[논문]물 암석 반응을 고려한 KURT 지하수의 지구화학적 특성

류지훈; 권장순; 김건영; 고용권

doi:10.7733/jkrws.2012.10.3.189

물 암석 반응을 고려한 KURT 지하수의 지구화학적 특성
Geochemical Characterization of Rock-Water Interaction in Groundwater at the KURT Site 원문보기

방사성폐기물학회지 = Journal of the Korean Radioactive Waste Society, v.10 no.3, 2012년, pp.189 - 197

류지훈 (한국원자력연구원) , 권장순 (한국원자력연구원) , 김건영 (한국원자력연구원) , 고용권 (한국원자력연구원)

초록
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KURT 지하수의 지구화학적 특성을 조사하기 위하여 단열충전광물과 지하수의 지구화학적 성분이 조사되었다. KURT내의 시추공들로부터 얻어진 시추코아로부터 방해석(calcite), 일라이트(illite), 로먼타이트(laumonite), 녹니석(chlorite), 녹염석(epidote), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 카올리나이트(kaolinite) 및 일라이트와 스멕타이트(smectite)의 혼합층상광물 등이 감정되었다. 시추공 DB-1, YS-1, YS-4에서 채취한 대부분의 지하수는 pH 8이상의 알칼리 환경을 보여주었으며 YS-1을 제외한 두 관측공의 전기전도도는 약 2$200{\mu}S/cm$를 나타냈으며 이들 시추공에서 천부지하수는 $Ca-HCO_3$ 와 $Ca-Na-HCO_3$ 유형 이였으며 심부 250m이하에서는 $Na-HCO_3$ 유형을 나타냈다. DB-1 공의 심부지하수에서 낮은 용존산소량(DO)와 Eh값의 감소를 측정하였으며 이는 환원환경을 지시한다. KURT의 지하수 시료의 $Cl^-$ 이온의 농도는 5 mg/L 이하이며 전 샘플링구간에서 커다란 변화 없이 일정하게 나타났다. 이러한 현상은 KURT 지역의 천부와 심부지하수가 혼합(mixing)되어 $Cl^-$의 농도가 깊이에 따라 큰 변화가 없는 것으로 해석된다. 지하수 시료의 ${\delta}^{18}O$과 ${\delta}D$ 분석 값은 각각 -10.4~-8.2‰과 -71.3~-55.0‰의 범위로 지하수가 순환수 기원임을 보여준다. 긴 순환경로를 거친 심부지하수의 수소, 산소 동위원소 값은 천부지하수에 비해 감소하며 이러한 값은 일반적으로 높은 불소농도를 동반하였다. 이는 불소함량이 높은 지하수가 물-암석 반응에 의해 생성되었음을 보여준다. KURT 지역에서 채취한 지하수의 $^{14}C$를 이용한 연대측정분석에서 지하수의 체류시간(residence time)이 약 2,000~6,000년으로 측정되었다. 이러한 체류시간은 KURT 지역의 화강암에 존재하는 지하수가 다른 유럽의 화강암지역(예, 스트리파 지역, 스웨덴)보다 상대적으로 지하수의 연령이 오래되지 않은 것으로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Geochemical composition of fracture filling minerals and groundwater was investigated to characterize geochemical characteristics of groundwater system at the KURT site. Minerals such as calcite, illite, laumontite, chlorite, epidote, montmorillonite, and kaolinite, as well as I/S mixed layer minerals were detected in the minerals extracted from the fracture surfaces of the core samples. The groundwater from the DB-1, YS-1 and YS-4 boreholes showed alkaline conditions with pH of higher than 8. The electrical conductivity (EC) values of the groundwater samples were around $200{\mu}S/cm$, except for the YS-1 borehole. Dissolved oxygen was almost zero in the DB-1 borehole indicating highly reduced conditions. The Cl- concentration was estimated around 5 mg/L and showed homogeneous distribution along depths at the KURT site. It might indicate the mixing between shallow groundwater and deep groundwater. The shallow groundwater from boreholes showed $Ca-HCO_3$ type, whereas deep groundwater below 300 m from the surface indicated $Na-HCO_3$ type. The isotopic values observed in the groundwater ranged from -10.4 to -8.2‰ for ${\delta}^{18}O$ and from -71.3 to -55.0‰for ${\delta}D$. In addition, the isotope-depleted water contained higher fluoride concentration. The oxygen and hydrogen isotopic values of deep groundwater were more depleted compared to the shallow groundwater. The results from age dating analysis using $^{14}C$ indicated relatively younger (2000~6000yr old) groundwater compared to other european granitic groundwaters such as Stripa (Sweden).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

