[논문]가시광선 및 적외선 분광학을 이용한 광물자원 탐사 응용

유재형

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문제 정의

특히 암석이나 광물의 경우 가시광선과 적외선영역에서 화학조성에 따라 변이를 탐지하기가 용이하여 가시광선 및 적외선 분광학이 가장 효용도가 높다고 할 수 있다. 따라서 본문에서는 분광학을 이용한 광물자원탐사의 기본원리와 가시광선과 근적외선 영역에서의 분광학적 특성, 그리고 대표적인 spectral library정보의 이용에 대해 기존에 발표되었던 논문과 Hauff 의 review paper(http://www.pimausa.com/Case_Studies.html )를 바탕으로 살펴보고자 한다.

제안 방법

위에서 기술한 바와 같이 근적외선 영역은 파장에 따라 상대적으로 짧은 근적외선 영역에 해당하는 Near Infrared와 파장이 긴 근적외선인 Short-wave infrared로 구분된다. 본문에서는 근적외선을 구분하기 위하여 Near infrared는 단-근적외선, Short-wave infrared는 장-근적외선으로 표기하였다. 이 방법은 물질의 원자구조내에서 특정 원자와 분자가 특정한 파장에 해당하는 에너지를 흡수하는 특징을 이용한다(Hunt, 1977; Goetz et al.
시료의 기재 사항으로는 광물의 이름과 화학식, 체취장소, 체취단체, 시료에 대한 스펙트럼이 발표된 참고문헌, 시료사진, EM 등의 화학분석에 의한 자세한 화학조성, 미량원소의 종류, 현미경관찰사항 등의 정보를 제공한다.
반사분광법을 이용한 광물자원 탐사에 있어서는 기준이 될 수 있는 자료의 양과 정확도가 매우 중요한 요소로 고려되어야 하며, 현재 이용되는 자료 중 가장 많이 쓰이는 자료는 USGS에 의해 2007년에 편찬된 spectral library가 대표적이다. 이 자료는 상당량의 광물, 암석, 광물혼합물, 식물, 인조물질, 액체 등에 대한 자세한 시료기재와 화학조성을 제공하여 이들 시료에 대한 전자기파의 반사도를 8 nm의 해상도로 제공한다.
이 spectral library는 모두 6개의 챕터로 이루어져 있으며 챕터 1은 광물, 챕터 2는 토양, 암석 및 혼합물, 챕터 3은 코팅물질, 챕터 4는 물을 포함한 액체와 휘발성 물질, 챕터 5는 인조물질, 챕터 6는 식물과 식물군에 대한 자료를 보인다. 지표 물질들에 대한 분광분석은 0.2에서 3㎛ 을 수집할 수 있는 Beckman 5270 분광계, 0.35에서 2.5㎛의 ASD 휴대용 분광계, 1.3 에서 150㎛ 에 대한 Nicolet Fourier Tranform Infra-Red Interferometer 분광계 등을 사용하여, 각 물질에 대해 0.2~3.0㎛, 1.5~6.0㎛, 5~25㎛, 25~150㎛ 의 파장영역에 해당하는 spectral signature를 제공한다. 가시광선과 근적외선 영역에 해당하는 0.

대상 데이터

현재까지 6개의 version이 만들어 졌으며, 가장 최근에 업데이트는 2007년에 splib06a가 편찬되며 이루어 졌다. 1300 여개 이상의 물질에 대한 스펙크럼이 기준치로 제공되며 http://speclab.cr.usgs.gov/spectral-lib.html에서 무료로 다운받을 수 있다(Clark et al., 2007). 이 자료는 광물, 암석, 토양, 식물 및 식물군, 미생물과 인조물질에 대한 분광학적 자료를 포함하고 있으며, 이들 자료를 처리하기 위한 프로그램이 무료로 제공되고 있다.

성능/효과

예를 들면 chlorite의 경우 가시광선의 영역에서 특징적인 스펙트럼을 갖는데 반해 중적외선 영역에서는 다른 광물들과 분간이 어려운 경우가 종종 발생한다(그림 3). 전체적으로 반사도가 중적외선 영역에 비해 낮지만 녹색의 영역에 해당하는 0.5~0.6㎛에서 다른 가시광선 영역에 비해 높은 반사도를 보이는 반면 적색영역(0.6~0.7㎛) 과 청색영역(0.4~0.5㎛)에서 높은 흡수도를 보인다.

후속연구

앞에서 언급한 바와 같이 특정 물질의 반사도는 원자구조와 분자구조 등에 의해 특정 에너지를 흡수함에 따라 다르게 나타나므로 같은 종류의 광물일 지라도 화학조성이 약간 변화하게 되면 흡수하는 에너지 레벨도 달라지게 되며 spectral signature가 다르게 나타난다. 다시 말하면 같은 종류의 광물도 spectral library가 잘 조성되어 있다면 화학분석 없이 분광계를 이용한 spectral signature를 바탕으로 화학조성을 예측할 수 있다는 것을 지시한다. 따라서 USGS spectral library에는 같은 종류의 광물일 지라도 미세한 화학조성의 및 다른 광물과의 혼합 정도에 따라 여러가지의 기준치를 제공한다.
따라서 현장 조사에 앞서 암상의 분포와 광상배태 가능성을 인지할 수 있는 기초조사의 중요성이 대두되고 있다. 또한 현장에서 광종과 변질대의 형태를 인지하기에는 육안으로 구분할 수 있는 광물이 제한적이어서 시료를 채취하여 실내실험을 통하여 광종과 변질대를 파악하고 그 결과를 다시 야외조사에서 활용하는 여러단계의 탐사활동을 거쳐야 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

분광학이란?

분광학(spectroscopy)이란 태양으로 부터 방사된 전자기파(Electromagnatic Radiation, EMR)와 지표에 존재하는 물질사이의 반응에 대한 연구를 수행하는 학문이다. 전자기파가 물질과 만나게 되면 물질에 의해 흡수(absorption), 방사(emission) 또는 산란(scattering) 된다.

장-근적외선에 기초하는 분광법은 어디에 용이한가?

앞에서 기술된 바와 같이 장-근적외선에 기초하는 분광법은 원자와 분자간의 화학결합에 의한 진동에너지를 활용하는 방법이다. 따라서 Si-OH 결합에 의한 비정질 규산염광물을 확인하는데 용이하다. 장-근적외선 분광법이 가장 많이 사용되는 분자들은 H2O,OH,CO3 및 NH4 등이 있다.

반사분광법이란?

전자기파가 물질과 만나게 되면 물질에 의해 흡수(absorption), 방사(emission) 또는 산란(scattering) 된다. 반사분광법(Reflectance Spectrometry)은 전자기파의 영역 중 물질에 의해 반사되는 영역에 해당하는 가시광선(visible, 0.4~0.75㎛), 근적외선(Near-Infrared, 0.75~1.4㎛), 및 근적외선(Short-Wave Infrared, 1.4~3.0㎛)을 이용하여 광물을 분석하는 방법이다. 위에서 기술한 바와 같이 근적외선 영역은 파장에 따라 상대적으로 짧은 근적외선 영역에 해당하는 Near Infrared와 파장이 긴 근적외선인 Short-wave infrared로 구분된다.

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