532 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 서 국내음용수로사용되는지하수내자연방사성물질중우라늄과 Rn-222의산출은 Han and Park (1996) 에의하여처음알려진후전국을대상으로지하수내고농도자연방사성물질산출에대한조사가환경부주관으로단계별로현재까지

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1 ISSN (Print) ISSNS (Online) The Journal of Engineering Geology, Vol.26, No.4, December, 2016, pp 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 정찬호 1 * 이유진 1 * 이용천 1 김문수 2 김현구 2 김태승 2 조병욱 3 최현영 1 1 대전대학교건설안전방재공학과, 2 국립환경과학원토양지하수연구과, 3 한국지질자원연구원 Hydrochemistry and Occurrences of Natural Radioactive Materials from Groundwater in Various Geological Environment Chan Ho Jeong 1 *, Yu Jin Lee 1 *, Yong Cheon Lee 1, Moon Su Kim 2, Hyun Koo Kim 2, Tae Seong Kim 2, Byung Uk Jo 3, and Hyeon Young Choi 1 1 Department of Construction Safety and Disaster Prevention Engineering, Daejeon University 2 Soil and Groundwater Research Division, National Institute of Environmental Research 3 Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources Received 2 December 2016; received in revised form 20 December 2016; accepted 27 December 2016 화강암, 화강편마암, 변성퇴적암류와같이다양한지질환경에서지하수내자연방사성물질인우라늄과 Rn-222의산출특성에대한지하수의수리화학적영향, 지질과의상관성, 단층대의영향등에대해서알아보고자하였다. 이연구를위하여영동지역을대상으로 2차례에걸쳐지하수 49점, 지표수 4점을채취하였다. 지하수내우라늄과지표암석과의상관성을알아보기위해감마스펙트로메트리를이용하여 40지점에서지표방사능을측정하였다. 지하수화학적유형은 Ca-HCO 3, Na-HCO 3,, Ca-HCO 3 (SO 4 +NO 3 ) 등 3가지유형을보인다. 환경부권고치인우라늄 30 µg/l를초과하는지하수는총 49지점중 2점이며, Rn-222의경우미국 EPA 기준치인 148 Bq/L를초과하는지하수는총 40지점중 11점이다. 초과하는지하수는주로화강편마암과흑운모편마암지질과지질경계부에분포한다. 지표방사능세기와지하수내우라늄함량과는뚜렷한상관관계를보여지않는다. 아울러 N45 E 방향의주향이동단층인영동단층은 82 의고경도로상반에해당되는화강암및화강편마암지역에서고함량의우라늄과 Rn-222가산출되며, 하반에해당되는퇴적암지역에는고함량의지하수가확인되지않는데, 이와같은뚜렷한차이는지질의영향과더불어단층대가방사성물질의이동및확산을차단시키는역할에도원인이있을것으로추정된다. 주요어 : 우라늄, 라돈-222, 지질경계, 수리화학, 단층, 지질 The purpose of this study is to analyze the relationship of hydrochemistry, geology, fault with occurrence of uranium and radon- 222 from the groundwater in the Yeongdong area. In this study, 49 groundwater and 4 surface water samples collected in the study area were collected on two separate occasions. The surface radioactivities were measured at 40 points to know the relationship between the occurrence of uranium in groundwater and surface geology. The chemical composition of groundwater showed three types : Ca-HCO 3, Na-HCO 3 and Ca-HCO 3 (SO 4, NO 3 ). Two groundwater of 49 samples exceeded the maximum contaminant levels of uranium, 30 µg/l, proposed by the Ministry of Environment of Korea and 11 groundwater of 40 samples for Rn-222 concentrations exceeded the 148 Bq/L maximum contaminant level of US EPA. Most of unsuitable groundwater are located in the geological boundary related with the biotite gneiss and the surface radioactivities of rock samples showed no relationship with groundwater geochemical constituents. The strike-slip fault, Youngdong fault, is N45 o E direction and the high concentrations of uranium in upper part of fault, consisted of granite and granitic gneiss are detected but in lower part, consisted of metamorphic sedimentary rock are not detected. It suggests that the natural radioactive concentrations are related with the geologic characteristics and the migration and diffusion of natural radioactive materials are affected by the fault. Key words: Uranium, radon-222, geological boundary, hydrochemistry, fault, geology *Corresponding authors: chjeong@dju.kr (C. H. Jeong), geoabby20@gmail.com (Y. J. Lee) c 2016, The Korean Society of Engineering Geology This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( org/licenses/ by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 531

