[논문]단층대 지하수의 수리화학 및 노블가스 동위원소 특성

정찬호; 최현영; 이용천; 이유진; 양재하

doi:10.9720/kseg.2016.4.551

단층대 지하수의 수리화학 및 노블가스 동위원소 특성
Hydrochemistry and Noble Gas Isotopes of Groundwaters around the Fault Zones 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.26 no.4, 2016년, pp.551 - 559

정찬호 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 최현영 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 이용천 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 이유진 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 양재하 (국립환경과학원 토양지하수연구과)

초록
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한반도 동남부에 발달된 양산단층과 감포지역 단층대에서 지하수의 순환에 대한 단층대의 영향을 알아보기 위하여 10개 암반 지하수를 채취하여 화학성분과 영족기체 동위원소 특성을 분석하였다. 분석결과 지하수의 화학적 유형은 $Ca-HCO_3$ 형에서 $Ca-SO_4(Cl)$ 형의 영역을 보이며, 지질과의 뚜렷한 상관성을 보이지 않는다. 영족기체인 $^3He/^4He$와 $4^He/^{20}Ne$ 동위원소비 상관관계도에서 1점을 제외한 지하수는 대기기원의 $^3He$가 우세하며, 이는 단층대를 통하여 강수의 지하수로 유입이 활발한 대수층 환경임을 지시한다. 아울러 단층대를 통한 심부의 헬륨공급이 없는 환경임을 시사한다. $^4He$의 비율이 비교적 높은 지하수는 물-암석반응이 상대적으로 충분한 대수층조건에서 암석기원의 $^4He$가 일부 기원되었음을 지시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The chemical composition and noble gas isotopes of 10 deep groundwater samples were analyzed to know the circulation of groundwaters in the Yangsan fault and the Gampo fault. The chemical types of groundwaters show the $Ca-HCO_3$ type and $Ca-SO_4(Cl)$ type, and show indistinct relationship with geology. Noble gas isotopic data of most groundwaters were plotted along the air-crust mixing line on $^3He/^4He$ vs. $4^He/^{20}Ne$ diagram, and show dominant $^3He$ of air origin except one sample that shows helium mixing of crust origin. This indicates that groundwater actively circulates along fault, and fault could not play an role of upward pathway of a deep-seated helium gas. A comparatively high $^4He$ indicates that groundwater flows in an aquifer assuring relatively enough water-rock interaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 한반도 동남부의 양산단층대와 감포지역단층대 주변 지하수의 수리화학적 특성을 분석하고, 지하수의 순환에 대한 단층대의 영향을 평가하기 위하여 영족기체 동위원소비(³He/⁴He, ⁴He/²⁰Ne) 방법을 적용하고자 하였다.

