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Water Level and Quality Variations of CO2-rich Groundwater and Its Surrounding Geology in the Chungju Angseong Spa Area, South Korea: Considerations on Its Sustainability
충주 앙성지역 탄산천의 수위/수질 변동과 주변 지질 특성: 탄산천의 지속가능성에 대한 고찰
Econ. Environ. Geol. 2022 Oct;55(5):477-95
Published online October 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.5.477
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Sang-Ho Moon1,*, Weon-Seo Kee2, Kyung-Seok Ko1, Cholwoo Lee3, Hanna Choi1, Dong-Chan Koh1
문상호1,* · 기원서2 · 고경석1 · 이철우3 · 최한나1 · 고동찬1

1Groundwater Environment Research Center, Climate Change Response Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), Daejeon, 34132, Korea
2Geological Research Center, Geology Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), Daejeon, 34132, Korea
3Deep Subsurface Storage and Disposal Research Center, Geology Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), Daejeon, 34132, Korea
1한국지질자원연구원 기후변화대응연구본부 지하수환경연구센터
2한국지질자원연구원 국토지질연구본부 지질연구센터
3한국지질자원연구원 국토지질연구본부 심층처분환경연구센터
Received August 26, 2022; Revised October 15, 2022; Accepted October 16, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.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.
 Abstract
This study examined the sustainability of CO2-rich water by analyzing the water level and water quality change pattern with the amount of its use in Angseong area, Chungju. The origin and supply of CO2 component were discussed in consideration of 87Sr/86Sr ratio, occurrence of CO2–rich fluid inclusions in nearby W-Mo deposits and other surrounding geological characteristics. According to the data from 1986 to 2017, the depth of the water level of CO2-rich water was significantly lowered in the late period (2009-2015) than in the early period (1986-1992) of the development of hot spa wells, and the optimal yields for pumping tests also showed a tendency to gradual decrease. Concentrations of CO2 component also decreased continuously in the later stages compared to the early stages of development, but it has been stable since 2012. It is inferred that the geological environment related to forming W-Mo quartz vein deposits (0.5×1.5×several km) around the study area are largely involved in the origin and supply of CO2 component, and the supply of CO2 component is not infinitely supplied from deep current magma activity. Rather, since it is finitely supplied from a restricted subsurface region formed in the past geological period, it is necessary to efficiently control its use in order to maintain the sustainability of CO2–rich water in the study area.
Keywords : CO2-rich water, Chungju Angseong area, water level and quality variations, CO2 source, CO2-rich zone
Research Highlights
  • Research topic is consideration of sustainable for CO2-rich groundwater in Chungju Angseong spa area.

  • We analyzed the water level and water quality change pattern.

  • Origin and supply of CO2 component were discussed.

1. 서 론

CO2 함량이 많은 탄산수는 일반적으로 광물질이 많이 함유된 미네랄워터(mineral water)로서, 보통 병입수(bottled water) 혹은 관광/온천 등의 휴양 자원(recreational resource)으로 이용되고 있으며, 국내에서는 주로 탄산 약수와 온천수로 이용되어 왔다. 국내 탄산천은 이용이 지속되면서 향후의 지속가능성을 위한 수리지질학적 연구가 필요해지고 있는 실정이다.

전세계적으로 탄산천은 대부분 젊은 지질시대의 조산대 내 단층, 화산 등과 밀접히 관련된 것으로 보고되었으며, 일부는 열곡대를 형성해가는 대륙 주변부에서 산출된다(Irwin and Barnes, 1980; Ishibashi et al., 1995; Cartwright et al., 2002). 즉, 탄산천의 산출은 전세계적으로는 주로 지질 활동이 활발히 진행되고 있거나 최근까지 지질 활동이 있었던 지역에서 단층 및 습곡에 의한 단열계(fracture system)의 발달 상태와 관련이 깊은 것으로 보고되고 있다(Hancock et al., 1999; Keppel et al., 2020).

우리나라에서도 충청, 강원, 경상지역 등지에서 탄산천이 산출되고 있으며, 남한의 탄산천들은 주로 중생대 화강암류가 분포하는 지역이거나 화강암류와 주변 지질과의 접촉부 지역에서 연관성 있게 산출되는 것으로 보고되었다(Jeong et al., 2005; Lee et al., 2021). 한반도의 지질은 지체구조적으로 안정된 지괴에 속하므로 현재 단층 및 화산활동이 활발히 진행되고 있지 않다. 따라서, 우리나라의 탄산천 산출 특성이 전세계적인 지질 상황과는 매우 다른 양상을 보인다.

미네랄워터의 CO2 기원은 변성기원의 탈휘발작용(metamorphic devolatilisation), 마그마의 탈기작용(magmatic degassing), 유기물의 산화작용, 퇴적기원 탄산염과 물의 상호작용 등 다양하게 보고되었다(Irwin and Barnes, 1980; Schoell, 1983; Chivas et al., 1987; Giggenbach, 1992; Giggenbach and Corrales-Soto, 1992; Mayo and Muller, 1997; Céron et al., 1998; Cartwrite et al., 2002). 우리나라 탄산천의 기원에 대하여 지금까지 보고된 내용에 의하면, CO2 성분은 심부 마그마 기원이지만 탄산천의 지하수 자체는 강수에 의한 순환수(meteoric water)로 해석되고 있다(Jeong et al., 2001; Koh et al., 2008). 우리나라의 지체구조적 특징으로 볼 때, CO2 성분이 심부 마그마 기원이긴 하지만 현재 심부로부터 직접 공급되는 것은 불가능한 것으로 판단된다. 따라서, 과거 지질시대에 일정 지역에 포획되었던 마그마 기원의 CO2 성분이 최근에 균열대를 통하여 순환 중인 지하수 속에 용해되어 들어간 후 탄산천이 되어 다시 샘물 형태로 지표로 유출되거나 온천공 등을 통하여 토출되는 것으로 추정된다(Kim et al., 2008). 이러한 관점에서 볼 때 연구지역 탄산천의 CO2 공급은 매우 한정적일 수 있으며, 향후 우리나라의 좋은 물로서 탄산천을 개발하고 이용하기 위해서는 이의 지속가능성을 검토해 볼 필요가 있다.

연구지역은 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 “한국의 자연기원 좋은물 발굴·확보 및 가치고도화 기술개발” 과제의 일환으로서 기능성워터(탄산수) 산출 유망지에 대한 정밀 및 특성 평가가 이루어진 지역이다. 본 연구는 융합연구사업의 일환으로 수행된 내용 중 충주앙성지역 탄산천이 온천으로 개발된 초기부터 최근까지의 이용량 변화에 따른 수위와 수질 특성 변화를 분석하여 수량과 수질 측면에서의 지속가능성을 검토해 보았고, 탄산천 주변의 지질 특성을 바탕으로 이 지역에서 산출되는 탄산천의 기원과 공급 지역의 분포에 대하여 논의하였다. 탄산수(CO2-rich water)의 이용량에 따른 수위 및 수질 변화 양상과 탄산천의 기원에 대한 검토는 향후 국내 탄산천이 우리나라 좋은 물의 개발과 보존, 그리고 지속가능성 평가를 위한 개념 모델 설정의 한 예로서 그 의미를 둘 수 있다.

2. 연구 지역 및 연구 방법

2.1. 연구지역 현황

연구지역은 충주시 앙성면 능암리, 돈산리 일대로서, 이 지역에는 1990년대부터 능암온천, 돈산온천, 앙성온천 등의 탄산 온천들이 개발·이용되어 왔다. 충주 앙성지역 탄산천은 서울에서 남동쪽으로 약 90 km, 충주 시청으로부터는 약 15.7 km 거리에 위치한다(Fig. 1). Fig. 1에서, 탄산천 개발지역의 위치(J1∼J3, N1∼N3, D1)는 온천공 개발을 위한 온천조사 시 보고서에 수록된 주소 지번을 표시한 것이다.

Figure 1. Location map of Chungju Angseong CO2-rich water area. Brown, red and pink areas in this map indicate each address and a lot number for D1, J1∼J3, and N1∼N3 wells recorded in the hot spa well test reports.

탄산 온천공이 개설되어 있는 지역에는 안성천이 북서에서 남동 방향으로 흐르며, 연구지역으로부터 약 3 km 지점에서 충주-여주 사이의 남한강에 합류된다. 안성천을 따라서 앙성단층이 발달하는 것으로 보고되어 있으며, 안성천 남쪽으로는 보련산(764.4 m)-국망산(769.6 m), 북쪽으로는 새바지산(281.6 m)-치마산(440 m 이상)의 고지대를 형성하고 있다. 남측의 보련산에서 탄산천 방향의 산줄기를 따라 과거에 W-Mo 광산이 개발되었으며, 후술하는 바와 같이 이 광산에서는 액체 및 기체 CO2를 함유하는 유체포유물들이 많이 관찰되고 있다(KIGAM, 1992; Park and Choi, 1974; Park et al., 1985a, 1985b).