2 532 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 서 국내음용수로사용되는지하수내자연방사성물질중우라늄과 Rn-222의산출은 Han and Park (1996) 에의하여처음알려진후전국을대상으로지하수내고농도자연방사성물질산출에대한조사가환경부주관으로단계별로현재까지진행되어왔다 (NIER, 1999, 2000, 2001, 2002; Jeong et al., 2011, 2012, 2013, 2015, 2016; Ju et al., 2013; Kim et al., 2014). 그동안연구조사결과마을상수도, 간이급수시설, 민방위비상용급수시설등다수의지하수에서미국 EPA 권고치인우라늄 30 µg/l와라돈 148 Bq/L 농도를초과하는것으로보고되었다 (Cho et al., 2006, 2008, 2009; Sung et al., 1999, 2000, 2001, 2002). 국외의경우 1960년대이후부터지하수내우라늄과 Rn- 222의조사를시작하였으며, 높은농도의자연방사성물질은화강암지역에서산출되는것으로알려져있다 (Lowry et al., 1987, Wathern, 1987; Betcher et al., 1988; Cothern, 1990; Banks et al., 1998). 미국의경우우라늄, Rn-222 각각 30 µg/l, 148 Bq/L으로, 호주의경우각각 17 µg/l, 100 Bq/L 로음용수수질기준을정하였다. WHO와캐나다의경우 Rn-222의수질기준은없으며, 우라늄은각각 30 µg/l, 20 µg/l이다. 유럽은각국마다조금씩차이가있으며핀란드의경우우라늄, Rn-222 각각 100 µg/l, 300 Bq/L의음용수수질기준을가지고있다. 스웨덴, 노르웨이는우라늄에대한수질기준은없으며, Rn-222의경우각각 100~1000 Bq/L, 500 Bq/L의수질기준을가진다. 국내의경우미국 EPA 기준치를사용하고있다. 자연방사성물질이함유되어있는광물들은광물구조와화학적조성이복잡하고, 지표로노출된경우환경지시인지로서지구과학연구분야에서널리활용되어져왔다 (Langmuir et al., 1997; Finch and Murakami, 1999). 그러나자연방사성물질은주로암석내부성분으로존재하기때문에함유도가높지않아광물로서이용되지않는것으로보고되었으며, 광물들중 5% 만이필수성분으로자연방사성물질이함유하고있는것으로알려져왔다 (Park and Kim, 1998; Mandarino, 1999). 우라늄을함유한광물들은현재약 218 종이며, 이중 216종만이국제광물협회 (International Mineralogical Association, IMA) 에서공인하였다 (Gaines et al., 1997). 자연방사성물질들은대부분지하수음용으로인하여인체에노출되며, 우라늄의경우전리방사성 (ionizing radiation) 에의해발암성, 돌연변이성및기형성의부작용을일으킬수있다고보고되었다 (CEPA, 2001; Shin et al., 2002). 라듐-226의붕괴산물인 Rn-222는가스형태로존재하며호흡으로인해인체에노출될경우폐암발생가능성을크게증가시킬수있는것으로보고되었다. 라돈가스는대기와토 론 양뿐만아니라지하수내에서도용존하여다량으로존재하는것으로알려져있다. 우라늄은높은이동성과긴반감기로상대적으로지하수내다량으로함유되어있으며, 지하수내우라늄의전세계적인평균농도는 0.1~10 µg/l으로알려져있다 (Cowart and Osmond, 1980). 불활성기체인 Rn-222의경우 3.8일의반감기를가지고있어지하수내우라늄보다이동성이떨어지지만관정주변에직접적으로지질의영향을받는것으로보고되었다 (Michel, 1990). 특히단층대에서고농도의라돈함량을보여대수층물질과우라늄사이에서의지구화학적반응도영향을미치는것으로알려져있다 (Loomis, 1987; Lantot et al., 1985). 지하수내방사성물질을생성하는 1차적인근원인우라늄의광물학적정보와존재형태는지하수내자연방사성물질의물리화학적거동특성을파악하는데유용한정보를제공할수있다 (Choo, 2002) 본연구에서는영동지역다양한지질환경에서지하수내자연방사성물질인우라늄과 Rn-222의산출특성에대한지하수의화학적영향, 단층대, 지질과의상관성을알아보고자하였다. 연구지역 연구지역은충청북도영동군영동읍주곡리, 임계리, 가리, 서송원리일대이다 (Fig. 1). 이지역에는다수의농업용지하수가사용되고있으며, 포도농사에대부분이용되고있다. 연구지역남동부의지질은선캠브리아기화강편마암, 흑운모편마암이대부분을이루고, 일부분에운모질편암류가분포하며, N45 o E 방향의영동단층이발달되어있다. 단층을기준으로상부지역인북서지역은중생대백악기영동층군명륜동층의퇴적암류가분포한다 (KIER, 1986). 운모질편암류는조립질화강편마암또는주입편마암내에포호암상으로편마암류엽리와조화적으로분포되며, 본암류에는녹회석편암, 녹리석견운모편암, 석영견운모편암등이포함된다. 흑운모편마암은변성암이대부분흑운모편마암으로되었으며, 일반적으로조립질로서사질암및이질기원으로추정된다. 주구성광물은석영, 정장석, 사장석, 흑운모및백운모등으로되어있으며, 부성분으로미량의탄산염류및견운모등이있다. 영동단층대부근화강편마암은입자가미립내지중립으로우백질이우세하여반화강암내지우백질화강암상을보인다. 주구성광물은석영, 정장석, 미사장석등우백질로되어있으며, 미량의백운모가있다. 영동층군명륜동층은대부분적색역암으로구성되어있으며, 그외에자색또는담갈색의조립질사암이나이암이렌즈상으로협재되어있다.

3 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 533 Fig. 1. Geologic map including sampling points of groundwater in study area. 연구방법 물시료채취및현장수질측정본연구를위하여지하수는 49점, 지표수 4점으로총 53 점채취하였다. 지하수시료채취는 1차 (2015년 7월 15~16 일 ) 와 2차 (2015년 09월 21~22일 ) 로나누어두차례에걸쳐수행하였다. 현장수질측정은일정시간양수후대기와의접촉을최소화할수있는조건에서수소이온농도 (ph), 산화환원전위 (ORP), 전기전도도 (EC), 용존산소 (DO), 중탄산이온 (HCO 3 ) 함량을측정하였다. 중탄산이온 (HCO 3 ) 함량은 0.05N 농도의 HCl로산중화적정법을사용하였다. 지하수의현장수질측정은 Orion 5 star 모델의휴대용측정기를이용하였으며, 주요양이온및음이온, 우라늄을포함한미량원소분석을위하여원수를 0.45 µm 공극의필터에통과시켜부유물질을제거한후폴리에틸렌용기 (60 ml) 에담았다. 용존이온성분이용기에흡착또는침전을방지하기위하여양이온시료에는적정량의농질산을첨가하여 ph 2이하로유지하였다 (Greenberg et al., 1992). 지하수화학성분및라돈분석채취된지하수시료를분석하기전까지 4 o C 이하에서냉장보관하였으며, 주요양이온 (Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Sr 2+ Si, Fe) 및우라늄을포함한미량원소는한국기초과학지원연구원오창센터의원자흡광분광분석기 (Unicam model 989, AAS), 유도결합플라즈마원자방출분광기 (ICP-mass optima Fig 2. Measurement points of the surface radioactivities in the study area. 4300DV, ICP-AES), 유도결합플라즈마질량분석기 (Fison model PQ III, ICP-MS) 등의장비로분석하였다. 주요음이온성분 (F, Cl, SO 2 4, NO 2 3 ) 은한국기초과학지원연구원오창센터에서유도결합플라즈마질량분석기 (Inductively Coupled Plasma System, ICP System) 등의장비로분석하였다. 라돈가스를분석하기위해서시료는대기와의접촉을최대한최소화하여 22 ml 유리용기에지하수시료 15

