KR102212259B1 - 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법 - Google Patents

중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 암석구성성분검층을 이용하여 지중의 오염 여부를 탐지하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 시추공을 형성한 후 존데를 삽입하여 암석구성성분검층을 수행한다. 즉 존데의 중성자선원으로부터 고속중성자를 방사하고, 고속중성자와 지층의 구성물질 및 지중의 오염물질과 반응하여 비탄성산란감마선 및 포획감마선을 방출하게 되며, 이 감마선은 검출기에서 측정된다. 측정된 감마선의 스펙트럼을 구현한 후, 이를 오염물질의 표준스펙트럼과 비교함으로써 지중의 오염 여부 및 심도별 오염 분포를 파악할 수 있다.

Description

중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법{METHOD FOR DETECTING SUBSURFACE CONTAMNANTS USING NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS}
본 발명은 환경오염복원 기술에 관한 것으로서, 특히 지하의 오염 여부를 물리탐사 및 물리검층을 이용하여 평가하는 기술에 관한 것이다.
NAPL(Non-Aqueous Phase Liquid)은 대표적인 토양 및 지하수 오염원이다.
도 1에 도시된 바와 같이, NAPL은 물보다 밀도가 낮은 LNAPL(Light-NAPL)과, 물보다 밀도가 높은 DNAPL(Dense-NAPL)로 나누어진다. LNAPL로는 원유, 가솔린, 벤젠 등이 있으며, DNAPL로는 PAHs, 염소처리용제 등이 있다. LNAPL은 물보다 가볍기 때문에 지중에 침투한 후 대수층의 수위면을 따라 이동하는 반면, DNAPL은 물보다 무겁기 때문에 대수층을 통과하여 기반암까지 하강하여 확산되므로 이동 경로에 있어서 차이를 나타낸다. 또한 일부의 NAPL은 물에 용존된 상태(dissolved phase)로 이동하는 등, NAPL의 이동 및 확산 경로는 매우 다양하게 나타난다. NAPL은 지중에 유입된 후 지하수를 따라 확산되기 때문에 광범위한 영역에서 오염을 일으킨다.
한편, 폐광 지역 등에서는 중금속에 의한 토양 및 지하수 오염이 나타나곤 한다. 중금속은 앞에서 말한 NAPL과 달리 빗물, 하천 등에 녹아서 지하수에 유입되어 이동되는 특징이 있다. 농가나 축사에서는 비료 살포로 인해 질소산화물이 발생하여 토양이나 지하수의 오염원으로 작용한다. 또한 쓰레기 매립장에서는 유기물, 무기물, 금속 등 복합 오염물이 침출수 형태로 배출된다.
이렇게 다양한 원인에 의하여 오염된 토양 및 지하수를 복원하려면 지중 오염 여부, 오염원의 종류 및 이동 경로를 정확하게 확인하는 것이 중요하다. 오염영역 주변에 점 오염원(point source pollution)이 존재하는 경우에는 오염여부 및 오염물의 종류를 파악하기 용이하지만, 비점 오염원(non-point source pollution)에 의한 오염의 경우에는 오염 여부, 오염물의 종류를 파악하기 어렵다. 또한 오염영역에서 오염물이 밀집되어 있는 영역(예컨대 NAPL pond)과 심도를 탐지하기도 매우 어렵다.
