Spectral Characteristics associated with Heavy Metal Concentration and Mineral Composition in Cropland and Rice Field Soils from Downstream of an Abandoned Coal Mine

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(1)pISSN 1225-7281 eISSN 2288-7962. 자원환경지질, 제53권, 제6호, 743-753, 2020 Econ. Environ. Geol., 53(6), 743-753, 2020 http://dx.doi.org/10.9719/EEG.2020.53.6.743. 폐석탄광 하류 밭토양 및 논토양의 중금속 함량과 광물조성에 따른 분광학적 특성 서지희1 · 유재형2* · 고상모3 · 이범한3 1. 충남대학교 우주·지질학과, 2충남대학교 지질환경과학과, 3한국지질자원연구원 DMR융합연구단. Spectral Characteristics associated with Heavy Metal Concentration and Mineral Composition in Cropland and Rice Field Soils from Downstream of an Abandoned Coal Mine Jihee Seo1, Jaehyung Yu2*, Sang-Mo Koh3 and Bum Han Lee3 1. Department of Astronomy, Space Science, & Geology, Chungnam National University Departmentpf Geological Sciences, Chungnam National University 3 Convergence research center for development of mineral resources (DMR), Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (Received: 12 October 2020 / Revised: 23 November 2020 / Accepted: 2 December 2020) 2. This study analyzed heavy metal concentration, mineral composition, and spectral characteristics of heavy metal contaminated soil samples of cropland and rice field located in downstream of abandoned Okdong coal mine. X-ray fluorescence analysis detected heavy metal elements including cadmium, copper, arsenic, lead, zinc and nickel in the soils. Both cropland and rice field samples were severely contaminated with arsenic showing higher concentration over the concerned standard. The pollution index of cropland samples was higher than that of rice field samples. X-ray powder diffraction analysis identified that the mineral composition of cropland and rice field samples is similar with quartz, calcite, kaolinite, illite, smectite, magnetite and hematite. The range of organic matter content were more widely distributed in cropland samples. The spectral analysis showed that the reflectance spectra and the absorption features of cropland and rice field samples were alike. The absorption features that appeared near 490nm and 900nm were attributed to the ferric iron, and clay minerals such as kaolinite and smectite caused the absorption features at 1410nm, 1910nm and 2200nm. The reflectance of the soil spectral decreased with an increase in organic content. The absorption depths of both types of soil samples decreased with higher organic matter content at 490nm and 1916nm as well as higher heavy metal concentration. Key words : Okdong Mine, cropland, rice field, heavy metal concentration, spectral characteristics 본 연구는 폐석탄광산인 옥동탄광 하류에 위치한 밭토양과 논토양을 대상으로 중금속함량, 광물조성, 분광특성을 고 찰하였다. X선 형광분석 결과 밭토양과 논토양 모두 비소가 토양환경오염 우려기준을 초과하여 검출되었으며 밭토양 이 논토양보다 중금속오염지수가 상대적으로 높은 것을 확인하였다. X선 회절분석 결과 밭토양과 논토양 모두에서 석 영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석 그리고 적철석 광물이 검출되었다. 또한 유기물 분석을 실시한 결 과 밭토양의 유기물 함량 변이가 더 큰 것으로 나타났다. 분광분석 결과 밭토양과 논토양의 전체적인 반사도 곡선의 양상과 흡광특성은 유사하게 발현됨을 확인하였다. 490nm 부근과 900nm 부근에서 토양 내 산화철에 의해, 1410nm, 1910nm 부근과 2200nm 부근에서 점토광물인 고령토와 스멕타이트군에 의한 흡광특성이 두드러지게 나타났으며 유 기물의 함량이 많을수록 반사도가 감소하였다. 흡광 깊이는 밭토양과 논토양 모두 흡광특성이 발현되는 곳에서 오염 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 original work is properly cited. *Corresponding author: [email protected]. 743.

