[논문]포항 지열수의 지진에 의한 수온, 화학성분 및 헬륨가스의 변화

이용천; 정찬호; 이유진; 김영석; 강태섭

doi:10.9720/kseg.2021.4.647

포항 지열수의 지진에 의한 수온, 화학성분 및 헬륨가스의 변화
Variations of Temperature, Chemical Component and Helium Gas of Geothermal Water by Earthquake Events in Pohang Area 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.31 no.4, 2021년, pp.647 - 658

이용천 (대전대학교 건설안전공학과) , 정찬호 (대전대학교 건설안전공학과) , 이유진 (대전대학교 건설안전공학과) , 김영석 (부경대학교 지구환경과학과) , 강태섭 (부경대학교 지구환경과학과)

초록
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본 연구는 지진발생에 따른 지열수의 수온, 화학성분, 헬륨가스 성분 변화를 알아보기 위하여 포항 신광지역 지열수를 대상으로 2018년 1월부터 2019년 6월까지 추적 관찰하였다. 연구기간 중 지열수 관측정 100 km 이내 규모 2.0 이상 지진은 총 58회이며, 그 중 규모 3.0~3.9의 지진은 2회, 규모 4.0~4.9의 지진은 2회가 발생하였다. 지열수에 미치는 지진의 영향력을 지진규모와 진앙-지열수공 거리를 반영한 q-factor와 earthquake effectiveness(ε)값으로 변환하여 지진영향지수로 사용하였다. 지열수공은 불국사 흑운모화강암지질로 심도 715 m 온천공으로 관측기간 중 수온은 51.8~56.3℃ 범위에서 변동이 확인되었으며, 규모 4.1, 4.6 지진발생 시 뚜렷한 수온 상승(𝜟T 2.6~4.5℃)이 관찰되었고, SO₄, Cl과 같은 특정 이온성분의 변화와 파이퍼도 상에서의 화학적 유형의 미세한 변화가 관찰되었다. 지열수의 헬륨의 변화는 규모 4.1 지진 전후 헬륨가스의 기원별 혼합을 보여주는 ³He/⁴He vs. ⁴He/²⁰Ne 관계도에서 지각 기원의 ⁴He의 값이 83.0%에서 83.2%로 미세하게 증가하였고 맨틀 기원의 ³He은 16.3%에서 16.7%으로 미세한 증가를 보였다. 지열수의 온도변화에 따른 실리카-엔탈피 혼합모델의 석영 및 칼세도니 용해도 곡선을 이용하여 지진으로 인한 열수-냉수 혼합비를 계산한 결과, E1, E2 지진발생 후 열수의 비가 각각 6.9~7.72%, 1.65~4.94% 증가하는 것으로 계산되었다. 지열수의 온도와 헬륨가스가 관측될 정도의 변화를 유발하는 지진은 규모 4.1 이상, 유효 q-factor 값은 30.0 이상으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the change of temperature, chemical composition, and helium gas of thermal water in Pohang area was observed from January 2018 to June 2019 in order to interpret the relationship with earthquake events. During observation period earthquakes above M 2.0 within 100 km in a radius from a geothermal well occurred 58 including two earthquake events with a magnitude of 3.0~3.9 and two earthquake events with a magnitude of 4.0~4.9. We introduce a q-factor and earthquake effectiveness (ε) to express the influence of each earthquake as magnitude and distance factors. The geothermal well of 715 m deep was developed in the Bulguksa biotite granite, and the water temperature was observed in the variation from 51.8 to 56.3℃ during monitoring period. At M 4.1 and M 4.6 earthquake events, the increase of geothermal water temperature (𝜟T 2.6~4.5℃) was recorded, and slight change in specific ionic components such as SO4 and Cl, and of chemical types on the Piper diagram were observed. In the 3He/4He vs 4He/20Ne diagram, the original mixing ratio of helium isotope before and after the magnitude 4.1 earthquake was slightly changed from 83.0% to 83.2% of crust-origin 4He, and the from 16.3% to 16.7% of mantle-origin 3He. Hot-cold water mixing ratio before and after earthquakes by using the quartz and chalcedony solubility curves of the silica-enthalpy mixing model was calculated to interpret the temperature change of geothermal water. The model calculation shows the increase of 6.93~7.72% and 1.65~4.94% of hot water ratio at E1 and E2 earthquakes, respectively. Conclusively, the magnitude of earthquake for observable change in the temperature and helium isotope of thermal water is of 4.1 or higher and q-factor value of 30.0 or higher in the study site.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 3. Relationship between q-factor and earthquake effectiveness (ε) of converted from earthquake.
그림 Fig. 1. Location and geologic map of study area.
그림 Fig. 2. Temperature logging data of the thermal well in the study area (Korea Central Hot Spring Institute, 2002)
표 Table 1. Earthquake events within 100 km in radius from the geothermal well and q-factor and effectiveness converted from earthquake magnitude and distance
그림 Fig. 4. Temperature fluctuation of thermal water as a function of time.
그림 Fig. 5. The change of pH, SO42- and Cl- of thermal water as a function of time.
그림 Fig. 6. Trilinear plot showing the chemical type of shallow groundwater and deep geothermal water in Pohang area.
표 Table 2. Estimated reservoir temperatures of thermal waters and the their mixing ratio with cold water based on the enthalpy-silica mixing model
그림 Fig. 7. Estimation of thermal reservoir temperature by enthalpy-silica mixing model.
그림 Fig. 8. Helium original plot of Pohang thermal water on the ³He/⁴He versus ⁴He/²⁰Ne diagram.
표 Table 3. Original percentage of helium isotopes and helium and neon gas composition of thermal water

