경상계 퇴적암 분포 지역 내의 황산염 및 이산화탄소가 풍부한 지하수의 수리지구화학 및 안정동위원소 특성 = Hydrogeochemical and Isotopic Studies on the Origin and Evolution of SO4-rich/CO2-rich Groundwater in Sedimentary Terrain, Gyeongsang Basin

국문 초록 (Abstract)

군위지역의 SO4-rich 지하수는 지질이 하양층군 내 점곡층으로 이루어진 지역에서만 산출되고 있으며, 이들의 특성은 TDS가 높고, Ca, SO4이온 함량이 특히 많다. 산소/수소 동위원소 연구 결과, 이들 지하수는 비교적 낮은 산소/수소 값을 갖는 것으로, 이는 주변 지역 지하수에 비해 오래 진화되었음을 지시한다. 점곡층 내 지하수의 SO4이온의 기원을 알아보기 위해 수리지구화학적 연구 및 SO4 이온의 황동위원소 연구를 함께 실시하였다. 수리지구화학적 연구 결과, Ca+Mg 와 SO4+HCO3의 이온 비율이 방해석+백운석+석고의 용해 비율과 일치하는 것으로 나타났다. 또한 SO4 이온의 황동위원소 분석 결과 +16.0~+19.2‰의 높은 값을 가졌고, 이는 지하수 내 SO4 이온 함량이 증가할수록 황동위원소 값이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 연구결과로 보아, 군위지역 점곡층 내에 존재하는 지하수의 SO4이온은 증발암 광물(gypsum, anhydrite)의 용해로부터 기인했다고 결론지을 수 있다. 또한 이들 지하수의 진화과정을 밝히기 위해 Ca와 Sr 이온의 관계를 살펴본 결과 Sr/Ca 비율이 증가하며 방해석의 포화지수도 0에 가까운 것으로 나타났다. 이는 보다 용해도가 높은 증발암 광물(gypsum) 용해로 인해, 용해도가 낮은 방해석의 재침전 했기 때문인 것으로 해석된다(공통이온효과).
안동지역의 탄산수는 기존에 알려진 다른 지역의 탄산수와는 다르게 퇴적암지대(하양층군 내 구계동층)에서 산출되는 것이 특징이며, 화강암 지대에서 산출되는 탄산수에 비해 Cl, SO4이온 함량이 높다. 안동지역에서 탄산수는 약 6.1~6.4의 낮은 pH와 높은 TDS 함량을 보여주며, 화학적으로 Na-HCO3 type, Ca-HCO3 type으로 구분된다. 산소/수소 동위원소 연구결과 탄산수의 값이 주변 충적층 지하수의 동위원소 값보다 유의미하게 낮은 것으로 나타나, 이들 지하수가 주변 충적층 지하수보다 오래 진화되었음을 지시한다. 연구지역 탄산수의 기원을 알아보기 위해 주요이온의 함량을 비교해 보고 지하수 내 DIC의 탄소동위원소 분석을 실시하였다. 주요이온 함량에서 탄산수에 CO2 gas가 유입되고 있는 것을 확인할 수 있었고, 탄소동위원소 분석 결과, 유입된 CO2 gas는 magmatic CO2임을 확인할 수 있었다. 또한 지하수 DIC의 탄소동위원소 값과 75℃에서의 fractionation값을 이용하여 유입된 CO2 gas의 탄소동위원소 값을 추정해 본 결과 약 -6.06‰로 기존 연구된 값과 유사한 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 주변지역 탄산수보다 함량이 높은 Cl, SO4이온의 기원을 알아보기 위해 SO4이온의 황동위원소 연구를 실시하였다. 그 결과 연구지역 탄산수의 SO4는 황동위원소 값이 +12.9~+14.1‰의 높은 값을 가졌고, 용존 SO4 함량이 증가할수록 황동위원소 값이 증가하는 경향을 보였다. 이를통해 안동지역 탄산수 내에 존재하는 용존황산염 역시 증발암광물의 용해로부터 기인한 것으로 해석할 수 있었다. Cl 이온은 SO4와 함께 거동하는 특성을 보였고, 산소/수소 동위원소 값을 비교해 보았을 때 오염기원으로 보이지 않기 때문에, SO4 이온과 마찬가지로 증발암광물 기원으로 추정된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gunwi area, sulfate-rich groundwater is found in Jeomgog formation, Hayang group. Hayang group rocks are known to be deposited in a lacustrine environment. Sulfate-rich groundwater is characterized by high TDS values, especially concentrations of Ca and SO4 have high values. Low δ18O and δD values show sulfate-rich groundwaters in Jeomgog formation are much evolved rather than other type groundwaters. The chemistry of major ions and the sulfur/oxygen isotope compositions of sulfate were examined to explain the origin of sulfate-rich groundwaters. Ion ratio between Ca+Mg and HCO3+SO4 as normality is similar to the ion ratio of calcite, dolomite, and gypsum dissolution. In addition, the sulfate-sulfur/oxygen isotope values are +16.0~+19.2‰, and +10.3~+12.2‰ which are very high values such as evaporite, and δ34S values are higher as sulfate concentration is increasing. As a result, the source of sulfate-rich groundwater in Gunwi area is the dissolution of evaporite minerals such as gypsum, anhydrite. In particular, Sr/Ca ratio and saturation index of calcite indicate that gypsum dissolution and calcite precipitation are occurring as a result of the common ion effect.
Andong area, CO2-rich groundwater is found in sedimentary terrain, Gugyedong formation, Hayang group. Hayang group rocks are known to be deposited in a lacustrine environment. In general, CO2-rich groundwater is found in granite bedrock area. CO2-rich groundwater in Andong area is characterized by high value of TDS, low values of pH(6.1-6.4) and especially high concentrations of Cl, SO4 ions. Low δ18O, δD values show CO2-rich groundwaters in Andong area are much evolved rather than alluvial groundwaters of this area. The chemistry of major ions and the carbon isotope compositions of dissolved inorganic carbon(DIC) were examined to explain the origin of CO2-rich groundwaters. Using 75℃ frationation factor, the δ13C value of influx CO2 gas was calculated. The calculated value was -6.06‰, which belong to the general known ranges of the δ13C values. To identify the sources of the SO4, Cl ions, the sulfur isotope compositions of sulfate were examined. the sulfate-sulfur isotope values are +12.9~+14.1‰ which are very high values such as evaporite, and δ34S values are higher as sulfate concentration is increasing. As a result, the source of high contents of sulfate and chloride in Andong area is the dissolution of evaporite minerals such as gypsum, anhydrite.