4 534 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 ml와액체섬광물질 (Optiphase Hisafe 3) 5 ml를첨가하여 5분동안충분히혼합시킨후, 한국기초과학지원연구원오창센터에서분석하였다. 지표방사능측정휴대용감마스펙트로미터 (Model GR-320 envi spec, SAIC detector) 를이용하여지표암석 40개지점에대한지표방사능세기를측정하였다. 측정값은총방사선세기 (Tot, ppm) 와 K (%), U (ppm), Th (ppm) 의성분으로각각환산하여구하였다. Fig. 2에서휴대용감마스펙트로미터를이용한지표방사능세기측정지점을보여준다. 수리지화학특성현장수질측정결과지하수의현장수질 (ph, ORP, EC, DO) 측정결과는 Table 1에정리하였다. 시기별질산염 (NO 3 ) 의농도에따른현장수질측정자료의특성을보여주는통계자료로박스 -휘스커도 (Box-Whisker plot) 를심도와지질에따라 Fig. 3과 Fig. 4에서각각보여준다. 수소이온농도 (ph) 는 6.28~8.69의범위로시기별큰차이가없으며, 산화환원전위 (ORP) -40~253 mv의범위로일부 를제외하고대부분산화환경으로용존산소함량 (0.89~9.49 mg/l) 범위와잘일치하여강수의침투와지하수의순환이비교적빠른것으로보인다. 전기전도도 (EC) 는 58.9~756 µs/cm의범위로, 지하수별큰차이를보인다. 이는지질과의연관성특히퇴적암의영향과지표부의오염물질의유입에의해전기전도도값을높아는것으로추정되며자세한내용은후술된다. 지하수의 ph와전기전도도의특성과심도와의상관성을알아보기위해대표적인오염물질인질산염 (NO 3 ) 의자연상태의최대농도를 10 mg/l로가정하고, 그이하의함량을갖는지하수를대상으로보면, 심도가깊어질수록 ph와전기전도도는증가하는경향을보이며, 산화환원전위와용존산소량은감소하는경향을보인다. 이러한경향은지하수의심도에따른특성을어느정도반영하는것으로보인다. 질산염농도가 10 mg/l 이상인지하수들은전기전도도와용존산소량이심도별로증가와감소하는경향을각각보인다. 반면에 ph와산화환원전위는심도별로큰특징을보이지않는다. 지질별로구분하면질산염이 10 mg/l 이상인지하수들이화강암지질에서전기전도도와용존산소량이가장넓은분포를보인다. 따라서지질의영향보다는심도에따른지표오염물질의유입등이수리화학특성에더큰영향을미치는것으로보인다. Fig. 3. Box-Whisker plots showing the statistical variations of ph, oxidation reduction potential (ORP)l, electrical conductivity, and dissolved oxygen content of groundwater samples according to NO 3 concentration and depth.

5 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 535 Table 1. Geochemical composition of groundwater and surface water samples in the yeongdong area. (unit : mg/l) Sample ID. Sampling Date (Y/M/D) ph ORP (mv) EC (µs/cm) DO Ca 2+ Mg 2+ Na + K + Sr 2+ Fe Si HCO 3 2 SO 4 Cl NO 3 F E.N (%) G3(1) /07/ G3(2) 15/09/ G40(1) 15/07/ G40(2) 15/09/ G49(1) 15/07/ G49(2) 15/09/ G57(1) 15/07/ G57(2) 15/09/ G63(1) 15/07/ G63(2) 15/09/ G94(1) 15/07/ G94(2) 15/09/ G95(1) 15/07/ G95(2) 15/09/ G96(1) 15/07/ G96(2) 15/09/ G109(1) 15/07/ G109(2) 15/09/ G113(1) 15/07/ G113(2) 15/09/ G132(1) 15/07/ G132(2) 15/09/ J41(1) 15/07/ J41(2) 15/09/ J79(1) 15/07/ J79(2) 15/09/

6 536 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 Table 1. (continued) (unit : mg/l) Sample ID. Sampling Date (Y/M/D) ph ORP (mv) EC (µs/cm) DO Ca 2+ Mg 2+ Na + K + Sr 2+ Fe Si HCO 3 2 SO 4 Cl NO 3 F E.N (%) J80(1) 15/07/ J80(2) 15/09/ J81(1) 15/07/ J81(2) 15/09/ L7(1) 15/07/ L7(2) 15/09/ L20(1) 15/07/ L20(2) 15/09/ L33(1) 15/07/ L33(2) 15/09/ L34(1) 15/07/ L34(2) 15/09/ L136(1) 15/07/ L136(2) 15/09/ S6(1) 15/07/ S6(2) 15/09/ S27(1) 15/07/ S27(2) 15/09/ S37(1) 15/07/ S37(2) 15/09/ S47(1) 15/07/ S47(2) 15/09/ S49(1) 15/07/ S49(2) 15/09/ S50(1) 15/07/ S50(2) 15/09/

