충적층과 현무암에서의 염수 유입 및 CO₂ 누출에 따른 지하수 화학 변화 평가

국문 초록 (Abstract)

CO₂ 지중 저장 기술은 대수층 특성 및 격리 심도 등의 저장 환경에 따라 달리 적용될 수 있으며, 육상 지중 저장 방법의 경우 부지 적합성과 사회적 수용성 문제로 인해 해양 지중 저장 연구가 이루어지는 추세이다. 하지만 해양 지중 격리 시에도 CO₂ 누출 가능성이 여전히 존재하며, 염수층에 저장된 CO₂ 누출은 염수의 이동을 야기하여 염수-담수 경계면에서의 염수 유입을 촉진할 수 있으므로 이에 따른 영향에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 서로 다른 두 가지 지질매체 칼럼을 이용하여 염수 이동 및 CO₂ 누출이 대수층 수질의 지화학적 변화에 미치는 영향을 평가하였다. 지질매체 칼럼은 각각 전라북도 부안군 4기 충적토(Quaternary alluvium column; QA column)와 제주도 조면 현무암(crushed basalt column; CB column)을 이용하여 구성하였다. CO₂ 누출이 일어나 염수 이동으로 인해 인근 대수층에 유입되는 상황을 고려하여 동일 조건 하에서 각 칼럼에 유입수를 연속적으로 흘려 보내주었으며, 각 단계에서 채취한 칼럼 유출수의 pH, Eh, 전기전도도(electrical conductivity; EC), 알칼리도를 측정하였고, 주요 양이온 및 미량원소 분석을 실시하였다. 초반 배경 지하수 환경 모사를 위해 인공 지하수가 각 칼럼으로 유입됨에 따라 7.0~8.0 이내의 pH를 보여주었으며, CB column보다 QA column에서 비교적 높은 EC와 알칼리도를 나타내었다. 이후 10% 인공해수가 유입되면서 두 칼럼에서 공통적으로 pH와 알칼리도가 감소하였으며, EC는 약 6000 μS/cm 이상으로 높게 증가하였다. 또한 10% 인공 해수의 유입으로 인한 이온 교환 반응으로 인해 ΔCa는 증가하였으며, ΔNa는 감소하는 경향을 나타내었다. 추가적인 CO₂ 누출 영향을 알아보기 위해 CO2로 포화시킨 10% 인공해수 유입실험에서는 pH는 두 칼럼에서 6.5 이하까지 감소하였으며, EC와 알칼리도는 지질매체 용해와 pH 완충작용으로 인해 증가하는 양상을 나타내었다. 또한 낮은 pH의 10% 인공 해수 유입으로 인한 지질매체 용해 반응이 이온교환 반응보다 우세함을 지시하였다. 이후 다시 인공 지하수에 의한 재담수화 과정을 거치면서 pH는 점차 증가하였고 EC와 알칼리도는 감소하였으며 Ca-Na 이온 교환 양상은 이전 염수 유입 상황에서와 달리 ΔCa가 감소하는 양상을 나타내었다. 전체적으로 CB column에 비해 QA column에서 유입수와의 화학적 반응에 따른 변화가 빠른 양상을 보였다. 본 연구결과는 해수 영향권에서의 CO₂ 누출로 인한 대수층 지질매체내 광물 조성에 따른 지화학적 반응과 염수 이동에 따른 이온교환 반응을 통한 지하수 수질의 변화 양상을 제시함으로써 해양 지중 저장 시 CO₂ 누출 영향에 대한 기초 평가 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.