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Geochemical Contamination Assessment and Distribution Property Investigation of Heavy Metals, Arsenic, and Antimony Vicinity of Abandoned Mine
폐광산 인근지역에서 중금속, 비소, 안티모니의 지구화학적 오염도 평가 및 분산 특성 조사
Econ. Environ. Geol. 2022 Dec;55(6):717-26
Published online December 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.6.717
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Han-Gyum Kim1, Bum-Jun Kim1, Myoung-Soo Ko1,2,*
김한겸1 · 김범준1 · 고명수1,2,*

1Department of Integrated Energy and Infra System, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea
2Department of Energy and Resources Engineering, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Republic of Korea
1강원대학교 에너지·인프라 시스템 용합학과
2강원대학교 에너지자원공학과
Received December 20, 2022; Revised December 22, 2022; Accepted December 22, 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 was conducted to assess the geochemical contamination degree of As, Cd, Cu, Pb, Sb, and Zn in the soil and water samples from an abandoned gold mine. Enrichment Factor (EF), Geoaccumulation Index (Igeo), and Pollution Load Index (PLI) were carried out to assess the geochemical contamination degree of the soil samples. Variations of sulfate and heavy metals concentration in water samples were determined to identify the geochemical distribution with respect to the distance from the mine tailing dam. Geochemical pollution indices indicated significant contaminated with As, Cd, Pb, and Zn in the soil samples that areas close to the mine tailing dam, while, Sb showed similar indices in all soil samples. These results indicated that the As, Cd, Pb, and Zn dispersion has occurred via anthropogenic sources, such as mining activities. In terms of water samples, anomalies in the concentrations of As, Cd, Zn, and SO42- was determined at specific area, in addition, the concentrations of the elements gradually decreased with distance. This result implies the heavy metals distribution in water has carried out by the weathering of sulfide minerals in the mine tailing and soil. The study area has been conducted the remediation of contaminated soil in the past, however, the geochemical dispersion of heavy metals was supposed to be occurred from the potential contamination source. Therefore, continuous monitoring of the soil and water is necessary after the completion of remediation.
Keywords : geochemical distribution, contamination source identification, heavy metals, arsenic, soil
Research Highlights
  • Geochemical pollution indices were employed to identify the geochemical contamination and distribution characteristics of heavy metals, arsenic, and antimony in the study area.

  • Geochemical pollution indices and properties of samples imply different contamination source or dispersion process.

  • Continuous monitoring is necessary after remediation to verify the occurance of geochemical dispersion of heavy metals from potential contamination source.

1. 서 론

인구밀도가 약 500명/km2로 세계에서 최상위권인 우리나라는 국토가 넓은 다른 나라와는 달리 토지자원과 수자원을 집약적으로 이용하여야 한다. 하지만 토양이 중금속 등으로 오염되면 그 용도가 제한될 뿐만 아니라, 오염된 토양의 유실로 주변 토양이나 수질마저 오염될 위험성이 존재한다(Jung et al., 2015). 토양오염은 크게 자연적 오염과 인위적 오염으로 나눌 수 있으며, 자연적 오염은 금속 함량이 높은 모암이 자연적으로 풍화되어 토양을 형성하는 과정에서 발생한다(Hwang et al., 2017). 자연적 오염은 상대적으로 심부 토양에서 나타나며 대표적으로 우리나라의 옥천대 함우라늄 흑색셰일 지역이 있다(Yi and Chon, 2003). 반면 인위적 오염은 광산활동, 경작활동, 산업활동 등에 의해 발생하며 상대적으로 상부토양에서 나타난다(Bhumbla and Keefer, 1994). 국내에서는 광산활동에 의한 토양 및 수질 오염이 1990년대부터 꾸준히 보고되어 왔다(Jung et al., 2004; Jung and Jung, 2006; Kim, 2005). 이는 채산성 및 채굴량 저하 등의 이유로 광산이 휴·폐광된 후 적절한 사후조치나 관리 없이 방치되었기 때문이다(Kang et al., 2021). 폐금·은광산 주변에는 황철석(pyrite; FeS2), 황동석(chalcopyrite; CuFeS2), 유비철석(arsenopyrite; FeAsS)과 같은 중금속을 함유한 황화광물이 다수 존재한다. 폐금·은광산 주변에서는 황화광물의 풍화로 인해 중금속의 분산이 활발하게 진행되고 있으며, 폐광산 인근에 적치된 광물찌꺼기 또한 다량의 중금속을 함유하여 인근지역의 토양과 수계의 오염을 유발하고 있다(Choi et al., 2004). 또한 중금속 오염 토양은 물-암석반응을 통해 주변 수계와 비오염 토양의 2차 오염을 초래할 수 있으며, 중금속은 생물학적 농축과정을 통해 작물로 전이되어 인간에게까지 영향을 미칠 수 있다(Arunakumara and Zhang, 2008). 기존 연구에서 중금속인 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 아연(Zn)과 준금속인 비소(As) 및 안티모니(Sb)가 인체에 유해한 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다(Lee and Chon, 2004; Park, 2010; Wilson et al., 2010). 따라서 이 연구에서는 폐금·은광산 인근지역의 토양과 수계에 존재하는 As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn의 농도를 조사하였다. 이를 바탕으로 토양의 중금속 농도분포를 지구화학적 오염도 평가 지수인 농축계수(enrichment factor; EF), 농집지수(geoaccumulation index; Igeo), 오염부하지수(pollution load index; PLI)를 이용해 각 원소의 오염도를 평가하였다. 그리고 각 원소들의 지구화학적 오염도와 연구지역의 특성을 비교하여 토양에 오염된 원소들의 분산 특성을 고찰하고자 한다.

