영천 화강암지역 지하수의 지화학적 모델링

Geochemical Modeling of Groundwater in Granitic Terrain: the Yeongcheon Area

영천 도수터널 내 화강암 지역의 단열대를 따라 유출되는 지하수에 대하여 지화학 및 환경동위원소 연구를 수행하였다. Ca-HCO$_3$유형에 속하는 유출수의 화학 조성은 화강암을 구성하는 규산염 광물 및 열극 충진 방해석의 지화학적 용해 반응에 의해 설명되며, 그 수문지화학적 진화는 부분적 개방계에서 진행되었음을 보여준다. 환경동위원소 연구 결과, 유출수는 모두 강수 기원으로서 적어도 1953년 이전에 함양된(즉 체류 시간이 최소 45년 이상인) 지하수임을 지시해주며, 나아가 지표로부터의 거리와 단열대의 발달 상태에 따라 부분적으로 지표수의 혼입이 진행되고 있음을 지시한다. 지화학 반응 경로 모델인 CHILLER를 이용하여 본 지역 화강암 지하수의 수문지화학적 진화를 모델링 하였다. 그 결과, $Ca^{2＋}$, $Na^{＋}$, HCO$_3$$^{-}$ 및 pH는 규산염 광물 및 방해석의 용해 작용과 더불어 점차 증가되는 반면, $Mg^{2＋}$ 및 $K^{＋}$는 각각 몬트모릴로나이트와 백운모의 2차 생성과 더불어 감소됨을 보여준다. 2차 광물의 생성 순서는 적철석, 깁사이트, 카올리나이트, 몬트모릴로나이트, 백운모, 장석의 순이다. 모델링 결과는 유출수의 물리화학적 분석값과 2차 광물의 동정 결과와도 잘 일치한다. 따라서, 이러한 물-암석 상호 반응 모델링을 비교적 복잡한 암반 지하수의 수문지화학적 진화 해석에 타당성 있게 적용할 수 있음을 보여준다.

We investigated the geochemistry and environmental isotopes of granite-bedrock groundwater in the Yeongcheon diversion tunnel which is located about 300 m below the land surface. The hydrochemistry of groundwaters belongs to the Ca-HCO$_3$type, and is controlled by flow systems and water-rock interaction in the flow conduits (fractures). The deuterium and oxygen-18 data are clustered along the meteoric water line, indicating that the groundwater are commonly of meteoric water origin and are not affected by secondary isotope effects such as evaporation and isotope exchange. Tritium data show that the groundwaters were mostly recharged before pre-thermonuclear period and have been mixed with younger surface water flowing down rapidly into the tunnel along fractured zones. Based on the mass balance and reaction simulation approaches, using both the hydrochemistry of groundwater and the secondary mineralogy of fracture-filling materials, we have modeled the low-temperature hydrogeochemical evolution of groundwater in the area. The results of geochemical simulation show that the concentrations of Ca$\^$2＋/, Na$\^$＋/ and HCO$_3$and pH of waters increase progressively owing to the dissolution of reactive minerals in flow paths. The concentrations of Mg$\^$2＋/ and K$\^$＋/ frist increase with the dissolution, but later decrease when montmorillonite and illitic material are precipitated respectively. The continuous adding of reactive minerals, namely the progressively larger degrees of water/rock interaction, causes the formation of secondary minerals with the following sequence: first hematite, then gibbsite, then kaolinite, then montmorillonite, then illtic material, and finally microcline. During the simulation all the gibbsite is consumed, kaolinite precipitates and then the continuous reaction converts the kaolinite to montmorillonite and illitic material. The reaction simulation results agree well with the observed, water chemistry and secondary mineralogy, indicating the successful applicability of this simulation technique to delineate the complex hydrogeochemistry of bedrock groundwaters.