[기고문] 라돈을 이용한 지진의 예측

조승연 연세대 환경공학부 교수, 연세대 환경보건센터
온라인팀 eco@ecomedia.co.kr | 2016-12-15 17:43:44

 국내 개발 고효율 실시간 라돈 센서 기반

 

 

그 동안 한반도는 지진으로부터 비교적 안전하다고 여겨졌지만, 올해 9월 12일 경상북도 경주시에서 1978년 대한민국 지진 관측 이래 역대 최강 규모인 5.8의 지진이 발생하였으며, 이후에도 11월 19일 03시 기준 경주지진 여진은 총 523회이고, 경주지진여진을 규모면으로 살펴보면 규모 1.5이상 ~ 3.0미만이 504회, 3.0이상 ~ 4.0미만이17회, 4.0이상 ~ 5.0미만이 2회로 나타났으며, 지진 대비에 취약한 대한민국에 더 큰지진이 일어날 수도 있다는 사실에 많은 국민들은 지진공포에 휩싸여 있다. 비록 약한 지진이지만 한반도에서는 끊임없이 지진이 일어나고 있다. 역사기록을 보면 삼국시대 때 107번, 고려시대 때 193번, 조선시대 때는 1천번이 넘는 지진발생 기록이 전해지고 있다. 강진기록도 다수 전해지고 있다.

 

옥천 . 양산 . 추가령단층서 지진 자주 발생 

 

1024년(고려 현정 15년) 지동(地動)에 의해 석가탑과 담장 일부가 붕괴됐다는 기록이, 1038년(고려 정종 4년)에는 석가탑 보수 중에 지동에 의해 석가탑이 붕괴되고 불국사 경내 다리(청온교, 백운교 중의 하나)도 붕괴됐다는 기록이 발견되고 있다. 승정원일기(承政院日記)에 따르면 1643년에는 영덕으로부터 동래에 이르는 각 읍에서 지진이 발생해 “울산 동쪽 30리에 썰물, 들물 드는 곳에 물이 끓는 탕과 같이 용솟음쳤으며, 논과 밭 여섯 곳이 갈라지고 물이 솟기를 우물과 같았다”는 기록이 전해지고 있다.


지헌철 한국지질자원연구원 지진연구센터 책임연구원은 2016년 3월 23일 ‘한반도 지진과 원자력안전’이란 주제로 열린 제35회 과총포럼에서 과거 지진 사례들을 열거하면서 ‘한반도 지진학적 환경과 지진발생 가능성’에 대해 우려를 표명했다. 지 연구원에 따르면 실제 옥천, 양산, 추가령단층 등 한반도에 있는 3개 단층대에서 끊임없이지진이 일어나고 있다는 것이다. 지 연구원은 “지금처럼 일본에서 큰 지진이 발생하고 지진대 간에 큰 영향을 받고 있는 상황에서규모 6.5 이상의 지진이 일어날 수도 있다. 7.0 이상의 지진이 발행할 가능성은 낮지만 그 이하에서의 강진 가능성이 있다”며 철저한 대비책을 주문했다. 

 

2018년까지 지진 관측망 314개소로 확충 

 

이에 국민안전처는 9.12 지진을 계기로 지난 9월22일 민간전문가와 관계부처가 참여하는 ‘지진방재 종합개선기획단’을 구성해 범정부 차원의 ‘지진방재 종합개선대책’을 차질 없이 마련하고 있다고 밝히고 있다. 기획단은 예방ㆍ복구개선, 지진 안전교육, 원전ㆍ문화재 안전 등 총 7개 분야 T/F팀으로 구성ㆍ운영하고 있다.안전처는 지진관측망의 조기 확충과 개선으로 신속한 지진정보 전달체계 구축도 추진할 계획이다. 현 206개소인 지진관측망을 2018년까지 314개소로 조기 확충해 지진 조기 경보 소요시간을 50초에서 2020년까지 10초 이내로 단축하고 2017년부터 진도정보를 제공할 방침이다. 활성단층 조사도 내년부터 관련 부처가 참여하는 공동추진 방안으로 검토하고 있다.


