옥천 누층군

1. 개요

옥천 누층군은 한반도를 가로지르는 습곡-단층대로, 점판암과 천매암 등 변성된 퇴적암으로 구성된다. 퇴적 시기에 대한 논란이 있으며, 선캄브리아기부터 고생대까지 다양한 시기의 퇴적 설이 존재한다. 옥천 누층군 내 탄질 흑색 점판암에는 우라늄이 함유되어 있어, 우라늄 광화대로서의 가치를 지닌다. 옥천대에는 다양한 지질 구조가 발달하며, 특히 습곡과 단층이 특징적이다.

2. 옥천대의 지질학적 특징

옥천대(Okcheon Belt) 또는 옥천 습곡대는 한반도를 북동-남서 방향으로 가로지르는 습곡-단층대로, 너비는 50km 이상, 연장은 350km 이상이다. 옥천 습곡대는 조선 누층군과 평안 누층군이 분포하는 북동부의 태백산분지와 옥천 누층군이 분포하는 남서부의 충청 분지로 나누어진다. 옥천 누층군은 점판암과 천매암 등 변성된 퇴적암으로 구성된다. 충청도 지역에서는 옥천 누층군의 점판암이 엽리를 따라 판상으로 쪼개지는 점을 이용해 점판암을 가공해 가옥의 지붕이나 담장, 축대, 구들장으로 사용하고 있으며 지붕이 점판암으로 된 집을 돌너와집, 돌기와집, 청석집, 슬레이트집이라 부른다.

3. 옥천 누층군의 층서 논란과 연구사

옥천 누층군의 퇴적 시기와 층서에 대한 논란은 현재까지도 명확하게 해결되지 않았다. 초기에는 선캄브리아기 설과 캄브리아기 이후 설이 대립했으나, 코노돈트 화석 발견 등으로 고생대 지층이라는 증거가 제시되었다. 최근에는 옥천 누층군이 신원생대에 퇴적되었으며, 중국 남부의 난화 분지와 연결되어 있었다는 주장이 제기되었다.

충주-제천-괴산 지역의 옥천 누층군은 고운리층, 서창리층, 계명산층, 향산리 돌로마이트층, 대향산 규암층, 북노리층, 명오리층, 황강리층, 문주리층 등으로 구성되나, 이들의 상하 관계는 연구자에 따라 다르다. 이는 이 지역에 분포하는 등사습곡 및 배사, 향사 구조에 의해 옥천 누층군이 심하게 뒤틀려 있어 연구자에 따라 정상 층위 혹은 역전층으로 다르게 해석되기 때문이다.

괴산-보은-옥천 지역의 옥천 누층군은 구룡산층, 국사봉층, 대향산층, 마전리층, 문주리층, 미동산층, 운교리층, 이원리층, 장암리층, 창리층, 화전리층, 황강리층 등으로 구성된다.

대전-금산 지역의 옥천 누층군은 대덕리층, 마전리층, 창리층, 향산리층 등으로 구성된다.

완주-논산 지역의 옥천 누층군은 여러 연구자에 의해 다양한 층서로 구분되어 왔다.

다음은 각 지역별 옥천 누층군의 층서에 대한 연구 결과들을 정리한 표이다.

4. 옥천 누층군의 우라늄과 방사능

옥천 누층군 내 탄질 흑색 점판암에 우라늄이 함유되어 있다는 사실은 1956년 중앙지질광물연구소의 조사에서 처음 알려졌다. 이후 우라늄 개발 가능성을 밝히기 위해 여러 지화학적, 광물학적 조사가 수행되었다. 옥천 누층군 내 우라늄 광화대는 괴산군을 기점으로 보은군, 옥천군을 거쳐 대전광역시 서남부까지 이어진다. 충청북도 괴산군 지역의 옥천대 하부천매암층은 우라늄 함량이 높은 지층이 있는 것으로 알려져 있으며, 1972~1986년 한국지질자원연구원에 의해 정밀 지화학탐사와 시추 탐사가 수행되었다. 옥천 누층군의 일부인 구룡산층은 우라늄을 함유한 흑연질 점판암으로 옥천대 내에서 90 km 이상 연장되며, 우라늄 함량 최고치가 294 ppm인 것으로 보고되었다. 충북과 충남에서 저품위 40~660만 톤의 우라늄 매장량이 보고되었으며, 충북의 3개, 충남의 4개 광산에서 우라늄이 개발된 기록이 있다. 시추탐사 결과 우라늄 매장량이 가장 큰 광상은 괴산군 덕평리 광상이며 매장량은 10696000ton이다.

4.1. 방사능 원소와 함량

옥천 누층군의 흑색 점판암에서는 우라늄, 몰리브데넘, 고정탄소 사이에 높은 상관관계가 나타난다. 보은군 회남면 지역 흑색 점판암에는 우라늄 0.5~460 ppm, 토륨 2~35 ppm, 바나듐 123~8112 ppm, 몰리브데넘 1~1400 ppm이 함유되어 있다.

