Aims & Scope

초기 탐사(1963-1975)는 전국에 걸친 개략답사(표 1의 P1)와 기존광산 주변의 국지적인 조사(P2)로 이원화되었다. 1976년에 재단법인 자원개발연구소 출범 이후에는 제대로 프로젝트 형태를 갖추어 광물자원 정밀탐사(P3)와 백악기 퇴적분지의 석유부존가능성 타진(P4)에 주력하였다. 옥천층군의 흑색 슬레이트와 전국 각지에서 우라늄 산출과 이상대가 보고된 이후, 1980년부터는 전국에 걸친 광역 및 준정밀 지구화학탐사(P5)가 실시되었다. 중생대 화강암에 대해 방사능탐사에 기반한 지열생산성 평가(P6)도 수행되었다.

1981년부터는 1:5만 도폭단위로 지구화학도를 작성하는 방식으로 본격적인 광물자원탐사가 착수되었다. 첫 단계(1981-1988)는 태백산광화대 중심부 7개 도폭에 대해 주요 전략광물자원 탐색에 초점을 맞추었다. 후속 단계(1989-1997)는 광화대의 북쪽과 서쪽으로 확대시켜 자원탐사 외에 환경오염파악도 병행하는 쪽으로 바뀌었다. 1990년대 후반부터는 기존 광산들이 자원 부존 측면에서가 아니라 오염원으로서 규제의 대상으로 바뀌게 되면서, 전국에 걸쳐 폐광산 실태조사(P12)가 이어졌다.

국제 지구화학도 작성의 권장안(Darnley et al., 1995)에 기반한 전국 지구화학도 작성 프로젝트(P13; 1996.11. - 2003.3.)는 국토 서반부(5개 도)와 동반부(3개 도)를 2단계로 나누어 새로운 자원의 탐색, 기존 자원(폐광산)의 관리, 그리고 인위/이차오염의 파악과 평가 등 다목적에 부합하도록 설계되었다.

탐사단계(phase; 정밀도 수준)는 예비정찰답사(표 1에서 R^*), 광역탐사(R), 준정밀탐사(S-D), 정밀탐사(D)를 단계별로 실시하거나 각기 독립적으로 적용하였다(표 1). 우리나라는 하천수계 패턴이 비교적 고른 간격(밀도)으로 잘 발달되고 접근 도로망이 매우 편리하여 하천수계시료를 이용한 광역탐사에 매우 유리하다. 태백산광화대 일대의 1:5만 도폭단위 광물자원탐사(P7); 1:25만 도폭 5½매에 해당하는 광역권역에 대한 개략적인 자원탐색과 환경오염파악을 위한 탐사(P11); 전국 8개 도의 지구화학도 작성을 위한 탐사(P13); 최근 1:25만 강릉도폭의 희유금속탐사(P15) 등은 모두 광역탐사단계로 접근하였다. 특히 2000년대 이후 국제자원시장의 불안한 움직임에 대비하여 희토류원소 등 고부가가치 산업원료자원의 국내 부존실태파악을 위해 2010년부터 재개된 탐사(P14)는 하천퇴적물, 중사, 토양 등 다중-매체(multi-media)를 이용한 광역/준정밀/정밀탐사의 복합 형태였다.

지구화학도의 작성단위는 태백산광화대 일대에 대한 장기탐사(1981 - 1997)에서는 1:5만 지형도 단위로 계속되었다. 이 장기탐사의 결과를 1998년에 1:25만 강릉도폭 하나로 통합한 이후에는 1:25만 지형도 5½매에 해당하는 광역-규모 탐사(1999 - 2003)로 이어졌다. 전국 지구화학도 작성(1996 - 2003)에서는 도(道) 단위(광역시 포함)의 지도책으로 제작되었다.

매년 수용가능한 조사면적은 프로젝트 성격, 예산규모, 인력과 장비운용 능력에 의해 규제될 수밖에 없다. 예를 들어, 1981년대 초부터 소규모 예산지원으로 수행된 태백산광화대와 그 주변지역(총 ~12,900 km²)에 대한 지구화학탐사(P7)는 매년 평균 ~700 km²의 속도로 만 17년이 소요되었다. 반면에, 전국 8개 도(~96,940 km²) 전역에 대한 지구화학도 작성(P13)은 매년 평균 ~16,000 km²의 속도로 6년 내에 완료되었다(표 1).

지구화학탐사에서 대상시료 종류, 시료채취간격(밀도), 시료수, 분석성분수 등은 요구조건들과 이들을 충족시킬 수 있는 여건들(예: 예산규모, 인력구조, 분석인프라 등) 간의 적절한 합의 선상에서 결정되게 된다. 자원탐사 목적의 개략답사 또는 광역탐사단계에서는 주로 하천수계시료(하천퇴적물/중사/하천수)가 대상이었으며, 광역이상대 확인추적에는 하천수계시료를 더 조밀한 간격으로 채취하거나 산사면/능선부 토양이 이용되었다. 기존광체 연장부 확인 또는 광역이상대 확인 정밀탐사에서는 격자상토양 채취로 접근하였다. 광역탐사에서 관심을 끄는 결과가 도출되지 않거나, 취득코자 하는 정보의 수준이 광역단계 수준으로 충분한 경우에는 후속정밀탐사로 이어지지 않는다.

하천퇴적물(표사, 漂砂)은 하천수에 뜨거나 굴러서 운반되다가 바닥에 가라앉은 가벼운 입자들을 표준망 체(sieve)를 사용하여 흐르는 물속에서 체질하여 망을 빠져나온 입자들을 채집한다. 하천퇴적물 탐사에서 입자 굵기를 결정하는 것은 중요한 요소다. 초기탐사부터 1997년까지의 자원탐사 프로젝트(P1, 2, 5, 7, 8, 10)에서는 177 μm (80 메쉬) 이하(표 1, 2의 L)가 채집대상이었다. 그러나 1996년부터 자원탐색과 환경오염평가에 필요한 다목적 기준치 설정을 위한 전국 지구화학도 작성(P13)부터는 국제지구화학도 작성(Darnley et al., 1995)에서 권장한 150 μm (100 메쉬) 이하(표 1, 2의 L^*)를 택하였다.

