지하수 방사성 연대 측정 – 개념과 적용 사례

  • 방사성 탄소 연대 측정 방법으로 지하수가 있는 대수 층의 과잉 양수를 감시할 수 있습니다.
  • 매년 또는 반년마다 지하수 방사성 탄소 연대 측정을 권장합니다.
Water Well

방사성 탄소 연대 측정 기법을 지하수 분석에 적용하면 지하수를 품고 있는 지층인 대수 층이 오염되거나, 과잉 개발 전에 대수 층에서 과잉으로 물을 퍼내는 것을 예견할 수 있습니다. 샘플 연구서인 “Surface water contamination and remediation(pdf)” 을 참고하시기 바랍니다.

지하수 방사성 탄소 연대 측정은 고전적 수문학 측정 기법과 화학적 분석을 병행합니다. 방사성 탄소 연대 측정을 여러 번 하여 결과를 비교하거나, 일련의 샘플을 측정하였을 때 가장 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 연대 자체가 유용한 데이터가 아니라, 그 연대들을 서로 비교하는 것입니다.

여러 번 측정할 경우, 대수 층 노두로 부터 여기 저기 떨어져 있는 펌프에서 나온 지하수의 명확한 연대 측정 결과로 유동률을 증명할 수 있으며, 과잉 양수 상황을 설명해 주기도 합니다. 매 6개월이나 1년마다 각 원천에서 연속적으로 샘플 작업을 하는 경우, 명확한 연대 측정 결과로 시간에 대한 어떻게 변화 했는지 알 수 있습니다. 특히 물의 나이가 시간에 지남에 따라 어리게 나온다면, 대개 수막이 더 얕은 쪽으로 내려갔기 때문이며, 물의 표면 층이 금방 오염되었다는 것을 알 수 있습니다.

지하수 방사성 탄소 연대 측정

지하수 방사성 탄소 연대 측정을 하게 되면 언제 물이 대기권과 접촉하지 않았는지, 즉 지하로 내려갔는지 알 수 있습니다. 하지만 대수 층 모체에 있는 아주 오래된 탄산염 퇴적층이 쌓인 대수 층 노두와는 반대로, 대수 층 노두와 대기권에서 살고 있는 식물에서 생긴 여러 종류의 탄산염 함유량을 계산하는 것은 어렵습니다. 이런 이유로 지하수 방사성 탄소 연대 측정은 계속 반복해서 샘플 작업을 하는 것이 가장 좋습니다. 이런 상황에서, 불확실한 절대 연대는 그 장소 해석에 쓰이는 원래의 연대가 아니며, 수정되지 않은 연대가 원래 연대입니다. ; 연구에서 수정되지 않은 명백한 연대를 다른 명백한 연대와 비교 하면 불확실한 수정 문제는 대부분 없어집니다. 대부분 가장 쓸만한 데이터는 이런 비교 방법에서 오지, 절대 연대에서 오는 것은 아닙니다. 따라서 수정되지 않은 명백한 연대를 최대 나이로 해석할 수 있습니다: 즉 지하수의 실제 연대는 명백한 연대와 같거나 어립니다.

방사성 탄소 연대 측정을 하기 위해 물에 있는 탄산염을 추출함으로써, 지하수 침전이 언제 다시 생겼는지, 그리고 흐름의 방향과 흐름 속도에 관한 정보를 알 수 있습니다. 이는 10년에서 40,000년 된 샘플에 적용합니다.

땅으로 스며든 지표수와 빗물에는 대기에 있는 이산화 탄소가 소량 들어 있습니다. 물은 대기 권에 남아 있는 동안, 토양에 있는 공기와 접촉합니다. 그리고 이산화 탄소를 생성하는 식물의 부분 압력 (뿌리 호흡)이 훨씬 높습니다. 이렇게 생긴 물질의 방사성 탄소 함유량이 소위 “최근” 수준이며, 연대 계산하는데 참조합니다. 평균적으로 대수 층에 있는 우물 20에서 60개 이상에서 샘플을 채집합니다. 10개 이하 우물에서 샘플 채집하는 것은 연구에 적합하지 않습니다. 이런 경우, 연대 해석이 종종 애매해 집니다.

