단열밀도(fracture density)와의 관계: 발표전 논문자료

박상주 박사 연락처 : 010-3816-1998

 

지하수는 물순환의 소규모지만 연속적으로 움직인다. 주로 바다로부터 증발되고 나서 강우로 지면에 떨어지는 물은 지하로 스며들어 지하수 저장소에 들어간다. 천천히 이동하는 지하수는 얼마간은 하천 바닥에 이르고 하천수에 보태져 바다로 흘러간다. 바다에서 이 순환은 다시 시작한다.

 

지표로부터 수백 m 이내에 있는 대부분의 지하수는 이동한다. 그러나 한 시간에 수 km로 이동하는 빠른 강물의 유동과는 달리 지하수는 매우 느리게 이동함으로 그 속도를 하루에 수 cm 혹은 일 년에 수 m로 나타낼 수 있다. 이유로 하천의 물은 개방된 유로를 통해 방해받지 않고 흐르는데 반해 지하수는 왕왕 꾸불꾸불한 경로를 따라 작고 제한된 통로를 통해 이동해야 하기 때문이다. 그러므로 지하수의 유동은 물이 이동하게 되는 암석 혹은 퇴적물의 성질에 크게 의존한다.

 

퇴적암 공극율은 입자 분급과 배열에 영향을 받을 뿐만 아니라 공극이 교결물로 충전되는 정도에 의해서도 영향을 받는다. 화성암과 변성암의 공극률은 일반적으로 낮다. 그러나 이들의 많은 절리와 단열을 갖는다면 공극률은 높아질 것이다.

 

투수도(permeability)는 유체가 고체를 통해 얼마나 쉽게 통과할 수 있느냐의 척도이다. 매우 낮은 공극률을 갖는 암석은 낮은 투수도를 갖는 것 같다. 높은 공극율은 이에 상응하게 높은 투수도를 의미하지는 않는다. 공극 크기, 공극의 연결성, 통과로의 굴곡 정도 이 모두가 암석 혹은 퇴적물의 투수도를 결정하게 된다.

 

모래 입자의 퇴적물에서 공극은 포화되지 않은 퇴적물에서는 인접 입자에 부착된 물의 엷은 층을 보탠 두께보다도 흔히 더 넓다. 그러므로 물은 공극의 중심에서 자유로이 이동할 수 있으며, 이런 퇴적물은 투수성이 높다. 공극의 직경이 증가함에 따라 투수도는 증가한다.

 

소나기는 기반암의 화학적 풍화로 생성된 점토를 포함하는 토양 속으로 스며든다. 토양은 세립 점토입자 때문에 하부의 조립 입자 토양 혹은 암석보다 투수성이 낮다. 이 낮은 투수도와 세립 점토 입자는 분자인력의 힘에 의해서 물의 일부를 토양 수분층에 가두어둔다. 이 수분의 약간은 직접 대기 속으로 증발하지만 많은 양은 식물의 뿌리에 흡수되었다가 후에 증발로 인해 대기로 돌아간다.

 

분자 인력에 의해 토양 속에 부착될 수 없는 물은 중력의 작용으로 아래로 스며 내려가서 지하수면에 이르게 된다. 투수도(permeability)는 유체가 고체를 통해 얼마나 쉽게 통과할 수 있느냐의 척도이다. 매우 낮은 공극률을 갖는 암석은 낮은 투수도를 갖는 것 같다.

 

높은 공극율은 이에 상응하게 높은 투수도를 의미하지는 않는다. 공극 크기, 공극의 연결성, 통과로의 굴곡 정도 이 모두가 암석 혹은 퇴적물의 투수도를 결정하게 된다. 포화대의 지하수 이동을 투과(percolation)라고 하며 포화된 스펀지를 눌렀을 때 물이 흐르는 것과 유사하다. 물은 매우 작은 공극을 통해 투과에 의해 천천히 이동한다.

