호남탄전지역 폐탄광의 산성광산 배수와 하상퇴적물에 대한 환경지구화학적인 연구
박영석, 이기형, 김진, 김종균, 장우석, 한민수
광산활동과 광산활동 후의 환경적인 문제들에 대한 대중적인 인식이 증가되어 오고있는데, 폐탄광과 관련되어 가장 문제가 대두되는 것들은 산성광산배수의 발생과 주변 하상퇴적물들에 중금속의 흡착 및 탄광주변 수계에서 쉽게 발견되는 철산화물인 황색침전물과 백색침전물의 발생들이다. 탄광의 가행은 황철석과 같은 황화광물들이 황산을 형성하는 일련의 산화와 가수분해 반응들을 야기하는 산소와 물에 노출되게 된다. 이들 반응들은 특히 Thiobacillus ferrooxidans의 박테리아에 의해 촉매되어진다(Wildeman, 1991). 전형적인 산성광산배수는 pH 2∼4와 같은 낮은 값을 갖고, SO42-, Fe2+, Al3+, 그리고 Mn2+ 이온들의 농도가 높다. 특히 산성광산배수가 배출되는 지역은 pH의 변화와 철이온들의 농도에 의해 매우 다양한 종류의 2차광물들이 형성 될 수 있다. 또한 산성광산배수와 밀접한 관계가 있는 황토색(ocherous)의 침전물인 yellowboy는 환경의 시각적인 미에도 다양하게 영향을 미치게 되며(Michare, 1995), 황철석은 산성광산배수의 발생과 가장 밀접한 관계가 있는 중요한 광물인데, 황철석의 분해는 결정도, 입도 그리고 반응성과 같은 그들의 형태적인 요인들에 의해 영향을 받는데, 특정한 결정질 형태는 비정질 형태보다 풍황화 산화에 지배를 덜 받는 것으로 알려져 있다.
연구지역의 석탄광산들은 과거 대량의 생산실적이 있던 곳이나 현재는 모두 폐광된 상태이다. 연구지역의 지질은 석탄기-페름기(?)의 변성퇴적암류, 시대미상의 화강암질 편마암, 백악기의 응회암류 그리고 제4기의 충적층등으로 구성되어 있다.
변성퇴적암류는 하부로부터 용암산층, 오음리층, 함탄층 그리고 천운산층으로 구성되어 있는데, 이들은 배사구조에 의해 용암산층을 중심으로 대칭적으로 분포하고 있으며 용암산층과 오음리층을 제외하고는 모두 부정합적인 관계를 보이고 있다.
연구지역의 시료채취는 호남탄전지역의 화순군에 위치한 구 삼흥탄광, 구 삼성탄광, 구 복룡탄광, 구 운남탄광, 구 전남탄광, 구 삼정탄광 그리고 보성군에 위치한 구 명봉탄광, 강진군에 위치한 구 작천탄광 지역에서 배출되는 하천수를 대상으로 58개의 하천수시료를 채취하였으며, 이들 하천을 따라 yellowboy라 불리는 황색침전물과 백색침전물을 대상으로 23개의 하상퇴적물 시료를 채취하였다.
모든 물 시료들은 현장에서 수소이온농도(pH), 산화환원전위(Eh), 온도, 용존산소량(Do), 전기전도도(EC), 총고용물질(TDS), 염도등의 물리적 특성을 측정하였고, 양이온분석을 위해 pore size 0.45㎛ cellulose membrane filter를 이용하여 부유물질을 제거하여 채취하였으며, 분석을 하기전까지 4℃이하로 냉장보관 하였다. 하상퇴적물 시료는 상층수 아래에서 0∼5cm의 표층부를 모종삽을 이용하여 채취한 다음, 비닐팩을 이용 밀봉하여 보관하였다.
연구지역의 하상퇴적물 21개 시료들에 대한 pH측정결과 전체적으로 2.01∼6.75의 범위를 보여주며, 평균값은 4.37이었고, Eh는 -62∼ 215mV, EC는 0.205∼146, DO는 0.03∼109.2, TDS는 10.96∼1420㎎/ℓ, Conductivity는 2.79∼1603ms, Salinity는 0∼1.5NaCl%, 그리고 비저항은 0.234∼255의 범위를 갖는다.
