한반도 연안 표층퇴적물의 지구화학적 특성에 관한 연구 = Geochemical Characteristics of Sediments in the Coastal of the Korean Peninsula

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 해양환경 측정망 모니터링 자료를 바탕으로 2020–2024년 한반도 연안의 서·남·동해안과 항만 표층퇴적물의 지구화학적 특성을 비교 및 종합함으로써 연안 물질순환과 오염지표의 시·공간적 변동을 체계적으로 규명하고자 하였다. 연구해역은 조석·조류·파랑·하천 유입·인위적 개발 등 자연·인위적 요인이 복합 작용하는 해역으로, 이러한 요인은 퇴적물의 구성과 분포 양상을 시·공간적으로 결정한다. 따라서 연안 퇴적물의 유입–이동–퇴적 관점을 적용하여 입자상 물질의 이동·흡착·재부유 메커니즘을 해석하고 조사결과를 바탕으로 변화 원인을 규명하는 것을 목적으로 하였다.
방법론적으로는 서·남·동해안 및 항만 전역 192개 정점에서 5년간 960개 표층 퇴적물을 채취하고, 입도, 유기물(강열감량, 화학적산소요구량, 산휘발성황화물), 중금속(알루미늄, 철, 망간, 아연, 크롬, 리튬, 구리, 납, 니켈, 코발트, 비소, 카드뮴, 수은)을 분석하였다. 분석결과는 통계분석(상관·요인분석)과 오염도지수(농축계수, 오염부하량지수, 생태계위해도지수, 해양환경기준)를 통해 오염형 중금속의 거동을 평가하였다.
주요 결과로 입도는 서해안이 조립(모래 우세), 남해안은 세립(실트·점토), 동해안 및 항은 혼합상이었고, 이러한 패턴은 정점 배치와 해역별 특성인(서해의 큰 조차, 남해의 리아스·반폐쇄성 만, 동해의 파랑 지배 및 하구역, 항만의 폐쇄성 등) 수리·지형 환경을 반영한 것으로 보인다. 5년 동안 입도의 경향은 안정적이었다. 유기물은 세립질 및 체류시간이 긴 수역(남해안의 다도해 만, 항만, 서해안의 내만)에서 높았고, 평균입도와 강열감량, 화학적산소요구량 및 산휘발성황화물 사이에 유의한 양의 상관이 확인되었다. 동해안 일부는 지형적 요인으로 함량과 변동폭이 낮았으며, 항만은 오염원의 영향으로 세립화와 유기물 축적이 뚜렷했다. 중금속은 해역별 뚜렷한 차이를 보였다. 서해안은 대부분 중금속이 낮았지만 망간은 매우 높고 변동성이 컸다. 남해안은 알루미늄과 철 등 보존성 원소가 높아 세립질 영향이 두드러졌고, 동해안은 비소, 납, 아연 및 수은 등 오염형 중금속이 상대적으로 높아 산업단지 및 항만 영향이 시사되었다. 항만은 전반적으로 중금속 농도가 높으며 특히 구리, 아연, 납 및 수은이 두드러져 선박 기원에 의한 영향을 시사하였다.
상관구조와 R-mode 요인분석 결과 금속 분포의 지배 인자는 다섯 가지로 정리된다. 요인1(오염형·황친화 금속군: 납–아연–카드뮴–수은–구리)은 항만·내만의 국지적 인위 기여와 황화물 결합/공침에 의해 함께 상승하는 신호, 요인 2(입도/보존성 원소-유기물 결합: 리튬–평균입도–알루미늄–강열감량–화학적산소요구량)는 세립화·점토/알루미노규산염 증가로 표면적과 유기물 축적이 동반되는 기질 요인, 요인 3(전이금속–철 산화물 매개: 니켈–크롬–철–코발트)은 산화적 조건에서 철(수)산화물 표면의 흡착·공침에 의해 제어되는 군, 요인 4(환원성–비소 결합: 산휘발성황화물–화학적산소요구량–비소)는 유기물 분해로 형성된 환원 환경에서 비소의 재분배가 강화되는 요인, 요인 5(망간 산화물/독립 변동: 망간)는 망간 산화물의 형성·용해와 선택적 흡착에 따른 독립적 변동으로 설명된다.
