[논문]원주지역 지하수의 자연방사성물질 우라늄과 라돈의 산출 특성과 수리지화학

이병대; 조병욱; 문희선; 황재홍

doi:10.9720/kseg.2019.4.495

원주지역 지하수의 자연방사성물질 우라늄과 라돈의 산출 특성과 수리지화학
Hydrogeochemistry and Occurrences of Natural Radionuclides Uranium and Radon in Groundwater of Wonju Area 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.29 no.4, 2019년, pp.495 - 508

이병대 (한국지질자원연구원 지하수연구센터) , 조병욱 (한국지질자원연구원 지하수연구센터) , 문희선 (한국지질자원연구원 지하수연구센터) , 황재홍 (한국지질자원연구원 지질자원데이터센터)

초록
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원주지역 지하수의 수리지화학 및 자연방사성물질인 우라늄과 라돈의 산출특성을 규명하기 위하여 40개 관정을 대상으로 시료를 채취하고 분석하였다. 연구지역 지하수의 EC는 최소 73에서 최대 400 μS/cm (평균 212 μS/cm)의 범위를 나타내고 있으며, EC의 증가와 더불어 주요 용존 양이온과 음이온의 함량도 증가하는 경향을 나타낸다. 우라늄 농도는 0.06~50.5 ㎍/L (중앙값 1.55 ㎍/L)로 넓은 분포를 보여주고 있으며, 라돈은 67~8,410 pCi/L (중앙값 1,915 pCi/L)의 범위를 나타내고 있다. 우라늄 농도에서 미국 EPA MCL 30 ㎍/L를 초과한 곳은 3개소로 전체 시료수의 7.5%에 해당된다. 라돈의 경우, 미국 EPA AMCL(Alternative Mximum Contaminant Level) 4,000 pCi/L를 초과한 곳은 9개소로 전체 시료수의 22.5%이다. 이중 핀란드의 음용 제안치인 8,100 pCi/L를 초과하는 시료는 1개소이다. 연구지역에서 지질별 지하수의 우라늄과 라돈 농도는 흑운모화강암 지역의 지하수에서 가장 높다. 연구지역 지하수의 우라늄과 라돈 함량은 유사한 지질을 가지는 외국에 비하면 낮은 것으로 나타났다. 이는 우리나라 지하수 관정의 특성상 케이싱 및 그라우팅이 미비한 관정이 많으므로 천부 지하수의 공내 유입을 의심할 수 있다. 이러한 관정의 특성으로 인하여 실제 함량보다 낮게 검출되었을 가능성을 배제할 수 없다.

Abstract ▼ AI-Helper

We measured the concentrations of natural radionuclides (uranium and radon) and major elements in groundwater collected from forty wells located in Wonju area to investigate the hydrochemistry and the occurrence of these radionuclides. The range of electrical conductivity (EC) value in the study area was 73~400 μS/cm. In addition to the increase of EC value, the content of cations and anions also tends to increase. Uranium concentrations ranged from 0.06~50.5 ㎍/L (median value, 1.55 ㎍/L) and radon concentrations ranged from 67~8,410 pCi/L (median value, 1,915 pCi/L). Uranium concentrations in 3 well, 7.5% of the samples, exceeded 30 ㎍/L, the maximum contaminant level (MCL) proposed by the US Environmental Protection Agency (EPA), based on the chemical toxicity of uranium. Radon concentrations in 9 wells, 22.5% of the samples, and 1 well, 2.2% of the samples, exceeded 4,000 pCi/L (AMCL of the US EPA) and 8,100 pCi/L (Finland's guideline level), respectively. Concentrations of uranium and radon related to geology of the study area showd the highest values in groundwater of the biotite granite area. Uranium and radon contents in the groundwater are comparatively low compared to those in other countries with similar geological settings. It is likely that the measured value was lower than the actual content due to the inflow of shallow groundwater by the lack of casing and grouting.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Geological map showing major geologic units in the study area.
표 Table 1. Physiochemical properties of groundwater samples from Wonju area. Unit is mg/L unless noted otherwise
그림 Fig. 2. Relationship between EC ad the cation Na (A), K (B), Ca (C), Mg (D), SiO₂ (F), and Ca-HCO₃ (E).
그림 Fig. 3. Relationship between EC and the anions CI (A), SO₄ (B), and Na-Cl (C), Cl-NO₃ (D), Ca-F (E).
그림 Fig. 4. Histogram of uranium and radon concentrations in groundwter.
표 Table 2. Statistical summary of uranium and radon concentrations in groundwater
그림 Fig. 5. Relationship between uranium and radon in the Wonju area.
그림 Fig. 6. Box-and-whisker plots showing statistical variations of uranium and radon related to geology.
표 Table 3. Statistical analysis of the uranium and radon concentrations for each geology

AI 본문요약
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문제 정의

연구 지역은 상수도가 보급되지 않는 농촌지역이 많아 상수원수와 농업용수로서 지하수의 비중이 높은 지역이다. 금번 연구의 목적은 연구지역 지하수의 수질 및 우라늄과 라돈에 대한 농도분포를 파악하고 방사성물질의 특성을 밝히는 것이다.