(2) 744. 서지희 · 유재형 · 고상모 · 이범한. 지수가 높아짐에 따라 흡광깊이는 얕아졌으며, 유기물 함량이 증가함에 따라 490nm 부근과 1916nm 부근의 흡광깊 이가 얕아지는 경향을 보였다. 주요어 : 옥동광산, 밭토양, 논토양, 중금속 오염, 분광특성. 1. 서. 언. 과거부터 이어온 자원의 개발과 폐광에 따라 폐광산 지역을 포함한 광산지역의 토양과 하류에서 중금속 오 염과 비소오염이 사회적으로 문제화되고 있다(Kwon et al., 2012; Wang and Mulligan, 2006; Ko et al., 2019). 특히, 폐석탄광산 주변지역은 광업활동으로 인 해 발생하는 산성광산배수, 폐석, 갱내수 등으로 인한 중금속 오염 가능성이 높으며(MIRECO, 2018), 이들 중금속 원소들은 강수나 지하수에 의해 용출되어 광산 주변 토양과 하천을 오염시킨다(Park et al., 2001). 또한 석탄광산 하류에 위치한 논토양과 밭토양은 중금 속으로 인한 오염이 발생할 수 있는 확률이 높으며, 중금속 오염이 발생할 경우 농작물 오염을 야기하여 인체에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 폐석탄광 하류 에 있는 논토양과 밭토양의 중금속 오염에 대한 연구 가 필수적이다. 국내의 폐석탄광과 관련된 토양오염 연구사례는 화 학분석을 통한 오염도 측정, 중금속 오염에 따른 분광 특성 변이, 중금속 오염토양의 광물조성 등으로 구분 된다. 화학분석을 통한 오염도 측정은 대부분 폐석탄 광 주변 토양 및 식생을 대상으로 실시하여 중금속 오 염도 측정이 이루어졌으며(Min et al., 1998; Min et al., 2005), 중금속 오염에 따른 분광특성 변이는 폐석 탄광의 산성배수에 의해 형성되는 하상퇴적물의 백색 침전물, 적갈색침전물 및 혼합침전물에 대해 일어나는 중금속 오염과 그에 따른 광물조성을 분석하고 분광학 적 특성이 보고된 바 있다 (Lim et al., 2017; Lim et al., 2019a; Lim et al., 2019b). 또한 석탄폐석으 로부터 산성광산배수의 생성과 중금속의 용출 특성에 대하여 보고된 바 있다(Lee et al., 2010). 폐석탄광 하류에 위치한 경작지 토양에 대한 연구는 또한 옥동 천 유역 폐석탄광산 지역 경작지 토양에 대한 중금속 의 존재 형태와 그에 따른 오염지수를 산정하여 논토 양과 밭토양에 대하여 토양오염평가를 한 바 있으며 (Kim et al., 2003), 폐석탄광산의 산성광산배수의 환 경오염 평가가 이루어진 적이 있고(Jung et al., 2003) 폐석탄광산 주변의 중금속으로 오염된 하천수와 인근. 농경지에 대하여 상관관계를 분석한 바 있다(이규승 등., 2001). 그러나 기존의 연구는 폐석탄광산의 토양, 하상퇴적 물의 중금속 오염 또는 그에 따른 분광특성에 집중되 나, 인체에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 논토양과 밭토양의 중금속 오염과 이에 따른 분광특성 변이에 대한 연구는 전무하다. 특히 분광특성 연구는 무인항 공기 등을 활용한 초분광 원격탐사적 접근을 이루기 위한 기초연구로 새로운 탐사 기법 개발에 기초자료로 서 그 의미가 깊다 (Liu et al., 2017; Jeong et al., 2018; Shin et al., 2019). 환경부가 2014년 실시한 폐석탄광산 주변 토양, 수 질 등의 정밀검사 결과, 조사 대상 7곳 중 6곳의 광산 이 토양오염기준을 초과하여 정화가 필요한 것으로 나 타났다. 특히, 옥동광산은 주변 농경지가 비소(As), 아 연(Zn), 구리(Cu) 등 중금속으로 오염되어 정화가 필요 한 것으로 보고된 바 있다 (MIRECO, 2018). 따라서 본 연구는 강원도 영월군 김삿갓면에 위치한 옥동광산 하류에 위치한 논토양과 밭토양에 대하여 중금속 오염 도를 분석하고, 이에 따른 분광학적 특성을 광물조성 과 비교 분석하였다. 이를 위해 X선 형광분석법을 이 용하여 토양의 오염도를 측정하고 X선 회절분석을 통 해 오염 토양의 광물 조성분석을 실시하였으며, 유기 물 분석을 통해 토양 내 유기물 함량을 분석하였다. 최종적으로 분광분석을 통해 중금속 오염 논토양과 밭 토양에 대한 중금속 오염특성에 따른 분광학적 특성변 이를 고찰하였다.. 2. 연구지역 연구지역인 옥동탄광은 강원도 영월군 김삿갓면 주 문리에 소재하며 지리좌표상 북위37°08'23.1", 동경 128°37'23.1"에 해당한다(Fig. 1). 옥동탄광은 영월읍에 서 약 16km 떨어진 해발 635m 지점에 위치하는 영 월탄전에 속하는 무연탄 광산으로, 1952년 영월군 하 동면(지금의 김삿갓면) 주문리에서 개광하였다. 1976년 에 조사된 본 탄광의 총 매장량은 138만t이었고, 가채 매장량은 78만t이었다. 1963년부터 1965년까지 연간.

