Hangbok Lee;Chan Park;Junhyung Choi;Dae-Sung Cheon;Eui-Seob Park
Tunnel and Underground Space
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v.34
no.3
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pp.231-247
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2024
In the field of high-level radioactive waste disposal targeting deep rock environments, hydraulic characteristic information serves as the most important key factor in selecting relevant disposal sites, detailed design of disposal facilities, derivation of optimal construction plans, and safety evaluation during operation. Since various rock types are mixed and distributed in a small area in Korea, it is important to conduct preliminary work to analyze the hydrogeological characteristics of rock aquifers for various rock types and compile the resulting data into a database. In this paper, we obtained hydraulic conductivity data, which is the most representative field hydraulic characteristic of a high-depth volcanic bedrock aquifer, and also analyzed and evaluated the field data. To acquire field data, we used a high-performance hydraulic testing system developed in-house and applied standardized test methods and investigation procedures. In the process of hydraulic characteristic data analysis, hydraulic conductivity values were obtained for each depth, and the pattern of groundwater flow through permeable rock joints located in the test section was also evaluated. It is expected that the series of data acquisition methods, procedures, and analysis results proposed in this report can be used to build a database of hydraulic characteristics data for high-depth rock aquifers in Korea. In addition, it is expected that it will play a role in improving technical know-how to be applied to research on hydraulic characteristic according to various bedrock types in the future.
In various underground research projects such as energy storage and development and radioactive waste disposal targeting deep underground, the characteristics of permeable rock fractures that serve as major pathway of groundwater flow in deep rock aquifer are considered as an important evaluation factor in the design, construction, and operation of research facilities. In Korea, there is little research and database on the location and hydraulic characteristics of permeable rock fractures and the pattern of groundwater flow patterns that may occur between fractures in deep rock boreholes. In this paper, the hydraulic characteristics of permeable rock fractures in deep rock aquifer were evaluated through the analysis of geothermal gradient and pumping test data. First, the deep geothermal distribution was identified through temperature logging, and the geothermal gradient was obtained through linear regression analysis using temperature data by depth. In addition, the hydraulic characteristics of the fractured rock were analyzed using outflow temperature obtained from pumping tests. Ultimately, the potential location and hydraulic characteristics of permeable rock fractures, as well as groundwater flow within the boreholes, were evaluated by integrating and analyzing the geophysical logging and hydraulic testing data. The process and results of the evaluation of deep permeable rock fractures proposed in this study are expected to serve as foundational data for the successful implementation of underground research projects targeting deep rock aquifers.
Hangbok Lee;Chan Park;Dae-Sung Cheon;Junhyung Choi;Eui-Seob Park
Tunnel and Underground Space
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v.34
no.4
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pp.374-392
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2024
In order to successfully select a site for deep geological disposal of high-level radioactive waste, it is important to perform the stepwise approach along with the systematic selection and survey of evaluation parameters of geological environmental characteristics suitable for the domestic geological environment. In this study, we evaluated the characteristics of hydraulic conductivity, which is considered the most important evaluation parameter in the field of hydrogeology, targeting a deep-depth rock aquifer where actual disposal facilities are expected to be located. In particular, for the first time in Korea, we obtained in-situ pressure-flow data by directly conducting hydraulic tests in boreholes at depths ranging from 500 m to 750 m in various rock types distributed in Korea (granite/volcanic rock/gneiss/mudstone). And we derived hydraulic conductivity values by rock types and depth using verified analytical methods. For this purpose, precision hydraulic testing equipment developed in-house through this study was used, and detailed investigation procedures based on standard test methods were applied to field tests. As a result of the analysis, the average hydraulic conductivity value was found to be in the range of 10-9 m/s in all granite/volcanic rock/gneiss areas. In the mudstone area, an average hydraulic conductivity value of 10-11 m/s was derived, which was about 100 times (2 orders of magnitude) lower than that of the fractured rock aquifers. Moreover, permeability tended to slightly decrease with depth in fractured rock aquifers (granite and volcanic rock areas) containing many rock fractures. The gneiss area tended to have large local differences in permeability according to the composition of the stratum and the development of fracture zones rather than depth. In mudstone areas with weak fracture development, there was no significant variation in rock permeability according to depth. The hydraulic conductivity results by various rock types and depth presented in this study are expected to be utilized in building a foundational database for the site selection, design, and construction of disposal facilities in Korea.
