풍기 지역 지하수의 수리지구화학 및 환경동위원소 특성 연구

윤성택,채기탁,고용권,김상렬,최병영,이병호,김성용 한국지하수토양환경학회 1998 지하수환경 Vol.5 No.4

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.

Geochemistry of Geothermal Waters in Korea: Environmental Isotope and Hydrochemical Characteristics I. Bugok Area

윤성택,고용권,김천수,소칠섭,Yun, Seong-Taek,Koh, Yong-Kwon,Kim, Chun-Soo,So, Chil-Sup The Korean Society of Economic and Environmental G 1998 자원환경지질 Vol.31 No.3

1995~1996년중 부곡 지열수 지역에서 채수한 유형별 자연수를 대상으로 수문지구화학 및 환경동위원소 연구를 수행하였다. 연구 지역에는 물리화학적으로 뚜렷히 구분되는 세 유형의 자연수, 즉 (1) 군접 I (지열수 지역의 중심부에서 산출되고 최대 $77^{\circ}C$의 용출 온도를 갖는 $Na-SO_4$ 유형), (2) 군집 II(외곽부에서 산출되며 다소 낮은 온도를 갖는 $Na-HCO_{3}-SO_{4}$ 유형) 및 (3) 군집 III(지표수나 천층 냉각 지하수로서 $Ca-HCO_3$ 유형)이 함께 산출된다. 군집 I은 Ia 및 Ib로 세분된다. 수문지구화학적 진화는 수 암 반응의 증가에 따라 군집 III$\rightarrow$II$\rightarrow$I의 순으로 진행되었다. 군집 II 및 III의 자연수는 비교적 낮은 수-암 반응, 특히 방해석 및 Na-사장석의 용해 반응에 의해 형성되었지만, 군집 I은 사장석, K 장석, 백운모, 녹려석, 황철석 등과의 높은 수-암 반응에 의해 형성되었다. 용존 황산염의 농도 및 황동위원소 조성은 지열수의 기원 및 전화를 해석하는데 중요한 정보가 된다. 용존 황산염은 퇴적 기원 황철석의 산화에 의해 생성되거나 (군집 Ib의 경우), 또는 열수의 상승 통로인 단열대에 존재하는 마그마 열수기원 황철석의 용해에 의해 생성되었다 (군집 Ia의 경우). 지열 저장지의 온도 규명을 위한 알칼리 이온 지옹계의 적용성은 화학조성을 변화시키는 요인들, 특히 마그네슘이 풍부한 지표수와의 혼합에 의해 제한된다. 그러나 다성분 광물/물 평형계에 대한 열역학적 계산 및 유체포유물 설험 결과, 심부 지열 저장지 (냉각중인 화성암체?)의 온도는 $125^{\circ}C$에 이르는 것으로 판단된다. 환경동위원소 (산소-수소, 삼중수소) 연구에 의하면, 자연수는 모두 상이한 충진 특성을 갖는 강우로부터 기원하였다. 특히 군집 Ia의 물은 심부 지열 저장지까지 심부 순환한 오래된 (40년 이상) 강우로부터 기원하였으며 지표부 물과의 혼합 정도도 낮다. 본 논문에서는 황산염이 풍부한 국내 지열수의 성인 및 진화에 관한 모델을 제시한다. Hydrogeochemical and environmental isotope studies were undertaken for various kinds of water samples collected in 1995-1996 from the Bugok geothermal area. Physicochemical data indicate the occurrence of three distinct groups of natural water: Group I ($Na-S0_4$ type water with high temperatures up to $77^{\circ}C$, occurring from the central part of the geothermal area), Group II (warm $Na-HCO_{3}-SO_{4}$ type water, occurring from peripheral sites), Group III ($Ca-HCO_3$ type water, occurring as surface waters and/or shallow cold groundwaters). The Group I waters are further divided into two SUbtypes: Subgroup Ia and Subgroup lb. The general order of increasing degrees of hydrogeochemical evolution (due to the degrees of water-rock interaction) is: Group III$\rightarrow$Group II$\rightarrow$Group I. The Group II and III waters show smaller degrees of interaction with rocks (largely calcite and Na-plagioclase), whereas the Group I waters record the stronger interaction with plagioclase, K-feldspar, mica, chlorite and pyrite. The concentration and sulfur isotope composition of dissolved sulfate appear as a key parameter to understand the origin and evolution of geothermal waters. The sulfate was derived not only from oxidation of sedimentary pyrites in surrounding rocks (especially for the Subgroup Ib waters) but also from magmatic hydrothermal pyrites occurring in restricted fracture channels which extend down to a deep geothermal reservoir (typically for the Subgroup Ia waters). It is shown that the applicability of alkaliion geothermometer calculations for these waters is hampered by several processes (especially the mixing with Mg-rich near-surface waters) that modify the chemical composition. However, the multi-component mineral/water equilibria calculation and available fluid inclusion data indicate that geothermal waters of the Bugok area reach temperatures around $125^{\circ}C$ at deep geothermal reservoir (possibly a cooling pluton). Environmental isotope data (oxygen-18, deuterium and tritium) indicate the origin of all groups of waters from diverse meteoric waters. The Subgroup Ia waters are typically lower in O-H isotope values and tritium content, indicating their derivation from distinct meteoric waters. Combined with tritium isotope data, the Subgroup Ia waters likely represent the older (at least 45 years old) meteoric waters circuated down to the deep geothermal reservoir and record the lesser degrees of mixing with near-surface waters. We propose a model for the genesis and evolution of sulfate-rich geothermal waters.