7 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 537 Fig 4. Box-Whisker plots showing the statistical variations of ph, oxidation reduction potential (ORP), electrical conductivity, and dissolved oxygen content of groundwater samples according to NO 3 concentration and geology (Sed: Sedimentary rock, Gr: Granite gneiss including 1 sample in volcanic rock, Bi: Biotite gneiss including 1 sample in schist. 주요화학성분지하수의주요화학성분은 Table 1에서보여주며, 화학성분에대한통계적특성은 Fig. 5에서통계분석기법인박스 -휘스커도(Box-Whisker plot) 로보여준다. 연구지역지하수내대표적인생활환경오염물질인질산염 (NO 3 ) 의농도가높아서자연상태에서기대할수있는최대농도를 10 mg/l 이하로가정하고, 이를기준으로이온농도를지질별로구분하여제시하였다. 질산염의농도가 10 mg/l 이상인지하수의경우 Cl, SO 2 4, K +, Mg 2+ 의농도가 10 mg/l 이하인비교적지표오염의영향이없는지하수와비교하면상대적으로높은농도범위를보인다. 반면에 Na +, HCO 3 의농도는반대의경향을보인다. 따라서지하수내 Cl, SO 2 4, K +, Mg 2+ 의성분은물-암석반응에의한공급뿐만아니라상당한함량이오염물질로부터공급되었음을지시한다. 이는 Fig. 6에서보여주는상관관계도에서확인될수있다. Fig. 6은지하수내 NO 3 의함량에따른음이온들의상관관계를도시하였다. NO 3 의함량은불소 (F) 와중탄산 (HCO 3 ) 은상관성을보이지않는반면, SO 4 와 Cl과는정의상관관계를보여불소와중탄산은대체적으로물-암석상호반응에 의한공급으로보여지며, SO 4 와 Cl의높은농도는 NO 3 와함께오염의기원이상당한비중을차지하는것으로보인다. 연구지역과수원이주를이루어농사에사용된질소비료등의오염물질이지하수로유입되었을가능성이크다. 음이온중 F의함량이음용수기준 1.50 mg/l를초과하는지점은 3개지점 (G-132, J-81, L-20) 으로, 1차와 2차에각각 2.11~4.44 mg/l의농도와 1.92~4.61 mg/l의농도를보이며, 질산염과의관계성을보이지않으며, 불소는 Na과 HCO 3 의농도와높은상관성을보여준다. 특히불소가높은지하수는물-암석반응에의해편마암내흑운모등의 (OH ) 를치환한불소 (F ) 의용해에의하여용출된것으로보이며, 이는흑운모와상당한물-암석의반응이진행되었음을지시한다. Table 5에서는수리화학성분및자연방사성물질상관관계를보여준다. K와 Cl, NO 3 은각각 0.49, 0.56으로상관성을보여, 이들성분은비료등지표오염물질에의한공급의가능성을시사한다. Na와 HCO 3, F와는 0.74, 0.88으로비교적높은상관성을보여이는물-암석상호반응에의한자연적기원의영향을시사한다.

8 538 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 Fig 5. Box-Whisker plots showing the statistical variations of major ions in groundwater samples by NO 3 concentration and geology (Sed: Sedimentary rock, Gr: Granite Gneiss, Bi: Biotite Granite) 미량원소성분지하수내에함유된미량원소는 Li, B, Mn, Cu, Zn, Ba 등이상대적으로풍부하게확인되었다 (Table 2). 이들의농도는수십에서수백 µg/l의농도범위를보인다. 우라늄은 0.02~70.8 µg/l의범위를보이며, 미국 EPA 권고치인 30 µg/l 초과한지점은두지점 (S27(1), S27(2)) 이다. 우라늄을포함한미량원소는뚜렷한상관관계를보이지않으며, 우라늄과관련된자세한내용은후술된다.

9 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 539 Table 2. Minor and trace composition of groundwater samples collected in the study area (unit : µg/l) Sample ID. Sampling Date (Y/M/D) Li B Al V Cr Mn Co Ni Cu Zn As Rb Mo Sb Cs Ba Pb U G3(1) 15/07/ < < G3(2) 15/09/ < < < G40(1) 15/07/ < G40(2) 15/09/ < < G49(1) 15/07/ < < < <0.1 < G49(2) 15/09/ < < < <0.1 < < G57(1) 15/07/ < < < <0.1 < G57(2) 15/09/ < <0.1 < < G63(1) 15/07/ < < < G63(2) 15/09/ < < < < < G94(1) 15/07/ < < < <0.1 < G94(2) 15/09/ < < < <0.1 < < G95(1) 15/07/ < < G95(2) 15/09/ G96(1) 15/07/ < < < <0.1 < G96(2) 15/09/ < < < <0.1 < G109(1) 15/07/ < < < G109(2) 15/09/ < < < < G113(1) 15/07/ < < < G113(2) 15/09/ < < < < G132(1) 15/07/ < < < < G132(2) 15/09/ < <0.1 < < < < J41(1) 15/07/ < < < < J41(2) 15/09/ < < < < J79(1) 15/07/ < < < <0.1 < J79(2) 15/09/ < < < <0.1 < <

10 540 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 Table 2. (continued) (unit : µg/l) Sample ID. Sampling Date (Y/M/D) Li B Al V Cr Mn Co Ni Cu Zn As Rb Mo Sb Cs Ba Pb U J80(1) 15/07/ < < < < J80(2) 15/09/ < < J81(1) 15/07/ < J81(2) 15/09/ < <0.1 < < <0.1 < L7(1) 15/07/ < < L7(2) 15/09/ < < L20(1) 15/07/ < < < L20(2) 15/09/ < <0.1 < < < L33(1) 15/07/ < < < L33(2) 15/09/ L34(1) 15/07/ < < < L34(2) 15/09/ < <0.1 < < < L136(1) 15/07/ < < <0.1 < L136(2) 15/09/ < < <0.1 < S6(1) 15/07/ < < S6(2) 15/09/ < <0.1 < < S27(1) 15/07/ < S27(2) 15/09/ < < S37(1) 15/07/ < < S37(2) 15/09/ < < < S47(1) 15/07/ < S47(2) 15/09/ < < < S49(1) 15/07/ < < < <0.1 < S49(2) 15/09/ S50(1) 15/07/ < < < S50(2) 15/09/ < < <

11 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 541 Fig. 6. Variation in major anion as a function of NO 3 content in groundwater samples. Fig. 7. Trilinear plot showing the chemical types of groundwater according to the depth.

