• 자원환경지질
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• 제50권6호
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• pp.545-554
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• 2017

버네사이트(birnessite)는 토양 및 심해저 환경에서 가장 흔히 발견되는 주요 망간수산화물 및 망간산화물(Mn(oxyhydr)oxides, 이하 망간산화물로 통칭) 중 하나로 일반적으로 나노 크기의 작은 입자로 구성되어 있으며 결정도가 매우 낮은 특징을 보인다. 특히 버네사이트는 구조 내 결함(structural defects)과 비어있는 양이온 자리(cation vacancies), 다양한 비율로 혼합된 구조 내 망간 산화수(mixed valences of structural Mn)의 특징에 따라 자연환경에서 다양한 생/지화학적 반응에 높은 반응성을 가지고 참여하는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 다양한 생/지화학적 반응을 통해 버네사이트 주변에 존재하는 무기 및 유기물질의 자연 환경적 거동에 중요한 영향을 미칠 뿐 아니라 버네사이트의 상변화 반응이 수반되어 물리 화학적 특성이 전혀 다른 새로운 망간산화물이 형성된다. 본 리뷰 논문에서는 기존 선행 연구결과들을 바탕으로 버네사이트의 상변화 반응을 통해 형성되는 다양한 망간산화물들을 조사하고 반응에 영향을 미치는 다양한 지화학적 반응인자들을 검토하였다. 기존 선행연구 결과에 따르면 버네사이트의 상변화 반응은 용존 Mn(II) 및 용존 산소의 유무, 용액의 pH 조건, 그리고 함께 존재하는 양이온(i.e., $Mg^{2+}$)에 영향을 받는 것으로 사료되며, 다양한 반응인자들이 복합적으로 관여하는 버네사이트의 상변화 반응 경로에 대해서는 여전히 이해되지 않은 부분이 많은 것으로 확인되었다. 따라서, 앞으로 다양한 망간산화물들의 형성과 상변화 반응에 대한 보다 다양하고 심층적인 연구가 수행되어야 할 것이다.

• 한국지하수토양환경학회:학술대회논문집
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• 한국지하수토양환경학회 2003년도 추계학술발표회
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• pp.583-586
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• 2003

부산 동래지역 지열수에 대한 지화학적 진화과정을 밝히기 위하여 지열수, 지하수 및 해수에 대한 수리화학 특성과 이들의 연관성을 고찰하였다. 또한 심부환경에서의 지화학 특성을 규명하기 위하여 각종 이온지질온도계와 다성분 지질온도계를 적용하였으며, 동위원소특성과 함께 지화학 모델링을 통하여 심부환경에서의 온천수의 지화학특성을 밝히고자 하였다. 동래 지열수의 수리화학적 특성은 해수의 영향을 받아 높은 이온함량을 보이며 Na-Cl형을 보여준다. 지열수는 주변 지하수와의 크게 혼합된 양상을 나타낸다. 지화학 모델링에 따르면 지열수는 심부에서 약 5% 영향을 받은 것으로 추정된다. 즉, 심부로 순환하는 지열수가 해수와 혼합되며, 이들이 지열에 의해 가열되면서 광물의 용해 및 침전, 이온 교환반응 등 물-암석 반응을 거치면서 심부지열수를 형성하였으며, 지열수가 천부환경으로 상승하는 과정에서 동래지역 주변 천부지하수와 다양하게 혼합되면서 현재 동래온천수의 화학조성을 갖는 온천수를 형성하는 것으로 지열수의 진화 과정을 설명할 수 있다.

