지하수 부존과 지질학적인 요소

지하수는 포화대내에 저유할수 있는 자연수로서 우물을 통해 우리가 사용할수 있는 만큼의 양을 생산할 수 있는 능력을 가진 고결 및 비고결암의 부존된 물로서 정의할 수 있다.

지하수는 어느 곳에나 저유되어 있는 것이 아니다. 인간이 사용 가능한 만큼의 지하수가 부존되어 있는 지역을 여러 가지 과학적인 방법을 이용하여 찾는 수단을 지하수 조사라 한다.

사암, 석회암, 화강암, 용암과 같은 고결암이나 자갈 및 점토와 같은 충적층에서 사용 가능한 양의 지하수를 저유하고 있는 구간(부위)를 대수층(Aquifer)이라 한다.

지하수위 중 동일한 표고을 갖는 지점을 연결하여 지하수위등고선도(potentiometric surface map)를 작성하는데 지하수를 부존하고 있는 대수층의 지표하 분포삼도를 나타낼 뿐만 아니라 지하수의 이동방향을 제시하므로 지하수조사의 매우 중요한 요소이다.

 

국지적으로 가파른 지하수면의 경사는 다르시의 법칙을 따라 우물을 향해 물의 유동을 증가시킨다. 일단 유입속도와 유출속도가 균형을 이루면, 동수경사는 안정화 되지만 만일 양수 속도나 재충전 속도가 변하면 동수경사도 변하게 될 것이다.

 

대개의 소규모 가정용 우물에서 영향추는 거의 인식하기 어렵다. 그러나 관개와 산업용으로 양수하는 우물은 너무 많은 물을 퍼쓰기 때문에 영향추는 매우 넓고 가파르게 될 수 있으며 영향권내 지역 모든 우물의 지하수면을 내려가게 할 수 있다.

지하수 공급원이 불균질 암석이면 우물의 물 산출은 짧은 거리 내에서도 상당히 다를 수 있다. 예로 화성암과 변성암은 구성광물 입자사이의 공간이 작고 좁기 때문에 투수도가 매우 낮다. 괴상의 많은 화성암체와 변성암체는 지하수를 자유롭게 순환케 하는 열극, 절리 및 기타 간극을 무수히 포함한다.

그러나 어떤 간극도 만나지 못하는 우물은 마른 상태에 있게 될 것이다. 투수성이 높은 물질과 투수성이 낮은 물질로 된 불연속적인 암체에 우물을 뚫었을 때는 여러 종류의 물이 산출된다. 불투수 암석 혹은 퇴적물층은 통기대 주수체(perched water body)를 형성할 수 있다.

 

이런 지하수조사(groundwater investigation)는 일반적으로 지하수의 산출·부존량조사와 지하수 이용에 따라 발생되거나 영향을 받을 수 있는 지하수 영향조사(groundwater impact assessment)로 대별할수 있다.

지하수 이용에 따른 지하수조사는 대부분 소규모 구역 내에서 대수층의 분포 상태와 특성, 우물의 설치지점과 적정개발가능량 및 영향반경 등을 평가하는 조사를 의미한다.

 

1. 암종에 따른 지하수 분포성향

한반도 남단에 각종 암석내에 부존되어 분포하는 암반지하수자원을 암종별로 수리지질학적인 관점에서 암반지하수의 산출상태를 검토하면, 대체적으로 화산암류내에 저유된 암반지하수는 제3기 이후의 국부적인 지각변동 및 단층작용에 의해서 형성된 2차공극이나 지각심부에 발달되어있던 화강암류의 저반이 융기작용에 의해 지표로 서서히 노출됨에 따라 상재하중이 감소되므로 역학적인 평형상태에서 발생한 층상절리와 같은 2차공극내에 저류된 일종의 순환수로 이루어져있다.

또한 지표에 노출된 세립질결정질암은 지하심부까지 장기간 풍화작용을 받아 결정들 입자간의 결합이 와해되어 투수성이 매우 양호한 2차공극을 이루므로 이들 풍화대는 암반내의 매우 좋은 지하수함양원 역할을 하는 것으로 사료된다.

가) 화성암(관입암)류

관입암은 암석이 치밀·견고하여 투수성이나 함수성이 비교적 불량하다. 외국에서는 화성암류을 일명 비대수층 혹은 불투수층이라 하여 암반지하수의 부존이 않된 것으로 분류하나, 그러나 한반도내에 분포된 이들 암류는 크고 작은 지질구조대인 2차공극이 지하심부까지 잘 발달되어 있어 곳에 따라서는 매우 양호한 대수층을 보이는 곳이 허다하다.

