환경지질연구정보센터

광주지역 하상퇴적물에 대한 지질집단별 지구화학적 특성

조선대학교 자원공학과 교수 박 영 석

1. 서론

지질작용과 풍화작용 및 환경의 변화는 지표물질내의 주성분원소, 미량성분원소 및 희토류원소의 함량에 큰 영향을 미친다. 특정지역에 나타나는 원소들의 이상함량의 존재는 광상과 관련된 증거를 나타내기도 하며, 이러한 원소들의 특징을 이용한 지구화학 탐사는 광물탐사에 오래전부터 이용되어 지고 있다(전효택, 1991).
지구화학적 환경에서 주성분원소, 미량성분원소 및 희토류원소의 분산특성은 인간의 삶과 밀접한 관련이 있으며, 특히 중금속들의 이동, 분산, 부화는 암석과 광석으로부터 퇴적물, 토양 그리고 순환수를 따라 이동하며, 각각의 환경계가 자정능력을 초과할 때 유해한 물질이 부화되어 생태계에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다(Davies and Ballinger, 1990).
소규모의 1-2차 수계에 분포하는 하상퇴적물들은 상류 집수분지 내에 발달되어있는 암석과 토양으로부터 유래된 입자들이 수계를 타고 이동하여 모인 것으로, 인근지역의 지질특성을 축약하여 집약시켜 놓은 것이나 다름없고, 중금속과 미량원소를 잘 반영하고 있어, 주변 지표지질환경을 가장 잘 반영하는 대표적인 지질매체로 받아들여지고 있다(Darnley, 1990; Darnley et al., 1995; FOREGS, 1998). 하상퇴적물을 이용해 작성된 지구화학도는 각 지질단위별 자연배경치 설정과 각 원소의 분산특성에 대한 정보를 제공하며, 토양오염의 발생에 대한 정확한 평가기준치로서의 역할을 한다.
이번 연구에서는 1:50,000 광주지형도폭지역의 하상퇴적물에 대해, 1:50,000 광주지질도폭, 송정지질도폭, 기존의 연구와 야외조사를 통해 분포 면적이 넓은 대표적인 세 개의 지질집단으로 분류하여, 지질집단별 주성분원소, 미량성분원소 및 희토류원소에 대한 함량특성을 파악하고, 기존에 수행되었던 연구지역의 암석에 대한 지구화학적 특성 연구(김용준 등, 2002; 박영석 등, 1995)와도 비교하여 암석과 하상퇴적물에서의 원소들의 분산특성을 비교분석 하였다.

