일라이트-스멕타이트 혼합층광물(I-S)은 속성작용과 열수변질작용에 의해 생성되는 자생광물로 온도와 칼륨이온 농도가 증가할수록 일라이트가 증가하는 I-S 상으로 전이하기 때문에 에너지 및 광물자원탐사분야에서 지온계와 연대측정계로 널리 활용되고 있다. 일반적으로 I-S 층상구조를 이루고 있는 규산염층의 개수가 한정적이기 때문에 (보통 5 ~ 15개) 팽창도라 부르는 스멕타이트 함량(%S)이 이론치보다 낮게 나타나는 특징이 있다(이를 단범위적층효과라 함). 본 연구에서는 기본입자(I-S 결정자를 물리적으로 분리하였을 때 관찰되는 최소 단위체)가 면대면(face-to-face)으로 쌓여 I-S 층상구조를 이룬다는 기본입자모델을 적용하여 적층정도에 따른 팽창도 차이로부터 단범위적층효과를 정량화하고자 하였다(${\Delta}%S=%S_{Max}-%S_{XRD}$; $%S_{Max}$ = 기본입자가 무한적층을 하였을 때 팽창도, $%S_{XRD}$ = 기본입자가 제한적층을 하였을 때 팽창도로 통상 X-선 회절분석을 이용하여 측정함). 본 연구를 위하여 금성산화산암복합체(경북 의성)에서 산출되는 11개 I-S 시료로부터 1 ${\mu}m$ 이하 입도를 분리하여 $%S_{XRD}$와 평균부합성산란두께(average coherent scattering thickness)를 측정하였으며 이 두 값을 활용하여 평균기본입자두께($N_f$)와 $%S_{Max}$를 유도하였다. 연구결과, 팽창도가 20 $%S_{XRD}$ 지점에서 단범위적층효과가 최대로 발생하는 것을 관찰할 수 있었으며 이는 대략적으로 평균 3개의 규산염층으로 구성된 기본입자($N_f{\approx}3$)가 쌓여 I-S 층상구조를 이루고 있는 경우에 해당하였다. Kang et al.(2002)의 $%S_{XRD}$와 $N_f$ 다어그램을 이용하여 각 질서도(Reichweite)에 대한 $%S_{XRD}$ 범위를 유추해본 결과, 단범위적층효과로 인하여 $%S_{XRD}$값의 범위가 적층확률(junction probability)을 통하여 유도한 이론치보다 더 낮은 쪽으로 이동하는 현상을 관찰할 수 있었다. 또한, I-S 층상구조를 구성하는 기본입자의 두께가 I-S 질서도를 결정하는 주요 인자임을 재확인할 수 있었다.
일라이트-스멕타이트 혼합층광물(I-S)은 속성작용과 열수변질작용에 의해 생성되는 자생광물로 온도와 칼륨이온 농도가 증가할수록 일라이트가 증가하는 I-S 상으로 전이하기 때문에 에너지 및 광물자원탐사분야에서 지온계와 연대측정계로 널리 활용되고 있다. 일반적으로 I-S 층상구조를 이루고 있는 규산염층의 개수가 한정적이기 때문에 (보통 5 ~ 15개) 팽창도라 부르는 스멕타이트 함량(%S)이 이론치보다 낮게 나타나는 특징이 있다(이를 단범위적층효과라 함). 본 연구에서는 기본입자(I-S 결정자를 물리적으로 분리하였을 때 관찰되는 최소 단위체)가 면대면(face-to-face)으로 쌓여 I-S 층상구조를 이룬다는 기본입자모델을 적용하여 적층정도에 따른 팽창도 차이로부터 단범위적층효과를 정량화하고자 하였다(${\Delta}%S=%S_{Max}-%S_{XRD}$; $%S_{Max}$ = 기본입자가 무한적층을 하였을 때 팽창도, $%S_{XRD}$ = 기본입자가 제한적층을 하였을 때 팽창도로 통상 X-선 회절분석을 이용하여 측정함). 본 연구를 위하여 금성산화산암복합체(경북 의성)에서 산출되는 11개 I-S 시료로부터 1 ${\mu}m$ 이하 입도를 분리하여 $%S_{XRD}$와 평균부합성산란두께(average coherent scattering thickness)를 측정하였으며 이 두 값을 활용하여 평균기본입자두께($N_f$)와 $%S_{Max}$를 유도하였다. 연구결과, 팽창도가 20 $%S_{XRD}$ 지점에서 단범위적층효과가 최대로 발생하는 것을 관찰할 수 있었으며 이는 대략적으로 평균 3개의 규산염층으로 구성된 기본입자($N_f{\approx}3$)가 쌓여 I-S 층상구조를 이루고 있는 경우에 해당하였다. Kang et al.(2002)의 $%S_{XRD}$와 $N_f$ 다어그램을 이용하여 각 질서도(Reichweite)에 대한 $%S_{XRD}$ 범위를 유추해본 결과, 단범위적층효과로 인하여 $%S_{XRD}$값의 범위가 적층확률(junction probability)을 통하여 유도한 이론치보다 더 낮은 쪽으로 이동하는 현상을 관찰할 수 있었다. 또한, I-S 층상구조를 구성하는 기본입자의 두께가 I-S 질서도를 결정하는 주요 인자임을 재확인할 수 있었다.
Illite-smectite mixed layers (I-S) occurring authigenically in diagenetic and hydrothermal environments reacts toward more illite-rich phases as temperature and potassium ion concentration increase. For that reason, I-S is often used as geothermometry and/or geochronometry at the field of hydrocarbo...
