KIGAM 한국지질자원연구원

지표환경은 다양한 형태의 지질과정을 통해 인간과 생태계에 필요한 여러 가지 요소를 제공하며, 한편으로는 다양한 형태의 지구화학적 재해(geochemical hazard)를 일으킨다. 지구 화학적 재해는 지표환경에서 유해성분이 농집되거나, 필수영양 성분이 지나치게 결핍되어 오랜 시간에 걸쳐 사람이나 동식물에게 나쁜 영향을 주는 현상을 뜻한다. 지구화학적 재해는 단기간에 가시적으로 나타나지 않기 때문에, 그 피해를 최소화하거나 사전에 방지하기 위해서는 지표환경 물질에 대한 체계적이고 지속적인 지구화학 정보를 취득하고 파악하여야 한다. 지구 화학도는 지구화학적 재해를 예방하는 가장 효율적인 방법이다.

지구화학적 재해를 예방하는 가장 효율적인 방법

지구화학도(Geochemical map)

writer. 염승준 박사(지질환경재해연구센터)

전국을 대상으로 진행된 연구

지구화학도는 지표환경에서 원소의 함량을 나타내는 지도로써 특정 지역에서의 원소함량의 공간적 분포를 쉽게 알아볼 수 있다. 지질도가 지표에 노출된 암석의 분포를 나타낸 지도라면, 지구화학도는 지표환경을 구성하는 대표적 매질의 분석치를 바탕으로 원소함량의 분포를 나타낸다. 과거에는 광물자원 탐사를 목적으로 작성되었으나 최근에는 환경 및 자원 관리 등 다목적으로 이용되고 있다. 사용 목적에 따라 하천퇴적물(중사 또는 표사), 암석, 토양, 하천수, 범람원퇴적물, 호수퇴적물, 식물 등 다양한 지질물질을 대상으로 하며 여러 규모(정밀, 지역, 광역 및 대륙)의 축척으로 작성된다.

우리나라에서는 1980년대부터 광물자원 탐사 목적으로 강원도 태백산광화대 지역을 중심으로 1:5만 지형도 단위의 하천퇴적물(중사 및 표사) 지구화학도를 작성하기 시작했다. 1990년대 이후에는 하천수를 대상으로 한 수리지화학도, 2010년도에는 희유금속 광물의 국내 부존현황 파악 및 확보를 위한 하천퇴적물 지구화학도가 1:25만 지질도폭 단위로 제작되었다.

한편 전국을 대상으로 한 지구화학 조사가 1990년대 후반부터 수행되었는데, 약 23,500여 개의 하천퇴적물을 채취(채취밀도, 1개/4km²)하고 화학분석을 실시했다. 이를 통해 8개도(道)별 전국-규모의 지구화학도 및 수반 관계가 높은 성분들에 대한 3성분 지도가 작성되었으며, 이를 종합하여 18개 원소들(Ba, CaO, Co, Cr, Cu, Fe2O3, K2O, Li, MgO, MnO, Ni, Pb, Rb, Sr, TiO2, V, Zn, Zr)에 대한 전국 지구화학지도책이 발간되었다.

오차 없는 결과를 얻기 위한 노력

지구화학도의 작성은 시료채취, 화학분석, 지구화학도면 제작 등의 단계로 구성된다. 각 단계마다 일관되고 표준화된 방법으로 수행되어야 하는데, 이를 위해 국제 지구화학도 작성 계획 표준안을 준수하여 작성된다. 하천퇴적물을 대상으로 한 전국규모 지구화학도의 작성 방법을 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째 단계는 시료채취다. 시료채취를 위해서는 현재 물이 흐르고 있는 1~2차 수계 중에서 균일한 취채밀도가 유지되는 곳을 대상 수계로 선정한다. 인위적인 오염이 심하거나 인공구조물이 있는 수계는 제외한다. 발원지에 가까운 작은 하천(1~2차 수계)의 바닥에 가라앉은 하천퇴적물 가운데, 100메시 체를 통과하는 입자크기가 150㎛보다 작은 가벼운 표사(漂砂)*를 채취한다. 시료를 채취할 때에는 오염이 개입하지 않도록 최선을 다하며, 상류 집수분지를 대표할 수 있도록 여러곳에서 골고루 채집하여 하나의 복합시료로 합친다. 시료를 채취한 각 지점에서는 향후 분석결과의 해석에 필요한 현장 지질과 오염 관련 정보를 표준양식에 따라 수집하고, 상류집수분지의 지질특성과 주변의 자연환경을 반영하는 하천수의 특성(pH, EC 등)을 현장에서 측정한다. 채취한 하천퇴적물(표사)은 완전히 건조시키고 균질하게 잘 혼합한 후, 일부는 미세한 분말(53㎛ 이하)로 만들어 분석용 시료로 준비하고, 남은 시료는 향후 연구를 위해 잘 보관한다.