• 자원환경지질
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• 제34권3호
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• pp.255-269
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• 2001

여수 북동부 화산암지역에서 다중패커 시스템(Multi-packer system)을 이용하여 구간별로 시료 채취를 수행하고, 시추공 지하수에 대한 지화학 특성 연구를 수행하였다. MP system에 의해 구간별로 격리된 지하수의 pH(up to 9.6)는 기존 시료채취방법에 의해 측정된 pH(7.0~7.9)보다도 매우 높은 값을 보여준다. 시추공 지하수의 수리화학자료는 구간별로 특징적인 화학조성을 나타낸다. 이는 지하수의 지화학적 특성이 단열체계특성에 의해 지배를 받는 지하수 유동로를 따라 진행되는 물-암석 반응에 의해 진화되었음을 지시한다. 특징적으로 시추공 K1 하부구간(심도138~175m)의 지하수는 높은 Ca 함량(up to 160mg/L)과 Cl 함량(up to 293mg/L)을 보이는 Ca-Cl$_2$유형을 보여주며, Na 함량(up to 67mg/L) 과 SO$_4$함량(105mg/L) 역시 기타 구간에 비해 높은 값을 보여준다. 이러한 지하수의 지화학적 특성은 해수혼합, 양이온교환반응 및 황철석의 산화반응 등에 의해 진화된 것으로 해석할 수 있다.

• 자원환경지질
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• 제44권2호
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• pp.123-133
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• 2011

이산화탄소 지중저장지에서 초임계이산화탄소(supercritical $CO_2$)-광물-염수 반응에 의한 광물의 지화학적 변화를 규명하는 실내 실험을 실시하였다. 초임계$CO_2$로 존재하는 지중저장 온도/압력조건(100 bar와 $50^{\circ}C$)을 재현한 스테인레스 셀(용량 110 ml) 내부에 100 ml의 염수를 주입하였다. 염수는 부산 해안가 지하 800 m 깊이 지하수 채수정에서 채수한 염수를 사용하였으며, 실험 대상 광물로는 $CO_2$와 반응이 잘 일어나는 것으로 보고된 Ca, Fe, Mg 성분이 풍부한 Ca-사장석, 각섬석, 감람석 시료를 사용하였다. 각 광물 시료를 슬랩($10\;mm{\times}10\;mm$)으로 제작하여 표면을 폴리싱한 후 염수가 담긴 고압셀 내부 하부에 고정시키고 초임계 $CO_2$를 주입한 후 30일 동안 반응시켰다. 실험 전 광물 표면을 반사현미경과 SPM을 사용하여 영상화하였으며, 표면 당 3 지점을 임의로 선택하여 주변 면적 ($20\;{\mu}m{\times}20\;{\mu}m$)의 표면거칠기값(SRV: surface roughness value)을 구하였다. 반응 후 일정 시간 간격으로 고압셀 내 광물 표면에 대하여 SPM 분석과 표면거칠기값 계산을 반복하여 초임계 $CO_2$-광물-염수 반응에 의해 변화된 광물 표변을 정량화 하였으며, 염수에 용해된 양이온 종류와 농도를 분석하고, 광물 표면에 형성된 2차 광물 분석을 위해 SEM/EDS 분석을 실시하였다. Ca-사장석의 경우 초임계 $CO_2$가 용해된 염수와 반응하여 광물 표면의 평균 SRV는 30일 동안 2.77 nm에서 20.87 nm로 증가하여 지화학반응에 의하여 상당한 광물 표면 풍화가 발생하였음을 알 수 있었다. 각성석과 감람석의 경우에는 평균 SRV가 2.54 nm와 0.77 nm에서 각각 8.31 nm와 11.03 nm로 증가하였다. 반응에 의해 염수에 용해된 이온은 Ca-사장석의 경우 $Ca^{2+}$, $Na^+$, $Fe^{2+}$, $Si^{4+}$, $K^+$, $Mg^{2+}$ 순이었으며, 각섬석의 경우에는 $Si^{4+}$, $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$, $Mg^{2+}$ 순으로 나타났다. 각섬석과 감람석 광물 표면에는 만상에 의해 철(또는 마그네슘)-(수)산화물이 2차 광물로 형성됨을 SEM/EDS 분석결과로 알 수 있었다. 실험 결과로부터 $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$, $Mg^{2+}$이 풍부한 광물의 경우 $CO_2$ 지중저장 시 초임계 $CO_2$-광물-염수 반응에 의해 짧은 시간 내에 심한 풍화작용을 일으켜 광물의 물성 변화를 일으킬 수 있음을 입증하였다.