2. 결과 및 고찰

2.1. 하상퇴적물의 지질집단별 주성분원소 특성

화강편마암 지역에서 하상퇴적물의 시료는 11개이며, 주성분원소 함량은 SiO₂ 51.89～68.37wt.%, Al₂O₃ 13.99～21.96wt.%, Fe₂O₃ 3.74～7.35wt.%, K₂O 3.00～4.45wt.%, Na₂O 0.70～1.27wt.%, CaO 0.52～3.19wt.%, MgO 0.70～1.70wt.%, TiO₂ 0.57～0.87wt.%, MnO 0.06～0.14wt.%, P₂O₅ 0.09～0.29wt.% 이다.
화강암 지역에서 하상퇴적물의 시료는 34개이며, 주성분원소 함량은 SiO₂ 53.63～64.59wt.%, Al₂O₃ 13.19～20.77wt.%, Fe₂O₃ 4.59～9.89wt.%, K₂O 2.75～4.49wt.%, MgO 0.69～1.47wt.%, Na₂O 0.48～2.34wt.%, CaO 0.42～2.54wt.%, TiO₂ 0.53～1.01wt.%, MnO 0.05～0.69wt.%, P₂O₅ 0.06～0.29wt.% 이다.
화순안산암 지역에서 하상퇴적물의 시료는 37개이며, 주성분원소 함량은 SiO₂ 53.80～67.30wt.%, Al₂O₃ 12.91～16.19wt.%, Fe₂O₃ 3.61～9.34wt.%, K₂O 1.85～3.28wt.%, CaO 0.65～3.15wt.%, MgO 0.79～2.90wt.%, Na₂O 0.89～2.18wt.%, TiO₂ 0.76～1.32wt.%, MnO 0.07～0.17wt.%, P₂O₅ 0.12～0.35wt.% 이다.
하상퇴적물에 대한 지질집단별 주성분원소의 비교에서는 SiO₂ 평균함량은 화강암 지역 > 화순안산암 지역 > 화강편마암 순이지만 그 차이는 크지 않고, 화강편마암 지역과 화강암 지역에서는 SiO₂ 평균함량을 제외한 나머지 주성분원소의 평균함량은 거의 비슷한 값을 나타내고, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na2O, TiO₂ 평균함량은 화순안산암 지역이 화강편마암 지역이나, 화강암 지역에 비해 상대적으로 높은 값을 나타낸다.
SiO₂ 함량이 세 지역에서 모두 비슷한 값을 보이는 데, 이는 화강편마암지역과 화강암 지역에서 기계적 풍화에 강한 석영입자가 상대적으로 큰 입자로 존재하므로 100mesh(150㎛)이하의 체를 이용한 습식체질 과정에서 석영입자가 체를 통과하지 못하고 제외 되어서 안산암지역의 SiO₂ 함량과 유사한 것으로 보인다.
암석의 분화과정을 알아보기 위한 AMF삼각도에서 기존에 수행되어진 암석에 대한 연구에서는 Irvine and Baragar(1971)가 구분한 칼크-알칼리계열에 속하는 일련의 분화 산물들로 이루어져 있음을 보여준다 (김용준 등, 2002; 박영석 등, 1995). 그러나 하상퇴적물 시료에 대해서 AMF삼각도에서는, 솔레아이트 계열과 칼크-알칼리계열의 경계부위에 도시된다. 이는 암석과 하상퇴적물의 함량 비교에서, Fe₂O₃가 상대적으로 암석에서 보다 하상퇴적물에 더 많이 함유되어 있는 것과 관련이 있는 것으로 보인다.
SiO₂에 대한 K₂O+Na₂O의 비교그림에서, 암석계열을 분류하기 위하여 Irvine and Baragar(1971)의 구분선을 적용하면, 광주지역의 하상퇴적물은 암석에서와 같이 subalkaline 계열에 점시 된다.

2.2. 하상퇴적물의 지질집단별 미량원소 및 희토류원소 특성

화강편마암 지역에서 미량성분원소 함량은 Ba 1160～2170ppm, Be 1.1～1.9ppm, Cu 13～ 79ppm, Nb 21～33ppm, Ni 10～50ppm, Pb 17～27ppm, Sr 84～195ppm, V 42～109ppm, Zr 49～ 118ppm, Li 19～47ppm, Co 5.0～17.8ppm, Cr 31～131ppm, Cs 5.6～8.0ppm, Hf 7.0～27.6ppm, Rb 135～202ppm, Sb 0.2～1.2ppm, Sc 7.8～16.3ppm, Zn 67～258ppm, Pa 14.7～68.8ppm이고, 희토류원소인 Ce, Eu, Yb 함량은 각각 108～272ppm, 1.3～2.1ppm, 1.6～6.0ppm이다.
화강암 지역에서 미량성분원소 함량은 Ba 960～2050ppm, Be 1.1～2.4ppm, Cu 14～50ppm, Nb 20～33ppm, Ni 11～33ppm, Pb 19～30ppm, Sr 70～1025ppm, V 51～100ppm, Zr 45～ 142ppm, Li 20～51ppm, Co 7.9～19.3ppm, Cr 39～84ppm, Cs 4.0～10.7pm, Hf 8.9～21.9ppm, Rb 79～171ppm, Sb 0.2～1.0ppm, Sc 9～15ppm, Zn 52～389ppm, Pa 16.4～42.6ppm이고, 희토류원소인 Ce, Eu, Yb 함량은 각각 95～192ppm, 1.1～2.0ppm, 1.7～3.7ppm이다.
화순안산암 지역에서 미량성분원소 함량은 Ba 600～1770ppm, Be 1.0～2.3ppm, Cu 17～ 60ppm, Nb 26～34ppm, Ni 14～30ppm, Pb 17～22ppm, Sr 97～304ppm, V 44～135ppm, Zr 76 ～171ppm, Li 24～77ppm, Co 8.1～19.2ppm, Cr 36～111ppm, Cs 3.1～17.6ppm, Hf 5.2～ 14.6ppm, Rb 38～148ppm, Sb 0.2～0.8ppm, Sc 10～17ppm, Zn 56～192ppm, Pa 8.8～17.9ppm이고, 희토류원소인 Ce, Eu, Yb 함량은 각각 80～124ppm, 1.5～2.7ppm, 0.9～3.1ppm이다.
Ba, Co, Cr, Hf, Rb, Zn, Pa, Ce, Yb 함량의 중앙값은 화강편마암 지역이 다른 두 지질집단 지역보다 높고, Sr, V, Zr 함량의 중앙값은 화순안산암 지역이 다른 지질집단 지역보다 높으며, Be, Cu, Nb, Ni, Pb, Li, Cs, Sb, Sc, Eu 함량의 중앙값은 세 지질집단에서 비슷한 값을 보인다.