In the Jeon Cheon Basin, unconsolidated alluvium and marine clay beds overlying Tertiary conglomerate and impermeable mudstone, and Cambro-Ordovician sedimentary rocks composed of mainly cavernous limestones, and age-unknowned crystalline rocks are occured. Most productive rock is Cambro-Ordovician limestones containing a lot of solution openings and secondary porosities and shows its transmissivity of 1836$m^2$/day and storativity of 1.47 $\times$$10^{-3}$. The storage of deep seated groundwater in linestone aquifer is estimated about 1059 $\times$$10^6$ metric tons, being equivalent to 6 years total precipitation of the basin. The safe yield of the groundwater to be abstracted from the aquifer is about 126,000 tons/day. To pump at least 100,000 tons/day of groundwater from the said aquifer, a well field comprising 34 deep wells ranging in depth from 80 to 100 meter and penetrating the cavernous limestone aquifer shall be established at middle and down stream area.
Environmental isotope $^{18}O$, $^{2}H$, $^{3}H$,$^{13}C$, $^{34}S$and $^{87}Sr/^{86}Sr$) studies on ${CO_2}$-rich waters in the Kangwon Province were carried out to elucidate the origin, residence time, water-rock interaction and mixing process of their. ${\delta}^{18}O$ and ${\delta}D$ data indicate that ${CO_2}$-rich waters were derived from the local meteoric water. It also shows that each type of ${CO_2}$-rich water has distinct isotopic composition and Na-${HCO_3}$ type water (-10.8 to -12.1${\textperthousand}$, ${\delta}^{18}O$ ) is lighter than other type waters. These depleted isotopic values supposedly indicate that, considering the altitude effect of isotope in Korea, the recharge area of Na-${HCO_3}$ type water can be estimated to be relatively higher in elevation than those of Ca-${HCO_3}$ and Ca-Na-${HCO_3}$ type waters. Tritium contents close to zero are observed in the Na-${HCO_3}$ type water, confirming a long residence time and the possibility of a ${CO_2}$ inflow into the aquifer at great depth. These isotope data also show that the Ca-${HCO_3}$ type water has undergone mixing process with surface water during ascending at depth, whereas Na-${HCO_3}$ type water was less mixed with surface waters. The carbon isotope data (-8.8 to +0.8 ${\textperthousand}$${\delta}^{13}C$) indicate that dissolved carbon in the ${CO_2}$-rich waters was possibly derived from deep seated ${CO_2}$ gas. The high ${\delta}^{34}S$ values (up to 38.1${\textperthousand}$) of dissolved sulfates suggest that sulfate reduction by microbial activity had occurred at depth. Strontium isotopic data ($^{87}Sr/^{86}Sr$) of ${CO_2}$-rich waters indicate that the chemistry of the ${CO_2}$-rich waters is determined by water-rock (granite) interaction.
Cheong, Snons;Kim, Byoung-Yeop;Shinn, Young Jae;Lee, Ho-Yong;Park, Myung-Ho
Economic and Environmental Geology
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v.47
no.6
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pp.625-633
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2014
The Aquistore project is the world's first commercial capture, transportation, utilization and storage project of post-combustion $CO_2$ from a coal-fired thermo electric power plant, and the proposed storage is a saline aquifer at a depth of about 3,500 m. Deep saline aquifer, compared to hydrocarbon reservoir, provides the great volumetric potential for storage of $CO_2$ anywhere in the world, therefore the research results from the project may be exported globally to other sites. Geological $CO_2$ storage characterization for saline aquifer instead of hydrocarbon reservoir needs to estimate the geophysical properties of subsurface geology. This study calculated the geophysical property of water-saturated formation by applying amplitude variation analysis developed from oil and gas exploration. We correlated horizon tops at the well logs to seismic traveltime of 1,815 and 1,857 ms as Winnipeg and Deadwood formations. Gradient analysis from seismic traces showed correlation coefficient of 45 - 81 % on amplitude variation with respect to incident angle. Crossplot of intercept and gradient shows the inverse proportional trend which represents typical water saturated sediments. Product attribute of intercept and gradient described the base of wet sediment. Poisson's ratio change attribute increased at the top of target area satisfying with wet sediment and decreased at the top of basement in a dry rock bed.