현동 광산의 열수 안티모니 광화작용 : 지화학적 연구

윤성택,최상훈,허철호,소칠섭,채기탁,김기욱 대한자원환경지질학회 1999 자원환경지질 Vol.32 No.5

현동 안티모니 광상능 소백산 육괴의 북동부 지역에 위치하며, 선캠브리아기 변성암류(주로 화강암질 편마암)에 발달하는 단층 열극을 단층 열극을 충진한 석영+탄산염 광맥 및 망상맥으로 산츨된다. 광맥 인접부에는 견운모화 및 규화 작용으로 특징되는 열수 변질대가 발달된다. 변질대 견운모의 K-Ar 연령은 139.2±4.4 Ma로서 백악기초의 광화 시기를 나타내는데, 광화작용은 산성 암맥(주로 석영 반암)의 관입과 관련되었으리라 사료된다. 열수 광화작용은 5회에 걸쳐 진행되었다. 광화1기에는 옥수질 석영이 침전되었다. 광화 2기에는 천금속(base-metal) 황화 광물 및 휘안석을 수반한 석영맥이 형성되었다. 광화 3기에는 휘안석, 농홍은석, 버티어라이트, 자연 안티모드, 구드문다이트, 울마나이트 등 다양한 함안티모니 광물이 석영 및 탄산염 광물(방해석, 돌로마이트, 앵커나이트, 능망간석)에 수반되어 정출되었다. 광화 4기에는 휘안석을 수반한 방해석이, 그리고 광화 5기에는 barren한 방해석이 침전되었다. 안티모니느 광화 2기에소 4기에 걸쳐 주로 휘안석으로 산출되며, 산점상, 세맥상 및 조립질 자형 결정 등 다양한 형태를 갖는다. 유체 포유물 연구에 의하면, 열수 광화작용은 ≤ 5.3wt % NaCl 상당 염농도의 유체로부터 120∼330℃의 온도에서진행되었다. 광화 유체의 온도 및 염농도는 광화작용의 진행과 더불어 점진적으로 감소하였는데, 이는 열수계 내로 다량의 순환 강우가 유입되었음을 지시한다. 함안티모니 광물의 침전은 비교적 저온(<250℃)에서 주로 유체의 냉각 및 휘석 작용에 의해 진행되었다. 광화 2기 초기에는 인지되는 유체의 비등현상에 의하여, 광화적용의 압력에 의하여, 광화작용의 압력은 비교적 낮았음(정수압 조건에서 약 350m의 심도에 해당하는 약 80 bar)을 알 수 있다. 광석광물의 조합에 대한 열역학적 고찰 결과, 안티모니 침전은 열수 유체의 온도 및 유황 분압의 감소에 기안하였다. 광화 유체의 활동위원소 조성(δ34SΣs)은 5.4∼7.8‰이었으며, 이는 화성 기원을 지시한다.

