이 연구는 이천과 포천지역 일대에 분포하고 있는 온천에 대하여 화학성분, 산소 및 수소 동위원소, 그리고 헬륨과 아르곤 같은 영족기체의 동위원소 특성을 분석하여 온천별 지화학적 특성을 밝히고, 영족기체의 기원과 지하수의 지화학적 상관성을 해석하고자 하였다. 이를 위하여 연구지역에서 7점의 온천수와 가스성분을 채취하였고, 온천공 주변 지하수와 지표수 17개 시료를 채취하여 분석하였다. 연구지역 온천수는 환원성환경의 중성내지는 약알카리성의 pH 특성을 보이고, 전기전도도는 $310{\sim}735\;{\mu}S/cm$ 범위를 보여준다. 온천수의 수온은 $21.5{\sim}31.4^{\circ}C$ 범위로 저온형이며, 성분상 단순온천에 해당된다. 이천지역 온천수는 중성의 pH 조건과 주변지역 지하수와 유사한 $Ca-HCO_3$ 내지는 $Ca(Na)-HCO_3$ 수리화학적 유형을 보이는 반면, 포천지역 온천수는 알카리성의 pH 조건과 $Na-HCO_3$ 유형으로 지화학적으로 상당히 진화된 특성을 보인다. 이천온천수는 우라늄의 함량이 높고, 포천지역 온천수에는 불소의 함량이 높은 것이 특징이다. 온천수의 $\delta^{18}O$와 ${\delta}D$값은 각각 $-8.85{\sim}-10.1%o$과 $-60.8{\sim}-72.2%o$의 범위로 순환수기원을 보인다. 동위원소 조성을 보면 포천지역 온천수는 지하수에 비해 고지대 함양과 긴 유동경로를 거친 것으로 해석된다. 온천수내 영족기체 동위원소비 분석 결과 $^3He/^4He$ 동위원소비는 $0.094\;{\times}\;10^{-6}{\sim}0.653\;{\times}\;10^{-6}$ 범위를 보인다. 이천지역 온천수는 대기기원의 헬륨이 우세하지만 맨틀(마그마)와 같은 심부기원의 혼합율이 포천지역 온천수보다 높은 특성을 보인다. 포천지역 온천수는 지각기원의 헬륨 혼합율이 높다. 또한 온천수별 동일한 기원의 혼합선상에서도 천부지하수와 심부지하수의 혼합상태에 따라서 서로 다른 $^4He/^{20}Ne$ 비를 보인다. 온천수의 $^{40}Ar/^{36}Ar$ 비는 대기기원의 값과 유사한 범위를 보인다.
이 연구는 이천과 포천지역 일대에 분포하고 있는 온천에 대하여 화학성분, 산소 및 수소 동위원소, 그리고 헬륨과 아르곤 같은 영족기체의 동위원소 특성을 분석하여 온천별 지화학적 특성을 밝히고, 영족기체의 기원과 지하수의 지화학적 상관성을 해석하고자 하였다. 이를 위하여 연구지역에서 7점의 온천수와 가스성분을 채취하였고, 온천공 주변 지하수와 지표수 17개 시료를 채취하여 분석하였다. 연구지역 온천수는 환원성환경의 중성내지는 약알카리성의 pH 특성을 보이고, 전기전도도는 $310{\sim}735\;{\mu}S/cm$ 범위를 보여준다. 온천수의 수온은 $21.5{\sim}31.4^{\circ}C$ 범위로 저온형이며, 성분상 단순온천에 해당된다. 이천지역 온천수는 중성의 pH 조건과 주변지역 지하수와 유사한 $Ca-HCO_3$ 내지는 $Ca(Na)-HCO_3$ 수리화학적 유형을 보이는 반면, 포천지역 온천수는 알카리성의 pH 조건과 $Na-HCO_3$ 유형으로 지화학적으로 상당히 진화된 특성을 보인다. 이천온천수는 우라늄의 함량이 높고, 포천지역 온천수에는 불소의 함량이 높은 것이 특징이다. 온천수의 $\delta^{18}O$와 ${\delta}D$값은 각각 $-8.85{\sim}-10.1%o$과 $-60.8{\sim}-72.2%o$의 범위로 순환수기원을 보인다. 동위원소 조성을 보면 포천지역 온천수는 지하수에 비해 고지대 함양과 긴 유동경로를 거친 것으로 해석된다. 온천수내 영족기체 동위원소비 분석 결과 $^3He/^4He$ 동위원소비는 $0.094\;{\times}\;10^{-6}{\sim}0.653\;{\times}\;10^{-6}$ 범위를 보인다. 이천지역 온천수는 대기기원의 헬륨이 우세하지만 맨틀(마그마)와 같은 심부기원의 혼합율이 포천지역 온천수보다 높은 특성을 보인다. 포천지역 온천수는 지각기원의 헬륨 혼합율이 높다. 또한 온천수별 동일한 기원의 혼합선상에서도 천부지하수와 심부지하수의 혼합상태에 따라서 서로 다른 $^4He/^{20}Ne$ 비를 보인다. 온천수의 $^{40}Ar/^{36}Ar$ 비는 대기기원의 값과 유사한 범위를 보인다.
