Research Article

The Journal of Engineering Geology. December 2020. 469-483
https://doi.org/10.9720/kseg.2020.4.469

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구 지역

  • 연구 방법

  • 결과 및 고찰

  •   신광 ‧ 흥해 지역의 배경 지하수질

  •   신광 ‧ 흥해 지역 지하수질 기원

  • 결 론

서 론

지하수는 생활, 농업 및 공업용수로 활용될 뿐만 아니라 가뭄 시기에는 지표수의 대체 자원으로 활용되고 있다. 지하수는 인간이 사용 가능한 담수 중 그 양이 가장 많은 규모를 차지하며(Morris et al., 2003), 전세계적으로 20억 명 이상이 지하수에만 의존하여 살고 있는 것으로 보고되고 있다(UN-WWAP, 2012). 우리나라에서는 지하수의 직접 사용량이 연평균 수자원 이용량(372억m3)의 약 13%를 차지하는 것으로 파악되고 있다(Lee and Raza, 2018). 인간이 사용 가능한 지하수의 양은 지하에 부존하는 지하수의 부피와 일정 기준 이상의 수질에 의해 결정된다. 기후변화에 의한 수자원 분포의 지역 의존성 및 불확실성을 고려할 때(Jiménez Cisneros et al., 2014), 지역의 수자원 분포 및 변화 관측을 위한 장기적인 지하수 모니터링 자료의 축적과 변동의 평가가 필요하다(Green, 2016; Liesch and Wunsch, 2019). 또한, 최근에는 자연 재난의 예측과 평가, 그리고 재해 발생 시 용수 공급의 측면에서 지하수의 수위와 수질 관측의 중요성이 강조되고 있다(Gorokhovich and Ullmann, 2010; Vrba and Renaud, 2016). 국내에서도 2016년 9월 12일 발생한 경주 9.12 지진과 2017년 11월 15일 발생한 포항 지진의 이후로는 지진 예측을 위한 연구 외에도 지진의 영향 평가와 재난 이후 수자원 공급 및 시스템 변이 추적을 위한 지하수 관측의 필요성이 제기되었다.

지진 전후로 지하수위와 지하수질의 변동이 나타남은 예로부터 잘 알려진 현상으로 국내에서도 조선왕조실록을 비롯하여 최근에 이르기까지 국내외에서 발생한 지진에 지해 지하수위 또는 지하수질이 변동되었음이 보고되어 왔다. 국내의 초기 연구에서는 Hamm et al.(2009), Ok et al.(2010), Lee et al.(2011a, 2011b, 2013a, 2013b), Lee and Woo(2012) 등 기존의 국내외 지진에 의한 영향을 분석하기 위하여 자동관측기기를 통한 분석을 수행하였다. 이후 2016년 국내에서 발생한 9.12 지진(경주 지진)이 발생하자 Lee(2016)Hong et al.(2017)은 국가지하수관측망의 실시간 수위 자료를 이용해 지하수위 변동을 보고하고, Kim et al.(2018)은 해당 지역에 대한 현장조사를 수행한 결과 지하수질 변동이 발생하였음을 보고하였다.

그러나 장기적인 모니터링을 통해 지진 예측과 지진으로 인한 지하수위와 지하수질 변동 사례를 평가한 국외와 달리 국내에서는 용존 이온의 변화와 같은 지진 전후 관측된 개별 지하수질 요소에 대하여 보고된 사례가 적다. 이는 지하수위와 지하수질의 변화 중 지하수위와 전기전도도, 수온 등의 몇 가지 요소는 자동화된 센서를 활용하여 직접적인 연속 관측이 가능하지만 지하수질의 경우 인적 ‧ 경제적 제약으로 연속적인 관측이 어렵기 때문이다. 그러나 정상치와 이상치의 비교를 위해서는 ‘정상적인 변동 범위’, 즉 영향을 살펴보고자 하는 사건이 일어나기 전 측정되고 설정된 기준이 반드시 필요하며, 기존의 관측자료를 통해 정상 범위를 추정할 수 있다. 국내에서는 지하수 수질관측망 자료로부터 지역의 배경치를 추정할 수 있으나, 국지적인 변동에 대해서는 기준값을 구하기 어렵다는 단점이 있다.

따라서 본 연구는 지진 재난 평가의 기준값(reference value)을 설정하기 위해 관측을 수행하고 그 변동 양상을 살피고자 수행되었다. 연구 지역으로는 양산단층대에 속한 포항시 신광면과 지난 2017년 포항 지진이 발생한 흥해읍을 선정하였으며, 2018년 7월부터 2019년 8월까지 분기별 1회, 총 5회의 현장조사를 실시하였다.