지진이 발생한 후에 조기 경보할 수 있는 시스템을 구축하는 것 보다 더 중요한 것은, 지진 발생을 정확하게 예측할 수 있는 체계를 구축하는 것이다. 지진을 정확하게 예측하기 위해서 다양한 방법이 동원되고 있다. 객관적이고 과학적인 방법으로는 GPS 센서로 판 경계 부분의 느린 단층(7cm/년)의 이동을 측정하는 방법이 있다. 또한 암석권-대기권-전리권 결합(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling) 메카니즘에대해서도 일부 연구되고 있다.

 

△ 대지진 예측 방법

즉, 암석권에서 방출된 라돈가스가 전리층에 양이온과 음이온을 생성하며, 이들 하전 입자가 응축된 물분자를 끌어 당기며 열을 발생하게 되고 이를 적외선 탐지기로 관측하는 것이다. 거대한 해일과 후꾸시마 원자력 발전소의 대재앙을 유발한, 진도 9.0의 동일본 대지진 발생 3일 전인 2011년 3월 8일에 전리권의 전자 농도와 적외선의 양이 가장 크게 증가하는 것을 관찰하였으며, 과학자들은 아시아에서 발생한 100여개의 지진 데이터를 통해 진도5.5 이상의 지진에서 유사한 경향을 관찰하였다.


또한 암석에서 튕겨져 나온 정공(전자가 부족한공간)이 공기 중의 전자와 만나면서 발생하는 지진섬광을 관측하기도 한다.60년 전부터 지진을 예측하기 위하여 라돈가스의거동을 관측하는 수많은 연구가 수행되었으며,지진을 예측할 수 있는 주요한 방법 중의 하나로 여겨지고 있다. 그 중의 몇 가지 예를 들어보자.


라돈 농도 변화, 지진 발생 전조현상


1981년 아이슬란드 과학자들은 지하 온천수 중라돈 농도를 1주일에 한 번씩 채취하여 분석한 결과, 진도 2.0에서 4.3의 지진이 발생하기 전에 라돈 농도 이상이 발생한 확률은 65%로 밝혔다. 1995년 일본에서 고베지진을 연구한 자료에서는1994년 10월 말부터 지하수 라돈 농도를 관측해서 1994년 12월 까지 약 4배가 증가하였으며, 지진 발생 9일 전인 1995년 1월 8일에는 10배 까지증가하였고, 이러한 라돈 농도의 변화는 지진 발생의 전조현상으로 판단하였다.

 

△ 고베 지진에 따른 지하수 라돈 농도의 변화 

 

 

또한 모니터링 주변 20km 대기 중의 평균 라돈방출률은 1994년 10월부터 지진이 발생한 날 까지점차 증가하여 평균 보다 다섯 배가 증가한 것으로 보고 되었으며, 지진 발생 이전의 대기 중 라돈 농도 이상 패턴을 통해 지각의 기계적 반응 공간 분포 정보를 얻을 수 있으며, 이는 지진 예측의 강력한 도구로 사용 가능하다고 결론지었다대만의 동부에서 2003년 12월 10일 진도 6.8의강진이 일어나기 65일 전부터 45일 동안 진앙지 20km 떨어진 지점에서 라돈 농도의 변화를 관찰한 결과, 대만의 과학자들은 적절한 곳에서 지속적으로 라돈을 모니터링 한다면 지진 발생과 관련된 지각의 변동을 민감하게 추적 가능할 것으로 결론을 내렸다.


