ESR 年代측정法 또는 電子磁氣共鳴法 (Electron Spin Resonance, ESR)은 巖石 內 放射性 에너지를 利用하여 單層 비지의 連帶測定을 통해 單層의 마지막 活動 時期를 決定할 수 있는 方法이다. ESR 年代測定法은 日本 의 이케野 毛土紙 外(1982)에 依해 처음 提案되었으며 ^[1] 이 方法으로 많은 硏究者가 ESR 年代測定法을 통해 單層의 마지막 活動時期를 糾明할 수 있었다. 또한 이 方法을 活用해 大韓民國 內 分布하는 여러 韓國의 單層 들이 活性斷層 으로 인정받을 수 있었다.

槪要 [ 編輯 ]

  單層 文書를 參考하십시오.

巖石 內에 分布하는 우라늄 , 토륨 , 칼륨 과 같은 放射性 元素는 崩壞하며 이온化 放射線 에너지를 放出한다. 石英 과 같은 鑛物이 이 放射線에 露出되어 에너지를 供給받으면 鑛物의 決定(結晶) 속에서 이온化 作用이 일어나 原子의 오비탈 에 電子 1個가 들어있는 홀前者 (unpaired electron)가 形成된다. 홀前者는 가전자대 에서 傳道大 로 移動하게 되고 以後에 홀前者 가 다시 가전자대 로 돌아오게 되는데, 이온化作用에 依해 形成된 이 自由 電子의 一部가 決定의 格子缺陷(lattice defect)에 잡혀 ESR 센터가 된다. ESR 센터는 酸素 의 缺員과 關聯된 E' 센터, 硅素 의 缺員과 關聯된 OHC 센터, 石英 格子 속의 硅素가 알루미늄 또는 타이타늄 으로 置換된 Al 및 Ti 센터가 있다. 格子缺陷에 잡혀있는 홀前者의 數는 時間이 지남에 따라 漸漸 增加하게 되며, 이에 따라 ESR 信號의 世紀가 漸漸 커지게 된다.

單層의 活動이 일어나면(=단층이 움직이면) 單層活動에 依한 應力이 石英의 格子缺陷에 集中되어 粒子境界 摩擦미끌림(grain boundary frictional sliding), 摩擦熱(摩擦熱; frictional heating) 및 格子變形作用(lattice deformation)에 依해 格子缺陷에 잡혀있던 홀前者 가 빠져나와 ESR 信號의 세기는 0이 된다. 單層 活動 以後, 巖石 內의 放射性 元素에 依한 이온化 作用으로 인해 時間이 지남에 따라 ESR 信號의 世紀가 다시 增加한다. 같은 斷層비지띠가 여러 番 再活動할 境遇 以前의 活動記錄은 지워지고 마지막 活動記錄만 남기게 된다. ESR 年代測定法은 主로 斷層 運動 當時에 斷層帶 周邊에 生成된 斷層비지(Fault gouge) 內의 石英 粒子를 對象으로 連帶測定을 實施한다. 따라서 採取한 單層 비지 試料의 ESR 信號 世紀는 마지막 單層 活動 以後에 增加한 ESR 信號의 세기를 指示한다. ESR 信號의 세기를 測定하기 위해 ESR 分光計(ESR spectrometer)를 使用한다.

마지막 單層 活動 以後부터 單層 비지가 받은 에너지의 量은 附加調査法 (additive dose method)에 依해 計算되며, 이를 等價善良 (equivalent dose, ${\displaystyle D_{E}}$, 單位는 그레이 )이라 한다. 試料 採取 地點 周邊의 放射性 元素 含量을 分析하여 斷層비지가 받은 單位時間當 調査率(照射率; dose rate, d)을 計算한다. ESR 連帶는 等價線量과 單位時間當 調査率의 비로 決定한다. 卽,

${\displaystyle ESR_{age}={\frac {D_{E}}{d}}}$

이다. ^{[2] [3] [4] [5] [6]}

活性斷層 硏究에 活用 [ 編輯 ]

 이 部分의 本文은 活性斷層 입니다.

一般的으로 第4期 (250萬 年 前~現在)에 活動한 單層을 活性斷層 (active fault)이라 한다. 地震 은 第4期에 活動한 活性斷層 에서 發生한다고 알려져 있다. ^[7] 活性斷層 의 危險度를 評價하기 위해서는 斷層運動의 平均 變位 速度, 斷層이 마지막으로 運動한 時期 및 再發週期 等을 分析해야 한다. ^[6] 二重 斷層이 언제 마지막으로 活動했는지 分析하기 위해 ESR 年代測定法을 活用하며 國內에서도 活性斷層 硏究에 ESR 年代測定法을 使用한다.