• 대한지하수환경학회지
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• 제6권4호
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• pp.159-170
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• 1999

초정지역에서 산출되는 탄산수에 대한 수리화학적 연구를 수행하였다. 초정탄산수는 낮은 pH(5.0~5.8). 높은 이산화탄소함량($Pco_2$＜$10^{0.31}$atm). 높은 TDS 함량을 갖는 것으로 특징되며. 화학적으로 Ca-$HCO_3$형에 속한다. 탄산수의 화학적특성은 지하수가 심부로 순환하는 과정에서 심부기원의 이산화탄소와의 반응을 통하여 탄산수가 형성되었음을 지시하며. 낮은 pH를 갖는 탄산수는 물-암석(화강암) 반응이 활발히 진행되면서 지화학적으로 진화된 것으로 판단된다. 또한 높은 $NO_3$함량은 탄산수가 천부로 상승되는 과정에서 주변지하수와 혼합된 특성을 지시한다. 초정 탄산수의 진화과정은 이산화탄소의 공급. 물-암석반응 및 혼합작용으로 설명할 수 있다. 이러한 진화과정을 열역화적으로 확인하고자 지화학 반응을 PHREEQC를 이용하여 모델링하였다. 비록 모델링은 사장석자의 반응에 국한되었지만. 탄산수의 진화과정에서 pH 및 Ca와 Na함량 변화양상에 대한 타당한 설명을 제시하고 있다.

• 자원환경지질
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• 제34권1호
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• pp.71-88
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• 2001

경상지역에서 산출되는 탄산약수 중 신촌약수에 대하여 지화학적 및 동위원소 연구를 수행하였다. 신촌 탄산약수는 높은 $CO_2$분압 ($10^{-0.35}$ ~$10^{0.29}$ atm) 및 높은 총용존이온함량 (835~3,144 mg/L)을 가진 전형적인 탄산수 특성을 보이며 지화학적으로는 Ca (Na)-HCO$_3$형으로 분류된다. 지화학 및 환경동위원소 분석결과는 탄산수내 이산화탄소가 심부기원임을 지시한다. 따라서 심부기원의 $CO_2$에 의해 생성된 탄산수가 다양한 물-암석 반응을 거치면서 주로 심부의 화강암과 반응에 의해 현재의 탄산수로 진화된 것으로 판단된다. 주된 물-암석 반응은 사장석과의 반응이며 방해석의 침전이 수반되면서 Ca의 용존량이 조절되어 Na의 함량이 높아진 것으로 보인다. 이처럼 탄산수의 지화학적 특성은 주로 심부의 화강암과 반응에 의한 특징을 보여주지만 높은 K 및 $SO_4$함량으로 미루어 탄산수가 지표로 상승하는 과정에서 주변모암인 퇴적암과의 반응에 의해서도 일부 영향받은 것으로 추정된다. 또한 탄산수 내 $NO_3$함량 및 삼중 수소함량은 일반 천부지하수의 혼입가능성을 지사하고 있다. 신촌지역 자연수들의 산소 및 수소 동위원소 조성은 전체적으로 지구순환수선과 평행하게 도시되어 순환수 기원으로 추정할 수 있으며, 일부 $CO_2$분압이 높은 탄산수 시료는 동위원소적으로 더 가벼운 $CO_2$가스와 동위원소적으로 재평형을 이루었음을 보여주기도 한다. 탄산수의 탄소 동위원소 조성은 전체적으로 심부기원 $CO_2$의 영역에 해당되며, 심부기원 $CO_2$영역내에서 동위원소적으로 무거운 영역에 속하는 특징을 보인다.

• 자원환경지질
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• 제49권5호
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• pp.371-380
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• 2016

