[논문]제주도 서귀포지역 천연탄산수의 기원과 수리화학특성

정찬호; 이용천; 이유진; 최현영; 고기원; 문덕철; 정차연; 조시범

doi:10.9720/kseg.2016.4.515

제주도 서귀포지역 천연탄산수의 기원과 수리화학특성
Origin and Hydrochemical Characteristics of Natural Carbonated Water at Seoqwipo, Jeju Island 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.26 no.4, 2016년, pp.515 - 529

정찬호 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 이용천 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 이유진 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 최현영 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 고기원 (제주특별자치도개발공사 지역가치연구팀) , 문덕철 (제주특별자치도개발공사 지역가치연구팀) , 정차연 (한국농어촌공사제주지역본부 지하수지질부) , 조시범 (한국농어촌공사제주지역본부 지하수지질부)

초록
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본 연구에서는 제주 서귀포지역에서 산출되는 온천수 2지점과 탄산수 2지점에 대한 화학성분, CFCs (Chlorofluorocarbons) 동위원소, ${\delta}^{18}O$, ${\delta}D$, ${\delta}^{13}C$ 동위원소, 영족기체(He, Ne) 동위원소 분석을 통하여 탄산온천수와 탄산수의 수리화학적 특성, 생성연령, 영족기체의 기원과 $CO_2$ 가스의 기원을 해석하였다. 연구지역의 탄산수의 pH는 6.21~6.84의 범위의 약산성과 매우 높은 전기전도도 값($1,928{\sim}4,720{\mu}S/cm$)의 특성을 보인다. 화학적 유형은 $Mg(Ca,Na)-HCO_3$ 내지는 $Na(Ca,Mg)-HCO_3$ 유형을 보인다. 환경추적자인 CFCs 농도를 이용하여 지하수 연령측정결과, 탄산수는 약 47.5~57.2년, 지하수는 약 30.3~49.5년으로 추정되었다. 탄산수의 ${\delta}^{13}C$값은 -1.77~-7.27‰의 범위를 보여 $CO_2$ 가스의 기원은 심부기원과 일부 심부-무기기원의 혼합 기원으로 도시되었지만, 영족기체 조성비($^3He/^4He$, $^4He/^{20}Ne$)에서 헬륨가스가 심부기원의 농도가 절대적으로 높은 값을 보여 화산활동과 관련한 심부 마그마 기원임을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, geochemical composition, CFCs (Chlorofluorocarbons), ${\delta}^{18}O$, ${\delta}D$, ${\delta}^{13}C$ isotopes and noble gases isotopes (He, Ne) were analyzed to determine their recharge age, source of $CO_2$ gas and noble gases of carbonated hot spring water and carbonated-water samples collected in the Seoqwipo of the Jeju. The pH of the carbonated waters ranges from 6.21 to 6.84, and the high electrical conductivity range ($1,928{\sim}4,720{\mu}S/cm$). Their chemical composition is classified as $Mg(Ca,\;Na)-HCO_3$ and $Na(Ca,\;Mg)-HCO_3$ types. As a result of the calculation of groundwater age using CFCs concentrations as an environmental tracer, the carbonated water and groundwater were estimated to be about 47.5~57.2 years and about 30.3~49.5 years, respectively. The ${\delta}^{13}C$ values of carbonated water range from -1.77 to -7.27‰, and are plotted on thr deep-seated field or the mixing field of the deep-seated and inorganic origin. Noble gases isotopic ($^3He/^4He$, $^4He/^{20}Ne$) ratio shows that helium gas of carbonated hot waters comes from deep-seated magma origin.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CFCs에 대한 분석방법은 과거에 해양학 분야에서 개발·이용되었으며, 지하수 분야에서는 1990년대에 CFCs에 대한 연구가 이루어졌다. 본 연구에서는 CFC-11, CFC-12, CFC-113의 세 종류의 CFCs 화합물을 환경추적자로 이용하여 지하수 연령을 결정하고자 하였다. 연령 측정에 이용된 대기 CFCs 농도 이력 곡선은 북미평균곡선(USGS, 2015)을 이용하였다(Fig.
본 연구에서는 제주 서귀포지역에 산출되는 산방산 탄산 온천, 디아넥스 탄산온천, 그리고 제주개발공사에서 개발한 탄산지하수를 대상으로 수리화학 특성과 함양시기, 그리고 CO₂ 가스의 기원을 밝히고자하였다. 이를 위하여 환경추적자인 CFCs 동위원소 분석을 통하여 지하수의 연대를 측정하였으며, δ¹³CDIC 동위원소와 ³He/⁴He 동위원소비룰 포함한 영족기체 분석을 통하여 탄산가스의 기원을 해석하였다.