地表의 溫度와 壓力 條件에서는 斷層비지 內 ESR 信號가 0이 되기 어렵기 때문에 ESR 連帶測定을 實施할 때 約 10萬 年보다 젊은 斷層 運動을 分析하기 어렵다. ^[6] 實際로 韓國의 單層 을 對象으로 ESR 連帶測定을 實施한 結果가 10萬年(100 ka)보다 적게 나온 境遇는 現在까지 없다.

關聯 人物 [ 編輯 ]

강원대학교 의 이희권 敎授는 構造地質學者이며 大韓民國 ESR 連帶測定 分野의 專門家로, 1999年 江原特別自治道 旌善郡 地域의 短曲 單層 에서 ESR 連帶測定을 實施하였고 ^[2] 新고리原子力發電所 5, 6號基 建設 當時 原電 敷地와 가까운 單層으로 推定되는 곳에서 ESR 年代測定法이 使用되지 않았으며 韓國水力原子力 이 使用한 單層癌의 年代測定 方法( 칼륨-아르곤 連帶 測定 )이 잘못되었다는 點을 指摘하였다. 그리고 그린피스와 市民들이 提起한 新古里 5, 6號機 原電建設許可處分 取消 請求 訴訟 ^[8] 에 證人으로 出席해 證言을 했으나 ^[9] 이 訴訟은 結局 大法院에서 最終 敗訴했다. ^[10]

ESR 連帶測定 方法 [ 編輯 ]

ESR 連帶測定 順序는 다음과 같다. 아래의 方法은 國內 여러 學者들이 短曲 單層 , 금왕 單層 이나 梁山 單層 과 같은 韓國의 單層 을 對象으로 ESR 連帶測定을 實施할 때 實際로 使用한 方法이다. ^{[2] [11] [12] [5] [4] [6]}