(3) 폐석탄광 하류 밭토양 및 논토양의 중금속 함량과 광물조성에 따른 분광학적 특성. 745. 고성셰일층, 신기하성층, 조선계 양덕층군 묘봉층, 조 선계 양덕층군 장산규암층으로 이루어져 있다. 2014년 환경부의 ‘폐석탄광산 주변 오염실태조사’에 따르면 옥동탄광 주변 농경지가 비소(As), 아연(Zn), 구리(Cu) 등 중금속으로 오염되어 정화가 필요한 것으 로 나타났으며 토양오염대책기준을 넘는 농도의 비소 도 발견되어 농산물 등을 통한 2차 오염도 우려된다. 또한 탄광에서 유출되는 갱내수가 수질도 기준치를 초과 하여 대책이 필요한 것으로 보고된 바 있다(MIRECO, 2014).. 3. 연구방법 Fig. 1. Location map of the study area and the samples.. 30만t 이상을 생산하며 최대의 호황을 누렸으나 1980 년대 중반 이후 대체 에너지 개발로 인하여 석탄 수요 가 급격히 감소하고 매장량도 고갈되어 쇠락하다가 1989년 석탄산업 합리화정책 시행과 함께 폐광되었다 (ME, 2014). 연구지역의 지층은 조선계의 대석회암층군, 평안계의 홍점층·사동층·고방산층 순으로 퇴적되어 있다(Fig. 2). 석탄을 포함하고 있는 함탄층은 사동층 내에 2-3매가 협재하는데, 이 가운데 중탄층 1매에서만 가행하였다 (ME, 2014). 옥동탄광은 조선계 대석회암층군 풍촌석 회암층 위에 위치해 있으며 논토양과 밭토양 시료를 채취한 지역의 지질은 평안계 홍점층군, 고성석회암층,. Fig. 2. Geological map of the study area.. 본 연구에서는 옥동탄광 하류에 분포하는 논토양 및 밭토양의 중금속 함량을 분석하기 위해 X선 형광분석 을 실시하였다. X선 형광분석은 높은 정량한계를 가진 다는 단점이 있으나 측정이 용이하고, 분광분석을 실시 한 오염토양 표면의 중금속 함량 측정이 가능한 휴대용 XRF (X-Ray Fluorescence Spectrometry)를 활용하 였다(Shin et al., 2016). 또한 X선회절분석을 통해 중 금속 오염 토양의 광물조성을 확인하였으며 분광분석 결과와 비교하였다. 중금속 오염 논토양 및 밭토양의 유기물 함량에 따른 분광특성 변이를 관찰하기 위해 최종적으로 토양의 중금속 오염도 및 광물조성의 영향 을 종합하여 토양 중 중금속 오염도에 따른 분광학적 특성을 분석하였다..

(4) 746. 서지희 · 유재형 · 고상모 · 이범한. 3.1. 시료채취 및 전처리 토양시료는 2014년 환경부의 ‘페석탄광산 주변 오염 실태조사’ 보고서에 의거하여 중금속에 의한 토양오염 우려기준을 초과하는 옥동탄광 주변 논토양에서 9개, 밭토양에서 27개의 시료를 채취하였다 (Fig. 1). 토양 시료채취기 및 스테인리스스틸 재질의 모종삽을 이용하 여 총 36개 지점에서 토양시료를 획득하였다(Fig. 1). 각 지역에서 유기물층을 제거한 후 0-10cm 깊이의 표 토를 대상으로 시료를 채취하여 풍건 후 20 mesh 체. 선의 에너지 손실을 최소화하기위해 기기와 토양시료 를 밀착하여 니켈, 비소, 납, 아연, 구리 및 카드뮴을 대상으로 고에너지 및 저에너지의 별도 2개의 X선을 이용해 각 60초 동안 진행하였다(Desouza et al., 2017). 그 후, 각 시료의 오염도를 수치화하기 위해 환 경부 토양오염우려대책기준 1지역을 근거로 하여 오염 지수(Pollution Index, PI)를 계산하였다(Jung et al., 2005; Shin et al., 2016).. 로 친 후 분석용 시료로 이용하였다. 오염지수(PI) = 3.2. X선 형광분석 토양 중 유해 중금속 측정을 위해 가장 정밀한 방법 은 유도결합플라즈마 분석법이나, 이 분석법은 현장에 서 직접 사용할 수 없을 뿐만 아니라 전처리 과정이 매우 복잡하여 그 과정 중 분석물질이 훼손될 가능성 이 있는 큰 한계가 있다. 