제안 방법

삼중복시료(triplicate)로 채취하였으며, 3개를 1 set으로 하여 총 8 set 분석하였다. CFCs 분석은 미국 유타대학 노블가스 실험실에서 전자포획검출기가스크로마토그래피(GC-ECD)장비를 이용하였다.
물 시료의 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 산화환원 전위(ORP), 용존산소함량(DO), 중탄산(HCO₃)함량은 현장에서 즉시 측정하였다. 지하수 현장수질측정은 Orion 3 star 모델과 Orion 5 star 모델의 휴대용 측정기를 이용하였으며, 중탄산(HCO₃)은 탄산수의 경우 0.
물 시료의 주요 양이온과 미량원소 분석, 음이온 분석을 위하여 물 시료 원수를 0.45 µm 공극을 갖는 여과지를 통과시켜 부유물질을 제거한 후 각각 60 mL를 취하여 폴리에틸렌 용기에 담았다.
시료채취용 장비는 미국 유타대학교 노블가스실험실의 구리관(Copper tube)과 클램프(Clamp)를 이용하였다. 시료채취과정은 구리관 양쪽 끝에 고무호스를 끼워서 호스 클램프로 고정한 후, 배출부분을 구리관보다 높은 위치를 유지하여 약 1L의 물을 통과시킨 후, 구리관내 공기를 제거한 후 볼트를 이용하여 구리관을 조인 후, 클램프를 최대한 평행하게 압착방법으로 밀봉시켰다.
음이온 성분(Cl−, SO42−, NO3−, F−)도 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma System, ICP System)의 장비로 분석하였다.
이를 위하여 환경추적자인 CFCs 동위원소 분석을 통하여 지하수의 연대를 측정하였으며, δ13CDIC 동위원소와 3He/4He 동위원소비룰 포함한 영족기체 분석을 통하여 탄산가스의 기원을 해석하였다.
채취된 물 시료는 분석하기 전까지 0~4℃에서 냉장 보관하였으며, 물 시료에 대한 주요 양이온(Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺)과 미량원소(Li, B, Al, Cr, Cu, Zn, As, Rb, Cd, Cs, Ba, U, etc.)는 한국기초과학지원연구원(Korea Basic Science Institute) 오창센터에서 유도결합 플라즈마 원자방출분광기(ICP-mass optima 4300DV, ICP-AES), 유도결합 플라즈마 질량분석기(Fision model PQ III, ICP-MS)등의 장비로 분석하였다. 음이온 성분(Cl⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻, F⁻)도 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma System, ICP System)의 장비로 분석하였다.
침전물은 여과기를 이용하여 0.45 µm 여과지로 거른 후 건조하여 분말로 시료를 준비하여 탄소동위원소 분석을 실시하였다.
탄산수의 탄소 동위원소 분석을 위한 시료는 수산화나트륨(NaOH)를 탄산수 시료에 첨가하여 pH를 11 이상으로 조절한 후 염화바륨(BaCl₂)을 첨가하여 시료내 탄산염 성분을 BaCO₃ 형태로 침전시켰다. 침전물은 여과기를 이용하여 0.
탄산온천수를 비롯한 물 시료 채취는 3차례에 걸쳐 이루어졌다. 1차는 2015년 9월 25일과 11월 21일 사이에 실시되었으며, 연구지역에서 탄산지하수(CG) 2점, 일반지하수(G) 8점으로 총 10점을 채취하였다.