탄산 온천공들은 해발고도 80~95 m 범위에 위치하며, 온천공의 심도는 500~1,000 m 범위를 보인다(Table 1). Fig. 2에서 보는 바와 같이, 탄산 온천공들은 모두 중생대 쥐라기 화강암체 내에 분포하며, 서북서-동남동 방향의 앙성단층과 북북동-남남서 방향의 단층이 만나는 지점에 위치하는 특징을 보인다.

Table 1 . Summary description for CO2-rich water wells developed in Chungju Angseong hot spa area, Korea

Well IDWell depth (m)Results of pumping testTransmissivity (m2/d)Storage CoefficientReferences
Test Date (year)Pumping rate (m3/d)Initial DTW (m)Final DTW (m)*DTW: depth to water
D170319903033.6697.963.57-KIER(1991)
J17221992247.958.26108.262.099-KIGAM(1992), KIGAM(2004), KHSRC(2009b), KHSA and KHSRC(2015)
200420418.3092.89--
200923714.51109.624.18
201523714146
J27001992266.135474.674.6083.60E-05
2004153150.90244.63--
200982249.86341.150.65-
201566300350--
J35801992209.4918.7488.544.4172.46E-05KIGAM(1992)
N16001986260833.5293.765.30E-5PCC(1986), KHSRC(2009a), KHSA and KHSRC(2015)
200430014.578.1614.96-
20098063.12161.153.3012.47E-03
N25001986310731.45388.86.58E-05
200415054.8114.3520.13-
200911468.52163.484.8371.93E-03
N31,0002012155104.352001.1445-KHSA and KHSRC(2015)

*DTW: depth to water


Figure 2. Geology and locations of CO2-rich water wells (D1, J1∼J3, N1∼N3) and rock samples (M1∼M10) in the study area. AA’ indicates cross section line for Fig. 10. Mineralized part including CO2 fluid inclusions in Fig. 7 was sampled at M1∼M5 site.

이 지역에서 가장 먼저 N1, N2 온천공이 1986년에 개발되어 온천공 조사를 받았으며, 1990년도에 D1, 1992년에 J1, J2, J3 온천공들이 개발되었다. 1986년도 당시의 온천공 심도는 500~600 m이었으나, 1992년도에는 580~722 m, 2012년도에 개발된 N3 온천공은 1,000 m로서 온천공의 개발 심도가 점차 깊어지는 경향을 보였다. 이는 Table 1에서 보이는 바와 같이 온천수의 수위 하강 현상과 관련이 있어 보인다.

온천공의 투수량계수(Transmissivity)는 0.65~388.8 m2/d로서 매우 넓은 범위로 보고되었으나, 개발 초기에 비해 후기로 가면서 산정된 투수량계수는 작아져서 0.65~4.837 m2/d로 보고되었다. 이러한 현상은 탄산 온천 대수층 자체의 특성이 변했을 수도 있으나, 개발 초기에 과대하게 산정되었을 가능성이 크다.

2.2. 지질 및 광상

충주시 앙성지역은 경기육괴의 남동 연변의 중앙부에 위치하고 바로 옥천대와 인접한다. 이 지역의 지질은 고원생대 편마암류와 이를 관입한 쥐라기 화강암으로 주로 구성되며, 백악기 산성 및 염기성 암맥이 도처에 관입하여 분포한다(Fig. 2).

편마암류는 흑운모 편마암, 혼성암질 편마암, 화강암질 편마암 등의 다양한 암상으로 산출한다. 전반적으로 강한 편마구조가 발달하고, 각 암상들 간의 경계는 뚜렷하게 구획되지 않고 점이적이며, 지역에 따라 암상 변화도심하게 나타난다. 편마암류를 관입하는 쥐라기 화강암은 괴상의 중립질 복운모 화강암으로 산출한다. 이 화강암이 편마암 내에 불과 수십 cm 내지 수 m 폭의 소규모 암맥으로 관입한 것도 관찰된다.

산성 및 중성 암맥으로 구성된 백악기 암맥류가 도처에 관입되어 분포하는데, 산성 암맥의 경우 수 mm 크기의 석영, 퍼다이트, 사장석 등을 반정으로 함유하는 석영반암으로 산출한다. 특히 석영 반암맥은 앙성단층 인접지역에서 잘 관찰되고 남-북 방향의 것들이 가장 우세하다. 특히, 능암리 일대에는 수 개 조의 석영 반암맥이 집중적으로 산출하는데, 관입 방향은 대략 남-북이고 그 폭은 5∼50m로서 다양하다. 이 암맥들과 인접하여 거의 동일 방향으로 약 20 여개의 중석·몰리브덴 광맥이 함께 산출하는 것으로 알려져 있다(Park et al., 1985a; 1985b).

이 광상은 약 20여개 정도의 석영맥이 500 m 폭 내에서 밀집 발달하며, 화강암-편마암 접촉부에서 화강암 내부와 편마암에 걸쳐서 발달하고 있다. 수직적으로는 지표 아래 수 km 범위에 달할 것으로 추정된다(Park et al., 1985a; 1985b). 석영맥의 최대 맥폭은 50 cm, 남북 최대 연장은 1.5 km에 달하며, 지하 심부에서의 광상 연장과 주변부에서의 열수 변질대를 포함한다면 매우 큰 규모의 광화대 및 열수 변질대 폭이 형성되어 있는 것으로 추정된다. 탄산온천 개발지역 내에 발달하는 남-북 내지 북북서-남남동 계열 단층은 석영 반암맥 및 석영맥 광상과 유사한 방향성을 나타낸다.

이 지역의 대표적인 지질구조는 서북서-동남동 방향으로 발달하는 우수향의 주향이동단층으로서 본 연구에서 앙성단층으로 명명되었다. 감곡면 문촌리 일대에서 관찰된 이 단층은 수 m 폭의 엽리상 단층 비지대와 단층 각력대로 이루어진 고각의 단층대를 형성하고 있으며, 인접한 모암에 형성된 단층 손상대의 폭은 수 십 m에 달하는 것으로 관찰되었다. 우수향으로 변위된 편마암과 화강암의 경계를 기준으로 측정된 이 단층의 수평 변위량은 최소한 400 m 이상이다. 이 단층을 형성시킨 변형작용은 상기한 백악기 암맥류 또는 광맥을 배태시킨 단열대의 형성과 시공간적 및 운동학적으로 밀접한 관련이 있을 것으로 추정되며, 이 지역의 지하수 유동 및 배태에도 상당한 영향을 미쳤을 것으로 예상된다.

2.3. 연구 방법

연구지역 탄산천의 이용량에 따른 수위/수질 변화 특성을 검토하기 위해서 사용된 온천수 이용량 자료는 충주시 지역개발세 자료이며, 1997년 이후의 온천수 이용량 자료이다. 양수시험에 의한 수리상수와 수위 및 수질변화 자료는 한국동력자원연구소(KIER: Korea Institute of Energy and Resources,), 한국지질자원연구원(KIGAM: Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources), ㈜한국 중앙온천연구소(KHSRC((Ltd.): Korea Hot Spring Research Center), 한국온천협회(KHSA: Korea Hot Spring Association) 등에 의한 온천조사 자료를 이용하였다(Table 1). 온천개발 초기의 수질과 비교하기 위한 최근의 수질 자료는 한국지질자원연구원에서 수행한 “한국의 자연기원 좋은물 발굴·확보 및 가치고도화 기술 개발” 사업의 일환으로 2017년에 획득한 자료를 이용하였다. 이들 자료를 이용하여 1997년 이후 탄산천의 이용량 변화와 이용량에 따른 수질과 수위 변화 양상을 검토하였다.

탄산천 주변 암석과 탄산천 수질과의 연관성을 검토하기 위해 암석의 종류별로 Sr ratio (87Sr/86Sr)를 분석하였다. 암석의 시료 채취 위치는 Fig. 2와 같으며, 암석의 Sr ratio는 TIMS(Thermal Ionization Mass Spectrometer), Ca, Sr 함량 분석은 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy)로 한국지질자원 연구원에서 분석하였다. 연구지역 내 지하수 및 탄산천의 Sr ratio는 Koh et al.(1999), Koh et al.(2008)의 자료를 인용하였다. 기존에 보고된 대화 W-Mo 광상의 함-CO2 유체포유물(CO2-rich fluid inclusions) 확인을 위해, W-Mo 광물을 포함하고 있는 석영의 양면 연마편을 제작하여 현미경 관찰하였다. 현재 광산은 휴광 상태로서 갱내 진입은 불가능한 상태이나, 여러 곳에 버럭이 존재하여 연구 대상이 될 수 있는 시료들을 다수 채취할 수 있었다.

3. 결과 및 토의

3.1. 탄산수의 사용량과 수위 변화

연구지역 탄산수의 이용량 변화는 Table 2, Fig. 3와 같다. 이는 충주시의 지역개발세 자료로서, 1997년부터 2020년까지 지번 혹은 업소별 월별 온천수 이용량 자료를 정리한 것이다. 편의상 업소명은 사용하지 않고, 업소 소유의 온천공 이름을 중심으로 내용을 기술하였다.