연구 지역

본 연구의 연구 지역은 경상북도 포항시 북구 신광면과 흥해읍으로 도음산을 경계로 인접하여 위치한다(Fig. 1). 포항시는 양산단층대에 걸쳐 위치하고 있으며 시의 대부분은 양산단층대의 동쪽에 해당된다. 양산단층은 한반도의 남동부를 북북동의 주향으로 종단하는 주향이동단층으로, 양산단층의 동쪽은 불국사화강암류와 마이오세 퇴적암류가 주를 이룬다(Chang, 2002). 양산단층의 총 길이는 150~200 km이며 우수향 수평 변위는 20 km 이상으로 알려져 있다(Kim, 1988). 경상북도 포항시 북구 신광면은 중생대 백악기 경상분지 퇴적암과 마이오세기 화성암이 기반암으로 주로 하양층군에 속하며, 중심의 신광분지는 중생대 백악기 불국사화강암을 기반암으로 하고 있다. 단속된 마그마활동에 의해 형성된 I형의 칼크-알칼리 계열의 관입암체는 낮은 온도와 압력에서 빠르게 고체화되었으며(Lee, 1991), 유라시아판 아래로 섭입한 태평양판에 의해 형성된 동일마그마로부터 분별결정작용이 일어나 형성된 것으로 알려져있다(Tsusue and Ishihara, 1974; Jin, 1980; Hong, 1987). 경상북도 포항시 북구 흥해읍은 마이오세기 동해확장으로 생성된 해양성 퇴적분지인 포항분지에 속하며(Son et al., 2015), 동해와 접하고 있다. 포항분지는 선상지 ‧ 삼각주에서 퇴적된 암석 상부를 미고결 천해성 사암과 이암이 덮고 있다. 포항시 흥해실내체육관에서 진행한 시추조사에서는 지표로부터 90여 m 하부까지 미고결 이암이, 그 하부에서는 사암이 나타났다. 2017년 11월 15일 발생한 Mw5.4 포항지진은 흥해읍 남송리에서 발생하였다.

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Fig. 1

The location of sampling sites with a geological map of the study area. The boundaries of Shingwang and Heunghae were illustrated as solid lines. The solid or dashed lines across the geological map indicate faults and inferred faults, respectively. The geological map was provided by KIGAM through Web Mapping Service (https://mgeo.kigam.re.kr/), and the map for administrative districts was obtained through the National Spatial Data Infrastructure Portal (http://www.nsdi.go.kr/).

연구 방법

연구 지역의 지하수 시료 채취는 농업용 관정과 사설 관정을 대상으로 2018년 7월부터 2019년 8월까지 분기별로 1회씩 총 5회를 수행하였다. 신광면에서는 8개 관정(P1~P9)을, 흥해읍에서는 6개 관정(P9~P14)을 선별하였으며, 지하수 관정의 깊이는 각각 2.0~291 m, 6.0~250 m의 범위이다(Table 1). 그 중 사설 관정인 P1은 펌프의 고장으로, P3과 P6은 관정 폐쇄로 각각 2회, 3회, 1회만 시료를 획득할 수 있었다. 그 외 관정에의 접근이 제한되어 시료를 얻지 못한 경우가 3회 존재하여, 각 회차별 시료 수는 각각 14개, 13개, 10개, 10개, 11개 등 연구기간 전체에 걸쳐 총 58개의 시료가 채취되었다. 관측 지점 중 P-13이 포항지진의 진앙과 가장 가까운 곳에 위치한다.

Table 1.

The location and specification of the wells used in this study. The water type of each sample was estimated using water samples obtained Jun 2018. The water type was determined through the Stiff diagram (S1)

Well ID Lat (°N) Lon (°E) Well depth (m) Water type
Shingwang-myeon P1 36.091 129.257 2 Ca-HCO3
P2 36.094 129.246 88 Ca-HCO3
P3 36.094 129.243 210 Ca-HCO3
P4 36.103 129.246 150 Ca-HCO3
P5 36.111 129.248 120 Ca-HCO3
P6 36.133 129.261 291.0 Na-HCO3
P7 36.148 129.245 178 Ca-HCO3
P8 36.136 129.273 5 Ca-HCO3
Heunghae-eup P9 36.076 129.332 250 Na-HCO3
P10 36.077 129.322 115 Na-HCO3
P11 36.086 129.322 12.5 Na-HCO3
P12 36.126 129.382 7.78 Na-HCO3*
P13 36.111 129.367 6 Ca-HCO3
P14 36.126 129.360 110 Na-HCO3

*The water type changed to Ca-HCO3 type from Nov 2018.

지하수 시료는 관정에 설치된 펌프를 이용하여 채취하였으며, 펌프가 없는 P13 관정의 경우 베일러를 사용하여 채취하였다. 이 때, 관정에 머무른 물의 영향을 제거하기 위해 관정 부피의 3배 이상의 물이 빠져나갈 수 있도록 펌프를 충분히 틀어주거나 베일러로 빼낸 뒤 물을 충분히 제거한 후 채취하였다.

채취한 시료는 둘로 나누어 현장 분석과 실내 분석을 위해 사용하였다. 현장에서 측정한 항목은 전기전도도(electric conductivity, EC), 용존 산소(dissolved oxygen, DO), 산화-환원 전위(oxidation-reduction potential, ORP), 수소이온농도(pH), 수온이며, Orion Star A329(Thermo Fisher Scientific)에 EC, DO, ORP, pH 탐침을 연결하여 측정하였다. 수온은 EC 탐침에서 측정된 값을 사용하였다. 모든 탐침은 유효기간 내의 보정액을 사용하여 시료 채취 당일 아침에 보정한 것을 사용하였다. 실내 분석용 시료는 각 관정별로 1회 채취하여 알칼리도 분석용 시료를 먼저 준비한 뒤 0.45 µm 멤브레인 필터를 사용하여 필터링을 거친 후 양이온, 음이온, 수소 ‧ 산소 안정동위원소(D, δ18O) 분석용 시료, 알칼리도 분석용 시료 등 총 4병으로 나누어 사용하였다. 양이온, 양이온, 음이온, 수소 ‧ 산소 안정동위원소 시료는 각각 60 mL 폴리프로필렌 시료병에, 알칼리도 분석용 시료를 120 mL 폴리프로필렌 시료병에 담아 4℃ 이하에서 냉장 보관하였으며, 양이온 시료의 경우 침전을 방지하기 위해 60% 질산을 2방울 이상 첨가한 뒤 뚜껑을 닫아 섞어주고 리트머스지로 pH를 확인하였다(U.S. EPA, 1982; Weight, 2008).