대상 데이터

탄산온천수를 비롯한 물 시료 채취는 3차례에 걸쳐 이루어졌다. 1차는 2015년 9월 25일과 11월 21일 사이에 실시되었으며, 연구지역에서 탄산지하수(CG) 2점, 일반지하수(G) 8점으로 총 10점을 채취하였다. 2차는 2016년 1월 21-22일에 걸쳐 실시되었으며, 탄산지하수와 해수(BW), 지표수(SW)를 각각 3점, 1점, 1점으로 총 5점을 채취하였다.
1차는 2015년 9월 25일과 11월 21일 사이에 실시되었으며, 연구지역에서 탄산지하수(CG) 2점, 일반지하수(G) 8점으로 총 10점을 채취하였다. 2차는 2016년 1월 21-22일에 걸쳐 실시되었으며, 탄산지하수와 해수(BW), 지표수(SW)를 각각 3점, 1점, 1점으로 총 5점을 채취하였다. 3차는 2016년 4월 6일~12일에 실시되었으며, 탄산지하수 8점, 일반지하수 3점으로 총 11점 채취하였다.
3차는 2016년 4월 6일~12일에 실시되었으며, 탄산지하수 8점, 일반지하수 3점으로 총 11점 채취하였다. 3차 시료는 제주개발공사에서 개발한 탄산지하수공(CG1)을 대상으로 싱글패커를 사용하여 4개 구간(432 m, 402 m, 366 m, 348 m)으로 구분하여 채취하였다. 시료 채취지점은 Fig.
2차는 2016년 1월 21-22일에 걸쳐 실시되었으며, 탄산지하수와 해수(BW), 지표수(SW)를 각각 3점, 1점, 1점으로 총 5점을 채취하였다. 3차는 2016년 4월 6일~12일에 실시되었으며, 탄산지하수 8점, 일반지하수 3점으로 총 11점 채취하였다. 3차 시료는 제주개발공사에서 개발한 탄산지하수공(CG1)을 대상으로 싱글패커를 사용하여 4개 구간(432 m, 402 m, 366 m, 348 m)으로 구분하여 채취하였다.
시료채취는 대기와의 접촉을 피하기 위하여 고무호스를 이용하여 지하수가 담긴 비어커의 물속에서 유리병을 이용하여 시료를 채취하였다. 삼중복시료(triplicate)로 채취하였으며, 3개를 1 set으로 하여 총 8 set 분석하였다. CFCs 분석은 미국 유타대학 노블가스 실험실에서 전자포획검출기가스크로마토그래피(GC-ECD)장비를 이용하였다.
, 1996)를 이용하여 채취하였다. 시료채취는 대기와의 접촉을 피하기 위하여 고무호스를 이용하여 지하수가 담긴 비어커의 물속에서 유리병을 이용하여 시료를 채취하였다. 삼중복시료(triplicate)로 채취하였으며, 3개를 1 set으로 하여 총 8 set 분석하였다.
영족기체(He, Ne, Ar) 동위원소 분석을 위하여 7점 탄산수 시료(CG-1시료 구간별 4점, CG-2 시료 1점, CG-3시료 1점, G-1시료 1점)를 채취하였다. 시료채취용 장비는 미국 유타대학교 노블가스실험실의 구리관(Copper tube)과 클램프(Clamp)를 이용하였다. 시료채취과정은 구리관 양쪽 끝에 고무호스를 끼워서 호스 클램프로 고정한 후, 배출부분을 구리관보다 높은 위치를 유지하여 약 1L의 물을 통과시킨 후, 구리관내 공기를 제거한 후 볼트를 이용하여 구리관을 조인 후, 클램프를 최대한 평행하게 압착방법으로 밀봉시켰다.
영족기체(He, Ne, Ar) 동위원소 분석을 위하여 7점 탄산수 시료(CG-1시료 구간별 4점, CG-2 시료 1점, CG-3시료 1점, G-1시료 1점)를 채취하였다. 시료채취용 장비는 미국 유타대학교 노블가스실험실의 구리관(Copper tube)과 클램프(Clamp)를 이용하였다.
45 µm 여과지로 거른 후 건조하여 분말로 시료를 준비하여 탄소동위원소 분석을 실시하였다. 탄소동위원소는 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 분석되었다. DIC의 분리는 Atekwana and Krishnamurthy (1998)의 방법에 따라 실험하였으며, 한국기초과학지원연구원의 안정동위원소질량 분석기(Stable Isotope Ratio Mass Spectrometer, 영국 GV Instruments사의 Isoprime 모델)를 이용하여 탄소 동위원소 조성을 측정하였다.