방사성폐기물처분연구의 일환으로 KURT 화강암지역에서 심지층 지하수의 지구화학적 특성을 연구하였다. 특히 KURT 지하수의 지구화학적 특성을 조사하기위하여 단열충전광물 및 다양한 심도의 세 개의 시추공에서 채취한 지하수의 지화학적 조성을 조사하였다.
본 연구에서는 한국원자력연구원의 지하연구시설인 KURT 지역의 화강암을 연구지역으로 선정하고 심지층 지하수의 지구화학적 특성을 물과 암석의 상호작용에 관점을 두고 조사하였다. 또한 안정동위원소를 조사하여 지하수의 기원과 체류기간을 조사하였다.

제안 방법

암석시료의 주원소및 미량원소 함량은 기초과학지원연구소의 X선형광분석(XRF; Philips PW2404) 및 유도결합플라즈마 방출분석기(ICP-AES, Shimadzu ICPS11000III)와 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, FISONS PlasmaTrace)로 분석하였다. 광물의 화학분석은 기초과학지원연구소의 전자현미분석기(EPMA, CAMECA SX50)를 이용하였으며, 또한 주사전자현미경(SEM, Leo 1455VP)를 이용하여 단열광물들의 공생관계 중 일라이트에 대해서는 기초과학 지원연구원의 불활성기체 질량분석기(SVMS, VG5400)를 이용하여 생성시기를 규명하였다.
또한 모암과의 관계 및 단열광물들의 공생관계를 밝히기 위하여 주요 시추코아시료에 대해서 저점성에폭시(Struers Epofix)로 광물조직을 보존하여 박편제작을 실시하였다. 기초적인 광물감정을 위해 모든 암석 및 단열충전광물에 대해 편광현미경 관찰과 X-선 회절분석을(XRD)을 수행하였다. X-선 회절분석은 한국원자력연구원의 X-선 회절분석기(SIEMENSD5000)를 이용하여 분석하였다.
이 심부 시추공에 대하여 각 시추코아로부터 심도별로 신선한 화강암 시료를 채취하였으며 또한 단열대 중심으로 단열충전광물 및 변질암석을 채취하였다. 단열광물은 시추코아로부터 직접 채취한 후, 단일광물분리를 수행하였다. 또한 모암과의 관계 및 단열광물들의 공생관계를 밝히기 위하여 주요 시추코아시료에 대해서 저점성에폭시(Struers Epofix)로 광물조직을 보존하여 박편제작을 실시하였다.
단열광물은 시추코아로부터 직접 채취한 후, 단일광물분리를 수행하였다. 또한 모암과의 관계 및 단열광물들의 공생관계를 밝히기 위하여 주요 시추코아시료에 대해서 저점성에폭시(Struers Epofix)로 광물조직을 보존하여 박편제작을 실시하였다. 기초적인 광물감정을 위해 모든 암석 및 단열충전광물에 대해 편광현미경 관찰과 X-선 회절분석을(XRD)을 수행하였다.
본 연구에서는 한국원자력연구원의 지하연구시설인 KURT 지역의 화강암을 연구지역으로 선정하고 심지층 지하수의 지구화학적 특성을 물과 암석의 상호작용에 관점을 두고 조사하였다. 또한 안정동위원소를 조사하여 지하수의 기원과 체류기간을 조사하였다.
