Geochemistry of Geothermal Waters in Korea: Environmental Isotope and Hydrochemical Characteristics II. Jungwon and Munkyeong Areas

한반도 지열수의 지화학적 연구: 환경동위원소 및 수문화학적 특성 II. 중원 및 문경 지역

From the Jungwon and Munkyeong areas which are among the famous producers of the carbonate-type groundwaters in Korea, various kinds of natural waters (deep groundwater, shallow groundwater and surface water) were collected between 1996 and 1997 and were studied for hydrogeochemical and environmental isotope (${\delta}^{34}S_{so4}$, ${\delta}^{18}O$, ${\delta}D$)systematics. Two types of deep groundwaters (carbonate type and alkali type) occur together in the two areas, and each shows distinct hydrogeochemical and environmental isotope characteristics. The carbonate type waters show the hydrochemical feature of the 'calcium(-sodium)-bicarbonate(-sulfate) type', whereas the alkali type water of the 'sodium-bicarbonate type'. The former type waters are characterized by lower pH, higher Eh, and higher amounts of dissolved ions (especialJy, $Ca^{2+}$, $Na^{+}$, $Mg^{2+}$, $HCO_3{^-}$ and $SO_4{^{2-}}$). Two types of deep groundwaters are all saturated or supersaturated with respect to calcite. Two types of deep groundwaters were both derived from pre-thermonuclear (about more than 40 years old) meteoric waters (with lighter 0 and H isotope data than younger waters, i.e., shallow cold groundwaters and surface waters) which evolved through prolonged water-rock interaction. Based on the geologic setting, water chemistry, and environmental isotope data, however, each of these two different types of deep groundwaters represents distinct hydrologic and hydrogeochemical evolution at depths. The carbonate type groundwaters were formed through mixing with acidic waters that were derived from dissolution of pyrites in hydrothermal vein ores (for the Jungwon area water) or in anthracite coal beds (for the Munkyeong area water). If the deeply percolating meteoric waters did not meet pyrites during the circulation, only the alkali type groundwaters would form. This hydrologic and hydrogeochemical model may be successfully applied to the other carbonate type groundwaters in Korea.

탄산염형 지하수가 특징적으로 산출되고 있는 중원 및 문경 지역에서 유형별 자연수 (심부 지하수, 천부지하수, 지표수)를 채취하고 (기간: 1996-1997년) 수문지구화학 및 환경동위원소(황산염의 황, 물의 산소 및 수소, 삼중수소) 연구를 수행하였다. 연구지역에는 지구화학적으로 뚜렷g히 구분되는 두 유형의 자연수, 즉 탄산염형 및 알칼리형이 함께 산출된다. 탄산염형의 지하수는 수문화학적으로 $Ca(-Na)-HCO_{3}(-S0_{4})$ 유형의 특성을 보이지만, 알칼리형 지하수는 $Na-HCO_3$ 유형의 특성을 나타낸다. 탄산염형 지하수는 특징적으로 보다 낮은 pH와 높은 Eh 및 높은 용존이온 (특히, Ca, Na, Mg, $HCO_3$, $SO_4$) 함량을 갖는다. 두 유형의 지하수는 모두 방해석에 대하여 포화 또는 과포화 상태에 있다. 두 유형의 심부 지하수는 모두 핵실험 이전 (적어도 40년전)에 충진된 강우로부터 기원하여 오랜 수-암 반응에 의하여 진화하였다. 심부 지하수는 보다 젊은 시기에 충진된 물 (즉 천부 지하수 및 지표수)에 비하여 낮은 산소 및 수소 동위원소비를 갖는다. 그러나 지질 특성, 물의 화학성 및 환경동위원소 자료를 종합하여 보면, 두 유형의 심부 지하수는 각기 독특한 수문학적 및 수문지화학적 진화를 하였음을 알 수 있다. 탄산영형 지하수는 지역적으로 부화된 황화광물 (주로 황철석)의 용해에 의해 생성된 산성수의 혼합 결과로 형성되었는데, 황철석은 열수 광맥내 (중원 지역의 경우) 또는 무연탄종내 (문경 지역의 경우)에 존재하였다. 심부 순환하는 강우가 순환과정중 황철석을 만나지 않았다면 알칼리형 지하수 만이 생성되었을 것이다. 이와 같은 수문학적 및 수문지화학적 모델은 한반도에 부존하는 기타 탄산염형 지하수에도 성공적으로 적용될 수 있을 것으로 사료된다.