그에 반해 X선 형광분석법은 유도결합플라즈마 분석법에 비해 정확한 측정 결과를 얻을 수 없으나, 전처리 과정이 간단하며 빠른 실험결 과를 얻을 수 있고, 특별한 보조 장치 없이 %에서 ppm단위까지 측정이 가능하다. 이러한 장점으로 X선 형광분석은 ISO-111-95-CDV 및 IEC 62321 RoHs Test Method에서 스크리닝 검증방법으로 규정하고 있 다 (Choi et al., 2009; Kim et al., 2013; Shin et al., 2016). 본 연구는 옥동탄광 하류에 존재하는 논토 양과 밭토양에 대해 중금속 함량에 따른 상대적인 오 염정도를 파악하기 위해 Olympus사의 DELTA 휴대용 XRF를 사용하여 X선 형광분석을 실시하였다. 분석은 USEPA에서 지정한 Method 6200(USEPA, 2007)에 준하여 실내에서 측정되었다. 해당 기기는 40kV의 TaAu의 X선 튜브와 실리콘표류검출기(silicon drift detector)를 갖고 있고 측정원소는 2cm의 구경을 통해 165 eV 이하의 해상도로 측정된다. 토양분석을 실시하 기에 앞서 X선 형광분석에서 널리 사용되는 기기 보 정법인 316 합금 비드를 사용하여 기기 보정이 실시되 었다. 기기 보정에 활용되는 316 합금 비드는 크롬 16.13%, 망간 1.78%, 철 68.70%, 니켈 10.42%, 구리 0.2%, 몰리브덴 2.1%로 구성되어 화학조성에 대한 보 정을 용이하게 할 수 있도록 설계되어 있다 (Weindorf et al., 2012; Weindorf et al., 2013; Sharma et al., 2015). 본 장비의 정량한계는 카드뮴 8-15 ppm, 구리 3-7 ppm, 비소 1-3 ppm, 수은 2-4 ppm, 크롬 3-10 ppm, 아연 2-5 ppm, 니켈 4-10 ppm, 납 2-4 ppm, 철 7-20 ppm이다. 토양 내 중금속 함량의 분석은 X. Σ. 토양의 중금속 함량 허용한계치 중금속 원소의 수. 3.3. X선 회절분석 옥동탄광 하류에 위치한 논토양과 밭토양의 광물조 성을 확인하기 위해 대표적인 논토양과 밭토양 시료를 선택하여 X선회절분석을 실시하였다. X선회절분석은 지질자원연구원의 Rigaku사 Ultima IV XRD를 사용하 였다. X선의 가속전압은 40 kV, 전류는 30 mA로 작 동되었으며, Cu-Kα파장(1.5406 Å)을 사용하여 0.02° 의 간격으로 3-60°까지 분당 40°로 측정하여 X선회절 곡선을 취득하였다. 분석이 완료된 X선회절분석 결과 는 Match! 소프트웨어를 사용하여 해석하였다. 3.4. 분광분석 분광분석은 가시광선(Vis), 근적외선(NIR), 단파적외 선(SWIR) 파장 대역을 대상으로 광물들의 조성과 분 자구조의 변화 등으로 인한 반사도의 형태 및 특징을 파악하는 분석법이다(Shin et al., 2016). 본 연구에서 는 옥동탄광 하류에 존재하는 논토양과 밭토양에 대해 분광분석을 실시하기 위해 ASD사(Analytical Spectral Devices, Inc, USA)의 Labspec 5100 휴대용 분광기 를 사용하였다. 본 기기는 빠르고 간편한 분석이 가능 한 장점을 가지고 있으며, 350-2,500 nm의 파장영역 에 대해 3-6 nm의 분광해상도를 갖는다. 분광분석은 파우더 시료를 촬영하는 mug-light 방식으로 이루어졌 으며(Jeong et al., 2014), 노이즈 값을 줄이고 시료의 균질성을 높이기 위해 시료의 한 지점에서 5회 측정한 반사도 값들의 산술평균값을 사용하였다. 분광곡선은 The Spectral Geologist 7.5(TSG 7.5)와 ENVI 4.8 소프트웨어를 활용하여, USGS(United Stated Geological Survey) 분광라이브러리(Clark et al., 2007)와 JPL (Jet Propulsion Laboratory) ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflectance Radiometer).