Table 2 . Annually used quantities of CO2-rich water in Chungju Angseong hot spa area, Korea (unit: m3)

Well IDD1J1J2N1+N2+N3Total use
Year
199727,44610,26421,866059,576
199816,4927,26612,059035,817
19996,9385,9458,63111,89233,406
200023,72417,21510,14542,54893,632
200125,20921,53512,97555,455115,174
200224,15814,69813,94749,657102,460
200323,92225,07516,78745,345111,129
200420,99123,18814,62027,38186,180
20051,7266,6467,17638,19353,741
200600035,01335,013
200700027,12027,120
20080086384470
200900114375489
2010002,3311642,495
2011007,66818,85226,520
2012008,70516,80625,511
2013007,45024,75832,208
20140010,06426,02436,088
20150018,90630,38849,294
20160023,93236,46660,398
20170019,86040,11259,972
20180018,74233,49552,237
2019047720,41566,64187,533
2020*046918,64455,24474,357
Sum (m3)170,606132,778275,123682,3131,260,820

* 2020 Data was estimated by using water use from March to May


Figure 3. Annual use variations of CO2-rich water in Chungju Angseong hot spa area, Korea. (a) Line plot, (b) Category bar chart.

Table 2Fig. 3 자료에 의할 때, 연구지역에서 탄산수 이용은 1997년부터 이루어졌다. 온천개발 초기인 1997년과 1998년에는 D1, J1, J2 온천공에서만 탄산수를 이용하였고, N1, N2, N3 온천공에서의 이용량에 대한 기록은 없다. 연구지역 전체의 연간 이용량을 살펴보면, 1997년에 59,576 m3이던 것이 1999년에 33,406 m3으로 감소였고, 이후로는 증가하여 2001~2003년 기간 중에는 102,460~115,174 m3 범위의 연간 이용량을 보였다. 그러나, 2003년 이후로는 이용량이 점차 감소하여, 2007년에 27,120 m3까지 이용량이 현저히 줄었으며, 2008~2010년 기간 중에는 이용량이 거의 없는 것으로 나타났다. 2011년에 이용량이 다시 26,520 m3으로 증가되었으며, 이후부터 2019년 87,533 m3까지 이용량이 다시 점차 증가하는 경향을 보였다. 그러나, 2020년부터는 코로나 사태로 인해 다시 이용량이 감소하는 추세로 들어선 것으로 판단된다.

24년간(1997~2020년) 연구지역에서 탄산수의 전체 이용량은 1,260,820 m3이며, 연간 평균 52,534 m3 정도의 탄산수가 이용되었다. 연도별 탄산수 이용 패턴은 모든 온천공들에서 유사한 경향을 보였으나, N 온천공 지역에서의 탄산수 이용량이 현저히 많아서 2011~2020년 기간 중에 이 지역에서의 탄산수 이용량은 연구지역 전체 이용량의 62~76% 정도를 차지하였다. 1997~2020년 기간 전체로 볼 때에도, 연구지역에서 이용된 전체 탄산수의 약 63% 정도를 N 지역에서 이용하였던 것으로 나타났다.

연구지역에서 온천공 위치별로 탄산수 이용량에 따른 수위 변동 특성을 살펴보면 Fig. 4와 같다. 또한, 온천조사보고서에 기록되어 있는 양수시험 자료에 의해 탄산천의 초기 수위 심도와 양수시험 시의 최종 수위 심도를 함께 도시함으로써 온천공 내 탄산천의 수위 분포 특성을 이용량 변화와 연계시켜 검토하였다.

Figure 4. CO2-rich water use and level variations in Chungju Angseong hot spa area, Korea. Q1∼Q4 means constant pumping rates, which were recorded in each hot spa well test report.

J1 온천공: J1에서는 2004년까지 탄산수 이용량이 6,000~25,000 m3 정도로 많았다가 2005년에 급감하였고, 2006~2018년 기간 중에는 이용량이 전무한 것으로 나타났다. 2019년 이후 다시 이용량이 기록되고 있으나, 그 양은 469~477 m3 정도로서 매우 미미한 양에 지나지 않는다. 1997년 이후 2020년까지 탄산수의 총 사용량은 132,778 m3이었다.

J1 온천공에서의 양수시험 시 측정된 초기 수위는 8.26~18.30 m 범위로서 수위 변동이 크지 않은 상태로 유지되어 왔음을 보인다. 또한, 적정양수량 산정을 위한 양수시험 시 양수량도 204~248 m3/day 범위를 유지하여 전반적으로 탄산천의 산출성이 이 지역에서는 초기(1992년)와 후기(2015년) 양자간에 큰 차이를 보이지 않았다. 특히, 자체 업소의 사용량이 가장 많았던 2000~2004년 기간 중에도 양수량과 수위강하량은 크게 변하지 않았던 것으로 기록되었다. 한편, 2006년 이후로는 이 업소에서 탄산수 이용이 전무한 상태였으나, 2009년과 2015년으로 가면서 동일 양수량에 의한 양수시험 시 수위강하량이 점차 증가되어 가는 경향을 보였다. 이는 연구지역 전체의 탄산수 이용에 의한 영향인 것이라 사료된다.

J2 온천공: J2의 경우, 2007년까지는 J1과 유사한 이용량 패턴을 보였으나, 2008년 이후로 이용량이 조금씩 증가하다가 2014년부터 연간 10,000~20,000 m3 이상의 탄산수를 이용하는 것으로 나타났다. 1997년 이후 2020년까지 탄산수의 총 사용량은 275,123 m3이었다.

이 온천공에서는 적정양수량 산정을 위한 양수시험 시양수량을 1992년에는 266 m3/day 로 했던 것을 2015년에는 66 m3/day으로 줄여서 실시하였다. 이와 같이, 온천수의 적정양수량 산정시험에서 양수량을 줄이게 된 것은 당시에 온천수의 수위가 매우 낮아져 있었기 때문이며, 이는 온천수의 산출 능력이 개발 초기에 비해 매우 저하되었음을 의미하게 된다. 특히, 유의할 것은 이 지역에서 탄산천의 초기 수위는 1992년에 54 m, 2004년에 150.90 m, 2009년에 249.86 m, 2015년에 300 m로 점차 하강하고 있으며, 이는 해당 업소의 온천공에서 탄산수 이용량이 현저히 줄어들거나 이용을 멈춘 상태에서도 지속적으로 진행되어 가고 있다는 점이다. 이로 볼 때, J2 온천공에서의 탄산수 산출은 지속가능성 유지를 위해 수량적 측면에서 조절이 불가피한 것으로 보인다.

N1,N2,N3 온천공: N 지역의 경우 3개 온천공(N1,N2,N3)을 이용하였다. 1999년부터 탄산수 이용량이 기록되었으며, 이용량에 있어서 다른 온천 업소들에 비해 현저하게 많았다. 2008~2010년 기간 중에 연간 이용량 164~384 m3을 제외하고는 대부분 10,000 m3 이상이었으며, 최고 66,000 m3 이상의 연간 사용량도 있었다. 1997년 이후 2020년까지 탄산수의 총 사용량은 682,313 m3이었다.

온천공의 적정양수량 산정 양수시험에서 양수량을 N1 온천공의 경우 초기/중기(1986년, 2004년)에 260~300 m3/day에서 후기(2009년)에 80 m3/day으로 감소시켜 양수시험을 진행하였다. N2 온천공 역시 1986년에 310 m3/day, 2004년에 150 m3/day, 2009년에 114 m3/day으로 점차 줄여서 실시하였으며, N3 온천공은 2012년에 155 m3/day으로 양수시험을 실시하였다. J2 온천공의 경우처럼, 이 지역에서도 초기 수위가 후기로 가면서 점차 하강하여 갔으며, 1986년에 초기 탄산천의 수위 심도가 7~8 m였던 것이 2009년에는 60 m 이상의 깊이까지 하강된 상태를 보였다(Table 1). N3 온천공의 경우에는 2012년도에 초기 수위 심도가 104.35 m로서 보다 하강된 양상을 보였으며, 향후에 탄산천의 수위 심도는 점차 낮아져가는 추세를 보였다. 이와 같이, 수위 하강, 양수량 감소, 투수량계수 감소 등은 이 지역에서의 탄산천 산출 능력의 점진적인 감소를 의미하며, 수량적인 측면에서의 지속가능성 유지를 위해 수량 조절이 필요한 것을 의미한다.

D1 온천공: D1 온천공에서의 탄산수 이용량은 1997~2004년 기간 중에 대부분 20,000 m3 이상을 유지하였으나, 2005년에 사용량이 급감한 이후 2020년까지 이용량은 전무한 것으로 기록되었다. 1997년 이후 2020년까지 탄산수의 총 사용량은 170,606 m3이었다. 이 지역에서 탄산천의 초기 수위 심도는 3.66 m였고, 303 m3/day으로 양수 시 수위는 97.96 m까지 하강하였다. 이후로는 온천조사 보고서가 발간된 것이 없는 것으로 파악되며, 현재의 수위 상태에 대한 자료가 없는 실정이다. 그러나, 이용량 패턴, 투수량계수, 양수량, 양수 시 수위강하량 등이 인근의 J1 지역과 유사함을 보이므로, 현재의 수위 상태는 J1 지역과 크게 다르지 않을 것이라 사료된다.