이 연구는 이산화탄소 지중저장 후보지의 하나로 알려진 포항분지 덮개암의 광물학적 및 암석학적 특성을 파악하고, 실험과 지화학 모델링을 이용하여 이산화탄소 주입으로 인해 발생할 수 있는 덮개암의 지화학적 및 광물학적 영향을 규명하였다. 실험은 이산화탄소 지중저장 조건에 해당하는 $50^{\circ}C$와 100 bar의 고온고압조건에서 덮개암 6 g과 염수 60 ml를 고압셀에 넣어 15일 동안 반응시켰다. 반응 후 덮개암과 염수 시료의 지화학적 및 광물학적 변화를 확인하기 위해 XRD, XRF, ICP-OES 등의 분석을 통해 정량적으로 규명하였다. 또한 덮개암의 광물학적 연구 결과와 염수의 물리화학적 변수 자료들을 이용하여 지화학 모델링(The Geochemist's Workbench 11.0.4)을 수행하였다. 덮개암의 광물학적 분석 결과, 석영, 사장석, K-장석으로 주로 구성되어 있고, 소량의 운모, 황철석, 능철석, 방해석, 카올리나이트와 몬모릴로나이트로 이루어져 있었다. 덮개암과의 반응 후 염수의 이온 농도 분석 결과, 사장석, K-장석과 몬모릴로나이트 또는 운모와 같이 Mg를 포함하는 광물의 용해 반응에 의하여 $Ca^{2+}$, $Na^+$, $K^+$, $Mg^{2+}$ 이온들의 농도가 증가하였다. 100 년 동안 모델링한 결과, 사장석와 K-장석은 용해되고, 카올리나이트, 도소나이트, 베이덜라이트는 재결정화되어, 암석의 공극률 변화에는 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단되었다. 실험 및 모델링 결과는 이산화탄소를 지중저장하는 동안 덮개암과 초임계 이산화탄소와의 상호반응에 의해 염수의 pH, 광물의 용해도과 안정성 등에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다.

• 자원환경지질
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• 제54권1호
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• pp.69-76
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• 2021

이 연구에서는 포항분지 영일층군 덮개암 시료의 광물학적 특성을 파악하고, 이산화탄소 주입으로 인해 발생할 수 있는 물-암석-가스의 상호작용을 지화학 모델링을 이용하여 규명하였다. 이를 위하여 XRD, MICP, BET 분석을 실시하여 덮개암의 광물암석학적 및 공극 특성을 파악하였고, 광물학적 연구 결과와 공극수의 물리화학적 변수 자료들을 이용하여 이산화탄소 주입 후 단기간 변화와 장기간 영향을 파악하기 위하여 두 단계의 지화학 모델링(The Geochemist's Workbench 14.0.1)을 수행하였다. 연구 결과, 포항분지 영일층군의 덮개암은 석영, 알바이트, K-장석으로 주로 구성되어 있고, 소량의 백운모, 황철석, 방해석, 카올리나이트, 몬모릴로나이트로 이루어져 있다. 지화학 모델링 결과, 이산화탄소의 주입 후 덮개암은 방해석의 용해로 인해 공극률이 증가하고 알바이트와 K-장석의 용해 결과 도소나이트와 은미정질 실리카(칼세도니)가 침전되었다. 주입이 완료된 두 번째 단계에서는 방해석과 알바이트의 용해 결과 도소나이트와 은미정질 실리카(칼세도니)의 침전이 일어나며, 이 반응으로 인해 pH는 증가하였다. 또한 덮개암에서 이산화탄소를 포획할 수 있는 광물은 도소나이트 임을 알 수 있었다. 이러한 연구 결과는 장기간의 이산화탄소 지중 저장에 있어 광물 포획의 효율성을 정량적으로 평가하는 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 자원환경지질
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• 제34권4호
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• pp.329-343
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• 2001

