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문제 정의
- 또한 수계에 직접 노출되어 있어 중금속의 유출 가능성 및 이로 인한 생태계에 미치는 영향도 클 것으로 사료되며 이에 따른 풍화 광물의 중요성도 크다고 할 수 있다. 따라서 본 연구는 경상북도 봉화 일대 낙동강변에 퇴적되어 풍화된 광미를 대상으로 풍화광물의 감정 및 특성 파악을 위하여 다양한 광물학적 연구가 실시되었으며 이를 통한 풍화과정 및 중금속의 거동에 미치는 영향 등을 파악하고자 한다.
- 기존의 연구들은 주로 휴 . 폐광산 주변에 방치된 광미나 폐석의 광물화학적 특성과 이들이 환경에 미치는 영향에 중점을 두고 수행되었다. 그러나 이러한 광물의 풍화가 많이 진전된 상태에서 이들의 중금속 거동에 미치는 영향은 거의 수행되지 않았다.
제안 방법
- 존재하는 광물종을 동정하였다. 30개의 시료에 대하여 60C에서 24시간 건조시켜 20 5-범위 내에서 기초과학지원연구원 대구분60C의소에서 CuKa 파장으로 X-선 회절분석 (PhillipsXPERT APT)을 실시하였고 일부 철 광물 및 결정도가 낮은 광물의 정확한 광물 동정을 위하여 각 색깔 및 조직 등을 대표하는 시료 7개를 60C에서 24시간 건조시켜 강원대학교 산업광물은행의 분말 X-선 회절분석기(Bruker, D5005)를 이용하여 분석하였다. CoKa 파장을 사용하였으며 5~60C의 20 범위에서 측정하였고 주사간격은 0.
- 이용한 화학분석을 실시하였다. Point 1 시료 중 1-5 시료에 대해서는 추가적으로 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 분석과 에너지 분산형 X-선측정(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) 분석을 실시하였다.
- 2. X-ray diffraction patterns of weathered tailings samples using CoKa (Ch: chlorite, M: mica, T: talc, K: kaolinite, Q: quartz, F: feldspar, P (J): pyroxene (johannsenite), G: goethite, A: amphibole, Gy: gypsum, Ja: jarosite).
- 본 연구를 위하여 시료채취를 한 7개의 장소에서 대표적인 시료들을 채취하였다(그림 1). 각 시료들은 원래의 층상 구조를 유지하기 위하여 삽을 이용해 무리한 힘을 가하지 않은 상태에서 채취한 후 습도 등을 가능한 원래상태로 유지시키기 위해 시료를 비닐백에 담아 운반하였다. 각 채취 지역에서의 시료는 색깔이나 입자크기 등의 특징에 따라 실험실에서 추가적으로 33개의 시료로 세분하였다.
- 광물 풍화에 따른 산도 변화 및 이에 따른 광물 종과의 관계를 알아보기 위하여 채취한 시료의 pH를 측정하였다. 이를 위해 20 mL 비커에 증류수과 시료를 5 : 1의 비율로(각, 12.
- 광물종과 연관된 광미의 화학 조성을 알기 위하여 경북대학교 지질학과 내XRF 분석기 (Phillips1404/10)를 이용하여 7개의 대표 시료에 대하여 화학분석을 실시하였다.
- 본 연구와 관련된 실험을 위해 7개의 지점에서 채취한 30개 시료에 대하여 대표 시료들에 대하여 pH 측정과 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석을 실시하였으며 색, 조직 등 전체적으로 산출되는 시료의 양상을 대표할 수 있는 시료 7개를 선정하여 X-선 형광분석기 (X-ray florescence, XRF)를 이용한 화학분석을 실시하였다. Point 1 시료 중 1-5 시료에 대해서는 추가적으로 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 분석과 에너지 분산형 X-선측정(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) 분석을 실시하였다.
