Mobility of lead (Pb) isotopes during weathering of black shales in central Hunan (China): Implications on Pb isotopes used as an environmental tracer
본 연구는 후난성 중부의 풍화된 흑색 셰일 내 납 동위원소가 비방사성 황철석과 방사성 부성분 광물의 이성분 혼합물에서 유래했음을 입증하며, 이는 풍화 유역에서 자연적 납 오염과 인위적 납 오염을 구분하는 데 있어 효과적인 추적자로서의 유용성을 확인해 준다.
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우리 발밑의 지표면은 좀처럼 정지해 있는 법이 없다. 산이 견고하고 움직임이 없어 보일 때조차도, 그것은 비와 바람, 그리고 열기에 의해 서서히 무너지고 변화한다. 풍화라고 알려진 이 느린 붕괴는 우리의 지형을 형성하고 우리가 먹는 음식을 키워내는 토양에 영양을 공급하는 근본적인 과정이다. 하지만 암석이 부서질 때, 그 안에는 납과 같은 중금속을 포함하여 그 안에 갇혀 있던 원소들도 함께 방출된다. 수십 년 동안 과학자들은 납 원자의 독특한 '지문'을 사용하여 오염원이 어디인지 추적해 왔으며, 이를 통해 인간이 환경에 유입시킨 납과 원래 자연적으로 존재하던 납을 구분해 왔다. 그러나 이 방법은 암석이 풍화되는 동안 자연 상태의 납이 그 자리에 그대로 머물러 있다는 결정적인 가설에 의존한다. 만약 자연적인 납이 암석이 부서짐에 따라 이동하거나 그 특징을 바꾼다면, 어떤 토양 샘플이 깨끗한지 혹은 오염되었는지 구별하기가 훨씬 더 어려워진다. 따라서 납이 풍화 과정 중에 어떻게 행동하는지를 이해하는 것은 환경 건강을 정확하게 모니터링하는 데 필수적이다.
중국 후난성 중앙에서 한 연구팀은 흑색 셰일(black shale)이라 불리는 특정 유형의 암석을 연구함으로써 이 가설을 검증하기로 했다. 이 암석들은 유기물과 황화 광물이 풍부한 것으로 유명하며, 흔히 납과 다른 금속들을 높은 농도로 함유하고 있다. 과학자들은 동핑 마을의 도로 절토부를 주목했는데, 이곳은 5년 전 굴착 작업으로 인해 수직 단면이 노출된 곳이었다. 이 절토부는 풍화가 진행되는 과정을 보여주는 완벽한 횡단면을 드러냈으며, 아래에서 위로 다음과 같은 순서를 보여주었다: 신선하고 풍화되지 않은 검은 암석, 부분적으로 부서진 암석, 완전히 풍화된 암석, 그리고 마지막으로 그 위에 놓인 토양이다. 연구진은 이 프로파일의 모든 층과 현장에서 배수되는 산성수를 샘解析함으로써, 암석이 토양으로 변함에 따라 납이 어떻게 변하는지를 관찰할 수 있었다.
연구팀은 먼저 암석의 기본적인 화학 성분을 조사했다. 그들은 절토부 하단의 신선한 흑색 셰일이 북미에서 발견되는 일반적인 셰일과 유사한 조성을 가지고 있음을 발견했다. 프로파일을 따라 지표면 쪽으로 올라갈수록 암석은 명확한 화학적 변화의 징후를 보였다. 칼슘, 나트륨, 마그네슘과 같이 물에 쉽게 씻겨 내려가는 원소들의 농도는 감소한 반면, 알루미늄의 상대적 함량은 증가했다. 이러한 변화는 암석이 실제로 풍화되고 있음을 확인시켜 주었으며, 상부의 물질이 가장 많이 변형되었음을 보여주었다. 중금속을 측정했을 때, 그들은 복잡한 이야기를 발견했다. 우라늄이나 몰리브덴과 같은 일부 금속은 풍화된 층에서 농도가 높아진 반면, 납, 카드뮴, 니켈을 포함한 다른 금속들은 암석이 부서짐에 따라 실제로 암석에서 소실되었다. 현장에서 배수되는 산성수는 이러한 소실된 금속들이 풍부하게 포함되어 있었는데, 이는 풍화 과정이 지표면으로부터 이들을 능동적으로 씻어내고 있음을 증명했다.
가장 중요한 발견은 납 자체에 관한 것이었다. 하단의 신선하고 풍화되지 않은 암석에서는 납이 매우 가변적인 화학적 지문을 가지고 있었다. 어떤 납은 지질학적 시간 동안 거의 변하지 않은 매우 특정한 '비방사성(unradiogenic)' 지문을 가진 황철석이라는 미세한 광물 입자로부터 왔고, 다른 납은 수백만 년에 걸쳐 진화한 '방사성(radiogenic)' 지문을 가진 다른 광물 및 유기물로부터 왔다. 그러나 암석이 풍화되어 토양으로 변함에 따라 이러한 다양성은 사라졌다. 풍화된 암석과 그 위의 토양에 존재하는 납은 놀라울 정도로 균일해졌다. 연구진은 풍화 과정이 두 종류의 납, 즉 황철석으로부터 온 비방사성 납과 다른 광물들로부터 온 방사성 납을 모두 주변 수질과 토양으로 우선적으로 방출했음을 계산해 냈다. 고체 암석에 남은 것은 원래의 다양성을 잃고 일관된 평균치로 수렴한 혼합물이었다.
이 발견은 우리가 오염을 추적하기 위해 납을 사용하는 방식에 중요한 시사점을 준다. 이 연구는 풍화된 지형 속의 자연적인 납이 서로 다른 출처들의 혼란스러운 혼합물이 아니라, 안정적이고 균질한 배경을 형성한다는 점을 시사한다. 풍화 과정이 원래의 암석 유형 간의 차이를 완화하기 때문에, 결과적으로 생성된 토양은 예측 가능한 납 지문을 갖게 된다. 이는 과학자들에게 신뢰할 수 있는 기준선을 제공한다. 만약 풍화된 지역에서 이 국지적인 자연 평균값과 다른 납 지문을 가진 토양이나 퇴적물을 발견한다면, 이는 인간 활동에 의해 새로운 납이 유입되었다는 강력한 징후가 된다. 이 연구는 암석이 부서지고 납을 잃어가더라도, 토양에 남은 납은 일관된 지문을 형성한다는 것을 확인해 주었다. 이를 통해 환경 과학자들은 지표면이 활발하게 변화하는 지역에서도 자연적인 지질학적 원천과 인간에 의한 오염을 명확하게 구분할 수 있다.
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