[논문]감마선 검층자료를 이용한 국내 대심도 시추공 암반의 열생산율 평가

조영욱; 김명선; 이근수; 박인화

doi:10.7582/gge.2021.24.1.020

감마선 검층자료를 이용한 국내 대심도 시추공 암반의 열생산율 평가
Evaluation of Heat Production in Deep Boreholes by Gamma-ray Logging 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.24 no.1, 2021년, pp.20 - 27

조영욱 (한국지질자원연구원 심지층연구센터) , 김명선 (한국지질자원연구원 심지층연구센터) , 이근수 (한국지질자원연구원 심지층연구센터) , 박인화 (한국지질자원연구원 심지층연구센터)

초록
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암석의 열생산율은 구성 광물 내 방사성 동위원소의 방사성 붕괴와 감마선 방출에 의한 열에너지에 기인하며, 그 크기는 주요 방사성 동위원소인 U, Th, K의 함량에 지배적이다. 그러므로 암반의 열생산율은 암석의 밀도와 주요 동위원소의 함량에 기반해 평가할 수 있다. 심부 암반의 열생산율 평가에 필요한 방사성 동위원소의 농도는 시추공에서 회수된 암추 또는 암편에 대한 질량분석을 통해 파악할 수 있는데, 대심도 시추공의 경우 요구되는 분석량과 그에 따른 시간 및 비용의 문제로 적용이 제한적일 수 밖에 없다. 시추공을 대상으로 하는 물리검층 중 암반의 감마선 스펙트럼으로부터 U, Th, K의 함량을 유추할 수 있는 기술이 있지만, 열생산율 평가를 위해 별개의 밀도검층 자료를 필요로 하며, 상용화된 장비의 적용 심도 또한 아직은 제한적이다. 이에 대한 대안으로 시추공 암반이 방출하는 감마선의 강도를 측정하는 자연 감마선 검층 결과로부터 열생산율을 유추하는 방법이 제안된 바 있으며, 국내외에서 비교적 쉽게 암반의 열생산율을 평가할 수 있는 방법으로 사용되고 있다. 본 기술보고에서는 국내 상용화된 대심도 시추공 물리검층 장비 및 기술을 활용해 감마선 검층 기반의 열생산율 평가 기법을 개발하고, 국내 약 2 km 깊이의 대심도 시추공에 대한 적용 및 검증 사례를 소개하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Subsurface rock produces heat from the decay of radioactive isotopes in constituent minerals and gamma-ray emissions, of which the magnitude is dominated by the contents of the major radioactive isotopes (e.g., U, Th, and K). The heat production is generally calculated from the rock density and contents of major isotopes, which can be determined by mass spectrometry of drilled core samples or rock fragments. However, such methods are not easily applicable to deep boreholes because core samples recovered from depths of several hundred meters to a few kilometers are rarely available. A geophysical logging technique for boreholes is available where the U, Th, and K contents are measured from the gamma-ray spectrum. However, this technique requires the density to be measured separately, and the measurement depth of the equipment is still limited. As an alternative method, a normal gamma-ray logging tool was adopted to estimate the heat production from the total gamma activity, which is relatively easy to measure. This technical report introduces the development of the proposed method for evaluating the heat production of a granitic rock mass with domestic commercial borehole logging tools, as well as its application to a ~2 km deep borehole for verification.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Radioactive isotope elements and its heat production properties.
그림 Fig. 1. Process chart of the proposed method for evaluating the heat production of deep boreholes.
그림 Fig. 2. Examples of borehole geophysical logging data from spectral gamma-ray and natural gamma-ray logging.
그림 Fig. 3. Cross plot for the relationship between the radiogenic heat production [μW/m³] and total gamma-ray count [API] with data from the two separate test boreholes in granitic bedrock. The straight black regression line shows the empirical correlation between the heat production derived from the logged spectral gamma-ray and density data and the natural gamma-ray counts. The gray regression line shows the results of Bücker and Rybach (1996).
그림 Fig. 4. Comparison between the heat production derived from gamma-ray spectral analysis and the heat production based on the total gamma-ray readings and empirical equations (black: derived equation in this study, gray: equation from Bücker and Rybach (1996)).
그림 Fig. 5. Heat production of the two test boreholes (KSRS, KNU) based on borehole geophysical logging data. The red and blue lines denote the magnitude of the heat production in relation to the depth according to the spectral gamma and total gamma-ray logging methods, respectively.
그림 Fig. 6. Natural gamma-ray logging (black) and estimated heat production (red) for the ~2.4 km deep borehole in the Pohang area. The logged natural gamma rays of the formation varied considerably within 10-110 API, which corresponds to a heat production of 0.14 ~ 1.73 μW/m³. The estimated heat production at a depth of about 2200 m from the borehole geophysical logging data was an average of 0.55 μW/m³, which is similar to the heat production according to mass spectrometry analysis.
표 Table 2. Results of the heat production evaluation for the 2200 m deep rock core samples derived from laboratory density measurements and mass spectrometry analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 기술보고에서는 한국지질자원연구원이 보유하고 있는 상용 물리검층장비(spectral gamma logging tool, natural gamma logging tool 등)를 활용해 국내 화강암반을 대상으로 수행한 열 생산율 평가 기법 개발 내용과 국내 약 2 km 깊이의 대심도 시추공에 대한 적용 및 검증사례를 소개하고자 한다.
이 기술보고에서는 여러 시추 현장에서 비교적 손쉽게 얻을 수 있는 자연 감마선 검층 결과를 활용하여 암반의 열 생산율을 평가하는 방법에 대한 기술 개발 내용과, 국내 포항 지역에 굴착된 대심도 시추공에 대한 적용 및 검증 사례를 소개하였다.