하천바닥에 가라앉은 비중이 큰 중광물(중사, 重砂)은 흐르는 물에서 넓적한 콘 형태의 목재 팬(pan)을 사용하여 채집한다. 중사 채취는 과거 금속광화대탐사(P1, 2, 7, 9)에서 주로 이루어졌고, 최근 희토류탐사(P14)에서도 다루어졌다.

하천수시료는 물에 잘 반영되는 거동을 보이는 원소들의 탐사에 유용하다. 예를 들어, 우라늄탐사(P5)에서는 하천퇴적물과 함께 효율적으로 적용되었다. 또한 태백산광화대 자원탐사(P7, 10)에서는 하천퇴적물 또는 중사와 함께 이용되었고, 광역권역에 걸친 자원과 환경오염의 개략적인 파악을 위한 저밀도 지구화학도 작성(P11)에서 널리 이용되었다.

다중-매체를 함께 채취하는 접근방식은 정보 다양성에 기반하여 탐사결과 해석에 훨씬 유리하다. 그러나 조사면적이 매우 넓은 경우(예: 전국-규모)에는 시료매체 종류와 시료수가 늘어나 사업기간이 길어지게 되어 한정된 예산으로 수용이 어렵거나 오랜 기간에 걸친 분석으로 인해 데이터 품질관리 측면에서 불리해질 수 있다. 예컨대, 전국 지구화학도 작성(1996 - 2003; P13)은 이러한 우려를 원천적으로 배제하기 위해 단일-매체(하천퇴적물)만으로 접근함으로써 단기간 내 완수가 가능하였다.

야외정보 수집방식은 프로젝트별 목적과 탐사방식에 따라 다양하다. 초기에는 일정한 양식도 없었고 전산화 또한 이루어지지 않았다. 야외정보를 양식에 따라 수집하기 시작한 것은 하천수계를 이용한 우라늄 광역탐사(P5)부터이다. 이때 수집정보의 항목은 지금과 유사하나, 전산화되지 않은 채 자료해석 시에만 이용되었다. 전국 지구화학도 작성 프로젝트(P13)부터는 인쇄된 야외노트 양식(그림 1)에 따라 상세한 항목에 대해 기록하였다. 2010년부터 재개된 자원탐사(P14, 15)에서도 유사한 양식이 적용되고 있다.

Fig. 1. 
A current field checklist form (Shin et al., 2000a).

신뢰도 높은 지구화학도 작성을 위해서는 품질 좋은 분석 데이터의 취득이 전제된다. 분석방법은 오랜 기간에 걸쳐 매우 큰 폭의 변화를 보여왔다(표 2). 초기탐사부터 1990년대까지 적용돼온 분석법은 고전적 방식의 비색법부터, 원자흡광분석(AAS), 엑스선형광분석(XRF), 유도결합플라즈마-원자방출분광분석(ICP-AES), 레이저-유도형광분석(LIF), 이온크로마토그래피(IC), 가스크로마토그래피-질량분광분석(GC-MS), 중성자방사화분석(NAAS), 유도결합플라즈마-질량분석(ICP-MS) 등 다양하다. 전국 지구화학도 작성(1996 - 2003)에서는 하천퇴적물의 주성분 분석에는 XRF, 미량원소 분석에는 ICP-AES와 NAA법이 적용되었다. 1990년대 전반기까지의 분석기술은 개별시료의 함량측정에 주력한 일회성 분석의 성격이 강했던 반면, 1990년대 후반부터는 데이터 품질관리가 비중 있게 다루어졌다.

전국-규모의 지구화학도 작성에서처럼 연차별로 분석이 계속 진행되는 경우에는 시료채취부터 분석 종료시점까지 전 과정에 걸쳐 체계적인 모니터링을 통하여 최선의 품질관리에 노력을 기울여야 한다. 일정 간격의 분석 묶음마다 중복시료, 복제시료, 공인 표준참고물질을 이용한 철저한 모니터링이 필요하다. 대조군 시료(control samples)를 이용한 비교 분석, 무작위로 선정한 시료에 대한 중복분석에 의한 체계적인 관리도 중요하다. 대조시료 분석을 통해 시료채취 시차 간에 생길 수 있는 분석결과의 수준 맞추기(levelling)에 유의해야 한다. 대조시료의 수는 실험실마다 다를 수 있으나, 적어도 5% 이상이 되도록 하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 영국의 지구화학 기준치 설정 프로젝트(G-BASE: Geochemical Baseline Survey of the Environment)에서는 하천퇴적물시료의 경우 6%, 물시료는 8% 정도의 대조시료를 권장하고 있다(Johnson et al., 2005). 분석시차가 다른 두 데이터 집단들의 분석결과에서 편차가 발생하거나(y=x+b), 어느 비율로 증가 또는 감소하거나(y=ax), 또는 두 경우 다 해당될 때(y=ax+b)에는 편차(b)와 증감비율(a)을 고려한 수준 맞추기가 반드시 이루어져야 한다. 단, 국지적인 탐사에서는 이와 같은 절차를 거칠 필요는 없다.