데이터처리

연구지역의 탄산수, 지하수, 지표수, 해수의 주요 화학성분은 Table 1에 제시되어 있다. 주요 화학성분 함량 특성을 통계분석 기법인 박스-휘스커도(Box-Whisker plot)로 제시하였다(Fig. 3). 제주지역 탄산수는 Mg과 K의 함량이 매우 높은 것이 특징이며, Ca, Na 등 전반적인 주요 양이온의 함량이 높은 것이 특징이다.

이론/모형

CFCs 분석용 시료는 Bottle method (Busenburg and Plummer, 1992; Szabo et al., 1996)를 이용하여 채취하였다. 시료채취는 대기와의 접촉을 피하기 위하여 고무호스를 이용하여 지하수가 담긴 비어커의 물속에서 유리병을 이용하여 시료를 채취하였다.
탄소동위원소는 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 분석되었다. DIC의 분리는 Atekwana and Krishnamurthy (1998)의 방법에 따라 실험하였으며, 한국기초과학지원연구원의 안정동위원소질량 분석기(Stable Isotope Ratio Mass Spectrometer, 영국 GV Instruments사의 Isoprime 모델)를 이용하여 탄소 동위원소 조성을 측정하였다. 탄소 동위원소의 분석정밀도는 약±0.
모든 영족기체의 절대량과 He, Ne 동위원소비는 미국 Utah대학 노블가스실험실의 모델 215-50 Magnetic SectorField Mass Spectrometer 질량분석기를 이용하여 분석하였다.
45 µm 여과지로 여과한 후, 60 mL 폴리에틸렌 용기에 별다른 전처리 과정없이 채취하였다. 물의 산소동위원소 분석은 시료 0.3 mL를 H₂O-CO₂ 평형법(Epstein and Mayeda, 1953)으로 25에서 CO₂와 동위원소교환반응을 시킨 후에 한국기초과학지원연구원의 안정동위원소 질량분석기(Stable Isotope Ratio Mass Spectrometer, 영국 GV Instruments사의 Isoprime 모델)로 분석하였다. 표준시료를 반복측정한 분석정밀도는 약±0.
물의 수소동위원소 분석은 Morrison et al. (2001)의 방법에 따라 온라인수소전처리장치(PyrOH 모델)를 이용하여 약 0.2 μl의 물 시료를 Cr과 반응시켜 발생시킨 수소가스를 한국기초과학지원연구원의 산소안정동위원소 질량분석기와 동일한 기종으로 분석하였다.
)함량은 현장에서 즉시 측정하였다. 지하수 현장수질측정은 Orion 3 star 모델과 Orion 5 star 모델의 휴대용 측정기를 이용하였으며, 중탄산(HCO₃)은 탄산수의 경우 0.5 N 농도의 염산을 일반지하수의 경우 0.05 N 농도의 염산을 이용하여 산중화적정법으로 구하였다. 물 시료의 주요 양이온과 미량원소 분석, 음이온 분석을 위하여 물 시료 원수를 0.

