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문제 정의
- 또한 광산의 채굴 활동에 따라 채굴적의 범위와 형태가 크게 바뀌게 되었다. 따라서 이번 연구에서는 비봉광산에 나타나는 전체 사문암체에 대한 지질학적 및 광물학적 조사를 통하여 이곳에서 산출하는 구성광물의 종류, 특성과 분포 상태를 파악하고, 나아가 사문암의 형성과정을 검토하고자 한다.
제안 방법
- 더 자세한 결정형태를 검토하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 시료를 관찰하였다. EDS 분석도 동시에 행하여 정성분석을 실시하였다. 거의 순수한 사문석으로 구성된 여러 시료에 대해서 결정형태를 조사한 결과, 평행한 층상을 보이는 판 상이 주로 나타났으며, 매우 얇은 판상의 형태가잘 관찰된다(그림 7A, B).
- ICP-AES는 Jobin Yvon 138 Ultima 2를 사용하여 아르곤 플라즈마 6000 K, 스펙트럼 범위 160∼800 nm, 해상도 0.005 nm (UV)의 조건에서 측정하였다.
- 미량원소 분석은 한국기초과학지원연구원 서울 센터에 의뢰하여 ICP-MS 및 ICP-AES를 이용하여 분석하였다. ICP-MS는 Perkin Elmer사의 Elan 6100을 사용하여 아르곤 플라즈마 가스 유속 15 L/ min, 보조 유속 1.2 L/min, 분무 유속 0.86 L/min, 방사 주파수 40 MHz, 해상도 0.75 AMU 조건에서 측정하였다. ICP-AES는 Jobin Yvon 138 Ultima 2를 사용하여 아르곤 플라즈마 6000 K, 스펙트럼 범위 160∼800 nm, 해상도 0.
- X-선회절분석은 Rigaku사의 Geigerflex 2013 기기를 사용하여, CuKα선과 Ni 필터에 의한 X-선으로 전압 35 KV, 전류 20 mA, 주사속도 2° 2θ/min, 시정수 1 sec, 슬릿 1°∼0.3 mm∼1°의 조건으로 측정하였다.
- 암석과 광석의 조직과 구성광물을 관찰하기 위하여 박편을 제작하여 편광현미경을 관찰하였다. 그리고 광물결정의 형태적 특성을 파악하기 위하여 미세 분말을 특정 굴절액에 침액한 후에 편광현미경의 관찰도 실시하였다.
- 그리고 전자현미분석(EPMA)은 Cameca사의 SX100을 사용하였으며, 가속전압 15 KeV, 빔전류 20 mA, 빔직경 1 µm의 조건으로 이루어졌다.
- 그리고 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 광물 입자의 미세한 형태 및 구조를 관찰하였다. 장치는 한국기초과학지원연구원 부산센터의 Hitachi사 모델 S4800 FE-SEM을 사용하였고, 가속전압 15∼20 KV, 10∼15 mA의 측정조건으로 하였으며, 에너지 분산 분광장치(EDS)를 이용하여 정성분석을 행하였다.
- 더 자세한 결정형태를 검토하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 시료를 관찰하였다. EDS 분석도 동시에 행하여 정성분석을 실시하였다.
- 따라서 편광현미경과 주사전자현미경으로 사문석의 형태를 조사하였다. 우선 사문석 시료의 미세 분말을 특정 굴절액에 침액하여 편광현미경으로 관찰하였다.
- 우선 사문석 시료의 미세 분말을 특정 굴절액에 침액하여 편광현미경으로 관찰하였다. 뚜렷한 영상을 위하여 직교니콜에 석고검판을 사용하여 400배 배율로 관찰하였다. 그 결과, 괴상의 사문석시료에서는 모두 입상, 주상, 판상과 같은 형태를 보였으며, 섬유상이나 침상의 형태는 나타나지 않았다.
- 미량원소 분석은 한국기초과학지원연구원 서울 센터에 의뢰하여 ICP-MS 및 ICP-AES를 이용하여 분석하였다. ICP-MS는 Perkin Elmer사의 Elan 6100을 사용하여 아르곤 플라즈마 가스 유속 15 L/ min, 보조 유속 1.