제안 방법

라돈의 측정효율은 222Rn 표준용액이 없는 관계로 모핵종인 226Ra 표준용액(NIST SRM 4966A)을 사용하여 3회 측정하였으며, 측정효율은 95 ± 4%이다.
시료 채취시 현장에서 pH, EC, Eh, 수온 등을 측정하고 0.45 μm 멤브레인 필터로 여과하였다.
연구지역에서 측정된 40개 지하수의 현장수질과 주요 용존이온 및 우라늄, 라돈 분석 결과는 Table 1과 같다. 연구지역 지하수의 물-암석 반응과 지표 오염의 유입 정도를 파악하기 위하여 주요 용존이온과 EC와의 상관관계 및 오염지시 항목 간의 상관성을 파악하였다(Figs. 2, 3).
지하수내 방사성물질의 산출과 분포는 일차적으로 그 지역의 지질 및 물과 암석의 지화학적 반응에 의해 결정된다. 연구지역 지하수의 방사성물질 특성을 파악하기 위하여 시료 채취지점을 지질별로 구분하였다. 지질은 쥬라기 흑운화강암 (Jbgr), 쥬라기 복운모화강암(Jtgr), 선캠브리아기 흑운모편마암(PCbgn), 석회암(Ls)으로 구분하였다.
연구지역 지하수의 우라늄과 라돈의 산출 특성과 수리지화학적 특성을 파악하기 위하여 40개 지하수 시료에 대하여 우라늄, 라돈, 주요 성분 함량을 분석하였다. 40개 지하수의 우라늄 함량은 0.
45 μm 멤브레인 필터로 여과하였다. 우라늄을 비롯한 양이온 분석용 시료는 고순도의 농질산(65%)을 1 ml 첨가하여 pH를 2 이하로 유지시킨 후 실험실로 운반하여 분석하였다. 주요 양이온은 유도결합쌍원자방출분광분석기 (ICP-AES)로, 주요 음이온은 이온크로마토그피로(IC)를 이용하여 분석하였다.
우라늄을 비롯한 양이온 분석용 시료는 고순도의 농질산(65%)을 1 ml 첨가하여 pH를 2 이하로 유지시킨 후 실험실로 운반하여 분석하였다. 주요 양이온은 유도결합쌍원자방출분광분석기 (ICP-AES)로, 주요 음이온은 이온크로마토그피로(IC)를 이용하여 분석하였다. 오차 범위는 상대오차 ±5%이다.

대상 데이터

지질은 쥬라기 흑운화강암 (Jbgr), 쥬라기 복운모화강암(Jtgr), 선캠브리아기 흑운모편마암(PCbgn), 석회암(Ls)으로 구분하였다. 각 지질별 시료수는 쥬라기 흑운화강암 28개, 쥬라기 복운모화강암 3개, 선캠브리아기 흑운모편마암 7개, 석회암 2개이다. 연구지역 지하수의 우라늄, 라돈에 대한 지질별 통계 분석자료는 Table 3에 정리하였고, 지질별 통계 분포는 Fig.
이 논문의 연구지역은 강원도 원주 지역으로 이 지역은 화강암, 변성암, 퇴적암 등의 다양한 지질로 구성되어 있다. 연구 지역은 상수도가 보급되지 않는 농촌지역이 많아 상수원수와 농업용수로서 지하수의 비중이 높은 지역이다. 금번 연구의 목적은 연구지역 지하수의 수질 및 우라늄과 라돈에 대한 농도분포를 파악하고 방사성물질의 특성을 밝히는 것이다.
연구지역 지하수의 수리지화학적 특성과 자연방사성물질의 함량 분포와 산출 특성을 파악하기 위하여 40개소의 지하수 관정에서 시료를 채취하였다(Fig. 1). 시료 채취는 수질의 안정을 위해 10~20분 동안 양수공 체적의 약 3~5배를 양수하고, pH, EC, Eh, 수온 등이 안정된 후에 채취하였다(Barcelona et al.
석회암 지역의 경우, 시료수가 2개인 관계로 평균값과 중앙값의 의미는 크게 없다. 연구지역에서 EPA AMCL을 초과하는 WJ-09, WJ-11, WJ-13, WJ-15, WJ-26, WJ-28, WJ-35, WJ-37, WJ-39 등 9개 시료의 지질 역시 모두 흑운모화강암이다.
연구지역의 지질은 선캠브리아기 경기 편마암복합체, 오도비스기 석회암, 그리고 쥬라기 화강암으로 구성되어 있다(Fig. 1; Won et al., 1974; Chi et al., 1989; Park et al., 1989; Koh et al., 2011).
이 논문의 연구지역은 강원도 원주 지역으로 이 지역은 화강암, 변성암, 퇴적암 등의 다양한 지질로 구성되어 있다. 연구 지역은 상수도가 보급되지 않는 농촌지역이 많아 상수원수와 농업용수로서 지하수의 비중이 높은 지역이다.
연구지역 40개의 지하수 관정 용도는 음용지하수 21개공, 농업용수 14개, 개인생활용수 5개이다. 이중 음용지하수공은 개인 음용 지하수공 8개, 소규모급수시설 9개, 마을상수도 4개의 총 21개 공이다.
연구지역 지하수의 방사성물질 특성을 파악하기 위하여 시료 채취지점을 지질별로 구분하였다. 지질은 쥬라기 흑운화강암 (Jbgr), 쥬라기 복운모화강암(Jtgr), 선캠브리아기 흑운모편마암(PCbgn), 석회암(Ls)으로 구분하였다. 각 지질별 시료수는 쥬라기 흑운화강암 28개, 쥬라기 복운모화강암 3개, 선캠브리아기 흑운모편마암 7개, 석회암 2개이다.
채취된 지하수 시료는 한국지질자원연구원에서 α선과 β선 분리측정이 가능한 액체섬광계수기(Quantulus 1220TM, Perkin-Elmer)를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

