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부곡 지열수의 심부환경과 지화학적 진화: 유황형 지열수의 생성과정 재해석
고용권,윤성택,김천수,배대석,박성숙 대한자원환경지질학회 2001 자원환경지질 Vol.34 No.4
국내에서 가장 높은 용출온도를 보이는 경남 부곡 지열수에 대하여 Yun et al.(1998)에 의하여 기존에 발표된 수리화학 및 동위원소 자료를 토대로 지열수의 심부환경과 지화학적 진화과정을 재해석하였다. 부곡 지열수는 지화학적 특성에 따라 3가지 유형으로 구분되어 진다(지열수I,II,III형). 지열수I형과II형은 높은 온도(55.2~$77.2^{\circ}C$)를 보이며, 화학적으로 Na-$SO_4$형에 속하지만, pH와 Eh가 다소 차이가 나며, $SO_4$함량이 크다는 것이 특징이다. 지열수 중심지역으로부터 외곽부에서 산출되는 지열수 III형은 29.3~$47.0^{\circ}C$의 용출온도를 보이며, Na-$HCO_3SO_4$형을 나타낸다. 지열수 I형에 대하여 다성분계 지질온도계의 적용결과는 심부저장지의 온도가 115~$130^{\circ}C$인 것으로 추정되었다. 다양한 지화학적 특성을 보여주는 부곡 지열수의 지화학적 진화과정은 다음과 같이 해석될 수 있다. 첫째, 부곡지역보다 높은 지형에서 함양된 지하수가 심부로 순환하게 되면서, 퇴적암 또는 심부의 화강암과 물-암석 반응이 진행된다. 이때 퇴적층에 함유되어 있던 황산염 광물의 용해반응으로 지하수는 다량의 $SO_4$를 함유하게 된다. 둘째, 지하수가 계속 심부로 순환하는 과정에서 환원환경에 접하게 되어 $H_2$S가 생성되고, 심부열원에 의하여 약 13$0^{\circ}C$까지 가열되어 규산 염광물과의 반응정도가 높아진다. 이 때 pH는 상승하고 SO$_4$함량은 감소하게 되며, 방해석이 침전조건에 놓이게 됨으로써, 결국 지열수는 Na-SO$_4$형을 띠게 된다. 셋째, 이렇게 형성된 지열수가 유동로를 따라 상승하는 과정에서 덜 깊게 순환하는 지하수와 혼합과정을 거치게 된다. 지열수와 혼합되는 지하수는 퇴적층내 황철석의 산화반응에 의해 다량의 SO$_4$를 함유한 것으로 사료된다. 이렇게 형성된 지열수는 계속 상승하면서 천부환경의 지하수와 혼합되어 부곡지역내 다양한 지화학 특성을 보이는 지열수를 형성하게 된다. The deep environment and geochemical evolution of the Bugok geothennal waters, located in the Kyeongnam Province, was re-interpreted based on the hydrochemical and isotopic data published by Yun et al. (1998). The geothermal waters of the Bugok area is geochemically divided into three groups; Geothennal water I, II and III groups. Groups I and II are geochemically similar; high temperature (55.2-77.2$^{\circ}$C) and chemically belonging to Na-S04 types. However, pH and Eh values are a little different each other and Group II water is highly enriched in S04 compared to Group I water. Group III water, occurring from peripheral sites of the central part of the geothennal waters, shows temperature range of 29.3 to 47.0$^{\circ}$C and belongs to $Na-HCO_3-S0_4$ types. The deep environment and geochemical evolution of the Bugok geothennal waters, showing the diversity of geochemistry, can be interpreted as follows; I) Descending to great depth of meteoric waters that originated at high elevation and reacting with sediments and/or granites in depth. The $S0_4$ concentration of the waters has been increased by the dissolution of sulfate minerals in sediments. 2) During the continuous descending, the waters has met with the reduction environment, producing the $H_2S$ gas due to sulfate reduction. The waters has been heated up to 130$^{\circ}$C and the extent of water-rock reaction was increased. At this point, pH of waters are increased, S04 concentration decreased and calcite precipitated, therefore, the waters show the $Na-S0_4$ type. 3) Ascending of the geothennal waters along the flow path of fluids and mixing with less-deeply circulated waters. The $S0_4$ concentration is re-increased due to the oxidation of $H_2S$ gas and/or sulfide minerals in sediments. During continuous ascending, these geothennal waters are mixed with shallow groundwater.
