한국방사선산업학회

(1)

서

론

환경 중에 존재하는 동위원소는 물리적 과정과 생물 ─ ─ 25 ──

제주동북부 구좌수역 염지하수의 지화학적 및

동위원소적인 특성

송성준*∙박재우∙홍경애∙현해남∙고기원1_∙박원배2_∙김천수3 제주대학교 방사선응용과학연구소, 1_{제주도 광역수자원관리본부,} 2_{제주도발전연구원,}3_{한국원자력연구원,}

Isotopic and Geochemical Properties of Saline Groundwater

in the Gujwa Area of Jeju-do

Sung Jun Song*, Jae Woo Park, Gyung Ae Hong, Hae Nam Hyun, Gi Won Koh1_{, Won Bae Park}2_{and Chun Soo Kim}3

Applied Radiological Science Research Institute, Cheju National University, Jeju, Korea 690-756,

1_{Jeju Provincial Water Resources Management Office, Jeju 695-811, Korea} 2_{Jeju Development Institute, Jeju 690-732, Korea}

3_{Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon 305-353, Korea}

Abstract -- In order to delineate the properties of saline groundwater in the eastern part (Gujwa area) of Jeju-do, chemical and isotopic analyses of groundwater were done. The ionic molar ratios, Na/Cl, SO4,/Cl, Br/Cl , B/Cl and Sr/Cl of groundwater which have high concentrations of ionic

solutes near seashore showed the same values as those of seawater. The relations of Cl and Br, SO4, B or Sr in the groundwater were also in the dilution line of sea water with fresh

ground-water. These chemical signatures indicated that the groundwater become saline by mixing with seawater. The analysis of 18_{O, D,}11_B,87_Sr/86_Sr,34_S

SO4and

18_O

SO4gave the direct evidence on the

cause of the salinization of groundwater in the study area. δδ18O and δδD showed the mixing of fresh

ground water with sea water. δδ11_{B could be explained by the origin of saline water from the sea}

water. δδ34_S

SO4and δδ

18_O

SO4gave the evidence of intrusion of the modern sea water into the

ground-water. In addition, the value of 87_Sr/86_{Sr indicated that the salinization was not from the}

dissolu-tion of rock salts but the mixing between seawater and groundwater. The current ionic concentra-tions of groundwater that have been actively pumped out did not differed from the previous ones, which suggested that the salinization of groundwater in the study area was not only from the sea-water intrusion due to over-exploitation.

Key words : Groundwater, Salinization, Isotope, Coastal area

* Corresponding author: Sung Jun Song, Tel. +82-64-754-2313, Fax. +82-64-755-6186, E-mail. [email protected]

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학적인 반응에서 질량차이에 따른 분별 특성 (isotopic fractionation) 때문에 그 비가 변화한다. 물을 구성하는 수소와 산소 동위원소 뿐만 아니라 물에 함유되어 있는 동위원소는 그 기원, 증발 및 확산에 따라서 그리고 물 이 이동하거나 저류되는 동안에 지질 환경과의 상호반 응에 의해서 특징적인 동위원소 존재비를 갖게 된다. 따 라서, 지하수의 기원이나 오염특성 등을 알기 위해서는 지하수 중에 동위원소 존재비를 조사하는 것이 필요하 다. 2_{H (deuterium)}_과 18_O_{는 지하수의 기원, 함양, 염수화} 현상 등을 연구하는데 기본적으로 활용되어 왔다 (IAEA

1981; Acheampong and Hess 2000). 최근 들어 2_H

(deu-terium)과 18_O_{과 함께} 87_Sr/86_Sr,11_B,34_S_{등을 동시에 분석}

하여 지하수의 염수 기원, 혼합 및 오염 등의 연구결과 해석의 신뢰성을 높여 주고 있다 (Lyons et al. 1995; Ven-gosh et al. 1998; Barth 2000; Bohlke and Horan 2000; Grobe et al. 2000; Pennisi et al. 2000).

제주도와 같은 섬 지역에서 지하수 보전과 이용에 있 어서 가장 대두되는 문제점 중의 하나는 해수의 침투에 의한 지하수의 염수화 현상을 꼽을 수 있다. 구좌 및 성 산수역을 포함하는 제주도 동부 해안지역에는 염지하수 (saline groundwater)가 광범위하게 부존하고 있으며, 이 같은 현상은 지역의 용수공급은 물론 지역 산업 발전에 도 장애요인이 되고 있다. 2_H_과 18_O_{분석을 통해 동부} 지역 염지하수의 부존원인이 해수의 침투에 의한 가능 성이 크다는 사실 (유 등 1986)이 제기된 이 후 다양한 의견이 제시되어 왔던 바, 토양 및 사구층 내의 염분이 강수에 의해 용해되어 지하수에 혼입 (윤 1986), 지하수 의 과잉채수에 의한 해수의 침투 (Choi et al. 1991), 저 지하수위의 형성 또는 투수성이 양호한 유리질 쇄설암 층의 존재 등에 의한 자연적인 해수의 내륙으로의 이동 현상으로 해석되어 왔다 (고 1997; 고 등 2003). 그러나, 지금까지 동부 지역 지하수 중의 환경동위원소를 측정 하여 고염분 지하수의 부존원인을 구명하기 위한 노력 은 상대적으로 부족한 실정이다 따라서, 본 연구에서는 제주동부 구좌수역의 지하수 중의 2_H,18_O,34_Sso 4, 18_Oso 4, 87_Sr/86_Sr_또는 11_B_{의 환경동위원소와 화학분석을 실시하} 여 염지하수의 동위원소 및 지화학적인 특성을 알아 봄 으로써 지하수의 염수화 현상을 조사하였다.