종래에 지중 오염을 정밀 조사하기 위하여 시추를 통해 코어 시료를 획득하고, 시료를 분석하여 오염 여부와 오염물의 종류를 분석하였다. 그러나 시료를 교란하지 않고 원상태로 코어시료를 확보하기가 용이하지 않으며, 코어링 시추 자체가 경제성의 측면에서는 불리하다는 문제가 있다. 이러한 어려움 때문에 지중 오염의 정밀조사에는 한계가 있었으며, 오염 현황이 정확하게 파악되지 않은 이상 복원 방법도 효과적으로 설계하기가 쉽지 않았다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 암석구성성분검층기법과 물리탐사기법을 이용하여 오염 의심 지역의 오염 여부, 오염 범위 및 오염원의 종류를 식별할 수 있으며, 오염복원을 위한 약품 최적 주입 위치를 설정할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법은, (a)조사대상지역을 하방으로 천공하여 시추공을 형성하는 단계; (b)상기 시추공에 존데를 삽입하고, 상기 존데의 중성자선원에서 지층을 향해 고속중성자를 방사한 후, 상기 고속중성자와 지층과의 비탄성산란작용을 통해 방출되는 비탄성산란감마선과 상기 고속중성자가 열중성자로 전이된 후 지층에 포획될 때 방출되는 포획감마선을 상기 존데의 검출기에서 검출하는 암석구성성분검층단계; 및 (c)상기 검출기에서 측정된 비탄성산란감마선 및 포획감마선의 스펙트럼과 지중 오염원으로 작용하는 화학원소의 표준스펙트럼을 비교하여 지중 오염 여부를 탐지하는 단계;를 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 암석구성성분검층에서 상기 존데를 시추공에서 승강시키면서 연속적으로 고속중성자를 방사하고 감마선을 검출함으로써, 상기 시추공의 심도에 따른 지중 오염 여부를 탐지한다.
또한 본 발명의 일 예에서, 상기 조사대상지역에서 시추를 통해 확보한 코어를 분석하여 상기 오염후보물질을 파악할 수 있다. 그리고 오염후보물질을 확인한 후, 상기 암석구성성분검층단계에 직접 사용할 존데에 포함된 중성자선원과 검출기를 이용하여 중성자 방사화 분석 실험(암석구성성분검층과 실질적으로 동일)을 수행함으로써 상기 오염후보물질의 표준스펙트럼을 확보하는 단계를 더 구비한다. 예컨대, 상기 오염후보물질은 TCE(Trichloroethylene)이다.
본 발명의 일 예에서, 상기 조상대상지역에서 시추를 통해 확보한 코어에서 오염후보물질을 확인한 후, 상기 코어를 대상으로 상기 암석구성성분검층단계에 직접 사용할 존데에 포함된 중성자선원과 검출기를 이용하여 중성자 방사화 분석 실험을 수행하여 상기 오염후보물질의 표준스펙트럼을 확보하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 암석구성성분검층을 이용하여 조사대상지역의 지중 오염 여부 및 오염물질의 종류를 정확하게 탐지할 수 있다는 이점이 있다. 또한 본 발명에서는 조사대상지역의 심도별 오염분포를 파악할 수 있다는 이점이 있다.
더 나아가 본 발명에서는 물리탐사 기법을 이용하여 조사대상지역의 평면방향에서의 오염 분포를 확인할 수 있는 바, 암석구성성분검층과 물리탐사기법을 이용하여 조사대상지역의 오염분포를 3차원으로 입체적으로 파악할 수 있다는 이점이 있다.
이를 통해 세정제의 주입 위치 및 배출 위치를 결정하는 등 오염복원방법을 효과적으로 선정할 수 있을 것으로 기대한다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 NAPL에 의한 지중 오염과 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 시추공에 암석구성성분검층 존데를 삽입한 상태의 개략적 도면이다.
도 3은 암석구성성분검층의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 화학원소별 표준스펙트럼을 구현한 것의 예시이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법의 개략적 흐름도이다.
도 6은 시료의 표준스펙트럼을 획득하기 위한 실험장치의 개략적 단면도이다.
도 7은 오염물질의 자연감마선을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8 내지 도 10은 암석구성성분검층에 따른 오염물질의 감마선스펙트럼 구현 결과를 나타낸 것이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 석유, 가스 등 에너지 자원의 탐사에 활용되는 물리검층 기술을 이용하여 지중의 오염 여부 및 오염 위치를 탐지하기 위한 방법에 관한 것이다.
일단 물리검층에 대해서 간략하게 설명한다.
물리검층(geophysical well logging)은 조사 대상이 되는 지층에 굴착한 시추공에 검층기(존데, sonde)를 삽입하여 온도, 압력, 밀도, 공극률, 수포화도, 전기비저항 등 암석의 물리적 성질이나 상태를 파악하여 지층의 상태를 탐지하는 기술을 말한다. 예컨대 지하수가 지나는 대수층의 경우 전기비저항이 낮게 나타나므로 이를 이용하여 대수층의 존재를 파악할 수 있다. 물리검층은 밀도검층, 전기비저항검층, 음파검층, 중성자검층 등 다양한 검층법으로 세분화된다. 물리검층은 석유의 매장량, 생산성 등을 파악하기 위한 것으로부터 출발하였지만, 현재에는 이산화탄소 처분, 광물자원 탐사, 엔지니어링 분야 등으로 그 적용범위가 계속 확대되고 있다.
