Groundwater and Stream Water Acidification and Mixing with Seawater, and Origin of Liquefaction-Expelled Water in a Tertiary Formation in the Pohang Area

Chan Ho Jeong; Song Min Ou; Yu Jin Lee; Yong Cheon Lee; Young Seog Kim; Tae Seob Kang

doi:10.9720/kseg.2022.4.559

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Research Article

The Journal of Engineering Geology. 31 December 2022. 559-569
https://doi.org/10.9720/kseg.2022.4.559

Groundwater and Stream Water Acidification and Mixing with Seawater, and Origin of Liquefaction-Expelled Water in a Tertiary Formation in the Pohang Area

포항지역 제3기층내 지하수와 지표수의 산성화 및 해수혼합, 그리고 액상화 유출수 기원에 관한 연구

Chan Ho Jeong¹

Song Min Ou²^*

Yu Jin Lee³^*

Yong Cheon Lee³

Young Seog Kim⁴

Tae Seob Kang⁴

정 찬호¹

오 송민²^*

이 유진³^*

이 용천³

김 영석⁴

강 태섭⁴

¹Professor, Department of Construction Safety Engineering, Daejeon University

²Master Student, Department of Construction Safety Engineering, Daejeon University

³Ph.D. Student, Department of Construction Safety Engineering, Daejeon University

⁴Professor, Department of Earth Environment, Pukyong University

¹대전대학교 건설안전공학과 교수

²대전대학교 건설안전공학과 석사과정

³대전대학교 건설안전공학과 박사과정

⁴부경대학교 지구환경과학과

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

This study investigated the acidification and mixing with seawater of groundwater, stream water, and reservoir water in the Hunghae area of Pohang City, as well as the source of water expelled to the stream by liquefaction induced by the Pohang earthquake on 15 November 2017. Geologically, the area consists of Tertiary sedimentary rocks. We collected six samples of groundwater, five of reservoir water, four of stream water, two of liquefaction water, and one of seawater to analyze the chemical composition and stable isotopes (δD and δ¹⁸O). Gogkang Stream flows eastward through the central part of the study area into the East Sea. The groundwater and reservoir water in the lower part of the stream are acidic (pH < 4), have a Ca(Mg)-SO₄ composition, and high concentrations of Al, Fe, and Mn, likely due to the oxidation of pyrite in Tertiary rocks. The groundwater in the upper part of the stream have a Ca(Na)-HCO₃(Cl) composition, indicating the mixing of seawater with the stream water. The δD and δ¹⁸O isotope data indicate the isotopic enrichment of reservoir water by evaporation. Based on the chemical and isotopic data, it is inferred that the two samples of liquefaction water originated from alluvium water in a transition zone with stream water, and from deep and shallow groundwaters that has been infiltrated by seawater, respectively.

Keywords

groundwater

acidification

pyrite

mixing of seawater

isotope

evaporation

liquefaction water

이 연구는 포항시 흥해지역 지하수, 하천수, 저수지의 해수 혼합과 산성화, 그리고 포항지진(2017년 11월 15일)으로 인한 액상화 유출수의 기원에 대해서 알아보았다. 연구지역은 제3기 퇴적암층 지질로 구성된다. 지하수 6점, 저수지 5점, 하천수 4점, 액상화 유출수 2점, 해수 1점의 시료를 채취하여 화학성분과 산소 및 수소 동위원소를 분석하였다. 연구지역 중심을 동서로 관통하는 곡강천은 서쪽에서 동해쪽으로 흐른다. 하천 하부지역의 지하수와 저수지는 pH 4 이하의 산성수로 황산염이 부화된 Ca(Mg)-SO₄의 수질화학적 유형을 보인다. 제 3기 지층에서 확인되는 황철석의 산화에 의해 기원한 것으로 보이는 Al, Mn, Fe 성분이 특징적으로 높은 농도를 보인다. 하천 상부지역은 하천을 따라서 유입된 염수가 혼합되어 지하수는 Ca(Na)-HCO₃(Cl) 유형의 화학적 특성을 보인다. δD와 δ¹⁸O 동위원소 분석 결과 모든 물은 GMWL을 따라서 분포하며, 저수지는 증발작용으로 부화된 특성을 보인다. 화학성분과 동위원소 조성으로 볼 때 액상화 유출수 2점은 충적층으로 확산된 인접한 하천수, 그리고 염수화가 일부 진행된 심부와 천부 지하수가 용출된 것으로 보인다.