루빅스 큐브

윤성택 천년의시작 2004 (계간)시작 Vol.3 No.1

서해 연안지역 천부지하수의 수리지구화학: 연안 대수층의 해수 혼입에 관한 연구

윤성택,박세창,채기탁,이상규 한국지하수토양환경학회 2002 지하수토양환경 Vol.7 No.1

북부 소백산 육괴 지역에 부존하는 광산의 열수 금-은 광화작용

윤성택,지세정,소칠섭,허철호 대한자원환경지질학회 1998 자원환경지질 Vol.31 No.5

The Au-Ag deposit of the Oknam mine occurs as gold-silver-bearing rhodochrosite veins in biotite schist and phyllite of the Precambrian Yulri Group. Fove stages of ore deposition are recognized, each showinf a definite mineral assemblage. General mineral parageneses in veins (stage III) associated with gold and silver vary inwardly from the vein margin: arsenopyrite+pyrite→sphalerite+chalcopyrite+galena+gold→galena+Ag-bearing minerals. Fluids inclusion data indicate that temperature and salinity of ore fluids overally decreases with time: 345˚∼240℃ and 3.4∼7.8 wt. % NaCl equiv during stage I (quartz vein mineralization), 313˚∼207℃ and 2.3∼8.7 wt.% NaCl equiv during manganese-bearing carbonate stages (II and III), and 328˚∼213℃ and 3.6∼5.4 wt.% NaCl during stage IV (quartz vein mineralization). The ore fluids probably evolved through repeated pulse of boiling and later mixing with cooler and more dilute meteoric waters. Fluid inclusion data and geologic arguments indicate that pressures during the mineralization were in the range of 90 to 340 bars. Gold occurs as silver-rich electrums (21 to 29 atom.% Au) and was deposited at temperatures between 300˚and 240℃. thermochemical calculations suggest that gold was deposited as a combined result of increase in pH and decreases in temperature, fs₂and fo₂.

황승ㆍ1 외 2편

윤성택 고요아침 2007 열린시학 Vol.12 No.1

대학병원 지하주차장

윤성택 천년의시작 2004 (계간)시작 Vol.3 No.1

절기節氣 외 1편

윤성택 천년의시작 2015 (계간)시작 Vol.14 No.2

Mesothermal Gold Vein Mineralization of the Seolhwa Mine: Fluid Inclusion and Sulfur Isotope Studies

윤성택,소칠섭,최선규,최상훈,허철호,Yun, Seong-Taek,So, Chil-Sup,Choi, Seon-Gyu,Choi, Sang-Hoon,Heo, Chul-Heo 한국지구과학회 2001 韓國地球科學會誌 Vol.22 No.4