 

공간의 중앙부에서 이동이 쉽고 각 공간의 측면에 매우 가까워지면 영으로 감소하게 된다. 왜냐하면 거기서 물은 광물입자 표면을 젖게 하는 경향으로 방해받기 때문이다. 중력에 상응하여 물은 지하수면이 높은 지역으로부터 가장 낮은 지역을 향해 투과한다. 다시 말하면, 물은 일반적으로 지표 하천 혹은 호수를 향해 투과 한다. 대부분의 물은 땅속을 통해 보다 깊어지는 무수한 긴 곡선 경로를 따라 흐른다.

침투된 물이 중력에 의해 수직으로 움직여서 지하수면에 도달되는 현상을 침투(percolation)라 하고 이는 지하수함양과 지하수위 상승을 가져온다. 지하수흐름의 속도는 하천유속보다 훨씬 느리기 때문에 지하수 유출은 비가 그친 뒤에도 계속된다.

대수층의 단위체적 중에 지하수를 저류할 수가 있는 공극체적비율은 저류계수이고 대수층 경계면에서 지하수 유입과 유출은 동수구배에 의해 결정된다. 암반지하수의 경우에는 대수층(파쇄대)의 구성물질과 압축성에 따라 저류된다고 알려져 있다.

다음 그림에서 대수층 중 일부구간의 등수위선도이다. 구역 ABCD에서 물수지분석을 검토하면 지하수는 DAB 경계면에서 유입되고 BCD경계면에서 유출된다.

지하수의 흐름의 방향과 크기는 동수구배에 의해 결정되고 경계면에서 유입량은 동수구배의 경사면의 수직성분에 좌우된다(한정상, 지하수환경과 오염, 1998.02.28).

 

그러나 우리가 시추조사를 하여 대수층(파쇄대)을 통과하게 되면 지하수가 산출되는데 이는 대수층내에서 둥글게 유입과 유출이 동시에 이루진 효과로 볼수도 있다.

따라서 시추조사구간인 동읍 120m∼의령 75m 구간에서 같은 파쇄대에서 동수구배는 거의 같을 것이고 오로지 저류계수와 파쇄대 두께에 의해 지하수산출량이 결정된다고 볼수가 있다.

이 두가지 저류계수와 두께 중에서 파쇄대 두께는 지하수산출량과는 표3-1과 표3-2에서 보듯이 전혀 관계가 없음을 보여준다.

 

구 분	W-1정	W-2정	W-3정	W-4정	W-5정	W-6정	W-7정	W-8정
계	7.6m 1,000톤/일	16.3m 900톤/일	4.0m 500톤/일	3.8m 480톤/일	13.6m 1,200톤/일	7.6m 500톤/일	14.7m 900톤/일	14.8m 1,000톤/일
1파쇄대 산출량	6.0m 100톤/일	15.0m 120톤/일	3.0m 90톤/일	3.0m 90톤/일	6.0m 220톤/일	3.0m 150톤/일	7.0m 180톤/일	7.0m 180톤/일
2파쇄대 산출량	1.0m 600톤/일	0.8m 500톤/일	0.6m 180톤/일	0.5m 180톤/일	0.6m 350톤/일	0.4m 150톤/일	0.3m 120톤/일	0.4m 210톤/일
3파쇄대 산출량	0.6m 300톤/일	0.5m 380톤/일	0.4m 230톤/일	0.3m 210톤/일	1.0m 330톤/일	0.2m 110톤/일	0.4m 250톤/일	0.4m 250톤/일
4파쇄대 산출량	?	?	?	?	5.0m 300톤/일	4.0m 90톤/일	7.0m 350톤/일	7.0m 360톤/일

정확하게 저류계수를 산출하여야 하나 시추조사로서 얻어진 파쇄대의 표품이 부서진채로 산출되어 정밀한 수치를 구할 수는 없다. 그러나 표4-1, 4-2에서 보듯이 같은 파쇄대로 여겨지는 것에서 각각의 서로 다른 양수량을 볼수가 있다.