키워드

지하수

산성화

황철석

해수혼합

동위원소

증발작용

액상화유출수

MAIN

서 론
연구지역
연구방법
시료채취 및 현장수질 측정
화학성분 및 동위원소 분석
결과 및 토론
현장수질 측정결과
주요 화학성분과 미량원소
수리화학적 유형
산소-수소 동위원소
결 론

서 론

지표수나 지하수의 산성화는 산성폐수의 유입과 같은 인위적인 요인이나 암석내 황철석과 같은 황화광물의 산화에 의해 산성배수(acid rock drainage, ARD)에 의해 발생 될 수 있다. 특히 산성배수는 자연기원으로 주변 환경, 사면구조물의 안정성과 수명, 경관에 악영향을 주고 있다. 과거에 산성배수는 휴 ‧ 폐광산지역의 주요 환경오염으로만 인식되었다. 최근 대규모 토목 및 건설공사 시 황화광물의 용해로 인해 구조물의 안전성 및 주변 환경에도 위해한 영향을 미치고 있다. 산성배수를 발생시키는 가장 대표적인 황화광물은 황철석(pyrite, FeS₂)으로, 탄화대, 광화대, 함황철석 안산암, 제 3기 층의 특이산성토 등 우리나라 다양한 지질환경에서 흔히 산출된다. 또한 Sulfurlobus acidocaldarious, Leptospirillum ferrooxidans, Thioaciluus aicdophillu 등의 미생물이 황철석의 산화반응에 영향을 미치며, 산소와의 반응보다 미생물에 의한 철의 산화는 수만-수십 만 배 높은 것으로 알려져 있다(Nordstrom, 1982; Kirby et al., 1999; Kock and Schippers, 2006).

포항지역의 이암층은 대부분 신생대 제 3기 마이오세의 퇴적물로 속성작용 중에 지반의 융기로 지표로 노출되어 있으며, 지표수와 지하수를 산성화시킬 수 있는 산성배수를 유발하는 황화광물을 함유한다고 보고된 바 있다(Sim, 2000). 아울러 포항과 같은 해안지역은 염수침입(seawater intrusion)에 의한 토양 내 염류집적으로 농업활동에 제약이 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다(Kumar et al., 2007). 이러한 문제점은 섬진강 유역에서 보고된 바 있다. 섬진강 상류 대형 다목적댐이 건설된 이후 하류로 유출되는 수량이 크게 감소하여, 하류에서는 만조시 해수유입이 상류 쪽으로 크게 확산되는 것으로 보고되었다(Seo et al., 2012). 또한 2017년 11월 포항지진(규모 5.4)에 의해 액상화 현상이 국내에서 최초로 관찰된 이후 액상화 현상의 특징과 액상화 평가방안에 대해 보고된 바 있다(Park et al., 2018; Gahng, 2019; Gang et al., 2019).

본 연구의 목적은 포항지역 제 3기층 지역에서 지하수, 하천수, 그리고 저수지의 산성화와 해수의 혼합을 해석하는데 있다. 아울러 2017년 11월 15일 포항지진에 의한 액상화 현상 발생으로 인한 유출수의 기원을 알아보고자 한다. 이를 위하여 연구지역내 지하수, 하천수, 저수지, 액상화 유출수, 해수 시료를 채취하여 주요 이온 성분과 미량원소, 그리고 산소 및 수소 동위원소를 분석하였다.

연구지역

연구지역은 경상북도 포항시 흥해읍 일대로 해안과 접하고 있다. 한국지질도 포항도폭(1:50,000)에 따르면(Um et al., 1964) 이 지역의 지질은 주로 신생대 제 3기 연일층군의 이동층과 흥해층에 해당된다(Fig. 1). 흥해층은 주로 사 암, 이암, 역암 및 셰일로 이루어져 있으며, 암색은 대체로 백색을 보인다. 본 층의 상부와 하부는 이암과 셰일로 주로 구성되며, 중간층은 사암층이 주로 분포되어 있다. 이동층은 대체로 갈색 내지 백갈색을 보이며, 학림층과 비슷한 암색을 나타내고 있다. 주된 구성 암석은 상부에는 이암과 셰일이 분포하고, 중간층에는 이암이 하부에는 사암과 셰일이 주로 분포되어 있다.

연구지역은 넓은 충적층이 발달한 지역이며, 곡강천이 연구지역 중심부를 동서로 관통하여 수문지질 경계를 이루고 있으며, 곡강천은 서쪽 내륙에서 동쪽으로 흘러 동해안으로 유입된다.

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Fig. 1.

Location and geologic map showing the sampling sites of groundwater (GW), stream water (SW), reservoir water (RW), liquefaction water (LW) and seawater (OW) in the study area (Revised the geologic map of Um et al., 1964).