Hydrochemical, stable isotopic ($\delta^{18}O$ and dD) and noble gas isotopic analyses of seven hot spring water samples, eleven groundwater samples and six surface water samples collected from the Icheon and Pocheon area were carried out to find out hydrochemical characteristics, and to ...
Hydrochemical, stable isotopic ($\delta^{18}O$ and dD) and noble gas isotopic analyses of seven hot spring water samples, eleven groundwater samples and six surface water samples collected from the Icheon and Pocheon area were carried out to find out hydrochemical characteristics, and to interpret the source of noble gases and the geochemical evolution of the hot spring waters. The hot spring waters show low temperature type ranging from 21.5 to $31.4^{\circ}C$ and the pH value between 6.69 and 9.21. Electrical conductivity of hot spring waters has the range from 310 to $735\;{\mu}S/cm$. Whereas the hot spring water in the Icheon area shows the geochemical characteristics of neutral pH, the $Ca-HCO_3$(or $Ca(Na)-HCO_3$) chemical type and a high uranium content, the hot spring water in the Pocheon area shows the characteristics of alkaline pH, the $Na-HCO_3$ chemical type and a high fluorine content. These characteristics indicate that the hot spring water in the Icheon area is under the early stage in the geochemical evolution, and that the hot spring water in the Pocheon area has been geochemically evolved. The $\delta^{18}O$ and ${\delta}D$ values of hot spring waters show the range of $-10.1{\sim}-8.69%o$ and from $-72.2{\sim}-60.8%o$, respectively, and these values supply the information of the recharge area of hot spring waters. The $^3He/^4He$ ratios of the hot spring waters range from $0.09\;{\times}\;10^{-6}$ to $0.65\;{\times}\;10^{-6}$ which are plotted above the mixing line between air and crustal components. Whereas the helium gas in the Icheon hot spring water was mainly provided from the atmospheric source mixing with the mantle(or magma) origin, the origin of helium gas in the Pocheon hot spring water shows a dominant crustal source. $^{40}Ar/^{36}Ar$ ratios of hot spring water are in the range of an atmosphere source.
