The Journal of Engineering Geology (지질공학)

The Korean Society of Engineering Geology (대한지질공학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Hydrochemistry and Occurrence of Natural Radioactive Materials within Borehole Groundwater in the Cheongwon Area

청원지역 시추공 지하수의 수리화학 및 자연방사성물질 산출 특성

  • 정찬호 (대전대학교 지반방재공학과) ;
  • 김문수 (국립환경과학원 토양지하수연구팀) ;
  • 이영준 (국립환경과학원 토양지하수연구팀) ;
  • 한진석 (국립환경과학원 토양지하수연구팀) ;
  • 장효근 (대전대학교 지반방재공학과) ;
  • 조병욱 (한국지질자원연구원)
  • Received : 2011.06.08
  • Accepted : 2011.06.22
  • Published : 2011.06.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

A test borehole was drilled in the Cheongwon area to investigate the relationship between geochemical environment and the natural occurrence of radioactive materials (uranium and Rn-222) in borehole groundwater. The borehole encountered mainly biotite schist and biotite granite, with minor porphyritic granite and basic dykes. Six groundwater samples were collected at different depths in the borehole using the double-packed system. The groundwater pH ranges from 5.66 to 8.34, and the chemical type of the groundwater is Ca-$HCO_3$. The contents of uranium and Rn-222 in the groundwater are 0.03-683 ppb and 1,290-7,600 pCi/L, respectively. The contents of uranium and thorium in the rocks within the borehole are 0.51-23.4 ppm and 0.89-62.6 ppm, respectively. Microscope observations of the rock core and analyses by electron probe microanalyzer (EPMA) show that most of the radioactive elements occur in the biotite schist, within accessory minerals such as monazite and limenite in biotite, and in feldspar and quartz. The high uranium content of groundwater at depths of -50 to -70 m is due to groundwater chemistry (weakly alkaline pH, an oxidizing environment, and high concentrations of bicarbonate). The origin of Rn-222 could be determined by analyzing noble gas isotopes (e.g., $^3He/^4He$ and $^4He/^{20}Ne$).

이 연구에서는 지하수내 존재하는 우라늄과 라돈-222와 같은 자연방사성물질 산출과 지화학적 상관관계를 알아보기 위하여 연구용 부지(충북 청원군 부용면 갈산리)에 120 m 심도로 시추하고, 심도별로 채취된 지하수의 화학적 특성과 시추코어의 암석화학적 특성을 분석하였다 시추코어상 주요 암종은 흑운모편암과 흑운모화강암이며 일부 구간에서 반상화강암과 염기성암맥이 확인되었다. 더블패커 시스템으로 채취한 6개 구간에서 지하수의 pH는 5.66~8.34 범위를 보이고, 화학적 유형은 Ca-$HCO_3$ 형으로 속한다. 심도별 및 시기별로 수리화학적 특성 차이를 보인다. 지하수내 우라늄과 라돈-222의 함량은 최고 683 ppb와 7,600 pCi/L를 각각 보이며, 심도 50~70 m구간에서 가장 높은 값을 보인다. 암석 및 광물내 우라늄과 토륨의 함량은 각각 0.51~23.4 ppm과 0.89~62.6 ppm의 범위를 보이며, 흑운모편암에서 가장 많은 방사성포유물(radioactive inclusion)이 관찰되었고, 현미경관찰과 EPMA 분석결과 방사성원소를 함유하는 광물로는 흑운모내 함유된 소량광물인 모나자이트, 일메나이트로 확인되었다. 우라늄은 이들 광물의 주요 구성원소를 치환하여 존재하며, 일부 석영과 장석 입자내에도 우라늄의 산출이 확인되었다. 시추공 심도 -50~-70 m 구간 지하수에서 높은 방사성물질 함량을 보이는 것은 이 구간의 지하수의 화학적 특성, 즉, 약알칼리성의 pH와 산화환경이고, 중탄산의 함량이 높아 우라늄의 용존에 좋은 조건이 된 것으로 보인다. 지하수내 라돈가스의 함량은 우라늄 농도와 대체로 비례하므로 우라늄의 붕괴와 관련된 것으로 보이며, 라돈가스의 기원에 대한 하나의 해석방법으로 헬륨과 네온등 영족기체 동위원소비를 이용한 간접적인 추적방법을 적용할 필요가 있을 것이다.