연구방법

시료채취 및 현장수질 측정

이 연구를 위하여 지하수 6점, 하천수 4점, 저수지 5점, 해수 1점, 액상화 유출수 2점 총 18점에 대해서 2차례(2017. 2, 2018. 1)에 걸쳐 시료를 채취하였다. 지하수공의 심도는 GW1은 자연용출수이며, GW2, 3, 4는 천부지하수(심도 10~30 m), GW5, 6은 심부지하수(심도 100 m)이다. 액상화 유출수의 경우 포항 지진(2017년 11월 15일)발생 직후 토양층에서 용출되는 곳에서 시료를 채취하였으며, 지하수 시료는 일정 시간 양수 후 채취하였다. 모든 물 시료에 대해서 현장에서 수소이온농도(potential of hydrogen, pH), 전기전도도(electrical conductivity, EC), 산화환원전위(oxidation-reduction potential, ORP), 용존산소함량(dissolved oxygen, DO), 수온 등을 Thermo사 Orion 5 star 모델의 휴대용 측정기를 이용하여 측정하였다. 중탄산(HCO₃) 함량은 0.05 N 농도의 HCl로 산중화적정법으로 측정하였다.

물 시료에 대한 양이온, 음이온, 미량원소 성분분석을 위하여 채취된 시료는 0.45 µm 여과지를 이용하여 부유물질을 제거한 후, 각각 60 mL 폴리에틸렌 용기에 담아 보관하였다. 양이온 및 미량원소 분석용 시료는 용존이온 성분의 침전 등을 막기 위해 농질산을 적정량 첨가하여 pH 2 이하로 산성화하여 보관하였으며(Greenberg et al., 1992), 모든 물 시료는 분석전까지 냉장 보관하였다.

화학성분 및 동위원소 분석

주요 양이온(Ca, Mg, Na, K), Si 및 미량원소(Ba, Sr, Fe, Li, B, Al, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Mo, Ba, U)는 한국기초과학지원연구원 오창센터의 원자흡광분광기(Unicam model 989, AAS), 유도결합쌍 플라즈마 원자방출분광기(ICP-mass optima 4300DV, ICP-AES), 유도결합쌍플라즈마질량분석기(Fison model PQ Ⅲ, ICP-MS) 등의 장비로 분석하였다. 음이온 성분(Cl, SO₄, NO₃, F)은 한국기초과학지원연구원 부산센터의 이온크로마토그래피(IC, DIONEX사 ICS 3000)로 분석하였다.

물 시료에 대한 산소 및 수소 동위원소 분석은 한국기초과학지원연구원 오창센터의 안정동위원소 질량분석기(Stable Isotope Ratio Mass Spectrometer, Isoprime model)을 이용하여 분석하였고, δD와 δ¹⁸O 동위원소비는 표준평균해수(standard mean ocean water, SMOW)에 표준화한 천분율(‰)로 표시하였다. 산소 및 수소 동위원소의 분석 정밀도는 각각 약 ±0.1 ‰, 1.0 ‰이다.

결과 및 토론

현장수질 측정결과

연구지역의 물 시료 총 18점에 대한 현장수질 측정결과는 Table 1에서 정리하였다. Fig. 2는 지하수, 하천수, 저수지의 전기전도도와 pH에 대한 박스-휘스커 통계도이다. 저수지의 pH는 하천수와 지하수보다 낮은 산성의 특성을 보이며, 특히 RW3과 RW5 시료는 pH 4 내외의 강한 산성으로 전기전도도 역시 1,057~1,771 µS/cm 범위로 높은 값을 보인다. 저수지의 산성화는 인근에서 도로공사로 인해 절토사면의 제 3기층내에서 확인되는 황철석이 노출되어 강수에 의해 산성수가 생성되고, 이 산성수가 저수지로 유입되거나 공사시 발생하는 산성배수의 유입에 의한 영향으로 판단된다. 곡강천 하천수의 전기전도도는 내륙에서 해안으로 향할수록 전기전도도가 높아지는 경향을 보인다. 이는 곡강천을 따라 해수가 육지쪽으로 유입된 영향으로 보인다. 1, 2차 시료채취시기에 따른 현장수질 측정값은 일부 시료에서 뚜렷한 변화를 보인다. 전반적으로 2차 지하수 시료는 1차에 비해 약간 높은 pH조건을 보이며, 전기전도도는 GW3, 4에서 크게 감소한 특성을 보인다.

주요 화학성분과 미량원소

연구지역 물 시료에 대한 주요 화학성분 및 미량원소는 Table 1과 2에 제시되어 있다. Fig. 2는 지하수, 하천수, 저수지의 주요 이온 성분과 미량원소에 대한 박스-휘스커 통계도이다. 하천수와 저수지의 주요 이온 성분으로 Ca²⁺와 SO₄^2-가 높은 함량으로 각각 24.4~198 mg/L 범위와 77.4~960 mg/L의 범위를 보인다. 지하수는 Na+K, HCO₃, Cl 함량에서 저수지나 하천수에 비해 높은 값을 보인다. 시료채취 시기에 따른 화학성분의 변화는 지하수 GW3, 4에서 Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-의 농도가 2차 시기에서 1차에 비해 뚜렷하게 감소한 특성을 보인다.