Hydrochemical, stable isotopic ($\delta^{18}O$ and dD) and noble gas isotopic analyses of seven hot spring water samples, eleven groundwater samples and six surface water samples collected from the Icheon and Pocheon area were carried out to find out hydrochemical characteristics, and to interpret the source of noble gases and the geochemical evolution of the hot spring waters. The hot spring waters show low temperature type ranging from 21.5 to $31.4^{\circ}C$ and the pH value between 6.69 and 9.21. Electrical conductivity of hot spring waters has the range from 310 to $735\;{\mu}S/cm$. Whereas the hot spring water in the Icheon area shows the geochemical characteristics of neutral pH, the $Ca-HCO_3$(or $Ca(Na)-HCO_3$) chemical type and a high uranium content, the hot spring water in the Pocheon area shows the characteristics of alkaline pH, the $Na-HCO_3$ chemical type and a high fluorine content. These characteristics indicate that the hot spring water in the Icheon area is under the early stage in the geochemical evolution, and that the hot spring water in the Pocheon area has been geochemically evolved. The $\delta^{18}O$ and ${\delta}D$ values of hot spring waters show the range of $-10.1{\sim}-8.69%o$ and from $-72.2{\sim}-60.8%o$, respectively, and these values supply the information of the recharge area of hot spring waters. The $^3He/^4He$ ratios of the hot spring waters range from $0.09\;{\times}\;10^{-6}$ to $0.65\;{\times}\;10^{-6}$ which are plotted above the mixing line between air and crustal components. Whereas the helium gas in the Icheon hot spring water was mainly provided from the atmospheric source mixing with the mantle(or magma) origin, the origin of helium gas in the Pocheon hot spring water shows a dominant crustal source. $^{40}Ar/^{36}Ar$ ratios of hot spring water are in the range of an atmosphere source.
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문제 정의
본 연구에서는 경기도 이천과 포천지역에 분포하는 온천수, 지하수와 지표수를 대상으로 물의 순환과정에서 수리지 화학적 특성을 규명하고 온천수의 진화과정에 대한 해석을 하고자 하였다(Fig. 1). 특히 온천수와 온천가스내 존재하는 비활성인 영족기체(He, Ne, Ar)의 동위원소 존재비를 분석하여, 그들의 기원과 온천의 지화학적 특성과의 상관성에 대한 해석을 시도하였다.
45µm 여과지를 이용하여 부유물과 이물질을 제거한 후 채취되었다. 양이온 분석용 시료는 폴리에틸렌 용기에 담은 후 농질산을 첨가하여 pH 2이하로 산성화시켜 이온들의 침전이나 용기 벽에 흡착되는 것을 방지하고자 하였다.
온천수의 지화학적 수질특성은 물의 순환과정상에서의 모암과의 반응과정과 심부지질의 암석학적, 지화학적 조건 등에 의해서 지배된다. 연구지역인 이천, 포천지역 온천수의 수리화학적 특성을 해석하기 위해 필요한 연구지역의 지질 특성을 기존의 지질도와 문헌(여상철과 임주환, 1974; 이병주 외, 1999)을 이용하여 간략하게 기술하고자 하였다. 연구지역의 지질도는 Fig.
가설 설정
헬륨가스의 기원으로 대기, 지각, 맨틀 3곳의 단성분의 동위원소 조성을 가정한 모델을 통하여 온천수 7개 지점과 지하수 1개 지점(MD)을 Fig. 7에 도시하였다. 이천지역의 온천수는 대기기원의 헬륨동위원소 혼합이 우세하고, 포천지역의 온천수는 지각기원의 헬륨동위원소 혼합이 우세하다.
제안 방법
온천수를 포함한 물 시료 채취 시 현장에서 수소이온농도(pH), 산화환원전위(Eh), 온도, 용존산소, 전기전도도, 그리고 중탄산 이온 농도를 측정하였다. pH는 Orion 290A 모델의 휴대용 pH 측정기, Eh는 동종의 기기로 백금전극을 이용하여 측정하였다. 온도와 전기전도도는 Orion model 142의 전기전도도 측정기, 용존산소 함량은 Orion model 835 모델의 용존산소 측정기로 각각 측정하였다.
토플러 펌프를 이용하여 온천수로부터 추출한 영족기체는 두 개의 Ti-Zr 포집자를 이용하여 정화시켰다. 그리고 참숯 포집자와 저온 냉각된 스테인레스 강철 포집자를 이용하여 He Ne 그리고 Ar-Ke-Xe 3개 기체군을 분리하였다. 모든 영족기체의 절대량과 He, Ne, Ar 동위원소비는 VG5400 (MS-III) 동경대학교 지각화학연구실의 영족기체질량분석기로 분석하였다.