- 비봉광산에서 산출하는 사문암의 주성분원소를분석하였으며, 구성광물의 화학성분을 알기 위하여 전자현미분석을 실시하였다. 사문석을 포함하는 대표 시료들에 대해 화학성분의 분석결과는 표 1에나타냈다.
- 비봉광산의 사문암체를 구성하는 광물조합은 A) 사문석-포스터라이트, B) 사문석, C) 사문석-녹니석(버미큘라이트), D) 사문석-투각섬석-녹니석(버미큘라이트), E) 투각섬석-녹니석의 5가지로 나누어졌다. 이들 광물조합들은 각기 분산되어 분포하기 때문에 분포지역을 분대하기는 어렵지만, 대체 적으로 A, B, C 조합은 남동부 채굴장에 많고, 반면에 D, E 조합은 북동부의 사문암체에 주로 나타났다.
- 비봉광산의 사문암체에서 산출되는 사문석 광물을 검토하기 위하여 X-선회절선을 자세히 조사하였으며 Whittaker와 Zussman (1965) 및 Rucklidge 와 Zussman (1965)의 자료를 토대로 비교분석하였다. 그림 4에는 사문석을 주로 하는 4개의 광석시료에 대한 X-선회절선을 나타냈다.
- 사문석 광물의 결정구조와 광물종 식별을 위하여 적외선분광분석(FT-IR)을 실시하였다. 전술한 사문석을 주로 포함하는 대표적인 시료 4개에 대해서 분석하였다.
- 사문석의 광물종 식별을 위하여 적외선분광분석(FT-IR)을 실시하였다. 장비는 한국기초과학지원연구원 부산센터의 Bruker사 Bruker IFS 66기종을 이용하였으며 스펙트럼 범위 4,000∼400 cm-1, 해상도 0.
- 사문암에 포함되는 사문석, 감람석, 휘석에 대한 전자현미분석을 실시하였다. 사문석의 분석결과는표 2에 나타내었으며, 많은 포인트에서 분석한 평균치를 시료별로 나타냈다.
- 사문암체에서 산출하는 투각섬석에 대해서도 주사전자현미경을 통하여 결정형태를 관찰하였다. 투 각섬석도 섬유상으로 산출할 경우에는 석면에 해당되기 때문에 주의가 필요하다.
- 사문암체의 대표적인 광석 및 암석에 대하여 박 편을 제작하여 구성광물 및 조직을 편광현미경으로 관찰하였다. 사문석을 다량 함유하는 사문암의 현미경 사진에서는 직교 니콜 하에서 강한 색채의 간섭색을 가지는 입상의 감람석과 결정이 잘 관찰된다(그림 6A).
- 암석과 광석의 조직과 구성광물을 관찰하기 위하여 박편을 제작하여 편광현미경을 관찰하였다. 그리고 광물결정의 형태적 특성을 파악하기 위하여 미세 분말을 특정 굴절액에 침액한 후에 편광현미경의 관찰도 실시하였다.
- 따라서 편광현미경과 주사전자현미경으로 사문석의 형태를 조사하였다. 우선 사문석 시료의 미세 분말을 특정 굴절액에 침액하여 편광현미경으로 관찰하였다. 뚜렷한 영상을 위하여 직교니콜에 석고검판을 사용하여 400배 배율로 관찰하였다.
- 충남 청양군 비봉광산 지역에 대하여 지질조사를 수행하고 현재 채굴적의 모든 노두에 대한 광석및 암석시료의 채취가 이루어졌다. 이들 시료를 건조시킨 후 분쇄하여 X-선분말회절분석을 실시하여 구성광물을 조사하였다. X-선회절분석은 Rigaku사의 Geigerflex 2013 기기를 사용하여, CuKα선과 Ni 필터에 의한 X-선으로 전압 35 KV, 전류 20 mA, 주사속도 2° 2θ/min, 시정수 1 sec, 슬릿 1°∼0.
- 장비는 한국기초과학지원연구원 부산센터의 Bruker사 Bruker IFS 66기종을 이용하였으며 스펙트럼 범위 4,000∼400 cm-1, 해상도 0.1 cm-1의 조건으로 분석하였다.