3.2. 탄산수의 수질 변동 특성

충주 앙성 탄산천 지역에서의 수질 자료는 Table 3에 종합 정리되었으며, 연도별로 각 성 분들의 변화 패턴은 Fig. 5, Fig. 6와 같다. 탄산천에서의 주요 성분 함량은 다음과 같은 범위를 보였다. T(수온): 25.3~31.2℃, pH: 5.78~7.15, EC(전기전도도): 401~3,800 μS/cm, T-Solids(총 고형물): 328~2,948 ppm, free CO2: 8.8~1,019 ppm, HCO3: 269~2,873 ppm, Ca: 81.7~431.8 ppm, Mg: 1.7~105.6 ppm, Na: 21.4~486 ppm, Fe: 0.04~26.5 ppm, Mn: 0.12~3.94 ppm. 음이온 중에는 CO2와 HCO3가 대부분 함량을 차지하고, Cl과 SO4 함량은 적은 편이다. 양이온 중에는 Ca, Na 함량이 가장 많으며, Mg 함량도 높은 편이다. Fe, Mn 역시 일반 지하수에 비해서 높은 함량을 보였다.

Table 3 . Variation of chemical compositions of CO2-rich water in Chungju Angseong hot spa area, Korea

Well IDSampling DateT (°C)pHEC (μS/cm)ppm or mg/L
T-Solidsfree CO2HCO3CaMgNaKFeMnSiO2SrFClSO4LiZn
D11990-12-0230.16.41,500816287.886516126.6111.33.223.370.3174.30.93.7530.44.451.371.3
J11992-04-0727.36.391,8761,320693.41,372325.419.21204.027.671.0523.72.690.320.613.21.970.36
J12004-03-1026.56.381,41172844070717413.4631.684.210.7276.80.585.5611.715.30.890.04
J12009-03-1325.76.311,324862290.587921420.796.51.663.60.621000.865.311.114.61.050.08
J12010-04-07-6.351,378966281.71,03121624.797.51.994.750.591040.914.9611.215.51.470.05
J12010-11-30-6.261,9641,630269.51,02130934.62018.1213.42.2681.91.984.7917.814.53.520.07
J12014-Dec.25.76.381,080748281.7373216018.573.81.380.780.5481.90.75.861117.70.822.81
J21992-02-2726.76.413,8002,948888.42,873431.840.548620.126.53.9489.25.633.1851.443.510.93.38
J22004-03-2431.26.362,2901,6806951,90035034.821010.313.22.3691.31.374.6817.515.610.93.15
J22009-03-1729.26.052,4541,666603.11,87334739.22268.6142.131011.993.9916.914.93.940.11
J22010-04-07-6.112,4911,718633.12,01436038.92258.6214.32.251071.934.8519.716.14.660.06
J22010-11-30-6.192,2621,620827.62,00831235.2200813.52.27831.934.8117.914.73.40.02
J22014-Dec.29.26.162,5831,706598.671,80634338.22357.114.72.4889.62.434.6119.317.43.450.02
J22017-08-2227.06.52,920--2,083415.145.3268.912.813.82.7107.42.14.12919.7--
J31992-03-0625.46.081,000785493736168.28.2982.73.682.882.6948.11.23.1218.216.21.63.09
N11985-08-2627.35.85-759696-152.835.790.61.6820.3348.50.6348.50.80.184.15
N12004-Feb.25.35.781,548471292122(n.u.)1087.4739.81.192.040.3237.91.272.429.0316.20.30.19
N12009-03-1325.67.03433422443841155.1836.20.780.040.237.91.921.113.516.40.110.35
N12010-11-30-7.154013288.82692161.721.40.553.60.1232.91.670.7416.3190.060
N21985-12-1225.55.9-9611,0191,050229.722.598.53.422.13-64.31.13.5103.620.163.7
N22004-Feb.26.75.791,768971-134(n.u.)21229.187.82.176.80.6453.51.41.869.19.10.852.3
N22009-03-0826.26.41,5481,108514.21,23323840.41191.756.80.4874.61.773.1210.89.50.990
N22010-11-30-6.621,6051,110453.11,17820742.61031.893.760.4579.81.813.969.8310.21.030
N22017-08-2226.56.31,594--1,062214.543.9114.43.25.10.480.61.93.61513.5--
N32012-11-0926.86.56880534264.1256781.7141301.741.190.16311.17.395.847.550.360.56
N32017-08-2227.46.21,219--2,090270.3105.6329.16.54.70.239.83.75.1462.3--

* References: KHSA and KHSRC(2012; 2015), KHSRC(2009a; 2009b; 2010a; 2010b; 2010c), KIER(1991), KIGAM(1992; 2004) except data from this study (2017-08-22)

* bar(-): not analyzed, n.u.: not used data (because of too small concentrations compared to EC or TDS values)


Figure 5. Variations of free CO2 concentrations in CO2-rich water in Chungju Angseong hot spa area, Korea.
Figure 6. Variations of EC, TDS values and concentrations of some major components in CO2-rich water in Chungju Angseong hot spa area, Korea.

3.2.1. CO2 함량 변화

온천개발 초기인 1985~1992년에 D1, J1, J2, J3, N1, N2 온천공에서의 CO2 함량은 각각 287.8 mg/L, 693.4 mg/L, 888.4 mg/L, 493 mg/L, 696 mg/L, 1,019 mg/L를 기록하였다. 온천 이용이 시작되기 전의 자연 상태에서의 CO2 함량은 N2 > J2 > N1 ≒ J1 > J3 > D1 순으로서, N2와 J2 지역이 CO2 함량이 가장 높은 중심지를 형성하고 있으며, 그의 서측 지역으로 가면서 점차 함량이 적어지는 양상을 보였다. N3 온천공은 2012년도에 신규 개발된 공으로서 초기 자연 상태를 비교하지 못하였다. 연구지역에서는 1997년도부터 탄산수 이용이 시작되었으며, 이후 탄산수의 사용량이 증가하고 수위가 하강하면서 2009년까지 CO2 함량은 점차 감소하였고, 그 결과 2009년 3월에 J1은 290.5 mg/L, J2는 603.1 mg/L, N1은 44 mg/L, N2는 514.2 mg/L로 함량이 변하였다. 감소량의 크기로 볼 때, N1(652 mg/L) > N2(504.8 mg/L) > J1(402.9 mg/L)> J2(285.3 mg/L)의 순서를 보였다.

N1~N3 온천공 지역: 연구지역의 온천공들 중 N1 온천공에서 가장 큰 CO2 함량 감소를 보였으며, 2010년도에는 8.8 mg/L 정도로 함량이 매우 미미하게 잔존하여 탄산천으로서의 특징을 상실해 가고 있음을 보였다. N1~N3 온천공 지역에서 2011년~2013년 기간 중에 측정된 CO2 함량은 N2 > N3 > N1 순이며, N3에서의 함량은, 후술되는 바와 같이, J1 온천공에서 2009년도부터 보였던 안정된 CO2 함량 수준과 유사한 상태를 보였다.

J1 온천공 지역: J1 온천공 지역은 2009년 3월에 CO2 함량이 290.5 mg/L으로 감소된 이후, 2010년 4월부터 2014년 12월까지 CO2 함량이 269.5~281.7 mg/L 범위에서 안정된 양상을 보였다. 이 지역에서는 2006년 이후 2020년까지 탄산천 이용이 없었던 것으로 기록된다. 따라서, 온천 사용이 중지되기 시작한 2006년 이후에도 2009년 3월까지는 지속적으로 CO2 함량이 감소되었으며, 2009년 3월 이후로부터 CO2 함량이 안정된 양상을 보여준다. 즉, J1 온천공 지역에서는 9년간 총 131,832 m3의 탄산수를 사용한 후 CO2 함량이 693.4 mg/L에서 269.5~281.7 mg/L 범위로 감소된 상태에서 탄산 성분이 유지되는 패턴을 보였다. 그러나, 이 자료는 탄산수의 이용을 멈춘 후 2~3년 경과 시부터의 수질 안정성에 대한 자료이며, 향후 탄산수의 추가 이용에 따른 탄산 성분 감소가 예상되는 지역으로서 CO2 함량 관점에서 수질의 지속가능성은 잘 유지되지 않을 것이라 판단된다.

J2 온천공 지역: J2 온천공 지역은 2009년 3월에 CO2 함량이 603.1 mg/L으로 감소된 이후, 2010년 4월부터 다시 증가하기 시작하여 2010년 11월에는 CO2 함량이 827.6 mg/L까지 증가하였다. 이후 2014년 12월에 측정된 CO2 함량은 598.67 mg/L로서 다시 감소하여 2010년 4월 수준이 되었다. 이 지역에서는 1997년~2007년 기간 중에 탄산수 이용이 많았으며, 그 이후 2010년도까지 탄산수 이용이 없거나 매우 적었다. 2010년 이후부터는 사용량이 다시 증가하여 2014년도에 연간 10,000 m3 이상, 2015년부터 연간 20,000 m3 내외의 탄산수 이용이 지속되었다. 즉, J2 온천공 지역에서는 1997~2009년 기간의 13년간 총 118,406 m3의 탄산수를 사용한 후 CO2 함량이 888.4 mg/L에서 603.1 mg/L 범위로 감소된 상태에서 탄산 성분이 유지되는 패턴을 보였다. 이 지역에서는, J1 지역과는 달리, 탄산수 이용을 줄이면 다시 탄산 성분의 함량이 증가되는 양상을 보여, 적당량의 탄산수 이용 시에는 수질 측면에서의 지속가능성이 유지될 수 있을 것이라 판단된다.