그리고 참숯 포집자와 저온 냉각된 스테인레스 강철 포집자를 이용하여 He Ne 그리고 Ar-Ke-Xe 3개 기체군을 분리하였다. 모든 영족기체의 절대량과 He, Ne, Ar 동위원소비는 VG5400 (MS-III) 동경대학교 지각화학연구실의 영족기체질량분석기로 분석하였다. 질량분석기의 민감도와 동위원소 질량분리능의 수정요소는 알려진 표준대기의 기체함량을 측정함으로 결정하였다.
물 시료에 대한 주요양이온(Ca, Mg, K, Na, Si, Fe, Mn, Sr)성분은 한국기초과학지원연구원 대덕본원의 원자흡광분광분석기(Unicam model 989, AAS), 유도결합쌍 프라즈마 원자방출분광분석기(Shimadzu model ICPS-1000 III, ICP-AES)로 분석하였으며, 미량원소 성분은 유도결합쌍 프라즈마 질량분석기(Fison model PQ III, ICP-MS)로 분석되었다. 음이온 성분인 SO42-, Cl-, NO3-, F- 이온은 대전대학교의 Dionex 120 모델의 이온크로마토그래피로 분석하였다.
물 시료의 용존이온 성분 분석을 위하여 현장에서 물 시료를 0.45µm 여과지를 이용하여 부유물과 이물질을 제거한 후 채취되었다.
이 연구를 위하여 경기도 이천, 포천 지역 온천을 대상으로 2005년 12월과 2006년 8월에 걸쳐 온천수 7점과 가스시료를 채취하였고, 온천공 주변의 지하수와 지표수 시료 17점을 채취하였다. 온천수를 포함한 물 시료 채취 시 현장에서 수소이온농도(pH), 산화환원전위(Eh), 온도, 용존산소, 전기전도도, 그리고 중탄산 이온 농도를 측정하였다. pH는 Orion 290A 모델의 휴대용 pH 측정기, Eh는 동종의 기기로 백금전극을 이용하여 측정하였다.
모든 영족기체의 절대량과 He, Ne, Ar 동위원소비는 VG5400 (MS-III) 동경대학교 지각화학연구실의 영족기체질량분석기로 분석하였다. 질량분석기의 민감도와 동위원소 질량분리능의 수정요소는 알려진 표준대기의 기체함량을 측정함으로 결정하였다.
이 시스템은 극저준위의 영족기체 배경치를 가진 환경하에서 영족기체를 측정할 수 있는 장치이다. 토플러 펌프를 이용하여 온천수로부터 추출한 영족기체는 두 개의 Ti-Zr 포집자를 이용하여 정화시켰다. 그리고 참숯 포집자와 저온 냉각된 스테인레스 강철 포집자를 이용하여 He Ne 그리고 Ar-Ke-Xe 3개 기체군을 분리하였다.
1). 특히 온천수와 온천가스내 존재하는 비활성인 영족기체(He, Ne, Ar)의 동위원소 존재비를 분석하여, 그들의 기원과 온천의 지화학적 특성과의 상관성에 대한 해석을 시도하였다. 이러한 시도는 국내 온천수 연구에 새로운 접근방법을 제시하는 계기가 될 것으로 판단된다.
음이온 성분인 SO42-, Cl-, NO3-, F- 이온은 대전대학교의 Dionex 120 모델의 이온크로마토그래피로 분석하였다. 화학분석자료의 정확성을 검토하기 위해서 분석된 총 양이온과 총 음이온 함량을 당량으로 환산하여 전하균형을 계산하였다.
대상 데이터
이 연구는 원자력연구개발사업과제중 ‘‘심지층 처분환경 타당성 평가’’과제의 연구비 지원으로 수행되었다. 물 시료에 대한 양이온 성분과 안정동위원소는 한국기초과학지원연구원 대덕본원에서 분석되었다.
본 연구에서 조사된 이천지역 온천공은 이천시 도심부에 개발되어 있으며, 이 지역의 지질은 쥬라기 흑운모화강암으로 주로 구성되며, 온천주변은 심하게 풍화되어 있다. 흑운모화강암의 주요구성광물은 석영, 장석, 흑운모이며, 녹니석 소량으로 함유된다.