특히 하천퇴적물 탐사에서는 시료의 대표성이 일관되게 유지되는 지 확인할 필요가 있다. 하나의 하천퇴적물 시료는 일정한 거리 내에서 여러 군데에서 조금씩 모은 여러 부표본(sub-samples) 들을 섞어서 체질을 거친 하나의 조합 시료(composite sample)이다. 그러므로 엄밀히 말하면 조합 시료의 조성은 채취시점에 따른 하천 현장여건 변화, 부표본들 채집장소 차이, 조사자에 따른 채집방법 차이 등에 따라 달라질 수 있다. 시차를 두고 중복채취한 시료의 분석결과를 비교하면 일관되게 정비례관계가 유지되는 것이 일반적이지만, 일정 범위 내에서 약간의 차이가 인지될 때도 있다. 예를 들어, 전국-규모의 광역탐사(P13)에서 무작위로 선정한 91개 지점에서 7~9 개월의 시차를 두고 중복채취한 시료들끼리 분석결과를 비교한 사례(Shin et al., 2000a)에 의하면, 주원소는 거의 상관계수 0.999 이상으로 자유도를 고려한 신뢰도 0.001 미만으로 잘 일치하며, 회귀분석 결과에서도 기울기 0.8 내지 1.2 범위에서 높은 상관관계를 유지한다. 특히 SiO₂, MgO, Al₂O₃, K₂O, TiO₂는 변화량 0.7% 이내로 매우 잘 일치한다. Fe₂O₃, Na2O, MnO, P₂O₅ 등은 2~8% 범위의 작은 변화량을 보인다. 미량원소의 경우에는 Zn, Rb, Sc, Cs, Co, Cr, Pb, Ni 등은 변화폭이 모두 10% 이내로 작으며, Be, V, Li, Ba, Zr, Sr 등의 변화량은 10%대 범위에서 차이를 보이나 절대 함량의 변화자체는 크지 않다.

탐사과정에서 가장 중요한 일은 분석 데이터에 기반한 탐사결과를 시각적으로 판독하기 편하고 데이터 해석에 효율적인 형태의 지구화학도로 표현하는 것이다. 지난 35년간 지구화학도는 프로젝트에 따라 다양한 형태로 변천돼왔다(표 2, 3; 그림 2).

Fig. 2. 
Selected examples of regional geochemical maps in Korea. (a) A growing dot map for U in stream water from Homyeong Sheet (1:50,000) [M1], (b) A black-and-white symbol map for Zn in pan concentrates from Homyeong Sheet (1:50,000) [M2], (c) A color contour map for Ni in stream sediments from Hyeonri-Bongpyeong-Yeongok-Doam sheets (1:50,000) [M3], (d) A color block map for Ba in stream sediments compiled for the Gangneung Sheet(1:250,000) [M5], (e) A color surface map for CaO in stream sediments from Gangwon-do [M7], (f) A ternary image map for Cr-Ni-Co in stream sediments from Gyeongsangnam-do [M8], (g) A color surface map for CaO in stream sediments compiled for eight provinces [M9], (h & i) A surface map (h) and a black-and-white EDA symbol map (i) for Ta in stream sediments from the southern Taebaeksan Mineralized Belt [M11]. See Tables 2 & 3 for further details on maps.

초기 광역탐사에서는 함량에 따라 크기가 점점 커지는 원형 점들을 수작업으로 표시하는 방식이 선호되었다(그림 2a). 1:5만 도폭단위로 원형 점지도가 제시된 사례는 호명 및 서벽리도폭에 대한 우라늄분포도(M1; 그림 2a)가 처음이다. 1980년대부터 전산지도로 탈바꿈하면서 표현 유형도 다양해졌고 표현기술도 크게 발전되었다(표 2, 3). 첫 단계(1981 - 1988; M2)에는 흑백 심볼지도(그림 2b), 그 후속 단계(1989 - 1997; M3, M4)에는 주로 컬러 등고선지도(그림 2c)로 작성되었다. 면적 커버속도는 처음에는 매년 1:5만 도폭 1매 내외에 불과하였으나, 뒤에는 환경오염을 고려하여 매년 4매까지로 늘어났다.

1990년대에 들어와 환경오염문제가 주요 이슈로 떠오름에 따라, 지구화학탐사 목적도 새로운 자원의 탐색보다는 오히려 환경오염실태 파악과 평가 쪽으로 기울게 되었다. 국제 지구화학도 작성의 권장안(Darnley et al., 1995)을 바탕으로 하천퇴적물(150 μm 이하)을 이용하여 작성된 전국-규모의 지구화학도(M7, M8)는 처음으로 백분위수 등급구분에 의한 컬러표면지도(그림 2e)로 작성되었다. 2010년 들어 재개된 자원탐사에서는 박스플롯 등급구분에 의한 탐사데이터분석(EDA) 심볼로 작성된 지구화학도(M11; 그림 2i)가 처음 출현하기에 이른다.

함량분포가 데이터 구조에 관계되어 표현되어야만 그러한 함량분포를 초래한 배후의 지구화학 작용들을 이해할 수 있게 된다. 따라서 이러한 함량분포가 잘 드러나게 하려면 함량등급을 적절히 구분하는 것이 절대 중요하다. 함량등급 구분 방법은 프로젝트에 따라 제각기 다르다(표 3).

첫째, 함량등급을 임의로 선택하여 0.5, 1.0, 1.5, 2.0... 또는 10, 20, 50, 100...mg/kg 식으로 구분하면, 얼핏 보기엔 잘 정돈된 값들처럼 보이지만, 순서대로 단순 나열한 것에 지나지 않는다. 이렇게 등급을 임의로 선택하면, 지도작성에 동원된 데이터의 공간적 구조와는 아무런 관계를 갖지 않게 되어, 데이터 분포를 초래한 원인이 되는 지구화학 작용의 추론이 어렵게 된다. 임의로 등급을 구분하는 방법은 비록 손쉽다고 해도 반드시 피해야 된다. 등급구분은 일반적으로 낮은 쪽 함량보다 높은 쪽 함량들 간의 차이에 비중을 두고 나누는 경우가 많은데, 이렇게 하면 결과적으로 낮은 값들을 소홀히 다루는 지도가 된다. 최상위 함량분포에 너무 초점을 맞추면, 등급을 임의 선택하는 경우와 마찬가지로, 엄연히 존재하는 데이터 구조를 무시하는 것이 된다. 지구화학도에 나타나는 광역 패턴으로부터 지구화학 작용을 식별하기 위해 데이터 구조가 드러나도록 하려면 컬러가 전체 함량범위에 걸쳐 거의 균등하게 퍼지도록 해주어야 한다.