제안 방법

두 조사시추공에 대한 감마선 스펙트럼 자료는 시추공축 방향으로 10 cm 간격의 해상도로 획득되었으며, 별도의 밀도 검층 결과와 종합하여 식 (1)을 통해 열생산율(A)을 평가하였다. 또한 해당 시추공에서 획득된 자연 감마선 검층 결과(GR)와비교하여 상관성을 분석하였다(Fig.
평가하였다. 또한 해당 시추공에서 획득된 자연 감마선 검층 결과(GR)와비교하여 상관성을 분석하였다(Fig. 3). 예상한대로 자연 감마선 값이 높아질 수록 열생산율도 일정 정도 높아지는 경향을 관찰할 수 있으며, 암반 열생산율과 자연 감마선 간의 상관관계는 선형 회귀분석을 통해 아래와 같은 간단한 근사식(식 (3))으로 도출되었다.
암반의 열생산율과 total gamma activity 간의 상관성을 관찰하기 위해 국내 화강암반(원주 및 춘천 지역)내 굴착된 두 개의 조사시추공(각 750 m 깊이)에 대한 시추공 감마선 스펙트럼 검층과 자연 감마선 검층 자료를 공히 취득하여, 암반의 열 생산율을 평가하고 총감마선량(GR)과의 비교를 수행하였다. 두 조사시추공은 각각 한국지질자원연구원 원주지진관측소(이하 KSRS) 부지 및 강원대학교 춘천캠퍼스(이하 KNU) 부지 내에 위치하며, NQ 규격(76 mm 공경)으로 굴착되었다.
위에서 얻어진 자연 감마선 검층을 이용한 암반의 열 생산율을 평가하는 방법의 대심도 시추공 현장에 대한 적용 가능성을 판단하기위해, 국내 굴착된 시추공 1개소를 활용한 추가적인 물리검층 및 열생산율 평가를 수행하였다.
감마선 스펙트럼 자료로부터 열생산율을 평가하기 위해서는 암반의 밀도자료가 필요하기 때문에 별도의 밀도 검층 자료를 취득하였다. 이용된 물리검층 장비들에 대해 한국지질자원연구원 포항지질자원 실증연구센터 내 설치된 보정시추공 및 gamma-ray 센서 검정용 패드(500 API)를 이용해 필요한 검교정을 우선 수행하였다. 모든 물리검층의 절차는 제조사에서 제안하는 표준에 따랐으며, 취득된 원시 값(raw data)에 대한 별도의 자료처리(manipulation) 및 보정은 수행하지 않았다.
이의 대안으로, 포항 지역 내 기존 굴착된 최대 2.4 km 깊이의 대심도 시추공을 활용하여 자연 감마선 검층 수행 및 열 생산율 평가 기법을 적용하였고, 해당 시추공에서 회수한 암석 시료에 대해 실내 질량 분석으로 열생산율을 도출하여 그 결과를 나란히 비교 검증하였다. 검증에 활용된 대심도 시추공은 2006년 포항지역 심부 지열에너지 조사 목적으로 굴착되었으며, 굴진 최종 심도는 2383 m로 당시 국내에서는 최초로 2 km 이상 깊이의 대심도 시추공이다(Song et al.
해당 시추공 약 2200 m 깊이에서 회수한 암석 시료에 대하여 실내 질량 분석(XRF, ICP-MS)을 수행하였고, 이를 활용해 해당 심도 암반의 열생산율을 평가하였다. 코어시료에 대한 실내 시험으로 측정된 암반의 평균 밀도는 2840 kg/m³이며, XRF 및 ICP-MS, ICP-AES분석으로 측정된 주요 방사성 동위원소의 함량은 U의 경우 0.