앞에서 설명한 것처럼 물리검층은 암석의 “물리적” 성질이나 상태를 파악하는 기술인데, 최근에는 암석의 “화학적” 성질, 즉 암석의 화학적 성분을 파악하는 것으로 발전되고 있다. 이러한 검층법을 “암석구성성분검층”이라 명명한다.
본 발명은 물리검층 중에서 특히 암석구성성분검층을 사용한다는 점에 특징이 있으며, 기존에 물리탐사의 영역이던 자원탐사, 엔지니어링 분야가 아니라 환경오염탐지와 환경오염복원에 활용한 다는 점에서 특징이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 예에 따른 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 지중 오염 여부 및 오염 위치를 탐지하는 방법을 제공하는 것이 주요한 목적이며, 더 나아가 오염을 복원하기 위하여 세정제의 최적 주입 위치를 결정하는 방법을 제공하는 것이 또 다른 목적이다.
설명의 편의를 위하여, 암석구성성분검층의 원리에 대하여 먼저 설명한다.
도 2는 시추공에 암석구성성분검층 존데를 삽입한 상태의 개략적 도면이며, 도 3은 암석구성성분검층의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참고하면, 시추공(h)에서 수행하는 암석구성성분검층은 존데(9, sonde)를 케이블(8)을 통해 윈치(미도시)에 매달아서 시추공(h)에 삽입하여 하강시킨다. 존데(9)의 하단에 배치된 중성자선원(1)에서는 높은 에너지의 고속중성자(fast neutron)가 방사된다. 도 3을 참고하면, 고속중성자는 지층(지층 내 구성물질)과 반응하면서 빠른 속도로 에너지를 상실하고 열중성자 영역(thermal energy level)으로 감속된다. 이 때, 고속중성자가 방사된 후 에너지가 약 1MeV 이하로 떨어지기 전(마이크로초 이내) 까지는 지층과 비탄성산란(inelastic scattering) 상호 작용을 한다. 즉 고속중성자는 지층 내 물질의 원자핵(nucleus)과 충돌하여 원자핵을 여기시키고, 여기된 원자핵이 원래 상태로 복원되면서 비탄성산란감마선을 방출하게 된다. 반면, 중성자가 에너지를 더 상실하여 0.025eV 수준으로 떨어져 열중성자(thermal neutron)가 되면, 열중성자는 도 3의 아래쪽에 도시된 바와 같이 지층 내 물질의 원자핵에 흡수되어 버리는 중성자포획(neutron capture) 현상이 나타난다. 중성자가 원자핵에 포획되는 과정에서 원자핵은 여기되었다가 복원되면서 포획감마선(capture gamma ray)을 방출하게 된다.
중성자와의 상호작용에 의하여 지층에서 방출된 비탄성산란감마선 및 포획감마선은 도 2의 화살표(a)와 같이 존데(9)의 검출기(2)에서 측정된다. 그리고 측정된 감마선에 대한 에너지 스펙트럼을 구현한다. 화학원소별로 이 스펙트럼이 모두 다르게 나타나기 때문에, 측정된 감마선의 스펙트럼을 통해 지층의 구성물질(화학원소)을 탐지할 수 있다. 즉 화학원소별 표준스펙트럼을 알고 있는 경우, 암석구성성분검층을 통해 얻어진 스펙트럼과 표준스펙트럼을 상호 비교하여 대상 지층의 구성물질을 탐지할 수 있다. 이것이 암석구성성분검층의 개략적 원리이다.