Keywords

Acknowledgement

Grant : 지하수중 자연방사성물질 정밀조사연구('10)

References

  1. 권영일, 진명식, 1974, 한국지질도 (청주도폭, 1 : 50,000) 국립지질광물연구소, 8p.
  2. 박맹언, 김근수, 1998, 계명산층 페그마타이트에 수반되는 우라늄토륨 광상의 지구화학적 특성, 대한자원환경지질학회. 31(5), 365
  3. 성익환, 김대업, 우형주, 정강섭, 조병욱, 이병대, 홍영국, 박중권, 윤욱, 이봉주, 김용제, 윤윤열, 조수영, 신동천, 장태우, 2000, 지하수 중 방사성물질 함유실태에 관한 조사연구 (II), 국립환경과학원, 323p.
  4. 성익환, 김대업, 우형주, 조병욱, 박중권, 이한영, 정강섭, 윤윤열, 조수영, 이용주, 이병대, 김통권, 김경수, 추창오, 신동천, 1999, 지하수 중 방사성물질 함유실태에 관한 조사연구(I), 국립환경과학원, 338p.
  5. 성익환, 조병욱, 김대업, 김건한, 박덕원, 박중권, 윤윤열, 이봉주, 이병대, 이종철, 임현철, 정강섭, 조수영, 홍영국, 장우석, 양재하, 신동천, 한인섭, 2002, 지하수 중 방서성물질 함유실태에 관한 조사연구(IV), 국립환경과학원, 357p.
  6. 성익환, 조병욱, 우형주, 김대업, 김건한, 박중권, 홍영국, 이병대, 윤욱, 이봉주, 이종철, 윤윤열, 김용제, 정강섭, 수영, 신동천, 장태우, 유명진, 2001, 지하수 중 방사성물질 함유실태에 관한 조사연구(III), 국립환경과학원, 388p.
  7. 신동천, 김예신, 문지영, 박화성, 김진용, 박선구, 2002, 지하수 중 자연방사성물질의 위해성 관리에 대한 고찰, 한국환경독성학회지, 17, 273-384.
  8. 정찬호, 고용권, 신선호, Nagao, K., 김규한, 김건영, 2009, 이천 및 포천지역 온천수의 수리화학적 특성 및 영족 기체 기원, 지질공학, 19(4), 529-541.
  9. 정찬호, 김규한, Nagao, K., 최훈공, Sumino, H., 박지선, 박충화, 이종익, 허순도, 2008, 동해안지역 온천유형별 수리화학적 특성 및 영족기체 기원, 한국지하수토양 환경학회지, 13(1), 1-12.
  10. 정찬호, 김천수, 김통권, 김수진, 1997, 편마암-물 반응계에서 지하수의 지화학적 진화 및 이차광물 생성에 관한 반응경로 모델링, 한국광물학회지, 10(1), 33-44.
  11. 정찬호, 유상우, 김규한, Nagao K., 2011, 경북-강원일대 탄산약수의 수질화학과 탄 산 및 영족기체 기원, 지질공학회지, 21(1), 65-77.
  12. 정찬호, 허현성, 김규한, Nagao, K., 2007, 호남지역 저온형 온천수의 수리지구화학적 및 안정동위원소 특성과 영족기체의 기원에 관한 연구, 자원환경지질학회지, 40(5), 635-649.
  13. 조병욱, 김건한, 김연기, 성익환, 안주성, 윤욱, 윤윤열, 이길용, 이병대, 이홍진, 임현철, 조 수영, 홍영국, 2006, 지하수 중 방사성물질 함유실태 조사, 국립환경과학원, 200p.
  14. 조병욱, 김건한, 김연기, 성익환, 안주성, 윤욱, 윤윤열, 이길용, 이병대, 전철민, 조수영, 채 기탁, 채기탁, 최병인, 홍영국, 백승균, 류시원, 정찬호, 2008, 지하수 중 방사성물질 정밀조사 (I), 국립환경과학원, 293p.
  15. 조병욱, 정찬호, 한인섭, 2009, 지하수 중 방사성물질 정밀조사(II), 국립환경과학원, 273p.
  16. 추창오, 2002, 대보화강암내 함우라늄 광물의 산출특징과 존재형태의 중요성, 한국광물학회지. 15(1), 11-21.
  17. 한정희, 박계헌, 1996, 대전지역 지하수에 함유된 우라늄 및 라돈의 함량, 자원환경지질학회지, 29(5), 589-595.
  18. Almeida, R. M. R., Lauria, D. C., Ferreira, A. C. and Sracek, O., 2004, Groundwater radon, radium and uranium concentrations in Regiao dos Lagos, Rio de Janeiro State, Brazil, Journal of Environmental Radioactivity, 73, 323-334. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2003.10.006
  19. Apambire, W, B., Boyle, D. R. and Michel, F. A., 1997, Geochemistry, genesis, and health implications of fluoriferous groundwaters in the upper regions of Ghana. Environmental Geology, 33, 13-24. https://doi.org/10.1007/s002540050221
  20. Appelo, C. P. J. and Postma, D., 1996, Geochemistry, groundwater and pollution, A. A. Balkema Publisher, Rotterdam, 536p.
  21. Burns, P. C. and Finch, R.(eds.), 1999, Uranium: Mineralogy, Geochemistry and the Environment, Reviews in Mineralogy, Vol. 38, Miner. Soc. America, Washington, 679p.