첫째, 지하수 대수층 환경의 차이로 스웨덴, 노르웨이, 핀란드, 미국의 경우 우리나라에 비해 우라늄이 지하수에 더 쉽게 용해될 수 있는 산화환경에 놓여 있을 수 있다. 둘째, 화강암내 미세균열 발달 정도의 차이를 생각할 수 있다. 화강암과 같은 화성암에서는 결정화작용, 냉각, 풍화 과정 중 미세균열의 발달에 따라 라돈의 확산이 일어날 수 있으며, 이는 화강암과 같은 결정질암 내 지하수의 라돈 함량은 균열의 발달과 밀접한 관계가 있다(Cook et al.
이상과 같이 연구지역에서 지질별 지하수의 우라늄 농도는 쥬라기 흑운모화강암 지역의 지하수에서 가장 높다. 일반적으로 암석 내의 우라늄 함량은 화강암에 비해 옥천계 변성암이나 선캠브리아기 변성암 등 변성암에서 높은 것으로 보고되어 있다(Choo, 2002).
이상에서 살펴본 바에 따르면 연구지역의 지질에 따른 라돈 함량의 최대치는 쥬라기 흑운모화강암 > 선캠브리아기 변성암 > 쥬라기 복운모화강암 > 석회암 순으로 높고, 평균치는 쥬라기 흑운모화강암 > 쥬라기 복운모화강암 > 선캠브리아기 변성암 > 석회암 순으로 높다(Table 3).
이러한 관정의 특성으로 인하여 실제 함량보다 낮게 검출되었을 가능성을 배제할 수 없다. 이상의 세 가지 추론중에서 우리나라의 지하수 관정 굴착 관행을 고려하며 지하수 관정 설계 제원으로 인하여 연구지역 지하수의 우라늄과 라돈 함량이 외국에 비해 더 낮을 수 있을 것으로 판단된다.
낮은 원인에 대해서는 비교할 수 있는 자료의 부족으로 단적으로 해석하기는 어렵지만 몇 가지 사항을 추론해볼 수 있다. 첫째, 지하수 대수층 환경의 차이로 스웨덴, 노르웨이, 핀란드, 미국의 경우 우리나라에 비해 우라늄이 지하수에 더 쉽게 용해될 수 있는 산화환경에 놓여 있을 수 있다. 둘째, 화강암내 미세균열 발달 정도의 차이를 생각할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라돈이란?	우라늄은 반감기가 길기 때문에 우라늄의 인체 위해성은 방사성 독성보다는 중금속으로서의 화학적 독성이 문제가 된다. 라돈은 반감기가 3.82일에 불과한 무색 무취의 불활성기체이며, 인간에게 피폭되는 방사선 양의 50% 이상을 차지하며 폐암 발병인자로 알려져 있다(Cho et al., 2007).
	지하수중 방사성물질에 대한 우리나라의 측정원칙은?	지하수내 방사성물질의 허용 농도는 미국 EPA(Environmental Protection Agency)의 경우 우라늄은 30 μg/L, 라돈은 4,000 pCi/L이다. 우리나라는 우라늄을 먹는물 감시항목으로 지정하고 상수원수에 대하여 년 2회 측정하도록 되어 있다.
	방사성물질의 농도에 영향을 미치는 원인은?	지하수 중에 자연적으로 존재하는 우라늄을 비롯한 라돈, 라듐, 토륨 등과 같은 자연방사성물질은 암석 중에 미량으로 존재하는 방사성 핵종 광물들이 풍화나 변질작용에 의하여 분해된 후에, 지하수에 용존된 것이다. 우라늄의 자연붕괴 과정에서 방사선이 방출되면서 라돈, 라듐 등과 같은 여러 종류의 딸원소(daughter products)들이 생성되므로 지질학적으로는 모암 속에 존재하는 우라늄 광물의 함량과 이들의 용해도가 지하수 중의 방사성물질의 농도에 가장 큰 영향을 미친다(Ioannidou el., 2011; Langmuir, 1978, 1997).

저자의 다른 논문 :

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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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