제안 방법

시료채취 현장에서 수소이온농도(pH), 용존산소량(dissolved oxygen), 전기전도도(electrical conductivity), 산화환원전위(oxidation reduction potential), 온도 등을 Thermo사 Orion 5 star모델의 휴대용 측정기를 이용하여 측정하였다. 또한 농도 0.05 N의 HCl을 이용한 산중화적정법을 이용하여 HCO₃^-의 농도를 적정하였다.
모든 영족기체의 절대량과 He, Ne 동위원소비는 VG5400 (MS-III) 동경대학교 지각화학연구실의 노블가스 질량분석기로 분석하였다. 질량분석기의 민감도와 동위원소 질량분리능의 수정 요소는 알려진 표준대기의 가스함량을 측정함으로 결정하였다.
시료채취 현장에서 수소이온농도(pH), 용존산소량(dissolved oxygen), 전기전도도(electrical conductivity), 산화환원전위(oxidation reduction potential), 온도 등을 Thermo사 Orion 5 star모델의 휴대용 측정기를 이용하여 측정하였다. 또한 농도 0.
음이온 성분 ((SO42−, Cl−, NO3−,F−)은 한국기초과학지원연구원 부산 지부의 Dionex 120 이온크로마토그래피로 분석하였다.
지하수내 이온성분들의 기원은 물-암석 반응에 의한 자연적 과정에 의한 공급과 인간 활동과 관련한 오염물질의 공급으로 구분할 수 있다. 이 연구에서는 HCO₃ 농도에 따른 F, NO₃, Na+K, Ca+Mg 함량변화를 도시하였다(Fig. 5). 유기물 등 특정오염 성분이 없는 경우 HCO₃⁻성분은 자연반응에 의해 지하수에 공급되는 성분이며, 화강암지역 지하수내 F 성분은 운모류의 (OH⁻)를 치환하여 소량 존재하는 F⁻ 성분이 용출이 주요 공급원으로 물-암석 반응을 지시하는 대표적 성분으로 분류할 수 있다.
지하수에 대한 화학 성분 분석 중 양이온(Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺)과 일부원소(Ba²⁺, Sr²⁺, Fe²⁺, Si⁺) 성분은 원자흡광분광분석기(Unicam model 989, AAS), 유도결합쌍 플라즈마 원자방출분광분석기(Shimadzu model ICPS-1000 III, ICP-AES)로 분석하였다. 미량원소(Li, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, Pb, Bi, Th, U)는 유도결합쌍 플라즈마 질량분석기(Ficon model PQ, ICP-MS)로 분석되었으며, 이상의 분석은 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 이루어졌으며, 0.
지하수의 주요 화학성분을 파이퍼도에 도시하여 화학적 유형을 분류하였다(Fig. 3). 지하수의 화학적 유형은 Ca(Na)-HCO₃ 유형에서 Ca-SO₄(Cl) 유형까지 넓게 분포하며 3개의 그룹으로 분류하였다.
모든 영족기체의 절대량과 He, Ne 동위원소비는 VG5400 (MS-III) 동경대학교 지각화학연구실의 노블가스 질량분석기로 분석하였다. 질량분석기의 민감도와 동위원소 질량분리능의 수정 요소는 알려진 표준대기의 가스함량을 측정함으로 결정하였다.
토플러펌프시스템은 극 저준위의 노블가스 배경치를 가진 환경하에서 노블가스를 측정할 수 있는 장치이다. 토플러 펌프를 이용하여 지하수에서 노블가스 두 개의 Ti-Zr 포집자를 이용하여 정화시켰다. 그리고 참숯 포집자와 저온 냉각된 스테인레스 강철 포집자를 이용하여 He, Ne과 Ar-Kr, 그리고 Xe 등 3개의 가스군으로 분리하였다.
음이온 성분 ((SO4²⁻, Cl⁻, NO³⁻,F⁻)은 한국기초과학지원연구원 부산 지부의 Dionex 120 이온크로마토그래피로 분석하였다. 화학분석자료의 정확성을 검토하기 위해서 분석된 총 양이온과 총 음이온 함량을 당량으로 환산하여 전하균형을 계산하였다.