대상 데이터

감마선 스펙트럼 검층에 사용된 손데(sonde)는 Mountsopris 사의 QL40-SGR-2G Spectral Gamma 장비이며, 자연 감마선검층의 경우 Robertson Geologging 사의 온도검층 손데에 부착된 별도의 natural gamma 센서를 이용하였다. 감마선 스펙트럼 자료로부터 열생산율을 평가하기 위해서는 암반의 밀도자료가 필요하기 때문에 별도의 밀도 검층 자료를 취득하였다.
별도의 natural gamma 센서를 이용하였다. 감마선 스펙트럼 자료로부터 열생산율을 평가하기 위해서는 암반의 밀도자료가 필요하기 때문에 별도의 밀도 검층 자료를 취득하였다. 이용된 물리검층 장비들에 대해 한국지질자원연구원 포항지질자원 실증연구센터 내 설치된 보정시추공 및 gamma-ray 센서 검정용 패드(500 API)를 이용해 필요한 검교정을 우선 수행하였다.
두 조사시추공은 각각 한국지질자원연구원 원주지진관측소(이하 KSRS) 부지 및 강원대학교 춘천캠퍼스(이하 KNU) 부지 내에 위치하며, NQ 규격(76 mm 공경)으로 굴착되었다. 굴진 중 암편 제거 및 드릴비트 냉각을 위한 작업 용수를 청수로 사용했기 때문에 시추공 환경에 의한 감마선 검층 결과 영향은 없는 것으로 판단된다.
수행의 일환으로 작성되었음을 밝힌다. 본 기술개발을 위한 일부 시추공 물리검층은 ‘HLW 심층처분을 위한 지체 구조별 암종 심부 특성 연구(GP2020-002)’의 일환으로 굴착된 조사시추공에서 수행되었다. 자료 취득에 도움을 주신 한국지질자원연구원 국토지질연구본부 방사성 폐기물 지층처분연구단 구성 원들께 감사드린다.

데이터처리

제안된 방법의 적용성을 검토하기 위하여 두 조사시추공에 대해 감마선 스펙트럼 검층 및 자연 감마선 검층 결과를 활용한 심도 별 열생산율 평가를 적용하고 그 결과를 비교하였다 (Fig. 5). 두 방법으로 평가된 암반의 열생산율의 크기 및 구간별 변화 양상은 전반적으로 유사하게 나타난다.

