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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.28 No.4 pp.333-341
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2015.28.4.333

Mineralogical Characteristic and Occurrence of Tremolite and Actinolite in the Dong-A mine, Korea

Seong Ho Kim1, Jeong Jin Kim2*
(SINWON INDUSTRIAL CO.,LTD.)
(Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong, Korea)
Corresponding author: +82-54-820-5038, jjkim@andong.ac.kr
December 4, 2015 December 16, 2015 December 18, 2015

Abstract

As results of X-ray diffraction analysis, samples of asbestos and soil were composed maily of dolomite (CaMg(CO3)2, tremolite (Ca2Mg5Si18O22(OH)2), actinolite (Ca(Mg, Fe)6Si8O22(OH)2), talc (Mg3Si4O10(OH)2), calcite (CaCO3) and small amounts of quartz (SiO2) and clay minerals. The average size of asbestos fibers was about 100 μm and maximum of some asbestos was 250.0 μm in length. The aspect ratio of asbestos fiber were over 3 : 1 and inclined extinction in the range of 8.0-19.5°. Single isolated fragments of asbestos are probably fiber and acicula form in crystal edge along the cleavage plane. Tremolite that composed main asbestos mineral in rock and soil around Dong-a mine is higher content of Fe than actinolite asbestos.


동아광산 일대 투각섬석과 양기석의 산출상태 및 광물학적 특성 연구

김 성호1, 김 정진2*
1신원산업
2안동대학교 지구환경과학과

초록

동아광산에서 채취한 암석 시료의 X-선 회절분석 결과 주 구성광물은 백운석(Dolomite : CaMg(Co3)2, 투각섬석(Tremolite : Ca2Mg5Si18O22(OH)2), 활석(Talc : Mg3Si4O10(OH)2), 방해석(Calcite : CaCO3)이며, 소량의 석영(Quartz : SiO2)을 포함하고 있다. 편광현미경 관찰 결과 종횡비는 일반적으 로 정의하는 3 : 1의 수치보다 높은 값을 나타내며 신장방향에 대한 소광각은 8.0-19.5°의 범위로 사 소광을 나타낸다. 주사전자현미경 관찰 결과 석면의 장경은 5 μm 이상이고 최대 250 μm 정도이며 종 횡비는 3 : 1 정도이다. 암석시료에서 나타나는 석면결정은 벽개면을 따라 성장하고 있으며 결정의 끝 부분이 침상형태를 나타낸다. 에너지분산분광분석결과 투각섬석이 주 구성광물인 시료는 대체로 Fe의 함량이 높게 나타난다.


    Andong National University

    서 언

    고대 그리스 철학자들이 쓰는 두 가지 단어(amiantos, asvestos)의 사용으로 추정되는 asbestos, asbestus, asbestion, asbest, asbeste, asbeston, abeston, amiantos, amiantus, amianthus, aminant, amiante의 석면광물을 나타내는 다양한 단어들이 고대에 사용되었다. 고대 그리스 작가의 일부는 생 석회라는 의미에 asvestos를 사용했다. 로마인들은 전투에서 적들을 질식시키기 위해 사용되었던 생 석회를 석면이라 오역하는 것에서 유래하여 본래 석면이 가진 위험성에 대해 인지하고 있었다 (Browne and Murray, 1990). 19세기로 접어들면 서 석면에 광물학적 및 화학적 사용으로 과학의 발 전과 함께 새로운 의미를 취하게 되었다. 일반적인 바늘모양의 침상 또는 사방정계 형태 결정으로서 보다 높은 인장 강도와 탄력성을 가진 석면류의 광 물결정은 19세기 광물학자들에게 알려졌다(Zoltai, 1978; Langer et al., 1979, Langer and Addison, 1991). 이후로 제1차 세계대전을 거치며 1916년에 각섬석계와 투각섬석계의 화학식이 알려지고 X-선 회절분석방법의 발견으로 수많은 화학식이 보고되 었다.

    19세기부터 20세기에 발견된 자연계에 존재하는 6종의 섬유상 광물질을 칭하는 석면은 크게 사문석 계와 각섬석계의 2가지 광물 군으로 구분할 수 있 다. 사문석계에 속하는 석면(Guthfic and Mossman, 1993)은 백석면(chrysotile)이 있으며 갈석면(amosite), 청석면(crocidolite), 안소필라이트(anthophyllite), 투 각섬석(tremolite), 엑티놀라이트(actinolite)는 각섬 석계의 석면으로 구분된다.