2. 연구방법

2.1. 연구지역의 지질학적 특성

토양과 수질시료를 채취한 붓든광산은 경상북도 봉화군 법전면에 위치하고 있으며, 우리나라의 10개의 금광지구 중 봉화지구에 속하는 폐금·은광산이다(Kim, 1970). 대상 지역은 주로 중생대 백악기에 형성된 춘양화강암과시대 미상의 각섬석과 화강암으로 이루어져 있으며, 저수지 인근의 하천을 따라 신생대에 만들어진 충적층이 길게 형성되어 있다. 지질시대에 따른 분류를 했을 때는 백악기 금·은 광상으로 분류된다. 봉화지구는 후기 백악기에 형성되었으며, 이 시기에 형성된 금·은광상은 천부지질환경을 반영하는 특성이 있는 것으로 알려져 있다(Choi et al., 2006). 봉화지구에 포함된 연구지역 인근에는 붓든광산과 유사한 지질특성을 나타내는 금·은광산인 풍정광산, 다덕광산, 삼신광산, 법전광산이 존재하며, 광해광업공단의 통계연보에 따르면 삼신광산은 안티모니를 채광했던 것으로 알려져 있다(MIRECO, 2018).

붓든광산은 1984년 광업권 소멸로 폐광이 된 이후, 한국광해관리공단에서 광물찌꺼기 적치장과 주변 오염토양의 복원공사를 완료하였다. 연구지역의 수계는 광물찌꺼기 적치장으로부터 시작되는 하천과 광물찌꺼기 적치장으로부터 동쪽으로 1.6 km 거리에 있는 저수지의 방류수가 있으며 두 개의 수계는 하나의 하천으로 합류되어 주변 농경지의 농업용수로 사용된다. 과거 환경부에서 조사한 폐금속광산 오염실태 정밀조사 보고서에서는 연구지역의 토양 및 수계에 중금속 등에 의한 오염이 보고되었다(Jung and Jung, 2004). 연구지역의 토지에서는 마을주민들이 경작활동을 하고 있어 토양과 수계에 오염이 발생할 경우 중금속 등이 인체에 유입되는 직접적인 피해가 발생할 수 있다. 또한 연구지역의 수계는 최종적으로 낙동강 지류에 합류하여 안동댐과 낙동강으로 합류한다. 따라서 연구지역의 수계에 오염이 발생할 경우 안동댐과 낙동강의 오염에 영향을 끼칠 것으로 예상된다(Fig. 1).

Figure 1. Soil and water sampling points in the study area.