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고용권,김경수,배대석,김천수,한경원 대한자원환경지질학회 2001 자원환경지질 Vol.34 No.3
여수 북동부 화산암지역에서 다중패커 시스템(Multi-packer system)을 이용하여 구간별로 시료 채취를 수행하고, 시추공 지하수에 대한 지화학 특성 연구를 수행하였다. MP system에 의해 구간별로 격리된 지하수의 pH(up to 9.6)는 기존 시료채취방법에 의해 측정된 pH(7.0~7.9)보다도 매우 높은 값을 보여준다. 시추공 지하수의 수리화학자료는 구간별로 특징적인 화학조성을 나타낸다. 이는 지하수의 지화학적 특성이 단열체계특성에 의해 지배를 받는 지하수 유동로를 따라 진행되는 물-암석 반응에 의해 진화되었음을 지시한다. 특징적으로 시추공 K1 하부구간(심도138~175m)의 지하수는 높은 Ca 함량(up to 160mg/L)과 Cl 함량(up to 293mg/L)을 보이는 Ca-Cl$_2$유형을 보여주며, Na 함량(up to 67mg/L) 과 SO$_4$함량(105mg/L) 역시 기타 구간에 비해 높은 값을 보여준다. 이러한 지하수의 지화학적 특성은 해수혼합, 양이온교환반응 및 황철석의 산화반응 등에 의해 진화된 것으로 해석할 수 있다. The geochemical studies on groundwater in the borehole, which is straddled by multi-packer (MP) system, were carried out from a volcanic terrain in the Yeosu area. The pH of groundwater collected from selected sections in the MP-installed borehole is much higher (up to 9.6) than that of the borehole groundwater (7.0-7.9) collected using conventional pumping technique. Hydrochemistry shows that the groundwater has a typical chemical change with increasing sampling depth, suggesting that the groundwater is evolved through water-rock interaction along the fracture-controlled flow paths. The groundwater from the deeper part (138-175 m below the surface) in borehole KI is characterized by the Ca-C11 type with high Ca (up to 160 mg/L) and Cl (up to 293 mg/L) contents, probably reflecting seawater intrusion. The groundwater also has high sodium and sulfate contents compared to the waters from other boreholes. These observed groundwater chemistry is explained by the cation exchange, sulfide oxidation, and mixing process with seawater along the flow path.
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이산화탄소 직접흡수법을 이용한 자연수의 방사성탄소동위원소분석
고용권,배대석,김천수,김성용 한국지하수토양환경학회 2001 지하수토양환경 Vol.6 No.2
방사성동위원소인 $^{14}C$(반감기 5,730년)는 삼중수소와 함께 수리지질학에서 지하수의 체류시간을 평가할 수 있는 유용한 도구로 활용된다. 그러나 국내에서는 $^{14}C$ 분석을 위한 전처리 기술의 부재로 인하여 오랜 체류시간을 지닌 국내 지하수 및 수문체계에 대한 평가가 이루어지지 뜻하였다. 그동안 $^{14}C$은 주로 벤젠합성법을 이용하여 분석되었지만, 실험과정이 복잡하고 많은 시간이 요구되어 지하수연구에 제한적으로 이용되어 왔다. 최근에 이산화탄소의 직접흡수법을 이용한 $^{14}C$분석법이 개발되었으며, 국내 지하수연구에도 적용될 수 있는 $^{14}C$ 분석법을 확립하였다. 분석과정 및 결과의 신뢰성을 위하여 국제인정기관(CSIRO, 호주)과의 교차분석을 수행하였다. 앞으로 $^{14}C$ 분석은 국내 심부지하수의 유동 연구에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Radiocarbon ($^{14}C$) and tritium in water have been applied to hydrogeology as a tool for dating of groundwater. The long half-life of $^{14}C$(5,730 years) makes it useful for evaluation of residence time of groundwater, However, the $^{14}C$ has not been applied to groundwater studies in Korea, owing to the absence of preparation line for $^{14}C$ analysis. By this time $^{14}C$ of groundwater has been analyzed mainly using benzene synthesizer, which is so complicate and time-consuming that has been is limitedly applied to hydrogeology. Recently, the direct $CO_2$ absorption method for $^{14}C$ analysis was developed and introduced to KAERI for the evaluation of domestic groundwater system. The results of $^{14}C$ in groundwater would be usefully applied to hydrogeological studies such as the well understanding of groundwater flow system in depth. The reliability of our $^{14}C$ data was confirmed by inter-comparison with the qualified international isotope laboratory.
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