- 본 시료는 실체현미경 관찰시 검은색 광물과 갈색의 광물을 모두 포함하고 있어 전체적인 풍화산물의 특징을 효율적으로 관찰할 수 있을 것으로 판단하여 SEM 연구 대상으로 선정하였다. 선택된 시료는 60C에서 24시간 건조시킨후 백금 코팅을 하였고 최소 350배에서 최대 10, 000배로 확대, 관찰하였다.
- 실제 철과 망간의 존재형태에 대하여 좀더 자세한 정보를 얻기 위하여 비교적 철과 망간이 많은 point 1 시료(1-5)에 대하여 SEM/EDS 분석을 실시하였다. 전체적으로 일차광물인 석영 등의 광물의 표면에 풍화에 의하여 형성된 결정도가 낮거나 비정질의 이차광물들이 코팅된 형태로 철과 망간의 산화물들은 존재하는 것으로 나타났다.
- 이는 본 조사지역인 봉화 일대에 화강암이 관입하여 생성된 열수광상과 스카른 광상이 가행후 폐광되어 방치된 광미들이 과거 홍수 등에 의하여 수계를 따라 이동되어 하천변에 퇴적되어 풍화된 것으로 여겨진다. 이러한 풍화된 광미의 광물 분석을 위하여 XRD, XRF, SEM 분석이 수행되었다. 풍화된 광미시료는 전체적으로 규산염광물인 석영, 장석, 운모류, 녹니석, 각섬석류, 활석, 캐올리나이트, 휘석, 산화-수산화광물인 침 철석, 황산염광물의 석고, 바사나이트, 자로사이트, 황화광물인 황철석, 그리고 탄산염광물인 방해석이 동정되었다.
- 종과의 관계를 알아보기 위하여 채취한 시료의 pH를 측정하였다. 이를 위해 20 mL 비커에 증류수과 시료를 5 : 1의 비율로(각, 12.5 g, 2.5 g 정도) 섞은 뒤 진동기로 30분간 흔들고 24시간 후 용액을 유리막대로 저은 후 pH미터기(Orion 420 A)를 이용하여 측정하였다.
- 존재하는 광물 종 및 풍화에 따른 광물 변화를 알아보기 위하여 XRD 분석을 통하여 풍화된 광미에 존재하는 광물종을 동정하였다. 30개의 시료에 대하여 60C에서 24시간 건조시켜 20 5-범위 내에서 기초과학지원연구원 대구분60C의소에서 CuKa 파장으로 X-선 회절분석 (PhillipsXPERT APT)을 실시하였고 일부 철 광물 및 결정도가 낮은 광물의 정확한 광물 동정을 위하여 각 색깔 및 조직 등을 대표하는 시료 7개를 60C에서 24시간 건조시켜 강원대학교 산업광물은행의 분말 X-선 회절분석기(Bruker, D5005)를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 30개의 시료에 대하여 60C에서 24시간 건조시켜 20 5-범위 내에서 기초과학지원연구원 대구분60C의소에서 CuKa 파장으로 X-선 회절분석 (PhillipsXPERT APT)을 실시하였고 일부 철 광물 및 결정도가 낮은 광물의 정확한 광물 동정을 위하여 각 색깔 및 조직 등을 대표하는 시료 7개를 60C에서 24시간 건조시켜 강원대학교 산업광물은행의 분말 X-선 회절분석기(Bruker, D5005)를 이용하여 분석하였다. CoKa 파장을 사용하였으며 5~60C의 20 범위에서 측정하였고 주사간격은 0.04C, 주사속도는 8 sec/0.04C이다.
- 각 시료들은 원래의 층상 구조를 유지하기 위하여 삽을 이용해 무리한 힘을 가하지 않은 상태에서 채취한 후 습도 등을 가능한 원래상태로 유지시키기 위해 시료를 비닐백에 담아 운반하였다. 각 채취 지역에서의 시료는 색깔이나 입자크기 등의 특징에 따라 실험실에서 추가적으로 33개의 시료로 세분하였다. 각 시료 채취 지점의 광미 풍화물의 특성은 표 1에 정리하였다.