옥천대 지역의 토양 내 우라늄 농도는 괴산군(0.6~202 ppm), 보은군(0.1~233 ppm), 금산군(0.6~308 ppm) 지역에서 높게 나타난다. 금산군 복수면 수영리 일대에서는 점판암 내 탄질성분에 우라늄 광체가 집중되며, 폐갱도와 폐석 더미가 발견되었다.

청주시 미원면 미원리, 청천면 귀만리, 보은군 판장리 및 금산군 추부면 지역의 흑색 및 탄질점판암에서도 우라늄이 검출되었다. 판장리 지역의 탄질점판암에서 우라늄 함량이 최대 123ppm으로 가장 높게 나타났다.

4.2. 괴산군 덕평리의 우라늄

충청북도 괴산군 청천면 덕평리 지역은 옥천 누층군의 대표적인 우라늄 광화대 지역이다. 옥천 누층군의 흑색 (탄질)점판암이 분포하는 이 지역에서는 함우라늄층이 산 능성이를 따라 연장 1.5 km, 폭 0.32 km, 두께 7~8 m의 렌즈상으로 분포하여 국부적으로 우라늄의 함량이 타 지역에 비해 매우 높게 나타나는 것으로 보고되어 있다.

* 김태순 외(1978)의 연구에 따르면, 덕평리 지역 토양에서는 타 지역보다 높은 10~30 ppm 이상의 우라늄이 함유되어 있으며, 현지 농작물의 우라늄 평균 함량은 깨 0.99 ppm, 감자 0.92 ppm, 벼 0.6 ppm, 콩 0.52 ppm, 보리 0.37 ppm, 옥수수 0.26 ppm으로 나타났다. 덕평리 주민 1인이 하루에 섭취하는 우라늄의 양은 247.3 마이크로그램으로 측정되었다.
* 최선경 외(1999)는 덕평리 지역에서 함우라늄 흑색 셰일에 기인한 표토 시료를 채취하여 분석한 결과, 논 118 ppm, 밭 109 ppm, 산 221 ppm, 광미시료 299 ppm, 산토양 시료에서 725 ppm의 우라늄 함량을 확인하였다.
* 김영환(2000)은 덕평리 지역 시료들의 전암 화학 분석 결과, 흑색 점판암에 바륨 (7.2 wt. %), 몰리브데넘 (1112 ppm), 우라늄 (650 ppm), 아연 (2585 ppm), 바나듐 (4111 ppm), 이트륨 (253 ppm) 등 각종 희유금속 원소들이 농집되어 있음을 밝혔다. 또한 흑색 점판암의 구성 광물 중에는 우라늄 광물인 우라니나이트(섬우라늄석), 제노타임, 우라노서사이트가 포함되어 있다고 보고하였다.
* 이종윤 외(2002)는 덕평리 지역 함우라늄 흑색셰일 내 우라늄 함량이 총 349 ppm이며, 대부분 탄산염과 유기물질 및 황화물에 수반되어 나타난다고 발표하였다.
* 신동복과 김수정(2011)은 덕평리 지역 탄질점판암의 우라늄 평균 함량이 360 ppm, 최고 1101 ppm (1kg당 1.1g)에 달하며, 이는 동 지역의 흑색 점판암의 우라늄 함량(1.3~21.3 ppm)보다 매우 높은 수치라고 보고하였다.
* 김수정(2012)은 덕평리의 흑색 및 탄질점판암에서 우라늄 광물인 토라이트, 에카나이트, 우라니나이트가 산출되며, 우라늄 광화대에는 백금족 원소가 수반된다고 밝혔다. 또한 우라늄 광화작용은 해저의 고온 환경에서 생성된 것으로 해석하였다.

4.3. 지표 자연방사선량

옥천대 지역의 지표방사능 측정 결과, 괴산군, 보은군, 금산군, 대전광역시 등에서 높은 자연방사선량이 측정되었다. 특히 괴산군 청천면 덕평리 지역에서는 옥외 유효선량률 최고치 1.71mSv/y가 측정되었는데, 이는 우라늄 지층에 의한 것이다.