포항지진으로 발생된 액상화 유출수인 LW1의 주요 성분은 Ca²⁺ (52.3~8.3 mg/L), HCO₃^- (89.0~125 mg/L) 그리고 SO₄^2- (66.1~142 mg/L)으로 인근의 하천수 SW4와 화학성분의 조성비와 유사하여 천부층 전이대로 유입된 하천수의 영향으로 보인다. LW2는 Na⁺ (200 mg/L), HCO₃^- (253 mg/L) 그리고 Cl^- (171 mg/L) 성분이 높은 화학적 특성으로 하천을 따라 유입된 해수가 인접한 지하수로 확산된 상태에서 지진 발생시 지하수로부터 용출된 것으로 보인다. 이는 후술 될 산소 및 수소 동위원소 조성으로부터 지하수의 심도와도 관계가 있다. 미량원소로 Al, Mn은 산성화된 저수지에서 최대 18.9 mg/L과 21.5 mg/L의 높은 함량을 보인다. Fe는 지하수에서 최대 30.2 mg/L로 높은 농도를 보인다. 그 외 Zn, Ni, Co 등의 성분도 최대 1.9 mg/L로 높은 함량이다.

Table 1.

Geochemical compositions of water samples collected in the study area (unit : mg/L)

Sample ID.	Sampling date (Y/M/D)	pH	ORP (mV)	EC (µS/cm)	DO (mg/L)	T (°C)	Ca²⁺	Mg²⁺	Na⁺	K⁺	Sr²⁺	Fe	Si	HCO₃^-	SO₄^2-	Cl^-	NO₃^-	F^-	CBE (%)
OW1	17/11/27	8.09	30.7	81,200	0.77	12.2	337	866	10,500	462	7.03	0.03	0.14	144	2,816	18,248	0.90	0.89	-1.61
LW1	17/11/28	6.69	61.5	466	2.43	9.90	52.3	17.6	21.5	6.58	0.29	0.18	8.40	125	99.5	22.5	0.53	0.14	4.01
LW1	18/02/12	6.68	-3.90	506	0.96	-	58.3	21.4	22.6	6.27	0.30	N.D	8.22	89.0	142	33.0	5.30	0.16	3.32
LW2	17/11/27	7.67	114	1,088	0.99	12.8	32.4	8.45	200	10.9	0.37	0.30	11.7	253	66.1	171	0.09	0.47	4.36
GW1	17/12/01	5.25	41.7	667	3.47	-	51.6	20.5	54.1	4.36	0.36	0.02	12.4	16.8	238	30.6	0.61	0.18	4.86
GW1	18/02/12	7.18	2.40	624	3.64	6.20	55.8	21.4	56.0	3.91	0.33	0.01	7.99	61.0	228	34.2	1.01	0.13	2.51
GW2	17/12/01	6.43	62.3	1,046	4.41	14.0	74.5	31.3	106	20.3	0.54	12.4	20.5	113	294	94.6	0.16	0.03	3.53
GW2	18/02/12	6.58	22.7	957	3.12	10.2	75.3	30.7	89.6	17.6	0.51	2.24	18.0	85.4	315	86.4	0.16	0.05	1.10
GW3	17/12/01	7.12	47.4	2,617	4.23	18.4	526	87.3	88.1	13.9	7.53	1.45	5.88	291	1,523	19.2	3.55	0.13	0.72
GW3	18/02/12	7.44	3.20	1,657	2.44	7.60	222	38.3	68.9	6.72	2.59	0.03	8.58	255	538	38.7	3.61	0.17	2.53
GW4	17/12/01	6.64	102	579	3.72	11.8	52.1	25.4	35.4	11.4	0.34	0.10	19.9	59.5	194	21.3	6.26	0.08	-6.98
GW4	18/02/12	7.49	14.3	381	3.81	12.8	35.5	17.5	25.5	9.94	0.20	0.23	14.5	56.4	106	21.0	7.05	0.08	8.71
GW5	17/12/01	6.99	-62.6	630	2.95	13.4	34.0	19.8	74.2	6.03	0.35	30.2	22.1	357	0.74	31.8	0.07	0.28	-0.53