대상 데이터

미량원소(Li, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, Pb, Bi, Th, U)는 유도결합쌍 플라즈마 질량분석기(Ficon model PQ, ICP-MS)로 분석되었으며, 이상의 분석은 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 이루어졌으며, 0.1 μg/L 이하의 값은 제외하였다.
본 연구를 위하여 양산단층 주변에 분포하는 지하수 시료 8점과 감포지역 단층대주변 지하수 2점을 채취하였으며, 지하수공 심도는 100~400 m의 범위이다. 채취된 시료 중 GP-8과 GP-9의 경우, 원자력시설부지 지하터널 관측 지점에서 채수하였다.
연구 지역의 지질은 1:250,000으로 발간된 안동 및 부산도폭을 참조하였다(황재하 외, 1996; 김동학 외, 1998). 연구지역은 백악기 경상누층군의 회색, 적갈색, 녹회색의 이암, 사암, 셰일, 역암 등의 쇄설성 퇴적암으로 구성된 하양 층군과 안산암, 안산반암, 안산암질 응회암 등으로 구성된 화산쇄설암 그리고 용암류로 구성된 유천층군 등으로 구성되어 있다(김종열, 2003).
연구대상 지역은 경북 포항-경주-양산으로 이어지는 양산단층대 주변지역으로 선정하였다(Fig. 1). 양산단층은 한반도 동남부에서는 북북동-남남서 방향으로 대표되는 단층으로 다량의 선구조들이 안행상 형태(echelon type)나, 인접한 선 구조들과 교차하기도 하면서 나타난다(김종열, 1993).
연구 지역의 지질은 1:250,000으로 발간된 안동 및 부산도폭을 참조하였다(황재하 외, 1996; 김동학 외, 1998). 연구지역은 백악기 경상누층군의 회색, 적갈색, 녹회색의 이암, 사암, 셰일, 역암 등의 쇄설성 퇴적암으로 구성된 하양 층군과 안산암, 안산반암, 안산암질 응회암 등으로 구성된 화산쇄설암 그리고 용암류로 구성된 유천층군 등으로 구성되어 있다(김종열, 2003). 이들을 백악기 제 3기 불국사 화강암류에 의해 관입된다.
지하수 내 영족기체 동위원소 분석을 위하여 양산지역에서 3개의 시료(YS-1, YS-4, YS-5)를 채취하였으며, 언양지역에서 1개 시료(EY-7), 그리고 경주지역에서 1개의 시료(GJ-10)와 원자력시설부지에서 2개의 시료(GP-8, GP-9)를 채취하였다. 영족기체 동위원소 분석을 위한 시료는 동경대학교 지각화학연구실에서 특수 개발한 양쪽 고진공 개폐기가 있는 진공유리용기를 이용하여 채취하였다. 용기의 체적은 약 50 cc이고 물속에 용존된 영족기체는 금속재질로 제작된 토플러펌프시스템으로 추출하였다.
영족기체 동위원소 분석을 위한 시료는 동경대학교 지각화학연구실에서 특수 개발한 양쪽 고진공 개폐기가 있는 진공유리용기를 이용하여 채취하였다. 용기의 체적은 약 50 cc이고 물속에 용존된 영족기체는 금속재질로 제작된 토플러펌프시스템으로 추출하였다. 토플러펌프시스템은 극 저준위의 노블가스 배경치를 가진 환경하에서 노블가스를 측정할 수 있는 장치이다.
지하수 내 영족기체 동위원소 분석을 위하여 양산지역에서 3개의 시료(YS-1, YS-4, YS-5)를 채취하였으며, 언양지역에서 1개 시료(EY-7), 그리고 경주지역에서 1개의 시료(GJ-10)와 원자력시설부지에서 2개의 시료(GP-8, GP-9)를 채취하였다. 영족기체 동위원소 분석을 위한 시료는 동경대학교 지각화학연구실에서 특수 개발한 양쪽 고진공 개폐기가 있는 진공유리용기를 이용하여 채취하였다.
본 연구를 위하여 양산단층 주변에 분포하는 지하수 시료 8점과 감포지역 단층대주변 지하수 2점을 채취하였으며, 지하수공 심도는 100~400 m의 범위이다. 채취된 시료 중 GP-8과 GP-9의 경우, 원자력시설부지 지하터널 관측 지점에서 채수하였다.

