알칼리 장석 중 고온 상인 anorthoclase의 미세구조 및 화학을 EPMA 및 TEM을 이용하여 분석하였다. Anorthoclase는 BSE image 상에서 Na-rich 지역과 K-rich 지역이 다양한 크기의 lamella를 형성하며 혼재되어 있으며, EPMA 분석 결과 Na-rich 지역은 평균 조성이 Ab: 81%, Or: 3%, An: 12%이며 K-rich 지역은 평균 조성이 Ab: 45%, Or: 44%, An: 11%로 나타났다. TEM 관찰 결과 Na-rich 지역은 앨바이트(albite) 쌍정 구조가 잘 발달한 반면 K-rich 지역은 다시 미세한 앨바이트 쌍정이 발달한 앨바이트와 쌍정이 없는 orthoclase가 약 100 nm의 규칙적인 lamellae 형태를 이루며 서로 섞여 있음이 드러났다 K-rich 지역의 [001] 전자회절도형도 두 상이 공존함을 보이는데, 앨바이트 회절점은 쌍정 구조에 의하여 $(010) ^{*}$ / 방향으로 streaking이 나타난다. 이에 비하여 $(100)^{*}$ 방향으로는 앨바이트 회절점과 orthoclase 회절점이 모두 streaking을 가지는데 이는 Al과 Si의 배열-비배열 현상과 두 상의 계면 간에 나타나는 왜력(strain)에 기인한 것으로 여겨진다. 앨바이트와 orthoclase의 방향이 서로 반대로 나타나는 이유는 두 상의 계면 간의 왜력을 줄이기 위한 일종의 pole switching의 결과로 여겨진다. 위의 결과를 종합해 볼 때 연구된 광물은 중간 단계의 Al-Si 비배열 상태를 가지며 미세구조의 생성 온도가 $400^{\circ}C$∼$600^{\circ}C$로 추정되기 때문에 고온 상인 anorthoclase라기보다는 보다 저온 상인 cryptoperthite라 할 수 있다
알칼리 장석 중 고온 상인 anorthoclase의 미세구조 및 화학을 EPMA 및 TEM을 이용하여 분석하였다. Anorthoclase는 BSE image 상에서 Na-rich 지역과 K-rich 지역이 다양한 크기의 lamella를 형성하며 혼재되어 있으며, EPMA 분석 결과 Na-rich 지역은 평균 조성이 Ab: 81%, Or: 3%, An: 12%이며 K-rich 지역은 평균 조성이 Ab: 45%, Or: 44%, An: 11%로 나타났다. TEM 관찰 결과 Na-rich 지역은 앨바이트(albite) 쌍정 구조가 잘 발달한 반면 K-rich 지역은 다시 미세한 앨바이트 쌍정이 발달한 앨바이트와 쌍정이 없는 orthoclase가 약 100 nm의 규칙적인 lamellae 형태를 이루며 서로 섞여 있음이 드러났다 K-rich 지역의 [001] 전자회절도형도 두 상이 공존함을 보이는데, 앨바이트 회절점은 쌍정 구조에 의하여 $(010) ^{*}$ / 방향으로 streaking이 나타난다. 이에 비하여 $(100)^{*}$ 방향으로는 앨바이트 회절점과 orthoclase 회절점이 모두 streaking을 가지는데 이는 Al과 Si의 배열-비배열 현상과 두 상의 계면 간에 나타나는 왜력(strain)에 기인한 것으로 여겨진다. 앨바이트와 orthoclase의 방향이 서로 반대로 나타나는 이유는 두 상의 계면 간의 왜력을 줄이기 위한 일종의 pole switching의 결과로 여겨진다. 위의 결과를 종합해 볼 때 연구된 광물은 중간 단계의 Al-Si 비배열 상태를 가지며 미세구조의 생성 온도가 $400^{\circ}C$∼$600^{\circ}C$로 추정되기 때문에 고온 상인 anorthoclase라기보다는 보다 저온 상인 cryptoperthite라 할 수 있다
Microstructures and chemistry of anorthoclase, a high-temperature phase of alkali feldspars, were studied using EPMA and TEM. BSE images of anorthoclase displayed mixtures of Na-rich areas and K-rich areas forming lamella of various sizes. EPMA analysis indicated that the Na-rich area is composed of...
