Evaluation of Heat Production in Deep Boreholes by Gamma-ray Logging

Subsurface rock produces heat from the decay of radioactive isotopes in constituent minerals and gamma-ray emissions, of which the magnitude is dominated by the contents of the major radioactive isotopes (e.g., U, Th, and K). The heat production is generally calculated from the rock density and contents of major isotopes, which can be determined by mass spectrometry of drilled core samples or rock fragments. However, such methods are not easily applicable to deep boreholes because core samples recovered from depths of several hundred meters to a few kilometers are rarely available. A geophysical logging technique for boreholes is available where the U, Th, and K contents are measured from the gamma-ray spectrum. However, this technique requires the density to be measured separately, and the measurement depth of the equipment is still limited. As an alternative method, a normal gamma-ray logging tool was adopted to estimate the heat production from the total gamma activity, which is relatively easy to measure. This technical report introduces the development of the proposed method for evaluating the heat production of a granitic rock mass with domestic commercial borehole logging tools, as well as its application to a ~2 km deep borehole for verification.

감마선 검층자료를 이용한 국내 대심도 시추공 암반의 열생산율 평가

암석의 열생산율은 구성 광물 내 방사성 동위원소의 방사성 붕괴와 감마선 방출에 의한 열에너지에 기인하며, 그 크기는 주요 방사성 동위원소인 U, Th, K의 함량에 지배적이다. 그러므로 암반의 열생산율은 암석의 밀도와 주요 동위원소의 함량에 기반해 평가할 수 있다. 심부 암반의 열생산율 평가에 필요한 방사성 동위원소의 농도는 시추공에서 회수된 암추 또는 암편에 대한 질량분석을 통해 파악할 수 있는데, 대심도 시추공의 경우 요구되는 분석량과 그에 따른 시간 및 비용의 문제로 적용이 제한적일 수 밖에 없다. 시추공을 대상으로 하는 물리검층 중 암반의 감마선 스펙트럼으로부터 U, Th, K의 함량을 유추할 수 있는 기술이 있지만, 열생산율 평가를 위해 별개의 밀도검층 자료를 필요로 하며, 상용화된 장비의 적용 심도 또한 아직은 제한적이다. 이에 대한 대안으로 시추공 암반이 방출하는 감마선의 강도를 측정하는 자연 감마선 검층 결과로부터 열생산율을 유추하는 방법이 제안된 바 있으며, 국내외에서 비교적 쉽게 암반의 열생산율을 평가할 수 있는 방법으로 사용되고 있다. 본 기술보고에서는 국내 상용화된 대심도 시추공 물리검층 장비 및 기술을 활용해 감마선 검층 기반의 열생산율 평가 기법을 개발하고, 국내 약 2 km 깊이의 대심도 시추공에 대한 적용 및 검증 사례를 소개하고자 한다.