조사지역의 수문지질

제주도 연평균 강우량은 1,800 mm이며, 동부지역은 연평균 강우량이 2,000 mm정도로써 제주도에서는 다우 지역 속한다. 동부지역은 내륙에서 해안까지 연결된 하 천이 없고 내륙 5~6 km 지역까지 지하수가 EL. 2 m 이 내에 매우 완만하게 분포하고 있으며, 염분함량이 높은 지하수가 산출되는 지역이다. 또한, 지하수위는 조석의 영향에 의해 하루 동안에도 30~40 cm의 변동을 지속적 으로 일으키고 있는데 반해 연간 수위 변동폭은 2 m 이 하에 그치고 있다. 제주 동부지 역은 평균 3 m 내외의 두께를 갖는 용암류가 누층을 이루며 해수면 하 90~ 150 m 깊이까지 분포하고 있으며, 지표의 99.4%가 투수 성이 좋은 파호에호에 (pahoehoe) 및 아아 (aa)용암류, 분 석구 등으로 이루어져 있다 (고 등 1983). 또한, 용암류와 용암류 사이에는 지하수의 흐름이나 저류에 영향을 미 치는 고토양층 등과 같은 투수성이 낮은 지층의 발달이 빈약할 뿐만 아니라, 해수면 하부에 유리쇄설성 각력암 층도 발달하고 하고 있어 해수가 내륙 쪽으로 유입할 수 있는 좋은 조건을 갖추고 있다 (고 등 1983). 특히, 지 하수의 부존형태는 물론 산출상태에 영향을 미치는 것 으로 알려진 서귀포층은 서부지역보다 2배나 깊은 해수 면 하 90~150 m에서 관찰되고 있는데, 이 같은 심도는 Ghyben-Herzberg (G-H)원리에 의한 담수지하수가 부존 할 수 있는 깊이를 초과하는 것으로서 이 지역에서 담-염수 경계면을 갖는 지하수체의 부존을 설명하는 중요 한 수문지질학적 특성으로 제시되고 있다. 동부지역은 담-염수 경계면을 갖는 기저 지하수체가 가장 광범위하게 부존하고 있는 지역이며, 내륙 쪽으로 의 그 분포 범위는 최대 10 km에 이르고, 수직적으로는 담수 지하수, 저 염 지하수 및 염수지하수의 3가지 유형 의 지하수체가 부존하고 있으며, 담수 지하수체의 두께 는 해안에서 내륙으로 갈수록 두터워지는 현상을 뚜렷 하게 나타내는 것으로 알려져 있다. 또한, 담수 지하수체 의 두께 비율은 최소 1 : 13, 최대 1 : 31, 평균 1 : 19로 조 사되어 일반적인 G-H 비보다 훨씬 얇은 것으로 밝혀졌 다 (고 등 1983). 이처럼, 담수렌즈의 두께가 얇게 형성되 는 주된 원인은 이론적인 G-H 비에 의해 담수렌즈가 형 성될 수 있는 깊이 이하에 저투수성 지층인 서귀포층이 분포하고 있고, 포화대를 이루고 있는 화산암류의 투수 성이 매우 크기 때문이라고 보고하고 있다 (고 등 1983).

재료 및 방법

1. 시료채수 및 여과 제주 동부 구좌지역의 지하수 10개소 (S1, S2, S3, S4, S5, S7, S8, S9, S10, S11), 용천수 1개소 (S6) 및 해수 1개 소 (S12)를 물 시료 채취장소로 하였다. S4와 S5 지하수, S12 해수 시료는 수동채수기를 이용하여 두 가지 심도

(3)

(S4-1 50 m, S4-2 100 m, S5-1 45 m, S5-2 100 m, S12-1 0 m,

S12-2 20)로 나누어 채취하였다. 그 외 지하수는 관정에

설치된 양수펌프를 가동하여 우회 경로관으로 방류시키 는 물의 수온이 일정할 때 채수하였고, 용천수는 물이

Table 1. Chemical compositions of water samples collected from the study area.

Sample Descrip- Eleva- Depth Water Temp. pH EC Na++ _K++ _Ca2++ _Mg2++ _Sr2++ _Cl- _Br- _SO

42++ NO3- B3++ HCO3 -No. tion tion (m) (m) level (m) �C µS cm-1 _{mg l}-1 _{mg l}-1 _{mg l}-1 _{mg l}-1 _µ_{g l}-1 _{mg l}-1 _{mg l}-1 _{Mg l}-1 _{mg l}-1 _µ_{g l}-1 _{mg l}-1