Microstructures and chemistry of anorthoclase, a high-temperature phase of alkali feldspars, were studied using EPMA and TEM. BSE images of anorthoclase displayed mixtures of Na-rich areas and K-rich areas forming lamella of various sizes. EPMA analysis indicated that the Na-rich area is composed of Ab: 81%, Or: 3% and An: 11% in average, while the K-rich area is composed of Ab: 45%, Or: 44% and An: 11 % in average. TEM analysis revealed albite with Albite twins in the Na-rich area, contrasting to mixtures of albite with fine Albite twins and orthoclase without twins, forming regular lamella of about 100 nm sizes, in the K-rich area. The [001] electron diffraction pattern of the K-rich area also indicated coexistence of the two phases. While streaking parallel to the (010)$^{*}$ direction appeared only in albite due to the twin structure, streaking parallel to the $(100)^{ *}$ direction appeared both in albite and orthoclase, probably due to strain on the interface as well as order-disorder phenomena of Al and Si. It is suggested that the reverse orientation of albite and orthoclase is caused by pole switching to reduce strain on their interfaces. Based on these observations and analyses, the mineral studied is identified as lower-temperature cryptoperthite rather than high-temperature anorthoclase, which has a midium degree of Al-Si ordering and $400^{\circ}C$∼$600^{\circ}C$ of estimated temperatures for the microstructure formation.
Microstructures and chemistry of anorthoclase, a high-temperature phase of alkali feldspars, were studied using EPMA and TEM. BSE images of anorthoclase displayed mixtures of Na-rich areas and K-rich areas forming lamella of various sizes. EPMA analysis indicated that the Na-rich area is composed of Ab: 81%, Or: 3% and An: 11% in average, while the K-rich area is composed of Ab: 45%, Or: 44% and An: 11 % in average. TEM analysis revealed albite with Albite twins in the Na-rich area, contrasting to mixtures of albite with fine Albite twins and orthoclase without twins, forming regular lamella of about 100 nm sizes, in the K-rich area. The [001] electron diffraction pattern of the K-rich area also indicated coexistence of the two phases. While streaking parallel to the (010)$^{*}$ direction appeared only in albite due to the twin structure, streaking parallel to the $(100)^{ *}$ direction appeared both in albite and orthoclase, probably due to strain on the interface as well as order-disorder phenomena of Al and Si. It is suggested that the reverse orientation of albite and orthoclase is caused by pole switching to reduce strain on their interfaces. Based on these observations and analyses, the mineral studied is identified as lower-temperature cryptoperthite rather than high-temperature anorthoclase, which has a midium degree of Al-Si ordering and $400^{\circ}C$∼$600^{\circ}C$ of estimated temperatures for the microstructure formation.
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문제 정의
, 2000; Kim and Lee, 2003). 이번 연구에서는 장석의 미세구조에 대한 전반적인 연구의 일환으로 anorthoclase에 대한 EPMA 분석과 TEM 관찰을 통하여 미세구조와 화학성분에 대하여 연구하였다. EPMA 분석 값을 알칼리 장석의 상평형도에 적용하여 미세구조의 생성온도를 유추하였고 TEM 전자회절도형에서 얻은 γ*값을 XRD 자료를 근거로 한 성분-구조 도표에 적용하여 Al-Si의 ordering 상태를 유추하였으며 이를 EPMA 분석으로 얻은 결과와 비교하였다.
제안 방법
BSE image로 연정관계를 확인하면서 EPMA 분석을 하였으며 EPMA 분석이 된 지역에 대하여 TEM 관찰용 시편을 ion milling하여 제작하였다(Kim and Lee, 2003).
이번 연구에서는 장석의 미세구조에 대한 전반적인 연구의 일환으로 anorthoclase에 대한 EPMA 분석과 TEM 관찰을 통하여 미세구조와 화학성분에 대하여 연구하였다. EPMA 분석 값을 알칼리 장석의 상평형도에 적용하여 미세구조의 생성온도를 유추하였고 TEM 전자회절도형에서 얻은 γ*값을 XRD 자료를 근거로 한 성분-구조 도표에 적용하여 Al-Si의 ordering 상태를 유추하였으며 이를 EPMA 분석으로 얻은 결과와 비교하였다.
EPMA 분석은 Cameca사의 SX-51 과 경통에 부착된 파장분산분광기(WDS)를 사용하였다. 각 원소별로 20초 동안 분석하였으며 주 구성 원소의 분석 시간이 80초를 넘지 않도록 하였다.
각 원소별로 20초 동안 분석하였으며 주 구성 원소의 분석 시간이 80초를 넘지 않도록 하였다. Focused beam(beam size = 0.8 μm)을 사용하였으며 20 kV, 10 nA의 조건에서 분석하였다.
TEM 분석은 Carl Zeiss(현재 LEO)사의 에너지 여과 투과전자현미경(EF-TEM)인 EM 912Omega와 경통에 부착된 에너지분산분광기(EDS)를 이용하여 120 kV에서 수행하였다. 에너지 여과된 전자회절 도형은 양축 경사 시료지지대를 사용하여 주로 580 mm와 1440 mm의 카메라 길이에서 얻었다.
