다양한 지질환경에서 지하수의 수리화학 및 자연방사성물질 산출특성 Hydrochemistry and Occurrences of Natural Radioactive Materials from Groundwater in Various Geological Environment원문보기
화강암, 화강편마암, 변성퇴적암류와 같이 다양한 지질환경에서 지하수내 자연방사성물질인 우라늄과 Rn-222의 산출특성에 대한 지하수의 수리화학적 영향, 지질과의 상관성, 단층대의 영향 등에 대해서 알아보고자 하였다. 이 연구를 위하여 영동지역을 대상으로 2차례에 걸쳐 지하수 49점, 지표수 4점을 채취하였다. 지하수내 우라늄과 지표 암석과의 상관성을 알아보기 위해 감마스펙트로메트리를 이용하여 40지점에서 지표방사능을 측정하였다. 지하수 화학적 유형 $Ca-HCO_3$, $Na-HCO_3$, $Ca-HCO_3(SO_4+NO_3)$등 3가지 유형을 보인다. 환경부 권고치인 우라늄 $30{\mu}g/L$를 초과하는 지하수는 총 49지점 중 2점이며, Rn-222의 경우 미국 EPA 기준치인 148 Bq/L를 초과하는 지하수는 총 40지점중 11점이다. 초과하는 지하수는 주로 화강편마암과 흑운모편마암 지질과 지질경계부에 분포한다. 지표방사능 세기와 지하수내 우라늄함량과는 뚜렷한 상관관계를 보여지 않는다. 아울러 $N45^{\circ}E$ 방향의 주향이동단층인 영동단층은 $82^{\circ}$의 고경도로 상반에 해당되는 화강암 및 화강편마암지역에서 고함량의 우라늄과 Rn-222가 산출되며, 하반에 해당되는 퇴적암지역에는 고함량의 지하수가 확인되지 않는데, 이와 같은 뚜렷한 차이는 지질의 영향과 더불어 단층대가 방사성물질의 이동 및 확산을 차단시키는 역할에도 원인이 있을 것으로 추정된다.
화강암, 화강편마암, 변성퇴적암류와 같이 다양한 지질환경에서 지하수내 자연방사성물질인 우라늄과 Rn-222의 산출특성에 대한 지하수의 수리화학적 영향, 지질과의 상관성, 단층대의 영향 등에 대해서 알아보고자 하였다. 이 연구를 위하여 영동지역을 대상으로 2차례에 걸쳐 지하수 49점, 지표수 4점을 채취하였다. 지하수내 우라늄과 지표 암석과의 상관성을 알아보기 위해 감마스펙트로메트리를 이용하여 40지점에서 지표방사능을 측정하였다. 지하수 화학적 유형 $Ca-HCO_3$, $Na-HCO_3$, $Ca-HCO_3(SO_4+NO_3)$등 3가지 유형을 보인다. 환경부 권고치인 우라늄 $30{\mu}g/L$를 초과하는 지하수는 총 49지점 중 2점이며, Rn-222의 경우 미국 EPA 기준치인 148 Bq/L를 초과하는 지하수는 총 40지점중 11점이다. 초과하는 지하수는 주로 화강편마암과 흑운모편마암 지질과 지질경계부에 분포한다. 지표방사능 세기와 지하수내 우라늄함량과는 뚜렷한 상관관계를 보여지 않는다. 아울러 $N45^{\circ}E$ 방향의 주향이동단층인 영동단층은 $82^{\circ}$의 고경도로 상반에 해당되는 화강암 및 화강편마암지역에서 고함량의 우라늄과 Rn-222가 산출되며, 하반에 해당되는 퇴적암지역에는 고함량의 지하수가 확인되지 않는데, 이와 같은 뚜렷한 차이는 지질의 영향과 더불어 단층대가 방사성물질의 이동 및 확산을 차단시키는 역할에도 원인이 있을 것으로 추정된다.
The purpose of this study is to analyze the relationship of hydrochemistry, geology, fault with occurrence of uranium and radon-222 from the groundwater in the Yeongdong area. In this study, 49 groundwater and 4 surface water samples collected in the study area were collected on two separate occasio...