종합적으로, 탄산수 이용 패턴과 CO2 함량 변화 특성으로 볼 때, 연구지역 중 J1, N1 지역에서는 탄산 성분의 지속가능성이 희박해 보이는 반면에, J2, N2 지역에서는 탄산수의 이용량을 효율적으로 조정해간다면 수질 측면에서 탄산 성분의 지속가능성은 충분히 확보될 수 있는 것으로 평가된다. 다만 J2 지역은 수위 하강이 매우 심하게 나타나서 수량적인 측면에서의 지속가능성이 쉽지 않아 보이며. N2 지역은 수위가 하강되어 있는 상태이나 수량 조절이 효율적으로 이루어진다면 수위 회복과 더불어 수량적 측면에서도 지속가능성이 유지될 수 있을 것으로 추정된다.

3.2.2. 기타 성분들의 함량 변화

연구지역 탄산 온천공에서의 전기전도도, 총고형물, 양이온(Ca, Mg, Na, K, Fe), 음이온(HCO3, Cl)의 함량 변화는 Fig. 6와 같다. 이들 양이온과 음이온들의 함량 변화는 대체로 전기전도도 값 혹은 총고형물 함량 변화 패턴과 유사함을 보였으나, 음이 온 중 F, SO4 성분은 전기전도도 및 총고형물 함량 변화와 관련성이 없거나 반대현상을 보여서 그림에서 제외하였다.

J1 온천공 지역: J1 온천공 지역에서의 기타 성분 함량변화는 CO2 함량 변화 패턴과 다른 양상을 보였다. 탄산수 이용으로 인해 2004년에 대부분의 함량이 감소되었던 것이 2006년 이후 탄산수의 이용량이 없는 상태에서는 CO2와는 달리 전기전도도, 총고형물 함량을 비롯하여 기타 성분의 함량들이 꾸준히 증가하였고, 2010년 말에는 급증하는 형태를 보였다. 즉, 이 지역에서는 자체 온천공에서 탄산수 이용을 중단하게 되면 CO2 이외의 대부분 수질 성분 함량이 원래의 상태 근처로 복원되려는 경향을 보였다. 2014년 말에 다시 함량들이 감소하였는데, 이것은 연구지역 전체의 탄산수 이용량이 2011년도 이후 증가했기 때문인 것으로 추정된다.

J2 온천공 지역: J2 온천공 지역에서도 탄산수 이용으로 인해 2004년도에 대부분의 함량이 급감하였으나, 그 이후로는 수질이 안정세를 유지하였다. 이 지역에서는 2010년부터 탄산수 이용이 재개되었으며, 이에 따른 수질이 2010년 말에 반영되어 대부분의 함량들이 다소 감소 되었다. 그러나, 2014년 이후 탄산수 이용량이 더 증가되었음에도 불구하고 대부분의 성분들은 오히려 증가 추세를 보였다. 즉, J2 지역에서는 탄산수의 이용량이 2018년도 수준으로 유지될 경우에는 원래 상태의 수질 근처로 수질이 점차 회복될 수 있음을 보여주었다.

N1, N2 온천공 지역: N1, N2 온천공 지역은 연구지역 내에서 탄산수 이용량이 가장 많은 것으로 파악되었다. N1 지역에서는 탄산수 이용에 따라 Ca 성분을 제외하고는 대부분의 함량들이 CO2 함량 변화처럼 지속적으로 감소되는 양상을 보였다. 즉, N1 지역에서는 탄산 성분 뿐 아니라 여러 가지 미네랄 함량 또한 매우 감소된 상태가 되었으며, 이로써 2010년 말에 탄산천의 특성을 상실한 것으로 평가된다. N2 지역에서는 N1 지역과는 달리 탄산수 이용에 따른 대부분의 함량 감소가 적은 것으로 나타났다. 2007~2010년 기간 중에 탄산수 이용이 없을 때에는 오히려 원래의 수질 상태보다 더 많은 이온 함량을 보이기도 했다. 탄산수 이용이 다시 재개되기 시작했던 2011년에 다시 대부분의 함량들이 감소되었으나, 이용량이 증가된 상태의 2018년도에는 오히려 다시 함량이 다소 증가된 양상을 보였다. 즉, N2 지역의 경우에 CO2 함량은 2010년까지 지속적으로 감소 추세를 보였으나, 다른 미네랄 성분들은 함량 측면에서 수질의 안정성을 유지해 왔던 것으로 평가된다. N2 지역에서는 탄산수 이용량 증가에 따라 Na, Mg 성분은 오히려 그 함량이 증가되는 경향을 보였다.

3.3. 탄산천 주변 W-Mo 광상의 유체포유물과 CO2 성분

충주 앙성지역 탄산천의 기원에 대하여 지금까지 보고된 내용에 의하면, CO2 성분은 심부 마그마 기원이지만(Jeong et al., 2001; Koh et al., 1999, 2008), 우리나라의 지체구조적 특징으로 볼 때 현재 심부로부터 CO2 성분이 직접 공급되는 것은 불가능한 것으로 판단된다. 따라서, 과거 지질시대에 마그마로부터 공급되었던 CO2 성분이 일정 지역에 포획되어 있다가 균열대를 통하여 순환중인 지하수 속에 용해되어 들어간 후 탄산천이 되어 다시 샘물 형태로 지표로 유출되거나 온천공 등을 통하여 토출되는 것으로 추정된다(Kim et al., 2008). 연구지역인 충주 앙성지역에는 탄산천 가까이의 대화광상에서 W-Mo 광물이 많이 산출되며(Fig. 7(a)), 이 광상의 맥석광물(석영 등)에서는 함-CO2 유체포유물이 다량 관찰되고 있어(Park and Choi, 1974; Park et al., 1985b) 탄산천과 함-CO2 유체포유물 양자간에는 연관성이 있을 것으로 추정된다. 이러한 지질학적 관점에서 탄산천의 유래를 검토해 볼 필요가 있으며, 충주 앙성지역에서 화강암 생성 당시의 마그마로부터 유래된 CO2 부존지역에 대한 지질학적 고찰이 필요하다.

Figure 7. Representative ore specimen and occurrences of CO2-rich fluid inclusions in the Daehwa W-Mo mineralized zone near Chungju Angseong hot spa area, Korea. (a) Ore specimen including molybdenite-bearing quartz vein and altered host rock, (b) Fluid inclusion consisting of liquid H2O, liquid CO2 and gas CO2 phases.

금번 연구에서 Mo 광물로서 휘수연석(Fig. 7(a)의 Molybdenite)이 산출되는 석영맥을 중심으로 연마편을 제작하고 현미경을 관찰하였으며, 그 결과 모든 시료에서 유체포유물이 풍부하게 산출되었다(Fig. 7(b)). 유체포유물은 3가지 유형이 관찰되었으며, 크기는 대체로 20~50 μm로서 100 μm 이상의 것도 관찰되었다. I-형은 액상+기상으로 구성되며 이 중에 액상이 우세한 유형이다. II-형은 기상+액상으로 구성되며 기상이 우세한 유형으로서, 드물게 산출되고 있다. III-형은 CO2를 함유한 것으로서 액상H2O+액상CO2+기상CO2로 구성되며, 비교적 풍부하게 산출되었다.