* 전재식과 오희필(1990)은 대전광역시 지역의 지각 방사선량에 의한 연간 실효선량은 564±4 µSv으로 측정하였다.
* 소방방재청(2006)은 옥천대 괴산군, 보은군, 금산군, 대전광역시 등 440개 지점의 지표방사능을 측정하였다. 괴산군의 심부선량은 평균 0.44 mSv/y, 최대 5.32 mSv/y이며 청천면 대전리에서 1.2~5.3 mSv/y, 덕평리에서는 3.2~3.9 mSv/y의 높은 심부선량을 보였다. 그 외의 지역에서는 3 mSv/y 이하의 값을 보였다. 일반인의 연간 권고선량인 1 mSv/y를 초과하는 곳이 괴산군에서 5곳, 보은군에서 1곳, 대전 지역이 2곳(2 mSv/y)인 것으로 드러났다. 방사능의 외부 피폭량은 1일에 0.02~9.2 µSv이다.
* 최근식 외(2006)에 의하면 괴산군 지역 라돈 농도는 제곱미터당 가옥 내 83.7 Bq, 옥외 50.5 Bq이 검출되었으며 이는 한국 평균 농도(실내 53.4 Bq/m²)보다 높다. 측정된 감마선량에 의한 괴산군 거주민의 외부 피폭선량은 0.71 mSv로 측정되었다.
* 윤욱과 조병욱(2019, 2020)은 2차례에 걸쳐 옥천 누층군 분포지역의 자연방사선량을 측정했다. 감마선 분광분석기를 이용해 괴산군 지역의 옥천 누층군 하부천매암대와 그 주변의 77개 지점에서 감마선량을 측정한 결과 칼륨-40 함량은 1.8~8.8% (563~2754 Bq/kg), 우라늄-238 함량은 0.2~217.9 ppm (2.5~2691 Bq/kg), 토륨-232 함량은 11.9~46.5 ppm (48.3~310.6 Bq/kg)로 산출되었으며 옥외 유효선량률은 0.08-1.71 mSv/y의 범위로 나타났다. 옥외 유효선량률의 최고치는 1.71 mSv/y (1kg당 ⁴⁰K 2754.4 Bq, ²³⁸U 2691.1 Bq)으로 이는 우라늄 지층을 협재하는 괴산군 청천면 덕평리 지역의 하부천매암대 지층에서 나온 수치이다. 충청도 옥천 누층군 암석의 칼륨-40 함량은 0.65~10.29% (205~3220 Bq/kg), 우라늄-238 함량은 0.63~287.0 ppm (7.81~3544.5 Bq/kg), 토륨-232 함량은 4.00~102.4 ppm (16.24~415.9 Bq/kg)으로 산출되었으며 흡수선량은 28.84~1714.5 nGy/h이다. 421개 지점에서 지표방사능을 측정한 결과 일반인의 옥외 유효선량 한도인 1 mSv/y를 초과하는 4개 지점이 나왔으며 그 수치는 금산군 1.78 mSv/y, 괴산군 1.24 mSv/y 및 1.45 mSv/y, 보은군 1.36 mSv/y으로 이는 모두 우라늄층을 포함하는 하부천매암대에 위치한다. 하부천매암대의 최대값은 2.10 mSv/y이고 그 외의 지점에서는 국내 다른 지역보다 높게 나왔으나 1 mSv/y보다는 낮게 나왔다.

옥천대 지역의 칼륨-40 함량은 다른 지역 및 식품에 비해 높은 수준이다. 몸무게 60kg의 사람은 몸속에 3300Bq (=0.17 mSv/y), 시금치는 200Bq/kg의 칼륨-40을 포함한다.

4.4. 지하수의 우라늄

옥천 누층군 내 탄질 흑색 점판암에 우라늄이 함유되어 있다는 사실은 1956년 중앙지질광물연구소의 조사에서 처음 알려졌으며, 그 이후 우라늄 개발 가능성을 밝히기 위해 여러 지화학적, 광물학적 조사가 수행되어 왔다. 옥천 누층군 내 우라늄 광화대는 괴산군을 기점으로 보은군, 옥천군을 거쳐 대전광역시 서남부까지 이어져 있다. 충청북도 괴산군 지역의 옥천대 하부천매암층은 우라늄 함량이 높은 지층이 있는 것으로 알려져 있다. 이 지역은 1972~1986년 우라늄 광상 확보를 위해 한국지질자원연구원에 의해 정밀 지화학탐사와 시추 탐사가 수행된 바 있다. 옥천 누층군의 일부인 구룡산층은 우라늄을 함유한 흑연질 점판암으로 옥천대 내에서 90 km 이상 연장되며, 우라늄 함량 최고치가 294 ppm인 것으로 보고되었다. 충북과 충남에서 저품위 40~660만 톤의 우라늄 매장량이 보고되었다. 현재 우라늄광산은 충북의 3개, 충남의 4개 광산에서 우라늄이 개발된 기록이 있다. 시추탐사 결과 우라늄 매장량이 가장 큰 광상은 괴산군 덕평리 광상이며 매장량은 10696000ton이다.

5. 옥천대의 지질 구조

옥천대에는 다양한 지질 구조가 발달하며, 특히 습곡, 단층이 특징적이다.

충주 활옥동굴은 향산리 돌로마이트질 석회암층 내 활석 광산을 활용하여 만든 관광 동굴이다. 이 동굴에서는 향산리 돌로마이트질 석회암층을 자세히 관찰할 수 있으며 층리, 습곡, 단층 등의 지질구조가 발달한다.

6. 지역별 지질

옥천 누층군은 여러 행정구역에 걸쳐 분포하며, 각 지역별로 특색 있는 지질학적 특징을 보인다.