성능/효과

그럼에도 본 연구에서 관찰된 암반의 자연감마와 열 생산율 간의 관계 및 감마선 기반 열생산율 유추 결과와 실내 분석을 통한 열생산율 평가 결과는 비교적 높은 상관성을 보였다. 그러므로 상용 장비의 적용 한계나 시추공 굴진 방법, 예산, 시간 등의 여러 제약에 의해 암반의 열생산율을 정확히 평가하기 어려울 때, 시추공 현장 및 검층 환경에 따라 적절한 캘리브레이션이 적용된다면 비교적 용이하게 수행할 수 있는 자연 감마선 검층을 통해 암반의 열생산율을 일정 범위 내에서 잘 유추해낼 수 있을 것이라 기대된다.
대심도 시추공 암반에 대해 서로 다른 두 가지 방법(자연 감마선 검층 및 실내 질량 분석)을 적용하여 평가된 열생산율 비교·검증 결과는, 여러 시추공 현장에서 비교적 용이하게 획득할 수 있는 자연 감마선 검층 자료를 이용해 암반의 열 생산율을 일정 범위 내에서 잘 유추해낼 수 있음을 보여준다.
두 조사시추공으로부터 도출된 암반 열생산율과 자연 감마 선량 간의 상관관계(식 (3))는 기존 연구된 변성암 및 퇴적암을 포함하는 경험식(식 (2))과 다소 차이를 보이기는 하지만, 두 수식을 공히 적용해 평가된 감마선 검층 기반 열 생산율은 감마선 스펙트럼으로부터 도출한 열생산율을 일정 범위 내에서 비교적 잘 반영함을 확인하였다(Fig. 4).
그러므로 자연 감마선 검층이 수행된 구간의 암상은 안산암질 화산각력암에 해당한다. 물리검층이 수행된 구간에 대해서 시추공 암반의 자연감마는 약 10-110 API의 값을 보였으며, 이를 통해 평가된 심부 암반의 열생산율은 약 0.14 ~ 1.73 W/m³의 범위를 갖는다. 이는 일반적인 암석의 열생산율 평균과 비교해 볼 때 낮은 수치인데, 하부 기반암의 연대(~273 Ma)를 감안해 볼 때 장기간에 걸친 심부 암반 변성 및 이에 따른 동위원소들의 유동 및 농도 감소에 기인한 것이라 판단된다.
주요 방사성 동위원소 U, Th, K의 단위 함량당 열생산(W/ kg)은 각각 98.1, 26.38, 3.45×10^3로, 우라늄 동위원소에 의한 열생산이 가장 크다는 것을 알 수 있다. 주요 방사성 동위원소 중 K의 경우 열생산에너지의 크기가 다른 원소들에 비해 비교적 작지만, 상부지각 전체에 분포하는 함량이 타 원소에 비해 많기 때문에(U:Th:K = 1:3.
심도 암반의 열생산율을 평가하였다. 코어시료에 대한 실내 시험으로 측정된 암반의 평균 밀도는 2840 kg/m³이며, XRF 및 ICP-MS, ICP-AES분석으로 측정된 주요 방사성 동위원소의 함량은 U의 경우 0.56 ~ 0.85 ppm, Th의 경우 2.24 ~ 5.84 ppm, K의 경우 0.87 ~ 1.33% 이다. 이를 활용해 평가된 2200 m 구간 암반의 열생산율은 0.
해당 심도에 대한 자연 감마선 검층 결과(Fig. 6)를 살펴보면, 시추공 깊이 2200 m 전후 약 10 m 구간에 대한 평균 자연감마 값은 약 33 API를 보인다. 이를 환산한 해당 심도 암반의 열생산율은 약 0.