(5) 폐석탄광 하류 밭토양 및 논토양의 중금속 함량과 광물조성에 따른 분광학적 특성. 747. 선 형광분석 결과, 논토양에서는 카드뮴이 검출되지 않 았으며, 밭토양의 경우 4개의 시료에서 검출한계 미만 인 21-27ppm함량을 보여 신뢰할 수 없는 수준으로 확 인되었다. 구리, 비소, 납, 아연, 니켈은 논토양과 밭토 양의 모든 시료에서 검출되었으며 특히 논토양과 밭토 양 모두 비소에 대하여 토양환경오염우려수준으로 오 염된 것을 확인하였다. 논토양의 평균 비소함량은 40.3ppm으로 토양환경오염우려기준의 1.6배에 이르며, 밭토양은 34.8ppm으로 우려기준을 9ppm이상 초과하 였다(Table 1). 구리, 아연, 니켈은 논토양과 밭토양에. 분광라이브러리(Baldridge et al., 2009)가 제공하는 표 준분광정보와 비교분석하였다. 3.5. 유기물 분석 옥동탄광 하류에 존재하는 논토양과 밭토양 각각에 대하여 유기물 분석을 실시하였다. 유기물 분석은 농 업환경과학연구소에 실험을 위탁하였으며 농촌진흥청 고시 ‘비료의 품질검사방법 및 시료채취기준’ 제 10조 제 1항에 따라 진행되었다. 유기물 함량은 약 10 g의 토양을 도가니에 넣어 105°C에서 건조시킨 뒤의 무게 와 600°C에서 4시간 동안 태운 무게의 차인 작열감량 법으로 구하였다 (Kim et al., 2012; Allen 1989). 그 후 유기물 함량에 따른 반사도 변이를 관찰하였다.. 서 모두 토양환경오염우려수준보다 낮은 수준으로 검 출되었으며 납은 논토양과 밭토양에서 토양환경오염우 려수준보다 매우 낮은 수준으로 검출되었다. 특히 상 류에 위치한 밭토양의 경우 구리, 아연, 니켈의 함량이 하류에 위치한 논토양에 비해 부화된 것으로 나타났다 (Table 1). 더불어 각 시료들의 오염정도를 수치화하기 위해 환경부의 1지역 토양오염우려기준을 활용하여 논 토양과 밭토양의 중금속 오염지수를 계산하였다. 그 결. 4. 결과 및 토의 4.1. 밭토양 및 논토양의 중금속 함량 본 연구지역의 논토양과 밭토양에 대해 X선 형광분 석을 실시하여 토양 시료 내에 카드뮴, 구리, 비소, 납, 아연, 니켈의 함량을 측정하였고, 각 중금속의 함량을 환경부령 토양오염 우려 및 대책기준을 (환경부, 2020) 적용하여 중금속 오염도를 평가하였다 (Table 1). 그러 나 본 연구에 활용한 휴대용 X선 형광분석은 기존의 화학분석 방법에 비해 오차범위가 넓으며, 따라서 본. 과, 중금속 오염지수의 최댓값과 최솟값 모두 밭토양 이 논토양보다 더 큰 값을 나타냈으며 평균값을 비교 한 결과 밭토양이 논토양보다 중금속오염이 상대적으 로 높음이 확인되었다. 4.2. 밭토양과 논토양의 광물조성 옥동탄광 주변 밭토양과 논토양 토양시료 중 각 지 역을 대표하는 시료를 선정하여 X선 회절분석을 실시 한 결과(Fig. 3), 밭토양 시료(Fig. 3a)와 논토양 시료 (Fig. 3b)의 광물조성은 모두 유사하게 석영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석, 적철석으로 동. 중금속 함량분석 결과는 상대적으로 오차가 클 수 있 음을 주지한다. 그러나 본 연구의 목표는 중금속함량 과 유기물 함량에 따른 분광특성 변이를 관찰하고자 하였으므로, 본 연구의 전체적인 결과를 기술하는 데 는 충분하 과학적 근거가 될 수 있다고 판단하였다. X. Table 1. Heavy metal concentration of soil samples measured by XRF analysis, and Concerned Standard and Counter Measure Standard on heavy metal elements (Ministry of Environment, 2020) Unit: ppm Counter Measure Standard Concerned Standard Cropland(Upstream Area) Min Max average standard deviation Rice field Min Max average standard deviation. Pollution Index. Cd. Cu. As. Pb. Zn. Ni. 12 4. 450 150. 75 25. 600 200. 900 300. 300 100. -. 46.00 133.00 78.19 20.38. 23.00 51.25 34.81 7.45. 31.25 53.75 39.03 5.75. 95.50 320.50 160.10 60.93. 50.50 87.75 60.06 8.04. 0.15 0.31 0.22. -. 39.50 88.50 63.60 17.57. 17.75 94.50 40.30 23.68. 37.25 52.75 47.10 4.72. 94.25 178.00 132.73 27.57. 44.75 53.75 49.60 2.87. 0.14 0.26 0.20.