S1 GW� ₃₀₅ ₃₂₀ ₂₃₄ ₁₆ _7.7 ₉₀ ₇ ₃ ₅ ₄ ₂₈ ₇ _* ₂ _2.5 ₁₄ ₄₀ S2 GW 240 270 204 15 7.5 75 7 2 4 3 18 7 * 2 3.8 13 30 S3 GW 132 171 131 15 7.5 81 7 2 4 3 21 8 * 2 4.7 13 31 S4-1 UGW� ₄₆ ₁₀₅ ₄₄ ₁₆ _7.6 ₆₀₇ ₈₇ ₅ ₁₀ ₁₃ ₈₉ ₁₄₉ _0.5 ₂₅ _5.4 ₅₆ ₃₃ S4-2 LGW - - 16 7.5 24000 5200 209 276 736 4140 9744 34.5 1609 1.8 1723 105 S5-1 UGW 44 120 43 16 7.6 420 63 5 11 14 95 120 0.4 20 18.7 43 37 S5-2 LGW� _- ₁₆ _7.4 ₁₈₈₀₀ ₃₈₄₅ ₁₆₅ ₁₆₂ ₄₈₃ ₂₄₂₀ ₆₄₅₁ _24.5 ₁₁₃₉ _6.9 ₁₇₄₀ ₆₆ S6 SW� ₀ ₂₀ ₃₀ ₁₇ _7.7 ₁₇₈₇ ₂₃₉ ₁₃ ₄₀ ₃₇ ₃₃₃ ₄₄₅ _1.5 ₇₄ _59.2 ₁₁₁ ₆₇ S7 GW 85 120 96 16 8.0 324 25 4 26 9 66 78 0.3 10 6.3 12 46 S8 GW 30 20 30 16 7.6 1285 209 11 23 34 226 404 1.3 60 15.7 77 47 S9 GW 155 170 147 16 7.7 127 10 3 7 6 39 13 * 3 5.3 10 58 S10 GW 77 100 72 16 7.8 350 33 4 12 12 105 72 0.3 14 12.5 14 43 S11 GW 55 75 51 16 7.9 603 84 6 6 17 133 152 0.5 26 14.5 40 42 S12-1 USEW� ₀ ₀ ₀ ₁₆ _8.2 ₄₃₃₀₀ ₁₀₁₀₀ ₄₅₅ ₄₁₅ ₁₂₅₉ ₆₆₆₀ ₁₉₀₀₀ _72.0 ₂₉₃₆ _0.5 ₃₉₅₀ ₁₄₃ S12-2 LSEW� ₀ ₆₀ ₀ ₁₆ _8.2 ₄₃₃₀₀ ₉₇₅₀ ₄₂₈ ₄₁₉ ₁₂₄₁ ₆₃₃₀ ₁₇₉₅₂ _64.0 ₂₈₀₁ _0.5 ₃₉₉₀ ₁₄₃

�_{Abbreviations have the following signification; GW=}_{=groundwater, UGW=}_{=Upper layer of same sample-numbered groundwater, LGW=}_{= Lower layer of same}

sample-numbered groundwater, SW==Springwater, USEW==Upper layer of same sample-numbered sea water, LSEW== Lower layer of same sample-numbered

sea water.

��_{S4-1, S4-2, S5-1, S5-2, S12-1 and S12-2 samples were collected at 50, 100, 45, 100, 0 and 60 m in depth, respectively.}

*: not detected

Fig. 1. (I) Sampling locations of study area in the eastern part of Jeju Island. (II) A schematic geological cross section and occurrence of

groundwater (after Koh 1997). SGF and UF stand for Seogwipo and U formation, respectively.

(I) N S4-2 50 m 100 m 150 m 200 m 250 m 300 m 350 m S4-1 _S5-2 S5-1 S12-1 S12-2 S8 S11 6 km S10 S7 S9 S3 S2 S1 S6 KOREA JAPAN Jeju Island Jeju-si Seogwipo-si w Lower parabasal groundwater SGF Basement groundwater UF BASEMENT Sea Upper parabasal groundwater Basal groundwater 0 (m) -100 -200 -300 -400 -500 -600 0 (m) -100 -200 -300 -400 -500 -600 E High level groundwater

Jeju-do Mt. Halla Legend symbol Cl (mg l-1₎ 400~500 ¤6,000 Sea water (II)

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흐르는 상류에 채수병을 직접 담가 채취하였다 (Table 1, Fig. 1). 분석용 물 시료는 폴리카보네이트 재질의 시료 병에 채수하였으며, 수소와 산소동위원소 분석용을 제외 하고 실험실에서 0.45µm 막여과지로 여과하여 4�C에 저장하였다. 2. 화학분석

수온은 수은 온도계로, pH는 pH meter (Orion 250A,

USA)로, 그리고 전기전도도는 전기전도도계 (Orion 115,

USA)로 현장에서 채수 즉시 측정하였다. 물시료 중의

Na와 K는 원자흡광분광광도계 (Perkinelmer 2380, USA) 로 분석하였고 Ca, Mg, Sr 및 B함량은 유도결합플라스마 분광광도계 (Jobin Yvon JY138 ultrace, France)로 측정하 였다. Cl, SO4, Br 및 NO3함량은 이온크로마토그라프

(Dionex DX-500, USA)로 분석하였고 HCO3함량은 0.05

N H2SO4로 중화적정을 실시하여 측정하였다. 3. 환경동위원소 측정 물 시료 중의 δD, δ18_O,δ34_S SO4와 δ 18_O SO4는 파스키탄 의 PINSTECH에 의뢰하여 분석하였는데, δD는 물에 촉 매 (Zn)를 가하여 고온에서 환원반응을 일으켜 수소 (H2) 를 발생시킨 뒤 이를 질량분석법으로 측정하였고

