Abstract
For various kinds of waters including surface water, shallow groundwater (＜70 m deep) and deep groundwater (500∼810 m deep) from the Pungki area, an integrated study based on hydrochemical, multivariate statistical, thermodynamic, environmental isotopic (tritium, oxygen-hydrogen, carbon and sulfur), and mass-balance approaches was attempted to elucidate the hydrogeochemical and hydrologic characteristics of the groundwater system in the gneiss area. Shallow groundwaters are typified as the 'Ca-HCO$_3$'type with higher concentrations of Ca, Mg, SO$_4$and NO$_3$, whereas deep groundwaters are the 'Na-HCO$_3$'type with elevated concentrations of Na, Ba, Li, H$_2$S, F and Cl and are supersaturated with respect to calcite. The waters in the area are largely classified into two groups: 1) surface waters and most of shallow groundwaters, and 2) deep groundwaters and one sample of shallow groundwater. Seasonal compositional variations are recognized for the former. Multivariate statistical analysis indicates that three factors may explain about 86% of the compositional variations observed in deep groundwaters. These are: 1) plagioclase dissolution and calcite precipitation, 2) sulfate reduction, and 3) acid hydrolysis of hydroxyl-bearing minerals(mainly mica). By combining with results of thermodynamic calculation, four appropriate models of water/ rock interaction, each showing the dissolution of plagioclase, kaolinite and micas and the precipitation of calcite, illite, laumontite, chlorite and smectite, are proposed by mass balance modelling in order to explain the water quality of deep groundwaters. Oxygen-hydrogen isotope data indicate that deep groundwaters were originated from a local meteoric water recharged from distant, topograpically high mountainous region and underwent larger degrees of water/rock interaction during the regional deep circulation, whereas the shallow groundwaters were recharged from nearby, topograpically low region. Tritium data show that the recharge time was the pre-thermonuclear age for deep groundwaters (＜0.2 TU) but the post-thermonuclear age for shallow groundwaters (5.66∼7.79 TU). The $\delta$$\^$34/S values of dissolved sulfate indicate that high amounts of dissolved H$_2$S (up to 3.9 mg/1), a characteristic of deep groundwaters in this area, might be derived from the reduction of sulfate. The $\delta$$\^$13/C values of dissolved carbonates are controlled by not only the dissolution of carbonate minerals by dissolved soil CO$_2$(for shallow groundwaters) but also the reprecipitation of calcite (for deep groundwaters). An integrated model of the origin, flow and chemical evolution for the groundwaters in this area is proposed in this study.
경북 풍기읍 일대의 선캠브리아기 편마암 지역에 부존하는 지하수계의 수리지구화학.수리지질학적 특성을 규명하기 위하여, 지표수, 천층 지하수(심도＜70 m) 및 심층 지하수(심도 500~810 m)를 대상으로 수리화학, 다변량 통계, 열역학, 환경 동위원소(삼중수소, 산소-수소, 탄소, 황) 및 질량 보존 모델링을 포함한 종합적인 연구를 수행하였다. 천층 지하수의 수질은 Ca, Mg, SO$_4$및 NO$_3$의 함량이 높은 'Ca-HCO$_3$' 유형으로 특징되는 반면, 심층 지하수는 Na, Ba, Li, H$_2$S, F 및 Cl의 함량이 높고 방해석에 대해 포화 상태를 보이는 'Na-HCO$_3$' 유형으로 특징된다. 본 지역 자연수의 수질은 크게 두 유형, 즉 1) 지표수 및 천층 지하수와 2) 심층 지하수 및 일부천층 지하수로 대분되며, 앞의 유형은 계절적인 조성 변화를 나타낸다. 다변량 통계 분석 결과, 심층 지하수의 수질을 지배하는 세 개의 요인이 도출되었다. 이들 요인은 총 86%의 설명력을 가지는데, 1) 사장석의 용해와 방해석의 침전, 2) 황산염의 환원, 3) 수산화 광물(특히 운모류)의 산성 가수 분해 반응으로 요약될 수 있다. 열역학적 해석 결과와 결합한 질량 보존 모델링을 통하여, 심층 지하수의 수질 특성을 지배하는 수/암 반응을 적절히 설명해 주는 네 개의 모델을 제시하였다. 각 모델은 사장석, 고령토 및 운모류 용해와 방해석, 일라이트, 로몬타이트, 녹니석 및 스멕타이트의 침전을 보여준다. 산소 및 수소 동위원소 연구 결과, 심층 지하수의 경우는 먼 거리의 고지대(소백산 일대)에서 충진된 강우로부터 기원한 후 광역적인 심층 순환을 하면서 상당한 정도의 수/암 반응을 수반한 반면, 천층 지하수는 근처의 저지대에서 충진되었음을 알 수 있다. 삼중수소 자료에 따르면, 심층 지하수(0.2 TU)의 충진 연령은 핵실험 이전인 반면, 천층 지하수(5.66~7.79 TU)는 핵실험 이후였다. 용존 황산염의 황동위원소 조성 분석을 통하여, 본 지역의 심층 지하수에서 특징적으로 높은 함량을 보이는 황화수소(최대 3.9mg/l) 는 황산염의 환원에 기인함을 밝혔다. 또한, 용존 탄산염의 탄소 동위원소비는 토양 이산화탄소에 의한 탄산염 광물의 용해(천층 지하수의 경우), 또는 방해석의 재침전(심층 지하수의 경우)에 의해 조절되고 있음을 확인하였다. 본 지역에 부존하는 지하수의 기원과 유동 및 화학적 진화를 종합적으로 보여주는 모델을 제시한다.