성능/효과

Fig. 5(b)는 HCO₃와 NO₃의 상관관계로 비록 NO₃의 농도가 높지는 않으며, HCO₃의 농도와 반비례하는 경향을 보여, 자연기원과 오염기원의 서로 다른 공급원의 성분에 대한 상반성을 잘 보여준다. Fig.
해안 대수층내 발달한 단층은 수리지질학적으로 중대한 불균질성과 이방성을 야기시키며 염분이동, 해수 침투, 그리고 지하수 유동에 있어서 단층의 존재 여부에 따라 광범위한 영향을 미치는 것으로 분석되었다(박주현 외, 2008). 3차원 수치모델링을 통한 이 연구에서 단층은 단층면과 평행한 방향으로 지하수 유동과 염분 이동에 대해 통로의 역할을 하지만 단층면과 수직한 방향으로는 지하수 및 염분 이동에 있어서 일종의 방해물로 작용하는 것으로 나타났다.
미량원소로 Li, B, Al, Ti, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, As, Rb, Mo, Cd, Cs, Ba, Pb, U에 대한 분석 결과는 Table 2에 제시하였다. 분석결과 모든 시료에서 미량원소의 농도가 음용수 수질기준치 이하의 값을 보였다. 하지만 EY-7 지하수 시료의 경우, Mn, Zn, Ba의 농도가 다른 시료의 비해 상당히 높은 1,834 μg/L, 1,162 μg/L, 244 μg/ L의 농도를 보였으며 GP-9 시료의 경우, Zn의 농도가 2,301 μg/L의 높은 농도를 보였다.
양산단층대와 감포 일대 원자력시설 단층대 주변 지하수를 대상으로 수리화학적 특성과 영족기체 동위원소를 이용한 지하수의 순환에 대한 단층대의 영향에 대한 연구결과 지하수의 지화학적 유형은 3가지 유형 즉, Ca-HCO₃(A그룹) Ca(Na)-HCO₃(SO₄,Cl)(B그룹), Ca-SO₄(Cl)(C그룹)으로 분류되었다. A그룹의 지하수의 화학성분은 백악기 퇴적암등 지질의 영향이 큰 것으로 보이며 이온들의 함량도 가장 높다.
연구지역 지하수의 영족기체 동위원소 분석 결과, YS-5시료를 제외한 거의 모든 지하수는 대기로부터 유래된 ³He에 큰 영향을 받는 것을 보여준다(Fig. 6). 일반적인 우리나라 온천수는 지각 기원의 방사성 붕괴에 의해 발생된 ⁴He와 이에 따른 열원 기원인 것으로 알려져 있다.
영족 기체동위원소 분석 결과, 양산 단층 주변 지하수 대부분은 대기 기원의 ³He에 매우 큰 영향을 받고 있는 것으로 나타났으며, ⁴He의 경우 일부 지하수에서 암석기원이 포함되어 있는 것으로 보인다. 대부분의 지하수는 대기기원으로 단층대에서 지하수는 빠른 순환이 이루어지며, YS-5 지하수만 비교적 오랜 기간 물-암석 반응이 이루어지며, 순환이 비교적 느린 대수층 환경으로 보인다.
이를 종합하여 볼 때, 양산단층 주변 암반지하수의 화학성분은 지하수 관정의 깊이, 지질, 암석-물 상호 반응의 영향보다는 단층대에 발달된 균열 등으로 인한 대수층의 물 순환속도와 단층대를 통한 해수의 유입 등의 영향이 더 큰 것으로 보인다.
이상을 종합하면 단층대주변 지하수는 단층대의 영향으로 지하수의 순환이 비교적 빠르고, 일부 지질의 영향과 해안 부근 지하수의 경우 단층대를 통한 해수의 유입의 영향에도 노출된것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3He/4He가 각종 수리지화학적 현상 해석에 중요한 정보를 제공할 수 있는 이유는?	3He은 대부분 지구 형성 초기나 운석 내 포획되어 있는 원시 헬륨이고 4He 동위원소는 U(Th)의 α붕괴 시에 생성된다. 3He/4He은 대상 물질이 존재하는 지질 환경이나 시간에 따라 큰 차이를 보이기 때문에 각종 수리지화학적 현상 해석에 중요한 정보를 제공해 줄 수 있다.
	YS-5 지하수는 다른 지하수 보다 비교적 오랜 기간 물-암석 반응이 이루어진 것으로 판단하는 이유는?	8과 같이 4He/20Ne와 F의 상관관계는 지하수의 물-암석 반응에 대한 정보를 제공할 수 있다. YS-5를 제외한 나머지 지하수 시료는 대부분 4He/20Ne 와 F 이온이 동시에 낮은 특성을 보였으며, YS-5 지하수 시료의 경우 4He/20Ne 값이 2.04, F 농도 값이 0.89 mg/L로 다른 지하수에 비해 높은 값을 보인다. 따라서 YS-5 지하수는 다른 지하수 보다 비교적 오랜 기간 물-암석 반응이 이루어진 것으로 해석되며, 그에 따라서 암석기원의 4He의 상대적 비율이 더 높은 것으로 해석된다.
	토플러펌프시스템란?	용기의 체적은 약 50 cc이고 물속에 용존된 영족기체는 금속재질로 제작된 토플러펌프시스템으로 추출하였다. 토플러펌프시스템은 극 저준위의 노블가스 배경치를 가진 환경하에서 노블가스를 측정할 수 있는 장치이다. 토플러 펌프를 이용하여 지하수에서 노블가스 두 개의 Ti-Zr 포집자를 이용하여 정화시켰다.

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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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