- 구성광물 중 1차광물의 조직, 풍화형태 그리고 여기에 침전된 2차광물의 형성조직 및 성분 특성 등을 파악하기 위하여 경북대학교 기초과학연구원 대구분소의 SEM(Hitachi S-4200)과 EDS를 이용하였다. 이는 XRD에서 동정된 광물의 특징적인 모습을 볼 뿐만 아니라 동정되지 않은 광물의 존재까지 확인하기 위함이다.
- 이를 위해 point 1 지점에서 채취한(시료 1-5) 검은색 시료를 사용하였다. 본 시료는 실체현미경 관찰시 검은색 광물과 갈색의 광물을 모두 포함하고 있어 전체적인 풍화산물의 특징을 효율적으로 관찰할 수 있을 것으로 판단하여 SEM 연구 대상으로 선정하였다. 선택된 시료는 60C에서 24시간 건조시킨후 백금 코팅을 하였고 최소 350배에서 최대 10, 000배로 확대, 관찰하였다.
- 일부의 경우 이들 층은 교호되어 나타난다. 본 연구를 위하여 시료채취를 한 7개의 장소에서 대표적인 시료들을 채취하였다(그림 1). 각 시료들은 원래의 층상 구조를 유지하기 위하여 삽을 이용해 무리한 힘을 가하지 않은 상태에서 채취한 후 습도 등을 가능한 원래상태로 유지시키기 위해 시료를 비닐백에 담아 운반하였다.
- 이는 XRD에서 동정된 광물의 특징적인 모습을 볼 뿐만 아니라 동정되지 않은 광물의 존재까지 확인하기 위함이다. 이를 위해 point 1 지점에서 채취한(시료 1-5) 검은색 시료를 사용하였다. 본 시료는 실체현미경 관찰시 검은색 광물과 갈색의 광물을 모두 포함하고 있어 전체적인 풍화산물의 특징을 효율적으로 관찰할 수 있을 것으로 판단하여 SEM 연구 대상으로 선정하였다.
성능/효과
- 그러나 함망간 탄산염의 경우 풍화에 약하여 이들이 이미 풍화되었을 경우 망간 산화물의 형성에 영향을 미쳤을 가능성을 완전히 배재할 수는 없다. XRD분석으로 얻은 결과들을 종합해보면 풍화되기 전의 광물인 일차광물로는 규산염광물로 석영, 장석, 운모류, 녹니석, 각섬석류, 활석, 휘석(요한세나이트) 등이 동정되었고 황화광물로 황철석이 동정되었으며 탄산염광물로 방해 석이 동정 되었다. 규산염 광물인 캐올리나이트의 경우 원래 광미에 있던 것이 이동이 되었거나 광미가 풍화되면서 추가로 생성된 광물로 추정된다.
- 받는다. 각 시료별 pH 값의 경우 pH 3-7정도의 분포를 보였으며 pH 분포에 따른 뚜렷한 광물 성분의 차이는 보여지지 않았다. 그러나 자로 사이트의 경우 point 3에서만 관찰되는 광물이고 이 시료채취지점은 pH 3.
- 정기영 외(2000)와 Joeng and lee (2003)는 XRD와 EPMA 등을 이용하여 봉화군 다덕광산의 광미의 풍화를 연구하여 Mm을 함유한 탄산염광물의 풍화에 의하여 주요 풍화산물 중 하나인 산화망간이 형성되었다고 보고 하였다. 그러나 본 연구 시료의 경우 XRD를 통하여 망간을 함유한 탄산염 광물종은 확인되지 않았다. 그림 2에서 검은색 광물이 주를 이루는 point 의 XRD 회절 패턴은 다른 시료들과 많은 차이를 보이고 있으며 이러한 차이는 요한세나이트의 존재에 의하여 보여지는 결과이다.