알칼리도는 시료 채취 후 24시간 내에 0.01N HCl 용액을 이용하여 pH 4.3의 고정 pH 적정법으로 측정한 후 HCO3-으로 환산하였다. 양이온과 음이온, 안정동위원소는 각각 ICP-OES(Thermo Scientific iCAP 7000 Series), IC(Metrohm 883 Basic IC plus), LWIA(LGR IWA-35-EP)를 이용하여 연세대학교 지구시스템과학과에서 분석하였다. 시 료 분석결과의 적절성은 주양이온(Na+, K+, Ca2+, Mg2+)과 주음이온(Cl-, HCO3-, SO42-, NO3-)의 전하균형오차(Charge balance error)로 신뢰성을 검증하였다. 전하균형오차 검증 결과, 분석한 시료 58개 모두 ±10% 미만의 값을 보여 제거한 시료 없이 연구에 활용하였다.

신광면과 흥해읍의 지하수 수질 유형은 Pipier diagram과 Stiff diagram을 이용하여 수행하였다. 물-암석 반응의 영향은 Hounslow(1995)에 소개된 Na+/Cl-, HCO3-/SiO2, Mg2+/(Ca2++Mg2+), Ca2+/(Ca2++SO42-), SiO2/(Na++K+-Cl-)의 비율 계산을 수행하여 평가하였다. 연구 대상 관정의 모든 시료가 획득된 것은 2018년 7월이므로 전체 시료를 대상으로 한 분석이 필요한 경우는 2018년 7월 획득된 자료만을 사용하였다.

결과 및 고찰

신광 ‧ 흥해 지역의 배경 지하수질

연구 기간 동안의 pH와 EC 농도를 Table 2로 정리하였다. 신광면의 pH는 6.26부터 10.33 사이의 값을 보였으며, EC는 172.00~828.90 µs/cm의 범위를 가지는 것으로 측정되었다. 흥해읍에서는 pH가 6.86~10.29의 범위로, EC는 95.40~1,268.00 µs/cm의 범위로 나타났다. 2019년 2월의 경우를 제외하고는 흥해읍의 지하수에서 전기전도도 평균 및 중앙값이 신광면에서보다 높게 나타났다. EC는 지하수 내 용존 이온 농도를 간접적으로 알려주는 지시자로 물- 암석 반응이나 외부로부터의 물질 유입이 발생할 경우 높은 값을 가지게 된다. 파쇄대가 잘 발달되어 있는 지역의 지하수는 해양성 실트 퇴적물에 비해 지하수의 흐름이 빠르며, 실트나 실트질 모래와는 유속이 비슷하거나 느린 것으로 알려져 있다(Freeze and Cherry, 1979). 지하수의 흐름이 빠를 때 물-암석 반응은 불리하고 이동이 용이해지기 때문에 EC 값은 낮아지게 된다. 흥해읍의 지하수가 상대적으로 용존 이온의 함량이 높은 것은 기반암을 이루는 해양성 퇴적분지층에 남아 있는 염류, 다양한 토지이용의 영향 또는 해수침투의 결과로 사료된다.

Table 2.

The pH and electric conductivity (EC) measured in the study site. The EC was measured in µS/cm. P1-P8 and P9-P14 were collected in Shingwang-myeon and Heunghae-eup, respectively. The blank cells indicate the missing observation by the restriction on accessing the well

Well ID 18-Jul 18-Nov 19-Feb 19-Jun 19-Aug
pH EC pH EC pH EC pH EC pH EC
P1 6.26 353.5 6.9 300
P2 7.25 312.5 7.52 303.8 7.1 229.7 7.27 312.9 7.47 323.4
P3 6.96 244.1 7.07 257.3 7.38 209.3
P4 6.69 281.9 6.56 247.6 6.56 231.6 6.86 271.5
P5 6.84 366.3 6.88 371.2 7.06 209.1 6.76 422.4 6.96 384.8
P6 10.33 303.2
P7 6.51 279.9 6.52 279.7 6.5 172 7.07 240.9 6.49 272.2
P8 6.56 337.7 6.6 314.8 6.51 310.1 6.59 336.4
P9 7.36 790.4 7.9 892 7.84 844.3 7.75 808.6
P10 8.96 506 8.15 534 8.45 203.2 8.86 521.8 9.14 509.3
P11 8.52 627.6 10.29 665.7 8.53 184.6 8.32 648.9 8.31 640.3
P12 8.65 448 7.57 448.3 7.31 166.1 7.39 507 7.42 556.5
P13 7.58 980.4 7.76 1,268 7.86 187.2 7.92 892 7.83 735
P14 6.99 687.7 7.16 688 7.16 95.4 6.86 539.6 6.96 535.3

