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구룡광산 광미층의 심도변화에 따른 물리.화학적 및 광물학적 특성
문용희,김정연,송윤구,문희수,Moon, Yong-Hee,Kim, Jeong-Yeon,Song, Yun-Goo,Moon, Hi-Soo 대한자원환경지질학회 2008 자원환경지질 Vol.41 No.2
본 연구에서는 구룡광산에 적치된 광미층으로 부터 채취된 대표 비교란 코어시료를 대상으로 체계적인 물리 화학적 및 광물학적 특성을 심도별로 정량적으로 파악, 중금속 거동 핵심 영향요소를 기준으로 광미층 수직분대를 시도하고, 이를 기초로 광미층 비포화대-포화대에 걸친 원소 거동과 지화학적 조건과의 상관모델을 제시하고자 한다. 구룡광산의 대상 광미층은 화학적으로 지하수면을 경계로 상부층 구간에서의 낮은 pH(4)와 20wt.% 이상의 높은 $Fe_2O_3$ 및 $SO_3$ 함량에 의해 특징지어진다. 물리 화학적 및 광물학적 분석 자료를 고려하여 구룡광산 광미층을 심도증가에 따라 복토층, jarosite zone, Fe-sulfate zone, Fe-oxyhydroxide zone, gypsum-bearing pyrite zone, calcite-bearing pyrite zone, soil zone(광미층 집적 이전 토양층), weathered zone 등 7개분대로 구분할 수 있으며, 새로 생성된 이차광물상의 특성을 고려할 때 지하수면을 기준으로 상부층을 산화대(oxidation zone)로, 하부층을 비산화대(unoxidation zone), 혹은 carbonate-rich primary zone으로 크게 대분할 수 있다. 본 연구결과를 기초로 구룡광산 광미층의 물리 화학적 및 광물학적 변화를 지하수면 상부층에서의 황화광물, 특히 황철석의 산화반응이 핵심요소가 되어, 이로 인한 pH 값의 감소, 일차광물의 용해반응 및 원소 용출, 이차광물상 생성, 그리고 생성된 산의 탄산염 및 규산염광물에 의한 산-중화반응 등 일련의 지화학적 반응으로 설명할 수 있다. This study is focused on characterization of the physio-chemical and mineralogical properties, investigation of their vertical changes in the tailing profile of the Guryoung mining area, classification of the profile into distinct zones, and condition conceptual model of physio-chemical conditions and phases-water relationships controlling the element behaviors in the tailings. The upper part of the groundwater is characterized by the high contents of $Fe_2O_3$ and $SO_3$ for whole rock analysis, low pH, and the occurrence of jarosite, schwertmannite and Fe-oxyhydroxide as the secondary mineral phases. The tailing profile can be divided into the covering soil, jarosite zone, Fe-sulfate zone, Fe-oxyhydroxide and gypsum-bearing pyrite zone, calcite-bearing pyrite zone, soil zone, and weathered zone on the based of the geochemical and mineralogical characteristics. The profile can be sampled into the oxidized zone and the carbonate-rich primary zone with the dramatic changes in pH and the secondary mineral phases. The conceptual model proposed for the tailing profile can be summarized that the oxidation of pyrite is the most important reaction controlling the changes in pH, the dissolution of the primary silicates and carbonates, the precipitation of secondary mineral phases, acid-neutralizing, and heavy metal behaviors through the profile.