화학원소의 표준스펙트럼에 대한 데이터를 얻는 과정에 대하여 설명한다. 예컨대, 실리콘의 표준스펙트럼은 불순물을 포함하지 않거나 최소 수준으로 포함되어 있는 순수 사암(SiO2)으로 이루어진 모형 지층 블록을 만든다. 순수 사암의 내부에 시추공을 만들고 중성자선원과 검출기를 투입한 후, 중성자 방출 및 감마선 검출을 통해 실험적으로 획득할 수 있다. 마찬가지로, 칼슘의 표준스펙트럼은 순수 석회암(CaCO3)으로 이루어진 모형 지층 블록을 만들어서 실험을 통해 얻을 수 있다. 또한 수소, 탄소 및 산소의 표준스펙트럼은 물로 채워진 탱크에서 실험을 하거나 오일(CnHm)로 채워진 탱크에서 실험을 통해 얻을 수 있다. 즉 원소의 표준스펙트럼은 별도로 정해진 것이 아니라, 이미 구성성분을 알고 있는 암석블럭을 이용하여 실험을 수행하여 데이터화한다. 데이터가 축적될수록 보다 신뢰성 있는 표준스펙트럼을 획득할 수 있다. 다양한 원소, 암석블럭에 대한 실험을 통해 도 4에 도시된 바와 같은 표준 데이터베이스를 확보한다.
암석구성성분검층은 상기한 바와 같은 원리에 기반한 것이며, 주로 에너지 자원 탐사에 활용된 것이지만, 본 발명에서는 이를 환경오염기술에 응용하였다. 본 발명에 대하여 좀 더 자세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법의 개략적 흐름도이다.
도 2 및 도 5를 참고하면, 본 발명에서는 먼저 조사대상지역의 지반(g)을 하방으로 굴착하여 시추공(h)을 형성한다. 시추공(h)은 대략 10cm 내외의 직경으로 형성된다. 실시예에 따라서는 시추공을 굴착하는 과정에서 코어시료를 채취할 수 있다. 단순 시추를 하는 것과 시료를 획득하기 위한 코어링을 하는 것은 비용에 있어서 매우 큰 차이가 있으므로, 코어시료 획득은 최소한으로 제한하는 것이 바람직하다.
시추공(h)을 형성한 후에는 코어시료를 분석하여 오염물질을 확인한다. 즉 코어시료가 원래의 지반 구성물질로만 이루어져 있는지 아니면 유류, 금속 등 인간의 인위적 활동에 의하여 발생한 오염원을 포함하고 있는지를 화학분석한다. 오염물질은 지각의 구성물질과는 차이가 있으므로 오염원의 포함 여부를 쉽게 파악할 수 있다. 다만, 시추과정에서 코어링을 하지 않아 코어시료가 확보되지 않은 경우라면, 조사대상지역의 활용 현황을 통해 오염후보물질을 선정할 수 있다. 예컨대 조사대상지역이 주유소나 군부대로 활용된 경우 유류 오염을 예상할 수 있으며, 축사 등으로 활용된 경우 질소나 인에 의한 오염을 상정할 수 있다. 또한 광산지역의 경우 금속 오염을 의심할 수 있다. 위와 같이 조사대상지역의 활용 현황이나, 코어시료의 화학 분석을 통해 오염후보물질을 선정한다.
오염후보물질을 선정한 후에는 오염후보물질의 표준스펙트럼(elemental standard spectrum)을 확보한다. 앞에서도 설명하였지만, 암석구성성분검층 후에 획득된 스펙트럼을 표준스펙트럼과 비교하여 오염여부를 확인하는 것이기 때문에 표준스펙트럼을 확보하는 것은 매우 중요하다.
문제는 암석구성성분검층은 매우 최신의 기술이며, 공지되어 있는 표준스펙트럼이 없다는 것이다. 암석구성성분검층을 활용하고 있는 소수의 선진 기업들은 자체적으로 데이터베이스를 확보하고 있지만 이를 외부에 공개하지 않는다. 또한 이들 역시 에너지자원의 탐사 영역에 국한되어 있기 때문에, 환경오염물질 등 다양한 물질에 대한 표준스펙트럼 데이터를 확보하고 있지 않을 것으로 예상한다. 무엇보다도 에너지 자원 영역에 비하여 환경오염 영역은 대상물질(오염물질)의 종류가 매우 다양할 뿐만 아니라 오염물도 복합적이라는 특징이 있다.
