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강화 석모도 지역 온천수와 지하수의 수리지구화학 및 동위원소 특성

Title
강화 석모도 지역 온천수와 지하수의 수리지구화학 및 동위원소 특성
Other Titles
Hydrogeochemical, stable and noble gas isotopic studies of hot spring waters and groundwaters in the Seokmodo hot spring area, Ganghwa province, South Korea.
Authors
정윤정
Issue Date
2007
Department/Major
교육대학원 지구과학교육전공
Publisher
이화여자대학교 교육대학원
Degree
Master
Abstract
본 연구에서는 경기도 강화 석모도 지역에 분포하고 있는 주요 온천수에 대하여 수리지구화학적, 동위원소적 특성 및 영족기체의 동위원소 특성을 비교 분석하였다. 온천유형별 온천수의 생성환경, 대수층에서 온천수의 체제시간과 영족기체의 기원을 규명하기 위하여 석모도 온천 지역에서 4개의 온천수 시료와 온천공 주변에서 21개의 지하수, 7개의 지표수, 1개의 해수 시료와 4개의 온천가스 시료를 채취하여 현장측정과 용존이온, 산소, 수소, 황 안정 동위원소비, 헬륨, 아르곤 영족기체 동위원소비 분석연구를 실시 하였다. 석모도 지역 온천수의 pH는 6.42~6.77 범위의 약산성의 특성을 보이고 있으며 온천수의 온도는 43.3~68.6℃이다. 전기전도도는 60,200~84,300 ㎲/cm로 비교적 높은 값을 나타내고 있다. 온천수의 화학적 유형은 Na-Cl형이며 주요 양이온인 Na^(+)와 Ca^(2+)의 농도는 각각 5,365~7,154 mg/L, 3,677~4,860 mg/L 범위를 나타낸다. 높은 Ca^(2+) 농도는 Ca^(2+) 주요 요인으로 작용하는 화강암 내 사장석의 용해와 염수의 유입과 함께 석모도의 기반암인 선캠브리아기의 결정질 편암과 편마암 내에 협재되어 있는 Limestone의 용해에서 기인된 것으로 해석된다. 주요 음이온인 Cl^(-)은 14,487~18,503 mg/L의 범위로 Na^(+), Ca^(2+)농도와 함께 해수 혼입형 온천수의 특징을 나타내고 있다. 한편, 연구지역 지하수의 pH는 6.01~7.71 범위의 약산성을 보이며 시료 채취시의 온도는 5.10~20.8℃이다. 전기전도도는 65.3~454 ㎲/cm의 넓은 범위를 보인다. 지표수의 pH는 6.28~7.85 범위를 보이며 시료 채취 시 온도는0.6~27.5℃이다. 지표수의 전기전도도는 59.8~839 ㎲/cm의 넓은 범위를 보인다. 지하수의 화학적 유형은 Na(Ca)-HCO₃형에서 Na(Ca)-SO₄(Cl, NO₃)까지 다양한 유형을 보이고 있으며, 지표수는 Ca-HCO₃ 형으로 상이한 특성을 보인다. 연구지역 온천수의 산소 안정 동위원소비(δ^(18)O)와 수소 안정 동위원소비(δD)는 각각 -4.41~-4.47‰, -32.0~-33.5‰의 범위이다. 한편, 온천지역 지하수의 δ^(18)O와 δD값은 각각 -7.07~-8.55‰, -50.24~-59.6‰의 범위를 보인다. 지표수의 δ^(18)O와 δD값은 각각 -7.89~-8.61‰, -51.54~-59.8‰이다. 그리고 석모도 해수의 δ^(18)O와 δD값은 각각 -1.89‰, -16.5‰이다. 이들 온천수, 지하수, 지표수의 산소, 수소 안정 동위원소비는 모두 순환수 기원의 특성을 나타내고 있다. 또한 온천수의 산소, 수소 안정 동위원소비는 석모도 해수의 산소, 수소 안정 동위원소비와 지하수, 지표수의 산소, 수소 안정 동위원소비의 거의 중간값을 보이고 있다(Fig. 18). 이는 석모도 온천수가 석모도의 해수와 지하수, 지표수의 혼합에 의해 생성된 것으로 해석된다. 온천수의 황산염 이온(SO₄^(2-))의 황 동위원소비(δ^(34)S)는 23.1‰~23.5‰이다. 석모도 지역 해수의 황산염 이온의 황 동위원소비는 20.2‰로 세계 기타지역 해수의 황산염 이온의 황 동위원소비와 유사하다. 이 같은 사실은 석모도 온천수 중의 황산염(SO₄^(2-))의 황의 기원이 해수기원임을 나타내고 있다. 온천수 내에 용존되어 있는 온천가스 중 영족기체 헬륨 동위원소비(³He/⁴He)는 1.243x10^(-6)~1.299x10^(-6)㎤STP/g 이다. 온천수 중의 헬륨기원은 맨틀에서 유래하고 있음이 확인되었다. 또한 석모도 온천수는 유사한 헬륨동위원소비를 가지나 ⁴He/^(20)Ne 값은 다소 차이가 나타난다. 이는 천부기원 지하수와 온천수의 혼합 정도의 차이 때문으로 해석된다. 즉, ⁴He/^(20)Ne 비가 큰 온천공의 온천수일수록 영족기체 가스가 심부에서 유래하고 있음을 의미한다. 그러나 온천수 내 ^(40)Ar/^(36)Ar 동위원소 비는 298.25x10^(-6)~300.57x10^(-6)㎤STP/g로 대기기원의 값(296.0)과 매우 유사하여 주로 대기기원의 아르곤 혼입을 의미하고 있다. 