주양이온 중 Na+와 K+의 농도는 흥해읍에서 높게 나타났다(Fig. 2a, 2b). Ca2+와 Mg2+의 중앙값은 신광면에서 더 높거나 비슷하게 나타났으나, 농도의 범위는 흥해면에서 넓게 나타났다(Fig. 2b, 2d). 주음이온 Cl-, SO42-, HCO3-, NO3- 중 Cl-는 2019년 7월을 제외하고는 흥해읍에서 높게 나타났으며, SO42-와 HCO3-는 연구기간 중 지속적으로 흥해읍의 지하수에서 높은 수치를 보였다(Fig. 2e~2g). 이와 반대로 NO3-는 신광면에서 높게 나타났다(Fig. 2h). 이는 신광면 연구 관정 주변에서 농업 활동이 활발하게 이뤄지고 있어, 비료 및 분뇨로부터 유입된 질소의 영향으로 사료된다. 미량원소의 이온 농도는 대체로 큰 편차를 보이지 않았다. 그러나 2018년 7월에는 F-의 농도가 신광면에서 높게 나타났으며(Fig. 3a), 16.1 mg/L의 고농도가 P6에서 관측되었다. 지하수의 불소 이온은 자연적으로는 화성암으로부터 기인하며, 외부적으로는 질산성 비료를 통해 주로 유입된다. P6 관정의 지하수에서는 NO3-가 검출한계 미만으로 나타난 것으로 볼 때, 기반암인 화강암과 물의 반응으로 나타난 결과로 보인다. 다만 해당 관정이 2018년 7월 이후로는 접근할 수 없기에 F- 농도의 이상이 관정 특이치인지 지역의 특이치인지는 분명히 판단할 수 없다. Fe 이온 농도는 모든 조사시점 흥해읍의 지하수에서 높은 농도로 존재했다(Fig. 3b). 이는 P14에서 Fe 이온 농도가 고농도로 나타나기 때문이며, 이 지점에서는 음용수 기준(0.3 mg/L)을 100배 초과하는 농도인 31.0 mg/L가 관측되었다(2019년 8월). 자연적으로 Fe는 휘석, 각섬석, 운모류, 자철석을 비롯해 Mg2SiO4와 FeSiO4를 end member로 가지는 네소규산염암(nesosilicates)에 많이 포함되어 있다(Hem, 1992). P14는 Mg2+의 농도 역시 높은 수준임을 고려할 때, 퇴적된 nesosilicates가 물과 반응하여 나타난 결과로 보인다. 시기별 자세한 관측 결과와 요약통계자료는 S2에 정리하였다.

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Fig. 2

The concentration of major ions observed in Jun 2018, Nov 2018, Feb 2019, Jun 2019, and Aug 2019, respectively: (a) Na+, (b), Ca2+, (c) K+, (d) Mg2+, (e) Cl-, (f) SO42-, (g) HCO3-, and (H) NO3-. The whiskers extend to the most extreme data point that is within 1.5 times the interquartile range. The point data indicates the extreme data points more than the whisker range. SG indicates the samples from Shingwang-myeon, while HH denotes them from Heunghae-eup.

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Fig. 3

The concentration of (a) F- and (b) Fe observed in Jun 2018, Nov 2018, Feb 2019, Jun 2019, and Aug 2019. The whiskers extend to the most extreme data point that is within 1.5 times the interquartile range. The point data indicates the extreme data points more than the whisker range. SG indicates the samples from Shingwang-myeon, while HH denotes them from Heunghae-eup.

관정별로 보면, P12 관정과 P13 관정의 시료에서는 계절적 변화를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 4, S2). 두 관정 모두 여름에 해당하는 2018년 7월과 2019년 6월, 8월에는 SO42-가 높게 관찰되었으며 각각 가을과 겨울에 해당하는 2018년 11월과 2019년 2월에 높은 HCO3- 농도가 관찰되었다. 시료 중 각 이온들의 상대적 분산을 파악하기 위해 추가적으로 상대표준편차(relative standard deviation, RSD)를 계산하였다. 상대표준편차는 표준편차를 평균으로 나눈 값으로 서로 다른 규모의 자료값들을 비교할 때 유용하다. 계산 결과, 주양이온과 주음이온의 상대표준편차는 2018년 7월을 제외하고는 모든 항목에 대해 흥해읍에서 크게 나타나 이 지역 지하수시스템이 다양한 지하수질 조성을 가짐을 짐작하게 한다. 2018년 7월에는 Na와 K의 농도가 신광면에서 넓은 범위로 나타났다. 이 외에도 같은 기간 SiO2가 신광면에서 더 큰 편차를 보였다. 각 관정별로는 P2, P3. P5가 계절적 편차가 비교적 적은 것으로 나타났고, P10, P12, P13, P14에서는 30% 이상의 높은 상대표준편차율을 보였다. 특히, P13의 경우 2019년 2월 Cl-의 농도가 기존의 2배 이상 나타남에 따라 60% 이상의 상대표준편차율을 보였다.

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Fig. 4

The piper diagrams of the water samples obtained in (a) Jul 2018, (b) Nov 2018, (c) Feb 2019, (d) Jun 2019, and (e) Aug 2019. The omitted data in each diagram was due to the restriction on the sampling activity.