12 542 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 Fig. 8. Trilinear plot showing the chemical types of groundwater by geology. 지하수의수리화학적유형 화학성분을파이퍼도에도시하면지하수의화학적유형은 Na-HCO 3 유형, Ca-HCO 3 유형, Ca-NO 3 (SO 4 ) 유형에걸쳐분포한다. 지하수의주요화학성분에대한파이퍼도는심도와지질별로 Fig. 7과 Fig. 8에서각각보여준다. 파이퍼도상에서심도에의한화학적유형은비교적뚜렷하여 100 m 이상심부지하수는 Ca-HCO 3 유형과 Na-HCO 3 유형을주로보이는반면심도가얕은 30 m 이하의충적층지하수는대부분 Ca-NO 3 (SO 4 ) 유형에분포한다 m의중간심도의지하수는 Ca-HCO 3 유형에서 Ca-NO 3 (SO 4 ) 유형까지분포한다. 따라서천층지하수일수록지표오염물질의노출정도를비교적뚜렷하게보여준다 (Fig. 7). 파이퍼도에서지질에의한화학적유형은퇴적암지질에서는크게 2개의그룹으로나눌수있으며, A 유형은 Ca- HCO 3, B 유형은 Ca-NO 3 (SO 4 ) 을보여준다. 화강편마암및흑운모편마암지질은질산염이 10 mg/l를초과하는지하수만비교하였으며, 크게 3개의그룹으로분류할수있다. A 유형은 Na-HCO 3, B 유형은 Ca-HCO 3, C 유형은 Ca-NO 3 (SO 4 ) 을보여준다. 퇴적암지질의경우 B 유형은질산염등에의한오염이상당히진행된것으로보여준다. B 유형을 보이는화강암및편마암은전형적인 Ca-HCO 3 의유형을보이며, C유형은물-암석반응에의한영향과오염의영향을모두반영하는수리화학성분을보여준다 (Fig. 8). 자연방사성물질산출지하수내자연방사성물질지하수내자연방사성물질인 Rn-222와우라늄의산출농도에대한통계자료는시기에따라심도별및지질별로구분하여 Fig. 9과 Fig. 10에서박스-휘스커도로각각보여준다. 1차조사에서지하수내우라늄은 SS-27 시료에서최고 62.6 µg/l의농도를보이고, GR-3, GR-40 지하수에서는 27 µg/l와 15.9 µg/l의농도를각각보였다. 2차조사에서지하수내우라늄은 SS-27 시료 1곳에서만미국 EPA 권고치인 30 µg/l을초과하는 70.8 µg/l을보였다. Rn-222 는 20개지하수시료에대해서분석하였다. 미국 EPA 권고치인 148 Bq/L를초과하는지하수는 1차와 2차시기에각각 5점과 6점으로최대 861 Bq/L과 621 Bq/L을보여주었다. 우라늄과 Rn-222의분석자료는 Table 3에정리하였다. 우라늄과 Rn-222의시기별농도분포를보여주는버블

13 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 543 Fig. 9. Box-Whisker plots showing the statistical distribution of uranium and radon-222 contents of groundwater by depth. US EPA MCL: Maximum Contaminant Level for drinking water suggested by US EPA. Fig. 10. Box-Whisker plots showing the statistical distribution of uranium and radon-222 contents of groundwater by geology. US EPA MCL: Maximum Contaminant Level for drinking water suggested by US EPA. Table 3. Concentrations of uranium and radon-222 of groundwater and surface water samples Sample ID Depth Sampling date (15/07/15~16) Sampling date (15/09/21~22) (m) Rn-222 (Bq/L) U (µg/l) Rn-222 (Bq/L) U (µg/l) GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR GR JG JG JG JG LG LG LG LG LG SS SS SS SS SS SS

14 544 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 Fig. 11. Bubble maps showing the distribution of radon-222 content of groundwater. Fig. 12. Bubble maps showing the distribution of uranium concentrations of groundwater. 다이아그램은 Fig. 11과 Fig. 12에서보여주며, 고함량라돈 -222은주로화강편마암과지질경계부분 ( 화강편마암에서흑운모편마암 ) 에서높은농도를보인다. Rn-222는우라늄의붕괴산물로서불활성기체이므로암석내근원지로부터발생후암반의틈을통해확산이자유로워비교적넓게확산되어지하수내에서용해되는것으로보인다. 지하수내대부분의우라늄은암석내함유된무기성분이지하수와직접적인화학적반응에의해서만용해되어지하수내로용출되며지하수내에서우라늄의거동은지하수의수소이온농도, 산화환원전위, 화학성분에지배를받을것이다 (Jeong et al., 1997). Rn-222와우라늄의상관관계는 Table 5에서와같이상관지수가 0.07로거의상관성이없음을보여준다. 양 ) 내함유된자연방사성물질의붕괴와지하수내용해에의해산출된다. 지표방사능세기와지하수내자연방사성물질함량과의상관성을알아보기위하여감마스펙트로메트리를이용하여지하수공주변암석에지표방사능세기를직접측정하였다. 지표감마방사능량을측정하여 U, Th, K의함량으로환산한값은 Table 4와같다. 지표방사성 ( 우라늄, 토륨, 칼륨, 총방사성세기 ) 등의함량은 U은 1.5~21.5 ppm의범위를보이고, Th은 4.8~48.7 ppm 의범위를보이며, K은 1.3~5.9% 의범위를보인다. 총지표방사성은 9.1~54.7 ppm의범위를보인다. 지표방사성함량분포에대한버블다이아그램은 Fig. 13에서보여준다. 고농도자연방사성물질과지표방사성세기와는뚜렷한상관성을보여주지는않는다. 지표방사성세기 지하수의우라늄및 Rn-222 의일차적인기원은암석 ( 토 고함량자연방사성물질과지질및단층대와의상관성 우라늄은자연방사성물질중가장무거운원소이며, 높은