(6) 748. 서지희 · 유재형 · 고상모 · 이범한. Fig. 3. Representative X-ray diffraction pattern of soil samples; (a) cropland, (b) rice field.. 정되었으며 논토양과 밭토양 간 광물조성 차이는 크게 발생하지 않았다. 일반적으로 중금속광산 주변 토양 중 중금속의 검출은 지질기원의 광물과 점토광물, Fe 및 산화광물, 수산화광물 등의 흡착정도에 따라 달라지는 것으로 보고된 바 있다(Shin et al., 2016; Bradl, 2004; Choi et al., 2004; Usman, 2008). 밭토양과 논토양 시료 내 광석광물은 X선회절선에서 다양하게 확인되지 않았는데, 이는 옥동탄광주변 토양시료에서 여러가지 광물들의 혼합으로 전체 함량 중 광석광물이 최소검출 한계(5%)에 도달하지 않은 것으로 사료된다(Shin et al., 2016; Ravet et al., 2001). 따라서 옥동탄광 주변 밭토양과 논토양 내 중금속은 점토광물, Fe 및 Mn 산 화광물, 수산화광물에 의해 흡착되어 나타날 가능성이 높다(Shin et al., 2016; Bradl, 2004; Usman, 2008). 특히 점토광물은 표면적이 넓고 표면이 음전하를띠기 때문에 양이온을 잘 흡착하며 Cd, Cu, Fe, Pb, Zn의 흡착률이 높다고 알려진 바 있으며(Shin et al., 2016; Um et al, 2002) 스멕타이트가 풍부한 점토광물로 구 성된 토양시료 내 중금속의 흡착이 높게 나타난다고 보고된 바 있다(Shin et al., 2016; Usman, 2008). 마찬가지로 비소의 경우 음이온으로 거동하는 특성이 있으므로 표면이 양전하를 띠는 철 수산화물에 흡착하 여 나타난다(Bowell, 1994). 따라서 본 연구지역의 토 양 내 중금속의 형태는 주로 토양에 흡착되어 나타난 다고 사료된다. 4.3. 밭토양과 논토양의 유기물 함량 옥동탄광 하류에 존재하는 논토양과 밭토양을 대상 으로 유기물 분석 실험을 진행한 결과, 밭토양 시료의 유기물 함량은 최소 2.29%, 최대 7.27% 검출되었으며 평균 유기물 함량은 4.13%이다. 논토양 시료의 유기물. Table 2. The organic matter content of samples of the cropland and the rice field. Cropland. Rice Field. Statistics Min Max Ave Standard Deviation Min Max Ave Standard Deviation. Organic matter (%) 2.29 7.27 4.13 1.53 2.48 4.3 3.27 0.63. 함량은 최소 2.48%, 최대 4.3% 검출되었으며 평균 유 기물 함량은 3.27%를 보이며 대체적으로 밭토양의 유 기물 함량이 논토양의 유기물 함량보다 더 높은 것으 로 나타났다(Table 2). 4.4. 밭토양과 논토양의 분광특성 옥동탄광 주변에서 채취한 논토양 시료와 밭토양 시 료에 대하여 분광특성을 분석하여 평균 반사도와 흡광 깊이를 확인하였다. 분광분석 결과, 논토양과 밭토양은 전반적으로 비슷한 스펙트럼 양상을 띄었으며 가시광 선 영역에서부터 단파적외선 영역까지 논토양의 반사 도가 밭토양의 반사도보다 높은 것을 확인하였다. 한 편, 가시광선 대역과 단파적외선 대역에서 밭토양과 논 토양의 반사도 차이가 크게 나타났으며, 근적외선 대 역 이후로 논토양의 반사도가 증가하는 추세를 보이는 반면 밭토양의 반사도는 큰 변이가 없다(Fig. 4). 논토 양 시료와 밭토양시료의 흡광특성과 흡광깊이를 분석 한 결과, 두 토양 모두에서 유사한 흡광특성을 보인다 (Fig. 5). 가시광선 대역에서는 밭토양과 논토양의 흡광 특성이 485nm에서 발현되며, 이는 토양내 존재하는 산.

(7) 폐석탄광 하류 밭토양 및 논토양의 중금속 함량과 광물조성에 따른 분광학적 특성. 749. Fig. 4. Averaged reflectance spectra and stacked hull-quotient corrected spectra of cropland (green) and rice field (red) samples.. Fig. 5. Stacked hull corrected spectra of averaged cropland(green) and rice field (red) samples with library spectra of kaolinite, illite and hematite.. 화철의 영향으로 사료된다 (Sherman and Waite, 1985; Choe et al., 2010). 근적외선 대역에서는 900nm에서 밭토양과 논토양 모두 흡광특성이 관찰되었는데 이 또 한 밭토양과 논토양 내에 존재하는 철을 함유한 광물의 영향으로 보인다(Sherman and Waite, 1985; Choe et al., 2010). 단파적외선 대역에서는 1413nm, 1918nm, 그리고 2206nm에서 흡광특성이 관찰되었으며 이는 단 파적외선 내 수산이온, 물, 탄산염과 점토광물의 AlOH에 의한 영향으로 사료된다. 특히 1918nm 부근의 흡광특성은 스멕타이트 군에서 나타나는 비대칭의 흡 수 특성으로 사료되며 1413nm와 2206nm에서 보여지. 는 doublet 형태의 곡선은 고령토에서 나타나는 고유 의 분광특성과 유사하다(Shin et al., 2016). 또한 1415nm 부근은 OH, 2206nm 부근은 Al-OH로 기인 된 흡광특성으로 사료된다(Bishop et al., 2008; Rossel and Behrens, 2010). 흡광특성이 발현된 영역 중 1413nm, 2206nm에서는 밭토양과 논토양의 흡광 깊이가 비슷하였지만 485nm에서는 밭토양이, 1918nm 에서는 논토양의 흡광 깊이가 더 깊은 것을 확인하였 다. 이는 밭토양에서는 철을 함유한 광물이, 논토양에 서는 점토 광물이 흡광특성을 발현시키는 데 더 많은 영향을 끼친 것으로 사료된다. 밭토양과 논토양에서 검.