(Cole-man et al. 1982) V-SMOW를 reference물질로 사용하였

다. δ18_O_{은 CO}

2-H2O equilibrium 방법 (H218O++CO2↔

H216O++C18O16O)으로 H218O를 C18O16O로 변환시킨 뒤

질량분석을 행하였고(Epstein and Mayeda 1953), V-SMOW 를 reference물질로 사용하였다. 또한, δ34_S SO4와δ 18_O SO4는 물 시료를 염산 (1 : 1)으로 산성화시킨 뒤 BaCl2를 첨가 하여 BaSO4형태의 침전을 얻어 질량분석을 행하였다

(Aggarwal et al. 1998). 이때 reference 물질은 CDT와

V-SMOW를 각각 사용하였다. δD, δ18_O,δ34_S

SO4와 δ18OSO4 의 분석오차는 ±1‰, ±0.1‰, ±0.15‰, ±0.2‰였다. δ11_B_{는 미국 지질조사국에서 negative thermal ionization}

mass spectrometry로 측정되었으며, 표준물질로 NBS951

를 사용하였고 (Vengosh et al. 1998) 분석오차는 1‰ 이

하였다. 87_Sr/86_Sr_{은 한국기초과학분석지원센터에서 Sr 분}

리용 양이온 교환수지로 Sr를 분리한 뒤 mass

spectro-metry 방법으로 측정하였다(Vengosh et al. 2002). NBS987

표준물질에 대한87_Sr/86_Sr_{분석오차는 0.710228±0.000015} (N==22, 2s standard error) 범위였다. 모든 안정 동위원소 (D, 18_O,34_S,11_B)_{의 조성은} δ₍_{델타)로 표현하였으며, 일} 반적인 계산식은 δ(‰)==(R시료/R표준물질_-1)*103_{으로 나타} 냈다. R시료는 시료 중의 해당 동위원소의 존재비이고 R표준물질는 표준물질 중의 해당 동위원소 존재비를 의미 한다.

결과 및 논의

1. 이화학적 분석결과 1) 수온, pH, 전기전도도 값 및 무기이온 함량 조사 대상 지역의 지하수 및 용천수 중의 수온, pH, 전기전도도, Na, K, Ca, Mg, Sr, Cl, Br, SO4, NO3, B, HCO3

함량은 Table 1과 같다. 수온은 15~16�C이며 pH는 약 알카리성인 7.4~7.9 범위를 보였다. 지하수와 용천수의 전기전도도값을 기준으로 분류하면 3그룹으로 나눌 수 있다. 즉, 130µS cm-1_{미만 (Na⁄10 mg l}-1_{, Cl}_{⁄13 mg l}-1₎ 인 1그룹 (S1, S2, S3, S9), 300~600µS cm-1_{범위 (Na=}₌ 20~80 mg l-1_{, Cl=}_{=70~150 mg l}-1₎_{의 2그룹 (S4-1, S5-1,} S7, S10, S11) 그리고 1200~1700µS cm-1_{범위 (Na=}₌₂₀₀ ~250 mg l-1_{, Cl=}_{=400~450 mg l}-1₎_{인 3그룹 (S6, S8)으로} 구분된다. 또한, S4-1과 S5-1지하수의 하부 심도 100 m 에서 채취한 S 4-2 와 S5-2 지하수의 전기전도도 값은 각각 18,800과 24,000µS cm-1_{범위였고 Na와 Cl농도는} 각각 3,845~5,200 mg l-1_{, 6,451}_{~9,744 mg l}-1_{였다. 해안} 에서 4.6 km 이상 내륙 쪽 130 m 이상의 표고에 분포한 S1, S2, S3 관정 지하수의 전기전도도 값과 Na, K, Ca, Mg, Cl, SO4함량은 제주도의 전형적인 배경 지하수의 수질 (Na==5 mg l-1_{, K=}_{=1.8 mg l}-1_{, Mg=}_{=3 mg l}-1_{, Ca=}_=3.5 mg l-1_{, Cl=}_{=5 mg l}-1_{, SO} 4==1.6 mg l-1)을 보이고 있다 (제 주도 1999). 한편, 15년 또는 20년 전에 개발되어 꾸준히 사용되고 있는 S7과 S10, S11 관정 지하수의 양이온과 음이온 함량은 개발 당시와 (유 등 1986, 1991) 거의 같 은 값을 보였다. 이는 도서지방에서 흔히 발생하는 과잉 채수로 인한 해수의 침입현상이 조사했던 관정에서는 현재까지 거의 발생하지 않았다는 것을 시사하는 것이 다. 2) 양이온과 음이온의 몰비와 당량조성분율의 특성 일반적으로 알려진 해수의 화학조성에서 양이온과 음 이온의 몰농비를 계산하여 보면 Na/Cl 몰 농도비는 0.86 이며, Mg/Ca 비는 5.2, Mg/Cl 비는 0.10, K/Cl 비는 0.02, Ca/Cl 비는 0.02 , SO4/Cl 비는 0.05, Br/Cl 비는 15×10-4, B/Cl 비는 7.5×10-4_{이라고 알려져 있는 데, 제주동부지} 역 해수의 무기이온 조성비도 이와 매우 유사한 값 (Na/ Cl==0.83, Mg/Ca==4.9, Mg/Cl==0.11, K/Cl==0.02, Ca/Cl== 0.02, SO4/Cl==0.058, Br/Cl==15×10-4, B/Cl==7.5×10-4)을 가지고 있다 (Table 2). 해수의 침입으로 생긴 염 지하수와 용천수의 몰비는 해