둘째, 백분위수에 의한 함량등급 구분법은 순서 통계에 기초하며, 그 기저에 어떠한 데이터 분포도 가정하지 않는다. 백분위수 접근방법에는 장점이 많지만, 0부터 100까지 백분위수 범위에 걸쳐 등급을 어떻게 분배할지 결정짓는 것이 문제다. 일반적으로 낮은 쪽 함량보다 높은 쪽 함량들 간의 차이에 비중을 두고 등급을 나누는 경우가 많은데, 이렇게 하면 결과적으로 낮은 값들을 소홀히 다루는 지도가 된다. 높은 함량분포에 너무 초점을 맞추면, 등급을 임의로 선택하는 경우와 마찬가지로 엄연히 존재하는 데이터 구조를 무시하는 결과가 된다. 지구화학도에 나타나는 광역 패턴으로부터 지구화학 작용을 식별하기 위해 데이터 구조가 드러나도록 하려면 컬러가 전체 함량범위에 걸쳐 거의 균등하게 퍼지도록 해주어야 한다. 백분위수의 선택 방식은 프로젝트 목적과 성격에 따라 약간씩 다를 수 있다: 예컨대, 북유럽 Kola 프로젝트(5, 25, 50, 75, 90, 98, 100%; Reimann et al., 1998), 중앙 노르웨이의 지구화학도 작성 프로젝트(10, 25, 50, 75, 90, 95, 99, 100%; Banks et al., 2001); 한국의 전국 지구화학도 작성 프로젝트(5, 10, 15, 25, 50, 75, 90, 95, 99, 100%; Shin et al., 2001a), 영국의 G-BASE 프로젝트(5, 15, 25, 50, 75, 90, 95, 97, 100%; Johnson et al., 2005). 대부분 프로젝트에서의 백분위수 등급구분은 25-90 백분위수 범위 내에서는 모두 같으며, 90 백분위수 이상(95, 97, 98, 99, 100%)과 25 백분위수 이하(5, 10, 15%)에서 약간씩 다르다. 만일 지구화학도 전체 모습은 흐트러지지 않으면서도 높은 값의 탐색에 더 만족스럽게 하려면, 위쪽 등급 하나를 추가하고 낮은 쪽 끝부분 등급 하나를 뺄 수 있다. 전국 8개 도 단위로 작성된 지구화학도(M7, M8; 그림 2e)에서는 위쪽에 99%, 아래쪽에 5% 백분위수를 선택하였는데, 이는 유해원소의 과다농집(높은 값)과 필수원소의 지나친 결핍(낮은 값)을 보이는 지역을 세분하여 도출하기 위함이다.

셋째, 박스플롯 의한 등급구분(앞의 3.2.5 참조)은 탐사데이터분석(EDA; Velleman and Hoaglin, 1981)에 막강한 그래픽이다. 박스플롯 등급으로 구분한 EDA 심볼을 사용하여 작성된 지구화학도는 현재 진행중인 희유원소 광역 지구화학탐사(M11; 그림 2i; Youm et al., 2013)에서 처음 제시되었다. 박스플롯 등급구분에 기반하여 작성된 지구화학도에서는 공간 데이터 구조가 가시적으로 잘 드러난다.

지구화학 데이터 통계분석에서 아웃라이어를 식별하고 비정상적 거동을 탐지하는 것은 매우 중요한 일이다. 오래 전에 Hawkes and Webb (1962)는 본 조사에 앞서 국지적 문턱값 정의에 필요한 방향설정조사를 실시할 것을 권장하였다. 만일 유용한 결과를 얻지 못하면 데이터를 정렬하고 상위 2.5%를 문턱값 이상의 아웃라이어로 선정할 것을 제안하였다. 반드시 2.5%로 결정해야 하는 뚜렷한 근거는 제시되지 않았지만, 2.5%는 추가조사하기에 합리적인 시료수이고 실질적인 접근 대안으로 간주돼왔다. 데이터 세트가 큰 경우에는 [평균값(mean)±2sdev(표준편차, standard deviation)] 법칙을 사용하여 추가로 확인조사할 약 2.5%의 상위 또는 하위 극값(extreme values)을 식별해낸다. 이 절차는 수학적 계산과 데이터가 정규분포로부터 도출된다는 가정에 기반한다. 통계학자들은 이 접근법을 써서 정규분포 내의 극값들을 식별해낸다.

지구화학자는 드물게 일어나는 지구화학 작용을 지시하는 아웃라이어에 관심을 갖게 마련이다. 아웃라이어는 동일 분포 내의 한 부분에 해당되는 값이 아니라 통계적으로 딴 집단에 속하는 값으로 정의된다. 예컨대, 아웃라이어는 자원탐사에서는 광화작용을 지시하는 시료들로부터 나타나고, 환경오염 지역에서는 다른 작용이나 출처에서 유래된 오염분포에서 비롯된다. 이 경우에는 [평균값±2sdev] 법칙으로는 적절한 문턱값 추정이 불가능하다. [평균값±2sdev] 법칙은 사실적 집단 매개변수들인 경우에만 타당하다. 그러나 경험적으로 측정된 값들을 보면, 데이터 분포에서 비롯되었든 아니면 이차(오염된) 분포에서 비롯되었든, 극값들에 의해 상당히 영향을 받는다. 이런 점으로 보아 [평균값±2sdev] 법칙은 타당하다고 볼 수 없다. 이런 문제를 피하기 위해서는, 계산에 주관이 들어가기 전에 명백한 아웃라이어들을 먼저 제거하는 방법이 흔히 쓰인다. 또 다른 방법은 데이터를 대수-변환시켜 아웃라이어들의 영향을 최소화시키고 난 다음에 계산에 들어가는 것이다. 그렇지만 문턱값은 여러 집단의 데이터에 기반하여 추정되는 것이 문제이기 때문에, 딴 방법에 의해 아웃라이어를 식별하거나 문턱값을 정의할 필요가 있다.