The purpose of this study is to analyze the relationship of hydrochemistry, geology, fault with occurrence of uranium and radon-222 from the groundwater in the Yeongdong area. In this study, 49 groundwater and 4 surface water samples collected in the study area were collected on two separate occasions. The surface radioactivities were measured at 40 points to know the relationship between the occurrence of uranium in groundwater and surface geology. The chemical composition of groundwater showed three types : $Ca-HCO_3$, $Na-HCO_3$ and $Ca-HCO_3(SO_4,\;NO_3)$. Two groundwater of 49 samples exceeded the maximum contaminant levels of uranium, $30{\mu}g/L$, proposed by the Ministry of Environment of Korea and 11 groundwater of 40 samples for Rn-222 concentrations exceeded the 148 Bq/L maximum contaminant level of US EPA. Most of unsuitable groundwater are located in the geological boundary related with the biotite gneiss and the surface radioactivities of rock samples showed no relationship with groundwater geochemical constituents. The strike-slip fault, Youngdong fault, is $N45^{\circ}E$ direction and the high concentrations of uranium in upper part of fault, consisted of granite and granitic gneiss are detected but in lower part, consisted of metamorphic sedimentary rock are not detected. It suggests that the natural radioactive concentrations are related with the geologic characteristics and the migration and diffusion of natural radioactive materials are affected by the fault.
The purpose of this study is to analyze the relationship of hydrochemistry, geology, fault with occurrence of uranium and radon-222 from the groundwater in the Yeongdong area. In this study, 49 groundwater and 4 surface water samples collected in the study area were collected on two separate occasions. The surface radioactivities were measured at 40 points to know the relationship between the occurrence of uranium in groundwater and surface geology. The chemical composition of groundwater showed three types : $Ca-HCO_3$, $Na-HCO_3$ and $Ca-HCO_3(SO_4,\;NO_3)$. Two groundwater of 49 samples exceeded the maximum contaminant levels of uranium, $30{\mu}g/L$, proposed by the Ministry of Environment of Korea and 11 groundwater of 40 samples for Rn-222 concentrations exceeded the 148 Bq/L maximum contaminant level of US EPA. Most of unsuitable groundwater are located in the geological boundary related with the biotite gneiss and the surface radioactivities of rock samples showed no relationship with groundwater geochemical constituents. The strike-slip fault, Youngdong fault, is $N45^{\circ}E$ direction and the high concentrations of uranium in upper part of fault, consisted of granite and granitic gneiss are detected but in lower part, consisted of metamorphic sedimentary rock are not detected. It suggests that the natural radioactive concentrations are related with the geologic characteristics and the migration and diffusion of natural radioactive materials are affected by the fault.
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문제 정의
본 연구에서는 영동지역 다양한 지질환경에서 지하수내 자연방사성물질인 우라늄과 Rn-222의 산출특성에 대한 지하수의 화학적 영향, 단층대, 지질과의 상관성을 알아보고자 하였다.
가설 설정
연구지역 지하수 내 대표적인 생활환경 오염물질인 질산염(NO3−)의 농도가 높아서 자연상태에서 기대할 수 있는 최대농도를 10mg/L 이하로 가정하고, 이를 기준으로 이온농도를 지질별로 구분하여 제시하였다.
제안 방법
주요 음이온성분(F−, Cl−, SO42−, NO32−)은 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma System, ICP System) 등의 장비로 분석하였다. 라돈가스를 분석하기 위해서 시료는 대기와의 접촉을 최대한 최소화하여 22mL 유리용기에 지하수 시료 15mL와 액체섬광물질(Optiphase Hisafe 3) 5mL를 첨가하여 5분 동안 충분히 혼합시킨 후, 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 분석하였다.
주요 음이온성분(F−, Cl−, SO42−, NO32−)은 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma System, ICP System) 등의 장비로 분석하였다.
지하수의 우라늄 및 Rn-222의 일차적인 기원은 암석(토양)내 함유된 자연방사성물질의 붕괴와 지하수내 용해에 의해 산출된다. 지표방사능 세기와 지하수내 자연방사성물질함량과의 상관성을 알아보기 위하여 감마스펙트로메트리를 이용하여 지하수공 주변 암석에 지표방사능 세기를 직접 측정하였다. 지표 감마방사능량을 측정하여 U, Th, K의 함량으로 환산한 값은 Table 4와 같다.
지하수의 현장수질측정은 Orion 5 star 모델의 휴대용 측정기를 이용하였으며, 주요 양이온 및 음이온, 우라늄을 포함한 미량원소 분석을 위하여 원수를 0.45 µm 공극의 필터에 통과시켜 부유물질을 제거한 후 폴리에틸렌 용기(60mL)에 담았다.
채취된 지하수 시료를 분석하기 전까지 4℃ 이하에서 냉장 보관하였으며, 주요 양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Sr2+Si, Fe) 및 우라늄을 포함한 미량원소는 한국기초과학지원연구원 오창센터의 원자흡광분광분석기(Unicam model 989, AAS), 유도결합 플라즈마 원자방출분광기(ICP-mass optima 4300DV, ICP-AES), 유도결합 플라즈마질량분석기(Fisonmodel PQ III, ICP-MS) 등의 장비로 분석하였다. 주요 음이온성분(F−, Cl−, SO42−, NO32−)은 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma System, ICP System) 등의 장비로 분석하였다.