해성단구지에서 발달된 강릉통의 이쇄경반층(Btx) 토양의 산화.환원적 특성에 관한 연구
장용선,문용희,손연규,현병근,박찬원,윤성원,Zhang, Yong-Seon,Moon, Yong-Hee,Sonn, Yeon-Kyu,Hyun, Byung-Keun,Park, Chan-Won,Yoon, Sung-Won 대한자원환경지질학회 2012 자원환경지질 Vol.45 No.2
Soil pan typically presents the problems in soil water movement or in aeration which is not appropriate for a plant root growth, In this study physico-chemical characteristics of soils and micromorphological characteristic of clay accumulated zone were investigated to identify redox characteristic and evolution of a fragipan of Gangreung series commonly developed in coastal terraces. Gangreung series is classified as Aquic Fragiudalfs according to the USDA soil taxonomy. It is known that sedimentary ocean floor results in soil pan having parallel liner soil structure due to landscape evolution around 200 to 250 million years ago. it is considered that illite, kaolinite, and vermiculite are major clay minerals contained in a fragipan of Gangreung series. Mixed gray and reddish brown colored band around soil pores was found and would be the redoxmorphic features of fragipan. It is possibly due to accumulated illuvial clay and ferriargillans in soil pores and aggregates in reducing conditions eluding ferrous material. Therefore, mixed colored band around pores in soils of Gangreung series would be developed from the eluted ferrous materials which were accumulated in fragipan during the emerged land formation. 반층토(Hardpan)는 토양수분의 이동 제한이나 토층의 통기불량을 유발하여 식물뿌리 신장을 저해하므로 해성단구지에서 발달된 강릉통(Gangreung series)의 경반층(Duripan)의 생성 원인과 산화 환원적 특성을 규명하기 위하여 토양의 물리-화학적 특성과 점토집적층의 미세형태적 특성을 규명하였다. 강릉통은 신생대 제3기말에서 제4기 초인 200~250만년 전 바다 밑에 퇴적되어 있던 해저지형이 융기되어 형성된 반층 토양으로 토양구조가 평형적(Parallel liner) 분포를 보이며 미농무성 분류법에 따르면 Aquic Fragiudalfs에 속한다. 이쇄경반층(Fragipan)의 산화 환원적 특성을 보이는 적갈색띠층과 회색띠층의 광물학적 특성은 적갈색 띠층에서는 적철석(Hematite, $Fe_2O_3$)이 정성되었으며 회색 띠층에서는 일라이트 강도가 크게 나타났다. 토양입단 및 공극에 집적된 점토(Illuvial clay) 및 철피막(Ferriargillans)이 토층 상부의 유기물이 함유된 토양용액이 토양구조 내 공극에 정체하면서 환원조건을 유발하여 집적된 점토 및 철피막 중에서 철성분(Ferrous materials)이 공극에서부터 용출되면서 현재와 같이 적색층과 암회색층이 교호하는 특징을 보이는 것으로 생각된다. 강릉통에서 이쇄경반층의 주요한 점토광물은 알라이트(Illite), 카올리나이트(Kaolinite), 질석(Vermiculite)이며 적색띠층에 비해 암회색층에서 일라이트 함량이 높게 나타났다. 따라서 강릉통은 해저지형이 융기되는 과정에서 점토 및 철성분의 집적과 압력의 영향으로 경반층이 형성된 후 이쇄경반층에 집적되었던 철성분이 용출되면서 적색층과 암회색층이 교호하는 특징을 보이고 있었다.
장용선(Yong-Seon Zhang),이계준(Gye-Jun Lee),이정태(Jeong-Tae Lee),황선웅(Seon-Woong Hwang),진용익(Yong-Ik Jin),박찬원(Chan-Won Park),문용희(Yong-Hee Moon) 한국토양비료학회 2009 한국토양비료학회지 Vol.42 No.5
레이저 유도붕괴 분광법(LIBS)은 물질상태(고체, 액체, 기체)에 상관없이 신체 접촉시 오염 우려 및 미량 시료도 전처리 없이 동시에 많은 종류의 원소 분석으로 분석과정이 단순하고 신속하게 분석이 가능하며, 소형화된 레이저의 개발로 시료의 직접적인 채취가 어려운 조건의 현장분석에도 적합하다. 농산물 안정성 평가나 친환경 농업 및 정밀농업을 위한 조사 등에 활용될 수 있는 비파괴 실시간 정량분석기술로서 LIBS 분석법의 토양분석 가능성을 평가하고자 표준광물, 미국의 표준기술연구소의 표준토양, 미국 테네시주 초지 및 밭토양을 대상으로 토양 구성성분의 정성ㆍ정량적 분석에 필요한 측정조건을 조사하고 이를 토대로 LIBS에 의한 농도값과 기존의 화학분석법을 통해 측정한 결과를 비교하였다. LIBS 측정은 펄스형 Nd:YAG 레이저(Minilite Ⅱ, Continuum, Santa Clara, CA)에서 나오는 1064 ㎚ 에너지 파장의 광원을 시편의 플라즈마를 생성시키는데 사용하였고, 25 mJ/pulse 여기 에너지 빔을 펄스폭 35 ns, 펄스 반복 주기 10 ㎐, 노출시간 10 s 동안 시료의 표면에 조사하였다. LIBS 분광은 0.03 ㎚의 해상력으로 200 ㎚에서 600 ㎚의 영역에서 50 m 이하로 분쇄하여 원형 펠렛 형태로 압축시킨 시료를 10 rpm의 속도로 회전시키면서 상온 상압의 실험실 조건에서 수행되었다. LIBS를 이용한 토양 중 주요한 원소의 적정 파장(㎚)은 Al(I) 309.2 ㎚, Ca(I) 422.6 ㎚, Fe(I) 406.4 ㎚, Mg(I) 285.2 ㎚, Na(I) 589.2 ㎚, Si(I) 288.2 ㎚, Ti(I) 398.9 ㎚ 이었다. LIBS의 피크강도가 물질 중 원소의 농도가 증가됨에 따라 각 원소의 특정 파장대에서 일정하게 증가되는 것으로 나타나고 있으나 표준물질의 LIBS의 신호비와 원소비를 통해 측정된 검량곡선의 상관계수(r2)는 0.863에서 0.977의 범위로 원소별로 상이할 뿐만 아니라 0.98에 미치지 못하였다. 