경기도 이천, 포천지역 온천수, 지하수, 지표수 시료에 대한 pH, 산화-환원전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소량(DO), 온도 등 현장에서 측정한 자료는 Table 1에 제시하였다. 연구지역 온천공의 심도는 약 200~1,130 m 범위로 심부암반 온천수이다.
영족기체 동위원소 분석을 위한 물과 가스는 동경대학교 지각화학연구실에서 특수 개발한 진공유리용기를 이용하여 채취하였다. 용기의 체적은 약 50cm 이다.
이 연구를 위하여 경기도 이천, 포천 지역 온천을 대상으로 2005년 12월과 2006년 8월에 걸쳐 온천수 7점과 가스시료를 채취하였고, 온천공 주변의 지하수와 지표수 시료 17점을 채취하였다. 온천수를 포함한 물 시료 채취 시 현장에서 수소이온농도(pH), 산화환원전위(Eh), 온도, 용존산소, 전기전도도, 그리고 중탄산 이온 농도를 측정하였다.
데이터처리
, 1982; Kendall and Coplen, 1985)에 의하여 시료를 전 처리한 후 한국기초과학지원 연구원 대덕본원의 안정동위원소비 질량분석기(모델; VG ISOTECH PRISM II)로 산소동위원소비를 측정 하였고, 한국원자력연구원의 질량분석기(모델; Euro Vecstor 사의 Euro Pyr-orl micromass Isoprime)를 이용하여 수소 동위원소비를 측정하였다. 측정값은 표준평균수소 동위원소비를 측정하였다. 측정값은 표준평균해수(SMOW)에 표준화한 천분율(‰)로 나타내었다.
이론/모형
경기도 이천, 포천 지역의 온천수, 지하수, 지표수 시료의 화학적 유형 및 지화학적 진화특성을 해석하기 위하여 주요 용존 이온을 대상으로 파이퍼도(Piper, 1994)를 작도하였다. 파이퍼도상에서 온천수의 화학적 유형은 크게 2개의 형태로 구분된다(Fig.
산소 동위원소는 CO2-H2O 평형법(Epstein and Mayeda, 1953)에 의해 분석을 하였고, 수소 동위원소는 아연에 의한 환원법(Coleman et al., 1982; Kendall and Coplen, 1985)에 의하여 시료를 전 처리한 후 한국기초과학지원 연구원 대덕본원의 안정동위원소비 질량분석기(모델; VG ISOTECH PRISM II)로 산소동위원소비를 측정 하였고, 한국원자력연구원의 질량분석기(모델; Euro Vecstor 사의 Euro Pyr-orl micromass Isoprime)를 이용하여 수소 동위원소비를 측정하였다. 측정값은 표준평균수소 동위원소비를 측정하였다.
pH는 Orion 290A 모델의 휴대용 pH 측정기, Eh는 동종의 기기로 백금전극을 이용하여 측정하였다. 온도와 전기전도도는 Orion model 142의 전기전도도 측정기, 용존산소 함량은 Orion model 835 모델의 용존산소 측정기로 각각 측정하였다. 물 시료의 용존이온 성분 분석을 위하여 현장에서 물 시료를 0.
물 시료에 대한 주요양이온(Ca, Mg, K, Na, Si, Fe, Mn, Sr)성분은 한국기초과학지원연구원 대덕본원의 원자흡광분광분석기(Unicam model 989, AAS), 유도결합쌍 프라즈마 원자방출분광분석기(Shimadzu model ICPS-1000 III, ICP-AES)로 분석하였으며, 미량원소 성분은 유도결합쌍 프라즈마 질량분석기(Fison model PQ III, ICP-MS)로 분석되었다. 음이온 성분인 SO42-, Cl-, NO3-, F- 이온은 대전대학교의 Dionex 120 모델의 이온크로마토그래피로 분석하였다. 화학분석자료의 정확성을 검토하기 위해서 분석된 총 양이온과 총 음이온 함량을 당량으로 환산하여 전하균형을 계산하였다.
성능/효과
경기도 이천, 포천지역 온천수의 산소 수소 동위원소 상관관계식은 δD = 6.78δ18O-0.97 로 계산되었다.