광물자원탐사에서, 지구화학 배경치는 [평균값±2sdev] 범위 내의 값으로 정의되는 경우가 자주 있다. 배경치는 일정한 범위를 갖는 값이지 단일 값이 아닌 것으로 인식되었다(Hawkes and Webb, 1962). 정확하게 계산된 [평균값+2sdev]는 자원탐사에서는 배경치와 이상치를 구별하는 문턱값으로 사용되며, 환경지구화학에서는 한계수준(action level)이나 정화 목표치(clean-up goal) 정의에 여전히 사용되고 있다. 과거 지구화학탐사에서는 낮은 값(하위 아웃라이어)은 높은 값만큼 중요하게 다루지 않았는데, 실제로 낮은 값도 중요한 의미를 가지므로 이런 견해는 옳지 않다. 예컨대 낮은 값은 자원탐사에서 광물자원 농집과 관련된 변질대 내에 특정 원소의 결핍을 지시하고, 환경지구화학에서는 필수 미량원소의 결핍을 지시하므로 높은 값 못지않게 중요하다. 전국 지구화학도 작성(Shin et al., 2000a, 2003)에서는 이런 개념에 기초하여 특정 원소의 과다 농집은 물론, 지나친 결핍도 비중 있게 다루었다.

서로 다른 지역에서 특정 성분의 존재량이 같은 수준이라도, 해당지역별 이차 농집(오염)이 일어나기 전의 본래 자연배경치(natural background)의 수준이 어느 정도인지에 따라 현재의 농집정도는 상대적으로 달리 평가될 수 있다. 그러므로 원소함량의 높고 낮음을 정량‧정성적으로 평가하기 위해서는 지질단위별 자연배경치부터 이해해야 한다. 이차오염이 안된 지역 가운데 동일 지질에 해당하는 여러 측정치로부터 구한 자연배경치에 기반하여 지구화학 기준치가 설정될 수 있다. 많은 국가-규모, 준대륙-규모, 대륙-규모의 큰 지구화학도 작성에서 지구화학 기준치와 배경치는 공간적으로 달라진다는 사실이 밝혀졌다(Salminen and Tarvainen, 1997). 배경치가 기준치로 사용될 수 있지만, 단일 값으로 주어지면 중요한 지구화학적 특징이 감춰지게 되므로 반드시 범위가 함께 주어져야 된다(Reimann and Garrett, 2005). 지질단위별 자연배경치는 전국-규모 광역탐사(Shin et al., 2000a, 2003)에서 중앙값에 기반하여 설정되었는데, 표에 범위는 포함되지 않았다. 대부분 비정규분포에서는 전체 함량의 50 백분위수에 해당하는 중앙값은 산술평균과 차이가 나므로, 중앙값이 산술평균보다는 더 타당한 척도가 되며, 표준편차는 중앙값 절대편차(median absolute deviation: MAD)로 대체될 수 있다(Tukey, 1977). MAD는 모든 데이터의 중앙값으로부터의 절대편차의 중앙값으로 정의된다. 결론적으로 배경치는 [평균값±2sdev] 또는 [중앙값±2sdev]보다는 [중앙값±2MAD]로 범위까지 제시되는 것이 더 타당하다.

오랜 기간에 걸쳐 취득된 지구화학 데이터에는 복잡하고 다양한 문제점이 내포된다. 짧은 기간 중에는 문제점이 제대로 드러나지 않지만, 분석 시차가 매우 큰 데이터 세트들 간에 상당한 이질성이 드러날 수 있다. 이러한 문제는 주로 적용 분석법과 시료전처리법이 바뀌거나, 사용장비의 분해능이 변함에 따라 수반된다. 지금까지 국내에서 취득된 지구화학 데이터 가운데 매우 오래 전에 고전적 분석방법(예, 비색법)에 의존하여 취득된 데이터를 위시하여 1990년대 이전의 상당 부분은, 검출한계, 정확도, 정밀도, 신뢰도를 고려할 때에, 현 시점에서 유용성 측면에서 그대로 받아들이기에 부적합하다.

국지적인 지역에 대해 단기간 내에 취득한 데이터를 제외하고, 오랜 기간에 걸쳐 취득되는 데이터는 표준물질, 대조시료, 중복시료를 이용하여 표준화(normalization)와 수준 맞추기(levelling) 등을 통해 철저한 품질관리가 필수적이다. 그러나 1990년대까지만 해도 체계적인 품질관리가 되지 않은 경우도 있었다. 분석시차에 따른 데이터의 이질성은 1981년부터 1997년까지 태백산광화대를 대상으로 17년간에 걸쳐 취득된 여러 집단의 데이터를 1:25만 강릉도폭 하나로 통합하는 과정(M5)에서 드러났다. 오랜 기간에 걸쳐 여러 분석기관(한국지질자원연구원 2개 실험실, 대학교 2개소, 기업연구소 1개소)에서 다양한 분석방법(비색법, AAS, ICP-AES, IC 등)과 서로 다른 시료전처리와 품질관리방법을 적용하여 취득된 데이터를 그대로 통합할 경우에, 단기간 내에 취득된 하천수 데이터에는 별 문제가 없었으나, 분석시차가 큰 하천퇴적물 경우에는 많은 성분(예: CaO, Fe₂O₃, MgO, MnO, TiO₂, As, Cd, Mo, Sr, W 등)이 조사단위(도폭경계) 간에 심한 데이터 단절현상을 보였다(Lee et al., 1998). 이러한 현상은 오랜 분석기간 중에 데이터 집단들 간에 대조시료와 중복시료를 이용한 표준화와 수준 맞추기가 체계적으로 수행되지 않은 것에 기인한다고 파악된다. 이 사례는 매우 넓은 광역권역의 탐사에서 시료분석은 가능하면 짧은 기간 내에 동일한 조건을 바탕으로 실시되는 것이 매우 중요하다는 교훈을 각인시켜주었다.