연구지역 폐탄광의 산성배수에서 pH와 Eh는 명확한 부의 상관성을 보이나 온도와 EC는 특별한 상관성을 보이지 않는다. 이는 각각의 수계를 이루고 있는 모암과 유량의 차이에 의한 것으로 추정할 수 있으며, 또한 수계의 침전물과도 관련이 있을 것으로 사료된다.
X-선회절분석 결과 연구지역의 하상퇴적물 중 황색침전물의 경우 대부분 결정화도가 낮아 광물의 동정이 이루어지지 않았지만, 일부 결정화도가 비교적 좋은 황색침전물 시료들을 선정하여 X-선회절분석을 실시한 결과 대부분 석영, 일라이트, 녹니석, 몬모리로나이트등이 공통적으로 동정이 이루어졌고, 일부 시료들에서 침철석, 미사장석, Ca사장석등이 동정되었으며, 이들은 대부분의 철수산화물이 비교적 낮은 온도(300℃)에서 탈수작용에 의해 적철석으로 전이되었다고 사료된다.
X-선회절분석을 토대로 주사전자현미경을 이용하여 측정한 결과 Al, Si, Fe, K원소들이 존재하고 있음을 알 수 있었다.
연구지역의 K이온은 0.234∼2.942(mg/L)의 범위를 보이고 있으며, 주로 K장석이나 운모류의 용해로부터 유래된 것으로 사료되고, Mg이온은 2.965∼70.555(mg/L)로 비교적 높은 함량을 보이는데, 이는 주변의 암석들이 상대적으로 풍부한 Mg를 함유한 광물(각섬석, 흑운모, 녹니석등)들이 많아, 이들 광물에서 용해되어 하천수에 함량이 높은 것으로 판단된다.
Ca이온은 방해석, 석고, 사장석, 각섬석, 휘석, 녹염석, 녹니석등의 용해에 의해 기인하며 5.356∼71.889 (mg/L)의 범위를 보이고, Al이온은 0.01∼0.47(mg/L), Fe이온은 0.013∼0.872(mg/L), Mn이온은 0.288∼4.118(mg/L), Na이온은 5.456∼15.428(mg/L)의 범위를 보여준다. 음이온 원소중 Cl-는 11.105∼12.08(mg/L), NO3-이온은 4.402∼5.162(mg/L), SO42-이온은 66.815∼309.56(mg/L), HCO3-이온은 12.51∼70.75(mg/L)범위를 보인다.
연구지역 하천수들의 특성을 반영하는 물리적 특성, 물-암석 반응으로 용해되기 쉬운 대표적인 이온 및 오염의 지표로 사용될 수 있는 분석치를 선택하여 수문지구화학적인 특성을 검토한 결과, pH가 증가함에 따라 Eh는 감소하는 경향을 보이며, TDS와 EC관계는 거의 비례관계를 가지고 있다. 또한 pH가 증가함에 따라 SO4+HCO3 그리고 Ca+Mg는 양의관계를 보이고 있다. 그러나 NO3+Cl은 대부분 변화의 영향을 보이지 않는다. 또한 pH와 HCO3/음이온 총량의 관계는 양의 관계를 보이고 있으며TDS와 Na(Na+Ca) 및 K/Na는 음의 관계를 가지고 있다. 따라서 연구지역의 하천수는 꾸준히 오염이 진행되고 있으며, 기반암과 충분한 교환반응을 갖지 못하고 부분적으로 공급이 이루어지는 강수와 소규모 하천수에 의해 희석되고 있음을 보이는 것으로 해석될 수 있다.
연구지역내의 하상퇴적물 시료에 대한 Cd, Cu, Pb, Zn, Fe원소들의 분석결과 Fe의 경우 22575∼34713ppm, Zn의 경우 41.66∼970.3ppm, Cd의 경우 0.52∼52.07ppm, Cu의 경우 1.25∼198.50ppm, 그리고 Pb의 경우 0.43∼77.35ppm의 범위를 보여, 연구지역내 거의 모든 수계의 하상퇴적물에서 중금속원소들이 부화되어 있으므로 폐탄광의 산성광산배수가 본 연구지역에서 중금속 오염원임을 알 수 있다(mg/L).
※ 연구논문 본문은 2001년 8월 학회지에 게재 예정임.