시추공 DB-1 사례의 경우 멀티패커시스템으로 지화학적 모니터링과 지하수의 샘플링이 이루어졌다. 지하수 샘플링 위치는 단열대의 위치에 의해 결정되었다.
X-선 회절분석은 한국원자력연구원의 X-선 회절분석기(SIEMENSD5000)를 이용하여 분석하였다. 암석시료의 주원소및 미량원소 함량은 기초과학지원연구소의 X선형광분석(XRF; Philips PW2404) 및 유도결합플라즈마 방출분석기(ICP-AES, Shimadzu ICPS11000III)와 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, FISONS PlasmaTrace)로 분석하였다. 광물의 화학분석은 기초과학지원연구소의 전자현미분석기(EPMA, CAMECA SX50)를 이용하였으며, 또한 주사전자현미경(SEM, Leo 1455VP)를 이용하여 단열광물들의 공생관계 중 일라이트에 대해서는 기초과학 지원연구원의 불활성기체 질량분석기(SVMS, VG5400)를 이용하여 생성시기를 규명하였다.
KURT 지역에서 2000년부터 2003년까지 200~500 m의 심도로 총 9개의 시추공[YS-1(500m구간), YS-2(200m구간), YS3(300m구간), YS-4(350m구간), YS-5(200m구간), YS-6(500m 구간) 및 YS-7(400m구간) 및 DB-1(500m구간)]에서 시추코아를 회수하였다. 이 심부 시추공에 대하여 각 시추코아로부터 심도별로 신선한 화강암 시료를 채취하였으며 또한 단열대 중심으로 단열충전광물 및 변질암석을 채취하였다. 단열광물은 시추코아로부터 직접 채취한 후, 단일광물분리를 수행하였다.
주요 양이온은 한국기초과학연구원에서 ICP-MS(FisonsPlastmaTrace)를 이용하여 분석하였으며 주요 음이온은 한국원자력연구원에서 이온 크로마토그래피(IC)(Dyonex 500)을 이용하여 분석하였다. 이온들의 charge balance는 ±3% 보다 작았다.
방사성폐기물처분연구의 일환으로 KURT 화강암지역에서 심지층 지하수의 지구화학적 특성을 연구하였다. 특히 KURT 지하수의 지구화학적 특성을 조사하기위하여 단열충전광물 및 다양한 심도의 세 개의 시추공에서 채취한 지하수의 지화학적 조성을 조사하였다. 단열충전광물 중에는 방해석이 가장 광범위하게 산출되며, 그 밖에도 일라이트, 로먼타이트, 제올라이트, 녹니석등이 산출되었다.
이러한 단열대의 위치는 지구물리탐사, 시추코아조사 그리고 수리조사 등에 의한 단열대 탐사에 의하여 위치가 결정되었다. 패커시스템과 지구화학 모니터링 챔버가 하나의 시스템상으로 연결되었고 지하수가 공기에 노출되지 않은 상태로 모니터링챔버로 이동하여 지구화학적 모니터링이 현장에서 이루어졌다. 충분한 양의 지하수가 배출되어 산화환원전위값(Eh)이 안정화된 후 지구화학 파라미터가 현장에서 측정되고 지하수 샘플이 채취되었다.