오염도 지수 평가에서 농축계수는 다수 금속이 경미한 농축인 반면 비소가 일관되게 높았다. 항만만 보면 평균 농축계수가 비소 10.1, 구리 5.0, 카드뮴 4.5, 아연 3.4로 오염 신호가 강했다. 오염부하량지수는 남·동해안 일부의 만 및 항만에서 보통~높은 오염, 서해안은 비오염~보통이 우세했다. 동해안은 공업단지, 항만 하구역 및 내만, 남해는 항 및 내만에 집중 상승이 나타났다. 생태계위해도지수는 동해안 > 항 > 남해안 > 서해안 순으로 높았으며, 고독성인 수은, 카드뮴과 일부 해역의 비소의 기여가 큰 역할을 했다. 해양환경기준(TEL/PEL) 비교에서는 니켈, 크롬, 구리, 아연과 수은이 일부 항만 및 내만에서 TEL 초과, 국지적으로 PEL 초과까지 나타나 저서생물 영향 가능성 정점이 나타났다.
결론적으로, 한반도 연안 금속 분포와 시간 변동은 (i) 황친화 오염금속군의 국지적·인위적 기여(항·하구·내만), (ii) 세립화·점토/알루미노규산염 증가에 따른 보존성 원소–입도 결합, (iii) 전이금속의 철(수)산화물 매개 거동, (iv) 환원환경에서의 비소 재분배, (v) 망간 산화물의 독립적 변동과 선택적 흡착의 상호작용으로 설명된다. 보존성원소(알루미늄과 철)와 오염지표(농축계수, 오염부하량지수, 생태계위해도지수, 해양환경기준)를 결합한 체계는 배경농도–농축–오염–잠재위해성–생물영향을 연결하는 증거 기반 관리 도구로 유효하며, 요인과 관리항목 및 정점에서 지속적인 모니터링 변화를 파악하여 정량적인 관리체계가 필요할 것으로 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Using national monitoring data (2020–2024), this study comparatively synthesized the geochemical characteristics of surficial sediments from the West, South, and East Coasts of Korea and from major Harbors to elucidate the spatiotemporal variability of coastal material cycling and contamination indicators. The study domain is shaped by interacting natural and anthropogenic drivers(tides, currents, waves, riverine inputs, coastal development) that control sediment composition and distribution across space and time. Adopting a source–pathway–sink perspective, we interpreted particle transport, sorption, and resuspension mechanisms and attributed observed changes.
Methodologically, 960 surficial sediment samples were collected over five years from 192 stations distributed across the west, south, and east coasts and within harbors. We analyzed grain size, organic matter indicators—Ignition Loss(IL), Chemical Oxygen Demand(COD) and Acid Volatile Sulfide(AVS) and metals(Al, Fe, Mn, Zn, Cr, Li, Cu, Pb, Ni, Co, As, Cd, Hg). Statistical analyses, contamination indices[Enrichment Factor(EF), Pollution Load Index(PLI), Ecological Risk Index(ERI), Sediment Quality Guidelines(SQGs)] and multivariate techniques(correlation and R-mode factor analysis) were employed to evaluate the behavior of conservative versus contamination-prone elements.
Key results indicate that grain size was coarser on the West Coast (sand-dominated), finer on the South Coast(silt–clay), and mixed along the East Coast and in Harbors; these patterns were stable across years and reflect regional hydrodynamics and geomorphology. Organic matter indicators were elevated in fine-grained, long-residence waters(archipelagoal embayments of the South Coast, Harbors, inner bays of the west) and showed significant positive associations with mean grain size toward finer textures. Harbor stations exhibited pronounced fining and organic accumulation, consistent with structural confinement and adjacent urban/industrial inputs. Metal distributions differed by region: the West Coast generally showed low concentrations but very high and variable Mn; the South Coast exhibited elevated conservative elements(Al, Fe) indicating strong fine-sediment control; the East Coast showed relatively higher As, Pb, Zn, and Hg, consistent with industrial/port influence; Harbors broadly had elevated Cu, Zn, Pb, and Hg, suggestive of shipping-related sources.