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수의 것과 비슷하거나 해수보다 낮은 Na/Cl, SO4/Cl, K/Cl,

B/Cl 비와 높은 Ca/Mg 비를 갖는다 (Jones et al. 1999). 염

분함량이 낮은 S1, S2, S3, S4 관정 지하수의 Na/Cl 비는 1.24~1.51 범위를 보였다. 또한, 이들 관정보다 염분함량 이 수배 이상 높았던 관정 지하수중 S4 (4-1, 4-2), S5 (5-1, 5-2), S6, S8, S11 지하수는 그 비가 해수의 조성과 거 의 비슷하였으나 S7, S10관정 지하수는 해수의 비보다 낮은 경향을 보였다 (Table 2). Mg/Ca 비인 경우 염분함 량이 높은 지하수중에서 S4-2, S5-2, S11는 해수의 조성 과 비슷하였으나 그 외의 지하수는 Mg에 비해 Ca 함량 이 높았기 때문에 해수의 조성보다 적은 함량을 보였다. 이처럼 관정에 따라 상대적인 Na함량 또는 Ca 함량이 낮거나 높아지는 것은 대수층에서 Na-Ca간에 교환반응이 일어나고 있음을 시사하는 것이다(Hounslow 1995). 실제

Table 2. Ionic molar ratios of water samples collected from the study area.

Sample No. Na/Cl Mg/Cl K/Cl Mg/Ca Ca/Cl Br/Cl SO4/Cl B/Cl HCO3/Cl Sr/Ca Sr/Cl

×104 _×104 _×104 _×104 S1 1.51 0.78 0.32 1.23 0.64 - 0.11 63.4 3.21 24.6 15.6 S2 1.45 0.58 0.24 1.35 0.43 - 0.11 57.2 2.33 23.1 9.9 S3 1.48 0.58 0.25 1.37 0.43 - 0.11 54.6 2.23 25.7 10.9 S4-1 0.90 0.13 0.03 2.20 0.06 15.2 0.06 12.2 0.13 42.5 2.4 S4-2 0.82 0.11 0.02 4.39 0.03 15.7 0.06 5.8 0.01 68.5 1.7 S5-1 0.81 0.18 0.04 2.08 0.08 15.7 0.06 11.9 0.18 37.7 3.2 S5-2 0.92 0.11 0.02 4.91 0.02 16.9 0.07 8.9 0.01 68.2 1.5 S6 0.83 0.12 0.03 1.51 0.08 15.0 0.06 8.2 0.09 38.3 3.0 S7 0.49 0.17 0.04 0.59 0.29 14.7 0.05 5.1 0.34 11.8 3.5 S8 0.80 0.12 0.02 2.43 0.05 14.0 0.06 6.3 0.07 45.2 2.3 S9 1.24 0.70 0.19 1.53 0.45 - 0.08 25.6 2.58 26.9 12.2 S10 0.71 0.24 0.05 1.64 0.15 16.2 0.07 6.3 0.34 40.4 5.9 S11 0.86 0.16 0.03 4.41 0.04 15.7 0.06 8.6 0.16 98.0 3.6 S12-1 0.82 0.10 0.02 4.99 0.02 16.8 0.06 6.8 0.00 73.2 1.4 S12-2 0.84 0.10 0.02 4.88 0.02 0.06 7.3 0.00 69.0 1.4 -: not calculated 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 100 10 1 0.1 0.01 0.1 1 10 100 1000 0.1 1 10 100 1000 Cl [mM] 0.1 1 10 100 1000 Cl [mM] 0.1 1 10 100 1000 Br [mM] B [mM] SO 4 [mM] Sr [mM]

(6)

로 S7, S9, S10관정 지하수는 해수가 담수 지하수와 섞 일 때 일어나는 이온교환반응 (2Na++₊₊ Ca-Clay→Na2 -Clay++_Ca2++ )에 의해 지하수중의 Ca농도가 높아 졌다. 이 는 Cl 농도로 부터 산정한 해수와 지하수의 혼합율을 근 거로 계산된 지하수중 Na, Ca, Mg, K에 대한 이론치와 실제 측정치의 차이로부터 확인할 수 있었다 (data not shown). Br은 폐기물 등의 혼입에 의한 영향이 없는 한 지하 수중의 그 함량은 매우 낮고 대수층의 암석과 이온교환 반응 등의 이차반응을 하지 않는다. 따라서 Br/Cl 비는 지하수가 해수 등의 염수와 혼합될 경우 해수 또는 염 수의 그 비를 반영하기 때문에 염수화의 기원을 알아 내는 데 사용될 수 있다. 담수 지하수 (S1, S2, S3,S9)의 Br농도는 검출 하한값을 가졌기 때문에 Br/Cl의 계산이 곤란하였으나 염분함량이 높았던 지하수의 Br/Cl 비는 해수의 비와 동일한 값을 보였는 데, 지역 특성상 특별 한 다른 Br 오염원이 없기 때문에 지하수와 해수와의 단순혼합을 의미하는 것이다. SO4/Cl와 B/Cl 비인 경우 염분함량이 높았던 지하수 (S4-1, S5-2, S7, S8, S10, S11) 또는 용천수 (S6)들이 해수의 비와 비슷한 경향을 보였 다 (Table 2). 또한, Br, B, Sr 또는 SO4와 Cl과의 관계에서 염분함량이 높은 지하수들이 두 양단 (담 수-해수) 조성 사이의 직선상에 위치하고 있는 것은 (Fig. 2) 지하수의 염수화 과정이 다른 기원이 없는 해수와 단순한 혼합일 가능성이 높은 것으로 사료된다.