따라서, 지금까지 취득된 기존 분석 데이터의 효용성에 대한 총체적인 검토가 필요하다. 기존 데이터는 어디까지 이용가능하고 어떤 것에 문제점이 내재되는가? 문제가 있는 데이터는 다시 취득할 필요가 있는지, 데이터 표준화와 수준 맞추기에 의한 보정은 가능한지, 복잡하고 복합적인 문제들이 있을 것으로 보인다. 향후 통합 데이터베이스 구축(4.2 참조)에 착수하게 되면, 데이터를 적재하기 전에 시료의 대표성과 분석데이터의 질적 우수성이 반드시 고려되어야 할 것이다.

만일 지표환경에 큰 변화가 예상되면, 이를 확인하기 위해 다시 현장을 방문해서 동일한 야외 및 분석 프로토콜을 이용해서 일정 시간간격을 두고 시료를 채취하여 분석할 필요가 있을 것이다. 신뢰성 보장을 위해 퇴적물과 토양은 10년 내지 25년 간격으로 다시 채취하여 결과를 비교하는 것이 바람직하다. 하천수의 모니터링에는 더 짧은 시료채취 간격이 필요하다.

과거부터 수집돼온 야외정보와 분석결과는 대부분 종이형태의 연구보고서 또는 일부 전자파일형태로 전해져오고 있다. 그러나 표준양식에 기반하여 전산화된 데이터베이스는 아직까지 구축되지 못했다. 지금까지 국내 지구화학탐사에서의 야외정보 수집방식은 전적으로 프로젝트별로 자율적이었고 일관된 기록양식은 없었다. 1980년대 우라늄 광역수계탐사(P5)에서는 하천퇴적물 조성, 하천조건, 제방, 토지용도, 식생, 광화증거, 하천수 pH와 전도도, 지표방사능 등 주요 항목이 기록되었다. 전국 지구화학도 작성 프로젝트(P13; 1996-2003)에서는 자세한 야외기록양식(그림 1)을 제정하여 체계적인 정보수집이 이루어졌다. 2010년 이후 재개된 희토류/희유원소탐사(P14, P15)에서도 유사한 양식이 적용되고 있다.

국내 지구화학탐사에서 가장 시급한 당면과제는 전국-규모의 지구화학 데이터베이스 구축이다. 지금부터라도 수집된 자료는 데이터베이스를 전제로 저장될 필요가 있다. 현재 취득완료된 전국토의 23,600개 소하천 집수분지에 대한 현장정보와 분석결과는 전국 데이터베이스의 골격을 갖추기에 충분하다. 여기에다 약 50년간에 걸쳐 취득된 다양한 시료매체(하천퇴적물, 중사, 하천수, 토양, 암석, 지하수, 광석, 광물찌꺼기 등)의 주성분/미량성분을 위시하여 방사성/안정동위원소에 대한 데이터는 큰 풀의 저장고에 함께 적재돼야 할 것이다. 참고로, 현재 시료매체별로 전국토 대비 면적 커버정도를 보면, 하천퇴적물(표사)은 98%(8개 도 제주도 미조사), 하천수는 60%(1:25만 도폭 5½매 국토 북부와 서남부 미조사), 중사는 10%(주요 광화대 위주) 정도이다. 한편 토양 관련정보는 대부분 국지적인 준정밀-정밀탐사에서 취득된 기존자료에 국한된다. 전국-규모로 추진 중인 토양 지구화학도 작성 프로젝트에서 취득될 현장정보와 분석자료는 향후 토양 데이터베이스의 골격을 이룰 것이다.

그러나 장기간에 걸쳐 취득된 자료를 이용한 데이터베이스 구축은 간단하지만은 않다. 영국의 경우를 예로 들면, 하천퇴적물 광역탐사자료를 처음에는 1980년대 중반에 만들어진 ORACLE 프로젝트 데이터베이스에 저장하였으나, 대상시료가 딴 매체로 확대됨에 따라 데이터 관리에 어려움이 드러나, 영국지질조사소 주관으로 1992년에 새로운 데이터베이스가 설계되었고(Coats and Harris, 1995), 이후에는 다중-매체 시료채취 전략에 기반한 ‘환경 지구화학 기준치 조사 프로젝트(G-BASE)’ 결과를 위시해서 광범위한 데이터를 수용해오고 있다(Johnson et al., 2005).

데이터베이스 구축과정에서 하나의 데이터베이스 풀 운영에서 가장 유념해야할 점은 오랜 기간에 걸쳐 수집된 분석 데이터의 품질문제이다. 데이터베이스 구축 시에는 환경규제의 요구사항들도 잘 수용돼야 한다. 또한 데이터베이스 구축 이후에는 정부에서 제정한 많은 환경보호 관련법률과 지침의 적용에 필요한 전략도 개발되어야 할 것이다.

향후 구축될 데이터베이스는 시료위치(표준좌표), 원소성분, 시료정보를 열과 행에다 나열한 단조로운 표 형식이어서는 안 될 것이다. 독특한 시료 식별자에 의해 링크된 많은 데이터 표와 ‘결합이 용이한 데이터베이스(relational database)’로 설계되어야 할 것이다. 사용자들이 데이터의 한계성을 이해하고 결과가 목적에 부합하는지를 이해시켜 줄 수 있는 데이터 정밀도/정확도/검출한계 등 부가정보들도 포함되어야 할 것이다. 일단 정보가 충분히 수집되고 나면, 데이터 사용자가 접근하기에 가장 적합한 포맷으로 커다란 데이터 저장고를 만들어야 할 것이다. 개발되었거나 개발 중인 웹-기반 애플리케이션 같은 정보기술을 쉽게 이용할 수 있도록 하여, 사용자들에게 데이터가 쉽게 전달되게끔 설계할 필요가 있다. 지구화학 전공자 이외의 사용자들(예: 행정관리자 등)은 특정 성분이 법률이나 지침에 명시된 값보다 높은지 아니면 낮은지 여부에만 관심을 가질지 모르기 때문에, 구축될 데이터베이스는 그들이 사용가능한 방식의 패키지로 제작하여 이용가치를 높일 필요가 있다.

