방사능탐사

1. 원리

자연환경 중에 있는 방사선에는 인공, 우주 그리고 지구 내부에 의한 세가지의 기원이 있는데, 그 중 지구 내부로부터의 것은 암석 광물 중에 미량으로 포함된 방사성 동위원소로부터 방출된다. 이들 중에서 감마선을 검출하고 그 강도(단위 시간당 방사선의 수)나 에너지를 측정하여, 그 분포를 상황으로부터 지표층의 지질 상황을 추정하는 방법이 방사능탐사이다. 탐사에 이용할 수 있는 에너지를 갖는 감마선을 방출하는 핵종으로는 비스무스(214Bi), 포타슘(40K) 등이 있다. 이러한 핵종은 단층이나 열극부를 기체로서 또는 지하수에 용해되어 이동하고 농집된다. 이 때문에 지표에 노출된 균열이 지하심부로 연장되는 곳에서 감마선 강도가 높아진다. 또한 단층이 점토화되고 함수량이 많은 경우에는 그 반대로 방사능 강도가 낮아지게 되는 경우도 있다. 이러한 현상들을 이용하여 감마선 강도를 측정하여 단층 등의 지질 구조를 확인 할 수 있다.

처음에는 우라늄 광상 등 방사성 광물의 탐사에 이용되었지만, 최근에는 지하수․온천 개발이나 토목 건설․지질 방재 등의 목적으로 단층과 파쇄대 확인 등에 이용하는 경우가 많다.

2. 측정 방법

방사선 중 감마선을 검출하는 경우가 일반적이고, 무엇을 측정하느냐에 따라 아래의 두 가지 방법이 있다.

1) 총감마선법 : 신틸레이션미터에 입사한 감마선의 총량을 측정한다.

2) 스펙트럼법 : 핵종(방사성 원소)고유의 에너지 영역에서 감마선 스펙트럼을 측정한다.

또한 측정 방식에 따라서는 다음 세 가지로 나뉜다.

1) 휴대 : 사람이 휴대하고 측정한다.

2) 차량 : 자동차에 탑재하고 측정한다.

3) 항공 : 헬리콥터 등에 탑재하고 측정한다.

3. 탐사 범위와 심도

측정 장치를 지표와 나란하게 이동하면서 비교적 간편하게 측정할 수 있기 때문에 비교적 넓은 지역을 효율적으로 탐사할 수 있다. 따라서 주로 개략탐사에 이용되고 있다. 지표면의 감마선 강도 분포를 구할 뿐, 지표 하부로의 탐사는 가능하지 않다.

4. 자료처리에서 얻는 정보

감마선의 총량 및 감마선 스펙트럼을 얻는다. 총계수량으로부터 우라늄 광상 등 방사성 물질을 함유한 광체를 탐사할 수 있다. 감마선 스펙트럼으로부터는 핵종별 감마선 강도를 구할 수 있고, 피복층 하에 잠재한 단층 중 지표에 노출된 열극부에는 특유의 핵종에 의한 감마선량이 높아지는 경우가 있다는 사실로부터 활성단층, 파쇄대 등을 확인할 수 있다. 화강암이나 이암 등에는 방사성 물질이 상대적으로 많이 함유되고, 안산암, 현무암 등에는 적다. 이러한 특징을 이용하여 지표층으로 피복된 암반의 암상을 구분할 수 있는 경우도 있다.

5. 사용 기기

감마선의 검출에는 일반적으로 형광 작용을 이용한 NaI 신틸레이션미터가 사용된다. 센서에 입사한 감마선은 형광을 말하고 광전자 증배관을 거쳐 최종적으로 그 에너지에 해당하는 크기의 전기 펄스로 된다. 이 펄스 신호를 여러 번 계수하는 것이 총감마선법의 장치이고, 에너지마다 펄스의 크기(에너지)를 계수하는 것이 스펙트럼법의 장치이다. 신틸레이션미터의 센서인 NaI 결정의 직경이 클수록 입사감마선에 대한 검출 효율은 높아지고 측정 정밀도도 높아진다.

6. 조사 방법

대표적으로 사람이 휴대하여 측정하는 경우에 대해서만 설명한다. 신틸레이션 미터의 검출기를 지표면으로 향하여 고정하고 측정한다. NaI 결정의 직경에 의하여 측정 감도가 다르지만, 통상 1측점당의 측정 시간은 300~5000초 동안이다. 스펙트럼법의 측정 장치는 스펙트럼마다의 계수치가 자동적으로 계수, 가산된다. 모니터의 설정을 대상으로 하는 핵종의 에너지 범위의 계수치와 총 계수치가 표시되도록 한다. 통상, 포타슘(40K), 비스무수(214Bi), 탈늄(208TI)및 총계수량이 표시되는 것이 많다.

한 지점에서 측정이 끝나면 다음 측점으로 이동한다. 측점 간격은 5~25m 정도로 하는 것이 보통이다. 격자 모양으로 측정하는 경우도 있다.

7. 해석 방법

총감마선량, 포타슘, 비스무스, 탈륨 각각의 광전 최대점의 감마선 강도를 구하여 측선마다 정리하고, 꺾은선 그래프 등으로 도시한다. 다음에 Bi, K, TI/K, Bi/Tl의 스펙트럼비를 구하고 이것들에 대해서도 측선마다 그래프를 그린다. 이들 각각의 지표 값에 관하여 대상 구역에서의 평균값이나 표준편차를 계산하고, 고이상의 측점을 추출한다. 높은 이상값을 나타내는 측점 범위에 단층 파쇄대가 존재한다고 상정할 수 있다. 또한, 각 측점의 스펙트럼비의 계산값으로부터 측점마다의 변화율을 구하고, 그 변화 상황으로부터 단층 위치와 규모를 평가하는 해석 방법도 있다. 격자 모양으로 측점이 배치되어 있는 경우에는 위에서 기술한 측정값이나 계산값을 평면상에 등치선도로 표시한다. 강도 분포에 따라 구역이 나누어지면 단층의 위치나 주향에 관하여 추정할 수 있다.

8. 적용상의 문제점

방사성 동위원소로부터 방출된 감마선의 강도는 물질과의 상호 작용이나 거리의 영향에 의하여 감쇠한다. 지표 부근에서 검출된 감마선의 대부분은 지표면 하부 약 10cm 이내의 지반에 의한 것이다. 따라서 측정된 감마선 강도는 지표를 피복하고 있는 지층의 영향을 강하게 반영한다. 암반이 노출된 부분과 충적층이 두꺼운 경우에는 그 강도가 다르고, 성토의 재질에 영향을 받는다. 인공 구조물 등의 영향도 받기 쉽다. 지표 지질이나 인공 구조물 등 지표 조건을 잘 고려하여 측정 계획을 세우고, 결과에 대해서도 신중한 검토가 필요하다.

단층을 확인하기 위한 목적으로 실시하는 경우가 많은데, 지표까지 노출되는 균열을 수반한 경우에는 일반적으로 감마선 강도가 높게 나타나고, 점토화되어 있는 경우에는 낮게 나타나는 경우가 있다. 기존 자료나 다른 조사 결과를 참고하여 종합적으로 해석하는 것이 특히 중요하다.

 

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