AI 본문요약
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대상 데이터

노블가스(He, Ne) 동위원소 분석을 위하여 구리관(Copper tube)과 클램프(Clamp)를 이용하여 채취하였다. 시료 채취는 구리관 양쪽 끝에 고무호스를 연결하고 호스 클램프로 고정한 후, 배출부분을 구리관보다 높은 위치를 유지하여 약 1 L 의 물을 통과시킨 후, 구리관 내 공기를 제거한 후 볼트를 이용하여 구리관을 조인 후, 클램프를 평행하게 압착방법으로 밀봉시켰다.

이론/모형

시료 채취는 구리관 양쪽 끝에 고무호스를 연결하고 호스 클램프로 고정한 후, 배출부분을 구리관보다 높은 위치를 유지하여 약 1 L 의 물을 통과시킨 후, 구리관 내 공기를 제거한 후 볼트를 이용하여 구리관을 조인 후, 클램프를 평행하게 압착방법으로 밀봉시켰다. 모든 영족기체의 절대량과 He, Ne 동위원소 비는 미국 Utah University Noblegas Lab의 모델 215-50 Magnetic Sector-Field Mass Spectrometer를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

(1) 포항 신광지역 지열수의 수온은 51.8~56.3°C의 범위에서 변동이 관찰되었으며, E1 지진(2018년 2월 11일 M 4.6) 발생 시 발생 전 51.8°C에서 최고 56.3°C까지 상승하였다
(2) 지열저장소의 추정온도는 석영 및 칼세도니 용해도 곡선에 의해 각각 228~244°C, 183~186°C의 범위로 추되며, 열수-냉수 혼합비는 E1 지진발생 후 열수의 혼합비가 최대 7.72% 증가하였으며, 열수의 증가량은 q-factor 값의 크기와 비례하게 증가하는 것으로 확인된다.
2018년 1월에서 2019년 6월까지 포항 지열수의 반경 100 km 내에 발생한 M 2.0 이상의 지진은 58회 발생하였으며, M 3.0~3.9의 지진은 2회, M 4.0~4.9의 지진은 2회 발생하였다. 지진의 최대 규모는 2018년 2월 11일에 발생한 M 4.
3°C까지 상승하였다. 이러한 변화는 지진의 규모가 4.1 이상, q-factor는 30.0 일 때 유의미한 변화가 확인된다.

후속연구

(4) 결론적으로 포항지열수 관측정에서 q-factor 30 이상의 영향지수를 갖는 지진발생 시 지열수의 수온 및 헬륨가스의 변화가 확인되어 향후 지진전조인자로서의 활용가능성을 보여준다.

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표제어: PCR

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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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