후속연구

그러므로 상용 장비의 적용 한계나 시추공 굴진 방법, 예산, 시간 등의 여러 제약에 의해 암반의 열생산율을 정확히 평가하기 어려울 때, 시추공 현장 및 검층 환경에 따라 적절한 캘리브레이션이 적용된다면 비교적 용이하게 수행할 수 있는 자연 감마선 검층을 통해 암반의 열생산율을 일정 범위 내에서 잘 유추해낼 수 있을 것이라 기대된다.
또한 암반 내 주요 방사성 동위원소들 중 열생산율 평가에 기여도가 큰 우라늄은 지하수 환경에 따라 그 유동성이 매우 크다고 알려져 있으며, 따라서 열생산율 평가 결과의 차이를 만드는 주요 인자 중 하나이다. 앞서 Fig. 5에서 살펴본 바와 같이 일부 심도에서 높은 열생산율을 보이는 구간에 대해자연감마 값으로는 유추하지 못하는 경우가 이에 해당될 것이라 생각되며, 이러한 점들은 다른 시추공 물리검층 및 코어분석 자료들과 종합하여 추후 개선될 필요가 있다.
이같은 맥락에서 특정 암종을 대상으로 감마선 스펙트럼 검층으로 평가된 열생산율과 자연 감마선 검층 결과간의 상관성을 분석하고, 실내 질량 분석 결과와 비교 검증을 통해 경험 식을 정립하면 추후 많은 시추 현장에서 감마선 검층을 이용해 비교적 쉽게 암반의 열생산율 정보를 얻을 수 있을 것이다.
5를 살펴보면 자연 감마선 검층을 이용해 평가된 시추공 심도별 열생산율(파란색)은 감마선 스펙트럼으로 도출한 열 생산율(빨간색) 평가 결과 및 변화 양상을 전반적으로 잘 대응함 알 수 있지만, 일부 구간에서 높은 열생산율의 변화를 반영하지 못하는 경우가 존재한다. 이들 구간은 다른 주요 방사성 동위원소 대비 우라늄의 농도(U/K, U/Th)가 다른 구간에 비해 지나치게 높은 경우에 해당되며, 구간별 우라늄 농도 변화는 앞서도 언급했듯이 암상 특성 또는 단열 발달 및 지하수 유동 특성 등에 영향을 받기 때문에 추후 시추코어 관찰이나 다른 물리검층결과와 종합하여 그 특성을 확인할 필요가 있다.
식 (1) 에서 유추할 수 있듯이 암반 내 우라늄의 함량은 열생산율 평가에 가장 큰 영향을 미치는데, 우라늄 농도에 따라 열 생산율이 크게 평가되더라도, 총 감마선 방출량에는 영향이 적은 경우도 있기 때문이다. 추후 연구에서는 시추공 깊이에 따른 암상 변화, 단열 및 지하수 유동 특성 등을 종합하여 우라늄 농도 변화를 반영한 보다 개선된 열생산율 평가 방법을 개발할 필요가 있다.

참고문헌 (11)

Abbady, A. G. E., and Al-Ghamdi, A. H., 2018, Heat production rate from radioactive elements of granite rocks in north and southeastern Arabian shield Kingdom of Saudi Arabia, J. Radiat. Res. Appl. Sci., 11(4), 281-290. doi:10.1016/j.jrras.2018.03.002

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Beardsmore, G. R., and Cull, J. P., 2001, Crustal heat flow - A guide to measurement and modeling, Cambridge Univ. Press.
Bucker, C., & Rybach, L., 1996, A simple method to determine heat production from gamma-ray logs, Mar. Pet. Geol., 13(4), 373-375. doi:10.1016/0264-8172(95)00089-5

상세보기
Cermak, V., and Rybach, L., 1982, Thermal conductivity and specific heat of minerals and rocks, in Geophysics - Physical properties of rocks (Ed., M. Beblo), Springer
Clauser, C., 2006, Geothermal energy, in Advanced materials and technologies (Ed., K. Heinloth), Vol. 3 Energy Technologies, Subvol. C, Renewable energies, 493-604, Springer
Kim, J. C., Lee, Y. M., Hwang, S. H., and Koo, M. H., 2007, Distribution of Heat Production for the Utilization of Geothermal Resources in Korea, in Proc. Korean Soc. New Renew. Energy Fall Meet. 2007, 497-500. (in Korean)
Lee, S. G., Jo, D.-L., Lee, C. B., Lee, T. J., Kim, T. K., Song, Y., and Lee, J.-S., 2007, U-Th age of Zircon in 2300 m deep granodiorite rock cores: A study on the formation ages basement of Pohang Basin, in Proc. 2007 Fall Joint Conf. Geo. Sci., 110. (in Korean)
Rybach, L., 1986, Amount and significance of radioactive heat sources in sediments, in Thermal Modelling in Sedimentary Basins, Collections Colloques et Seminaires (Ed., J. Burrus), 44, Editions Technip.
Song. Y., et al., 2006, Development of deep, low-enthalpy geothermal energy, Research Report of Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), OAA-2003001-2006(4).
Van Schmus, W. R., 1995, Natural radioactivity of the crust and mantle, in Global earth physics - A handbook of physical constants (Ed., T.J. Ahrens), 283-291, American Geophysical Union
Pollack, H. N., and Chapman, D. S., 1977, Mantle heat flow, Earth Planet. Sci. Lett., 34(2), 174-184. doi:10.1016/0012-821X(77)90002-4

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