    모든 섬유 또는 섬유상 광물은 석면형이 아니고 석면형이라고 불리는 모든 섬유상 광물은 석면이 아니라는 것을 보여준다(Addison and McConnel, 2008). 때문에 많은 사람들이 오해를 하고 있는 투 각섬석이나 양기석이 나오면 무조건 석면이라는 오류를 범한다. 천연에서 산출되는 활석에는 투각 섬석이 흔히 수반되어 나타나기 때문에 활석의 산 출지에 따라 원광의 선광 과정에서 투각섬석이 쉽 게 함유될 수 있어 모든 섬유형태의 유무에 따라 석면질, 비석면질로 반드시 구별해야 된다. 석면은 천연에서 생산되는 섬유상 형태를 갖고 있는 규산 염 광물류로 긴 섬유의 모양, 높은 인장강도 및 탄 력성, 낮은 열전도성, 높은 흡수성, 산이나 알칼리 등에 강하고 탄탄하며 잘 변화하지 않는다는 특성 을 갖고 있다.

    건강과 관련하여 석면은 장 관련 암과 인두암, 유방암, 신장암 등과 관계가 있다(Frumkin and Berlin, 1988; Maclure, 1987). 석면 노출과 폐암 발생과의 관계에 대한 많은 연구들도 석면의 노출 되면 석면의 종류에 상관없이 통계적으로 폐암 사 망위험을 증가시킨다고 보고하고 있다(Amandus et al., 1987; Klerk et al., 1996; Enterline., 1987; Seidman., 1979). 한국의 경우도 최근 충남 홍성과 광천 지역에 석면이 함유된 사문석, 활석 광산 (Song and Song 2001; Woo and Seo, 2000) 등이 분포하고 있고 충북제천, 강원 영월에 이어 경북 영주에서도 오염된 사실이 알려짐에 따라 본격적 인 폐석면 광산 주변지역에 대한 환경영향 조사를 추진키로 하는 등 국내 석면 관련 광산 지역 오염 여부에 대한 관심이 증대되고 있다. 국내의 경우 건강과 관련된 연구 보다 백운석광산에서의 석면 의 산출상태, 투각섬석이나 양기석에 대한 특성연 구 등과 같은 지질학적 특성과 관련된 연구가 많이 진행되었다(Yoon et al., 2010; Jeong and Choi, 2012; Song et al., 2013).

    본 연구에서 대상이 되는 투각섬석(tremolite)은 일반적으로 유해성이 가장 큰 것으로 알려진 청석 면보다 유해성이 더욱 높은 것으로 알려지고 있다 (Stanton et al., 1981). 본 연구에서는 1920년대부 터 1960년대까지 ‘지피’라고 불리는 투각섬석 계 열의 석면을 채굴했던 동아광산에서 산출되는 석 면의 광물학적 특성과 산출상태를 밝히는 데 그 목 적이 있다.

    연구지역 개요

    본 지역의 지질은 하부로부터 백운석, 석회암 및 석회규산염암으로 구성되어 있으며, 단양과 영춘지 역의 석회암 하부에 백운석이 분포하는 현상과 유 사한 점으로 보아 본 층은 대석회암층 중 상위에 속 하는 오르도비스기로 추정하고 있다(Fig. 1). 연구지 역 동쪽에는 흑운모화강암에 의하여 관입되어 분포 한다. 불국사층의 흑운모화강암에 의하여 관입되어 독립적으로 분포함으로 대석회암층과 부정합관계로 상부에 놓이며 대동계 지층보다 하위인 것으로 보인 다(Lee and Park, 1965). 본 연구지역인 동아광산은 충청북도 제천시 수산면에 소재하는 위치하고 있으 며, 지리좌표 상으로 경도 : 128:11:27.4, 위도 : 36:56:54.6, TM 좌표 305824.571, 383958.299에 위 치한다. 본 연구 지역인 동아광산에 대한 석면 생 산량에 대한 정보는 거의 없지만 1941년 전국 석 면 생산량의 90%를 차지했다는 기록이 있다. 본 연구 지역은 국내에서는 보기 드물게 석회암 내에 석면이 배태되어있으며 광범위하게 광산주변이 오 염되어 석면 노출 위험성이 높아 이에 대한 대책 수립이 시급한 지역이다.