2.2. 시료채취 및 지구화학적 특성분석

연구지역의 토양과 수계에 분포하는 As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn의 농도분포를 확인하기 위해 붓든광산 광물찌꺼기 적치장을 중심으로 반경 1 km, 2 km, 3 km에 존재하는 토양시료 29개, 수질시료 16개를 채취하였다(Fig. 1). 토양시료는 상부의 유기물을 제거한 후 핸드오거를 이용하여 15 cm 미만의 표토를 채취하였다. 토양시료는 논, 밭, 나대지에서 채취하였으며 시료 채취 후, 토양은 상온에서 건조하였다. 건조된 토양은 균질화를 위해 고무망치로 파·분쇄하였으며, 입경 2 mm 체와 0.15 mm 체로 체거름하였다. 2 mm 체로 체거름한 토양을 대상으로 토양 pH, 양이온치환용량(cation exchange capacity; CEC), 작열감량(loss on ignition; LOI)을 분석하였다. 토양 pH는 토양과 탈이온수(deionized water)의 고액비를 1:5로 하여 30분간 진탕한 후 혼탁액을 pH meter (Orion Versa Star Pro, Thermo Scientific, USA)를 이용하여 측정하였고 CEC와 LOI는 국립산림과학원이 제시한 방법에 따라 확인하였다(NIoFs, 2014). 토양에 존재하는 금속원소의 농도는 0.15 mm 체로 체거름한 토양을 염산(HCl)과 질산(HNO3)을 3:1로 혼합하여 제조한 왕수(aqua regia)를 이용하여 분해한 후, ICP-OES (optima 7300DV, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 확인하였다. 수질시료는 채수기를 사용하여 채취하였다. 수질시료의 용존산소량(dissolved oxygen; DO), pH, 산화환원전위(oxidation-reduction potential; ORP), 전기전도도(electric conductivity; EC)를 현장에서 즉시 측정하였고, 채취한 시료는 0.45 μm syringe filter를 사용하여 여과한 후 농질산(HNO3) 한 방울을 첨가하고 냉암보관 후 실험실에서 ICP-MS (Elan DRC-e, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 금속원소의 농도를 확인하였다.

2.3. 지구화학적 오염도 평가방법

채취한 토양에 존재하는 대상원소의 부화정도를 확인하기 위해 EF와 Igeo를 이용하였다. 이 방법은 채취한 토양 내 대상원소의 농도를 토양에 존재하는 대상원소의 배경농도와 비교하는 방법으로써 다수의 연구자들이 인위적 오염의 정도를 평가하는데 활용한 바 있다(Çevik et al., 2009; Barbieri et al., 2015; Ko et al., 2020; Mensah et al., 2021). 이때 배경농도는 지각 또는 토양 내 대상원소의 평균농도를 사용할 수 있으며, 이 연구에서는 Kabata-Pendias (2011)에서 제시한 세계 토양 내 원소의 평균 농도를 배경농도로 사용하였다(Table 1).

Table 1 . Background concentration of elements in the soil (Kabata-Pendias, 2011)

ElementsConcentration (mg/kg)
As6.83
Cd0.41
Cu38.9
Pb27
Zn70
Sb0.67
Fe35,000


EF는 아래 Eq. 1과 같이 계산하였으며, ME는 시료에 존재하는 평가대상 원소의 농도이고 RE는 Fe, Si, Al과 같은 지각에서 쉽게 이동하거나 변하지 않는 기준원소의 농도이다. 채취한 시료와 배경값은 각각 sample과 background로 표현하여 계산에 활용하였다.

EF=ME/REsampleME/REbackground

계산결과 값이 0.5 ≤ EF ≤ 1.5라면 자연적인 기원에 의한 것으로 판단하고, EF > 1.5라면 토양환경 외부에서 인위적인 영향을 받은 결과라고 볼 수 있다(Barbieri et al., 2015). 토양시료 내 원소의 EF는 값의 범위에 따라 deficiency to minimal enrichment (EF < 2)부터 extremely high enrichment (EF > 40)까지 총 5단계로 구분할 수 있다(Barbieri, 2016).

Igeo는 Eq. 2를 사용하여 계산하였으며, Cn은 분석하고자 하는 원소의 농도이고 Bn은 해당 원소의 배경농도이다. Bn 앞에 곱해주는 1.5는 지각기원에 의한 영향을 보정하기 위한 계수이다. 토양시료 내 원소의 Igeo는 값의 범위에 따라 uncontaminated (Igeo ≤ 0)부터 extremely contaminated (Igeo ≥ 5)까지 총 7단계로 구분할 수 있다(Barbieri, 2016).

