초록
1995~1996년중 부곡 지열수 지역에서 채수한 유형별 자연수를 대상으로 수문지구화학 및 환경동위원소 연구를 수행하였다. 연구 지역에는 물리화학적으로 뚜렷히 구분되는 세 유형의 자연수, 즉 (1) 군접 I (지열수 지역의 중심부에서 산출되고 최대 $77^{\circ}C$의 용출 온도를 갖는 $Na-SO_4$ 유형), (2) 군집 II(외곽부에서 산출되며 다소 낮은 온도를 갖는 $Na-HCO_{3}-SO_{4}$ 유형) 및 (3) 군집 III(지표수나 천층 냉각 지하수로서 $Ca-HCO_3$ 유형)이 함께 산출된다. 군집 I은 Ia 및 Ib로 세분된다. 수문지구화학적 진화는 수 암 반응의 증가에 따라 군집 III$\rightarrow$II$\rightarrow$I의 순으로 진행되었다. 군집 II 및 III의 자연수는 비교적 낮은 수-암 반응, 특히 방해석 및 Na-사장석의 용해 반응에 의해 형성되었지만, 군집 I은 사장석, K 장석, 백운모, 녹려석, 황철석 등과의 높은 수-암 반응에 의해 형성되었다. 용존 황산염의 농도 및 황동위원소 조성은 지열수의 기원 및 전화를 해석하는데 중요한 정보가 된다. 용존 황산염은 퇴적 기원 황철석의 산화에 의해 생성되거나 (군집 Ib의 경우), 또는 열수의 상승 통로인 단열대에 존재하는 마그마 열수기원 황철석의 용해에 의해 생성되었다 (군집 Ia의 경우). 지열 저장지의 온도 규명을 위한 알칼리 이온 지옹계의 적용성은 화학조성을 변화시키는 요인들, 특히 마그네슘이 풍부한 지표수와의 혼합에 의해 제한된다. 그러나 다성분 광물/물 평형계에 대한 열역학적 계산 및 유체포유물 설험 결과, 심부 지열 저장지 (냉각중인 화성암체?)의 온도는 $125^{\circ}C$에 이르는 것으로 판단된다. 환경동위원소 (산소-수소, 삼중수소) 연구에 의하면, 자연수는 모두 상이한 충진 특성을 갖는 강우로부터 기원하였다. 특히 군집 Ia의 물은 심부 지열 저장지까지 심부 순환한 오래된 (40년 이상) 강우로부터 기원하였으며 지표부 물과의 혼합 정도도 낮다. 본 논문에서는 황산염이 풍부한 국내 지열수의 성인 및 진화에 관한 모델을 제시한다.
Hydrogeochemical and environmental isotope studies were undertaken for various kinds of water samples collected in 1995-1996 from the Bugok geothermal area. Physicochemical data indicate the occurrence of three distinct groups of natural water: Group I ($Na-S0_4$ type water with high temperatures up to $77^{\circ}C$, occurring from the central part of the geothermal area), Group II (warm $Na-HCO_{3}-SO_{4}$ type water, occurring from peripheral sites), Group III ($Ca-HCO_3$ type water, occurring as surface waters and/or shallow cold groundwaters). The Group I waters are further divided into two SUbtypes: Subgroup Ia and Subgroup lb. The general order of increasing degrees of hydrogeochemical evolution (due to the degrees of water-rock interaction) is: Group III$\rightarrow$Group II$\rightarrow$Group I. The Group II and III waters show smaller degrees of interaction with rocks (largely calcite and Na-plagioclase), whereas the Group I waters record the stronger interaction with plagioclase, K-feldspar, mica, chlorite and pyrite. The concentration and sulfur isotope composition of dissolved sulfate appear as a key parameter to understand the origin and evolution of geothermal waters. The sulfate was derived not only from oxidation of sedimentary pyrites in surrounding rocks (especially for the Subgroup Ib waters) but also from magmatic hydrothermal pyrites occurring in restricted fracture channels which extend down to a deep geothermal reservoir (typically for the Subgroup Ia waters). It is shown that the applicability of alkaliion geothermometer calculations for these waters is hampered by several processes (especially the mixing with Mg-rich near-surface waters) that modify the chemical composition. However, the multi-component mineral/water equilibria calculation and available fluid inclusion data indicate that geothermal waters of the Bugok area reach temperatures around $125^{\circ}C$ at deep geothermal reservoir (possibly a cooling pluton). Environmental isotope data (oxygen-18, deuterium and tritium) indicate the origin of all groups of waters from diverse meteoric waters. The Subgroup Ia waters are typically lower in O-H isotope values and tritium content, indicating their derivation from distinct meteoric waters. Combined with tritium isotope data, the Subgroup Ia waters likely represent the older (at least 45 years old) meteoric waters circuated down to the deep geothermal reservoir and record the lesser degrees of mixing with near-surface waters. We propose a model for the genesis and evolution of sulfate-rich geothermal waters.
(Department of Earth & Environmental Sciences, Korea University)
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