 북부에는 변성암류와 남부에는 북동-남서방향의 옥천누층군의 변성퇴적 암류가 분포하며, 중앙부에는 중생대 화강암류가 넓게 분포한다(Fig. 2).

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