Various geophysical well logs have been made along the four deep wells in Pohang, Gyeongbuk. The primary focus of geophysical well loggings was to improve understanding the subsurface geologic structure, to evaluate in situ physical properties, and to estimate aquifer production zones using fluid temperature and conductivity gradient logs. Especially natural gamma logs interpreted with core logs of borehole BH-1 were useful to discriminate the lithology and to determine the lithologic sequences and boundaries consisting of semi-consolidated Tertiary sediments and intrusive rocks such as basic dyke and Cretaceous sediments. Cross-plot of physical properties inferred from geophysical well logs were used to identify rock types such as Cretaceous sandstone and mudstone, Tertiary sediments, rhyolite, and basic dyke. The temperature log indicated $82.51^{\circ}C$ at the depth of 1,981.3 meters in borehole BH-4. However, considering the temperature of borehole BH-2 measured under stable condition, we expect the temperature at the depth in borehole BH-4, if it is measured in stable condition, to be about 5 or $6^{\circ}C$ higher. Several permeable fractures also have been identified from temperature and conductivity gradient logs, and cutting logs.
Hydrogeochemistry of deep geothermal water (temperature: $42.2-47.9^{\circ}C$) at Heunghae, Pohang was evaluated using core logging, temperature and electrical conductivity (EC) logging before and after pumping tests, chemical analysis of geothermal water with depth, and observation of water quality variations during pumping tests. The geology of the area is composed of highly fractured marine sedimentary rocks. The hydrogeochemistry of geothermal water varies with drilling depth, distance from the coast, and pumping duration. According to the temperature and EC variations during 4 times of pumping tests, main aquifer of the area is considered as the fractured zones (540 to 900 m) developed in rhyolitic rocks. The high content of Na and $HCO_3$ in geothermal water can be explained by the inflow of deep groundwater from inland regulated by dissolution of silicates and carbonates. High TDS, Na and Cl concentrations indicate that the geothermal water was also strongly affected by seawater. The molar ratios of Na:Cl ($0.88{\sim}2.14$) and Br:Cl ($21.0{\sim}24.9{\times}10^{-4}$) deviate from those of seawater (0.84 and $34.7{\times}10^{-4}$, respectively), suggesting that water-rock interaction also plays an important role in the formation of water quality.
Hydrogeochemical study in Samseung area (Boeun, Chungbuk) and waterrock interaction experiment using rock samples from the area were performed to elucidate the fluoride source in groundwater and explaining geochemical behavior of fluoride ion. Fluoride concentration of public water supply mostly using groundwater in Boeun area was significantly higher in South Korea. The maximum fluoride concentration of the study area was 3.9 mg/L, and 23% of samples exceeded the Korean Drinking Water Standard of fluoride (1.5 mg/L). The average concentration of fluoride was 1.0 mg/L and median was 0.5 mg/L. Because of high skewness (1.3), median value is more appropriate to represent fluoride level of this area. The relationships between fluoride ion and geochemical parameters ($Na^+$, $HCO_3$, pH, etc.) indicated that the degree of waterrock interaction was not significant. However, high fluoride samples were observed in $NaHCO_3$ type on Piper's diagram. The negative relationship between fluoride and $NO_3$ ion which might originate from surface contaminants was obvious. These results indicate that fluoride ion in groundwater is geogenic origin. The source of fluoride was proved by waterrock interaction batch test. Fluoride concentration increased up to 1.2 mg/L after 96 hours of reaction between water and biotite granite. However, the relationship between well depth and fluoride ion, and groundwater age and fluoride ion was not clear. This indicates that fluoride ion is not correlated with degree of waterrock interaction in this area but local heterogeneity of fluoriderich minerals in granite terrain. High fluoride concentration in Boeun area seems to be correlated with distribution of permeable structures in hard rocks such as lineaments and faults of this area. This entails that the deep bedrock groundwater discharges through the permeable structures and mixed with shallow groundwater.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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