본 발명에서 표준스펙트럼은 기존에 데이터베이스로 구축되어 있는 것을 사용할 수도 있지만, 조사대상지역의 현장 조건에서 직접 표준스펙트럼을 확보하는 방법을 선택한다. 즉 조사대상지역에서 직접 채취한 코어를 대상으로 조사대상지역에서 암석구성성분검층을 수행할 때 직접 사용할 중성자 선원과 검출기를 활용하여 실험을 수행한다. 화학원소의 표준스펙트럼이라고 하지만, 중성자 선원의 종류나 검출기의 종류에 따라서 구현된 표준스펙트럼의 분해능이 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서도 시추공에서 암석구성성분검층을 수행할 존데를 구성하는 중성자선원과 검출기를 이용하여, 시추공에서 채취한 코어시료를 대상으로 암석구성성분검층실험을 함으로써 표준스펙트럼을 얻어낸다.
도 6은 시료의 표준스펙트럼을 획득하기 위한 실험장치의 개략적 단면도이다. 도 6을 참고하면, 실험장치(100)는 지지대(10)와 중성자선원을 밀폐, 수용하기 위한 제1하우징(20)과 제2하우징(30) 및 마리넬리비이커(40, marinelli beaker)를 구비한다. 지지대(10) 위에 제1하우징(20)이 설치되며, 제1하우징(20)의 중앙에는 중성자선원(50)이 장착될 수 있도록 삽입부(21)가 형성된다. 제1하우징(20)의 상부에는 제2하우징(30)이 얹어져 삽입부(21)에 장착된 중성자선원을 밀폐한다. 제1하우징(20), 제2하우징(30) 및 지지대(10)는 모두 감속재로 작용하는 고밀도폴리에틸렌(HDPE, High Density PolyEthylene)으로 형성된다. 지지대(10) 위에는 마리넬리비이커가 장착되어, 제1하우징(20)과 제2하우징(30)을 중심에 두고 환형의 수용부(41)를 형성한다. 환형의 수용부(41)에는 조사대상지역에서 채취한 시료(코어시료를 분쇄한 형태)가 수용된다. 그리고 실험장치(100)의 외측에는 감마선검출기가 설치되며, 실험장치를 중심으로 원주방향을 따라 3군데 지점에 감마선검출기를 설치할 수 있다. 감마선검출기는 CeBr3 검출기를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 예에서는 상기한 실험장치(100)의 제1하우징(20) 내에 중성자선원을 장착하고, 마리넬리비이커(40)에는 시료를 수용한 후, 고속중성자가 시료와 반응하여 발생하는 비탄성산란감마선과 포획감마선을 각각 검출하여, 이를 시료 내 오염물질의 표준스펙트럼으로 활용한다. 현장에서 직접 채취한 시료로부터 얻은 표준스펙트럼이기 때문에 신뢰성이 올라간다. 즉 시추공에서 암석구성성분검층을 수행하여 오염물질이 포함된 영역의 지층에서 획득하는 스펙트럼과 시료로부터 얻은 표준스펙트럼은 상호 대응성이 높을 것이기 때문이다.
한편, 현장 시료를 채취하지 못한 경우, 오염후보물질에 대한 기존의 데이터베이스가 구축되지 않은 경우에는 인위적으로 시료를 만들어서 표준스펙트럼을 획득하는 실험을 수행할 수 있다. 현장의 토사와 오염후보물질을 혼합하여 시료를 만든 후 상기한 실험장치를 이용하여 표준스펙트럼을 획득할 수 있다.
즉 본 발명에서는 오염후보물질의 표준스펙트럼을 획득하기 위하여, 기존에 구축된 데이터베이스를 활용하거나, 현장에서 직접 채취한 시료(코어시료 포함) 또는 인위적으로 만든 시료를 대상으로 실험을 진행하는 방법을 택할 수 있다. 이들을 선택적으로 진행할 수도 있고, 복수의 방법을 함께 진행할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 오염후보물질에 대한 표준스펙트럼을 확보하면 이제 본격적으로 암석구성성분검층으로 수행한다. 암석구성성분검층은 앞에서 언급한 것처럼 존데를 시추공에 삽입하여 승강시키면서 고속중성자와 지층과 반응하여 방출되는 감마선을 측정한다. 감마선 측정이 완료되면 스펙트럼을 구현한다. 암석구성성분검층에 따른 감마선의 측정은 시추공의 심도에 따라 연속적으로 측정되기 때문에, 시추공의 심도에 따라 연속적으로 스펙트럼을 구현할 수 있다.