• 1. 單層核果 母巖의 兩쪽 境界部에 發達하는 斷層비지띠에 發達된 全斷面으로부터 約 1 cm 以內의 幅에서 적어도 2~3個의 斷層비지 試料를 採取한다. 採取 後 可能한 限 빠른 時間 內에 約 100 g 程度를 利用하여 水分含量을 測定한다. 水分 蒸發을 막기 위해 試料를 비닐백에 담는다. 單層癌 試料는 잘게 부순 後 잘 섞어 두 個의 試料를 準備한다. 한 個는 調査率 決定에, 다른 한 個는 相應 照射量의 決定에 쓰인다.
• 2. 乾燥된 試料를 파우더로 製作한 後 감마核種分析을 依賴하여, 斷層비지 試料에 含有된 우라늄 , 토륨 , 칼륨 含量을 測定하여 單位時間當 調査率(μGy/year)을 計算한다.
• 3. 不純物을 除去하기 위해 묽은 鹽酸 (12M)과 묽은 窒酸 (12M)의 混合液을 利用하여 斷層비지 試料 內에 包含된 有機物, 方解石 을 包含한 炭酸鹽鑛物 그리고 粘土鑛物을 除去한 後, 산 成分이 除去될 때까지 稀釋시킨다. 녹이는 過程을 1週日 동안 2~3次例 反復한다.
• 4. 濕式 체分析(wet-sieving)과 乾式 체分析(dry-sieving)을 통해 斷層비지 試料를 25 μm 以下, 25~45 μm, 45~75 μm, 75~100 μm, 100~150 μm, 150~250 μm의 粒子크기 別로 分類한다.
• 5. Frantz 磁力選別機를 利用하여 非磁性鑛物人 石英 과 長石 을 分離하고 건조시킨다.
• 6. 超音波洗滌器를 利用하여 石英 粒子에 붙어있는 微細粒子들을 除去한다.
• 7. 各 粒子크기 別로 100 mg씩 10個의 튜브를 準備한다. 따라서 한 個의 試料 黨 總 50個의 튜브를 準備한다.
• 8. (韓國의 境遇, 韓國原子力硏究院 尖端放射線硏究所에 依賴하여) 準備된 試料에 코발트-60 감마선 을 選良別(100 Gy, 200 Gy, 400 Gy, 800 Gy, 1200 Gy, 1600 Gy, 2000 Gy, 2400 Gy, 3200 Gy, 6400 Gy)로 調査한다. 調査率은 0.11~0.33 mGy/s이다.
• 9. 갑작스러운 감마선 調査에 依해 生成된 不安定한 E' 信號를 除去하기 위해, 試料를 170°C 에서 15分 동안 加熱시킨다.
  • 土曜다와 슈바르츠(1997)는 一部 試料에 不安定한 E' 信號가 生成되므로 ESR 連帶測定 過程에 不安定한 E' 信號의 存在 有無를 確認해야 하며, 이러한 不安定한(counterfeit) E' 信號는 170°C에서 15分 동안 加熱함으로써 除去할 수 있다고 하였다. ^[13] 襄主席(2005)은 韓半島 南東部 地域의 活性斷層 調査 當時 不安定한 E' 信號는 170℃에서 15分 동안 加熱함으로써 除去할 수 있다. OHC, Al 그리고 Ti 信號는 감마선 調査에 依해 不安定한 信號가 生成되지 않아 ESR 數値連帶 測定에 影響을 미치지 않는다고 報告하였다. ^[11]
• 10. JES-TE 200 ESR 分光計 또는 X-band (8.5~10.4 GHz) ESR 分光計를 利用하여, E' 信號는 常溫에서 測定하고, 스핀 緩和 時間(spin relaxation time)李 짧은 Al 및 Ti 信號는 77 K의 低溫에서 測定한다. ESR 分光計의 機械 設定은 다음과 같다:
  • 마이크로파 周波數(microwave frequency) : 9.443 GHz ^[12] 또는 9.437 GHz ^[2] , 9.43 GHz (常溫), 9.17 GHz (低溫) ^[4]
  • 마이크로파 世紀(microwave power) : 100 uW (E' 信號), 2 mW (OHC, Al 및 Ti 信號) ^[4]
  • 注射幅(scan width) : 5.0 mT ^[2] (常溫), 15.0 mT (低溫) ^[4] , 2.5 mT ^[12]
  • 注射時間(scan time) : 1.5 分 ^[4] , 84秒 ^[2] , 60秒 ^[12]
  • 變造 周波數(modulation frequency) : 100 KHz
  • 變調幅(modulation amplitude) : 0.1 mT ^[2]
  • 時間常數(ime constant)=0.03秒 ^{[4] [5] [6]} 또는 164밀리秒 ^[12]
  • 低溫에서 測定하는 Al 信號는 注射幅 20 mT ^[2] 또는 5 mT ^[12] , 마이크로파 世紀 2 mW, 注射時間 30秒 ^[12] 로 設定한다.
• 11. 各 信號(E' 信號, Al 信號)마다 斷層運動 以後에 增加한 等價善良( ${\displaystyle D_{E}}$)을 石英 粒子 크기別로 計算한다.
• ESR 信號의 세기 그 自體를 利用하여 ESR 年齡을 決定하지 못하기 때문에 蓄積된 에너지의 形態(單位는 Gy )로 전환시켜야 한다. 相應照射量(equivalent dose, ${\displaystyle D_{E}}$)은 附加調査班에 依해 決定하는데, 調査率(dose rate)은 母巖과 單層癌 試料 속의 우라늄 , 토륨 , 칼륨 )의 孃을 감마照射法을 利用해 決定한 後 調査率로 變換한다. 相應照射量을 決定하기 위해 컴퓨터 프로그램(VFIT)을 使用하는데 誤差는 大體로 5~20%程度이다. 調査率의 誤差는 單層 巖石의 水分含量(5~10%), 單層巖石 속 放射性元素의 濃度(1~10%)等을 決定할 때 發生한다. ^[12]
• 12. 감마선 스펙트럼 分析 方法으로 單層癌 속의 우라늄 , 토륨 , 칼륨 의 含量을 決定한다. 우라늄 , 토륨 , 칼륨 의 量을 求한 後 이 資料를 使用하여 다음 式을 使用하여 調査率을 決定한다.

${\displaystyle d=C_{U}(KW_{\alpha }G_{U-{\alpha }}D_{\alpha }+W_{\beta }G_{U-{\beta }}D_{\beta }+W_{\gamma }D_{\gamma })+C_{Th}(KW_{\alpha }G_{Th-{\alpha }}D_{\alpha }+W_{\beta }G_{Th-{\beta }}D_{\beta }+W_{\gamma }D_{\gamma })+C_{K}(KW_{\alpha }G_{K-{\alpha }}D_{\alpha }+W_{\gamma }D_{\gamma })+{G_{cos}}{D_{cos}}}$ ( ${\displaystyle C_{U,Th,K}}$ : 單層癌 속의 放射性 元素의 濃度, ${\displaystyle K}$ : ${\displaystyle {\alpha }}$-效率, ${\displaystyle W_{{\alpha },{\beta }}}$ : ${\displaystyle {\alpha },{\beta },{\gamma }}$에 對한 水分補正 人者, ${\displaystyle G_{{\alpha },{\beta },{\gamma },cos}}$ : ${\displaystyle {\alpha },{\beta },{\gamma }}$와 宇宙船 에 對한 減少因子. ${\displaystyle G_{\alpha },{\beta }}$ : 單位 濃度에 對한 調査率, ${\displaystyle D_{cos}}$ : 宇宙船 調査욜) ^[2]