토탄이나 갈탄처럼 화석 탄소가 있는 대수 층의 경우, 방사성 탄소 연대 측정 결과가 애매하기 때문에 이런 대수 층은 방사성 탄소 연대 측정 기법으로 연구하지 않습니다. 지표수에서 생긴 물은 유용한 “명백한 나이”을 제공해 주지만, 탄소 희석 수정이라는 피할 수 없는 문제가 있습니다. 이는 물에서 이산화 탄소가 압력을 받아 거품이 나올 때 대형 동위 원소 효과가 일어나기 때문입니다. 이런 경우 “최상의 연대 추정치”을 계산할 수 없습니다.

대수층 오염과 개발 한계

인구 증가에 따라 대수층 수요가 기하급수적으로 증가합니다. 과도한 개발은 끝내 한계점에 도달할 것이며, 대수층의 재충전 구역에서부터 훨씬 먼 곳까지 영향을 미칩니다.

일반적으로 사람이 사는 지역 주변에 개발이 많이 안된 땅들이 둘려 싸여 있는 관계로, 주거 지역과 상업 지역의 개발은 가장 상업적인 결과를 반영하는 것이지만, 개발 지역이 완충 지역을 넘어서게 되면 인간의 급박한 수요 충족을 위해 새로 판 우물에서 물을 더 많이 퍼내어 재충전 선을 초과하게 되면 물 부족 현상이 발생합니다.

방사성 탄소 연대 측정 방법으로 그 지역의 지하수를 정기적으로 감시함으로써 상황이 걷잡을 수 없게 되기 전, 개발이 과도하게 되고 있는 것을 알 수 있는 구체적, 실증적 증거가 됩니다. 주거지와 상업 단지가 개발된 다음에 물의 공급을 제한하는 것은 매우 어려운 일입니다. 방사성 탄소 연대 측정 방법으로 물을 측정함으로써 대수층의 과잉 개발을 감시하고, 어떤 상황인지 이해하며, 통제 매카니즘을 얻게 됩니다.

groundwater ages

도표 1 – 대수 층 노두로부터 거리 간격 확인 기능으로서의 지하수 방사성 탄소 연대. 이 삽화는 한정된 노두로부터 서로 다른 거리 간격에 있는 세 개의 펌프하는 비율과 지하수 층이 곡선으로 흐르고 있다는 것을 보여줍니다. 마지막 우물은 너무 많이 끌어 올려져 얕은 단계에서 물이 아래로 떨이 집니다.

지하수 방사성 탄소 내용물 감시

우물의 방사성 탄소 함유량을 시간 단위로 측정하면 수원의 안정성과 수원에서 일어나는 변화 모두를 알 수 있습니다. 매년 물의 방사성 탄소 나이가 어려진다는 것은 더 어린 물이 위에서 아래로 내려온다는 것을 보여줍니다. 예를 들자면, 이는 다른 지역에서 물을 너무 많이 끌어 올린다거나 우물 파는 작업을 점차 많이 하고 있기 때문입니다. 어느 경우든, 이는 결국 오염된 표면수가 식수로 유입되고 있을 수도 있다는 것을 보여줍니다.

radiocarbon age of groundwater

삽화 2 – 매년 채집된 우물의 지하수 방사성 탄소 연대. 이 삽화에서는 1995년에 이 우물에서 처음으로 물을 퍼내기 시작했으며, 점진적으로 더 많은 물을 퍼내고 있다는 것을 보여줍니다. 물의 하향 통풍이 증가하는지, 혹은 표면수가 들어오기 전에 커브가 차츰 평평해지는지 여부를 확인하기 위해서는 계속적인 방사성 탄소 연대 측정이 필요합니다.

방사성 탄소 연대 측정 방법을 하기 위해 각 우물의 샘플 채집 작업은 1년 또는 6개월마다 하는 게 제일 좋습니다. 이렇게 얻은 결과를 이전 결과들과 비교합니다. 수년에 걸친 방사성 탄소 나이가 (매년 혹은 6개월마다) 일정하게 유지되는 것이 가장 바람직한 상황입니다.

방사성 탄소는 지하수에 자연적으로 발생하기 때문에, 이 측정 결과는 대수 층에 아무 영향이 없이도 일어나며, 또한 측정 결과는 공급되는 물이 오염되기 시작 전에 이루어집니다. 지역간, 혹은 지역 내 수자원 관리에 대하여 경제적, 환경적으로 강력한 암시를 주고 있는 것입니다.

방사성 탄소 연대 계산을 포함한 지하수 방사성 탄소 연대 측정에 대한 종합적인 내용은 아래에서 찾아보시기 바랍니다.

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