채취한 시료는 화학분석을 통해 원소함량을 측정한다. 원소함량은 주로 XRF, ICP-AES 및 ICP-MS 등을 이용하여 분석하는데 분석결과의 정밀도(precision)와 정확도(accuracy) 등의 정도관리(Quality control)가 절대적으로 중요하다. 특히 전국-규모의 지화학도 작성에서는, 수년에 걸쳐 계속해서 분석이 진행되기 때문에, 이들에 대한 평가와 오차를 지속적으로 확인하여야 한다. 분석결과의 오차를 일으키는 다양한 요인들이 존재하고 있기 때문에, 공인표준시료, 내부표준물질, 야외중복시료, 분석중복시료 등을 일반시료와 동시에 분석하여, 시료채취부터 화학분석이 끝나는 시점까지전 과정에 걸쳐 체계적인 모니터링을 통해 정도관리에 최선의 노력을 기울여야만 한다.

지구화학도면 제작에는 역거리 가중(Inverse Distance Weight: IDW) 보간법을 적용한다. 이 방법은 이동창을 일정 간격으로 이동하면서 추정값을 구하는 것으로서, 추정 위치와 실제 분석값들의 위치 간의 거리에 반비례하는 가중치를 주어 원소함량의 추정치를 계산한다. 예를 들어, 250m마다 이동하여 그리드를 만들고, 반경 2km 내에 포함된 시료들의 실제 분석값들을 이용하여 추정값을 계산한다. 만약 반경 내에 시료가 없을 경우에는 그리드가 만들어지지 않게 되어, 평야 지대, 큰 도시 및 바다 등과 같이 시료가 채취되지 않은 부분에서는 도면상에 자료(추정값)가 나타나지 않게 된다. 한편 지구화학도 바탕에는 전산지질도를 삽입하여 원소의 존재량과 분포패턴을 지질과 관련지어 검토할 수 있도록 한다.

삶의 질 향상에 실질적인 도움을 주는 지도

지표환경의 성분변화로 인해 사람이나 동식물에게 나쁜 영향을 주는 지구화학적 재해는 단시간에 가시적으로 나타나는 것이 아니라 서서히 오랜 시간에 걸쳐 발생한다. 그 피해를 예방하고 최소화하기 위해서는 지구화학도를 작성하는 것이 중요하다. 대부분의 선진국에서는 자국의 지표환경에서 일어나는 지구화학적 재해를 관측하고 방지하기 위하여 다양한 형태로 지구화학도를 작성했거나 작성중에 있다. 우리나라에서도 일부 원소들을 대상으로 전국규모의 지구화학도가 작성되고 자연배경치가 설정되어 있어 국내 자연환경 평가의 기준으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

지구화학도 작성을 통해 체계적으로 수집된 과학적인 지구화학정보는 다양한 목적에 활용될 수 있다. 전국규모의 광역적인 지구화학 자료를 바탕으로 각종 암석 및 지질단위가 본래 갖는 자연적인 함량(자연배경치)을 설정함으로써 자연적인 유해성분 농집 지역과 필수 영양성분 결핍지역의 분포를 파악하고 원인을 규명할 수 있다. 또한, 인위적인 오염을 포함한 이차 오염의 정도와 원인을 진단하고 대응함으로써 국민건강을 향상시키고 생태계를 보전할 수 있다. 정부 및 지자체의 국토개발 계획 시에 환경관리 전략의 기초정보를 제공할 수 있고, 새로운 광물자원 유망지 확보 및 지각 진화 등 학술목적에 필수적인 기본 정보로써 활용될 수 있다.

한국지질자원연구원에서는 기존에 작성되지 않았던 일부 원소 약 10여 개(As, U 등)를 대상으로 전국 규모의 지구화학도를 작성하고 있다. 국토 전체를 대상으로 하는 지구화학도 작성에는 많은 시간과 비용이 소요되기 때문에, 상대적으로 적은 시료를 분석하는 저밀도 광역 지구화학도를 작성하는 것이 세계적인 추세이다. 이에 기존에 확보한 개별 시료들을 하나로 합친 복합시료(composite sample)를 이용한 전국규모의 지구화학도를 2024년까지 작성하고, 해설을 포함한 전국화학지도책을 발간할 예정이다.