각 원소별로 20초 동안 분석하였으며 주 구성 원소의 분석 시간이 80초를 넘지 않도록 하였다. Focused beam(beam size = 0.
이번 연구의 대상 광물인 anorthoclase는 전자 beam에 쉽게 영향을 받는 Na와 K가 중요한 구성 원소이다. 이들 양이온들의 거동을 보기 위하여 EPMA 분석을 실시하기 전에 전류량을 변화시키면서(20 nA, 10 nA) 10초 간격으로 150초 동안 동일 지점에 beam을 조사하여 분석결과를 알아보았다. Fig.
이상의 결과는 상대적으로 결합력이 약한 Na 및 K 원소의 최외각 전자가 집중되는 전자 beam에 의하여 쉽게 그 위치를 이탈하여 나타나는 현상(이온화 현상)과 이에 따른 증발 현상에 의한 것으로 여겨지며 그 결과 WDS나 EDS 정량분석에서 분석값에 상당한 오류를 일으킬 가능성이 있음을 지시한다. 이러한 오차를 줄이기 위해 EPMA 분석 조건으로 10nA의 전류량을 사용하였으며 주 구성성분에 대한 분석을 80초 이내에 마칠 수 있도록 하였다.
혼재된 부분에서 1 μm 이상의 크기를 가지는 각각의 lamella에 대해 EPMA 분석을 실시하였다. 그 결과 Na-rich 지역은 평균 Ab: 80%, Or: 3%, An: 12%의 값으로 나타났으며 K-rich 지역은 평균 Ab: 45%, Or: 44%, An: 11%의 값으로 나타났다(Table 1).
대상 데이터
Anorthoclase 시료는 미국 Ward 사에서 판매하는 표준시료(Larvik, Norway)를 사용하였다. BSE image로 연정관계를 확인하면서 EPMA 분석을 하였으며 EPMA 분석이 된 지역에 대하여 TEM 관찰용 시편을 ion milling하여 제작하였다(Kim and Lee, 2003).
연구에 이용한 anorthoclase는 BSE image 상에서 Na-rich 지역(어두운 색)과 K-rich 지역(밝은 색이 다양한 크기의 lamella를 형성하며 혼재되어 있음이 관찰되었다(Fig. 1).
영향을 준다. 이번 연구의 대상 광물인 anorthoclase는 전자 beam에 쉽게 영향을 받는 Na와 K가 중요한 구성 원소이다. 이들 양이온들의 거동을 보기 위하여 EPMA 분석을 실시하기 전에 전류량을 변화시키면서(20 nA, 10 nA) 10초 간격으로 150초 동안 동일 지점에 beam을 조사하여 분석결과를 알아보았다.
이론/모형
에너지 여과된 전자회절 도형은 양축 경사 시료지지대를 사용하여 주로 580 mm와 1440 mm의 카메라 길이에서 얻었다. 전자회절도형을 이용한 Al-Si의 배열 상태를 파악하기 위해 Lee and Kim (1999)에 보고된 정밀한 측정도구 및 방법을 이용하였다.
성능/효과
1) 장석의 EPMA 분석 중 구성 양이온들(Na, K, Ca)은 전자빔에 의한 영향을 쉽게 받기 때문에 올바른 실험조건을 설정하는 것이 중요하다 (예컨대, 10 nA의 전류량 및 80초 이내의 분석 시간 사용 등).
2) 연구한 anorthoclase는 앨바이트(albite) 쌍정이 잘 발달된 Na-rich 지역과, 미세한 앨바이트 쌍정이 발달한 지역과 쌍정이 없는 지역이 약 100 nm의 규칙적인 lamella 형태를 이루며 서로 섞여 있는 K-rich 지역으로 구분할 수 있다. 화학적으로 앨바이트 쌍정이 발달한 지역은 앨바이트며 앨바이트 쌍정이 발달하지 않은 지역은 orthoclase 이다.
3) Na-rich 지역과 K-rich 지역은 각각의 방향이 약 5°정도 tilt 되어 있고, K-rich 지역은 앨바이트와 orthoclase는 b*축 방향이 서로 반대로 나타난다. 앨바이트 회절점과 orthoclase 회절점은 둘 다 뚜렷한 streaking을 보이는데 orthoclase 회절점에서 더욱 뚜렷하게 나타난다.
4) Anorthoclase의 미세구조는 상전이 과정 중 stage 6 ~ stage 8에 해당함을 지시하며 분석된 광물은 anorthoclase라기 보다는 cryptoperthite라 할 수 있다. 중간 단계의 Al-Si 비배열 상태를 가지며 미세구조의 생성온도는 400℃~600℃로 추정된다.