전국 지구화학도 작성 프로젝트(P13)에서 제정되었던 야외기록양식(그림 1)의 내용을 기반으로 향후 데이터베이스 전산화에 대비한 하천수계시료(하천퇴적물, 중사, 하천수)와 토양시료(지표, 심부)의 채취와 현장정보수집에 필요한 데이터 카드의 표준양식(그림 3, 4)을 제안한다. 데이터 카드의 각 항목별 작성지침은 별도로 자세하게 코드화해서 제시하였다(그림 5). 충분한 전문가 의견수렴과정을 거쳐 표준 기록양식이 확정되게 되면, 우리나라도 영국 경우(Johnson et al., 2005)처럼 시료채취와 야외정보 수집 시에 지정 양식의 일관된 사용을 권장할 필요가 있다.

Fig. 3. 
Drainage field cards to be recommended for national geochemical database.

Fig. 4. 
Soil field cards to be recommended for national geochemical database.

Fig. 5. 
Codes on drainage ('D') and soil ('S') field cards for geochemical database.

구축될 데이터베이스가 전국을 100% 커버하는 기본골격을 갖추기 위해서는 아직 미조사 지역으로 남아있는 제주도(~1,800 km²)에 대한 지구화학탐사가 선결될 필요가 있다. 육지지역에 적용했던 평균 시료채취밀도(3-3.5 km²당 1개)를 적용할 경우, 제주도 전역의 예상 시료수는 500-600개 정도로 추정되며, 시료채취와 야외정보수집, 시료분석, 전산처리와 통계, 지도 제작, 지도책 발간에 이르는 전과정에 약 1년 반 정도가 소요될 것으로 판단된다. 제주도는 한라산국립공원과 세계지질공원으로 특별한 관심이 집중되어 있는 특별구역이므로, 탐사목적 또한 자원탐사가 아닌 순수 목적의 지구화학 기준치 설정에 초점을 맞춰야 할 것이다. 제주도는 면적은 작아도, 육지지역과는 판이하게 다른 지질(대부분 신생대 제4기 화산암)은 특징적인 지구화학 기준치를 제시할 것이다. 제주도는 자연보호가 철저하게 지켜져야 할 지역이므로 탐사 착수는 빠를수록 좋다.

어느 나라에서나 국토 전역을 커버하는 지구화학도를 완성하기 위한 노력은 지속돼왔다. 면적이 대륙-수준으로 넓은 미국에서도 1960년대부터 저밀도 시료수집에 기반한 원소분포도가 발간되었고(Shacklette et al., 1971), 1984년에는 약 6,000 km² 당 1개 지점 꼴로 약 1,300개 시료 조합에 대한 50종 원소의 지구화학도가 발간되었다(Shacklette and Boerngen, 1984). 1990년대 들어와 대륙-규모 및 저밀도 시료채취에 의한 지구화학도 작성에 관심이 높아지면서, 데이터 재처리를 거쳐 제작된 컬러지도는 매우 낮은 시료밀도인데도 예상 밖의 훌륭한 분포도로 평가되었다(Gustavsson et al., 2001). 대륙-규모 및 전지구-규모의 지구화학도 작성의 필요성에 관한 토의는 전 세계적으로 1980년대 초까지 광범위하게 진행되었다. 유럽에서는 서부유럽지질조사소(Western European Geological Surveys: WEGS)라는 기구에서 이 업무를 다루었다. 1984년 말 스웨덴 국제원자력기구(IAEA)의 원조로 우라늄탐사자회의그룹에서는 세계지구화학도의 개념에 관해 토의되었다. WEGS의 제안은 마침내 유럽지질조사소포럼(Forum of European Geological Surveys: FOREGS; Plant et al., 1996)의 소속회원국으로 운영되는 유럽 지구화학조사로 발전하였다(참조: BøBlviken et al., 1996; Salminen et al., 1998, 2005; De Vos et al., 2006). 1988년 2월에는 IGCP-259 ‘국제 지구화학도 작성’ 프로젝트가 시작되었고, 같은 해에 ‘전지구변화에 관한 국제 지권-생물권 계획(International Geosphere-Biosphere Program on Global Change: IGBP)’이 착수되어(IGBP, 1989) 세계적으로 진행되는 지구화학도 작성 활동의 포괄적 재검토와 국제적으로 일관된 지구화학도 작성에 필요한 권장안 준비에 주력하였다. 이를 계기로 우리나라에서도 전국-규모의 지구화학도 완성을 위한 계획에 착수하였다. 당시 상황으로는 자원탐사보다는 핵심 이슈로 부상한 환경평가를 위한 기준치 설정과 원소별 분포도를 전국을 대상으로 단기간 내에 완성하겠다는 제안서가 받아들여졌다. 과학기술부의 주요사업(Star Project)과 중점국가연구개발사업의 하나로 안정적 예산지원에 힘입어 1996년 11월부터 2003년 3월까지 전국의 8개 도에 대한 지구화학도 작성이 성공적으로 이루어졌다.