Igeo=log2Cn1.5Bn

또한, 연구지역 토양의 종합적인 오염형태를 평가하기 위해 PLI를 사용하였다(Tomlinson et al., 1980). PLI는 Eq. 3과 Eq. 4를 사용하여 계산할 수 있다. Cmetal은 분석하고자 하는 원소의 농도, Cbackground는 해당 원소의 배경 농도, n은 분석한 원소의 수이다. PLI 값이 1 이상이면 토양이 오염된 것으로 판단한다(Rabee et al., 2011; Ogbeibu et al., 2014).

CF=CmetalCbackground

PLI=CF1×CF2×CF3×CFnn

3. 결과 및 토의

3.1. 토양 및 수질시료의 지구화학적 특성

채취한 토양시료 29개와 수질시료 16개의 지구화학적 특성 분석 결과를 광물찌꺼기 적치장으로부터의 거리로 구분하여 Table 2에 표시하였다. 붓든광산 광물찌꺼기 적치장으로부터 거리에 따라 채취한 토양시료의 평균 토양 pH는 5.53이었고, 광물찌꺼기 적치장으로부터 2 km이상 떨어진 토양시료의 평균 토양 pH가 6.47로 상대적으로 높게 나타났다. 채취한 시료의 LOI는 평균 2.55%로 나타났으며, 광물찌꺼기 적치장으로부터 멀어질수록 LOI가 점차 증가하는 것으로 나타났다. CEC 또한 광물찌꺼기 적치장과의 거리에 따라 증가하는 양상을 보였으며 채취한 토양시료의 평균 CEC는 2.61 meq/100 g으로 확인되었다. 적치장 주변 토양의 CEC가 상대적으로 낮은 결과는 토양에 함유된 유기물의 차이에서 비롯된 것으로 판단되며 Hyeon et al.(1991)은 토양의 유기물 함량이 1% 증가할 때 CEC가 2.3 meq/100 g 씩 증가하는 것을 보고하기도 하였다. 이처럼 연구지역 내 토양이 적치장과 가까울수록 산성의 pH를 보이고 LOI와 CEC가 낮은 결과는 과거 광산활동과 광물찌꺼기의 영향이 적치장으로부터 주변으로 미쳤을 수 있음을 보여준다. 조사대상 지역의 수계를 따라 흐르는 하천수의 평균 pH는 7.69로 환경부에서 수행하는 봉화지역 수질현황에서 보고한 pH 8.5보다 낮은 결과를 보였다. 하천수의 평균 pH는 광물찌꺼기 적치장으로부터의 거리에 따라 7.08, 7.45, 8.54로 점차 pH가 증가하는 것으로 나타났다. 채취한 수질시료의 pH 변화는 광물찌꺼기 적치장에 가까울수록 상대적으로 낮은 pH를 보여 토양시료의 결과와 유사한 특징을 보였다. 거리에 따른 수질시료의 pH 변화는 과거 광산활동의 영향으로 주변 토양의 약산성화가 진행되어 수계에도 영향을 미치고 있음을 보여주는 결과로 판단된다.

Table 2 . Geochemical properties of soil and water samples with distance from mine tailing dam

DistanceSoilWater
pHLOI (%)CEC (meq/100 g)pHORP (mV)DO (mg/L)
< 1 km5.162.162.337.08162.507.42
< 2 km5.062.452.527.45121.834.98
< 3 km6.473.063.018.54115.307.96


3.2. 토양 및 수질시료의 중금속 농도분포

토양시료의 중금속 농도는 광물찌꺼기 적치장으로부터 멀어지면서 점차 감소하는 경향을 나타냈다(Fig. 2). 토양에 존재하는 As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn의 농도는 광물찌꺼기 적치장으로부터 1 km 이내에서 채취한 시료에서 가장 높은 결과를 보였으며, 2 km와 3 km의 범위에서 채취한 시료에서는 중금속의 농도가 유사한 결과를 보였다. 특히, 1 km 이내의 토양시료에서 비소의 농도는 평균 30 mg/kg으로 확인되어 국내 토양오염 우려기준인 25 mg/kg을 초과하였다(KMoE, 2018). 거리에 따른 Cd, Cu, Pb, Zn의 농도분포는 As와 유사한 양상을 보였다. 광물찌꺼기 적치장으로부터 1 km 거리 이내에서 채취한 토양시료에서 상대적으로 높은 금속원소의 농도를 보였다. 이러한 농도분포 특성은 과거의 광산 활동의 영향으로 원소의 물리적 분산 또는 지구화학적 분산이 진행되었을 수 있음을 보여준다.