GW5	18/02/12	7.25	21.2	504	2.83	16.2	27.9	18.1	64.4	5.45	0.29	2.27	18.0	284	1.93	33	0.06	0.30	1.57
GW6	17/12/01	8.79	37.2	870	3.97	16.5	4.90	0.29	214	1.30	0.07	0.12	7.23	267	4.38	148	5.96	0.46	4.62
GW6	18/02/12	8.09	9.0	841	3.21	22.2	5.02	N.D	198	1.16	0.07	0.01	5.98	250	2.81	159	0.32	0.47	1.26
SW1	17/11/27	6.86	95.9	1,023	0.93	8.20	78.1	26.3	50.3	8.43	0.40	0.12	8.72	45.8	286	40.7	3.89	0.10	3.35
SW2	17/11/27	6.38	112	1,093	1.14	9.70	112	38.1	68.6	8.81	0.53	0.37	9.53	12.2	457	45.6	3.25	0.15	3.83
SW2	18/02/12	7.02	-39.5	961	0.97	2.30	94.9	35.1	80.3	7.84	0.42	0.69	7.71	45.8	394	65.5	6.56	0.23	1.79
SW3	17/11/27	8.36	45.8	398	1.85	11.9	39.8	12.5	28.4	4.95	0.24	0.07	3.74	73.2	87.0	27.3	2.97	0.11	6.67
SW3	18/02/12	7.39	-40.9	337	0.94	3.41	34.6	11.4	19.0	3.83	0.20	0.14	5.57	61.0	77.4	24.7	4.45	0.10	2.93
SW4	17/11/28	6.80	53.2	412	1.85	12.2	47.6	16.3	21.7	6.00	0.25	0.19	8.52	120	78.9	21.2	1.52	0.18	6.43
SW4	18/02/12	6.90	-18.5	419	1.16	4.80	46.8	16.8	19.2	4.36	0.23	2.07	9.62	90.0	107	24.6	0.02	0.12	2.88
RW1	17/11/27	7.67	61.2	395	1.07	10.7	39.4	11.3	22.1	8.79	0.19	0.15	6.10	22.9	133	19.9	0.14	0.16	4.80
RW1	18/02/12	6.46	-12.9	277	1.37	1.60	24.4	7.96	14.4	5.25	0.13	N.D	3.18	13.7	96.8	15.1	0.50	0.10	-0.86
RW2	17/11/27	6.07	123	1,212	0.56	9.80	149	50.8	49.9	11.4	0.76	0.37	8.05	19.8	563	33.4	0.26	0.27	4.01
RW2	18/02/12	6.17	-3.00	1,108	1.03	5.60	145	54.2	47.9	10.2	0.73	0.12	4.17	12.2	587	39.4	0.17	0.24	1.78
RW3	17/11/27	3.60	299	1,771	0.52	9.90	198	89.7	33.5	11.7	0.70	1.73	15.3	0	934	18.1	0.83	0.60	-2.44
RW3	18/02/12	3.82	74.0	1,463	0.91	3.60	101	98.7	33.4	10.1	0.68	0.91	13.0	0	960	21.1	0.84	0.73	-16.2
RW4	17/11/27	7.21	35.8	940	1.29	9.90	82.3	29.6	43.6	12.9	0.42	0.08	10.9	79.3	256	50.3	0.30	0.20	4.25
RW4	18/02/12	7.07	-17.5	753	1.07	7.70	93.5	33.5	32.0	10.6	0.44	0.16	7.18	80.9	300	33.6	0.20	0.21	3.13
RW5	17/11/27	3.97	293	1,196	0.73	11.5	122	40.2	46.6	10.7	0.77	0.57	14.5	0	576	31.5	N.D.	0.59	-4.82
RW5	18/02/12	4.13	65.4	1,057	0.86	3.20	119	41.1	49.3	11.8	0.71	1.26	14.0	0	573	37.8	0.24	0.61	-5.10