    광산현황

    과거에 채광당시의 갱구는 개방된 상태이고 갱 내부에로부터 유출된 갱내수는 주변의 소하천으로 유입되고 있다(Fig. 2A). 갱내수가 유입되는 소하 천 바닥에는 소량의 흰색의 침전물이 존재한다. 갱 입구는 수풀로 덮여있으며, 광해관리공단에서 출입 제한 팻말을 설치해 놓은 상태이다(Fig. 2B, C). 갱입구 주변은 정지작업을 한 상태이고 자생 식물 이 자라고 있다(Fig. 2D). 광산 주변 및 농경지에 석면이 포함된 암석이 방치되어 있는 곳도 있다. 광산으로부터 약 500 m 떨어진 지역에 위치한 채 석장은 인근 마을에 석면에 의한 오염 가능성이 있 고 한국석면추방네트워크에 의해 석면 오염이 확 인되었지만 아직 방지 시설 설치는 미흡한 수준이 다(Fig. 3). 광산주변에는 버려진 폐석들이 다수 존 재하며 골재 채취를 위한 채석장은 채취한 골재가 여러 곳에 산재해 있다. 골재 적치장은 유실을 방 지하기 위하여 그물망으로 덮어놓은 곳도 있지만 근본적으로 오염물질이 빗물에 의해 유실되거나 바람에 의해 비산되어 주변으로 확산되는 것을 방 지하기 위한 시설로는 미흡한 상태이다. 노두상에 서 석면 광물의 산출 상태는 맥상, 방사상, 광염상 등 매우 다양하게 나타난다(Fig. 4).

    연구방법

    암석시료 및 토양시료 채취

    시료 채취는 동아광산을 기준으로 1 km 이내에 서 암석과 토양시료를 구분하여 채취하였다(Fig. 5). 암석시료는 시료번호 DG-1, DG-2, DG-3, DG-9로 석면을 포함하고 있으며, 갱구 주변에 적치되어있 는 폐석 적치장에서 채취하였다. 토양 시료는 시료 번호 DG-4, DG-5, DG-6, DG-7, DG-8로 석면의 비산을 방지하기 위해 적당히 물을 뿌려 습윤화시 킨 후 모종삽을 이용하여 5-10개의 부시료를 취합 하여 최대한 균질화하여 1개의 시료로 선정하였다.

    기기분석

    자연발생석면은 활석과 수반될 경우 석면과 같 이 가열과 산 처리에 강하기 때문에 실내의 건축자 재의 석면 분석 방법으로 분석하기 힘들기 때문에 다양한 분석방법을 활용해야 한다. 암석시료 및 토 양시료는 기본적으로 광물로 구성되어 있기 때문 에 X-선 회절분석(Rigaku사의 D/max 2000, scanning time 1 sec, 5~60°, step 0.02, CuKα)과 편 광현미경으로 실험하였으며, 미세구조와 형태, 구 성성분의 정성⋅정량분석을 위해 주사전자현미경 (JEOL- JSM-6300 SEM&EDS) 관찰을 실시하였 다. 구성광물의 결정학적 특성을 알아보기 위하여 편광현미경(Nikon/JP/ECLIPSE LV 100POL) 관찰 을 수행하였으며, 결정의 형태, 화학 조성, 결정 구조 를 밝히기 위하여 투과전자현미경(Jeol사의 JEM-2010) 분석을 수행하였다.