Correlation structure and R-mode analysis resolved five orthogonal controls on metal distributions: F1(pollution-type, chalcophile group: Pb–Zn–Cd–Hg–Cu) captures co-enrichment driven by localized anthropogenic inputs in harbors/inner bays and by sulfide binding/co-precipitation; F2 (grain size/conservative–organic coupling: Li–mean grain size–Al–IL–COD) represents fining, clay/aluminosilicate increase, surface-area growth, and co-accumulation of organic matter(including mineral dilution effects); F3(transition metals on Fe-oxides: Ni–Cr–Fe–Co) reflects adsorption/co-precipitation under oxidizing conditions and host-phase control; F4(reducing conditions with As: AVS–COD–As) indicates enhanced As redistribution/mobility under organic-driven reducing conditions; F5(Mn-oxide/independent variability: Mn) reflects formation–dissolution of Mn oxides and their selective sorption role.
Contamination assessments showed that EF suggested background to minor enrichment for most metals but consistently elevated As. In Harbors, mean EF values were high(As 10.1, Cu 5.0, Cd 4.5, Zn 3.4), indicating strong local signals. PLI revealed moderate–high contamination in some embayments of the South/East Coasts and across many Harbor sites, whereas the West Coast was largely unpolluted to moderately polluted. ERI ranked: East Coast > Harbor > South Coast > West Coast, driven primarily by Hg and Cd(high toxic-response coefficients) and, locally, As. TEL/PEL comparisons showed frequent TEL exceedances and localized PEL exceedances for Ni, Cr, Cu, Zn, and Hg at harbor/inner-bay stations, pointing to potential benthic effects and priority management sites.
In synthesis, Spatial and temporal metal patterns arise from the interplay of: (i) localized anthropogenic inputs of chalcophile metals in harbors/estuaries; (ii) conservative-element–grain-size coupling associated with fining and clay/aluminosilicate increase; (iii) Fe-(oxyhydr)oxide-mediated behavior of transition metals; (iv) As redistribution under reducing conditions; and (v) independent variability linked to Mn-oxide cycling. Integrating conservative elements(Al, Fe) with EF, PLI, ERI, and TEL/PEL yields an evidence-based framework that links background → enrichment → contamination → potential risk → probable biological effects and supports priority-metal/station designation and sustained, quantitative monitoring.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구배경 1
• 나 연구 내용 및 목적 3
• 2. 재료 및 방법 5
• 가. 연구지역의 개요 5
• 1) 서해안 5
• 2) 남해안 7
• 3) 동해안 10
• 4) 항만 10
• 나. 연구지역의 정점 및 조사시기 11
• 다. 시료 채취 14
• 라. 시료 분석 14
• 1) 입도 14
• 2) 강열감량(Ignition Loss, IL) 18
• 3) 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 18
• 4) 산휘발성황화물(Acid Volatile Sulfide, AVS) 18
• 5) 중금속 19
• 마. 결과 분석 21
• 1) 통계분석 21
• 2) 오염도 평가 22
• 3. 결과 및 고찰 27
• 가. 한반도 연안 퇴적물의 입도 분포 특성 27
• 1) 서·남·동해안 및 항의 입도 특성 27
• 2) 시계열(2020-2024) 입도 변화 40
• 3) 종합 53
• 나. 한반도 연안 퇴적물의 유기물 분포 특성 55
• 1) 유기물의 해역별 특성 55
• 2) 유기물의 시계열 변화 65
• 3) 종합 70
• 다. 퇴적물 중금속의 시·공간적 변화 72
• 1) 중금속 함량의 해역별 특성 72
• 2) 중금속 함량의 시계열 변화 95
• 3) 종합 107
• 라. 중금속 함량 및 분포의 조절요인 110
• 1) 서해안 111
• 2) 남해안 120
• 3) 동해안 124
• 4) 항만 128
• 5) 한반도 연안 132
• 마. 연안 퇴적물의 중금속 오염도 평가 136
• 1) 농축계수(EF) 137
• 2) 오염부하량지수(PLI) 146
• 3) 생태계위해도지수(ERI) 149
• 4) 해양환경기준 153
• 5) 종합 157
• 4. 요약 및 결론 159
• 참고문헌 163
• ABSTRACT 173
• APPENDIX 177