Figure 2. As, Cd, Cu, Pb, Sb, and Zn distribution in soil samples with distance from mine tailing dam.

대상지역을 흐르는 하천에서 채취한 수질시료의 As, Cd, Cu, Zn의 농도는 토양시료와 유사한 경향을 나타냈다(Table 3). 광물찌꺼기 적치장으로부터 가까울수록 상대적으로 높은 농도를 보였으며, As는 광물찌꺼기 적치장 하부에서 채취한 지표수 시료에서 38.4 μg/L로 나타나 1 km 이내 지역의 평균인 18.2 μg/L보다 약 2배 높은 결과를 보였다. 이러한 결과는 Cd, Cu, Zn 모두 유사한 결과를 보여 광물찌꺼기 적치장 또는 주변의 오염 토양으로부터 금속원소가 용출되고 있는 것으로 판단된다. 그러나 광물찌꺼기 적치장으로부터 약 1.6 km 떨어진 위치에서 채취한 지하수 시료에서 As의 농도가 76.2 μg/L로 농업용수 수질환경기준(As: 50 μg/L)을 초과하는 것으로 나타났다(KMoE, 2021). 지하수 환경에서는 환원조건에서 대수층에 존재하는 철광물의 환원성 용해로 인해 As의 이동도가 증가할 수 있는 것으로 알려져 있다(Yoo et al., 2020). 따라서 지하수 시료의 높은 As 농도는 조사 대상지역에서 비소의 분산특성이 지표수와 지하수 환경에서 상이할 수 있음을 보여주는 결과로 판단된다. 그러나 지하수 환경에서의 As 분산 특성을 더욱 명확하게 이해하기 위해서는 더욱 명확한 지질조사와 더 많은 지하수 시료를 확보하여 판단할 필요가 있다.

Table 3 . Heavy metals and sulfate concentration of water samples in the study area

No.Distance (m)AsCdCuPbSbZnSO42-
(㎍/L)(mg/L)
A39130.5412.8018.614.40N.D.3263.5494.68
B52420.546.914.280.98N.D.1436.7853.61
C78512.953.404.243.61N.D.655.8833.01
D6500.84N.D.2.00N.D.N.D.27.843.69
E11902.13N.D.N.D.N.D.N.D.3.796.87
F11527.760.892.17N.D.N.D.176.3317.56
G13000.72N.D.1.57N.D.N.D.11.013.73
H12778.930.772.61N.D.N.D.140.1417.67
I16101.82N.D.N.D.1.05N.D.5.516.88
J14721.15N.D.2.251.09N.D.97.578.19
K215010.21N.D.14.202.12N.D.57.5118.35
L25349.64N.D.4.022.37N.D.23.0519.70
M280010.59N.D.3.57N.D.N.D.71.0320.48

N.D.: Not determined



3.3. 토양시료의 지구화학적 오염도 평가

토양시료에 존재하는 As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn의 농도와 대상원소의 배경농도를 비교하여 채취한 토양에 대한 각 원소의 오염도를 평가하였다. 첫 번째로 대상 원소의 농축계수를 의미하는 EF를 확인한 결과 광물찌꺼기 적치장과 거리가 1 km 이내의 토양에서 As, Cd, Pb, Zn의 값이 2를 초과하는 것으로 나타났다(Fig. 3). 특히, As는 EF가 5를 초과하여 상대적으로 그 오염도가 더욱 심각한 것으로 나타났다. 그러나 1 km를 초과한 지점에서 채취한 토양시료에서는 EF가 2 이하로 나타나 일반적인 토양의 특성과 유사한 결과를 보였다. 연구대상 지역에서 잠재적인 오염원인 광물찌꺼기 적치장과 근접한 토양시료에서 더 높은 EF 값을 보이는 것은 금·은광산에서 산출될 수 있는 황화광물에 농집되어 있던 중금속 원소들이 과거 광산활동의 영향으로 주변의 토양으로 분산된 결과로 볼 수 있다. 채취한 토양시료에서 Cu는 평균 21.7 mg/kg의 농도를 보였고 다른 원소들과 동일하게 거리가 증가하면서 감소하는 경향을 보였지만, EF 결과는 일반적인 토양과 유사한 결과를 보였다. 광물찌꺼기 적치장과의 거리와 관계없이 모든 토양시료에서 유사한 농도를 보였던 Sb는 EF가 5를 초과하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 외부 요인에 의한 Sb 오염보다는 자연적인 기원으로 판단된다. 연구지역 인근에 위치한 Sb를 산출했었던 삼신광산이 연구지역과 유사한 지질특성을 나타내며, 연구지역의 광상 형성 시기와 형성된 광상의 특성을 고려하였을 때 연구지역의 광상 형성 시 Sb가 풍부했던 환경으로 추정된다.