휴대용 감마스펙트로미터(Model GR-320 envi spec, SAIC detector)를 이용하여 지표암석 40개 지점에 대한 지표방사능세기를 측정하였다. 측정값은 총방사선세기(Tot, ppm)와 K (%), U (ppm), Th (ppm)의 성분으로 각각 환산하여 구하였다. Fig.
지하수 시료 채취는 1차(2015년 7월 15~16일)와 2차(2015년 09월 21~22일)로 나누어 두 차례에 걸쳐 수행하였다. 현장수질측정은 일정시간 양수 후 대기와의 접촉을 최소화할 수 있는 조건에서 수소이온농도(pH), 산화환원전위(ORP), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 중탄산이온(HCO3) 함량을 측정하였다. 중탄산이온(HCO3) 함량은 0.
)을 보여준다. 화강편마암 및 흑운모편마암 지질은 질산염이 10mg/L를 초과하는 지하수만 비교하였으며, 크게 3개의 그룹으로 분류할 수 있다. A 유형은 Na-HCO3, B 유형은 Ca-HCO3, C 유형은 Ca-NO3(SO4)을 보여준다.
휴대용 감마스펙트로미터(Model GR-320 envi spec, SAIC detector)를 이용하여 지표암석 40개 지점에 대한 지표방사능세기를 측정하였다. 측정값은 총방사선세기(Tot, ppm)와 K (%), U (ppm), Th (ppm)의 성분으로 각각 환산하여 구하였다.
대상 데이터
Rn-222는 20개 지하수 시료에 대해서 분석하였다. 미국 EPA 권고치인 148Bq/L를 초과하는 지하수는 1차와 2차시기에 각각 5점과 6점으로 최대 861Bq/L과 621Bq/L을 보여주었다.
본 연구를 위하여 지하수는 49점, 지표수 4점으로 총 53점 채취하였다. 지하수 시료 채취는 1차(2015년 7월 15~16일)와 2차(2015년 09월 21~22일)로 나누어 두 차례에 걸쳐 수행하였다.
연구지역은 충청북도 영동군 영동읍 주곡리, 임계리, 가리, 서송원리 일대이다(Fig. 1). 이 지역에는 다수의 농업용 지하수가 사용되고 있으며, 포도농사에 대부분 이용되고 있다.
본 연구를 위하여 지하수는 49점, 지표수 4점으로 총 53점 채취하였다. 지하수 시료 채취는 1차(2015년 7월 15~16일)와 2차(2015년 09월 21~22일)로 나누어 두 차례에 걸쳐 수행하였다. 현장수질측정은 일정시간 양수 후 대기와의 접촉을 최소화할 수 있는 조건에서 수소이온농도(pH), 산화환원전위(ORP), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 중탄산이온(HCO3) 함량을 측정하였다.
이론/모형
현장수질측정은 일정시간 양수 후 대기와의 접촉을 최소화할 수 있는 조건에서 수소이온농도(pH), 산화환원전위(ORP), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 중탄산이온(HCO3) 함량을 측정하였다. 중탄산이온(HCO3) 함량은 0.05N 농도의 HCl로 산중화적정법을 사용하였다.
성능/효과
(1) 충북 영동지역 지하수의 수리화학적 특성은 Ca-HCO3, Na-HCO3, Ca-NOO3(SO4)의 유형을 보여준다. 환경부의 우라늄 권고치인 30 µg/L를 초과하는 지하수는 Ca-HCO3 유형에 집중되며, Rn-222의 미국 EPA 기준치인 148 Bq/L를 초과하는 지하수와 화학적 유형과의 관계는 명확하지 않다.
(2) 상관관계 분석 결과, 우라늄과 Rn-222 산출의 상관성은 거의 보여주지 않는다. 화학성분으로는 Na과 HCO3, F 사이에 비교적 높은 상관성을 보여주며, 물-암석 반응에 의한 상관성을 지시한다.
(3) 연구지역 지하수내 우라늄의 농도는 0.02~70.8µg/L의 범위를 보이이며, Rn-222는 0.37~861Bq/L의 범위를 보인다.
(4) 지하수내 우라늄과 Rn-222의 산출은 지질경계부에 비교적 집중되나, 단층대와의 상관성은 뚜렷하지 않다. 지표방사능세기와 우라늄 산출과의 상관성도 뚜렷하지 않다.
(5) 연구지역 중심부에 N45oE 방향의 영동단층을 기준으로 상반에 해당되는 화강암과 화강편마암지역에서만 높은 농도의 우라늄과 Rn-222이 산출되며, 하반에 해당되는 퇴적암층에서는 확인되지 않는다. 이는 단층대가 약 82o의 고경사를 가지고 있어 화강암과 화강편마암 지질에서 생성된 우라늄 및 라돈가스의 확산과 이동을 막는 경계조건의 역할 등에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
30-100m의 중간심도의 지하수는 Ca-HCO3 유형에서 Ca-NO3(SO4)유형까지 분포한다. 따라서 천층 지하수일수록 지표오염물질의 노출정도를 비교적 뚜렷하게 보여준다(Fig. 7).