또한, expanded Durov diagram(Durov 2000)에 의해서 지하수의 지화학적 분류를 하여 보면 조사지역 지하수 와 용천수는 Ca.HCO3와 Na.Cl로 형태로 분류되었고 염 분함량이 높은 것은 해수 또는 염수와의 단순 혼합에 의한 것임을 나타냈다. S8, S11지하수는 담수와 해수의 혼합과정에서 앞서 해수의 혼합율을 가지고 계산한 Na++ 와 Ca2++ 의 이론치와 측정치와의 차이와 마찬가지로 이 온교환 (Na-Ca) 반응에 의해 Na∙Ca∙Cl형태를 보이고 있다 (Fig. 3). 2. 동위원소 분석 결과 1) 산소 (18_{O) 및 수소동위원소 (D)} 4월에 채수한 해수, 지하수 또는 용천수의 δ18_O_함량을 보면 Table 3과 같다. 해수는 0.20‰ 내외, 지하수와 용천 수는 -3.05~-6.80‰을 나타냈다. 또한, 해수중의δD함 량은 -1.1‰ 내외이며 지하수와 용천수는 -22.4~-46.8‰ 범위를 보였다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 해수, 용천수 및 지하수의δ18_O_와 δ_D_{함량은 직선적인 관계를} 보이면서 지역 평균 강우선상에 있으며 (Lee et al. 1999) HCO3, SO4, Cl 50% HCO3, SO4, Cl 50% Ca, HCO3 100% Mg, Ca, Na 50% SO4 100% Mg 100% Mg, Ca, Na 50% Na 100% Cl 100% Ion-exchange Reverse Simple dissolution or linear mixing Ion-exchange

Fig. 3. Expanded Durov diagram. The symbols have the same

indications as Fig. 1.

Table 3. Isotopic compositions of water samples collected from the study area.

Sample No. δ18O‰ δD‰ δ34S‰ δ18OSO4‰ δ11B‰ 86_Sr/87_Sr (V-SMOW) (V-SMOW) (CDT) (V-SMOW) (NBS951)

S 1 -6.80 -43.29 12.37 10.09 * * S 2 -7.09 -46.85 11.43 10.46 * * S 3 -6.86 -45.89 11.25 11.32 33.97 0.70523 S 4-1 -6.73 -44.37 18.74 10.79 40.46 0.70807 S 4-2 -3.05 -22.40 18.58 9.34 42.96 0.70904 S 5-1 -6.64 -44.27 18.13 9.60 42.21 0.70776 S 5-2 -3.77 -27.31 19.99 10.49 40.96 0.70909 S 6 -6.32 -44.47 18.39 * 43.21 0.70871 S 7 -6.48 -41.77 18.22 9.93 36.96 0.70594 S 8 -6.47 -42.67 18.92 12.05 45.95 0.70810 S 9 -6.55 -42.85 13.58 10.83 35.21 0.70577 S 10 -6.22 -41.09 18.06 10.16 50.70 0.70689 S 11 -6.43 -43.59 18.22 8.18 47.70 0.70753 S 12-1 0.20 -1.14 19.57 10.58 * * S 12-2 0.22 -1.09 18.34 11.03 * * *: not determined

(7)

무기이온 함량이 높은 지하수는 그 함량이 낮은 지하수 와는 다른 독립적인 그룹을 형성하고 있으며 해수와 담 수의 혼합라인선상에 있으면서 해수조성 쪽으로 더 많 이 향하여 있다. 한편, Cl과 δ18_O_{의 관계에서도 염분함량} 이 높은 지하수는 담수와 해수사이에 독립적인 그룹을 형성하고 있으며, 이는 지하수의 염수화 과정이 해수와 의 단순혼합에 의해 일어났음을 시사한다 (IAEA 1981). 두 양단의 농도를 갖는 담수지하수 (S1)와 해수 (S12-1) 의 Cl 함량을 가지고 염지하수의 해수와의 혼합율을 계 산하였을 때 관정마다 다소 차이가 있기는 하나 해안에 위치한 관정일수록 더 컸고 그 값은 0.03~2.31% 범위 였다. 또한, S4-1와 S5-1 지하수의 하부 지하수인 S4-2와 S5-2의 혼합율은 각각 51과 34% 정도 였다. 2) 황 동위원소 (34_S) 물 중에 용해되어 있는 SO4중에δ34SSO4는 그 기원에 따라 특징적인 함량을 보인다. 육상 증발물의 기원인 경 우 δ34_S SO4는 -15~++10‰을 보이며, 대기 기원의 경우 -5~++_10‰_{범위를 나타내고 해수 중에는} ++_20‰_정도

