[논문]동해 남부 해역 퇴적물에서 Pb동위원소를 이용한 Pb의 기원 추적 연구

최만식; 정창식; 한정희; 박계헌

동해 남부 해역 퇴적물에서 Pb동위원소를 이용한 Pb의 기원 추적 연구
Distribution and Sources of Pb in Southern East/Japan Sea Sediments using Pb isotopes 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.39 no.1, 2006년, pp.63 - 74

최만식 (충남대학교 지구환경과학부) , 정창식 (한국기초과학지원연구원 동위원소 연구부) , 한정희 (한국기초과학지원연구원 동위원소 연구부) , 박계헌 (부경대학교 환경지질과학과)

초록
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동해 남부 대륙붕 및 대륙사면 퇴적물에서 Pb의 분포 및 기원을 규명하기 위하여 6개의 박스형 시추 퇴적물을 대상으로 Pb 농도 및 Pb 동위원소 분석을 실시하였다. Pb 농도 및 $^{207}Pb/^{206}Pb$ 과 $^{208}Pb/^{206}Pb$ 비율은 1700년에서 1930년까지는 각각 $25\pm5ppm$ 및 0.842와 2.092의 일정한 값을 보였으나 그 후로 증가하여 1990년대 초에는 $40\pm5ppm$ 및 0.867과 2.123이 되었다. 총 Pb에서의 농도 및 동위원소 비율 증가는 환경 가용 Pb(2M HCl+0.5M $HNO_3$ 용출 부분)에서의 변화에 의해 주도되었고 잔류 부분에서는 같은 기간 동안 변화가 거의 없었다. Pb농도의 역수와 Pb동위원소 비율은 양호한 직선의 관계성을 보여 연구지역 퇴적물에서 Pb은 자연적 기원의 Pb라 인위적 기원의 Pb이 혼합되어 있음을 이성분 모델을 이용하여 제시되었다. Pb동위원소 비율을 이용하여 연구 지역에 공급되는 인위적 기원의 Pb은 두 가지 종류로 제한할 수 있었는데 하나는 대기 분진에서의 Pb이 해양에 유입되고 퇴적물의 이동과 함께 연구 지역에 축적되는 방법이고 다른 하나는 연구 지역의 해안에 위치하는 대규모 제철소 및 Pb 제련소의 영향이다. 인위적 기원 Pb의 동위원소 비율은 1950년대 전에는 $^{207}Pb/^{206}Pb$과 $^{208}Pb/^{206}Pb$에 대하여 가각 $0.879\pm0.005$ 및 $2.144\pm0.008$이었으나 1980년대 후에는 $0.900\pm0.008$ 및 $2.162\pm0.011$으로 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to identify the Pb pollution and its sources in continental shelf and slope areas, Pb concentration and Pb isotope ratios ($^{207}Pb/^{206}Pb\;and\;^{208}Pb/^{206}Pb$) were determined far 6 box corer sediments collected from the southern East/japan Sea. Pb concentration, and $^{207}Pb/^{206}Pb\;and\;^{208}Pb/^{206}Pb$ ratios were constant at around $25\pm5 ppm$ and 0.842 and 2.092 from 1700 to 1930 year, respectively and increased steadily up to $40\pm5 ppm$ and 0.867 and 2.123 at the beginning of 1990s', respectively. The increase of concentration and isotope ratios in the labile fraction (leached by 2M HC1+0.5M $HNO_3$) explains their increase in bulk sediments, while Pb concentration and isotope ratios in the residual fraction were nearly constant during 300yrs. Temporal variation of Pb isotope ratios was explained by simple two end-members mixing of geo-genic and anthropogenic sources because isotope ratios and the inverse of Pb concentration showed the good linear relationships. Using Pb isotope ratios, we can constrain two Pb sources in the study area. The one is atmospheric particulates, compared with mean values of isotope ratios in atmospheric particulates collected at Jeju and Oki ;stands, based on the history of Pb emmission in Korea and China, and judged by oceanographic processes capable of homogenizing many sources. The other is local sources related to iron mills, refineries of Pb ore and of petroleum located at the coast of the study area. Isotope ratios of anthropogenic Pb can be estimated using two end-members mixing equation and were $0.879\pm0.005\;and\;2.144\pm0.008$ before 1950s' while they increased up to $0.900\pm0.008\;and\;2.162\pm0.011$ after 1980s', respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 세립퇴적물이 퇴적되는 동해 남부 해역에서 최근 수백 년 동안의 Pb 농도 변화를 살펴보고, Pb 동위원소비율로부터 Pb의 기원을 추정하려고 한다.

가설 설정

따라서 대기에서 직접적으로 연구지역에 공급되는 인위적 Pb으로는 연구지역 퇴적물에서의 인위 적 Pb 축적률을 설명할 수 없다. 더군다나 위의 동위원 소 비율에서 언급하였듯이 대기 분진의 일부만 퇴적물에 기여하였다면 대기에 의한 유효 침적률은 위에서 추정된 것의 l/4(Pb 농도 가중 평균 용해도 25% 가정)에 해당할 것이다. 이를 설명하기 위해서는 추가적인 연구가 있어야 하겠지만 가능한 방법은 우선 연구지역 퇴적물이 대한해협을 통과하여 남쪽에서 공급된 것이므로 다른 해역에 침적되어 용해된 대기 기원 이 이동되는 퇴적물에 의해 제거되어 연구지역에 축적되었을 가능성이 있다.