    연구 결과

    X-선 회절분석

    9개의 시료에 대한 X-선 회절분석(XRD) 결과 암석 시료를 구성하고 있는 주 광물은 백운석 [Dolomite : CaMg(CO3)2], 투각섬석[Tremolite : Ca2Mg5Si8O22(OH)2], 양기석 혹은 녹섬석[Acti nolite : Ca2(Mg, Fe)5Si8O22(OH)2], 활석[Talc : Mg3Si4O10(OH)2], 방해석[Calcite : CaCO3]이며, DG-01 에서 소량의 석영[Quartz : SiO2]을 포함하고 있다 (Fig. 6). 시료 DG-02는 방해석, 활석, 투각섬석이 주 구성광물이며, DG-03의 경우 구성광물은 양기 석과 백운석이지만, 대부분은 백운석이고 미량의 양 기석을 포함하고 있다. DG-04의 주 구성광물은 석 영이며 소량의 투각섬석을 포함하고 있다. DG-05 의 주 구성광물은 백운석과 석영이며 석면광물인 투각섬석을 소량 포함하고 있다. DG-06의 주 구성 광물은 석영과 투각섬석이며, DG-07은 방해석, 석 영, 양기석이다. DG-08의 주구성광물은 백운석, 석 영, 투각섬석이며, DG-09는 약간의 점토광물을 포 함하고 있지만 대부분 양기석으로 구성되어 있다. 토양시료의 주 구성광물은 석면 광물인 투각섬석, 양기석과 석영, 방해석이며 소량의 점토광물을 포 함하고 있다(Table 1). 폐석의 주 구성광물은 대부 분 석면광물과 방해석, 백운석, 활석으로 구성되어 있지만, 폐석 주변에서 채취한 토양시료의 경우 석 영과 점토광물을 포함하고 있다. 따라서 석면광물 을 다량 포함한 폐석이나 이들의 분진이 주변 농경 지 토양으로 유입될 경우 농경지 토양에도 다량의 석면광물을 포함할 가능성이 충분하다.

    주사전자현미경(SEM)

    주사전자현미경 관찰 결과 일반적으로 석면으로 정의하는 5 μm 이상이고 종횡비 3 : 1의 침상 결 정은 9개의 모든 시료에서 쉽게 관찰할 수 있다. 투각섬석이 주 석면광물인 DG-01, DG-02, DG-04, DG-05, DG-06, DG-08.DG-09와 양기석이 주구성 광물인 DG-03, DG-07에서 나타나는 결정의 형태 는 약간의 차이를 나타낸다(Fig. 7). 양기석은 섬유 상의 광물이 다발형태를 이루고 있지만 투각섬석 은 섬유상의 결정이 분리되어 있거나 주상 또는 침 상의 형태로 나타난다. 이들에 대한 에너지분산분 광분석(EDS) 결과 양기석이 주구성광물인 DG-03 과 DG-07의 시료에서 대체로 Fe의 함량이 높게 나타난다(Table 2).

    편광현미경(PLM)

    투각섬석의 확인을 위하여 DG-02 시료를 대표 시료로 정하고 암석박편을 제작하였으며 Fig. 8에 나타내었다. 침상의 결정들이 벽개면을 따라 생성 되는 모습을 보이며 전체적으로 섬유상 또는 침상 에 가깝다. 장축방향으로 50 μm 이하의 미세입자 들도 다수 관찰되며, 최대 250 μm 이상으로 나타 난다. 종횡비는 일반적으로 정의하는 3 : 1의 수치 보다 높은 값을 나타내며 신장방향에 대한 소광각 은 8°-19.5°의 범위로 사소광을 나타낸다.

    투과전자현미경(TEM)

    투과전자현미경은 수만 배에 이르는 높은 배율 로 확대할 수 있어서 미세한 석면 섬유들을 상세하 게 관찰하고 유형별로 정확히 감정할 수 있는 장점 이 있다(최진범, 2010). DG-02의 암석시료를 대상 으로 결정이 변형되지 않도록 부드럽게 분쇄한 후 탄소로 코팅된 구리망의 그리드에 시료를 장치하여 투과전자현미경 관찰을 수행하였다. 투각섬석을 투 과전자현미경으로 관찰시 독특한 형태학적인 섬유 관 내에 결정화의 형태를 관찰할 수 있다(Malcolm Ross, 2008). 투각섬석은 섬유상의 형태를 보이고 약 5 μm의 길이를 나타낸다(Fig. 9A, B). 40,000 배율에서 투각섬석이 튜브형태의 모습을 보이는 것을 관찰 할 수 있으며, 250000배 배율에서 관찰 할 경우 결정무늬를 관찰할 수 있다(Fig. 9C, D). SAED (selected area electron diffraction)로 결정 의 회절패턴에서 나타난 각각의 spot과 X-선회절 분석의 격자 간격을 분석한 결과 거의 일치하는 것 을 알 수 있다(Table 3).