설화 광산의 중열수(中熱水) 금광상은 경기육괴의 화강암류내에 발달된 북동방향 단층 전단대를 충진한 괴상의 단성 석영맥내에 배태되어 있다. 설화 중열수 금광화작용(金鑛化作用)은 쥬라기 화강암류(161Ma)와 공간적으로 관련되어 있다. 맥상 석영은 3개유형의 유체포유물(流體包有物)을 포함하고 있다: 1) 저염농도(<5wt.% NaCl)의 액상 CO$_{2}$를 배태한 type IV 유체포유물; 2) 가스가 풍부(>70vol.%)하고, 기상으로 균질화하는 type II 유체포유물; 3) 소량의 CO$_{2}$를 포함하는 저내지 중염농도(0${\sim}$15 wt.% NaCl)의 type I 유체포유물. H$_{2}$O-CO$_{2}-CH$_{4}$-N$_{2}$-NaCl계 유체포유물은 250${\circ}\;{\sim}$430${\circ}$C 온도와 1kbar 압력에 해당되는 액상선을 따라 초기에 포획된 불혼화 유체를 지시한다. 정밀 유체포유물 연구에의하면, 함금 광화작용중 점진적인 압력감소가 발생했음을 알 수 있다. 수용성 포유물의 유체는 온도 및 압력감소로 인한 균질한 H$_{2}$O-CO$_{2}-CH$_{4}$-N$_{2}$-NaCl계 유체로부터 광역적인 유체의 불혼화(CO$_{2}-CH$_{4}$ 비등)작용을 거쳐 진화된 후기 유체이거나, 광화지역의 융기 및 삭박과 관련된 심부순환천수의 영향을 받았던 것으로 추정된다. 초기 유체는 균질한 H$_{2}$O-CO$_{2}-CH$_{4}$-N$_{2}$-NaCl계 유체로서 다음과 같은 특성을 보인다: >250$^{\circ}$${\sim}$430$^{\circ}$C, 0.16${\sim}$0.62의 X$_{CO}\;_{2}$, 5${\sim}$14mole% CH$_{4}$, 0.06${\sim}$0.31mole% N$_{2}$, 0.4${\sim}$4.9wt.% NaCl의 염농도. 설화 금광산의 온도-조성 자료는 설화 함금열수계가 화강암질 용융체와 인접한 부분에 정치되어 있었음을 지시한다. 이러한 화강암질 용융체는 CH$_{4}$ 형성을 촉진시켜 유체를 환원상태로 변환시킨 것으로 추정된다. 철황화물중 자류철석이 지배적으로 산출됨은 환원유체 상태를 지시하고 있다. 황화광물의 ${\delta}\;^{34}$S값(-0.6 ${\sim}$ 1.4$%_o$)은 황의 심부 화성기원을 지시하고 있다. Mesothermal gold vein minerals of the Seolhwa mine were deposited in a single stage of massive quartz veins which filled the mainly NE-trending fault shear zones exclusively in the granitoid of the Gyeonggi Massif. The Seolhwa mesothermal gold mineralization is spatially associated with the Jurassic granitoid of 161 Ma. The vein quartz contains three main types of fluid inclusions at 25$^{\circ}$C: 1) low-salinity (< 5 wt.% NaCl), liquid CO$_{2}$-bearing, type IV inclusion; 2) gas-rich (> 70 vol.%), aqueous type II inclusions; 3) aqueous type I inclusions (0${\sim}$15 wt.% NaCl) containing small amounts of CO$_{2}$. The H$_{2}$O-CO$_{2}-CH$_{4}$-N$_{2}$-NaCl inclusions represent immiscible fluids trapped earlier along the solvurs curve at temperatures from 430$^{\circ}$ to 250$^{\circ}$C and pressures of 1 kbars. Detailed fluid inclusion chronologies may suggest a progressive decrease in pressure during the auriferous mineralization. The aqueous inclusion fluids represent either later fluids evelved through extensive fluid unmixing (CO$_{2}-CH$_{4}$ effervescence) from a homogeneous H$_{2}$O-CO$_{2}-CH$_{4}$-N$_{2}$-NaCl fluid due to decreases in temperature and pressure, or the influence of deep circulated meteoric waters possibly related to uplift and unloading of the mineralizing suites. The initial fluids were homogeneous containing H$_{2}$O-CO$_{2}-CH$_{4}$-N$_{2}$-NaCl components and the following properties: the initital temperature of >250$^{\circ}$ to 430$^{\circ}$C, X$_{CO}\;_{2}$ of 0.16 to 0.62, 5 to 14 mole% CH$_{4}$, 0.06 to 0.3 mole% N$_{2}$ and salinities of 0.4 to 4.9 wt.% NaCl. The T-X data for the Seolhwa gold mine may suggest that the Seolhwa auriferous hydrothermal system has been probably originated from adjacent granitic melt which facilitated the CH$_{4}$ formation and resulted in a reduced fluid state evidenced by the predominance of pyrrhotite. The dominance of negative ${\delta}\;^{34}$S values of sulfides (-0.6 to 1.4$%_o$o) are consistent with their deep igneous source.