2차공극은 한반도내에 일어났던 신생대 에오세의 국부적인 지각변돈과 제3기의 단층작용 및 백악기말부터 제3기초에 걸쳐 매우 서서히 발생한 융기작용으로 화강암 저반이 지표로 노출되면서 일어난 층상작용과 풍화작용에 기인한 것으로 판단된다.

나) 퇴적암류

석회암은 일반적으로 용해공동의 발달과 고결정도에 따라 공극율과 투수성의 차이가 심하지만 대체적으로 양호한 대수층을 이루는 경우가 많다. 석회암의 공극은 미소한 공동에서 유수가 흐를 수 있는 큰 용해공동에 이르기까지 크기가 다양하다.

사암과 역암은 고결정도에 따라 공극율의 차이가 심하다. 즉 고결된 사암도 일단 풍화작용을 받으면 고결물질이 와해되어 투수성이 양호한 공간을 제공함으로 좋은 대수층을 이룬다. 그러나 셰일은 일반적으로 저투수성 지층이기 때문에 개발가능한 지하수량이 극히 제한되어 나타난다.

이렇듯 일부 사암 및 화산암류는 보통 내지 높은 투수성을 나타내며 지층의 두께가 두껍고 수평방향으로 연장성이 양호할 경우 대부분 결정질 암석에서의 경우보다 대수층이 두꺼워지고 산출량이 증가한다.

다) 변성암류

변성암인 편암이나 편마암은 치밀·견고한 암석이기 때문에 다량의 지하수를 유출시키지 못한다.

편마암류가 분포하는 지역은 첫째 풍화대의 심도가 깊고 저지대이며 대규모구조대가 발달된 지역만이 상당한 지하수개발이 가능하다. 편암 및 변성퇴적암류는 암석중에 규질 석회석과 편암내에 협재된 규암은 매우 투수성이 양호한 대수층을 이루며 간혹 편암내에 협재된 흑연층도 비교적 양호한 대수층을 이룬다.

 

라) 화산암류

제주도에 분포된 현무암류는 매우 높은 투수성과 공동을 갖고 나타난다. 화산암의 각력용암(flow breccia)이나 용암과 용암의 사이면, lava층의 다공대, scoria, 화산암내 발달한 구열과 절리는 지하수에 대한 양호한 통로 및 저류지 역할을 한다. 암석생성 이후 암석 수축에 의한 틈(crack)이나 절리 및 화산공동을 갖는 분출암은 다량의 지하수를 부존, 유출 시킨다.

지표 가까운 토양과 기암반의 경계부인 심하게 파쇄된 파쇄구간이나 풍화를 심하게 받아 입자와 입자가 서로 분리·와해된 풍화대에서 소량의 지하수개발이 이루어지고 있으나, 안정적인 지하수개발을 위한 지하수조사 접근방안은 암반에 대한 수리질특성이 명확하게 규명되어야하며 현재 기술수준에서 정밀도는 현안문제가 대두되고 있다.

국내에 분포하는 지하수산출량이 높게 나타나는 암종의 순서는 ⑴ 화산암류 ⑵ 편암과 변성퇴적암류 ⑶ 안산암류 ⑷ 편마암류 ⑸ 화강암류의 순이다(한정상, 지하수학개론, P483)

2. 선상구조

항공사진에서 선상구조(lineament) 발달은 특히 지표상에서의 토양 및 식생, 하천 등 단열구조의 발달에 좌우되는 현상으로 나타난다.

이런 선상구조에 대한 수리지질 측면에서 검토는 단열 추적선 상에 위치하는 우물은 기타의 우물에 비하여 높은 산출량을 보여준다. 선성구조는 일반적으로 단층, 전단대, 혹은 절리간격이 조밀한 지역을 암시 하기도 한다는 것이다.

길이/폭 비는 단층, 전단대, 암맥 및 풍화대를 구별하는데 유용하며 국내에서 항공사진 상에서 관찰된 단열과 지하에서 밝혀진 선상구조는 확실한 관계를 밝힐 자료가 충분히 축적되어 있지 못한 실정이나 상호관련은 있는 것으로 나타난다.