2 009년 4월 9일 진도 6.2의 L’Aquila 지진 발생 전에 이탈리아 Gran Sasso 연구소의 과학자 Giampaolo Giuliani는 실험실의 라돈가느 측정기의 농도가 높아져 알람이 울렸다고 주장하였으며, 지진을 정확하게 예측하기 위해서는 더 많은라돈 측정기를 이용하여 네트워크를 구성하여 관찰할 필요가 있다고 주장하였다. 인도는 잘 알려진 지진발생 지역으로, 인도 과학자들은 2010년, 지진과 토양 발생 라돈과 지하수 라돈과의 상관관계를 폭넓게 연구하였으며, 토양의 온도, 압력 및 진도 2.2에서 5.0 사이의 지진과의 상관관계를 연구하여, 지진의 크기, 진앙지와의 거리, 전조 시간 예측을 위한 반실험적 공식과 상수를 결정하였다. 이들은 지진예측의 성공을 위해서는 다른 운반 가스와 인자들의 측정과더불어 라돈의 농도를 측정할 필요가 있다고 결론지었다.


△ 고베 지진에 따른 대기 중의 라돈 농도 변화

 

 

라돈을 이용한 지진 예측 연구는 이미 미국, 일본, 유럽, 인도, 중국, 대만 등 여러 국가에서 지속적으로 수행되어 왔으며, 진도 2 이상의 지진발생 시 지구물리화학적 이유로 라돈 방출 거동 이상이 다양하게 확인되었다. 또한 라돈 이상 방출 데이터로부터 진앙지, 지진 전조 시간, 지진의 크기 등을 공간적, 시간적으로 예측이 가능할 수있어 추가적인 연구를 진행 중이다. 또한 지진 예측의 성공을 위해서는 다른 운반 가스와 인자들의 측정과 더불어 반드시 라돈의 농도를 측정할 필요가 있다고 파악하고 있으며, 모든 학자들은정확한 지진 예측을 위해 더 많은 라돈 데이터 또는 라돈 측정기가 필요하다고 주장하고 있다. 

 

△ 연구소 직원들과 함께

 


고효율 지진예측시스템 확보 필요 

 

본래 지진 예측을 포함한 모든 모델링의 정확성을 향상시키기 위해서는 현장 측정 데이터가 매우 중요하다. 10개의 센서를 사용해서 얻은 데이터로 모델링을 했을 때 보다, 1000개의 센서를 사용해서 얻은 데이터로 모델링 했을 때의 예측 정확도는 기하급수적으로 향상될 것은 자명하다. 이에 동일한 라돈 측정의 감도에서 선진국에서 판매하고 있는 제품대비 100분의 1 정도의 가격으로 국내에서 최초 개발된 실시간 라돈센서에 기반한 고효율 지진예측시스템을 국내에서 연구개발 확보할 필요가 있으며, 국내의 우수한 IT 기술을 활용하여 실시간 원격모니터링 시스템 구축이 가능할 것이다.

 

이러한 시스템의 구축은 다양한 전문가의 참여로 완성될 것이며, 확보된 우수한 국내의 라돈센서 원천 기술에 기반하여, 국내는 물론, 지진으로부터 세계 안전을 지키는데 도움을 줄 수 있는 훌륭한 시스템으로 외국 수출 또한 가능할 것이다. 모니터링 지점으로는 단층대 주변에 이미 확보된 도시 지하 환경과 폐광을 활용할수도 있으며, 경주의 중저준위 방사성폐기물 처분장의 지하환경 또한 손쉽게 라돈 모니터링 지점으로 활용할 수도 있을 것이다.

 

이를 통해 국가적으로 반드시 정해야할 사용 후 핵연료 처분장의 잠재적 위치의 지질학적 안전성 평가에도 장기적인 도움이 될 것이며, 실내환경에 존재하여 폐암의 3 ~ 14%를 유발하여 흡연 다음으로 위험하다고 알려진 실내 라돈의 관리를 위해 중요한 국가 라돈 지도 확보에도 도움이 될 것이다. 국민들의 안전에 대한 신뢰가 가장 객관적인 과학을 통해 얻어지고, 그 중 하나가 십 수년에 걸친노력 끝에 국내에서 원천 기술로 확보한 고효율 라돈센서 기술에서 시작되길 기대해 마지않는다.

 


 

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