2018년 7월 채취된 지하수 내 Mg2+/Ca2+ 비율과 Na+의 Cl+에 대한 초과 정도(Na meq/L - Cl meg/L)를 비교하면, Mg2+ /Ca2+ 의 비율이 높은 곳일수록 Na+ 초과도가 낮아지는 경향을 보이는 것으로 나타났다(Fig. 5). 이는 Calcite가 과포화되어 있는 환경에서 Na+의 초과도가 높은 경향이 있다는 Borrok et al.(2018)의 연구와 일치한다. 또한, 신광면의 시료는 검출 한계 미만으로 Mg2+가 관측되어 검출 한계 0.1 mg/L의 반값인 0.05 mg/L를 Mg2+의 농도로 적용한 P6을 제외하고는 Mg2+와 Ca2+ 간의 비가 크고 Na+의 초과도가 낮게 나타났다. 반면 흥해읍 남부에 위치한 P9, P10, P11에서는 Na+의 초과도가 높게 나타났고, P9~P11에 비해 해안에 가깝게 자리한 흥해읍 북부의 P12, P13, P14에서는 Na+의 초과도가 낮게 나타났다. P6의 경우 Mg2+의 농도가 검출한계 미만이며 Ca2+의 농도가 다른 관정에 비해 현저히 낮은 것을 감안할 때, Ca2+와 Mg2+가 기반암에 미량으로 존재하였거나 이미 Ca(HCO3)2나 CaSO4의 상태로 침전되어 제거되었을 것으로 판단된다. P12, P13, P14의 세 관정이 P9, P10, P11에 비해 해안에 더 가깝게 존재함에도 초과도가 더 낮은 것은 P9~P11의 기반암을 이루는 중부연일층군의 해성 이암층과 함께 존재하는 염류의 용해 작용으로 보인다(Fig. 1, Te2). P14의 높은 Mg2+/Ca2+ 비율은 ORP 값과 SO42-의 농도가 낮고 Mg2+와 HCO3-의 농도가 높은 것으로 볼 때, CaSO4가 침전되어 지하수로부터 제거되는 환경에서 기인한 것으로 사료된다.

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Fig. 5

The ratio of Mg2+ and Ca2+ relative to Na excess. The Na excess was calculated by subtracting the molar concentration of Cl- from that of Na+. For P6 where the concentration of Mg2+ was below the detection limit, half of the detection limit (detection limit: 0.1 mg/L) was applied. SG indicates the samples from Shingwang-myeon, while HH denotes them from Heunghae-eup.

Stiff diagram을 이용하여 지하수의 유형을 분석한 결과에서는 신광면의 경우 대부분의 관정에서 주양이온 중에서는 Ca2+가, 주음이온 중에서는 HCO3-의 농도가 상대적으로 가장 높은 농도로 나타나 주로 Ca-HCO3 타입으로 구분되었다(Table 1). 그러나 가장 깊은 관정인 P6은 Na-HCO3 타입의 조성을 보여 다른 관정들과 차이를 보였다. 흥해읍의 경우 주양이온은 Na+가 상대적으로 가장 높은 농도로 나타났으며 주음이온은 HCO3-가 가장 높은 농도로 검출되어 Na-HCO3 타입으로 분류되었다. 다만, P12는 2018년 7월에는 Na-HCO3 유형이었다가 이후 Ca-HCO3 타입으로 변하였다. P12 관정의 pH가 8.65에서 감소한 것과 2017년 발생한 포항 지진의 영향이 컸던 지역에 위치함을 고려할 때 지진의 영향이 회복되어 가는 중이라는 추측이 가능하지만 기존 조사 결과나 지진 당시 또는 지진 직후 관측이 수행되지 않아 정확한 변동 이유를 확인하기 위해서는 추가적인 관측과 연구가 필요하다.

산소-수소 동위원소 분석 결과를 보면 δ2H(δD)는 -70.234~-34.385‰, δ18O는 -10.645~-4.434‰의 범위로 나타났다(Fig. 6, S3). RSD는 δ2H는 11~20‰, δ18O는 11.3~22. 9‰의 값을 보여 동위원소비의 범위가 넓음을 확인할 수 있다. 평균 및 중앙값을 비교할 때, 모든 조사시점에서 흥해읍의 지하수에서 2H와 18O가 더 결핍된 것으로 나타났으며, 20 m 이내의 천부 지하수 관정 결과를 제외한 경우에도 흥해읍의 지하수가 비교적 더 가벼운 동위원소로 조성되어 있는 것으로 나타났다. 이는 지하수가 대기로부터 격리된 시간이 더 길었음을 암시한다. Lee and Chung(1997)이 1961~1976년 사이 포항 강수의 안정동위원소를 분석하여 제시한 해당 기간 동위원소 조성식은 δD=(8.05±0.32)δ18O+(12.72±2.44)로, Craig(1961)의 순환수선에 비해 D가 높은 값을 보인다. IAEA(1983)는 지하수의 동위원소 조성을 변화시키는 여러가지 프로세스 중 순환수선 아래로 지하수의 동위원소 조성이 벗어나는 경우, 지표 근처에서의 증발산 및 광물과의 동위원소 교환의 결과로 제시하였다. 특히 광물과의 동위원소교환은 X축과 평행한 방향으로 변하는 것으로 나타났다. 신광면의 지하수는 일반적으로 순환수선에서 벗어나 산소가 무거운 쪽으로 도시되어 증발산에 의한 결과 또는 기반암 내 광물과 교환작용으로 판단되며, 심부관정의 경우는 광물과의 교환작용이 크게 작용했을 것으로 보인다. 흥해흡의 지하수는 순환수선과 밀접하게 도시되거나 순환수선에 비해 산소가 무거워지는 방향에 도시되는데 이는 지역의 대수층시스템이 다양한 경로로 유입, 이동되는 지하수를 포함하고 있음을 반영한다.

