남한 탄산약수의 지구화학적 특성과 안정동위원소 조성

Abstract

남한에서 주로 산출되는 약수는 탄산을 다량으로 함유하는 탄산약수가 대부분이며 이러한 탄산약수는 강원도, 경상도, 충청도에 다수 분포하고 있다. 이러한 탄산약수의 화학성분 및 수질특성과 지역별 특성을 종합적으로 규명하고탄산약수의 탄소의 기원 및 물-암석 상호반응 연구를 위하여 전국에 분포하는탄산약수 30개소, 그 부근의 지하수 및 지표수 30개소, 총 60개 시료를 대상으로 수리화학 및 환경동위원소(수소, 산소, 탄소)분석을 실시하였다. 또한WATEQ4F 프로그램을 이용하여 물-암석 상호반응정도를 검토하였다. 탄산약수의 pH는 5.3 ∼ 8.0의 범위로 평균 pH는 6.2이다. 탄산약수의 전기전도도(EC)는 64.2 ∼ 3970μs/cm 범위에서 평균 695.5μs/cm로 주변 지표수 및 지하수의 평균값(90.4μs/cm)보다 현저히 높은 값을 가진다. 탄산약수내 주요 양이 온의 함량분포는 Ca^2+> Na^+>SiO_2>Mg^2+> Fe^2+>K^+, 주요음이온의 함량분포는 HCO_3^->SO_4^2->Cl^-의 순을 보인다. 국내 탄산약수는 화학적으로 Ca-HCO_3형에 속하며 탄산약수가 많이 산출되는 강원 지역의 선캄브리아기 변성암류 및 쥬라기 화강암지역과 경상퇴적분지내의 중생대 퇴적암류 및 화강암류 지역의 탄산약수는 서로 유사한 화학적 유형을 보이나 경상퇴적분지내의 퇴적암 및 화강암류지역의 탄산약수가 HC0_3^-가 더 우세한 특징을 가진다. 탄산약수의 기원은 약수지역 부근의 순환수 기원이며 탄산약수가 지형특성에따라 동위원소 고도효과 및 위도효과를 반영하여 위도 및 고도가 높은 강원도지역에서 산출되는 약수가 경상도 및 충청도 지역의 약수에 비해 상대적으로가벼운 동위원소비의 특성을 가진다. 탄산약수의 탄산의 δ^13C(PDB)의 값이 -6.23 ∼ -0.04%0범위이며 탄산약수내CO_2의 기원은 유기기원으로 추정되는 오전약수를 제외하고 모두 무기기원의지층내 탄산염암 또는 탄산염 광물의 용해에서 유래된 것으로 해석된다. 탄산약수는 탄산염광물인 calcite, aragonite, dolomite, magnesite와 규산염광물인 albite, anorthite, chlorite, diopside, taIc에 대하여 불포화상태를 유지하고있어 이들 광물들이 계속적인 용해작용이 진행되고 있음을 의미한다. 그 중dolomite, magnesite, anorthite, chlorite, diopside, talc에 대해서는 불포화 정도가 다소 크므로 앞으로의 수질화학에 계속 영향을 미칠 것으로 예측된다. 규산염 광물의 상안정도에서, 약수부근의 일반 지하수 및 지표수에서는kaolinite상이 안정하고 탄산 약수는 pyrophyllite 안정영역쪽으로 더 진행되어지하수 및 지표수와 구분되어 도시된다. 또한 탄산약수가 주변의 일반 지하수및 지표수에 비해 분산 도시되는 정도가 큰 것은 탄산약수가 보다 많은 물-암석 반응을 거친 것으로 해석된다.

; Field measurements and chemical- and stable isotopic analyses for sixty bicarbonated mineral water and surface water samples were carried out to investigate the hydrochemical characteristics, sources of dissolved ions including carbon species, and water-rock interaction. Based on the geologic setting, the bicarbonate mineral waters are divided into four groups as the Precambrian metamorphic rock and Jurassic granite of the Gyunggi massif in Gangwon province(G I), Mesozoic sedimentary rock and granic rock in the Gyungsang basin(G II), Meta-sedimentary rock and granic rock in the Ogcheon zone(GIII) and Precambrian metamorphic rock and Jurassic granite of the Gyunggi massif in the Gyunggi province(G IV). Most Korean bicarbonate waters are characterized by a Ca-HCO₃type with a relatively low pH ranges from 5.3 to 8.0 (av. 6.2). The concentrations of cations and anions in the carbonate waters are in the order of Ca^2+>Na^+>SiO₂>Mg^2+>Fe^2+>K^+ and HCO₃^- >SO₄^2- >Cl^- , respectively. The HCO₃- ions is more enriched in the bicarbonate mineral waters from G II than those of the G I. Based on the oxygen-hydrogen isotopic data, the carbonated mineral waters are derived from the meteoric water, showing latitude and altitude effects. The δ^13C values of carbon species in the mineral water are in between -6.23 and -0.04□, suggesting inorganic source of carbon originated from the carbonate mineral and carbonate rock in the aquifer. According to the saturation index, most chemical species in the carbonated mineral waters are undersaturated with respect to carbonate mineral and silicate mineral such as calcite, aragonite, dolomite, magnesite, albite, anorthite, chlorite, diopside and talc, except for some silica phases, kaolinite and pyrophyllite. Especially, dolomite, magnesite, anorthite, chlorite, diopside and talc are in strong undersaturation. In phase equilibrium of carbonates, dolomite and magnesite are in a stable state in carbonated mineral waters. Silicates and kaolinite minerals are in equilibrium with most groundwater and surface waters. Meanwhile, kaolinite and pyrophyllite minerals are saturated in the carbonated mineral waters. However, albite, calcite and chlorite minerals are in undersaturated. It imply that the chemical evolution of the carbonated mineral waters may continuously proceed with increasing pH.