성능/효과

(1) 제주지역 탄산온천수와 탄산수의 pH는 6.21~6.84의 범위와 평균 3,704 µS/cm의 높은 전기전도도로 지하수에 비해 약산성과 높은 전기전도도의 특성으로 이온함량이 매우 높은 특성을 보인다.
(2) 탄산수의 화학적 유형은 Mg(Ca,Na)-HCO₃유형에서 Na(Ca,Mg)-HCO₃유형을 보인다. 지하수의 경우 Mg(Ca)-HCO₃에서 Na(K)-HCO₃의 유형으로 걸쳐 넓게 분포한다.
(3) 탄산수와 지하수의 동위원소 조성은 지구순환수선 상부에 도시되며, 여름철 강수의 동위원소 특성을 반영하여 탄산수와 지하수의 누적된 함량은 여름철 강수량이 겨울철 강수량 보다 우세함을 보인다.
(4) 탄산수와 탄산수에 대한 탄소동위원소 분석결과 시기별 약간의 차이를 보이나 δ13C 의 범위가 -7.27 ~ -2.28‰의 범위를 보이며, 맨틀과 마그마 기원과 같은 심부기원으로 또는 심부기원과 무기기원의 혼합된 특성을 보인다.
(5) CFCs 분석결과, 탄산수와 탄산수는 47.5~57.2년의 연령을 보이고, 지하수는 약 30.3~49.5 년 전의 강우가 함량된 것으로 계산되었다.
(6) 영족기체 동위원소비(3He/4He, 4He/20Ne)분석결과 제주지역 탄산수는 맨틀 마그마와 같은 심부기원으로 확인되어 CO₂ 가스의 기원이 화산활동과 관련한 심부 마그마 기원임을 뒷받침한다.
겨울과 봄 계절별 동위원소 조성에서 탄산수는 각각 δD=2.45δ18O-30.6, δD=7.67δ18O+12.6로 계산되었으며, 1차 겨울시기에 지하수의 경우 δD=7.72δ18O+14.2로 계산되었다.
따라서 제주 탄산수의 CO2 가스의 기원은 δ13C 동위원소에 의한 심부 기원과 일부 심부-무기기원 혼합 기원을 제시하였으나, 헬륨등 영족기체 동위원소 조성관계는 헬륨 등이 심부기원임을 밝혀져 CO2 가스의 기원이 화산활동과 관련한 심부 마그마 기원임을 시사한다.
산소, 수소 동위원소 분석 결과는 표준평균해수(SMOW)에 표준화한 천분율(‰)로 표현하였다.
분석된 농도를 북미평균이력곡선에서 직접적으로 비교하면 과거의 농도와 일치하는 연대를 추정할 수 있다. 연령측정 결과 탄산수는 47.5~57.2년, 지하수는 약 30.3~49.5년으로 추정되었으며, 지하수보다 탄산수의 연령이 보다 더 오래되었음을 보여준다. 1, 2차간의 연대의 차이는 뚜렷하지 않고, 일부 연령의 차이를 보인다.
탄산수의 미량원소는 전반적으로 1차시기에 비해 2차시기에 증가하는 경향을 보이고, 패커를 이용한 탄산수의 심도별 채취시료에서 Li, B, Ni, Zn, Rb, Ba, U등의 함량에서 큰 변화를 보이며, 특히 CG1(2)에서 CG1(3)의 Zn, Ba, U의 함량이 각각 1.65 µg/L에서 7,240 µg/L, 315 µg/L에서 42,150 µg/L, 10.9 µg/L에서 101 µg/L로 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 천연탄산수는 어디서 주로 산출되는 것으로 알려져 있나?	국내 천연탄산수는 경북 북부지역, 강원도 오대산-설악산 일대, 충청지역 청원-충주일대에 걸쳐 주로 산출되는 것으로 알려져 있으며, 그들의 산출은 대부분 쥬라기화강암과 밀접한 관계를 보인다. 즉, 쥬라기화강암과 편마암 내지는 백악기 퇴적암과의 지질경계, 그리고 화강암내 단층대, 그리고 암맥군 등을 따라서 주로 산출된다(Jeong, 2002, 2004; Jeong et el.
	제주지역 탄산수의 주요 화학성분 함량의 특징은?	3). 제주지역 탄산수는 Mg과 K의 함량이 매우 높은 것이 특징이며, Ca, Na 등 전반적인 주요 양이온의 함량이 높은 것이 특징이다.
	국내 탄산수의 수리화학적 특성은?	국내 탄산수의 수리화학적 특성은 pH 6.0 내외의 약산성으로 이온성분의 함량이 일반지하수에 비하여 높고, 탄산 및 중탄산의 적절한 조화로 소화기능 개선 및 위장병 치료, 피부병도 효능이 있는 것으로 알려져 있다. 일부 산출지역에서는 철, 망간, 불소의 함량이 음용수 수질기준을 크게 초과하는 곳도 있으나(Jeong et al.

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저자의 다른 논문 :

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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