CBE: charge balance error.

Table 2.

Minor element concentration in water samples collected in the study area (unit : µg/L)

Sample ID.	Sampling date (Y/M/D)	Li	B	Al	Mn	Co	Ni	Cu	Zn	As	Rb	Mo	Cd	Ba	U
OW1	17/11/27	410	9,361	181	60.2	0.76	5.27	9.47	62.9	4.78	326	22.3	0.26	29.6	4.88
LW1	17/11/28	35.2	69.1	1,053	3.13	12.1	0.65	18.9	1.10	5.25	0.44	<0.1	78.6	0.28	0.28
LW1	18/02/12	4.20	31.1	14.1	20.0	<0.1	6.44	0.95	13.5	<0.5	4.74	0.30	<0.1	78.5	0.09
LW2	17/11/27	244	120	225	0.29	0.94	0.22	10.2	72.8	6.37	19.0	<0.1	63.9	0.21	0.21
GW1	17/12/01	31.5	163	393	69.3	<0.1	86.6	1.88	164	<0.5	7.24	<0.1	1.07	43.3	0.23
GW1	18/02/12	30.8	165	108	34.6	0.74	11.3	0.77	23.1	<0.5	4.65	0.04	<0.1	19.2	0.29
GW2	17/12/01	6.20	70.5	13.4	2,322	6.40	7.78	1.77	162	<0.5	1.93	0.35	<0.1	165	0.02
GW2	18/02/12	5.62	63.5	7.62	2,070	5.59	9.80	3.41	166	<0.5	1.32	0.20	<0.1	127	0.08
GW3	17/12/01	203	416	8.90	5,297	1.72	6.53	8.38	69.3	1.90	20.5	2.51	<0.1	47.8	1.94
GW3	18/02/12	80.7	213	3.63	10.4	<0.1	2.19	0.99	188	<0.5	8.62	0.76	<0.1	28.2	1.28
GW4	17/12/01	15.2	71.6	24.2	764	1.26	2.55	4.77	96.0	<0.5	1.81	0.29	0.60	64.3	0.03
GW4	18/02/12	7.90	49.0	3.19	20.0	<0.1	1.77	1.02	55.1	<0.5	1.50	0.47	<0.1	33.4	0.03
GW5	17/12/01	14.5	119	11.3	766	<0.1	0.99	1.51	363	24.9	3.52	1.97	<0.1	120	0.01
GW5	18/02/12	15.3	110	2.34	620	<0.1	1.78	2.74	1,195	2.11	2.62	1.95	<0.1	63.1	0.06
GW6	17/12/01	341	210	14.2	26.7	<0.1	0.20	2.66	16.2	<0.5	1.05	2.76	<0.1	21.3	0.11
GW6	18/02/12	266	183	4.35	6.84	<0.1	0.17	1.39	14.7	<0.5	0.80	1.59	<0.1	60.0	0.11
SW1	17/11/27	23.1	118	32.7	2,733	13.7	74.7	0.65	186	<0.5	9.48	0.51	1.21	44.2	0.15
SW2	17/11/27	50.5	185	178	5,658	27.2	145	0.80	346	<0.5	14.3	0.17	2.53	29.0	0.08
SW2	18/02/12	37.2	211	8.50	2,090	7.65	64.2	0.88	173	<0.5	8.98	1.01	1.28	24.7	0.11
SW3	17/11/27	11.1	60.0	29.5	52.9	0.20	1.82	0.79	26.2	1.10	2.26	0.96	<0.1	58.2	0.18
SW3	18/02/12	5.32	43.4	6.10	23.0	<0.1	1.91	0.92	601	<0.5	1.54	0.41	<0.1	48.5	0.07
SW4	17/11/28	3.10	37.8	7.90	231	1.42	6.11	0.81	12.8	<0.5	4.26	0.44	<0.1	71.5	0.21
SW4	18/02/12	2.17	28.1	1.80	930	0.25	5.73	0.38	15.6	<0.5	3.30	0.20	<0.1	43.0	0.05
RW1	17/11/27	9.90	58.2	145	139	0.81	8.20	0.60	11.3	<0.5	8.25	0.55	<0.1	55.7	0.12
RW1	18/02/12	5.59	35.6	2.80	8.09	<0.1	3.45	0.56	41.0	<0.5	4.20	0.11	<0.1	38.2	0.01
RW2	17/11/27	41.2	131	484	1,347	10.1	94.8	0.78	246	<0.5	12.2	0.20	1.35	71.8	0.27
RW2	18/02/12	31.4	119	72.5	1,250	5.03	78.2	0.53	234	<0.5	8.60	0.11	1.47	32.6	0.10
RW3	17/11/27	78.3	112	8,819	21,447	268	821	33.2	1,906	2.80	17.7	0.04	17.6	49.2	9.54
RW3	18/02/12	59.5	93.1	6,273	16,160	208	672	25.7	1,806	2.56	13.2	0.04	15.4	32.6	5.69
RW4	17/11/27	37.5	82.5	29.4	1,476	2.91	32.5	0.92	15.4	1.63	8.78	1.16	<0.1	51.5	0.80
RW4	18/02/12	33.3	76.8	36.1	10.0	1.46	15.2	0.83	18.1	0.92	5.55	0.33	<0.1	34.0	0.68
RW5	17/11/27	50.8	100	18,941	4,608	104	338	5.15	1,148	3.93	17.8	0.02	16.4	39.6	2.51
RW5	18/02/12	34.2	82.7	11,420	3,860	77.3	250	5.09	684	3.86	14.4	0.03	7.21	31.0	1.57

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Fig. 2.

Box-whisker plots showing the statistical variations of geochemical data of groundwater, stream water and reservoir water samples (1st (February, 2017) and 2nd (January, 2018)) collected in the study area.