- 규산염 광물인 캐올리나이트의 경우 원래 광미에 있던 것이 이동이 되었거나 광미가 풍화되면서 추가로 생성된 광물로 추정된다. 또한 광미가 풍화되면서 생성된 광물인 이차광물로 산화-수산화광물로는 침철석이 동정되었고 황산염 광물로는 석고, 바사나이트, 자로사이트가 동정 되었다.
- 그리고 캐올리나이트(ALSi2O5(OH)4)은 K-장석 등의 풍화에 의해 생성되는 경우도 있으나 본 조사지역은 오랜 기간을 두고 퇴적된 층으로 보기에는 무리가 있으므로 오랜 시간이 걸리는 K-장석의 풍화에 의해 생성된 것이 아니라 원래 퇴적된 광미에 같이 있었던 것으로 사료되며 녹니석 같은 경우도 일차광물의 풍화에 의해 생성되었다기 보다는 광미와 같이 운반되어 퇴적된 것으로 사료된다. 또한 본 연구 지역의 풍화된 광미 시료의 색깔은 이차 광물에 의하여 주로 좌우되는 것으로 나타났다. 본 시료들은 주로 갈색 또는 검은색을 띄는 경향이 있는데 갈색은 침 철석에 의하여, 검은색은 Mn을 함유한 휘석(요한세나이트)과 이의 풍화산물로 추정되는 산화망간의하여 일차광물에 코팅되어 시료들의 주 색깔을 좌우하는 것으로 나타났다.
- 또한 본 연구 지역의 풍화된 광미 시료의 색깔은 이차 광물에 의하여 주로 좌우되는 것으로 나타났다. 본 시료들은 주로 갈색 또는 검은색을 띄는 경향이 있는데 갈색은 침 철석에 의하여, 검은색은 Mn을 함유한 휘석(요한세나이트)과 이의 풍화산물로 추정되는 산화망간의하여 일차광물에 코팅되어 시료들의 주 색깔을 좌우하는 것으로 나타났다. 광미에는 일반적으로 많은 중금속들이 포함되어 있으며 이러한 중금속은 황철석및 황화광물의 풍화와 함께 하천이나 토양 등으로 유출 될 수 있다.
- , 2005). 본 지역의 시료에 있어서도 철산화물의 경우 Pb와 Zn 을, 망간산화물인 경우 Pb, Zn, As 등이 공침 되거나 흡착되어 존재하는 것으로 point 1의 Fe 산화물과 Mn 산화물의 SEMmDS 연구결과 확인되었다. 특히 본 지역의 경우 요한세나이트라는 Mn 함유 휘석의 풍화는 추가적으로 이러한 중금속의 독성을 감소시킬 수 있음을 보여준다.
- 층상형태로 퇴적되어 있다. 일부 시료는 회색으로 나타나나 이는 실체현미경 상에서 석영과 검은색 광물의 혼합물로서 실제는 검은색 광물이 주인 것으로 나타났다. 이들 퇴적물은 현재는 강물과 접촉하지 않지만 강변에 위치하고 있어 과거 홍수 등에 의하여 퇴적되었을 것임을 지시하며 또한 이들은 홍수 발생 시 쉽게 물에 잠겨 물에 의한 풍화가 더욱 쉽게 일어날 수 있을 것으로 보인다.
- 전체적으로 일차광물인 석영 등의 광물의 표면에 풍화에 의하여 형성된 결정도가 낮거나 비정질의 이차광물들이 코팅된 형태로 철과 망간의 산화물들은 존재하는 것으로 나타났다. 철산화물과 망간산화물의 표면 침전 형태는 그림 3과 그림 4와 같다.