선구조는 직선 혹은 완곡의 지형요소로서 인접한 표면 및 천부의 지형요소와 구분이 명확한 단층, 파쇄대, 습곡축 등의 지질구조선과 암석경계를 따라 나타나며, 이러한 요소들은 원격탐사자료에서 지형의 기복변화 및 화소의 명암차에 의해 구분이 가능하다(Sabins, 1978).

항공사진, 위성영상자료 및 수치표고모형을 이용한 선구조연구와 야외에서 조사된 절리, 단층들과 같은 불연속면에 대한 연구가 Mabee, et al.(1994), Mah, et al.(1995), Karnieli, at al.(1996)와 같은 많은 연구자들에 의해 시행되어 왔으며, 또한 광상탐사를 목적으로 선구조를 이용한 연구를 수행하였다.

이렇게 추출된 선구조는 실제로 기존 지질도상의 대규모의 단층, 습곡 등과 같은 구조적 불연속면을 잘 반영하는 것으로 알고 있다.

선구조는 여러학자들의 의해 지질학적, 공학적인 용도로 이용되어 왔으며 특히 구조해석과 암상과의 연관성 산출 및 지하수부존 평가 등에 이용되어졌다. 이렇듯 지질구조선과 관련된 선구조는 지하수 부존과 매우 밀접한 관련이 있을 것으로 판단된다(Prost, 2001).

선구조의 밀도분석은 선구조의 공간적인 분포를 파악하는데 매우 유용하다. 선구조선 밀도분석시 고려되는 선구조 인자는 선구조의 수, 선구조 총길이 등이 있는데 이들 중 하나만을 이용하거나 또는 여러요소를 정규화한 후 합을 이용한다. 선구조 수와 총 길이의 합을 이용하여 밀도를 계산하는 방법이 가장 보편적인 분석방법이다(Hardcastle, 1995).

선구조 밀도의 계산을 위해 밀도가 계산될 단위체의 크기와 단위체의 간격을 설정하여야 한다.

각 선구조가 밀도추출에 포함될 확률을 이용하여 격자망 설정에 따른 선구조의 추출 기댓값으로 환산하여 밀도를 산정하였고 이는 식(1)과 같다(지질학회지, 40권 제3호, p.293-304, 2004년9월. “선구조 밀도분석 기법 개발 및 지하수 산출특성에의 적용“).

                                    격자내 선구조 총수             격자내 선구조 총길이

단위격자 선구조 밀도 = ㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡ    +    ㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡ

                                 모든격자 선구조 수 합          모든격자 선구조 총길이 합

선구조수와 길이를 고려하고 연장성도 고려한 선구조 밀도분석 결과 지하수산출량과 상관도는 12.385(기울기)이었다. 이는 연장성을 고려한 선구조 밀도는 그렇지 않은 것에 비해 암반지하수 산출성과 보다 밀접한 상관성을 보인다는 것이다.

선구조와 암반지하수의 산출특성을 연계하여 분석하기 위해서는 선구조 추출이 정확하여야하며 연장성을 고려한 선구조 밀도를 산출할 경우 선구조 추출 시 연결·절단에 주의하여야한다.

선구조 밀도와 연계하여 분석할 암반지하수 산출성 자료의 적절한 분포와 충분한 자료수를 확보하는것도 중요하다.

또한 선구조선의 판독과 전기탐사 결과에 의해 이상대로 나타난 지점에서의 200톤/일이상의 양수량을 보이는 지점의 성공율은 52.5%고, 선구조선의 판독 후 기존에 개발되어진 암반관정과의 위치를 중복해 본 결과 70%의 성공률을 확인한 지광훈의 “지하수부존 가능지역 추출을 위한 Nandsat TM자료와 Gis의 통합, 1991.”에서도 확인된 바 있다.

3. 단층

단층 또는 단층대는 수십 m ∼ 수백 m의 연장성과 심도방향으로 수 Km씩 연장되는 경우가 많다. 대규모 단층들은 습곡이나 노두 벨트와 같은 광역구조 및 침식과 같은 지형학적인 특징을 좌우하는 구조적인 요소에서 절리의 경우와 구별된다.