수리화학적 유형

연구지역 지하수, 하천수, 저수지, 액상화 유출수, 해수에 대한 화학성분을 파이퍼도(Piper, 1944)에 도시하였다(Fig. 3). 일부 지하수(GW5, 6)를 제외한 지하수, 저수지, 하천수는 Ca-SO₄ 유형을 보인다. 일부 지하수와 액상화 유출수는 Ca-HCO₃와 Na-HCO₃유형을 보인다. 연구지역 지하수, 하천수, 저수지의 화학성분에 영향을 미친 요소는 자연적 반응, 해수유입, 건설공사주변에서 발생되는 산성배수의 유입 등을 고려할 수 있다. 높은 SO₄ 농도의 지하수와 저수지는 황철석의 산화에 의한 영향으로 보인다. 하천수의 음이온의 유형은 하구부근(S1, S2)의 Cl(SO₄) 유형에서 내륙(S3, S4)으로 향할수록 HCO₃유형으로 전이되는 것으로 볼 때 해수의 유입이 S1, S2 → S3 → S4의 방향으로 진행되었음을 시사한다. 액상화 유출수인 LW1과 LW2는 서로 다른 수리화학적 유형을 보여준다. LW1은 인접한 하천수 S4와 유사한 화학적 유형으로 하천수가 인접 충적층으로 혼합된 상태에서 지진 발생으로 액상화 수압으로 인해 충적층내 하천수 성분이 지표로 상승하여 유출된 것으로 보인다. 하천 하류유역에서 확인된 액상화 유출수(LW2)는 하천으로부터 내륙으로 약 700 m 떨어진 지역으로 화학성분은 Na-HCO₃(Cl)의 유형을 보인다. LW2의 높은 Cl 함량(171 mg/L)과 후술 될 동위원소 조성(지하수와 유사한 조성)을 고려할 때 하천을 따라서 내륙까지 유입된 해수가 하천에서 약 700 m 떨어진 지하수까지 확산되어, 이렇게 염수화된 지하수가 액상화 과정에서 지표부로 유출된 것으로 보인다.

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Fig. 3.

Trilinear plot showing chemical type and interrelationship of water samples collected in the study area.

모든 물 시료에 대한 수리화학적 유형을 공간적으로 비교하기 위하여 지형도상에 Stiff 도로 제시하였다(Fig. 4). 곡강천을 중심으로 하부지역과 상부지역 수리화학적 유형의 차이가 뚜렷함을 보여준다. 하부지역의 지하수와 대부분의 저수지는 Ca-SO₄의 유형으로 이온 성분의 함량이 대체로 높은 특징을 보이고, 하천 상부는 상대적으로 낮은 성분함량으로 Na-Cl, Ca-HCO₃의 유형을 보인다. GW2 지하수와 RW3 저수지가 다른 시료에 비하여 높은 Ca, SO₄의 함량의 특성을 보인다.

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Fig. 4.

Stiff diagram showing the relative contents (meq/L) of major ions of groundwater (orange), stream water (blue), reservoir water (green), liquefaction water (yellow) and seawater (red) in the study area. EP: epicenter of the Pohang earthquake (2017. 11. 15.).

산소-수소 동위원소

2017년 11월 27일에 채취된 연구지역 물 시료에 대한 산소-수소 동위원소 분석결과는 Table 3에 제시되어 있으며, 분석값은 δD-δ¹⁸O 상관 관계도에 도시하였다(Fig. 5). 해수(OW)는 δ¹⁸O와 δD 값이 0.20 ‰과 0.0 ‰을 각각 보인다. 지하수(GW), 지표수(SW), 저수지(RW), 액상화 유출수(LW)의 δ¹⁸O 값은 -8.82~4.23 ‰의 범위를 보이며, δD 값은 -59.2~-29.1 ‰의 범위를 보인다. 해수를 제외한 모든 물 시료는 GMWL (global meteoric water line; Craig, 1961)을 따라서 도시되며, 동위원소 조성은 저수지, 하천수, 지하수(액상화 유출수)의 순서로 동위원소의 결핍을 보여준다. GW6 지하수는 100 m 깊이의 심부 지하수로 가장 낮은 동위원소 조성을 보인다. 저수지는 GMWL 보다 약간 아래에 도시되며, 증발작용으로 인해 동위원소가 부화된 것으로 보인다.

Table 3.

δ¹⁸O and δD composition of all water samples collected in the study area

Sample ID.	δ¹⁸O (‰)	δD (‰)	Sample ID.	δ¹⁸O (‰)	δD (‰)
OW1	0.20	0.0	RW3	-4.70	-31.2
SW1	-5.91	-39.0	RW4	-5.20	-33.1
SW2	-6.50	-42.3	RW5	-4.99	-32.9
SW3	-6.17	-42.3	GW1	-7.25	-47.0
SW4	-5.84	-38.6	GW2	-5.99	-41.1
LW1	-5.64	-37.4	GW3	-6.60	-42.1
LW2	-7.91	-52.0	GW4	-6.88	-47.4
RW1	-4.67	-31.2	GW5	-6.60	-46.0
RW2	-4.23	-29.1	GW6	-8.82	-59.2

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Fig. 5.

Relationship between δ¹⁸O and δD for water samples collected in the study area.