15 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 545 이동성과긴반감기 (44억 6,800만년 ) 때문에비교적지하수내높게검출된다. 지하수내우라늄의주요산화상태는 4 + 와 6 + 이며, 용해된우라늄은대부분착이온을형성하며가장안정한형태는우라닐이온 (UO 2 ) 이다. UO CO 3 (or HCO 3 ) (UO 2 CO 3 ) 0 or (UO 2 HCO 3 ) + 이와같은탄산염착물의형태가우라늄이인체에유입되는가장흔한형태이며, ph에따라매우다양한화학종을형성한다. 중성및알칼리에서는우라닐이온, 우라닐탄산염화합물로형성되며, 산성에서는우라닐이온이많이형성된다. 따라서지하수내고함량우라늄은중탄산 (HCO 3 ) 함량이높고, 산화환경이며, 약알칼리성의 ph의조건을가지며, 이때우라늄의형태는우라닐탄산염화합물의형태로의용존가능성을보인다. Rn-222는라듐-226( 반감기 1,600년 ) 의자연방사붕괴로부터생성되며, 유일한불활성 (inert) 기체이다. 따라서화학반응을일으키지않고지하수내대수층균열또는공극, 단층대를통하여쉽게이동할수있으며, 붕괴되어소멸되기전까지지하수에용해되거나지표면으로방출된다. 연구지역지하수내지질별 Rn-222와우라늄의함량분포를 Fig. 11와 Fig. 12에도시하였다. Rn-222는미국 EPA 권고치인 148 Bq/L를초과하는지점들은주로화강편마암과지질경계부에서높은농도를보인다. 우라늄은환경부권고치인 30 µg/l를초과하는지점은화강편마암에위치되어있으나, 시기별뚜렷한특징을보이지는않는다. 지하수내 Rn-222와우라늄같은자연방사성물질들은특정한인위적인오염이없는지역에서는흑운모암석내포획된저어콘, 모자나이트등소량광물들의용해에의해기원되는것으로알려져있다. 대수층의지질특성에따라지하수내자연방사성물질의산출은다양하며, 이는저어콘, 모자나이트등자연방사성원소를함유한광물의산출과밀접히관련되기때문이다 (Jeong et al., 2011, 2012, 2013; Kim et al., 2014). 연구지역지하수내우라늄은환경부의기준치를초과하는지하수는 2점으로, 두지점모두화강편마암지질에위치되어있다. 화강편마암, 흑운모편마암, 명륜동층세지질에대하여 ph, HCO 3, ORP값을비교해본결과, 화강편마암에서약알칼리성, 높은중탄산함량, 산화환경조건을잘보여주어다른지질과비교하여고농도우라늄의산출과의연관성을시사한다. 연구지역지하수내 Rn-222 함량은미국 EPA 권고치를초과하는지하수는 6점이며, 흑운모편마암과화강편마암지질에서중간심도 (42~100 m) 와심부심도 (100~167 m) 에서고농도을보여준다. 이는얕은심도의지하수공에서보다는깊은심도의지하수내에고농도의 Rn-222가산출된다. 본연구지역에서는 N45 o E 방향의영동단층의상반에해당되는화강암및화강편마암에서만자연방사성물질인 Rn- 222와우라늄이높은농도로산출되며, 하반에해당된퇴적암층에서는확인되지않는다 (Fig. 11, 12). 영동단층은약 Table 4. Surface radioactivity detected at soil and rock surface Measurement Radioactivity points Total(ppm) K(%) U(ppm) Th(ppm) YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD YD o 고경사로화강편마암및흑운모편마암에서생성된우라늄및라돈가스가단층을가로질러이동및확산되지못하고단층이하나의경계조건의역할을기대할수있으나추

16 546 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 Fig. 13. Bubble map showing the radioactivies on the rock and soil surface. Table 5. The correlation coefficients among the chemical parameters of groundwater samples U Rn- 222 ph ORP EC DO Ca Mg Na K Sr Fe Si HCO 3 SO 4 Cl NO 3 F U 1.00 Rn ph ORP EC DO Ca Mg Na K Sr Fe Si HCO SO Cl NO F 후단층과관련한더많은연구와정보가밝혀진후자세한해석이가능할것이다. 결론영동지역자연방사성물질중고함량의우라늄과라돈-222 의상관성에대하여, 수리화학적영향, 지질및단층대와의상관성에대한연구를종합하면다음과같다. (1) 충북영동지역지하수의수리화학적특성은 Ca-HCO 3, Na-HCO 3,, Ca-NOO 3 (SO 4 ) 의유형을보여준다. 환경부의우 라늄권고치인 30 µg/l를초과하는지하수는 Ca-HCO 3 유형에집중되며, Rn-222의미국 EPA 기준치인 148 Bq/L를초과하는지하수와화학적유형과의관계는명확하지않다. 연구지역내지하수일부는비료사용등으로 K, NO 3 의오염을보여준다. (2) 상관관계분석결과, 우라늄과 Rn-222 산출의상관성은거의보여주지않는다. 화학성분으로는 Na과 HCO 3, F 사이에비교적높은상관성을보여주며, 물-암석반응에의한상관성을지시한다. (3) 연구지역지하수내우라늄의농도는 0.02~70.8 µg/l의