• 13. 石英 粒子크기別로 計算한 等價選良을 調査率로 나누어 各各의 ESR 年代를 決定한다.
• 14. 石英 粒子크기 臺 ESR 連帶 그래프에서 連帶 平坦役을 決定하여 斷層비지 試料의 마지막 活動時期를 糾明한다. 粒子의 크기(x軸)와 ESR 年齡(y軸)의 그래프에 圖示된 平坦驛 內의 ESR 聯隊들은 다음과 같은 方法으로 加重 平均 치를 求하게 된다.

${\displaystyle Y=(Y_{1}/S_{1}^{2})+Y_{2}/S_{2}^{2})+...)/(1/S_{1}^{2}+1/S_{2}^{2}+...)}$
그리고 加重 平均 치의 誤差는 다음 式에 依해 決定된다. ${\displaystyle S={1/(1/S_{1}^{2}+1/S_{2}^{2}+)}^{\frac {1}{2}}}$

여기서 ${\displaystyle Y_{1,2,3}}$는 各 粒子 크기의 ESR 連帶이고, ${\displaystyle S_{1,2,3}}$는 各各 引用된 誤差의 限界이다.

實際 금왕 單層 의 單層癌에 對한 ESR 數値連帶 分析資料

샘플	粒子 크기(μm)	센터	相應照射量( ${\displaystyle D_{E}}$)	우라늄 (ppm)	토륨 (ppm)	칼륨 (%)	調査率(dose rate, μGy/y)	ESR 連帶 (ka)	加重 平均 連帶 (ka)
Hyse 1	25~45	E'	1705±114	5.6±0.4	36.3±23.1	3.7±0.1	7106±434	240±22	250±20
	45-75		1602±202				7043±429	227±32
	75-100		1928±227				6985±426	276±37
	100-150		1915±275				6911±420	277±43
	150-250		1938±437				6776±411	286±67

條件 [ 編輯 ]

斷層비지의 ESR 連帶는 斷層비지의 마지막 活動時期를 指示한다. 하지만 斷層비지띠와 單層손相對 사이에 發達한 斷層面을 따라 마지막 單層活動이 일어난다면, 斷層비지 內의 ESR 信號가 0이 되지 않기 때문에 ESR 連帶는 單層活動의 時期를 過大評價하게 된다. 斷層비지 內 石英 粒子의 ESR 信號가 完全히 零이 되기 위해서는 斷層面에 作用하는 垂直 應力이 적어도 約 3 MPa 以上이어야 하며, 約 0.3 m 以上의 變位量度 必要하다. 이러한 條件을 만족시키는 地震의 規模는 적어도 約 6.5 以上이어야 한다. 또한 單層 活動 時期에 充分한 垂直應力을 받기 위해서는 斷層비지가 적어도 數十 m 以上의 깊이에 있어야 한다. 따라서 地表에서 採取한 斷層비지의 ESR 連帶는 斷層비지가 數十 m 以上의 깊이에 있을 때 單層이 再活動했던 時期를 指示한다. 隆起한 以後에 再活動하였다면, 斷層面에 作用하는 垂直應力이 充分하지 않아 ESR 信號가 減少하지 않기 때문에 ESR 連帶는 單層의 마지막 活動時期를 指示하지 않는다. 또한 單層 運動으로 인해 斷層비지가 生成될 當時 充分한 垂直 應力(3 Mpa 以上)을 받지 못하였다면, 石英粒子의 ESR 信號가 完璧하게 初期化되지 않아 實際 斷層 運動 時期보다 科評價된 連帶 結果를 얻을 수도 있다. ^{[3] [14]}

斷層 運動의 時期를 決定하기 위해서는 위의 條件을 만족시켜야 하며, 該當 硏究地域의 斷層의 走向 및 傾斜角, 應力狀態(크기 및 方向), 隆起율/浸蝕率 等의 資料가 必要하다. 신영호 等(2013)은 水壓破碎法과 應力開方法에 依한 測定 資料를 綜合하여 韓半島의 應力狀態를 分析하였으며 다음과 같은 審도-응력 關係式을 提示하였다. 現在 韓半島에 作用하는 最大 水平應力의 方向은 約 71°이며 韓半島 南東部의 隆起率은 約 0.08~0.25 mm/year이다. ^{[4] [15]}