- 각 시료들의 화학적 성분은 표 2에서 보여지는것처럼 각 시료마다 화학적 성분 차이를 보여준다. 전체적으로는 Fe2O3의 함량이 6.4-21.3 wt% 의 분포를 보여 SiO2 함량 다음으로 많은 것으로 나타났으며 이는 대체로 황철석의 풍화산물인 침 철석으로 존재하는 것으로 Fe에 의한 것으로 보인다. 특히 검은색 풍화시료를 분석한 시료 1의 경우 다른 시료에 비하여 Mn 성분이 많은 것으로 나타났으며 이는 XRD 분석에서 보여지는 Mn 함유 휘석인 요한세나이트의 동정과 밀접한 연관을 가지고 있는 것으로 보여진다.
- 특히 검은색 풍화시료를 분석한 시료 1의 경우 다른 시료에 비하여 Mn 성분이 많은 것으로 나타났으며 이는 XRD 분석에서 보여지는 Mn 함유 휘석인 요한세나이트의 동정과 밀접한 연관을 가지고 있는 것으로 보여진다. 즉 본 시료들은 원래의 광미시료의 광물성분에 따라서 차별적인 화학적 성분을 보이며 이러한 성분 차이들은 이차광물들의 형성에도 직접적인 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.
- 이러한 광물 조성은 원래 광미에 있던 일차광물과 하천에 퇴적된 후 많은 풍화를 거쳐서 추가적으로 생성된 이차광물로 구성되어있다. 캐올리나이트와 녹니석의 경우 원래 형성된 이차광물이 광미와 함께 이동되어 퇴적된 것으로 보이며 본 조사지역에서 주 이차광물인 자로 사이트, 석고, 바사나이트 등의 이차광물은 황철석의 풍화와 관련이 깊으며 또한 광미의 pH 값과도 연관이 있었다. 이들의 양이온은 황철석, K-장석, 방해석 등의 풍화에 기원하는 것으로 판단된다.
- 3 wt% 의 분포를 보여 SiO2 함량 다음으로 많은 것으로 나타났으며 이는 대체로 황철석의 풍화산물인 침 철석으로 존재하는 것으로 Fe에 의한 것으로 보인다. 특히 검은색 풍화시료를 분석한 시료 1의 경우 다른 시료에 비하여 Mn 성분이 많은 것으로 나타났으며 이는 XRD 분석에서 보여지는 Mn 함유 휘석인 요한세나이트의 동정과 밀접한 연관을 가지고 있는 것으로 보여진다. 즉 본 시료들은 원래의 광미시료의 광물성분에 따라서 차별적인 화학적 성분을 보이며 이러한 성분 차이들은 이차광물들의 형성에도 직접적인 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.
- 이러한 풍화된 광미의 광물 분석을 위하여 XRD, XRF, SEM 분석이 수행되었다. 풍화된 광미시료는 전체적으로 규산염광물인 석영, 장석, 운모류, 녹니석, 각섬석류, 활석, 캐올리나이트, 휘석, 산화-수산화광물인 침 철석, 황산염광물의 석고, 바사나이트, 자로사이트, 황화광물인 황철석, 그리고 탄산염광물인 방해석이 동정되었다. 이러한 광물 조성은 원래 광미에 있던 일차광물과 하천에 퇴적된 후 많은 풍화를 거쳐서 추가적으로 생성된 이차광물로 구성되어있다.
후속연구
- 광미의 경우 다양한 광물로 구성되어 있기 때문에 이의 풍화과정 중에 다양한 광물이 형성될 수 있으며 중금속 역시 추가적으로 다양한 광물의 구성성분으로 바뀔 수 있다(정기영 외, 2000; 김정진과 김수진, 2003; Jeong and Lee, 2003). 따라서 환경변화에 따르는 풍화산물인 광물 종의 특성 파악은 추후 광미의 풍화에 의하여 유출된 중금속의 거동을 이해하는데 필수적이라 할 수 있다. 기존의 연구들은 주로 휴 .
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