대상 데이터

KURT 지역에서 2000년부터 2003년까지 200~500 m의 심도로 총 9개의 시추공[YS-1(500m구간), YS-2(200m구간), YS3(300m구간), YS-4(350m구간), YS-5(200m구간), YS-6(500m 구간) 및 YS-7(400m구간) 및 DB-1(500m구간)]에서 시추코아를 회수하였다. 이 심부 시추공에 대하여 각 시추코아로부터 심도별로 신선한 화강암 시료를 채취하였으며 또한 단열대 중심으로 단열충전광물 및 변질암석을 채취하였다.
이온들의 charge balance는 ±3% 보다 작았다. 산소 및 수소 동위원소는 한국기초과학연구원에서 안정동위원소 질량분석기(Optima, Micromass Co.)와 Isoprime(GV Instruments)에 의하여 각각 분석되었다. 산소와 수소 동위원소의 오차율은 각각 ±0.
0‰ 이다. 삼중수소는 한국원자력연구원의 액체섬광계수기(Tri-Carb 2770TR/SL, Packard Co.)를 사용하여 측정하였다. ¹⁴C값은 서울대학교의 가속기 질량 분광분석계를 사용하여 측정하였다.
결정질 화강암을 방사성 폐기물 처분 선호 대상 매질로 고려함에 따라 화강암에 대한 다양한 지구화학적 연구가 수행되고 있다. 이러한 지구화학적 조사는 한국원자력연구원 지하연구시설인 KURT가 위치한 화강암을 중심으로 이루어졌다. 특히 지하수와 암석의 상호 반응을 중심으로 화강암지역에서 지하수의 지구화학 특성을 조사하고 이해하기위한 연구가 수행되고 있다.
지하수 샘플은 지화학 모니터링챔버에서 채취되었으며 현장에서 0.45μm membrane 필터로 필터링이 되었다.

이론/모형

기초적인 광물감정을 위해 모든 암석 및 단열충전광물에 대해 편광현미경 관찰과 X-선 회절분석을(XRD)을 수행하였다. X-선 회절분석은 한국원자력연구원의 X-선 회절분석기(SIEMENSD5000)를 이용하여 분석하였다. 암석시료의 주원소및 미량원소 함량은 기초과학지원연구소의 X선형광분석(XRF; Philips PW2404) 및 유도결합플라즈마 방출분석기(ICP-AES, Shimadzu ICPS11000III)와 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, FISONS PlasmaTrace)로 분석하였다.
충분한 양의 지하수가 배출되어 산화환원전위값(Eh)이 안정화된 후 지구화학 파라미터가 현장에서 측정되고 지하수 샘플이 채취되었다. 현장에서 측정되는 측정항목들은 온도, 산화환원전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소(DO) 등으로 지화학 챔버안에서 multi parameter meter(PH/ISE/DO/Cond 5-Star Portable meter kit, 08310MD)에 의하여 측정되었다. 알칼리도는 pH 4.

