The Journal of Engineering Geology (지질공학)

The Korean Society of Engineering Geology (대한지질공학회)
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Hydrochemistry and Origin of Noble Gases and $CO_2$ Gas Within Carbonated Mineral Waters in the Kyeoungbuk-Kangwon Province, Korea

경북-강원일대 탄산약수의 수질화학과 탄산 및 영족기체 기원

  • Jeong, Chan-Ho (Dept. of Geotechnical Engineering, Daejeon University) ;
  • Yoo, Sang-Woo (Dept. of Geotechnical Engineering, Daejeon University) ;
  • Kim, Kyu-Han (Dept. of Science Education, Ewha Womans University) ;
  • Nagao, Keisuke (Laboratory for Earthquake Chemistry, University of Tokyo)
  • 정찬호 (대전대학교 지반방재공학과) ;
  • 유상우 (대전대학교 지반방재공학과) ;
  • 김규한 (이화여자대학교 과학교육과) ;
  • Received : 2011.03.09
  • Accepted : 2011.03.21
  • Published : 2011.03.31
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Abstract

Hydrochemical and carbon isotopic (${\delta}^{13}C_{DIC}$) analyses of 11 water samples, and noble gas isotopic analyses of 8 water samples collected in the Kyeoungbuk and Kangwon areas of Korea were performed to determine their hydrochemical characteristics and to interpret the source of noble gases and $CO_2$ gas in the water. The carbonated mineral waters are weakly acidic (PH = 5.59-6.04), and electrical conductivity ranges from 302 to $864\;{\mu}S/cm$. The chemical composition of all the water samples is Ca-$HCO_3$ type. The high contents of Fe and Mn exceed the safe limits for drinking water. The ${\delta}^{13}C_{DIC}$ values of the samples range from -5.30‰ to -2.84‰, indicating that the carbon is supplied mainly from a deep-seated source and to a lesser degree from an inorganic carbonate source. The $^3He/^4He$ ratios of the samples range from $1.51{\times}10^{-6}$ to $6.45{\times}10^{-6}$. The samples plot into three groups on a $^3He/^4He$ versus $^4He/^{20}Ne$ diagram: the deep-seated field (e.g., a mantle source), the atmospheric field, and the air-mantle mixing field. A wide range of $^4He/^{20}Ne$ ratios is observed ($0.036{\times}10^{-6}$ to $1.76{\times}10^{-6}$), indicating that while radiogenic $^4He$ is dominant in these water samples, mantle-origin He is also present. The supply of $CO_2$ gas and noble gases from a deep-seated source to carbonated waters is inferred to be controlled by geological structures such as faults and geological boundaries.

본 연구에서는 경북 봉화지역, 강원도 오대산 및 춘천지역에서 산출되는 8개 탄산약수터에서 11개 탄산약수 시료를 대상으로 수리화학적 특성을 규명하고, 용존무기탄소의 동위원소(${\delta}^{13}C_{DIC}$)분석을 통해 탄산가스의 기원을 해석하며, 영족기체 동위원소($^3He/^4He$, $^{20}Ne/^{22}Ne$)의 동위원소 존재비를 분석하여 탄산가스의 기원과 연계한 영족기체의 기원을 밝히고자 하였다. 연구결과 탄산약수의 수리화학적 특성은 pH 5.59~6.04 범위로 약산성의 특성을 보이고, 전기전도도 값은 $302{\sim}864\;{\mu}S/cm$ 범위를 보인다. 모든 탄산약수의 수리화학적 유형은 Ca-$HCO_3$ 형에 속한다. 특히 Fe, Mn의 함량이 높아 음용수 수질기준치를 초과한다. 연구지역 탄산약수의 ${\delta}^{13}C_{DIC}$ 값은 -2.84~5.3‰ 범위를 보이므로 $CO_2$의 기원은 주로 심부기원이며, 물-암석 반응과정에서 탄산염광물등의 영향을 일부 받은 것으로 해석된다. 탄산약수의 $^3He/^4He$ 동위원소비와 $^4He/^{20}Ne$동위원소비 상관관계에서 탄산약수는 기원상 3개의 군으로 분류된다. 맨틀과 같은 심부기원의 영역, 대기기원에 가까운 영역, 맨틀기원과 대기기원의 혼합영역으로 도시된다. 이는 심부기원의 영족기체가 천부지하수와 지표노출에 의해 대기기원과 혼합된 것으로 해석되며, 맨틀과 같은 심부기원의 헬륨가스의 공급은 지질경계 및 단층과 같은 지질구조와 밀접한 관계가 있는 것으로 추정된다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 한국연구재단

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