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Fig. 6

The stable isotopes of samples collected in Jul 2018. The formular for GMWL line was adapted from Craig (1961), δD=8δ18O+10, while the LMWL was occupied the mean values from Lee and Chung (1997) for Pohang area. SG indicates the samples from Shingwang-myeon, while HH denotes them from Heunghae-eup.

신광 ‧ 흥해 지역 지하수질 기원

물-암석 상호반응을 이해하기 위해 HCO3-/SiO2, Na+/Cl-, Ca2++SO42-, Mg2+/(Mg2++Ca2+), SiO2/(Na++K+-Cl-)을 각각 분석하였다(Hounslow, 1995). 이때, SiO2는 mmol/L의 단위를, 나머지 이온들은 meq/L를 사용하여 계산한다. 분석법 중 HCO3와 SiO2의 농도 비교는 규산염암 용해의 영향을 판단하는 방법으로 제시되었다. Na+/Cl-값이 1보다 크게 나타나는 경우는 지하수의 Na+ 기원이 암염이나 해수에 의한 것보다는 Albite 등의 규산염광물 또는 Na+와 다른 양이온간 이온교환에 의한 것으로 볼 수 있다. Ca2+와 Ca2++SO42-의 비교나 Mg2+/(Mg2++Ca2+)는 지하수 내 Ca2+의 기원을 판단할 수 있는 근거가 되는 한편, SiO2/(Na++K+-Cl-) 값은 Na+의 기원을 판단할 수 있는 근거가 된다. 이 값이 2보다 크면 Na+가 철마그네시아 광물(ferromagnesian mineral)의, 1 초과 2 이하일 경우 규산염 광물 또는 양이온 간 이온교환, 그리고 1 이하일 경우 양이온 간 이온교환의 영향으로 볼 수 있다. 전체 분석 결과는 Table 3에 정리하였다.

Table 2.

The results of ratio analysis to understand water-rock interaction. The calculation was conducted using milli-equivalent concentration (meq/L), except SiO2 which used molar concentration (mmol/L). The blank cell indicates no data or uncalculatable due to the value below the detection limit

Ratios Shingwang-myeon Heunghae-eup
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
Jul
18
Na+/Cl- 1.11 1.52 1.83 1.86 0.87 4.37 1.54 1.28 26.03 25.28 18.46 3.73 3.17 2.78
Ca2+/(Ca2++SO42-) 0.72 0.88 0.83 0.82 0.81 0.25 0.81 0.75 0.22 0.09 0.14 0.53 0.56 0.90
HCO3-/SiO2 2.48 2.78 2.37 3.21 2.39 2.01 2.41 4.71 13.30 6.89 9.25 8.24 9.23 11.15
Mg2+/(Ca2++Mg2+) 0.31 0.39 0.42 0.25 0.43 0.39 0.33 0.13 0.11 0.10 0.11 0.17 0.45
SiO2/(Na++K+-Cl-) 1.58 3.15 2.03 1.47 -7.43 0.24 2.58 1.38 0.06 0.08 0.07 0.12 0.18 0.17
Nov
18
Na+/Cl- 1.53 1.54 1.85 1.94 1.02 1.62 1.43 42.0 22.83 15.57 2.4 1.78 1.91
Ca2+/(Ca2++SO42-) 0.76 0.87 0.83 0.80 0.82 0.81 0.66 0.55 0.16 0.14 0.75 0.54
HCO3-/SiO2 4.04 2.34 2.36 2.19 2.42 2.30 5.32 31.45 4.96 9.29 5.42 21.16 5.77
Mg2+/(Ca2++Mg2+) 0.27 0.39 0.43 0.29 0.43 0.39 0.37 0.15 0.13 0.10 0.11 0.21 0.47
SiO2/(Na++K+-Cl-) 1.11 3.42 1.99 1.59 14.76 2.39 0.91 0.03 0.12 0.09 0.45 0.20 0.38
Feb
19
Na+/Cl- 1.73 1.98 2.21 1.09 1.72 20.19 17.88 2.19 1.22 2.55
Ca2+/(Ca2++SO42-) 0.86 0.84 0.82 0.84 0.83 0.13 0.14 0.73 0.65 0.99
HCO3-/SiO2 2.10 2.17 1.88 2.30 2.32 5.09 8.97 5.54 18.47 10.72
Mg2+/(Ca2++Mg2+) 0.39 0.43 0.30 0.43 0.39 0.12 0.10 0.11 0.23 0.46
SiO2/(Na++K+-Cl-) 3.08 1.94 1.61 7.00 2.33 0.11 0.08 0.54 0.30 0.18
Jun
19
Na+/Cl- 1.49 0.94 2.09 1.28 46.92 23.15 30.05 1.73 1.62 3.00
Ca2+/(Ca2++SO42-) 0.89 0.79 0.90 0.69 0.48 0.07 0.20 0.67 0.51 0.94
HCO3-/SiO2 2.57 2.27 3.36 4.77 25.31 5.39 14.96 4.73 7.31 6.59
Mg2+/(Ca2++Mg2+) 0.39 0.44 0.34 0.37 0.14 0.09 0.11 0.11 0.21 0.50
SiO2/(Na++K+-Cl-) 3.49 -24.23 1.74 1.25 0.04 0.10 0.05 0.75 0.26 0.43
Aug
19
Na+/Cl- 1.66 2.50 1.11 1.78 1.65 38.57 23.02 16.67 1.91 1.63 3.00
Ca2+/(Ca2++SO42-) 0.88 0.84 0.81 0.81 0.77 0.40 0.09 0.14 0.66 0.46 0.99
HCO3-/SiO2 2.75 2.78 2.40 2.35 4.64 17.72 6.79 8.90 5.09 6.00 6.52
Mg2+/(Ca2++Mg2+) 0.39 0.23 0.43 0.39 0.33 0.14 0.11 0.10 0.11 0.21 0.48
SiO2/(Na++K+-Cl-) 2.55 1.10 5.52 1.98 0.82 0.05 0.09 0.08 0.61 0.33 0.43