성능/효과

KURT내의 시추공들로부터 얻어진 시추코아로부터 방해석(calcite), 일라이트(illite), 로먼타이트(laumonite), 녹니석(chlorite), 녹염석(epidote), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 카올리나이트(kaolinite) 및 일라이트와 스멕타이트(smectite)의 혼합층상광물 등이 감정되었다. 단열충전광물 중에는 방해석이 가장 광범위하게 산출되며, 일라이트는 산출양은 많지 않으나 산출빈도는 가장 높다.
시추공에서 채취한 지하수시료는 일반적으로 pH 8이상의 알칼리 환경을 보여주었으며 특히 DB-1 공은 지표면과 가까운 구간을 제외하고 전 깊이에 따라 낮은 용존산소량(DO)과 Eh값의 감소를 나타내며 환원환경을 나타냈다. KURT의 지하수 시료의 Cl- 이온의 농도는 깊이에 상관없이 비교적 일정하게 나타났다. 이러한 현상은 KURT 지역의 천부지하수와 심부지하수간의 혼합(mixing)가능성을 제시한다.
KURT의 지하수 시료의 Cl-이온의 농도는 5 mg/L 이하이며 전 샘플링구간에서 커다란 변화 없이 일정하게 나타났다. 이러한 KURT 지역에서 나타나는 Cl^- 이온의 농도 패턴은 유럽의 다른 화강암 연구지역에서 나타나는 깊이에 따라 증가하는 C^- 이온 농도 분포와는 달리 깊이에 따라 눈에 뜨이는 증가를 보이지 않는다.
Ca⁺² 농도가 높은 지하수의 경우 불소의 농도와 지하수의 성분이 형석과 방해석의 용해도와 방해석의 침전에 의한 Ca⁺² 이온이 제거에 의해 제어되며 이는 지속적으로 불소의 침전을 막는다. 결과적으로 심부지하수의 불소 농도는 형석의 침전과 관계없이 증가할 수 있다.
특히 KURT 지하수의 지구화학적 특성을 조사하기위하여 단열충전광물 및 다양한 심도의 세 개의 시추공에서 채취한 지하수의 지화학적 조성을 조사하였다. 단열충전광물 중에는 방해석이 가장 광범위하게 산출되며, 그 밖에도 일라이트, 로먼타이트, 제올라이트, 녹니석등이 산출되었다. 시추공에서 채취한 지하수시료는 일반적으로 pH 8이상의 알칼리 환경을 보여주었으며 특히 DB-1 공은 지표면과 가까운 구간을 제외하고 전 깊이에 따라 낮은 용존산소량(DO)과 Eh값의 감소를 나타내며 환원환경을 나타냈다.
시추공 YS-1을 제외한 두 관측 공의 전기전도도는 200 μS/cm를 나타냈으며 시추공 YS-1의경우 그라우팅의 영향을 받아 특정심도에서 높은 값의 전기 전도도(6,130 μS/cm)와 pH 12이상의 강알카리성 특성을 보였다.
6). 토양이나 풍화암석의 주된 영향을 받는 천부지하수는 Ca-HCO₃타입을 나타내며 지표에서 300m 이하의 심부지하수는 NaHCO₃의 유형을 보였다. 그러나 YS-1은 DB-1, YS-4 의 지하수 화학 특성과 비교하여 다른 경향을 나타냈다.

후속연구

따라서 심부지하수에서는 처분지하수보다 상대적으로 높은 Cl이온 농도분포를 예상할 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 현상을 검증하기위해서는 좀 더 깊은 시추공과 다양한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암석과 지하수는 무엇을 통해 각기 다른 종류의 새로운 이차 광물 및 침전물들이 만들어 지는가?	암석이 지하수와 접촉하게 되면 지구화학적 상호반응이 발생하게 되고 이러한 작용에 의하여 모암을 구성하는 광물들의 종류에 따라 다양한 형태의 다른 광물로 변해간다. 이러한 암석과 지하수의 지구화학적 상호작용의 다양한 기작을 통해 각기 다른 종류의 새로운 이차 광물 및 침전물들이 만들어 진다. 일반적으로 화강암질 암석은 약 50%이상의 장석과 흑운모 광물들을 포함하고 있다.
	KURT의 지하수 시료의 $Cl^-$ 이온의 농도가 전 샘플링구간에서 커다란 변화 없이 일정한 이유는 무엇인가?	KURT의 지하수 시료의 $Cl^-$ 이온의 농도는 5 mg/L 이하이며 전 샘플링구간에서 커다란 변화 없이 일정하게 나타났다. 이러한 현상은 KURT 지역의 천부와 심부지하수가 혼합(mixing)되어 $Cl^-$의 농도가 깊이에 따라 큰 변화가 없는 것으로 해석된다. 지하수 시료의 ${\delta}^{18}O$과 ${\delta}D$ 분석 값은 각각 -10.
	화강암질 암석은 장석과 흑운모 광물들을 약 몇%이상 포함하고 있는가?	이러한 암석과 지하수의 지구화학적 상호작용의 다양한 기작을 통해 각기 다른 종류의 새로운 이차 광물 및 침전물들이 만들어 진다. 일반적으로 화강암질 암석은 약 50%이상의 장석과 흑운모 광물들을 포함하고 있다. 따라서 화강암에서 물과 암석의 반응에 의한 상호반응은 장석 및 흑운모 광물의 지구화학적 상호반응에 의해 큰 영향을 받는다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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