목차 (Table of Contents)

• 요약문
• 목차
• partⅠ
• 요약문
• 1. 서언
• 2. 연구지역
• 2.1 연구지역 지형특성
• 2.2 연구지역 지질
• 3. 시료채취 방법 및 분석법
• 3.1 시료 채취
• 3.2 분석 방법
• 4. 수리지구화학적 특성
• 4.1 지하수의 수질 특성
• 4.2 각 그룹별 수질 특성
• 5. SO4 이온의 기원
• 5.1 주요 이온의 함량
• 5.2 주요 이온함량에 따른 SO4의 기원
• 5.3 SO4의 황/산소 동위원소
• 6. JG group 지하수의 진화과정
• 6.1 Calcite와 gypsum의 용해과정
• 6.2 공통이온효과
• 6.3 DIC의 탄소동위원소
• 7. 요약 및 결론
• 참고문헌
• Part Ⅱ
• 요약문
• 1. 서언
• 2. 연구지역
• 2.1 연구지역 지형특성
• 2.2 연구지역 지질
• 3. 시료채취 방법 및 분석법
• 3.1 시료 채취
• 3.2 분석 방법
• 4. 수리지구화학적 특성
• 4.1 지하수의 수질 특성
• 4.2 각 그룹별 수질 특성
• 5. DIC 기원
• 5.1 주요 이온의 함량
• 5.2 DIC의 탄소동위원소
• 5.3 유입된 CO2 gas의 탄소동위원소 값 추정
• 6. Cl, SO4 이온의 기원
• 6.1 탄산수에서의 Cl, SO4 이온
• 6.2 SO4의 황동위원소
• 7. 요약 및 결론
• 참고문헌
• 표 목차
• PartⅠ
• Table1.Hydrogeochemicaldataingroundwater
• Table2.Resultsofoxygen/hydrogenstableisotopeanalysis
• Table3.Statisticsofgroundwaterdata
• Table4.Statisticsofstableisotopedata
• Table5.Resultsofsulfurstableisotopeanalysis
• Table6.ResultsofcarbonstableisotopeanalysisPartⅡ
• Table1.Hydrogeochemicaldataingroundwater
• Table2.Resultsofoxygen/hydrogenstableisotopeanalysis
• Table3.Statisticsofgroundwaterdata
• Table4.Statisticsofstableisotopedata
• Table5.Resultsofcarbonstableisotopeanalysis
• Table6.Resultsofδ13CCO2(g)estimation
• Table7.Estimatedreservoirtemperaturesbasedongeothermometer
• Table8.Resultsofsulfurstableisotopeanalysis
• 그림 목차
• PartⅠ
• Fig.1Thegroundwatersamplinglocation
• Fig.2Geologyandsamplinglocationofstudyarea
• Fig.3RelationshipofTDSandmajorions
• Fig.4Theisotopecompositionofgroundwater
• Fig.5RelationshipofCaandHCO
• Fig.6Mg/CaratioandTDS
• Fig.7Mineraldissolutionlineofcalcite+dolomite+gypsum
• Fig.8Referencevaluesofδ34S
• Fig.9RelationshipbetweenSO4contentsandδ34S
• Fig.10RelationshipbetweenSO4contentsandδ18O
• Fig.11Sr/CaratioandδD
• Fig.12SaturationIndexofgypsum
• Fig.13SaturationIndexofcalcite
• Fig.14Referencevaluesofδ13C
• Fig.15 Resultof δ13C value modeling during calcite precipitation(PHREEQC2.11)PartⅡ
• Fig.1Thegroundwatersamplinglocation
• Fig.2Geologyandsamplinglocationofstudyarea
• Fig.3PiperDiagram
• Fig.4.RelationshipofTDSandmajorions
• Fig.5Theisotopecompositionofgroundwater
• Fig.6Mineraldissolutionlineofcalcite
• Fig.7RelationshipofDICandalkalinity
• Fig.8Referencevaluesofδ13C
• Fig.9δ13CvaluesofDIC
• Fig.10CO2-richgroundwatermechanism (Choi,2002)
• Fig.11Referencevaluesofδ34S
• Fig.12RelationshipbetweenSO4contentsandδ34S
• Fig.13RelationshipofClandSO