Figure 3. Enrichment Factor (EF) of As, Cd, Cu, Pb, Sb, and Zn in the soil samples.

Igeo를 이용한 지구화학적 오염도 평가 결과는 Table 4와 같다. 각 원소의 Igeo값 역시 EF와 유사하게 광물찌꺼기 적치장과 가까울수록 상대적으로 더 큰 값을 나타냈다. 광물찌꺼기 적치장으로부터 1 km 이내의 토양에서 Igeo를 확인한 결과 As, Cd, Zn의 값이 1에 근접한 것으로 나타나 오염이 진행되었음을 보여주었다. 토양시료에서 Sb의 Igeo 값은 2를 초과하여 다른 원소에 비해 상대적으로 오염도가 높은 것으로 나타났지만 채취한 위치에 따른 결과가 매우 유사하여 외부의 요인에 의한 Sb의 오염보다는 대상지역의 자연적인 농축에 기인한 것으로 판단된다.

Table 4 . Average Igeo values of the soil samples with distance from mine tailing dam and classification

Elements< 1 km< 2 km< 3 kmIgeoSoil quality
As0.9-0.7-0.4≤0Practically uncontaminated
Cd0.50.00.00-1Uncontaminated to moderately contaminated
Cu-0.9-2.6-1.91-2Moderately contaminated
Pb0.2-0.7-0.52-3Moderately to heavily contaminated
Sb2.52.32.33-4Heavily contaminated
Zn0.80.30.54-5Heavily to extremely contaminated


토양시료에 대한 단일원소의 농축여부를 판단하는 EF와 Igeo와는 다르게 PLI는 토양에 존재하는 배경값과 비교하여 도출한 단일원소들의 오염계수(CF)를 모두 반영한 지표이다. PLI는 연구대상 지역의 복합적인 오염양상을 평가할 수 있다(Chon et al., 1998). 일반적인 토양환경 보다 상대적으로 높은 농도를 보였던 Sb를 제외하고 As, Cd, Cu, Pb, Zn을 이용하여 각각의 토양시료의 PLI를 확인하였다(Table 5). 각 중금속의 EF와 Igeo가 높았던 1 km 이내의 토양시료에서는 PLI 값 또한 2.07을 초과하는 높은 결과를 보였다. 이렇게 PLI가 높게 나타난 것은 주로 As의 농축이 가장 큰 영향을 미친 것으로 판단되며, 나머지 원소의 PLI 기여도는 유사하였다. 또한, 상대적으로 광물찌꺼기 적치장으로부터 거리가 먼 토양시료에서도 PLI가 1을 초과하는 결과를 보였는데, 이는 Zn의 높은 CF의 영향으로 판단된다.

Table 5 . Average CF and PLI values of the soil samples

DistanceCF valuesPLI
AsCdCuPbSbZn
< 1 km4.40 (4.63)*2.11 (1.92)*0.93 (0.93)*2.07 (1.32)*9.19 (3.17)*2.93 (1.35)*2.07 (1.08)*
< 2 km0.94 (0.26)*-0.32 (0.19)*0.95 (0.29)*7.67 (2.33)*1.90 (0.49)*0.67 (0.39)*
< 3 km1.20 (0.49)*-0.53 (0.41)*1.15 (0.43)*8.19 (3.77)*2.23 (0.58)*1.06 (0.35)*