(8) 750. 서지희 · 유재형 · 고상모 · 이범한. 출된 석영 및 방해석은 X선 회절분석법에서 검출되었 으나(Fig. 3), 반사도와 Hull 곡선 분석 결과에서는 이 들의 광물을 확인하는 데에 어려움이 있었다. 석영은 분광곡선 상 두드러지게 나타나는 흡광특성이 작아 광 물정보 추출에 어려움을 갖고 있으며(Kerr et al., 2011; Jeong et al., 2014), 낮은 반사도를 가지는 대 표광물인 방해석의 존재를 확인하기 위해서는 함량이 적어도 전체의 20% 이상인 경우가 유용하다고 보고된 바 있다(Thompson et al., 1999; Jeong et al., 2014). 4.5. 중금속 함량과 유기물 함량에 따른 분광특성 연구지역 토양 시료의 중금속 오염도에 따른 분광특 성 변이를 알아내기 위해 앞서 계산한 중금속 오염지 수를 기반으로 고오염토양과 저오염토양의 분광곡선을 비교하였다. 이를 위해 밭토양과 논토양에서 각각 최 고 오염지수와 최저 오염지수를 갖는 시료의 분광곡선 의 반사도와 흡광특성의 변이를 비교 분석 하였다 (Fig. 6a, Fig. 6b). 그 결과, 밭토양에서는 가시광선 영역에서부터 근적외선 영역 중 988nm까지 오염지수. 가 높은 토양이 오염지수가 낮은 토양보다 반사도가 높았지만 988nm를을 기준으로 그 반사도가 역전되는 현상을 보였다. 988nm 이후의 근적외선 영역에서부터 단파적외선 영역까지는 오염지수가 낮은 밭토양이 오 염지수가 높은 밭토양보다 반사도가 높은 것을 확인하 였다(Fig. 6a). 밭토양에서와 비슷하게 논토양에서도 반 사도 역전 현상이 나타났다. 논토양에서는 가시광선 영 역 중 400nm부터 540nm까지 오염지수가 높은 토양 이 오염지수가 낮은 토양보다 반사도가 다소 높게 나 타났으며 540nm 이후의 가시광선 영역을 포함하여 근 적외선과 단파적외선에 이르기까지 오염지수가 낮은 논 토양이 오염지수가 높은 논토양보다 반사도가 더 높은 것을 확인할 수 있었다(Fig. 6b). 흡광특성의 경우, 논 토양과 밭토양에서 모두 중금속 오염도에 따른 비슷한 특징을 보였다. 논토양에서는 488nm, 1415nm, 1914nm, 2207nm에서, 밭토양에서는 493nm, 898nm, 1414nm, 1919nm, 2210nm에서 뚜렷한 흡광특성이 나타났는데, 이 부근에서 오염지수가 높은 토양이 더 얕은 흡광 깊 이를 보였으며 이는 토양 내의 중금속 이온이 철산화. Fig. 6. Stacked VNIR-SWIR reflectance spectra and hull corrected spectra of cropland (green) and rice field (red) samples showing spectral variations associated with concentration of heavy metal elements and organic matters; (a) representative spectra of high PI (solid line) and low PI (dashed line) cropland samples, (b) representative spectra of high PI and low PI rice field samples, (c) representative spectra of high organic matter content (solid line) and low organic matter content (dashed line) cropland samples, (d) representative spectra of high organic matter content and low organic matter content rice field samples..