17 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 547 범위를보이이며, Rn-222는 0.37~861 Bq/L의범위를보인다. 지하수내환경부우라늄권고치를초과하는지점들은총 49점중 2점이며, 화강편마암지질에분포하고있다. Rn-222 는미국 EPA 기준치인 148 Bq/L를초과하는지하수는총 40지점중 11지점이며, 대부분화강편마암및흑운모편마암에분포되어있다. 특히중간심도 (30~100 m) 와깊은심도 (100~167 m) 에서높은라돈-222의농도를보인다. (4) 지하수내우라늄과 Rn-222의산출은지질경계부에비교적집중되나, 단층대와의상관성은뚜렷하지않다. 지표방사능세기와우라늄산출과의상관성도뚜렷하지않다. (5) 연구지역중심부에 N45 o E 방향의영동단층을기준으로상반에해당되는화강암과화강편마암지역에서만높은농도의우라늄과 Rn-222이산출되며, 하반에해당되는퇴적암층에서는확인되지않는다. 이는단층대가약 82 o 의고경사를가지고있어화강암과화강편마암지질에서생성된우라늄및라돈가스의확산과이동을막는경계조건의역할등에대해서는추가적인연구가필요하다. References Banks, D., Frengstad, B., Midtgard, A. K., Krog, J. R., and Strand, T., 1998, The chemistry of Norwegian groundwater: I. the distribution of radon, major and minor elements in 1604 crystalline bedrock groundwaters. Science of the Total environment, 222(1), Betcher, R. N., Gascoyne, M., and Brown, D., 1988, Uranium in groundwaters of southeastern Manitoba, Canada. Canadian Journal of Earth Sciences, 25(12), CEPA (California Environmental Protection Agency), 2001, Public health goals for uranium in drinking water. CEPA, California, 30p. Choo, C. O., 2002, Characteristics of uraniferous minerals in Daebo granite and significance of mineral species, Journal of Mineralogical Society of Korea, 15(1), (in Korean with English abstract). Cho, B. W., Jeong, C, H., and Han, I. S., 2009, A detail study on the occurrence of radioactive materials in groundwater (II), NIER, 273p (in Korean with English abstract). Cho, B. W., Kim, K. H., Kim, Y. K., Sung, I. H., Ahn., J. S., Yun, U., Yoon, Y. Y., Lee, K. Y., Lee, B. D., Chon, C. M., Cho, S. Y., Chae, G. T., Choi, B. I., Hong, Y. K., Baek, S. G., Ryu, S. W., and Jeong, C. H., 2008, Adetail study on the occurrence of radioactive materials in groundwater (I), NIER, 293p. Cho, B. W., Kim, K. H., Kim, Y. K., Sung, I. H., Ahn, J. S., Yun, U., Yoon, Y. Y., Lee, K. Y., Lee, B. D., Lee, H. J., Im, H. C., Cho, S. Y., and Hong, K. Y., 2006, A study on the occurrence of radioactive materials in groundwater, NIER, 200p (in Korean with English abstract). Cothern, C. R., 1990, Radon, radium and uranium in drinking water, CRC Press. Cowart, J. B. and Osmond, J. K., 1980, Uranium isotopes in Groundwater as a Prospecting Techique. US Dept. Energy Report, GJBX 119, 112p. EPA, 2012, Report to Congress: Radon in Drinking Water Regulations, EPA 815-R , 34p. Finch, R. J. and Murakami, T., 1999, Systematic and paragenesis of uranium minerals. In Uranium: Mineralogy, Geochemistry, and the Environment: Reviews in Mineralogy, 38(1), Gaines, R. V., Skinner, H. C., Foord, E. E., Mason, B., Rosenzweig, A., King, V. T., and Dowty, E., 1997, Dana's new mineralogy, Eighth edition, New York, John Wiley & Sons, 1872p. Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., and Eaton, A. D., 1992, Standard methods for the examination of water and waste water, The American Public Health Association, Washington DC, Han, J. H. and Park, K. H., 1996, Abundances of uranium and radon in groundwater of Taejeon area, the Korean Society of Economic and Environmental Geology, 29(5), (in Korean with English abstract). Jeong, C. H., Kim, C. S., Kim, T. K., and Kim, S. J., 1997, Reaction path modelling on geochemical evolution of groundwater and formation of secondary minerals in watergneiss reaction system, The Journal of Mineralogical Society of Korea, 10(1), (in Korean with English abstract). Jeong, C. H., Kim, D. W., Kim, M. S., Lee, Y. J., Kim, T. S., Han, J. S., and Jo, B. W., 2012, Occurrence of natural radioactive materials in borehole groundwater and rock core in the Icheon area, The Journal of Engineering Geology, 22(1), (in Korean with English abstract). Jeong, C. H., Kim, M. S., Lee, Y. J., Han, J. H., Jang, H. G., and Jo, B. U., 2011, Hydrochemistry and occurrence of natural radioactive materials within borehole groundwater in the Cheonwon area, The Journal of Engineering Geology, 21(2), (in Korean with English abstract). Jeong, C. H., Ryu, K. S., Kim, M. S., Kim, T. S., Han, J. S., and Jo, B. U., 2013, Geochemical occurrence of uranium and radon-222 in groundwater at test borehole site in the Daejeon area, The Journal of Engineering Geology, 23(2), (in Korean with English abstract). Jeong, C. H., Yang, J. H., Lee, Y. J., Lee, Y. C., Choi, H. Y., Kim, M. S., Kim, H. K., Kim, T. S., and Jo, B. U., 2015, Occurrences of uranium and radon-222 from groundwaters in various geological environment in the hoengseong area, The Journal of Engineering Geology, 25(4), (in Korean with English abstract). Jeong, C. H., Yan, J. H., Lee, Y. C., Lee, Y. J., Choi, H. Y., Kim, M. S., Kim, H. K., Kim, T. S., and Jo, B. U., 2016, Occur-