국내에서 가장 높은 용출온도를 보이는 경남 부곡 지열수에 대하여 Yun et al.(1998)에 의하여 기존에 발표된 수리화학 및 동위원소 자료를 토대로 지열수의 심부환경과 지화학적 진화과정을 재해석하였다. 부곡 지열수는 지화학적 특성에 따라 3가지 유형으로 구분되어 진다(지열수I,II,III형). 지열수I형과II형은 높은 온도(55.2~$77.2^{\circ}C$)를 보이며, 화학적으로 Na-$SO_4$형에 속하지만, pH와 Eh가 다소 차이가 나며, $SO_4$함량이 크다는 것이 특징이다. 지열수 중심지역으로부터 외곽부에서 산출되는 지열수 III형은 29.3~$47.0^{\circ}C$의 용출온도를 보이며, Na-$HCO_3SO_4$형을 나타낸다. 지열수 I형에 대하여 다성분계 지질온도계의 적용결과는 심부저장지의 온도가 115~$130^{\circ}C$인 것으로 추정되었다. 다양한 지화학적 특성을 보여주는 부곡 지열수의 지화학적 진화과정은 다음과 같이 해석될 수 있다. 첫째, 부곡지역보다 높은 지형에서 함양된 지하수가 심부로 순환하게 되면서, 퇴적암 또는 심부의 화강암과 물-암석 반응이 진행된다. 이때 퇴적층에 함유되어 있던 황산염 광물의 용해반응으로 지하수는 다량의 $SO_4$를 함유하게 된다. 둘째, 지하수가 계속 심부로 순환하는 과정에서 환원환경에 접하게 되어 $H_2$S가 생성되고, 심부열원에 의하여 약 13$0^{\circ}C$까지 가열되어 규산 염광물과의 반응정도가 높아진다. 이 때 pH는 상승하고 SO$_4$함량은 감소하게 되며, 방해석이 침전조건에 놓이게 됨으로써, 결국 지열수는 Na-SO$_4$형을 띠게 된다. 셋째, 이렇게 형성된 지열수가 유동로를 따라 상승하는 과정에서 덜 깊게 순환하는 지하수와 혼합과정을 거치게 된다. 지열수와 혼합되는 지하수는 퇴적층내 황철석의 산화반응에 의해 다량의 SO$_4$를 함유한 것으로 사료된다. 이렇게 형성된 지열수는 계속 상승하면서 천부환경의 지하수와 혼합되어 부곡지역내 다양한 지화학 특성을 보이는 지열수를 형성하게 된다.

• 자원환경지질
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• 제47권4호
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• pp.421-430
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• 2014

본 연구에서는 지중 유입된 이산화탄소가 심부 지질구조 내 지하 환경에 미치는 지화학적 및 광물학적 영향을 규명하기 위한 일련의 고압셀 실험이 수행되었다. 실험을 통하여 이산화탄소 지중저장 조건에 해당하는 $50^{\circ}C$와 100 bar의 고온 고압조건을 고압셀 내에서 구현하고, 초임계 $CO_2$-지하수-광물 시스템 내에서의 반응 실험을 실시하였다. 반응 실험은 최근 국내 이산화탄소 지중저장의 후보지로서 많은 연구가 진행되고 있는 포항분지에 널리 분포하는 광물 중 하나인 제올라이트와 지하 800 m에서 채취된 심지층의 지하수를 대상으로 수행되었다. 상온 상압 및 고온 고압 환경에서 30일간 진행된 $CO_2$-지하수-제올라이트 반응으로 야기된 광물과 지하수 시료의 지화학적 및 광물학적 변화는 XRD, XRF, ICP-OES 등의 분석을 통해 정량적으로 규명하였다. 실험의 결과는 초임계 이산화탄소의 용해로 조성된 산성 환경에서 제올라이트 시료의 용해 반응이 촉진되었음을 보여 주었다. 제올라이트 시료로부터 용출된 양이온 농도가 증가함에 따라 지하수 내 $H^+$가 소모되고, 반응 10일 이후에는 지하수의 pH가 10.35 까지 증가하였다. 또한 제올라이트 시료의 용해 반응으로 인해 지하수 내 용존 양이온의 농도는 전반적으로 증가하는 경향을 보였으나, Si는 산성조건에서 비정질 규산염으로 재침전되고, Ca는 양이온 교환과 방해석으로의 재침전으로 농도가 감소한 것으로 나타났다. 실험 과정을 통하여 초임계 이산화탄소의 유입이 대수층 내 구성 광물의 용해 특성, 지하수의 화학적 조성과 물성, 대수층의 광물학적 조성 등에 변화를 발생시킬 수 있음을 보여주었다. 또한 광물상의 용해/침전과 양이온 교환 등 지화학적 반응들이 지중저장 관련 지층의 암석과 지하수의 물리적 또는 화학적 변화에 중요한 역할을 담당하고 있음을 보여주었다.