이는 유추하건데 파쇄대내에서 파쇄대 생성 당시에 입간물질 즉 점토물질을 얼마만큼 함유하는냐 혹은 얼마만큼 파쇄가 심화되어 단열밀도(fracture density)가 높게 나타나는냐에 따라 산출되는 양수량이 얼마나 감소 혹은 증가되는지를 보여준다고 할 수가 있겠다.

 

동읍 산남리지역의 4번째 파쇄대는 W-5,6,7,8에만 나타나고 W-1,2,3,4에는 나타나지 않는 데 현장조사 결과 W-1,2,3,4에도 절리다발대가 나타났으나 지하수 부존이 거의 않된 채 나타나 지하수증가와는 거의 인식할수가 없었다(표1.2참조).

아마도 본 구간의 증수량은 약 10∼20톤/일 정도 되어 약 50톤/일 이하 였을 것으로 판단된다. 이를 뒷받침하는 경우로 W-5,7호정은 300톤/일 이상이나 W-6호정은 90톤/일정도 밖에 되지 않아 겨우 인지 할 수가 있을 정도였다.

 

Jenkins and Pretice(1982)는 열극 암반대수층에서의 지하수 흐름 방정식은 방사상의 흐름 방정식보다는 선형방정식에 따른다고 하였다. 그러므로 방사상 흐름 방정식은 열극 암반에서 양수정과 양수정과 수리학적으로 연결된 가까운 지표에서의 수위하강을 정확하게 묘사하기는 어려운점이 있다고한 것과 비교해 볼수도 있다

즉 4번째의 파쇄대의 발달이 양호한 W-5호정이 양수정이 되고 4번째의 파쇄대 발달이 불량한 W-6호정과 W-7호정이 관측정 역할을 한다면 W-6호정보다는 W-7호정의 수위강하율이 더 크다는 것이다.

실제로도 W-5호정의 300톤/일로 양수시 W-6호정은 자연수위-관측수위=5.4cm이고 W-7호정의 자연수위-관측수위=9.9cm이었다.

그래서 박상주(1999)는 불연속면에서의 이방성을 고려한 지하수유동해석 논문에서도 “양수정과 멀리 떨어져 있지만 열극과 잘 연결되어 있는 관측정이 파쇄밀도가 잘 발달되지 못한 인접한 관측정에서의 수위가 더 많이 하강되어 나타나, 지하수 흐름은 방사상 흐름이 아닌 지질구조에 지배되는 이차원적인 흐름으로 해석된다”고 하였다.

 

실지로 착정조사시에 양수량을 정검하는 경우에는 착정시 주위로 산출되는(Airsuging) 지하수 전량을 모아 한곳으로 나가게 만들고 이를 “V-notch"로 측정하여 개략적인 지하수 산출량을 정검한다. 그러나 숙련된 기능사라면 그냥 육안으로 봐도 개략적인 양수량 숫치는 맞출수가 있다. 그러나 처음구간에서 지하수가 다소간 늘어남에 따라 쉽게 알수가 있으나 1,2,3 파쇄대를 지나 토출량이 커지게 되면 노련한 기능공이 아닌 경우에는 어디까지 지하수가 증수된다는 것을 알기란 그리 쉽지 않다.

 

파쇄대나 절리다발대의 두께는 지하수 산출량과 관계는 전혀 무관한 것이고 오로지 저류계수 즉 유효공극율이 얼마나 되는가에 따라 지하수산출량이 결정되고 본 계수는 변화 정도가 비교적 켜 동읍 산남리에서 1번 절리다발대에서는 90톤/일에서 220톤/일로 2.4배 정도로 나타났다. 그리고 의령 손오리에서는 1,500톤/일에서 800톤/일로 약 1.9배 정도로 산출된다.

파쇄대는 생성당시에 공극율이 어느 정도인지는 단열밀도(fracture density)에 의해 결정되며 너무 높은 단열밀도는 점토화 되거나, 추후 지하수에 의해 어느 정도로 풍화되거나하면 유효공극율이 낮게 산출될 것이며 이로 인해 지하수 산출량은 줄어들 것으로 판단된다.

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