    결 론

    1941년 생산된 석면량이 전국의 90%를 차지하 며 충남 광천광산보다 많은 석면을 생산했다는 기 록이 알려진 제천시 수산면에 위치하는 동아광산 의 지질은 오르도비스기 대석회암층과 두무산을 중심으로 북북서 방향으로 구곡리를 지나 수직단 층에 의하여 상부 석회암과 접하는 백운석으로 구 성되어 있다. 두무산 산정 부근 및 북측 백운석 중 에서 주변부에 관입한 흑운모화강암에 의하여 교 대 생성된 투각섬석대가 배태되며 부분적으로 밀 집 생성되어 흑운모화강암에 의한 변질영역이 넓 다. 동아광산 주변에서 흑운모화강암이 보이지 않 고 대부분이 방해석과 백운석의 광물들로 투휘석 을 수반하며 투각섬석이 드넓게 관찰되는 것으로 볼 때 백운암질 석회암의 접촉 또는 광역변성작용 에 의해 생성되었을 것이라고 판단된다.

    광산 주변에 방치된 암석 4곳, 토양시료 5곳에서 채취한 시료의 X-선 회절분석 결과 암석시료의 주 구성광물은 백운석, 투각섬석, 양기석, 활석, 방해 석이며, DG1에서 소량의 석영을 포함하고 있지만 토양시료의 주 구성광물과 거의 유사하다. 투각섬 석의 경우 토양에서 투각섬석 보다 신선한 암석 내 의 투각섬석이 섬유상 내지 침상형을 나타내며 암 석시료보다 좀 더 넓은 회절선을 나타내고 강도가 약하게 나타났다.

    주사전자현미경 관찰 결과 주로 Fe, Si, Ca, Mg 를 함유하며 길이가 5 μm 이상이고 종횡비 3 : 1 의 암석시료와 토양시료에서 나타나는 석면결정은 부분적으로 벽개면을 따라 생성된 모습을 나타내 기도 하며 결정의 끝부분에 침상이 생성되어 있는 모습이 나타난다.

    대표시료 DG2에서 보이는 편광현미경에서 투각 섬석은 침상의 결정들이 벽개면을 따라 생성되는 듯한 모습을 보이며 8°-19.5°의 사소광의 성질을 나타내고 전체적으로 섬유상 또는 침상에 가깝다. 편광현미경의 분해력 한계로 인하여 수만 배에 이 르는 높은 배율로 미세구조를 관찰한 투과전자현 미경 관찰 결과 튜브형태의 모습을 보이고 SAED 관찰로 투각섬석임을 알 수 있다.

    Figure

    JMSK-28-333_F1.gif

    Geological and location map of the study area.

    JMSK-28-333_F2.gif

    The scene of pit mouth in the Dong-A mine area.

    JMSK-28-333_F3.gif

    Quarry and goaf around Dong-a asbestos mine area.

    JMSK-28-333_F4.gif

    Occurrence of asbestos in outcrop around the Dong-a asbestos mine area.

    JMSK-28-333_F5.gif

    Sampling sites of the rock and soil in the Dong-a mine area.

    JMSK-28-333_F6.gif

    X-ray diffraction patterns of rock and soil sample. rock sample : DG-01, DG-02, DG-03, DG-09, soil sample : DG-04, DG-05, DG-06, DG-07, DG-08.

    JMSK-28-333_F7.gif

    SEM microphotographs and EDS pattern of asbestos mineral from Dong-A mine (DG-01 : Tremolite, DG-02 : Tremolite, DG-03 : Actinolite, DG-04 : Tremolite, DG-05 : Tremolite, DG-06 : Tremolite, DG-07 : Actinolite, DG-08 : Tremolite, DG-09 : Tremolite).

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    Microphotographs of tremolite from Dong-A mine.

    JMSK-28-333_F9.gif

    TEM photomicrograph and SAED pattern of the tremolite asbestos from Dong-A mine (A : 25,000X magnification. B : 100,000X magnification. C : 250,000X magnification).

    Table

    Main minerals compositions of rock and soil samples in Dong-a mine

    Chemical compositions of asbestos mineral analyzed by EDS; DG1-DG9

    The d-value of XRD and SAED data of tremolite

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