(0.00)*: standard deviation



3.4. 수질시료의 지구화학적 오염도 평가

붓든광산 주변 하천수에서의 중금속 농도는 광물찌꺼기 적치장 하부에서 가장 높은 결과를 보였다. 이러한 결과는 하천수에 용해된 중금속이 광물찌꺼기 적치장 또는 인접한 토양으로부터 기인하였음을 보여주는 것으로, Jung et al.(2005)은 연구대상 지역의 광물찌꺼기가 As, Cd, Cu, Zn으로 오염되어 있음을 보고하기도 하였다. 특히, 중금속의 농도가 높게 나타나는 하천수에서 SO42-의 농도도 높게 나타나 황화광물의 풍화에 의해 중금속이 하천수로 유입되고 있는 것으로 판단된다(Table 3). 채취한 수질시료에서 As와 SO42-의 농도는 양의 상관관계를 가지고 있는 것으로 나타났으며, Cd과 Zn 또한 SO42-와 높은 상관성을 보였다(Fig. 4). SO42-의 농도가 하천수에서 높게 나타나는 것은 폐금속광산 지역에서 발생하는 광산배수의 특징과 유사하다(Park et al., 2018). 연구대상 지역의 광물찌꺼기 적치장에서부터 하천이 발달하고, 광물찌꺼지 적치장으로부터 거리가 멀어질수록 중금속과 SO42-의 농도가 감소하는 경향으로 보아, 연구대상 지역의 하천에서 나타나는 중금속 분산은 광물찌꺼기 적치장에서 발생하는 침출수에 의한 것으로 판단된다.

Figure 4. Correlations of As, Cd, Zn and SO42- in water samples.
4. 결 론

폐금·은광산 지역의 토양 및 수계에서 중금속 농도를 조사하고 각 원소의 지구화학적 오염도를 여러 지화학 지수를 이용해 평가하였다. 그리고 여러 지화학 지수를 이용한 평가를 통해 토양에서 오염이 발생한 원소의 분산 특성을 고찰하였으며, 연속성을 가지는 하천의 특징을 이용해 하천과 하천 외 수계의 중금속 및 SO42- 농도를 확인하고 원소의 분산 특성을 고찰하였다. EF, Igeo, PLI를 사용한 토양의 지구화학적 오염도 평가 결과에서 광물찌꺼기 적치장으로부터 1 km 이내의 토양이 다른 토양과 비교해 상대적으로 높은 As, Cd, Pb, Zn의 오염도를 보였으며, 수계의 지구화학적 오염도 평가 결과 연구지역 하천의 특정 지점에서 중금속 및 SO42- 농도가 급격하게 높아지는 이상점이 나타나는 것을 확인하였다. 연구대상 지역의 오염 형태를 분석한 결과 과거의 광산활동 및 광물찌꺼기 적치장에서 기원한 중금속이 주변의 토양과 수계로 분산된 것으로 판단된다. 연구대상 지역의 모든 토양시료에서는 Sb의 농도가 높게 나타났는데, 이는 인위적인 요인보다는 지질학적 특성에 기인한 결과로 판단된다. Sb를 제외하고 오염지수가 높게 나타난 토양 내 중금속은 광물찌꺼기 유실, 분진의 비산과 같은 과거의 광산 활동에 의해 오염된 것으로 판단된다. 수계에서 원소의 분산은 광물찌꺼기 적치장에서 발생한 침출수가 하천으로 유입되는 2차 오염으로 판단된다. 이 연구는 중금속으로 오염된 토양의 복원이 완료된 지역이더라도 시간이 경과 하면서 잠재적인 오염원과 거리가 가까운 지역에서 원소의 지구화학적 분산에 의해 다시 오염이 진행되고 있음을 보여준다. 따라서 복원사업을 완료한 지역이라도 이후에 나타날 수 있는 중금속 오염의 진행 여부를 파악하기 위해 토양 및 수계에서 중금속 농도 변화에 대한 지속적인 관찰이 필요하다. 또한 실제로 오염이 진행 중일 경우 오염에 대한 적절한 정화 및 예방책이 필요할 것으로 판단된다.

사 사

본 연구는 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2017R1A6A3A04008168)과 한국광해관리공단 광해방지기술개발사업의 지원을 받아 수행하였습니다.

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December 2022, 55 (6)