호남지역 온천수의 수리지화학적, 환경동위원소 및 영족기체 동위원소 특성연구

Abstract

Geochemical and stable isotopic ( δ^(18)O, δD and δ^(34)S) and noble gas (He, Ne and Ar) isotopic analyses of 9 hot spring water samples (JR1, JRS1-3, HSS1, BS1 and DK1-3) and 3 groundwater samples from the Honam area were carried out to find out hydrogeochemical characteristics and evolution of the thermal waters, and to interpret the source of sulfur, helium and argon dissolved in the hot spring waters. The hot spring waters show relatively low temperature ranging from 23.0 to 30.5℃ and weak alkali in pH between 7.67 and 9.98. Electrical conductivity (E.C.) of hot spring waters is 153-746 μS/cm. A relatively high EC value (av. 746 μS/cm) in the Byunsan hot spring water indicates that the hot spring water was mixed with seawater in the subsurface thermal system. On the other hand, groundwaters in this area were characterized by the acidic to neutral characteristics in pH (5.85~7.21), and the wide Eh (-155~466mV) and E.C. (44~165 μS/cm) values. The geochemical compositions of hot spring waters and groundwaters can be divided into three groups: (1) the Na-HCO_(3) water type (JR1, JRS1-2, HSS1 and DK1-3), (2) the Na-Cl water type (BS1) and (3) the Ca-HCO3 water type (JR3). Hydrogen and oxygen isotopic data of the hot spring water samples indicate that the hot spring waters were originated from the local meteoric water, showing a latitude and altitude effects. The δ^(34)S values for SO_(4)^(2-) of the hot spring waters vary widely from 0.5 to 25.9‰. Igneous sulfur was included in hot spring waters in most hot springs of this area. However, sulfur of SO_(4)^(2-) in hot spring water from the JR1 has marine source sulfur which might be derived from the ancient seawater sulfate. The (3)^He/(4)^He ratios of the hot spring water range from 0.0143×10^(-6) to 0.407×10^(-6) cc/g which are plotted on the mixing line of end member between air and crustal components. It means that the He in the hot spring waters was originated from mostly crustal sources. However, the JR1 sample only show a little mantle source characteristics. The (40)^Ar/(36)^Ar ratios of hot spring water are in the range from 292.28 to 304.06, implying the atmospheric argon source. Based on the chemical compositions, stable and noble gas isotopic data, most hot spring waters in the Honam area were formed at the shallow groundwater and deep groundwater mixing ratiohydrological system. So hot spring waters in the Honam area were heat source geothermal gradients and decay of radionuclides in crustic rocks.;본 연구에서는 호남지역에 분포하는 변산 온천, 죽림 온천, 지리산 온천, 화순 온천, 도곡 온천 등 5개의 온천을 대상으로 9개의 온천수와 3개의 지하수 및 9개의 영족기체 동위원소 분석용 가스를 채취하였다. 본 연구의 목적은 호남지역 온천수와 지하수의 수리지화학적 특성을 밝히고, 산소-수소 동위원소비 및 황동위원소비 분석을 통하여 온천수의 기원 및 황의 기원을 해석하고자 하였다. 더 나아가 온천수내 영족기체 가스의 농도와 그들의 동위원소 조성비 분석을 통하여 휘발성 원소의 기원과 순환관계를 규명하고자 하였다. 호남지역 온천수의 심도는 400~650m 범위로 심부 암반 온천수이며, 온도는 23.0~30.5℃로써 우리나라 타 온천들에 비해 저온형 온천임을 보여준다. pH는 7.67~9.98 범위의 약알칼리성내지 알칼리성의 특성을 보인다. 전기전도도(E.C.)는 153~746 μS/cm의 다소 넓은 범위를 보인다. 온천수의 산화-환원전위(Eh)는 -67.0~189mV의 넓은 범위를 보이며, 용존산소는 0.0~4.8 mg/L의 비교적 낮은 값을 보인다. 온천수의 주요 양이온인 Na^(+)와 Ca^(2)^(+)의 농도는 11.9~118 mg/L과 1.6~47.6 mg/L 범위를 나타낸다. 주요 음이온인 중탄산염은 102~175 mg/L 온천수내 SO_(4)^(2)^(-)와 Cl^(-) 함량은 0.5~24.1 mg/L, 0.8~191 mg/L의 범위를 각각 보인다. DK1, DK2, DK3, BS1 온천수 시료는 다른 시료에 비해 높은 황산염 농도를 보인다. 지하수의 온도는 15.9~29.3℃의 범위를 보이며, 수리화학적 특성은 pH 5.85~7.21 범위의 약산성 내지 중성을 보이고, Eh는 -155~466mV의 넓은 범위를 보인다. 전기전도도(E.C.)는 44~165 μS/cm 범위를 가진다. 온천수의 화학적 특성은 JR1, DK1, DK2, DK3, JRS1, JRS2, HSS1은 Na-HCO3형, JRS3는 Ca-HCO3형, BS1는 NaCl유형 등 3가지로 분류된다. 온천수의 전체적인 진화과정은 Ca-HCO_(3)형에서 Na-HCO_(3)형으로 진화하고 있다. 온천수와 지하수의 δD와 δ^(1)8O 의 값은 -55.7~-65.0‰ 과 -8.3~-9.3‰의 범위를 각각 보이며, 순환수 기원의 특성을 나타내고 있다. 위도와 고도가 높아질수록 낮은 동위원소 값을 보이는 위도효과와 고도효과가 나타난다. 황동위원소 분석결과, 변산 온천의 황의 기원은 해수기원형, 죽림 온천은 퇴적기원과 과거 퇴적분지 형성 당시 함유된 염분에 의한 고해수의 혼합기원으로 해석된다. 화순 온천의 황기원은 화성기원과 퇴적기원의 혼합으로 보여지며, 도곡 온천의 경우 DK1,2는 화성기원, DK3는 화성기원과 더불어 강수기원으로 해석된다. 그리고 지리산 온천은 강수기원과 화성기원의 혼합기원으로 해석할 수 있다. 연구지역 온천가스에 대한 (3)^He/(4)^He 비는 0.0143×10^(-6) ~ 0.407×10^(-6) cc/g 의 범위를 보여주고, 대부분의 온천수내 가스의 (3)^He/(4)^He 비는 대기기원인 1.4×10^(-6) cc/g 값보다 낮은 값을 보인다. 이는 지각 암석기원의 (4)^He이 온천수로의 유입이 우세했음을 지시한다. JRS, DK 온천은 온천수 시료에 따라서 서로 다른 (4)^He/(2)^0Ne비를 보인다. 이는 온천수와 천부 냉수의 혼합비의 차이에 의한 것으로 해석된다. 죽림 온천은 두 개의 혼합선(대기-맨틀, 지각-대기)사이에 도시되어 He, Ne 동위원소가 3개의 단성분 사이에 혼합기원임을 지시한다. 온천수내 (40)^Ar/(36)^A 동위원소비는 292.3 ~ 300.3 의 범위로 대기기원의 값과 매우 유사하다. 연구지역 온천수내 헬륨, 알곤 등의 영족기체 가스 동위원소비 분석결과 연구지역 온천수의 열원은 방사성동위원소의 붕괴에 의한 열과 지온구배에 따른 것으로 판단된다.