  22. CEPA (California Environmental Protection Agency), 2001, Public health goals for uranium in drinking water. CEPA, California, 30p.
  23. Cothern, C. R., and Lappenbusch, W. L., 1983, Occurrence of uranium in drinking water in the U.S. Health Physics, 48, 89-100.
  24. Finch, R. and Murakami, T., 1999, Systematic and Paragenesis of Uranium Minerls. In: Burns, P. C. and Finch, R.(eds.), Uranium: Mineralogy, Geochemistry and the Environment. Reviews in Mineralogy, 38, Miner. Soc.America, 91-179.
  25. Gaines, R. V., Skinner, H .C. W., Food, E. E., Mason, B., Rosenzweig, A., King V. T. and Dowty, E., 1997, Dana's new Mineralogy, 8th Ed. Wily and Sons, New York, 1819p.
  26. Lanctot, E. M., Tolman, A. L. and Loiselle, M., 1985, Hydrogeochemistry of radon in groundwater, The second Annual Eastern Regional Groundwater Conference, Portland, Maine, July, 16-85.
  27. Langmuir, D., 1978, Uranium solution-mineral equilibria at low temperatures with applications to sedimentaryore deposits, Geochimica et Cosmochimica Acta, 42, 547-569. https://doi.org/10.1016/0016-7037(78)90001-7
  28. Langmuir, D., 1997, Aqueous Environmental Geochemistry. Prentice-hall, New Jersey, 600p.
  29. Langmuir, D. and Herman, J. S., 1980, Mobility of thoriumin natural water at low temperatures, Geochim. Cosmochim. Acta, 44, 1753-1766. https://doi.org/10.1016/0016-7037(80)90226-4
  30. Mandarino, J., 1999, Fleischer's Glossary of Mineral Species. Mineralogical Record, Tucson, Arizona, 326p.
  31. Michel, J., 1990, Relationship of radium and radon with geological formations. In: Cothern, C. R. and Rebers, P. A. (Eds. ) Radon, Radium and Uranium in Drinking Water, Lewis Publishers, Inc., Michigan, 83-96.
  32. Murakami, T., Ohnuki, T., Osobe, H. and Sato, T., 1997, Mobility of uranium during weathering, American Mineralogist, 82, 888-899. https://doi.org/10.2138/am-1997-9-1006
  33. Murphy, W. M. and Shock, E. L., 1999, Environmental aqueous geochemistry of actinides. In: Burns, P. C. Finch,R. (eds.), Uranium: Mineralogy, Geochemistry and theEnvironment, Reviews in Mineralogy, Vol. 38, Miner. Soc. America, 221-253.
  34. Piper, A. M., 1944, A graphic procedure in the geochemical interpretation of water analyses, Transactions of American Geophysical Union, 25, 914-923. https://doi.org/10.1029/TR025i006p00914
  35. Voronov, A. N., 2004, Radon-rich waters in Russia. Environmental Geology, 46, 639-645.
  36. Zapecza, O. S., and Szabo, Z., 1986, Natural radioactivity in ground water-a review. USGS Water-supply Paper 2325, Ground Water Quality: Hydrologic Conditions and Event, USGS, 50-57.