함유되어 있다 (Clark and Fritz 1997). 이러한 자연계의

분포특성 때문에 SO4중의 δ34SSO4를 분석하여 용존 황 의 기원을 알아내는 데 사용될 수 있다. 그러나, 환원상 태의 물 중에서는 SO4가 생물학적 작용에 의해 그 농도 가 변할 때에도δ34_S SO4함량이 변하여 기원이 상이한 물 의 단순혼합을 평가하는 데 곤란한 경우도 있다. 본 연 구에서 염분함량이 낮은 지하수의 δ34_S_{함량은 11.3~} 14.0‰ 보였고 고염분 지하수의 함량은 해수의 조성에 비슷한 18.1~20.0‰을 나타내고 있다 (Table 3). 따라서, 지하수 또는 용천수중의 δ34_S_{함량은 해수의 기원을 의} 미하는 것이며 SO4/Cl과는 직선적인 역상관 관계 (Fig. 5)를 유지하고 있는 것으로 보아 고염분화 현상은 해수 와 단순혼합에 의한 것임을 나타냈다. 또한, 현생해수의 δ34_S SO4와 δ 18_O SO4조성은 각각 20과 10‰ 범위의 값을

보이는 것으로 알려져 있으며 (Clark and Fritz 1997), 염 지하수 중의 δ34_S SO4와 δ 18_O SO4조성이 이와 비슷한 경향 을 보인 것은 배경지하수가 염지하수로의 진화가 현생 해수와의 혼합에 의한 것임을 시사하였다. 3) 붕소 동위원소 (11_B) 자연계에는 두가지 붕소 동위원소 (10_B,11_B)_{가 있다.} 수용액에서는 pH, 염도, 양이온의 농도에 따라 B(OH)4-,

B(OH)30, polyborate이온, borate[(Na-Ca-Mg)B(OH)4++)]의

형태로 존재하며 정상적인 pH 조건에서 11_B_{은 수용액중} 의 B(OH)3에 10B은 고체상의 B(OH)4-에 선택적으로 치 환되어 들어가기 때문에 수용액 중에 δ11_B_{함량은 높아} 지게 된다 (Aggarwal et al. 1998). 이러한 동위원소 분별 작용으로 해수의 δ11_B_{는 40‰ 이상의 값을 보이며, 육상} 10.0 0.0 -10.0 -20.0 -30.0 -40.0 -50.0 0.0 -2.0 -4.0 -6.0 -8.0 Fresh water 0.5% 2.5% 50% Sea water Mixing with sea water -8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 δ18_{O [‰ V-SMOW]} 0.1 1 10 100 1000 Cl [mM] LMWL

Mixing with sea water

δ D [‰ V-SMOW] δ 18O [‰ V-SMOW]

Fig. 4. Plots of 18_{O-D and}18_{O-Cl. LMWL represents the local meteroric water line for rainy season rainfalls in Cheju island (Lee et al. 1999).} Numbers indicate mixing fractions of seawater in the salty groundwater, as calculated with Cl concentrations in two end-members (S1 fresh groundwater and S12-1 seawater). The symbols have the same indications as Fig. 1.

25 20 15 10 5 0 δ 34 S [‰ CBT] 0 0.05 0.1 0.15 SO4/Cl [mM] Fig. 5.34_S-SO

(8)

암석은 0~5‰, 지하수는 -16~2‰ 그리고 해양기원이 아닌 염수는 0~15‰ 범위를 보인다 (Spivads and Edmond

1987; Vengosh et al. 1991, 1995; Aggarwal et al. 1998) 무

기이온 함량이 매우 높았던 지하수 (S4-1, 4-2, S5-1, 5-2, S8, S10)와 용천수 (S6) 중의 δ11_B_{는 40.46~ 50.70‰로} 해수와 같거나 그 이상의 값을 보였다 (Table 3, Fig. 6). 이는 혼입된 해수 중의 10_B_{이 대수층 내의 점토 등에} 의해 흡착이 일어나 11_B_{이 더 많이 농축된 결과이다. 따} 라서, 그 값들은 해수와의 혼합에 의한 것임을 나타냈다. 또한, S3과 S9 지하수의 11_B_{값은 33.91~35.21‰ (Fig. 6)} 로 전형적인 해양성 배경지하수의 값을 보였다 (Vengosh et al. 1998). 4) 스트론튬 동위원소 (87_Sr/86_Sr) 자연계의 Sr 동위원소에는 84_{Sr (0.56%),}86_{Sr (9.87%),} 87_{Sr (7.04%)}_및88_{Sr (82.53%)}_{이 있다. 이 중에}87_Sr_은 87_Rb 의 β붕괴 (반감기: 48.8 Ga)에 의해서 생성되므로 광물의 기원에 따라 86_Sr_{에 대한} 87_Sr_{의 존재비 즉} 87_Sr/86_Sr_가 다르다 (Capo et al. 1998) 또한, 질량이 무거워 자연계에 서는 동위원소 분별작용이 일어나지 않아 오염기원의 특징적인 값을 지하수에 반영하게 된다. 따라서, 87_Sr/86_Sr 는 지하수의 혼합, 암석과의 상호작용 그리고 물의 기원 에 대한 추적에 사용할 수 있게 된다 (Lyons et al. 1995;

Bohlke and Horan, 2000; Grobe et al. 2000). 현무암중의

87_Sr/86_Sr_{비는 0.704~705이고, 해수는 0.70915이다. 이러} 한 값은 해수에 의한 지하수의 염수화 과정을 조사하는 데 사용할 수 있다. Table 3에서 보는 바와 같이 조사지 역의 염분함량이 매우 높았던 지하수 (S4-2, S5-2, S8)와 용천수 (S6) 중의 87_Sr/86_Sr_{는 Cl과 Sr함량이 높아짐에 따} 라 그 함량이 해수의 값에 근접하고 있으며 이는 해수 와 지하수의 단순혼합과정에 의해서 염분함량이 높아 졌음을 나타내는 것이다 (Fig. 7).