실험실 표준시료를 수 차례 반복 측정하여 얻은 δ18O와 δD의 분석정밀도는 각각 ±0.1‰, ±1.5‰ 이였다.
4℃로 가장 높은 수온을 보였다. 온천수의 pH는 6.69~9.21의 범위로 포천지역 신북온천이 가장 높은 pH 조건을 보이며, 온천수의 pH가 일반 지하수에 비해 높은 알카리성을 보이는 것은 온천공의 심도가 대부분 일반지하수에 비해 깊으므로 보다 긴 체류시간 동안 물-암석 반응 과정을 통하여 알카리성으로 진화된 것으로 해석된다. 온천수의 산화-환원전위(Eh)는 -45~-178 mV의 범위로 환원성 조건을 보이는 반면 지하수와 지표수는 산화조건을 보인다.
21 범위의 약 산성에서 알카리성을 보이고, 전기전도도 값은 310~735 µS/cm 범위를 보인다. 전체적으로 온천수는 환원성환경의 Eh값을 보이고, 지하수와 지표수는 산화환경을 보인다. 온천수의 수온은 21.
현장측정결과 온천수의 수온은 21.5~31.4℃의 온도 범위를 보이며, 포천지역 온천(JI-3)이 31.4℃로 가장 높은 수온을 보였다. 온천수의 pH는 6.
후속연구
이천온천은 포천온천에 비해 상대적으로 맨틀(마그마)기원의 He의 혼합이 우세함을 보여준다. 이는 이천온천수내 우라늄 함량이 높은 특성과 어떤 상관성이 있는지에 대해서 향후 연구할 필요가 있을 것이다.
653 × 10-6 범위를 보이고, 3He/4He비와 4He/20Ne비의 상관관계도에서 포천지역 온천수는 지각기원의 영족기체가 우세한 반면 이천지역 온천수의 경우 대기기원의 혼합율이 높지만 맨틀(마그마)등 심부기원의 헬륨 혼합율이 높은 것이 특징이다. 이러한 영족기체 특성과 이천지역 온천수 네 고우라늄 함량과의 상관성에 대해서는 향후 연구할 가치가 있을 것이다. 40Ar/36Ar 동위원소비는 297.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
그동안 국내에서 진행된 온천수에 대한 지화학적 연구의 주제로는 무엇이 있는가?
온천에 대한 학술적 관심사는 주로 온천수의 수질화학적 조성과 온천의 열원 등에 관한 것으로 그 동안 국내에서 온천수에 대한 지화학적 연구로는 수리화학적 특성 규명, 물-암석 상호반응에 의한 지화학적 진화과정 해석, 동위원소적 연구, 온천수와 해수 혼합에 관한 연구 등의 주제로 국내 연구자들에 의해 연구가 진행된바 있다(Koh et al., 1994; 김규한과 최현정, 1998; Yun et al.
우리나라 온천의 법적 등록지역의 분포 특징은 어떠한가?
우리나라의 온천법이 1981년에 제정된 이래 현재까지 온천의 법적 등록지역은 404개소이다(이종태, 2008). 이중 183개소가 남한의 남동쪽에 밀집되어 있으며 수온이 35℃ 이상의 온천은 동해안과 남한의 남동부쪽에 많이 분포한다. 온천을 수질특성으로 분류하면 광물질의 함유량이 적은 저함량 온천이 263개소(65.
우리나라 온천을 수질특성으로 분류한 결과는 무엇인가?
이중 183개소가 남한의 남동쪽에 밀집되어 있으며 수온이 35℃ 이상의 온천은 동해안과 남한의 남동부쪽에 많이 분포한다. 온천을 수질특성으로 분류하면 광물질의 함유량이 적은 저함량 온천이 263개소(65.1%)를 차지하고, 광물질함유량이 높은 광천온천은 84개소(20.8%), 함유황온천이 27개소(6.68%), 유황온천이 17개소(4.21%), 탄산온천이 13개소(3.21%)로 분류된다(이종태, 2008).
참고문헌 (22)
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