액상화 유출수(LW-1, LW-2)는 뚜렷이 다른 산소 및 수소 동위원소 값을 보인다. 이는 액상화가 발생된 지점에 따라 물의 기원이 다르다는 것을 지시한다. LW-1의 경우 하천수와 비슷한 동위원소 조성을 보여주며, LW-2의 경우 지하수 동위원소 영역에 해당된다. 따라서 LW-1은 지진발생시 충적층으로 확산된 인근 하천수의 물이 용출된 것으로 보이며, LW-2는 심부지하수와 천부 지하수 동위원소 조성의 중간값을 보이며, 화학조성에서도 Na, Cl의 함량이 높아 일부 염수화된 심부와 천부 지하수가 혼합되어 용출된 것으로 보인다.

결 론

포항 흥해지역 지하수, 저수지의 물 시료의 pH는 각각 5.25~8.79, 3.60~7.67 범위로 산성에서 약 알칼리성의 범위를 보이며, 전기전도도는 각각 381~2,617 µS/cm, 277~1,771 µS/cm의 넒은 범위를 보인다. 특히 저수지 RW3과 RW5 물의 pH는 3.60~4.13으로 강산성의 특성과 1,057~1,771 µS/cm의 높은 전기전도도 값을 보인다. 이는 도로공사(토목공사)시 절토로 인해 지표로 노출된 황철석이 산화되면서 생성된 산성배수의 유입의 영향으로 보인다. 산성화된 물은 Al, Fe, Mn의 함량이 특징적으로 높아 산성배수의 수질 특성을 반영한다.

물 시료는 화학성분상 대부분 Ca-SO₄(Cl) 유형에 속하며, 일부 지하수는 Ca-SO₄(HCO₃, Cl), Na-HCO₃(Cl, SO₄)의 유형을 보인다. Ca-SO₄(Cl)의 유형을 보이는 곡강천 물은 하류로부터 해수가 유입되어 내륙 약 8 km까지 확산되어 있고, 염수는 곡강천 인근 충적층과 일부 암반 지하수까지 확산된 것으로 확인된다. 수문지질 경계를 이루는 곡강천을 중심으로 상하부에서 서로 다른 수질화학 특성을 보인다. 곡강천 하부의 저수지와 지하수는 높은 전기전도도와 산성화의 특성, 그리고 Ca-SO₄ 유형을, 반면 상부는 전기전도도가 상대적으로 낮고 Na(Ca)-(HCO₃, Cl) 유형의 특성이다.

물 시료는 δD와 δ¹⁸O 상관도에서 순환수선(GMWL)에 근접하여 도시되며, 저수지, 하천수, 지하수의 순서로 결핍(deficiency) 특성을 보인다. 저수지는 증발작용으로 인해 동위원소가 부화(enrichment)된 것으로 보인다. 액상화 유출수 2점의 시료는 서로 다른 동위원소 조성과 화학성분으로 볼 때, LW1은 인근 하천수와 전이대를 형성하는 충적층 지하수가 용출된 것으로 보이며, LW2는 염수화가 일부 진행된 심부와 천부 지하수가 용출된 것으로 보인다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원(과제번호: 20201510100020)과 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업의 지원(No. 2021R1F1A1060573)을 받아 수행되었습니다.

References

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The Journal of Engineering Geology ISSN:1226-5268(Print) 2287-7169(Online) 지질공학

Preview

Groundwater and Stream Water Acidification and Mixing with Seawater, and Origin of Liquefaction-Expelled Water in a Tertiary Formation in the Pohang Area

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Location and geologic map showing the sampling sites of groundwater (GW), stream water (SW), reservoir water (RW), liquefaction water (LW) and seawater (OW) in the study area (Revised the geologic map of Um et al., 1964).

Table 1.

Geochemical compositions of water samples collected in the study area (unit : mg/L)

Table 2.

Minor element concentration in water samples collected in the study area (unit : µg/L)

Fig. 2.

Box-whisker plots showing the statistical variations of geochemical data of groundwater, stream water and reservoir water samples (1st (February, 2017) and 2nd (January, 2018)) collected in the study area.

Fig. 3.

Trilinear plot showing chemical type and interrelationship of water samples collected in the study area.

Fig. 4.

Stiff diagram showing the relative contents (meq/L) of major ions of groundwater (orange), stream water (blue), reservoir water (green), liquefaction water (yellow) and seawater (red) in the study area. EP: epicenter of the Pohang earthquake (2017. 11. 15.).

Table 3.

δ18O and δD composition of all water samples collected in the study area

Fig. 5.

Relationship between δ18O and δD for water samples collected in the study area.

Acknowledgements

References

δ¹⁸O and δD composition of all water samples collected in the study area

Relationship between δ¹⁸O and δD for water samples collected in the study area.