(9) 폐석탄광 하류 밭토양 및 논토양의 중금속 함량과 광물조성에 따른 분광학적 특성. 751. 물 및 점토광물과 지화학적 반응을 함을 지시한다. 밭토양 시료와 논토양 시료의 유기물의 함량에 따른 분광특성의 변이를 정의하기 위해, 각 토양에서 유기 물 함량 상위 30%와 하위 30%인 시료들의 평균반사 도를 비교 분석하였다(Fig. 6c, Fig. 6d). 그 결과, 밭 토양은 400nm부터 흡광특성이 발현되는 490nm 부근 까지 유기물의 함량이 높은 시료의 반사도와 유기물의 함량이 적은 시료의 반사도가 유사하다가 490nm 이후. 토양과 논토양에 대하여 중금속오염도를 평가한 결과, 비소는 토양환경오염우려수준으로 검출되었고, 밭토양 이 논토양보다 중금속오염지수가 상대적으로 높았다. 밭토양과 논토양의 광물조성은 석영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석, 적철석으로 확인되었다. 유기물 분석 결과 밭토양의 유기물 함량은 2.29%7.27%, 논토양은 2.48%-4.3%로 밭토양의 유기물 함량 변이가 더 큰 것으로 나타났다. 광물분석 결과 모든. 단파적외선 대역까지 유기물의 함량이 높은 시료가 유 기물의 함량이 적은 시료보다 반사도가 낮은 것을 확 인하였다(Fig. 6c). 마찬가지로 논토양도 400nm부터 흡광특성이 발현되는 488nm 부근까지 유기물의 함량 에 관계없이 반사도가 유사하다가 488nm 이후 단파적 외선 대역까지 유기물의 함량이 높은 시료가 유기물의 함량이 적은 시료보다 반사도가 낮은 것을 확인하였다 (Fig. 6d). 하지만 유기물 함량에 따라 나타나는 반사도 차이는 밭토양에서 더욱 크게 나타났는데, 이는 유기 물 함량 분석 결과(Table 2)에 기인한 것으로 사료된 다. 유기물 분석 결과, 논토양 시료의 최대 유기물 함 량은 4.3%, 최소 유기물 함량은 2.48%로 1.82%가 차이 났고 밭토양 시료의 경우 최대 유기물 함량이 7.27%, 최소 유기물 함량이 2.29%로 4.98% 차이를 나타내어 논토양 시료보다 유기물 함량 변이가 큰 것으로 확인 되었기 때문이다. 흡광깊이 분석 결과, 밭토양과 논토 양 모두 흡광특성을 나타내는 영역 중 가시광선 대역 인 490nm 부근과 단파적외선 대역인 1916nm 부근에 서 유기물의 함량이 낮은 토양이 유기물의 함량이 높 은 토양보다 흡광 깊이가 깊은 것을 확인하였다. 이는 유기물에 의해 흡광특성이 발현되는 곳으로 알려진 490nm와 1916nm 부근에서 토양에 존재하는 유기물이 점토광물과 흡착하기 때문에 유기물의 함량이 많을수 록 흡광 깊이가 감소하는 것으로 사료된다(Choe et al., 2010; Kang et al., 2018).. 시료에서 석영 및 고령토, 스멕타이트군 광물이 검출 되어 토양 내 중금속은 점토광물에 흡착되어 존재한다 고 판단된다. 논토양과 논토양의 분광특성을 분석한 결 과 밭토양과 논토양에서 유사한 반사도 양상과 흡광특 성을 나타냈다. 두 토양 모두 490nm 부근과 900nm 부근에서 토양 내 산화철의 흡광특성이 관찰되었으며 1410nm, 1910nm 부근과 2200nm 부근에서 점토광물 인 고령토와 스멕타이트군에 의한 흡광특성이 두드러 지게 나타났다. 이와 같은 특성은 기존연구에서 철산 화물 및 점토광물과 중금속 이온의 지화학적 반응에 의해 발생한다고 보고된 바 있으며 (Bowell, 1994; Gier and John, 2000), 따라서 본 연구의 중금속 오염 지수에 따른 반사도 곡선 분석 결과에서 보여지는 오 염도의 상승에 따른 흡광깊이의 감소는 흡광특성이 발 현하는 철산화물과 점토광물의 중금속이온과의 지화학 적 반응의 결과일 것으로 사료된다. 한편 유기물 함량 에 따른 반사도 곡선 분석 결과 유기물 함량이 많을수 록 낮은 반사도를 나타냈으며 점토광물에 의한 유기물 흡착으로 유기물의 함량이 적을수록 깊은 흡광 깊이를 보였다. 이는 분광학적 특성이 중금속 오염도 및 유기물 함량과 상당한 연관성이 있음을 지시한다. 본 연구는 분광학적 특성을 바탕으로 원격탐사 기법을 적용하여 토양오염의 영상화를 이루는데 기초적인 자료로 활용될 수 있다는 데 그 의의가 있다(Liu et al., 2017; Jeong et al., 2018; Lim et al., 2019a; Shin et al., 2019).. 5. 결. 론. 본 연구는 강원도 영월군 김삿갓면에 위치한 폐석탄 광산인 옥동탄광 하류에 위치한 밭토양과 논토양을 대 상으로 X선 형광분석법과 X선 회절분석법을 통해 해 당 토양 내 중금속 오염도를 파악하고 광물조성을 파 악하였으며 유기물 분석을 실시하여 밭토양과 논토양 내 유기물 함량을 분석하였다. 또한 휴대용 분광계를 이용하여 밭토양과 논토양 내 중금속 오염도와 유기물 함량에 따른 분광특성을 고찰하였다. 옥동탄광 주변 밭. 사. 사. 본 논문을 심사해주신 심사위원님들께 감사드린다. 본 연구는 충남대학교 학술 연구비에 의해 지원되었다.. 참고문헌 이규승, 신익종, 고광용 (2001) 보은 제일 폐탄광 주변 하 천수의 중금속 오염과 인근 농경지와의 상관관계. 한 국환경농학회 학술발표논문집, v.2001, n.1, p.122-122.

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