2.3. 유해원소의 특성

유해원소의 과다농집과 이상결핍지역은, Cu는 화강편마암 지역의 KJ-26, 27, 28, 29, 30(광주광역시 광산구 운수동 부근)에서 상대적으로 높은 45～78ppm을 나타내, 이 지역이 어등산 자락으로 1990년대 초까지 수 십 년 동안 군사격장으로 운용되어온 결과로 오염되었을 가능성이 높다. Co는 화강편마암 지역인 KJ-93(화순군 동구리 지역)에서 5ppm으로 심하게 결핍되어 있어 이 지역에 대해서는 추후 토양에 대한 정밀재조사가 필요한 것으로 생각된다. Zn은 KJ-29(광산구 운수동), KJ-104(화순군 한천면 가암리), KJ-90(화순읍 십곡리)에서 상대적으로 높은 258ppm, 389ppm, 192ppm을 보이지만 Zn이상대와 관련된 Co, Cr, Rb과 같은 원소에서는 뚜렷하게 높은 함량을 보이는 정(+)의 상관관계를 보이지 않는다.

3. 참고문헌

1. 김용준, 박재봉, 박병규 (2002) 무등산 지역에 분포하는 화성암류의 암석화학. 암석학회지, vol. 11. no.3-4, p. 214-233.
2. 박영석, 노영배, 이창신 (1995) 광주-나주 지역에 분포하는 화강암류에 대한 Rb-Sr 동위 원소 연구. 한국지구과학회지, 16권 제3호, p. 247-261.
3. 전효택 (1991) 광물탐사를 위한 암석지구화학. 기전연구사, p. 23.
4. Darnley, A. G. (1990) International geochemical mapping: a new global project. Journal of Geochemical Exploration, vol. 39, p. 1-14.
5. Darnley, A. G., Bjorklund, A., Bolviken, B., Gustavsson, N., Koval, P.V., Plant, K.A., Steenfelt, A., Tauchid, M., Xie Xuejing, Garrett, R.G. and Hall, G.E.M. (1995) A Global Geochemical Database for Environmental and Resource Management-Recommendations for International Geochemical Mapping.: Final Report of IGCP Project 259, Earth Sciences 19, UNESCO Publishing, p. 122.
6. Davis, B. D. and Ballinger, R. C. (1990) Heavy metal soils in north Somerset, England, with special reference to contamination from base metal mining in the Mendips. Environ Geochem. Health, v.12, p. 291-300.
7. FOREGS (Forum of European Geological Surveys) (1998) FOREGS Geochemical mapping field manual. Geological Survey of Filand Guide 47, p. 1-36.
   8. Irvine, T.N. and Baragar, W.R.B., (1971) A guide to chemical classification of the common igneous rocks. Can. Jour. Earth Sci., v.8, p. 523-548.

* 위 본문의 내용은 2005년 10월 논문게재예정임.