제안 방법

A1은 한국기초과학지원연구원의 유도결합플라즈마 분광분석기 QCP/AES; ICPS-lOOOin 모델, SHIMADZU)로 측정하였으며, Pbe 유도결합플라즈마 질량분석기OCP/MS; PQ3 모델, VG Elemental)로 분석하였다.
Pb 동위원소 비율은 한국기초과학지원연구원의 열이 온화 질량분석기 (TIMS; VG-54 모델, VG)로 측정하였는데 이를 위해 위에서 용출 및 산분해한 용액을 건조시킨 후 IN HBr용액 1.5mZ로 금속을 추출하고 원심 분리하여 잔류 고체를 없애며 음이온 교환수지 (AGL X8) 컬럼화학에 의해 Pb을 분리하였다. 분리한 시료의 Pb 순도를 높이기 위하여 분리과정을 2회 실시하였다.
(2000)과 같다. 간단히 요약하면, 수환경에서 가용한Pbe 시료 0.2 g에 2M HCl+0.5M HN03 용액 20ml로 상온에서 24시간 동안 용출한 부분으로 하였고 잔류 부분 및 총 Pbe 혼합산 (HF+HNO3+HClO4) 으로 산 분해한 후 증발 건조하고 1% 질산 용액으로 추출하여 분석하였다.
자연 상태의 경우 1910년 전의 Pb 농도 및 동위원소 비율을 평균하여 사용하였다. 그리고 인위적 기원의 Pb 농도는 각 층의 Pb 농도에서 자연 상태의 Pb 농도를 제외하는, 방법으로 계산하였다. 총 Pb 및 환경가용 Pb에서 계산한 인위적 기원의 Pb 동위원소 비율을 다른 광상들의 자료와 함께 Fig.
이 연구에서는 전체 6개 주상 시료의 깊이별 부 시료에 대하여 A1 및 Pb 농도를 분석하였고, S1107시료 에 대해서는 Pb 동위원소도 함께 분석하였다. 그리고 일부 시료에 대하여 퇴적물에 존재하는 Pb을 두 부분(용출부분 및 잔류 부분)으로 나누어 Pb 농도 및 Pb 동위원소 분석을 하였다. 총 Pb 및 존재 형태별 Pb 농도 분석을 위한 전처리 및 기기 분석은 Kim et al.
동해 남부해역에서 채취된 6개의 주상 퇴적물 시료에서 총 Pb 농도 및 존재 형태별 Pb 농도와 각각에 대한 Pb 동위원소를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻 었다.
동해 남부 해역에서 채취한 주상 시료에서 얻어진 A1 및 Pb 농도, 존재 형태별 Pb 농도 및 Pb 동위원소 자료를 Table 2에 요약하였다. 또한 각 주상시료의 구간별 퇴적률 자료(Eble 1)를 이용하여 계산한 각 층의 연대를 표에 함께 표시하였다.
주 상시료는 박스형 시추기에서 아크릴 파이프를 이용하여 부분 채취한 후 실험실에서 2cm 간격으로 시료를 분할하였다. 모든 퇴적물 시료는 건조기에서 말린 후 아게이트 모르타르를 사용하여 분말화하고 분석 전까지 보관하였다. 각 주상시료의 지점 및 해양환경적 특성을 Table 1에 요약하였다.
5mZ로 금속을 추출하고 원심 분리하여 잔류 고체를 없애며 음이온 교환수지 (AGL X8) 컬럼화학에 의해 Pb을 분리하였다. 분리한 시료의 Pb 순도를 높이기 위하여 분리과정을 2회 실시하였다.이 용액을 건조시킨 후 1~2방울의 질산과 과염소산으로 찌꺼기를 완전히 녹인 후 이를 건조시키고 묽은 인산 1~2 방울로 Pb을 용출하였다.
이 연구에서는 전체 6개 주상 시료의 깊이별 부 시료에 대하여 A1 및 Pb 농도를 분석하였고, S1107시료 에 대해서는 Pb 동위원소도 함께 분석하였다. 그리고 일부 시료에 대하여 퇴적물에 존재하는 Pb을 두 부분(용출부분 및 잔류 부분)으로 나누어 Pb 농도 및 Pb 동위원소 분석을 하였다.
환경가용 Pb 중 인위적 기원 Pb의 축적률을 추정 하였다. 인위적 기원 Pbe 총 Pb 농도 시료 및 환경가용 Pb 농도시료 모두에서 계산하였는데 1910년 이전의 값을 제외한 값으로 하였고 여기에 각 시료의 퇴적률과 건조 총 밀도(dry bulk density)를 곱하여 축적률을 추정하였다. 이를 식으로 표시하면 아래와 같다.
1). 주 상시료는 박스형 시추기에서 아크릴 파이프를 이용하여 부분 채취한 후 실험실에서 2cm 간격으로 시료를 분할하였다. 모든 퇴적물 시료는 건조기에서 말린 후 아게이트 모르타르를 사용하여 분말화하고 분석 전까지 보관하였다.

