Hydrochemistry and Noble Gas Origin of Various Hot Spring Waters from the Eastern area in South Korea

The purpose of this study is to characterize the hydrogeochemical characteristics of hot spring waters and to interpret the source of noble gases and the geochemical environment of the hot spring waters distributed along the eastern area of the Korean peninsula. For this purpose, We carried out the chemical, stable isotopic and noble gas isotopic analyses for eleven hot spring water and fourteen hot spring gas samples collected from six hot spring sites. The hot spring waters except the Osaek hot spring water show the pH range of 7.0 to 9.1. However, the Osaek $CO_2$-rich hot spring water shows a weak acid of pH 5.7. The temperature of hot spring waters in the study area ranges from $25.7^{\circ}C$ to $68.3^{\circ}C$. Electrical conductivity of hot spring waters varies widely from 202 to $7,130{\mu}S/cm$. High electrical conductivity (av., $3,890{\mu}S/sm$) by high Na and Cl contents of the Haeundae and the Dongrae hot spring waters indicates that the hot spring waters were mixed with seawater in the subsurface thermal system. The type of hot springs in the viewpoint of dissolved components can be grouped into three types: (1) alkaline Na-$HCO_3$ type including sulfur gas of the Osaek, Baekam, Dukgu and Chuksan hot springs, and (2) saline Na-Cl type of the Haeundae and Dongrae hot springs, and (3) weak acid $CO_2$-rich Na-$HCO_3$ type of Osaek hot spring. Tritium ratios of the Haeundae and the Dongrae hot springs indicate different residence time in their aquifers of older water of $0.0{\sim}0.3$ TU and younger water of $5.9{\sim}8.8$ TU. The ${\delta}^{18}O$ and ${\delta}D$ values of hot spring waters indicate that they originate from the meteoric water, and that the values also reflect a latitude effect according to their locations. $^3He/^4He$ ratios of the hot spring waters except Osaek $CO_2$-rich hot spring water range from $0.1{\times}10^{-6}$ to $1.1{\times}10^{-6}$ which are plotted above the mixing line between air and crustal components. It means that the He gas in hot spring waters was originated mainly from atmosphere and crust sources, and partly from mantle sources. The Osaek $CO_2$-rich hot spring water shows $3.3{\times}10^{-6}$ in $^3He/^4He$ ratio that is 2.4 times higher than those of atmosphere. It provides clearly a helium source from the deep mantle. $^{40}Ar/^{36}Ar$ ratios of hot spring water are in the range of an atmosphere source.

동해안지역 온천유형별 수리화학적 특성 및 영족기체 기원

이 연구는 한반도 동해안 일대에 분포하고 있는 주요 온천에 대하여 화학성분, 안정동위원소, 삼중수소 그리고 헬륨과 아르곤 같은 영족기체의 동위원소 특성을 분석하여 온천유형별 온천수의 지화학적 특성을 밝히고, 영족기체의 기원을 규명하고자 하였다. 이를 위하여 동해안 일대의 6개 온천지에서 11개의 온천수 시료와 14개의 가스시료를 채취하여 분석하였다. 온천수의 수리화학적 특성을 보면 오색탄산온천수를 제외한 모든 온천수의 pH는 $7.0{\sim}9.1$ 범위의 약알카리성 내지 알카리성을 보이며 오색탄산온천의 pH는 5.7의 약산성의 특성을 보였다. 온천수의 토출온도는 $25.7{\sim}68.3^{\circ}C$ 범위를 보였으며 전기전도도는 $202{\sim}7,130{\mu}S/cm$의 넓은 범위로 해운대와 동래온천은 평균 $3,890{\mu}S/cm$으로 높은 값을 보인다. 온천을 용존성분에 따른 분류하면 오색, 척산, 백암, 덕구온천은 소량의 유황가스 함유한 알카리성의 Na-$HCO_3$형으로 분류되고, 해운대와 동래온천은 높은 TDS(총용존고형물질)의 해수형 Na-Cl형을 보인다. 그리고 오색탄산온천은 약산성으로 탄산을 함유한 Na-$HCO_3$형으로 분류된다. 연구지역 온천수의 ${\delta}^{18}O$와 ${\delta}D$값은 각각 $-7.8{\sim}-11.7%o$과 $-57.3{\sim}86.4%o$의 범위를 보여 온천수가 순환수 기원임을 지시한다. 위도가 높아질수록 낮은 동위원소 조성 값을 보이는 위도효과가 잘 나타난다. 일부 해수형온천수의 삼중수소 함량은 거의 0 TU에 가까운 값을 보여 최소 약 50년 이상 체류한 물임을 알 수 있다. 오색탄산온천수를 제외한 온천수의 $^3He/^4He$ 동위원소비는 $0.1{\times}10^{-6}{\sim}1.1{\times}10^{-6}$ 범위를 보여, 대기-지각 혼합선보다 상위에 분포한다. 이는 온천수내 He 가스가 대부분 대기와 지각기원이며, 일부는 맨틀기원의 He 가스가 부분적으로 존재한다는 것을 의미한다. 판 경계부에 위치한 일본의 온천수내 He가스는 대부분이 맨틀기원으로 알려져 있어 판 경계부에서 떨어진 우리나라의 경우와 뚜렷한 차이를 보인다. 그러나, 오색탄산온천에서는 대기기원 He 동위원소비보다 2.4배 높은 값인 $3.3{\times}10^{-6}$을 보여주어 지하 심부의 맨틀기원의 가스가 지각상부 대수층까지 공급된 것으로 해석된다. 온천수의 $^{40}Ar/^{36}Ar$ 비는 대기기원의 값과 유사한 범위를 보인다.