${\displaystyle \sigma _{v}=0.0266Z}$, ${\displaystyle \sigma _{h}=0.0202Z+1.5405}$, ${\displaystyle \sigma _{H}=0.0352Z+1.5759}$

( ${\displaystyle \sigma _{v}}$ : 鉛直應力 ${\displaystyle \sigma _{h}}$ : 最小 水平應力 ${\displaystyle \sigma _{H}}$: 最大 水平應力 ${\displaystyle Z}$ : 깊이 (m) 單位는 메가파스칼(Mpa))

例를 들어, 走向이 北東 30°, 傾斜角은 約 90°(垂直)인 금왕 單層 代의 境遇, 最大 및 最小 水平應力의 方向과 斷層面의 走向이 이루는 角度는 各各 41°와 49°이다. 금왕 單層 代의 斷層面에 作用하는 垂直應力은 다음과 같이 計算된다.

${\displaystyle \sigma _{n}=(\sigma _{H}\sin \theta _{H})+(\sigma _{h}\sin \theta _{h})}$

( ${\displaystyle \sigma _{n}}$: 斷層面에 作用하는 垂直應力, ${\displaystyle \sigma _{H}}$: 最大 水平應力, ${\displaystyle \sigma _{h}}$ : 最小 水平應力, ${\displaystyle \theta _{H}}$, ${\displaystyle \theta _{h}}$ : 最大 및 最小 水平應力의 方向과 斷層面의 走向 사이의 角度)

이 式에 依해 斷層面에 作用하는 垂直 應力이 約 3 MPa이 되는 깊이(ESR 信號의 세기가 0이 될 수 있는 깊이)는 地下 約 21 m로 計算되었다. 위의 資料와 韓半島의 隆起率을 利用하여 計算하였을 때 約 21 m 隆起하는데 걸리는 時間은 約 8~25萬 年이며, 이는 斷層비지의 ESR 聯隊의 下限이 된다. 금왕 單層 代의 方向과 類似한 走向 移動 單層의 境遇( 王宿川 單層 臺, 梁山 單層 臺), 約 8~25萬 年 前 以後에 再活動韓 斷層은 ESR 信號가 完全히 0이 되는 條件을 만족시키지 못해 單層 비지의 ESR 年代를 決定하기 어렵다. ESR의 成長曲線에서 ESR 信號의 세기가 飽和되는 放射性 에너지는 約 4,500 Gy이며 單位 時間當 調査率을 考慮 할 때, 斷層비지의 ESR 連帶의 上限線은 約 200萬 年이 된다. ^[4]

ESR 年代測定法에 依해 活性斷層 으로 認定받은 韓國의 單層 [ 編輯 ]

 이 部分의 本文은 韓國의 單層 입니다.

ESR 年代測定法을 利用하면 斷層이 언제 마지막으로 活動했는지 알아낼 수 있는 바, 韓國에서도 活性斷層 硏究와 關聯하여 全國 곳곳에 여러 斷層들에서 ESR 連帶測定이 實施되었다. 代表的인 例로, 이희권(1999)은 江原特別自治道 旌善郡 에 位置한 短曲 單層 에서 ESR 連帶測定을 實施해 最低 213±7 ka의 값을 算出하여 短曲 單層 이 藥 21萬 年 前에 마지막으로 活動한 單層이라는 事實을 밝혀냈다. ^[2] 活性斷層 報告書(2012)에서도 全國의 여러 斷層들에서 ESR 連帶測定이 實施되어 王宿川 單層 , 신갈 單層 , 금왕 單層 , 公州 單層 , 十字架 單層 , 宜當 單層 , 加音 單層 等 여러 斷層이 新生代 第4期 에 活動한 活性斷層 임이 立證되었다. ^[12] 아래의 單層들은 大韓民國 의 여러 學者들에 依해 ESR 連帶測定이 實施되어 單層의 마지막 活動連帶가 報告된 單層이다. 仔細한 內容에 對해서는 各 單層의 文書를 參照할 것.

• 梁山 單層
• 蔚山 單層
• 日光 單層
• 신갈 單層
• 王宿川 單層
• 五十川 單層
• 短曲 單層
• 금왕 單層
• 公州 單層
• 宜當 單層
• 十字架 單層
• 加音 單層
• 신녕 單層

같이 보기 [ 編輯 ]

• 韓國의 單層
• 單層
• 活性斷層

各州 [ 編輯 ]