- 사문석 광물의 결정구조와 광물종 식별을 위하여 적외선분광분석(FT-IR)을 실시하였다. 전술한 사문석을 주로 포함하는 대표적인 시료 4개에 대해서 분석하였다. 그 결과, 모든 시료에서 유사한 흡수선을 나타냈으며, 그 중에서 큰 흡수선의 일부를 그림 5에 표시하였다.
대상 데이터
- 충남 청양군 비봉광산 지역에 대하여 지질조사를 수행하고 현재 채굴적의 모든 노두에 대한 광석및 암석시료의 채취가 이루어졌다. 이들 시료를 건조시킨 후 분쇄하여 X-선분말회절분석을 실시하여 구성광물을 조사하였다.
이론/모형
- 대표적인 시료의 주화학성분 분석은 부경대학교 공동실험실습관에 설치된 SHIMADZU사 모델 XRF-1700의 X-선형광분석(XRF)을 통해 비드(bead) 정량법으로 분석하였다.
- 장치는 한국기초과학지원연구원 부산센터의 Hitachi사 모델 S4800 FE-SEM을 사용하였고, 가속전압 15∼20 KV, 10∼15 mA의 측정조건으로 하였으며, 에너지 분산 분광장치(EDS)를 이용하여 정성분석을 행하였다.
성능/효과
- XRD, FT-IR, SEM 등으로 분석한 결과, 사문석 광물은 주로 판상의 형태를 보이는 리자르다이트와 안티고라이트로 구성되며, 섬유상의 크리소타일은 세맥이나 사문구조의 일부분에 국한되어 산출 되는 것으로 나타났다.
- EDS 분석도 동시에 행하여 정성분석을 실시하였다. 거의 순수한 사문석으로 구성된 여러 시료에 대해서 결정형태를 조사한 결과, 평행한 층상을 보이는 판 상이 주로 나타났으며, 매우 얇은 판상의 형태가잘 관찰된다(그림 7A, B). 많은 부분에 대해서 다양한 배율로 관찰하였으나 침상 내지 섬유상의 결정은 잘 관찰되지 않았다.
- 뚜렷한 영상을 위하여 직교니콜에 석고검판을 사용하여 400배 배율로 관찰하였다. 그 결과, 괴상의 사문석시료에서는 모두 입상, 주상, 판상과 같은 형태를 보였으며, 섬유상이나 침상의 형태는 나타나지 않았다. 일부 육안상 섬유상의 세 맥을 보이는 부분에 대해서는 역시 섬유상의 결정이 잘 관찰되었다.
- 사진에서 보듯이 세맥의 방향에 수직하게 미세한 섬유들이 다발로 발달 되어 나타나며, 요곡성이 발달된 유연한 섬유로서크리소타일에 해당되는 것으로 볼 수 있다. 그리고 사문암의 표면에 뱀 껍질 모양의 망상으로 분포하는 세맥에 대해서도 관찰해본 결과, 세맥 중심부의 빈틈의 표면에 미세한 섬유가 나타나는 것이 확인 되었다(그림 7D). 이러한 결과로 볼 때, 이곳의 사문석 광물은 주로 판상의 형태를 보이는 리자르다이트와 안티고라이트에 해당되며, 섬유상의 크리소 타일은 세맥이나 사문구조의 일부분에서 세맥상으로만 일부 국한되어 산출되는 것으로 나타났다.
- 드물지만 사문암 내에 휘석의 결정이 포함되어 있으며 이들에 대한 분석 결과, SiO2가 56.8∼57.7%, MgO가 33.8∼35.3%, FeO가 5.4∼5.9%로 나타났다.
- 이러한 산상과 광물조합의 분포상태로 보아 사문석이 형성된 이후에 재차 열수변질을 받아서 투 각섬석과 녹니석이 형성된 것으로 생각된다. 따라서 전체적으로 볼 때, 광물조합 A, B, C, D, E의 순서에 따라 열수변질이 일어나 광물의 조성이 변화된 것으로 생각된다.
- 모든 시료에서 7.3 Å 회절선의 반가폭(회절선 높이의 반에 해당되는 곳의 회절선의 폭)을 측정해본 결과, 0.2∼0.5° 2θ의 범위로 나타났다.
- 이것은 사문암화가 되기 전의 원암에 제일 가까운 것으로도 볼 수 있다. 모든 시료에서 LREE가 HREE에 비하여 보다 부화된 경향을 나타내었다.