먼저 신광면의 지하수에서 분석된 HCO3-와 SiO2의 농도를 비교한 결과, 2018년 11월 P8에서 채취한 지하수를 제외하고는 HCO3-/SiO2 값이 모두 5보다 작게 나타나 신광면의 지하수는 대부분 규산염 풍화의 영향이 있었을 것으로 판단된다. 이러한 결과는 신광면의 지질학적 조건과 일치한다. 신광면의 HCO3-/SiO2 값이 5보다 작게 나타난 시료에서 SiO2와 Na+, K+, Cl-의 값을 비교한 결과는 신광면 P1, P4, P8 시료에서는 SiO2/(Na++K+-Cl-)가 1보다 크고 2보다 작아 Na+이 Albite 풍화에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 이들 관정의 Na+와 Cl- 농도를 비교 결과, 지하수 내 Na+의 기원은 규산염광물 또는 Na+와 다른 양이온 간 이온교환에 의한 결과이며, Mg2+와 Ca2+ 비교 결과는 암석의 풍화작용에 기인한 것으로 판정되었다. 한편, Ca2+/(Ca2++SO42-)가 0.5보다 큰 값으로 나타나 Ca2+의 농도는 규산염암 또는 탄산염에서 기원한 범위에 해당한다. 종합적으로는 P1, P4, P8의 양이온은 이 지역의 기반암인 화강암의 영향을 크게 받았다고 사료된다. P2 관정에서는 (SiO2/Na++K+-Cl-)가 2보다 큰 값을 가져 주변 지하수의 Na+ 농도는 철마그네시아 규산염의 영향을 받았다고 판단된다. 이는 Na+/Cl- 값이 1보다 크다는 점으로 뒷받침된다. Mg2+와 Ca2+, Ca2+와 SO42- 간 비율은 P2의 양이온이 화강암질 암석의 풍화작용으로 형성되었음을 시사한다. 이 외에 P7 시료에서는 (SiO2/Na++K+-Cl-)값이 2019년 6월 1.74로 감소하였는데 이는 이 시기 Na+/Cl-의 비와 HCO3-/SO42- 비가 높아졌기 때문으로 보인다. 이렇게 비율이 달라진 것은 대수층의 환경 또는 유동하는 지하수가 바뀌어 물-암석 반응보다 양이온 교환반응이 활발해졌기 때문으로 판단된다.

한편, 흥해읍의 지하수에서는 신광면에서보다 복잡한 결과를 나타냈다. HCO3-와 SiO2 비교 결과, P9의 경우에는 HCO3-/SiO2 값이 모든 분기에서 10보다 크게 나타나 탄산염암의 용해에 영향을 받은 것으로 구분되었다. Na+의 기원은 Na+/Cl- 비와 SiO2/(Na++K+-Cl-)를 볼 때, 양이온 간 이온교환에 의한 것으로 판단된다. 하지만, Mg2+와 Ca2+ 비교 결과는 Mg2+/(Mg2++Ca2+)가 0.5보다 작게 나타나 화강암질 암석의 풍화작용도 작용함을 보여준다. Ca2+/(Ca2++SO42-)의 낮은 비율은 다른 양이온 간 이온교환이나 방해석 침전으로 Ca2+가 제거되었을 것으로 판단되는 영역임을 고려할 때, Na+와 이온교환으로 Ca2+가 제거되고 있을 것으로 판단된다. P10과 P12 시료는 모든 분기에서 HCO3-/SiO2 값이 5보다 작게 나타나므로 규산염 풍화의 영향이 존재한다고 판단할 수 있다. Na+/Cl- 비율은 Na+가 규산염광물의 용해나 양이온 간 이온 교환의 영향으로 보이는데 SiO2/(Na++K+-Cl-)의 값이 1보다 작은 점을 고려할 때 Na+의 대부분은 규산염 광물의 용해가 아닌 양이온 교환에 의한 결과로 추정된다. 두 시료의 Mg2+/(Mg2++Ca2+) 값은 0.5보다 작아 화강암질 암석의 풍화가 기원한 것으로 보인다. 깊은 심도의 P10에서는 Ca2+/(Ca2++SO42-)가 0.5보다 낮게 나타나 Ca2+가 양이온 간 이온교환 또는 방해석 침전으로 제거된 것으로 보인다. 한편, 2018년 7월 이후 나타난 P12의 지하수질 타입 변화는 Ca2+/(Ca2++SO42-)를 고려할 때 규산염 광물 용해의 영향이 크다고 설명할 수 있다. P11의 경우에는 2019년 6월, P13 시료는 2018년 11월과 2019년 2월, P14 시료는 2018년 6월과 2019년 2월에만 HCO3-/SiO2 값이 10보다 큰 값을 보이고 다른 분기에는 5와 10 사이의 값을 보여 이 지역 대수층의 지하수가 규산염과 탄산염 광물의 풍해 영향을 동시에 받고 있는 것으로 추정된다. 이 시료들의 SiO2/(Na++K+-Cl-) 값은 1보다 작아 Na+ 농도는 규산염에 의한 것이 아닌 이온 교환에 의한 것으로 판단된다. P11, P13, P14의 Na+ 농도는 모두 규산염광물의 용해나 양이온 간 이온 교환으로 영향을 받은 것으로 보인다. Mg2+/(Mg2++Ca2+) 농도비는 2018년 6월의 P14시료(=0.5)를 제외하고는 화강암질 암석의 풍화와 용해에 그 수질이 영향 받고 있는 것으로 나타난다. P11은 Ca2+/(Ca2++SO42-)가 0.5보다 작게 나타나 Ca2+의 제거 기작이 있었음을 알 수 있다. 이와 달리, P13와 P14에서는 Ca2+/(Ca2++SO42-) 값이 0.5보다 크게 나타나 규산염과 탄산염의 용해에 영향을 받는 것으로 나타난다. 따라서 P11은 양이온 간 이온교환의 영향이, P13과 P14는 화학적 풍화의 영향을 크게 받고 있는 것으로 보인다. P13이 6 m 심도의 천부 관정인데에 반해 P14는 110 m 심도의 심부 관정 임을 고려할 때, P14에서 물-암석 반응이 활발한 것으로 판단된다.