Cited by

  1. Spatial relationships between radon and topographical, geological, and geochemical factors and their relevance in all of South Korea vol.74, pp.6, 2015, https://doi.org/10.1007/s12665-015-4526-0
  2. Occurrences of Uranium and Radon-222 from Groundwaters in Various Geological Environment in the Hoengseong Area vol.25, pp.4, 2015, https://doi.org/10.9720/kseg.2015.4.557
  3. Environmental Characteristics of Natural Radionuclides in Groundwaters in Volcanic Rock Areas: Korea vol.18, pp.1, 2013, https://doi.org/10.7857/JSGE.2013.18.1.036
  4. Geochemical Occurrence of Uranium and Radon-222 in Groundwater at Test Borehole Site in the Daejeon area vol.23, pp.2, 2013, https://doi.org/10.9720/kseg.2013.2.171
  5. Occurrence of U-minerals and Source of U in Groundwater in Daebo Granite, Daejeon Area vol.23, pp.4, 2013, https://doi.org/10.9720/kseg.2013.4.399
  6. Study on Temporal Decay Characteristics of Naturally Occurring Radionuclides in Groudwater in Two Mica Granite Area vol.18, pp.4, 2013, https://doi.org/10.7857/JSGE.2013.18.4.019
  7. Hydrochemistry and Distribution of Uranium and Radon in Groundwater of the Nonsan Area vol.22, pp.4, 2012, https://doi.org/10.9720/kseg.2012.4.427
  8. Evaluation of Groundwater Quality in Crystalline Bedrock Site for Disposal of Radioactive Waste vol.12, pp.4, 2014, https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2014.12.4.275
  9. Hydrogeochemical Characteristics, Occurrence, and Distribution of Natural Radioactive Materials (Uranium and Radon) in Groundwater of Gyeongnam and Gyeongbuk Provinces vol.24, pp.4, 2014, https://doi.org/10.9720/kseg.2014.4.551
  10. Environmental Characteristics of Naturally Occurring Radioactive Materials (238U,222Rn) Concentration in Drinking Groundwaters of Metamorphic Rock Areas: Korea vol.18, pp.3, 2013, https://doi.org/10.7857/JSGE.2013.18.3.082
  11. 이천지역 시추공 지하수와 시추코어내 자연방사성물질 산출 특성 vol.22, pp.1, 2011, https://doi.org/10.9720/kseg.2012.22.1.095
  12. 다양한 지질환경에서 지하수의 수리화학 및 자연방사성물질 산출특성 vol.26, pp.4, 2011, https://doi.org/10.9720/kseg.2016.4.531
  13. 주성분 분석을 이용한 해안지역 결정질 기반암 지하수의 수리지구화학적 평가 vol.22, pp.3, 2011, https://doi.org/10.7857/jsge.2017.22.3.010
  14. 전라남도 일대 지하수 중에서 산출하는 자연방사성물질 우라늄과 라돈의 수리지구화학적 거동특징 vol.27, pp.4, 2011, https://doi.org/10.9720/kseg.2017.4.501
  15. 지진 전조인자로서 지하수내 라돈 및 화학성분의 상관성 연구 vol.28, pp.2, 2011, https://doi.org/10.9720/kseg.2018.2.313