18 548 정찬호 이유진 이용천 김문수 김현구 김태승 조병욱 최현영 rence Characteristics of Uranium and Radon-222 in Groundwater at Village, Yongin Area, The Journal of Engineering Geology, 26(2), (in Korean with English abstract). Ju, B. K., Kim, M. S., Jeong, D. H., Hong, J. K., Kim, D. S., Noh, D. J., Yoon, J. K., and Kim, T. S., 2013, Environment characteristics of naturally occurring radioactive materials ( 238 U, 222 Rn) concentration in drinking groundwaters of metamorphic rock areas; Korea, Journal of Soil and Groundwater Environment, 18(3), (in Korean with English abstract). Kim, M, S., Yang, J, H., Jeong, C. H., Kim, H. K., Kim, D. W., and Jo, B. U., 2014, Geochemical origins and occurrences of natural radioactive materials in borehole groundwater in the Goesan area, The Journal of Engineering Geology, 24(4), (in Korean with English abstract). KIER(Korea Institute of Energy and Resources Seoul Korea), 1986, Geological report of the Yongdong sheet(scale 1:50,000). Lanctot, E. M., Tolman, A. L., and Loiselle, M., 1985, Hydrogeochemistry of radon in ground water. The Second Annual Eastem Regional Ground Water Conference, Portland, Maine, July 16-18, p. Langmuir, D., Hall, P., and Drever, J., 1997, Environmental geochemistry, Prentice Hall, New Jersey. Loomis, L. P., 1997, Radon-222 concentration and aquifer lithology in North Carolina. Ground Water Monitoring Review, 7, Lowry, J. D., Hoxie, D. C., and Moreau, E., 1987, ìextreme levels of 222 Rn and U in a private water supplyî Radon, radium, and other radioactivity in ground water: Hydrogeologic impact and application to indoor airborne contamination, Lewis Publisher, Chelsea, MI. Mandarino, M. J., 1999, Fleischer's glossary of mineral species, Minerlogical Record Incorporated Tucson, Arizona. Michel, J., 1990, Relationship of radium and radon with geological formations. In: Cothern, C. R. and Revers, P.A. (eds.), Radon, Radium and Uranium in Drinking Water. Lewis Publishers, Inc., Michigan, NIER (National Institute of Environmental Research), 1999, Study on the radionuclides concentration in groundwater (I). NIER (National Institute of Environmental Research), 2000, Study on the radionuclides concentration in groundwater (II). NIER (National Institute of Environmental Research), 2001, Study on the radionuclides concentration in groundwater (III). NIER (National Institute of Environmental Research), 2002, Study on the radionuclides concentration in groundwater (IV). Park, M. E. and Kim, G. S., 1998, Geochemical of uranium and thorium deposits from the Kyemyeongsan pegmatite, The Korean Society of Economic and Envrionmental Geology, 31, (in Korean with English abstract). Shin, D. C., Kim, Y. S., Moon, J. Y., Park, H. S., Kim, J. Y., and Park, S. K., 2002, A review on the hazard of radioactive materials in groundwater, Journal of Envrionmental Toxicology Society of Korea, 17, (in Korean with English abstract). Sung, I. H., Cho, B, W., Kim, D. O., Kim, K. H., Park, D. W., Park, J. K., Yoon, Y. Y., Lee, B. J., Lee, B. D., Lee J. C., Im, H. C., Chung, K. S., Cho, S. Y., Hong, Y. K., Jang, W. S., Yang, J. H., Shin, D. C., and Han, I. S., 2002, A study on the occurrence of radioactive materials in groundwater (IV), NIER, 357p (in Korean with English abstract). Sung, I. H., Cho, B, W., Woo, H. J., Kim, D. O., Kim, K. H., Park, J. K., Hong, Y. K., Lee, B. D., Yun, U., Lee, B. J., Lee, J. C., Yoon, Y. Y., Kim, Y, J., Chung, K. S., Cho, S. Y., Shin, D. C., Chang, T. W., and Yu, M. J., 2001, A study on the occurrence of radioactive materials in groundwater(iii), NIER, 388p (in Korean with English abstract). Sung, I. H., Kim, D. O., Woo, H. J., Cho, B. W., Park, J. K., Lee, H, Y., Chung, K. S., Yoon, Y. Y., Cho, S. Y., Lee, Y. J., Lee, B. D., Kim, T. K., Kim, K. S., Choo, C. O., and Shin, D, C., 1999, A study on the occurrence of radioactive materials in groundwater (I), NIER, 338p (in Korean with English abstract). Wathen, J. B., 1987, The effect of uranium siting in two-mica granites on uranium concentrations and radon activity in ground water. Radon, radium, and other radoactivity in groundwater, Proceedings of the NWWA conference.

19 다양한지질환경에서지하수의수리화학및자연방사성물질산출특성 549 정찬호 대전대학교건설안전방재공학과대전광역시동구대학로 62 Tel: 김문수국립환경과학원토양지하수연구과인천시서구환경로 42( 경서동종합환경연구단지 ) Tel: hyd009@korea.kr 이유진대전대학교건설안전방재학과대전광역시동구대학로 62 Tel: geoabby20@gmail.com 김현구국립환경과학원토양지하수연구과인천시서구환경로 42( 경서동종합환경연구단지 ) Tel: khk228@korea.kr 이용천대전대학교건설안전방재공학과대전광역시동구대학로 62 Tel: dydcjs159@naver.com 김태승국립환경과학원토양지하수연구과인천시서구환경로 42( 경서동종합환경연구단지 ) Tel: tskim99@korea.kr 최현영대전대학교건설안전방재공학과대전광역시동구대학로 62 Tel: dhdh3158@naver.com 조병욱한국지질자원연구원환경지질연구본부대전광역시유성구과학로 92 Tel: cbw@kigam.re.kr