Park et al.(1985b)에 의하면, 대화광상에서는 중생대 백악기 W-Mo 광화시기에 광화유체의 CO2 활동도(activity)가 매우 높았던 것으로 특기하였다. Park et al.(1985b)이 계산한 광화유체 내 CO2 함량은 주요 W-Mo 광화기에 3.5~14.6 mol %이다. 이들에 의하면, 세계 여러 지역의 Sn-W-Mo 광화대에서는 액체 CO2를 함유하는 유체포유물이 광물 내부에서 많이 관찰되고 있으며(Takenouchi, 1971; Higgins, 1980), Park and Park(1979)Park et al.(1981) 등은 연구지역인 충주 인근의 황강리 광화대(제천-단양-충주-괴산 일원의 다금속 광화대)에서 산출되는 W-Mo 광상에서는 맥석광물 내에서 CO2 유체포유물이 다량 관찰되어 광화유체의 CO2 활동도가 매우 크게 작용했던 것으로 보고하였다. 이로 볼 때, 우리나라 뿐 아니라 전세계적으로 Sn-W-Mo 광상을 형성한 마그마로부터 관입화성암과 그 주변 광상 일대에는 광화유체에 의한 다량의 CO2 유입과 포획이 광범위하게 이루어졌을 것이라 사료된다. 연구지역을 포함하는 옥천대 지역의 화강암은 주로 저반상의 쥐라기 화강암이지만, 황강리 광화대와 관련된 관입화성암들은 백악기 월악산-속리산 화강암으로서 주로 알카리 화강암으로 구성되며 지각 물질의 부분 용융에 의해 형성된 마그마에 의해 생성되었다(Uchida et al., 2012). 반면에, 경상분지 내에 많이 산출하고 있는 백악기 화강암들은 주로 화강암-화강섬록암들로 구성되며 주로 맨틀에 의한 마그마 분별결정작용으로 부터 생성된 것으로 알려져 있다(Kim, 1992). 즉, 옥천대 황강리 광화대 주변의 백악기 화성암들은 마그마 근원물질과 암석의 구성성분, 그리고 관련된 광화유체 또한 경상분지의 백악기 화성암들과 판이하게 달랐음을 의미하며, 두 지역간에 탄산천의 산출 유무에서 차이를 보이는 원인이 될 수 있다. 연구지역인 충주 앙성면 일대는 옥천대의 저반상 쥐라기 화강암이 주로 분포하지만, 주변에 백악기 석영 반암이 다수 분포하고 있으며, 광화작용시기도 백악기로 보고되었다(So et al., 1983; Park et al., 1985a). 옥천대 황강리 광화대와 금번 연구지역인 충주 앙성면 주변 W-Mo 광화대에서 관찰되는 함-CO2 유체포 유물은 우리나라 중부지역의 특징으로서, 충청지역 탄산천의 CO2 공급원 역할을 할 수 있는 지질 상황으로 추론된다.

3.4. 암석과 지하수의 87Sr/86Sr 동위원소비

Sr 성분은 대부분의 암석에서 측정할 수 있을 정도의 양으로 산출되며, Sr 동위원소비는 광물 침전 등에 의해 변화하지 않는다. 따라서, 자연수의 Sr 동위원소 성분은 폐쇄계 하에서 주변 모암의 87Sr/86Sr 비를 전적으로 반영하며, 87Sr/86Sr 비는 지하수 내 용존 물질의 기원 연구에 폭넓게 이용되어 왔다(Åberg et al., 1990; Drever, 1997; Gosselin et al., 2004).

Sr 성분은 일반적으로 암석과 광물 내의 Ca 성분을 치환해서 존재한다. 연구지역 내 각 암석별로 Ca 함량에 따른 Sr 함량 변화를 살펴보면 Fig. 8과 같다. 흑운모 편마암의 경우, Ca 함량은 2.18~4.60 wt.% 범위로서 다소 넓은 범위의 함량 변화를 보였으나, Sr 함량은 0.011~0.020 wt.%로서 낮은 함량 범위 내에서 비교적 한정된 양상을 보였다. 흑운모 화강편마암의 경우, Ca 함량은 2.69~3.72 wt.% 범위로서 흑운모 편마암의 Ca 함량 범위 내에 속하나, Sr 함량은 0.060~0.064 wt.%로서 가장 높은 함량 범위 내에서 비교적 한정된 양상을 보였다. 전반적으로 변성암들(흑운모 화강암, 흑운모 화강편마암)은 다른 관입암들(거정질 장석 화강암, 흑운모 화강암, 석영 반암)에 비해 Ca 함량이 높은 것으로 나타났다. 관입 화성암들의 경우, Ca 함량은 0.068~1.36 wt.%로서 낮은 함량에 한정되었으나, Sr 함량은 0.0048~0.052 wt.% 범위로서 다소 넓은 함량 범위를 보였다. Ca과 Sr 성분은 거정질 장석 화강암 → 흑운모 화강암(비변질) → 흑운모 화강암(파쇄대) → 석영 반암(비변질) → 석영 반암 (변질)의 순으로 함량이 점차 줄어드는 패턴을 보였으며, 암석 내에 Ca 함량이 줄어들면 Sr 함량도 함께 줄어드는 현상을 보였다.

Figure 8. Ca concentrations versus Sr concentrations of rock samples in the study area.

연구지역에서 산출되는 암석의 87Sr/86Sr 비는 Koh et al.(1999)에 의해 일부 보고된 바 있으나 상세한 자료 비교는 없었다. 금번 연구에서는 지질 시료를 상세히 구분하여, 광맥/열수변질과 관련이 없는 편마암, 화강암, 석영반암과 광맥/열수변질과 밀접히 관련이 있는 편마암, 화강암, 석영 반암, 그리고 파쇄대 내 화강암 등으로 구분하여 시료를 채취하였다(Fig. 2, Table 4). 이 시료들에 대한 87Sr/86Sr 비의 분석 결과는 Table 4와 같으며, 연구지역의 암석과 탄산수 및 지하수/지표수와의 비교는 Fig. 9과 같다. 이 그림에서 물의 87Sr/86Sr 비는 Koh et al.(1999, 2008)의 자료를 인용하였다.

Table 4 . Ca, Sr contents and 87Sr/86Sr ratios of rock samples in Chungju Angseong hot spa area, Korea

I.D.Rock TypeCa (wt.%)Sr (wt.%)87Sr/86Sr2σSE
M1Biotite Gneiss (altered)2.480.0110.7475090.000009
M2Biotite Granite Gneiss (altered)2.690.0640.7128930.000008
M3Quartz Porphyry (altered)0.200.00480.7447700.000011
M4Biotite Gneiss (unaltered)2.180.0180.7320290.000009
M5Biotite Granite Gneiss (unaltered)3.720.0600.7134710.000008
M6Biotite Granite (fractured & calcite veinlets)0.640.0280.7208570.000009
M7Biotite Gneiss (unaltered)4.600.0200.7390630.000009
M8Quartz Porphyry (unaltered)0.0680.0110.7226420.000009
M9Biotite Granite (unaltered)0.890.0400.7211920.000009
M10Megacrystalline Feldspar Granite1.360.0520.7170930.000009

Figure 9. 1/Sr values versus 87Sr/86Sr ratios in rocks and waters in the study area.

암석의 87Sr/86Sr 비는 0.712893~0.747509 범위로서 다양한 값의 범위를 보였다. 이 중 흑운모 편마암의 87Sr/86Sr 비가 0.732029~0.747509로서 가장 높으며, 석영 반암도 변질된 경우 0.744770으로서 높게 나타났다. 나머지 암석들은 0.712893~0.722642 범위로서 낮으며, 석영 반암(비변질) → 흑운모 화강암 → 거정질 장석 화강암 → 흑운모 화강편마암 순으로 낮게 나타났다. Koh et al.(1999, 2008)에 의한 탄산천의 87Sr/86Sr 비는 0.7169~0.7195 범위로서 흑운모 화강암과 거정질 사장석 화강암의 87Sr/86Sr 비 범위 내에 속하며, 1/Sr 값이 탄산수와 이들 암석들과 유사한 값을 보였다. 알카리 지하수는 Sr 함량이 매우 적고, 87Sr/86Sr 비도 다소 차이를 보인다. 한편, 탄산천 주변의 일반 지하수와 지표수는 Sr 함량이 탄산수 및 암석에 비해 적은 편이나 87Sr/86Sr 비는 이들과 유사한 범위 내를 보여서 지표수 → 지하수 → 탄산수 (관입 화성암)으로 진화하는 패턴을 보여주었다. 즉, 탄산수 내 Sr 성분은 주변에 분포하는 관입 화성암 4개 시료들(흑운모 화강암, 석영 반암, 거정질 사장석 화강암)과 연관성이 있어 보인다. 이 관입 화성암 시료들 중 흑운모 화강암(비변질, Fig. 2의 M9)과 석영 반암 (비변질, Fig. 2의 M8)은 탄산천 인근에 위치한 것이며, 흑운모 화강암(파쇄대, Fig. 2의 M6)과 거정질 장석 화강암(Fig. 2의 M10)은 모두 탄산천에서 NNW 방향으로 이어지는 단층선의 남측을 따라 분포한다. 87Sr/86Sr 자료 관점에서 볼 때, 이들 관입 화성암들의 암질이 물순환 과정에서 탄산천의 수질에 영향을 미친 것으로 보인다. 반면에, 광산 주변의 흑운모 편마암(비변질, Fig. 2의 M7)과 광산 버럭탕에서 채집된 흑운모 편마암 및 흑운모 화강편마암(Fig. 2의 M1, M2, M4, M5) 등 변성암들의 87Sr/86Sr 값은 탄산천의 87Sr/86Sr 값과 다소 차이를 보였다.

3.5. CO2 성분의 기원, 부존지역과 물순환에 대한 고찰

3.5.1. CO2 성분의 기원

탄산수의 CO2 기원은 주로 탄산수의 탄소동위원소비(δ13C) 값을 기준으로 판단하고 있으며, 맨틀 기원의 탄소는 -8~-5‰(Deines, 1970; Blavoux et al., 1982; Kyser, 1986; Sheppard, 1986; Wexteen et al., 1988), 토양 내 생물활동 기원 탄소는 –25~-22‰(Bakalowicz, 1979), 탄산염암의 변성 기원 탄소는 –2‰ 이상(Barnes et al., 1978)으로 보고되었다. Vogel(1993)에 의하면, C3형 식물 탄소의 δ13C 값은 –30~-24‰ 범위(평균 -27‰)이며, 이 값이 호기성 분해(aerobic decay)나 용해작용에 의해서 토양수가 될 때 무기질 탄소(DIC)의 δ13C 값은 보통 내지 알카리성 환경에서는 -14‰, 산성 환경에서는 –24‰의 값을 가지게 된다(Clarke and Fritz, 1997).