시추공에 대한 심도별 스펙트럼이 구현되면, 이 스펙트럼과 표준스펙트럼의 상호 대응여부를 확인하여 지중 오염여부를 확인할 수 있다.
또한 암석구성성분검층에 따른 고속중성자의 방출과 감마선의 측정은 시추공의 심도에 따라 연속적으로 측정되기 때문에, 시추공의 심도에 따라 오염 여부를 탐지할 수 있다. 시추공 전체 깊이 중에서 어느 심도에서 오염이 집중되는지를 확인할 수 있다.
한편 오염후보물질이 복수 개인 경우라면, 지반이 어떤 오염물질에 의하여 오염되었는지도 확인할 수 있다. 오염후보물질 이외에 다른 오염원(화학원소)의 표준스펙트럼이 발견되는 경우도 존재할 수 있다. 이 경우 현장 실험을 통해 오염원에 대한 표준스펙트럼이 확보된 것이 아니기 때문에 기존의 데이터베이스를 통해 오염 여부를 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 효과를 확인하기 위하여, 오염물질의 자연감마선 측정을 통한 오염확인방법과의 비교를 수행하였다.
화학원소별로 자연감마선을 방출하기 때문에 검출기에서 자연감마선을 측정하여 오염물질을 확인할 수 있는지를 확인하였다. 자연감마선 검출기로는 고순도 저마늄검출기(HPGe)를 사용하였다. 실험에서는 HPGe 검출기와 오염물질을 정렬하고, 배경 방사선의 영향을 최소화 할 수 있도록 납과 구리로 제작한 차폐함 속에 넣어 차폐하고 이틀 동안 측정을 수행하였다. 배경 방사선도 동일한 시간 측정한 후 샘플의 데이터에서 모두 뺀 후 분석하였다. 오염물질은 휘발유, 경유, 등유를 준비하여 각각에 대하여 실험하였다. 도 7은 오염물질의 자연감마선을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 7을 참고하면, 각 오염물질의 자연감마선 스펙트럼(검정색)과 차폐함 속의 배경감마선 스펙트럼(붉은색)이 나타나 있다. 검정색 스펙트럼에서 붉은색 스펙트럼을 뺀 것이 오염물질에서 나온 감마선이다. 오염물질의 자연감마선 스펙트럼과 배경감마선 스펙트럼 사이에 차이가 크지 않다는 것을 확인하였다. 즉 오염물질의 자연감마선 측정으로는 오염 여부를 확인하는 것이 쉽지 않음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 중성자선원을 이용한 암석구성성분검층을 통해 오염물질의 탐지 가능성을 실험하였다. 본 실험은 자연감마선 측정과 달리 중성자선원이 필요하므로 앞에서 설명한 실험장치(100)를 사용하였다. 중성자선원은 252Cf를 사용하였다. 오염물질로는 휘발로, 경유 및 TCE(Trichloroethylene)을 사용하였다. 중성자선원으로부터 방사된 고속중성자가 오염물질과 반응하여 발생한 감마선을 측정한 결과가 도 8 내지 도 10에 나타나 있다.
도 8은 휘발유에 대한 결과이며, 도 9는 경유에 대한 결과이고, 도 10은 TCE에 대한 결과이다. 휘발유, 경유는 구성 성분이 상호 비슷하고 그 비율만 조금씩 다르기 때문에 스펙트럼 상 큰 차이는 없었고 계수 값만 약간씩 다르게 나타났다. 그러나 TCE의 경우 다른 오일들보다 더 다양한 중성자 유도 감마선을 확인할 수 있었다. 특히 TCE의 경우 염소(Cl)로 인한 포획감마선이 520 keV에서 보이기 때문에 이를 활용하면, TCE 오염 여부를 명확하게 확인할 수 있을 것으로 보인다.
한편, 이상에서는 암석구성성분검층을 이용하여 지중 오염 여부를 확인하고, 오염물질이 집중되어 있는 심도에 대하여 탐지하는 과정에 대하여 설명하였다.