포화대에서 절리는 물이 이동하는 유로가 되지만, 단층은 유로기능 이외에도 방벽(barrier)도 한다. 방벽역활을 하는 지질구조 특성으로

-. 보다 투수성이 높은 단층선단에 의해 반전된 암석의 저투성구간

-. 유동경로(flow path) 블록

-. 단층자체의 불투성 구간

자연유동 조건하에서, 주변암석보다 투수성이 높은 단층대는 지하수 유동에 큰 영향을 미치거나 혹은 미치지 않을 수도 있는데 이는 지하수 유동방향에 대한 관계 정도에 좌우된다. 단층과 유선(flow line)이 서로 직교할 경우, 단층은 투수량계수, 수리경사에서 부분적인 변화를 초래할수도 있다. 단층 발달방향과 유동방향이 동일할 경우 단층은 주변지층으로부터 대규모의 지하수를 순환시키는 수리학적인 공급원 역할을 할수 있다.

단층대 내에서 단열의 특성, 분포(밀도), 상호관계 등에 대하여 수리학적 특성에 대한 현상을 반영하지만, 이에 대한 정보는 매우 미흡하다. 단층에 수반되는 2차 단열(단층)이 단층대내에서 공극과 수리전도도에 중요한 역할을 한다.

4 절리

근본적으로 지표부근에서는 절리로 인한 3차원적인 유로망을 형성하고 있다. 심성암과 변성암류에서 절리형태와 성인은 크게 네가지로 구분된다.

-. 마그마 관입과 고결과 관련된 1차 절리(primary joint)

-. 습곡작용과 관련된 절리

-. 광역변성과 관련된 절리

-. 판상절리(sheeting joint)

노두조사와 시추조사로부터 추정되는 절리발달의 특성과 직접적인 관측에 의한 절리특성에 대하여 수리질학적인 특성이 확실하게 증명되어야 하며, 지질학적인 조건과 수리지질학적인 특성사이에 지하수 유동관계가 확립되어야 한다.

판상절리는 화강암과 같이 괴상(massive)의 암반에 잘 발달되며 상태는 지표면과 준평행하게, 경우에 따라서는 100m∼150m 이하의 상당한 심도까지 발달한다.

개별절리 및 단열면의 함수특성은 암반에서 유동체계를 좌우하며 절리의 수리특성은 틈(aperture), 절리면의 조도(roughness)에 연관되며 단열망의 특성은 절리의 발달정도와 범위, 발달심도 및 기하학적인 형태에 관련된다.

단열틈의 크기는 단열조도에 따라서 변하며 잠재적인 유동경로(potential flow path)는 관상(tubular) 및 원반상(disklike)이며 단열면을 따라 형성된다. 단열밀도(fracture density)는 위치에 따라 변화가 심하게 나타난다(정교철 외27인, 암반의 조사와 적용, page 2.6-14)

실지로 직교방향으로 측정한 화강섬록암 노두에서 1개조의 절리분포 특성은 0.2∼25m로 광범위한 변화 특성을 보인다(Segall and Pollard, 1983)

 

암반에서 절리의 연장 길이에 대한 지식은 아직도 불확실성이 높은 부분이다. 단열망에 관한한 지하심부의 터널에서 관찰되는 현상은 수백 미터의 발달상태를 관찰할 수가 있다. 그러나 지하공동은 응력이완으로 인한 초기절리의 열림작용으로 인하여 개구성 절리의 자연적인 분포현상을 파악하기 어렵다.

기반암 블록에 발달된 미세단열과 공극은 실제로 무시할 수가 있으나, 현장수리시험결의 해석에서 관측곡선과 표준곡선이 잘 일치하는 현상은 상호 연결된 미세공간이 암반블럭의 투수량계수에 영향을 미쳤음을 의미한다

5 암맥과 수평적인 관입암상(sill and dyke)

관입암체인 소규모 암맥과 수평적인 관입암상들은 지하수 측면에서 큰 역할을 하지는 않지만 이들 구조의 출현은 지하수 유동에 큰 영향을 미친다.

암맥은 관입구조를 나타내기 때문에 분출암과의 경우와는 달리 낮은 1차 공극율과 투수성을 보인다. 그러므로 지하수와 관련하여 방벽역할을 하기 때문에 이 구조를 경계로 양측의 지하수위가 십수미터의 차이를 보이기도 한다. 그래서 암맥과 관련하여 자분정이 자주 출현하기도 한다.

수평적인 관입암상은 피압층(confining bed)으로 작용할 경우 피압대수층의 역할을 할 수가 있으며, 관입암체와 모암과의 사이에는 양호한 공극이 발생할 수가 있어 좋은 파쇄대 역할을 하기도 한다.

 

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