Sheppard(1986)에 의하면, 마그마 내 탄소와 CO2와의 13C 분배는 화성기원 온도에서 약 2‰ 정도이므로, 마그마 기원의 CO2는 δ13C 이 -6~-3‰ 범위이며, 이것은 탄산천의 δ13C 값을 반영한다(Cartwright et al., 2002). 한편, 맨틀 기원 CO2의 δ13C 값은 총 지각 탄소(bulk crustal carbon)의 δ13C 값 –7.0~-5.5‰ 범위(Ohmoto and Rye, 1979)와 중복되는 부분이 있어서, 다른 보조 자료가 없을 경우에는 탄소의 근원을 명확하게 결정하기 어려울 수 있다(Cartwright et al., 2002). 이와 관련하여, O’Nions and Oxburgh(1988), Griesshaber et al.(1992), Darling et al.(1995) 등은 가스의 상부 맨틀 기원 지시자로서 헬리움(He)의 중요성을 강조하였다.

Jeong et al.(2001)에 의하면, 충주 앙성지역 탄산수 2개의 δ13C 값은 –4.7~-3.1‰ 범위이고, 주변 일반 지하수 1개의 δ13C 값은 -13.1‰로서 주변 일반 지하수와는 달리 탄산수가 심부 기원의 탄소 값을 가지는 것으로 보고하였다. 한편, Koh et al.(1999), Koh et al.(2008) 등의 연구에서도, 이 지역의 탄산수 9개 시료(1996년 5월~1998년 5월)의 δ13C 값은 -9.6~+0.3‰ 범위(1998년 5월의 6개 시료는 -6.6~-2.3‰ 범위)를 보였고, 일반 지하수 9개 시료의 δ13C 값은 -18.8~-9.5‰ 범위, 인근 지표수 1개 시료의 δ13C 값은 -18.5‰로서 탄산수가 일반 지하수 및 지표수와는 달리 심부 기원의 탄소 값을 가지는 것으로 보고하였다.

3.5.2. CO2 성분의 부존지역과 물순환

세계적으로 탄산수는 화산활동/판경계부/배호분지 및 열곡대 등 지질활동이 활발한 지역의 심부 기원(Barnes et al., 1978; Irwin and Barnes, 1980; Griesshaber et al., 1992; Ishibashi et al., 1995; Cerón et al., 1998; Cartwright et al., 2002)인 것으로 보고되고 있다. 우리나라 충청지역에 분포하는 탄산천의 CO2 성분도 상술된 바와 같이 심부 기원으로 보고되어 왔으나(Koh et al., 1999; Jeong et al., 2001; Koh et al., 2008), 지체구조적으로 안정된 지괴 내에서 산출되므로 전세계적인 지질 상황과는 매우 다른 양상을 보인다. 따라서, 우리나라 탄산천은 현재 심부 마그마로부터 직접 공급되는 것은 불가능한 것으로 판단되며, 과거 지질시대에 마그마로부터 공급되었던 CO2 성분이 일정 지역에 포획되어 있다가 균열대를 통하여 순환 중인 지하수 속에 용해되어 들어간 후 탄산천이 되어 다시 샘물 형태로 지표로 유출되거나 온천공 등을 통하여 토출되는 것으로 추정된다(Kim et al., 2008). 연구 지역인 충주 앙성지역에는 탄산천 가까이에 W-Mo 광상이 위치하며, 이 광상에서는 함-CO2 유체포유물이 많이 산출되고 있어(Park and Choi, 1974; Park et al., 1985b) 양자간에 연관성이 있을 것으로 추정된다. 이러한 지질학적 관점에서 볼 때, 연구지역 탄산천의 CO2 공급은 무한하지 않고 매우 한정적일 수 있으며, 시간이 지나면서 과다하게 이용 시 탄산천의 CO2 함량은 점차 줄어들게될 것이다. 금번 연구에서도 탄산천의 연도별 CO2 함량의 변화를 보면(Fig. 5), 2009년~2015년 기간 중에 CO2 함량이 대부분 온천개발/이용 이전(1984~1992년)의 자연 상태에 비해 1/2 이하로 감소되었으며, 탄산천의 사용을 중지하였을 때에도 몇 년간은 CO2 함량의 감소가 지속되는 경우가 관찰되었다. 현재 연구지역에서의 CO2 함량은 일시적으로 어느 정도 안정되어 있는 모습을 보이나, CO2 공급이 지하 심부로부터 무한히 공급되지는 않는 상황으로서, 향후 탄산천의 이용량은 효율적으로 조정될 필요가 있다.

능암리 온천개발 타당성검토 보고서(PCC, 1986)의 시추 주상도에 의하면, N1, N2 온천공 지역은 심도 358~398 m 지점부터 공저 부근의 500~600 m 심도까지 파쇄대가 발달하였으며, 440~450 m 구간에서 방해석 맥이 발달하는것으로 되어 있다. 이 자료에 의할 때, N1, N2 지역에서의 탄산천은 지표 아래 350~400 m보다는 아래 구간에서 대수층이 형성되고 물 순환 및 공급이 이루어지는 것으로 추정된다. Koh et al.(2008)에 의하면, N 온천공 지역에서 심부 시추 시 탄산 성분이 많은 지열수(CO2-rich thermal water) 확보에 실패한 경우가 있으며, 오히려 CO2 성분이 거의 없는 알카리 열수(alkaline thermal water)가 산출되었다고 보고되었다. 이는 CO2 성분이 심부(지표로부터 1 km 이상?) 깊이에서 직접 공급되고 있는 것이 아니라, 이보다는 지표 가까이의 일정 심도 범위에서 CO2 성분이 공급될 가능성을 지시하게 된다. 한편, 이 지역의 지열 구배는 28.7~32.6℃/km로 보고된 바 있다(KIER, 1991; KIGAM, 1992). 연구지역 탄산천의 토출온도가 25.4~31.2℃로 기록되어(Table 2), 대부분 32℃ 이하의 낮은 온도인 것도 탄산천의 주요 대수층이 1 km 내외 깊이에 위치함을 지시해준다.

지질 및 광상에서 전술한 바와 같이, 연구지역에는 남-북 방향으로 수 개 조의 석영 반암맥이 집중 분포하고, 약 20 여개의 W-Mo 광맥이 폭 500 m, 남북 최대 연장 1.5 km, 수직적으로도 지표 아래 수 km 범위에 달할 것으로 추정된다(Park et al., 1985a; 1985b). 지하 심부에서의 광상 연장과 주변부에서의 열수변질대를 포함한다면 매우 큰 규모와 부피의 광화대 및 열수변질대가 형성되어 있으며, 이 광상을 배태시킨 광화유체에는 다량의 CO2 성분을 함유하고 있다(Park and Choi, 1974; Park et al., 1985b). 단열을 충전하는 이 광맥들은 편마암, 화강암, 석영 반암맥 모두에서 발달하며, 광상의 광화시기는 백운모의 K-Ar 연령으로부터 약 88 Ma로 밝혀진 바 있다(So et al., 1983). 한편, Park et al.(1985a)는 복운모 화강암의 흑운모 K-Ar 연령을 105±5 Ma로 보고하여, So et al.(1983)이 보고한 W-Mo 광화시기보다 오래된 것으로 해석하였다. 또한, Park et al.(1985a)는 석영 반암맥이 복운모 화강암을 관입하고 있을 뿐 아니라 석영 망상세맥이 석영반암 내에도 발달하고 있어서, 광화작용은 쥐라기의 복운모 화강암보다는 백악기의 석영 반암과 시간적으로 더 밀접한 관계를 가질 것으로 해석하였다. 따라서, 광화작용에 관여한 관입 화성암체는 충주 탄산천 주변에 널리 분포하는 것으로 보고된 쥐라기 복운모 화강암이 아니라, 이보다는 더 젊은 연령을 가지는 백악기 화성암체로서, 현재의 지표에 노출되어 있지 않은 심부의 잠두 화성암체일 가능성이 크다. 백악기 마그마에 의한 광화유체 내에 다량 함유되었던 CO2 성분은 광화대와 열수변질대 형성 시에 다량으로 그리고 광범위하게 주변 광물 내 유체포유물과 광물들간의 격자 틈새에 포획되었으며, 이렇게 과거 지질시대에 포획/부존된 다량의 CO2 성분은 오랜 지질시대를 거쳐 풍화작용 및 파쇄작용 등에 의해 폐쇄 지점이 열개되면서 느린 속도로 지표로 배출되거나 지하수의 물순환 과정에서 지속적으로 지하수에 용해되어 소실되어 가는 과정을 겪고 있을 것으로 추정된다(Fig. 10).

Figure 10. Conceptual model for water circulation and forming CO2-rich water zone in Chungju Angseong hot spa area, Korea. The location of A-A’ can be seen in Fig. 2.