한편 IGCP-259에서는 전세계 육상환경을 대표하는 지구화학 데이터 수집에 각국의 동참을 권장하였다. 보고서는 전세계의 약 5,000개 셀을 설정하여 하천퇴적물(표사), 토양(잔류토양), 암석 등으로 이루어진 한 세트의 복합시료를 채집하여 저밀도로 커버하는 방식이 제안되었다(UNESCO 보고서 Darnley et al., 1995). 핀란드와 스웨덴에서는 주어진 49개 셀의 집수분지에 대해 범람퇴적물(overbank sediments) 시료의 유용성에 관한 조사가 실시되었으며(Eden and Bjödrklund, 1994, 1996), 빙퇴석층 복합시료보다 토양 모물질이 우세한 범람퇴적물이 초저밀도 시료로 대표성을 갖는다는 결론에 이르렀다. 범람퇴적물은 홍수 중에 낮은 차수(1-2차)의 하천(stream)에 인접하여 집적된 세립질 충적퇴적물이다. 이와 달리 범람원퇴적물(floodplain sediments)은 홍수 중에 차수가 더 높은 큰 강(river)에 인접한 곳에 쌓인 세립질 충적퇴적물로 정의된다. 범람퇴적물은 작은 집수분지를 대표하여 전국-규모 지도 작성에 적합한 반면, 범람원퇴적물은 훨씬 더 큰 분지를 대표하고 대륙-규모 또는 지구-규모 지도 작성에 이용되며 1,000 km² 이상의 큰 면적(최대 6,000 km²)의 분지에서 채취되어야 한다(Darnley et al., 1995). 물이 흐르는 소하천에서 하천퇴적물을 채취하는 것과 큰 강에 인접한 곳에서 범람원퇴적물을 채취하는 것이 상대적으로 어떤 장점을 갖는지는 계속해서 논쟁이 되었다(Ottesen et al., 1989). 중국에서는 시간과 비용 면에서 효율적인 방식으로 범람원퇴적물을 이용해서 매우 넓은 지역에 대한 정보를 주는 지구화학도를 만들 수 있다는 사실이 입증된 바 있다(Xie and Cheng, 1997; Xie et al., 1997).

국제 지구화학 네트워크 구축을 위해 우리나라에 주어진 셀은 6개이며, 북한까지 포함한 한반도에 대해서는 15개 안팎이다. 현재 우리나라는 국제적인 데이터 컴파일의 취지에는 공감하나, 구체적인 실행계획은 수립되지 못한 실정이다. 국내 자연조건과 하천발달특성을 고려하여, 가장 대표성이 뛰어난 시료매체를 결정하고, 대표 셀을 구획하고, 시료채취대상 집수분지의 규모와 위치를 결정하고, 한 세트의 복합시료를 조합하는 내용을 포함하는 구체적인 시료채취전략을 수립할 필요가 있다. 이런 일련의 과정은 간단하지만은 않을 것으로 예상된다. 우리나라처럼 전체면적이 작은 나라에서, 과연 이러한 개념으로 시료채취에 접근하는 것이 타당한 방법인지 근본적으로 신중하게 고려할 여지가 있다.

지구화학탐사에서 다중-매체 접근법은 지구화학적 작용에 관한 해석에 매우 위력적이다. 외국 사례를 보면, 매체 선정은 나라마다 자연조건에 따라 차별적인 조합으로 이루어지게 된다: 예컨대, 스칸디나비아 Nordkallot 프로젝트(Bølviken et al., 1986; 빙퇴석, 하천퇴적물, 하천유기물, 하천이끼), 러시아 다목적 지구화학도 작성계획(Koval et al., 1995; Burenkov et al., 1999), Kola 프로젝트(Reimann et al., 1998; 육상이끼, 토양 O-B-C 층준), 동부 Barents 지역 지구화학지도책(Salminen et al., 2004; 이끼, 하천수, 유기질/무기질토양), 중국 다목적 지구화학도(Xi, 2007; 지표/심부토양, 호수퇴적물, 연안퇴적물, 하천수, 우물물).

우리나라 경우에는 과거 광역탐사에서 하천퇴적물(표사), 중사, 하천수가 주 매체로 이용돼왔다. 준정밀 내지 정밀탐사에서는 더 조밀한 간격의 하천수계시료(하천퇴적물/중사/하천수)와 측선/사면토양 등이 이용되었다. 하천퇴적물-중사-하천수-토양을 한 세트로 조합한 체계적인 다중-매체 접근은 거의 적용되지 않았으나, 두세 종류의 복수-매체를 적용했던 사례는 자주 있었다(표 1). 광역 우라늄탐사(P5)에서는 하천퇴적물과 하천수를 동시에 이용하여 탐사효율을 높인 바 있다. 우리나라에서 다중-매체 접근법에 의한 대표적 탐사사례는 최근 재개된 희토류탐사(P14)이다. 광역→준정밀→정밀단계로 이어진 탐사에서 하천퇴적물-중사와 토양(측면/사면/격자)을 이용한 다중-매체 접근전략에 의해 광화대 추적에 탁월한 효과가 입증된 바 있다. 즉 홍천지역에서는 기존 광화대 이외의 지역에서 새로운 희토류광체(최고 4.4% TREE), 충주지역에서는 새로운 희토류광체(최고 1.36% TREE)와 텅스텐광화대(평균 2.4% WO₃)가 확인된 바 있다(Youm et al., 2010, 2011, 2012).

그렇지만, 지구화학탐사에서 반드시 다중-매체로 접근하는 것이 최선은 아니다. 조사목적/예산규모/사업기간 등 주어진 여건을 고려하여 한두 가지 시료매체만 이용하여도 소기의 탐사효과를 얻을 수도 있다. 단일-매체 접근법은 정보취득 면에서 제한적일 수 있지만, 전체 분석시료수와 분석소요시간이 줄어들어 일관된 분석조건에 의해 데이터 품질관리에 유리하고 시간을 단축할 수 있는 일면이 있다. 단일-매체 접근전략에 의한 단기간 탐사의 대표 사례는 전국 지구화학도 작성 프로젝트(P13)이다. 국제지구화학도 작성(Darnley et al., 1995)의 권장안에 기반하여 전국의 23,600개 수계의 하천퇴적물만을 이용하여 단기간 내에 완수하였다. 비록 지금까지 확보된 기존 지구화학 데이터가 다중-매체에 의해 완벽하게 커버된 복합정보는 아니라고 해도, 현시점에서 다중-매체 채취를 새삼스럽게 시도할 필요까지는 없다. 예산지원 소스 등을 고려하면, 기존 데이터를 중심으로 유용한 데이터베이스 구축부터 착수하는 것이 더 시급한 일로 판단된다.