- 사문암 시료에 대해 미량원소와 희토류 원소를 분석하여 표 4와 5에 나타냈다. 미량원소의 분석 결과, 모든 시료에서 Cr과 Ni이 가장 많은 함량을 나타내고 있으며, 그 다음으로 Co와 Zn 등이 다소 많이 포함되어 나타난다. 이러한 원소의 함량이 높은 것은 초염기성암의 기원에 의한 특징으로 생각 된다.
- 희토류의 경우에는 원소에 따른 함량의 변화 패턴이 유사하게 나타났다. 분석한 시료 중 BB2-20시료에서 모든 원소에 대해 비교적 높은 함량을 나타냈다. 이 시료는 감람석의 함량이 상대적으로 가장 많은 시료에 해당된다.
- 비봉광산의 채굴장에서 채취한 사문암체 시료들의 X-선회절분석의 결과, 사문석, 포스터라이트, 투각섬석, 자철석, 활석, 돌로마이트, 녹니석, 버미 큘라이트 등의 광물이 나타났다. 이들 구성광물들의 특성과 조합으로부터 A) 사문석-포스터라이트, B) 사문석, C) 사문석-녹니석(버미큘라이트), D) 사문석-투각섬석-녹니석(버미큘라이트), E) 투각섬석-녹니석의 5가지 광물조합으로 구분되었다.
- 이 사문암체의 구성광물과 조직, 미량성분 등으로 보아 Mg-감람석을 주성분으로 하는 초염기성암이 열수변질작용을 받아 사문암이 형성된 것으로 나타났다. 초염기성암이 하부에서 상승하면서 열수 변질과 함께 그에 부피팽창과 단층운동 등에 의해 복잡한 형상의 사문암체를 만든 것으로 사료된다.
- 비봉광산의 채굴장에서 채취한 사문암체 시료들의 X-선회절분석의 결과, 사문석, 포스터라이트, 투각섬석, 자철석, 활석, 돌로마이트, 녹니석, 버미 큘라이트 등의 광물이 나타났다. 이들 구성광물들의 특성과 조합으로부터 A) 사문석-포스터라이트, B) 사문석, C) 사문석-녹니석(버미큘라이트), D) 사문석-투각섬석-녹니석(버미큘라이트), E) 투각섬석-녹니석의 5가지 광물조합으로 구분되었다. 자철석은 A, B, C, D 조합의 시료에서 사문석의 부수 광물로 부분적으로 소량 포함되어 나타난다.
- 그리고 사문암의 표면에 뱀 껍질 모양의 망상으로 분포하는 세맥에 대해서도 관찰해본 결과, 세맥 중심부의 빈틈의 표면에 미세한 섬유가 나타나는 것이 확인 되었다(그림 7D). 이러한 결과로 볼 때, 이곳의 사문석 광물은 주로 판상의 형태를 보이는 리자르다이트와 안티고라이트에 해당되며, 섬유상의 크리소 타일은 세맥이나 사문구조의 일부분에서 세맥상으로만 일부 국한되어 산출되는 것으로 나타났다.
- 즉 울산광산에서도 사문석이 우세한 변질대에 비교하여 투각섬석-녹니석 변질대는 2차 열수변질에 의한 것으로 나타냈다. 이러한 여러 가지 검토의 결과로 보아 이번 연구에서 구분된 광물 조합 A, B, C, D, E의 순서에 열수변질이 일어나 광물의 조성이 변화된 것으로 생각된다.
- 일부 육안상 섬유상의 세 맥을 보이는 부분에 대해서는 역시 섬유상의 결정이 잘 관찰되었다. 투각섬석을 포함하는 시료에 대해서 편광현미경으로 관찰한 결과, 주상 혹은 침상의 결정 형태들이 다수 관찰되었다.
후속연구
- 5° 2θ의 범위로 나타났다. 2.53 Å회절선의 강도와 반가폭과의 관계를 검토한 결과, 2.53 Å 회절선의 강도가 큰 시료에서 반가폭이 다소 큰 결과가 나타났는데, 이에 대해서는 광물학적으로 더 많은 검토가 필요할 것으로 생각된다.
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