반면에 pH와 산화환원전위는 심도별로 큰 특징을 보이지 않는다. 지질별로 구분하면 질산염이 10mg/L 이상인 지하수들이 화강암 지질에서 전기전도도와 용존산소량이 가장 넓은 분포를 보인다. 따라서 지질의 영향보다는 심도에 따른 지표오염물질의 유입 등이 수리화학 특성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 보인다.
지하수내에 함유된 미량원소는 Li, B, Mn, Cu, Zn, Ba 등이 상대적으로 풍부하게 확인되었다(Table 2). 이들의 농도는 수십에서 수백 µg/L의 농도범위를 보인다.
지하수의 pH와 전기전도도의 특성과 심도와의 상관성을 알아보기 위해 대표적인 오염물질인 질산염(NO3)의 자연상태의 최대농도를 10mg/L로 가정하고, 그 이하의 함량을 갖는 지하수를 대상으로 보면, 심도가 깊어질수록 pH와 전기전도도는 증가하는 경향을 보이며, 산화환원전위와 용존산소량은 감소하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 지하수의 심도에 따른 특성을 어느 정도 반영하는 것으로 보인다.
연구지역 지하수내 우라늄은 환경부의 기준치를 초과하는 지하수는 2점으로, 두 지점 모두 화강편마암 지질에 위치되어 있다. 화강편마암, 흑운모편마암, 명륜동층 세 지질에 대하여 pH, HCO3, ORP값을 비교해본 결과, 화강편마암에서 약알칼리성, 높은 중탄산함량, 산화환경 조건을 잘 보여주어 다른 지질과 비교하여 고농도 우라늄의 산출과의 연관성을 시사한다.
후속연구
11, 12). 영동단층은 약 82o 고경사로 화강편마암 및 흑운모편마암에서 생성된 우라늄 및 라돈가스가 단층을 가로질러 이동 및 확산되지 못하고 단층이 하나의 경계조건의 역할을 기대할 수 있으나 추후 단층과 관련한 더 많은 연구와 정보가 밝혀진 후 자세한 해석이 가능할 것이다.
E 방향의 영동단층을 기준으로 상반에 해당되는 화강암과 화강편마암지역에서만 높은 농도의 우라늄과 Rn-222이 산출되며, 하반에 해당되는 퇴적암층에서는 확인되지 않는다. 이는 단층대가 약 82o의 고경사를 가지고 있어 화강암과 화강편마암 지질에서 생성된 우라늄 및 라돈가스의 확산과 이동을 막는 경계조건의 역할 등에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우라늄의 특징은?
우라늄은 자연방사성물질 중 가장 무거운 원소이며, 높은 이동성과 긴 반감기(44억 6,800만년) 때문에 비교적 지하수 내 높게 검출된다. 지하수 내 우라늄의 주요 산화 상태는 4+와 6+이며, 용해된 우라늄은 대부분 착이온을 형성하며 가장 안정한 형태는 우라닐이온(UO2)이다.
ph에 따른 우라늄의 화학종 예시로는 어떠한 것들이 있나?
‘UO22+ + CO32−(or HCO3−) → (UO2CO3) 0 or (UO2HCO3)+’이와 같은 탄산염착물의 형태가 우라늄이 인체에 유입되는 가장 흔한 형태이며, pH에 따라 매우 다양한 화학종을 형성한다. 중성 및 알칼리에서는 우라닐이온, 우라닐탄산염화합물로 형성되며, 산성에서는 우라닐이온이 많이 형성된다. 따라서 지하수내 고함량 우라늄은 중탄산(HCO3) 함량이 높고, 산화환경이며, 약알칼리성의 pH의 조건을 가지며, 이때 우라늄의 형태는 우라닐탄산염화합물의 형태로의 용존 가능성을 보인다.
지하수 내 용해된 우라늄의 가장 안정한 형태는?
우라늄은 자연방사성물질 중 가장 무거운 원소이며, 높은 이동성과 긴 반감기(44억 6,800만년) 때문에 비교적 지하수 내 높게 검출된다. 지하수 내 우라늄의 주요 산화 상태는 4+와 6+이며, 용해된 우라늄은 대부분 착이온을 형성하며 가장 안정한 형태는 우라닐이온(UO2)이다. ‘UO22+ + CO32−(or HCO3−) → (UO2CO3) 0 or (UO2HCO3)+’이와 같은 탄산염착물의 형태가 우라늄이 인체에 유입되는 가장 흔한 형태이며, pH에 따라 매우 다양한 화학종을 형성한다.
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