5) 앨바이트와 orthoclase의 용리(exsolution)는 두 광물의 화학적인 차이와 A1과 Si의 order-disorder를 포함한 구조적 차이에 의해 계면에 많은 strain이 형성되는데, K-rich 지역에서 앨바이트와 orthoclase의 방향이 서로 반대로 위치하는 것은 이러한 strain을 줄이기 위한 일종의 pole switching의 결과로 여겨지며, 이러한 점에서 장석은 강탄성(ferroelastic) 물질임을 지시한다.
2). EDS 분석 결과 앨바이트 쌍정이 발달한 지역은 화학적으로도 순수한 앨바이트이며 앨바이트 쌍정이 발달하지 않은 지역은 orthoclase 성분으로 나타났다. 미세하게 발달한 앨바이트 쌍정은 15-20 nm 정도의 폭을 가지는데, 앨바이트 쌍정이 나타나는 각각의 lamella의 크기가 클수록 쌍정의 폭도 비례하여 커지는 경향이 있다.
Lamella가 형성된 부분에 대한 TEM 관찰 결과 Na-rich 지역은 약 1 μm 정도의 크기를 가지며 앨바이트 쌍정이 잘 발달된 단일 상을 보였다. 앨바이트 쌍정의 폭은 약 140 nm 정도이며 매우 균일하게 나타났다.
결정질 또는 비정질 물질에 대하여 EPMA를 할 때 원자번호가 낮은 원소들은 전자 beam에 의하여 쉽게 영향을 받으며, 그 결과 해당 원소뿐만 아니라 구성되어 있는 다른 원소의 분석 값에도 영향을 준다. 이번 연구의 대상 광물인 anorthoclase는 전자 beam에 쉽게 영향을 받는 Na와 K가 중요한 구성 원소이다.
그 결과 Na-rich 지역은 평균 Ab: 80%, Or: 3%, An: 12%의 값으로 나타났으며 K-rich 지역은 평균 Ab: 45%, Or: 44%, An: 11%의 값으로 나타났다(Table 1). Na-rich 지역의 분석 값은 lamella의 크기와 위치에 관계없이 비교적 일정한 분석 값을 보인 반면에 K-rich 지역의 분석 값은 표준편차가 Na-rich 지역의 분석 값에 비하여 높게 나타났다.
4b) 모든 측정 원소의 값이 20 nA의 경우처럼 현저한 변화는 보이지 않았다. 이상의 결과는 상대적으로 결합력이 약한 Na 및 K 원소의 최외각 전자가 집중되는 전자 beam에 의하여 쉽게 그 위치를 이탈하여 나타나는 현상(이온화 현상)과 이에 따른 증발 현상에 의한 것으로 여겨지며 그 결과 WDS나 EDS 정량분석에서 분석값에 상당한 오류를 일으킬 가능성이 있음을 지시한다. 이러한 오차를 줄이기 위해 EPMA 분석 조건으로 10nA의 전류량을 사용하였으며 주 구성성분에 대한 분석을 80초 이내에 마칠 수 있도록 하였다.
전자회절도형의 관찰 결과 1 μm 정도로 성장한 Na-rich 지역과 K-rich 지역은 각각의 방향이 약 5°정도 경사져 있음이 드러났다. K-rich 지역의 [001] 전자회절도형은 앨바이트와 orthoclase의 두 상이 공존함을 보이는데 앨바이트와 orthoclase 는 b* 방향이 서로 반대로 나타남이 특징적이다(Fig.
후속연구
단사정계인 C2/m의 고온 장석이 냉각에 의해 삼사정계인 #의 저온 장석으로 상전이 하는 것은 대칭성 면에서 비추어 보면 장석이 강탄성(fferroelastic) 물질임을 지시하는데, 이러할 경우 상전이 된 저온상은 고유의 strain(spontaneous strain)을 갖게 되는 특징이 있다(Aizu, 1970; Wadhawan, 1982; Salje, 1990). 아직까지 이러한 강탄성의 물성이나 pole swithcing의 관점에서 쌍정을 비롯한 장석의 미세구조에 대한 연구가 본격적으로 진행된 적이 없는데, 강자성(ferromagnetic) 물질이 고지자기 상황을 지시해주는 것처럼 장석의 미세구조가 과거의 지질 환경을 지시해주는 귀중한 자료가 될 수 있다는 점과, 재료적인 측면에서도 장석을 단순한 원료로 이용하는 것이 아니라 부가가치가 높은 신소재로 이용할 가능성을 열어주기 때문에 앞으로 이와 관련된 보다 체계적이고 심도 있는 연구가 진행되어야 한다.
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