본 발명에서는 물리탐사 방법을 이용하여 평면방향에서의 오염물질의 분포 상황을 파악한다. 암석구성성분검층에서는 심도방향에서 오염물질의 분포를 탐지할 수 있지만, 평면방향에서의 오염물질의 분포를 파악하는 것은 용이하지 않다. 이를 위해서는 조사대상지역 전체 영역에 걸쳐 다수의 시추공을 확보해야 하는데 이는 현실적으로 용이하지 않다. 이에 본 발명에서는 상대적으로 넓은 영역을 한 번에 조사하여 오염물질의 분포를 확인하기 위하여 물리탐사기술을 채용한다. 물리탐사의 경우 2차원 및 3차원 탐사가 가능하지만, 심도방향을 포함하는 3차원 탐사에서는 오염물질의 탐지에서 한계가 있다. 이에 본 발명에서는 심도방향 탐지에 효과적인 암석구성성분검층과 평면방향 탐사에 효과적인 물리탐사를 상호 결합하여 오염물질의 3차원 분포를 확인한다.
예컨대 본 발명에서는 전기탐사, 보다 구체적으로는 전기비저항탐사와 유도분극탐사 중 어느 하나를 선택적으로 실시하거나, 이들을 함께 실시할 수도 있다. 전기비저항탐사는 전극을 측선에 일정한 간격으로 지반에 배치한 후, 전극을 통해 지반에 전류를 흘렸을 때 발생하는 전위차를 측정함으로써 지하의 전기비저항 분포를 파악한다. 유도분극(induced polarization; IP)탐사는 분극 현상으로 인해 매질에서 발생하는 과전압을 측정하는 전기전자탐사법이다. IP탐사에는 충전율을 측정하는 시간영역IP탐사, 진동수 효과를 측정하는 진동수영역IP탐사, 그리고 복소수 전기비저항을 측정하는 복소전기비저항탐사와 광대역IP(spectral IP; SIP)탐사 등이 있다. 전기비저항탐사와 유도분극탐사는 널리 알려진 기술이므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
예컨대 유류 등 NAPL 오염 지역은 전기비저항이 높은 특징이 있다. 일반적으로 토양 내부의 공극은 지하수로 채워져 있는데, 오염이 발생한 경우 NAPL이 토양 내 공극수를 밀어내고 채워지는데, 유류의 전기비저항(~0.001ms/m)이 공극수의 전기비저항(0.01~0.2mS/m) 보다 높으므로 조사지역의 전기비저항이 보통의 토양에 비하여 높아지게 된다.
또한 쓰레기 매립지에서의 침출수 유출, 가축 축사에서의 폐사물에 의한 침출 수 유출, 해수가 역류되어 토양으로 침입하는 경우, 이들은 밀도가 지하수와 거의 차이가 없으므로 지하수와 동일하게 대수층으로 이동한다. 침출수에 의해 지하수의 이온 농도가 높아지면 전기비저항이 낮아지는 바, 전기비저항 탐사에 의하여 오염 여부를 확인할 수 있다.
최근 황화광물에 의해 발생되는 산성배수가 문제되는데, 황화광물(황철석 등)에 의한 토양 오염을 탐지하는데에는 유도분극탐사를 사용할 수 있다. 황철석이 많은 영역은 황철석 함량이 낮은 구역에 비해 상대적으로 분극현상(induced polarization)으로 인해 발생되는 과전압(overvoltage)이 높게 나타나기 때문이다.
특히 본 발명에서는 TCE 또는 PCE 오염지역의 탐사에서 복합 전기탐사법인 DC-IP 탐사를 사용할 수 있다.
본 발명에서는 전기비저항탐사, 유도분극탐사 등 물리탐사기술을 이용하여 평면방향의 넓은 영역에서의 오염여부 및 오염분포를 확인한다. 물론 본 발명에서는 위에서 예를 들은 물리탐사방법 이외에도 GPR탐사 등 다른 기법들도 활용가능하다.
이렇게 물리탐사를 통해 평면방향에서의 오염분포를 확인하고, 암석구성성분검층을 통해 심도방향에서의 오염분포를 확인함으로써, 조사대상지역에 대한 3차원 오염분포를 파악할 수 있다. 또한 대수층의 위치와 지하수의 흐름방향 등 지반의 구조에 대해서도 개략적으로 파악할 수 있다.