결과적으로, 신광면 지역에서 심부 대수층의 지하수질은 동위원소비와 주양이온을 고려할 때, 화강암질 암석과 충적층 내 규산염의 용해로 인한 결과로 나타났으며, 여기에 이 지역에서 이뤄지는 농업으로 인한 NO3-의 유입이 나타나고 있다. P6에서는 F-의 이온 농도가 높게 나타나며 Ca2+와 Mg2+ 농도가 낮은 값을 보였는데, NO3-의 농도가 낮은 것을 고려할 때 비료로 인한 유입은 아닐 것으로 판단된다. P6의 지하수질이 관정 주변의 특이치인지 해당 심도 지하수의 특성인지에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. 이와 달리, 흥해읍 지역의 지하수질은 해양에서 퇴적된 규산염과 탄산염 광물의 영향으로 인한 복합적인 결과로 보인다. 흥해읍 지하수의 농도 범위는 신광면에 비해 계절적 변동이 심하며, 관정별 차이가 큰 점을 고려할 때, 배경수질의 기본 범위(baseline)을 정하기 위해서는 보다 장기간의 관측이 필요할 것으로 보인다.

결 론

변동 또는 변화는 관찰 대상의 성질이나 모양, 상태가 달라지는 것을 가리키며, 이는 필연적으로 지속적인 관측에서 전제된다. 2016년 9월 12일 경주에서 발생한 9.12 지진과 2017년 11월 15일 발생한 포항 지진 이후로 미소 지진을 포함한 지진 발생 횟수가 많아지고 있으며, 중대형 규모의 지진 발생 가능성도 조심스럽게 논의되고 있다. 재난 발생 시 지하수가 비상용수로 활용될 수 있고, 이후 지역의 지하수 이용에 있어 지하수위와 지하수질이 그 사용가능량을 평가할 수 있는 지표로 활용될 수 있기에 지진 전 지역의 지하수위 및 지하수질에 대한 장기적인 변화의 확인은 필수적이며, 변동의 유무를 확인하는 기본값으로 사용될 수 있다. 특히, 자동관측이 어려운 지하수질에 대해서는 정상 변동 범위의 선정이 무엇보다 중요하다.

본 연구를 통해 포항시 신광면과 흥해읍의 지하수질 변동 범위를 파악한 결과, 이온별 계절별 변동폭이 적은 관정도 있지만 높은 관정도 나타났다. 이러한 차이는 관정의 깊이, 기반암의 차이, 외부활동의 영향 등에 의한 것으로 사료된다. 정상 변동 범위의 정확한 산정과 이상변동 가능성의 평가를 위해서는 해당 지역의 지속적이고 장기적인 모니터링이 요구되며, 특히 미고결 퇴적암을 기반암으로 하고 있는 흥해 지역은 지하수 심도별, 위치별로 수질의 차이가 크고 계절적 변동이 존재함을 고려할 때 중점적으로 연구가 되어야 할 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 한국연구재단과 한국기상산업기술원의 재원으로 이공분야 대학중점연구소지원사업(과제번호: 2017R1A6A1A07015374)과 기상 ‧ 지진See-At기술개발연구사업(과제번호: KMI2017-9050)의 지원을 받아 수행되었으며 이에 감사드립니다. 현장과 실내에서 시료 채취 및 분석을 도와준 한정연 양과 오장훈 군에게도 감사드립니다. 또한 더 좋은 논문이 될 수 있도록 조언을 아끼지 않아주신 익명의 심시위원분들께도 감사드립니다. 논문 내용 중 일부는 이현주 학생의 연세대학교 지구시스템과학과 학사학위 논문에서 사용되었습니다.

Stiff diagram 수질 분석 원자료는 다음의 주소에서 확인할 수 있습니다.https://drive.google.com/drive/folders/1fFcuHXM0vrhbeSu8d0js4Rs1ebRBVJ6J?usp=sharing

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