결

론

제주 동부 구좌지역의 지하수, 용천수, 해수의 화학분 석과 동위원소 분석 결과를 종합하여 보면 해수와의 혼 합으로 인하여 기저 지하수의 염수화가 진행된 것으로 나타났다. 그 혼합율은 관정마다 다소 차이가 있기는 하 나 해안에 위치한 관정일수록 더 컸고 0.03~2.31% 범 위였다. 꾸준히 사용하여 온 관정 지하수 중의 무기 이 온 함량이 1980년대와 다르지 않은 점은 지금까지 과잉 채수로 인한 해수의 침투현상이 확대되고 있는 것 같지 는 않았다. δD, δ18_O,δ34_S SO4, δ 18_O SO4, δ 11_B,87_Sr/86_Sr_분석 은 지하수의 염수화 현상에 밝히는 결정적인 지문 역할 을 하였다. δD와 δ18_O_{를 사용하여 해수와 담수 혼합과} 정을 알 수 있었고, δ11_B_{은 염수의 기원이 해수임을 그} 리고 δ34_S SO4와 δ 18_O SO4지문은 기저지하수의 담수렌츠체 하부의 해수는 현생해수임을 증명하였다. 87_Sr/86_Sr_분석 기술은 지하 암염에서 용해된 염분이 지하수에 혼입된 것이 아니고 지하수-해수간의 혼합과정을 통해 염수화 과정이 진행됨을 입증하였다. 따라서, 다중 동위원소 분 석기술은 지하수의 염수화 현상을 밝히는 보다 정밀한 수단으로 활용될 수 있으리라 기대된다. 60 50 40 30 20 10 0 -10 Sea water intrusion Sea water Fresh water in coastal aquifer

Fresh water in inland aquifer

Non marine brines

0.1 1 10 100 1000

C l[mM]

δ

11B

[‰ NBS951]

Fig. 6. Plot of 11_{B and Cl. For comparison}11_{B values in seawater,} non marine brine, fresh water in coastal or inland aquifer and seawater-intruded groundwater (Vengosh et al. 1998) were depicted. The symbols have the same indications as Fig. 1. 0.1 1 10 100 1000 C l[mM] 0.710 0.709 0.708 0.707 0.706 0.705 0.704 Fresh water Sea water

Volcanic rocks from Jeju island (Park et al. 1996) 0.5% 2.5% 50% Mixing w ith seaw ater 87Sr/ 86 Sr

Fig. 7. Plot of 87_Sr/86_{Sr and Cl. Numbers indicate mixing fractions} of seawater in the salty groundwater, as calculated with Cl concentrations in two end-members (S1 fresh groundwater and S12-1 seawater). The symbols have the same indica-tions as Fig. 1.

(9)

적

요

제주도 동부지역의 염 지하수의 특성을 조사하기 위 하여 지하수, 용천수 및 해수의 화학분석과 동위원소 분 석을 실시하였다. 염분함량이 높은 지하수의 Na/Cl, SO4/ Cl, Br/Cl , B/Cl과 Sr/Cl 몰 비는 해수의 비와 거의 같은 값을 보였으며 Cl과 Br, SO4, B 또는 Sr와의 관계는 해 수와 담수지하수의 희석 라인상에 속했다. 이러한 지화 학적인 지문은 담수 지하수가 해수와 혼합됨으로써 지 하수의 염분함량이 높아지는 것임을 암시한다. 그 증거 는 18_{O, D,}11_B,87_Sr/86_Sr,34_S SO4, 18OSO4분석결과를 통해서 확인되었다. δD와 δ18_O_{분석결과로부터 해수와 담수의} 혼합과정을 알 수 있었고, δ11_B_{은 염지하수의 기원이 해} 수임을 그리고, δ34_S SO4와 δ18OSO4는 담수지하수 (담수 렌 즈체) 하부의 염지하수가 현생 해수임이 입증되었다. 87_Sr/86_Sr_{분석결과는 지하 암염에서 용해된 염분이 지하} 수에 혼입된 것이 아니고 지하수-해수간의 혼합과정을 통해 염수화 과정이 진행되고 있음을 시사하였다. 현재 까지 지속적으로 사용되어온 관정 지하수의 무기이온 함량이 과거보다 증가되지 않았다는 사실은 지하수의 염수화 현상이 지하수의 과잉 채수의 원인으로 한정할 수 없음을 보여 주었다.

사

본 연구는 2001~2002년 원자력연구개발사업과 IAEA Co-ordinated Research Programme (Origins of Salinity and Impacts on Fresh Groundwater Resources,Contract Number:

11323/R1)지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니 다. 또한, 11_B_{분석을 하여 주신 미국 지질조사국 TD} Bul-len박사께 감사드립니다..

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Manuscript Received: May 2, 2007 Revision Accepted: May 31, 2007