상기한 바와 같이, 조사대상지역에 대한 3차원 오염분포 파악 및 지반의 물리적 구조를 파악하면 효과적인 오염복원 방법을 결정할 수 있다. 예컨대 NAPL 오염복원은 오염지의 일측과 타측에 각각 시추공을 형성하고, 일측에서는 세정제를 주입하고 타측에서는 NAPL과 세정제를 배출시킨다. 시추공을 하나만 형성할 때에는 높이방향을 따라 일측에서는 세정제를 주입하고 타측에서 배출시키게 된다. 이 때, 세정제를 주입하는 위치와 배출하는 위치가 세정 효과에 큰 차이를 가져온다. 오염물질이 집중분포된 좌표와 심도에 세정제가 주입되도록 하는 것이 효과적이며, 지하수의 흐름방향을 따라 주입정의 하류측에 배출정이 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 암석구성성분검층 및 물리탐사를 이용하여 오염물질의 3차원 분포 및 조사대상지역의 물리적 구조에 대하여 파악할 수 있는 바, 오염복원 방법을 효과적으로 선택할 수 있다는 이점이 있다. 물론 오염물질이 무엇인지 알기 때문에 세정제의 선택에 있어서도 효율을 기할 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (6)

  1. (a)조사대상지역을 하방으로 천공하여 시추공을 형성하는 단계;
    (b)상기 시추공에 존데를 삽입하고, 상기 존데의 중성자선원에서 지층을 향해 고속중성자를 방사한 후, 상기 고속중성자와 지층과의 비탄성산란작용을 통해 방출되는 비탄성산란감마선과 상기 고속중성자가 열중성자로 전이된 후 지층에 포획될 때 방출되는 포획감마선을 상기 존데의 검출기에서 검출하는 암석구성성분검층단계; 및
    (c)상기 검출기에서 측정된 비탄성산란감마선 및 포획감마선의 스펙트럼과 지중 오염원으로 작용하는 화학원소의 표준스펙트럼을 비교하여 지중 오염 여부를 탐지하는 단계;를 구비하며,
    상기 조사대상지역에서 상기 시추공을 형성하는 단계에서 확보한 코어에서 오염후보물질을 확인한 후, 상기 코어를 대상으로 상기 암석구성성분검층단계에 직접 사용할 존데에 포함된 중성자선원과 검출기를 이용하여 암석구성성분검층 실험을 수행하여 상기 오염후보물질의 표준스펙트럼을 확보하며,
    상기 암석구성성분검층 실험에서 사용하는 실험장치는, 지지대와, 상면에 상기 중성자선원이 장착되는 삽입부가 형성되며 상기 지지대 위에 설치되며 감속재 소재로 이루어지는 제1하우징과, 상기 제1하우징의 상부에 설치되어 상기 중성자선원을 밀폐하며 감속재 소재로 이루어지는 제2하우징과, 상기 지지대 위에 설치되며 상기 제1하우징과 제2하우징을 중심으로 환형의 수용부를 형성하여 조사대상지역에서 채취하여 분쇄한 코어시료를 수용하는 마리넬리비이커 및 상기 마리넬리비이커 외측에 설치되는 중성자검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 암석구성성분검층에서 상기 존데를 시추공에서 승강시키면서 연속적으로 고속중성자를 방사하고 감마선을 검출함으로써, 상기 시추공의 심도에 따른 지중 오염 여부를 탐지하는 것을 특징으로 하는 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조사대상지역에서 상기 시추공 형성단계에서 확보한 코어를 분석하여 오염후보물질을 선정하는 것을 특징으로 하는 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오염후보물질은 TCE(Trichloroethylene)인 것을 특징으로 하는 중성자 방사화 분석을 통한 지중 오염 평가 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH10244248A (ja) * 1997-03-05 1998-09-14 Dowa Mining Co Ltd 汚染土壌の処理法および設備
KR20040048991A (ko) * 2001-10-24 2004-06-10 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. 수은 오염된 토양의 복원
KR102064554B1 (ko) * 2019-05-28 2020-03-02 한국지질자원연구원 지층의 공극률 및 화학적 구성성분 추정을 위한 존데

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