대상 데이터

동해 남부 해역에서 채취한 주상 시료에서 얻어진 A1 및 Pb 농도, 존재 형태별 Pb 농도 및 Pb 동위원소 자료를 Table 2에 요약하였다. 또한 각 주상시료의 구간별 퇴적률 자료(Eble 1)를 이용하여 계산한 각 층의 연대를 표에 함께 표시하였다.
본 연구에 사용된 퇴적물 시료는 박스형 시추기를 이용한 주상시료이고 1993년 해양연구소 해양환경도 작성연구의 일환으로 채취된 것의 일부이다(Fig. 1). 주 상시료는 박스형 시추기에서 아크릴 파이프를 이용하여 부분 채취한 후 실험실에서 2cm 간격으로 시료를 분할하였다.
여기서 me 실제 시료에서 측정된 농도 및 비율이고 ne 자연상태 그리고 a는 인위적 기원을 나타낸다. 자연 상태의 경우 1910년 전의 Pb 농도 및 동위원소 비율을 평균하여 사용하였다. 그리고 인위적 기원의 Pb 농도는 각 층의 Pb 농도에서 자연 상태의 Pb 농도를 제외하는, 방법으로 계산하였다.
주상 시료의 연령은 210Pbex 및 137Cs 법에 의해 측정된 퇴적률 (sedimentation rate) 자료를 이용하여 계산되었는데 퇴적률은 기초과학지원연구소(1995)의 자료를 이용하였다(Eble 1).

데이터처리

인산 용액으로 취한 Pb을 실리카겔과 혼합하여 Re 리본에 얹고 건조시킨 후 질량 분석기의 시료 주입구에 넣었다. 동위원소 비율은 모두 40번측정하여 평균 값을 계산하여 사용하였다. 질량 분석기의 질량변이를 보정하기 위하여 NBS 981을 한번 실험에 두개씩 측정하였는데 질량변이 계수는 #비에 대해 1.

성능/효과

잔류 부분 및 환경가용 Pb 농도가 1883년부터 약 50년간 일정한 수준이었고 그 후로도 잔류 부분의 농도가 전혀 변화하지 않은 점은 Pb을 함유하는 자연적 기원의 입자 종류는 연구지역에서 그동안 변화하지 않은 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서 얻어진 환경가용 Pb이 모두 오염에 의한 영향은 아니고 환경가용 Pb 중 1930년대부터 증가된 부분만 인간 활동에 의한 영향으로 판단되며, 시료 채취 시점에서 증가된 Pbe 약 15 ppm 정도로 환경가용 부분이 약 2배 증가하였다.
주상 시료의 Pb 농도는 함수율을 고려하고 이 지역 해수의 염분을 34%로 하여 염분을 보정한 것이다. 총 Pb, 환경 가용 Pb 농도와 Pb/Al 비율은 6 개 지점 모두에서 상부로가면서 모두 증가하는 모양을 보이고 특히 1970년대 이후에 급격한 증가를 보인다. 연대에 따른 Pb 농도 변화를 연구 지역 전체에 대해살펴보면(Fig.

후속연구

그렇지만 상대적으로 작은 용해도와 존재 형태별로 기원이 다를 수 있고, 용해 및 제거는 위에서의 균질화 과정이 될 수 있으므로 대기 분진에 의한 인위적 Pb 공급을 완전히 배제할 수는 없다. 앞으로 해수에 용해되는 부분의 Pb 동위원소 비율에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
(Nriagu and Pacyna, 1988). 이들 각각에 대한 Pb 동위원소 자료는 없어 구체적인 Pb의 기원을 밝힐 수 는'없지만 연료 사용량, Pb 광상 생산 및 수입량의 연도별 변화로부터 유추가 가능할 것이다. 즉, 대기의 Pb 오염원 중 가장 크리라 예상되는 유연 휘발류의 사용이 한국에서는 1988년 규제되어 1992년 전면 금지된 반면 중국에서는 1997년 금지되었다 (Wang et al.
더군다나 위의 동위원 소 비율에서 언급하였듯이 대기 분진의 일부만 퇴적물에 기여하였다면 대기에 의한 유효 침적률은 위에서 추정된 것의 l/4(Pb 농도 가중 평균 용해도 25% 가정)에 해당할 것이다. 이를 설명하기 위해서는 추가적인 연구가 있어야 하겠지만 가능한 방법은 우선 연구지역 퇴적물이 대한해협을 통과하여 남쪽에서 공급된 것이므로 다른 해역에 침적되어 용해된 대기 기원 이 이동되는 퇴적물에 의해 제거되어 연구지역에 축적되었을 가능성이 있다. 이와 같은 경우에는 연구지역의 40배 정도 되는 해역에서 대기를 통해 침적되는 Pb을 모두 연구지역에 축적하는 것으로 먼 거리를 이동하는 동안 잘 .

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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