또한, 토양중 분석대상원소에 대하여 기존 ICP-AES에 의한 표준방법으로 분석된 시료의 측정값과 비교하여 상대적인 오차는 대략적으로 (-)40%에서 80%이상이며, 평균오차는 32.2%로 표준척도 20% 이상을 초과하였다. LIBS에 의한 토양분석은 토양의 조성과 입자의 크기에 따른 매질효과(matrix effect)로 표준물질의 검량곡선에서 결정계수가 낮고, 원소별 함량도 기준의 표준방법과 비교할 때 오차가 컸다. 따라서 LIBS에 의한 토양분석은 정성적인 분석 수준의 정밀도를 보였으며, 토양 매질의 영향을 최소화하기 위하여 기존의 분쇄ㆍ펠렛형 시료조제 및 회전측정 이외의 다양한 토양매질의 표준물질(standard reference material)의 확보, 새로운 전처리 방법 및 측정상 방법개선 등 신뢰성 있는 정량 분석을 위한 노력이 필요할 것으로 사료된다. Laser induced breakdown spectroscopy(LIBS) is an simple analysis method for directly quantifying many kinds of soil micro-elements on site using a small size of laser without pre-treatment at any property of materials(solid, liquid and gas). The purpose of this study were to find an optimum condition of the LIBS measurement including wavelengths for quantifying soil elements, to relate spectral properties to the concentration of soil elements using LIBS as a simultaneous un-breakdown quantitative analysis technology, which can be applied for the safety assessment of agricultural products and precision agriculture, and to compare the results with a standardized chemical analysis method. Soil samples classified as fine-silty, mixed, thermic Typic Hapludalf(Memphis series) from grassland and uplands in Tennessee, USA were collected, crushed, and prepared for further analysis or LIBS measurement. The samples were measured using LIBS ranged from 200 to 600 ㎚(0.03 ㎚ interval) with a Nd:YAG laser at 532 ㎚, with a beam energy of 25 mJ per pulse, a pulse width of 5 ns, and a repetition rate of 10 ㎐. The optimum wavelength(λ㎚) of LIBS for estimating soil and plant elements were 308.2 ㎚ for Al, 428.3 ㎚ for Ca , 247.8 ㎚ for T-C, 438.3 ㎚ for Fe, 766.5 ㎚ for K , 85.2 ㎚ for Mg, 330.2 ㎚ for Na, 213.6 ㎚ for P, 180.7 ㎚ for S, 288.2 ㎚ for Si, and 351.9 ㎚ for Ti, respectively. Coefficients of determination(r²) of calibration curve using standard reference soil samples for each element from LIBS measurement were ranged from 0.863 to 0.977. In comparison with ICP-AES(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy) measurement, measurement error in terms of relative standard error were calculated. Silicon dioxide(SiO2) concentration estimated from two methods showed good agreement with -3.5% of relative standard error. The relative standard errors for the other elements were high. It implies that the prediction accuracy is low which might be caused by matrix effect such as particle size and constituent of soils. It is necessary to enhance the measurement and prediction accuracy of LIBS by improving pretreatment process, standard reference soil samples, and measurement method for a reliable quantification method.