그러나 헬륨 동위원소비에서와 같이 맨틀기원 아르곤의 징후도 보이고 있다. 맨틀기원 영족기체 동위원소비의 특성은 석모도 온천수의 열원에 중요한 정보를 제공하여 주고 있다.;The hydrochemical, stable and noble gas isotopic analyses for hot spring waters, groundwaters and surface water samples from the Seokmodo hot spring of the Ganghwa province were carried out to characterize the hydrogeochemical characteristics of thermal waters and to interpret the source of thermal water and noble gases and the geochemical evolution of the hot spring waters in the Seokmodo thermal system. The hot spring waters and groundwaters show a weak acid with pH ranging from 6.42 to 6.77 and 6.01 to 7.71, respectively. The temperature of hot spring waters in the Seokmodo hot spring area ranges from 43.3℃ to 68.6℃. Relatively high values of the electrical conductivities which fall in between 60,200 and 84,300 μS/cm in the Seokmodo hot spring waters indicate that the hot spring waters were mixed with seawater in the subsurface thermal system. The chemical compositions of the Seokmodo hot spring waters are characterized by a Na-Cl dominant water type. On the other hand, groundwaters and surface waters can be grouped into three types as the Na(Ca)-HCO₃, Na(Ca)-SO₄(Cl, NO₃) and Ca-HCO₃ types. The δ^(18)O and δD values of Seokmodo hot spring waters range from -4.41 to -4.47‰ and -32.0 to -33.5‰, respectively. Groundwaters in the Seokmodo hot spring area range from -7.07 to -8.55‰ in δ^(18)O and from -50.24 to -59.6‰ in δD. They are all plotted around the meteoric water line. The Seokmodo hot spring waters in which are characterized by unusually heavy isotope enriched imply that the thermal water was originated from the diffusion zone between fresh and salt waters. The δ^(34)S values (23.1 to 23.5‰) are very close to the sea water sulfate isotopic value(δ^(34)S=20.2‰)in this area. This means that the sulfur of hot springs is originated from the sea water sulfate. The ³He/⁴He ratio the hot spring waters vary from 1.243x10^(-6)㎤ STP/g to 1.299x10^(-6) ㎤ STP/g. Noble gas isotopic signatures suggest that the He gas in hot spring waters was originated from mantle source in part. Argon isotopic ratio (^(40)Ar/^(36)Ar=298x10^(-6)㎤ STP/g) in hot spring waters is in an atmospheric value. However, mantle source argon(^(40)Ar/^(36)Ar=301x10^(-6)㎤ STP/g) of hot spring water was traced in this hot spring area.
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