탄산수가 생성되고 이동하는 물순환 과정과 대수층 발달에서는 (1) 서북서-동남동 방향의 앙성단층과 (2) 능암탄산천 및 대화 W-Mo 광상 주변에 형성된 소규모 NNW 방향의 추정 단층, 그리고 (3) 탄산천 주변에 분포하는 석영 반암맥과 W-Mo 광맥의 N-S 방향성 등의 단열대들이 작용했을 가능성을 가정해 볼 수 있다. 연구지역의 탄산 온천공들은 서북서 방향의 앙성천 계곡을 따라 개발되어 있다. 그러나, 이 계곡 방향으로 1.5 km 내외의 범위에서만 탄산천이 산출되고 있다(Fig. 1, 2). 이는 서북서-동남동 방향의 앙성단층을 따라서는 CO2 공급과 순환이 원활하지 않음을 지시하게 된다. 한편, N 온천공 지역의 이북 지역에서 개발된 지하수 관정들에서는 CO2 성분을 함유한 지하수가 산출되지 않으며, 온천개발 중심지에서도 온천공의 개발 위치에 따라 탄산수 내 CO2 함량에 있어서 차이를 많이 보이고 있다. 대화 W-Mo 열수광맥 및 변질대에 가장 가까이에 위치하는 J2 온천공 지역에서 가장 높은 CO2 함량을 가지며, J2, N2 온천공 지역이 상대적으로 높은 함량의 CO2 분포 중심지를 형성하고 있는 상황이다. 이보다 서측의 J1, N1 온천공 지역과 동측의 N3 온천공 지역에서는 상대적으로 낮은 CO2 함량을 보인다. 이러한 몇 가지 현상들을 종합해 볼 때, 충주 앙성지역 탄산천을 형성시키기 위한 CO2 공급 방향은 탄산천의 남쪽에 분포하는 W-Mo 열수광맥 및 변질대 방향이며, 또한 남서측의 광맥과 열수변질대로부터 탄산천으로 향하는 남-북 내지 북북서-남남동 방향의 공급 통로를 고려해 볼 수 있다.

한편, Koh et al.(2008)에 의하면, 심도 500~558 m 관정의 탄산수에서 Tritium 값이 연도 및 계절에 상관없이 항상 0.0~0.8 TU로서 탄산수는 약 50년 정도의 긴 체류시간과 심부 순환을 가지는 것으로 해석하였다. 반면에, 심도 200~250 m 관정의 탄산수는 계절별로 차이를 보여 96년도 5월과 97년도 7월에 2.9~3.1 TU로 높게 나타났으며, 기타 특징들(용존 CO2와 양이온 함량, δ18O, δD 값)이 전형적인 탄산수와 천부 지하수의 중간값을 보여주고 있어 혼합 효과(mixing effect)를 보이는 것으로 보고하였다. 즉, 지표 아래 200~250 m 심도 범위까지는 온천수 사용량과 강수 등에 의해 천부 지하수의 혼입 현상이 관찰되나, 심도 500~558 m 범위의 관정에서는 천부 지하수의 영향이 거의 없고 탄산수의 수질 특성을 유지하는 것으로 보았다. 이번 연구 대상이 된 충주 앙성지역 탄산천의 온천공들은 심도가 500~1,000 m 범위로(Table 1), 모두 Koh et al.(2008)이 보고한 바와 같이 주변 지하수들에 비해 매우 긴 체류시간을 지닐 것으로 유추된다. 따라서, 이 지역에서 탄산천의 물 순환과 충진 속도는 빠르지 않을 것으로 추정되며, 탄산천의 이용에 의해 수위 강하가 지속적으로 발생할 수 있다. 실제로 탄산천의 이용량과 수위 변동 패턴(Fig. 4)을 보면, 모든 온천공들에서 개발 초기의 수위 심도가 지표 아래 7~54m 범위에 위치하였던 것이 2009년도에는 J1 온천공 지역을 제외하면 모두 지표 아래 63~250 m 범위에 수위가 위치하였다. 탄산천의 수위 심도가 후기로 가면서 점진적으로 하강되어 가는 상태를 보이고 있으며, 특히 J2 온천공 지역에서는 이미 지표 아래 300 m 지점까지 수위가 하강되어 있는 상태를 보이고 있다. 즉, 연구지역에서는 탄산천의 이용에 비해 공급 속도가 느린 것으로 나타나며, 이는 Koh et al.(2008) 등의 자료와 잘 일치되는 현상이다. 따라서, 연구지역에서는 수량적 측면에서 지속가능성을 유지하기 위해서는 탄산천의 효율적인 이용량 조절이 필요한 것으로 평가된다.

결 론

충주 앙성지역에서 산출되는 탄산천의 지속가능성 및 CO2 성분 기원과 부존/공급지역에 대해 검토한 결과는 다음과 같이 요약된다.

(1) 이용량: 23년간(1997년∼2020년) 충주 앙성지역에서 사용된 탄산천의 이용량은 총 1,260,820 m3으로 파악되었으며, 연평균 약 5.5만 m3 정도였다. 탄산천의 이용량은 2000년 대 초반에 많다가 2008년∼2010년 기간 중에는 거의 이용량이 없었으며, 이후 2019년까지 탄산천의 이용량이 증가되는 추세를 보였다.

(2) 수위: 1986년∼1992년 기간 중에 연구지역 탄산천의 수위 심도는 J2 지역(산지 지역)을 제외하면 지표 아래 3.66∼8 m 범위였으며, 이는 당시에 자연 상태의 수위 심도로 판단된다. 이후 J1 지역(2006년 이후 이용 중단 지역)을 제외하면 2009년∼2015년 기간 중에 탄산천의 수위 심도는 지표 아래 63.12∼300 m 범위를 보였다. 적정양수량으로 양수 시 수위 심도는 이보다 더 깊게 나타나며, 지속적인 수위 하강 현상을 보이므로 수량적인 측면에서 지속가능성을 위해서 이 지역의 탄산천 이용량 조절이 필요하다. 탄산천의 수위 심도가 지속적으로 하강하는 현상은 탄산수의 물순환이 이용량에 비해 비교적 느리기 때문이며, 이는 기존 연구에서 보인 낮은 Tritium 값(0.0∼0.8 TU)과 일치되는 현상이다.

(3) 수질: 탄산천의 수질을 대표하는 CO2 성분의 함량은 1985∼1992년에 287.8∼1,018 mg/L였으며, N2, J2 지역이 CO2 함량이 가장 높은 중심지를 형성하였다. 탄산수의 사용량이 증가하고 수위가 하강하면서 CO2 함량은 점차 감소되었으며, 그 결과 2009년 3월에는 CO2 함량이 44∼603.1 mg/L 범위를 보였다. 감소량의 크기는 N1(652 mg/L) > N2(504.8 mg/L) > J1(402.9 mg/L) > J2(285.3 mg/L)의 순서를 보였다. 이러한 CO2 함량 감소는 이용이 중지된 이후에도 몇 년간 지속되는 현상을 보이며, 이는 연구지역에서 CO2 공급이 비교적 느린 속도와 제한된 양으로 이루어지고 있다는 것을 지시하게 된다. 탄산수의 이용 패턴과 CO2 함량 변화 특성으로 볼 때, 연구지역 중 J1, N1 지역에서는 탄산 성분의 지속가능성이 희박해 보이는 반면에, J2, N2 지역에서는 탄산수의 이용량을 효율적으로 조정해간다면 수질 측면에서 탄산 성분의 지속가능성은 충분히 확보될 수 있는 것으로 평가된다. 한편, 다른 수질 성분들(양/음이온들)은 CO2 성분과는 달리 탄산수 이용을 중단하게 되면 원래의 함량과 유사한 상태로 빠르게 복원되려는 경향을 보였다.

(4) CO2 성분의 기원과 부존지역: 기존의 탄소동위원 소비 자료에 의하면 연구지역 탄산천의 CO2 기원은 심부 마그마 기원으로 해석되고 있으나, 그 공급은 현재 마그마 활동과 관련이 없고 중생대 백악기의 마그마 활동에 의해 형성된 지질 현상과 관련되어 있는 것으로 판단된다. 따라서, CO2 공급은 무한하지 않으며, 탄산천 인근의 CO2 부존지역에서 제한적으로 공급되고 있는 것으로 추정된다. 탄산천 중 CO2 함량 분포의 중심지 위치, 주변 지질/광상 산출 특성 등으로 볼 때, 연구지역에서 CO2 부존/공급 가능지역은 백악기에 CO2를 다량 함유한 광화유체로부터 형성된 W-Mo 광화/변질지대인 것으로 해석된다.

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이 연구는 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업 “한국의 자연기원 좋은물 발굴·확보 및 가치고도화 기술개발 (CAP-17-05-KIGAM)”과 한국지질자원연구원의 기본사업 “기후변화대응 대용량지하수 확보 및 최적활용 기술 개발 (GP2020-012)”의 지원을 받아 수행되었습니다. 이 논문을 심사하여 주신 심사위원들께 감사의 말씀을 드립니다.

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October 2022, 55 (5)