Illite-smectite mixed layers (I-S) occurring authigenically in diagenetic and hydrothermal environments reacts toward more illite-rich phases as temperature and potassium ion concentration increase. For that reason, I-S is often used as geothermometry and/or geochronometry at the field of hydrocarbons or ore minerals exploration. Generally, I-S shows X-ray powder diffraction (XRD) patterns of ultra-thin lamellar structures, which consist of restricted numbers of sillicate layers (normally, 5 ~ 15 layers) stacked in parallel to a-b planes. This ultra-thinness is known to decrease I-S expandability (%S) rather than theoretically expected one (short-stacking effect). We attempt here to quantify the short stacking effect of I-S using the difference of two types of expandability: one type is a maximum expandability ($%S_{Max}$) of infinite stacks of fundamental particles (physically inseparable smallest units), and the other type is an expandability of finite particle stacks normally measured using X-ray powder diffraction (XRD) ($%S_{XRD}$). Eleven I-S samples from the Geumseongsan volcanic complex, Uiseong, Gyeongbuk, have been analyzed for measuring $%S_{XRD}$ and average coherent scattering thickness (CST) after size separation under 1 ${\mu}m$. Average fundamental particle thickness ($N_f$) and $%S_{Max}$ have been determined from $%S_{XRD}$ and CST using inter-parameter relationships of I-S layer structures. The discrepancy between $%S_{Max}$ and $%S_{XRD}$ (${\Delta}%S$) suggests that the maximum short-stacking effect happens approximately at 20 $%S_{XRD}$, of which point represents I-S layer structures consisting of ca. average 3-layered fundamental particles ($N_f{\approx}3$). As a result of inferring the $%S_{XRD}$ range of each Reichweite using the $%S_{XRD}$ vs. $N_f$ diagram of Kang et al. (2002), we can confirms that the fundamental particle thickness is a determinant factor for I-S Reichweite, and also that the short-stacking effect shifts the $%S_{XRD}$ range of each Reichweite toward smaller $%S_{XRD}$ values than those that can be theoretically prospected using junction probability.
Illite-smectite mixed layers (I-S) occurring authigenically in diagenetic and hydrothermal environments reacts toward more illite-rich phases as temperature and potassium ion concentration increase. For that reason, I-S is often used as geothermometry and/or geochronometry at the field of hydrocarbons or ore minerals exploration. Generally, I-S shows X-ray powder diffraction (XRD) patterns of ultra-thin lamellar structures, which consist of restricted numbers of sillicate layers (normally, 5 ~ 15 layers) stacked in parallel to a-b planes. This ultra-thinness is known to decrease I-S expandability (%S) rather than theoretically expected one (short-stacking effect). We attempt here to quantify the short stacking effect of I-S using the difference of two types of expandability: one type is a maximum expandability ($%S_{Max}$) of infinite stacks of fundamental particles (physically inseparable smallest units), and the other type is an expandability of finite particle stacks normally measured using X-ray powder diffraction (XRD) ($%S_{XRD}$). Eleven I-S samples from the Geumseongsan volcanic complex, Uiseong, Gyeongbuk, have been analyzed for measuring $%S_{XRD}$ and average coherent scattering thickness (CST) after size separation under 1 ${\mu}m$. Average fundamental particle thickness ($N_f$) and $%S_{Max}$ have been determined from $%S_{XRD}$ and CST using inter-parameter relationships of I-S layer structures. The discrepancy between $%S_{Max}$ and $%S_{XRD}$ (${\Delta}%S$) suggests that the maximum short-stacking effect happens approximately at 20 $%S_{XRD}$, of which point represents I-S layer structures consisting of ca. average 3-layered fundamental particles ($N_f{\approx}3$). As a result of inferring the $%S_{XRD}$ range of each Reichweite using the $%S_{XRD}$ vs. $N_f$ diagram of Kang et al. (2002), we can confirms that the fundamental particle thickness is a determinant factor for I-S Reichweite, and also that the short-stacking effect shifts the $%S_{XRD}$ range of each Reichweite toward smaller $%S_{XRD}$ values than those that can be theoretically prospected using junction probability.
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문제 정의
따라서 ∆%S = %SMax − %SXRD는 기본입자가 무한히 적층하고 있을 때를 기준으로 하여 얼마나 제한된 적층을 하고 있는지를 의미하는 기하학적 관점으로 재해석 될 수 있다. 이에 본 연구는 금성산화산암복합체에서 산출되는 화산쇄설물 기원 I-S 시료를 대상으로 ∆%S를 분석하여 단범위적층효과를 정량적으로 평가하고, 나아가 I-S 질서도(Reichweite)가 단범위적층으로 인해 어떻게 영향을 받을 수 있는지 연구하고자 한다.
제안 방법
따라서 본 연구결과는 비교적 신뢰할 수 있는 것으로 사료된다. %SXRD와 Nf 관계를 정량화하고자 거듭제곱함수를 이용하여 다음과 같은 상관관계식을 도출하였다.
이때, 염의 제거 상태는 AgCl 침전반응으로 확인하였으며 시료건조를 위해 동결건조기를 사용하였다. %SXRD측정을 위하여 퇴적법으로 박편용 유리판 위에 약 20-10 mg/cm2 두께의 정방위시료를 제작하였으며, 증기법으로 에틸렌글리콜을 48시간 포화시켰다. 단, 장범위질서도 I-S 시료는 상온건조(AD)와 에틸렌글리콜(EG)에서 측정한 001과 003 피크의 비, 즉 (001/003)AD/(001/003)EG(이후, IR 값이라 함)를 이용하여 팽창도를 측정하였다.
%SXRD측정을 위하여 퇴적법으로 박편용 유리판 위에 약 20-10 mg/cm2 두께의 정방위시료를 제작하였으며, 증기법으로 에틸렌글리콜을 48시간 포화시켰다. 단, 장범위질서도 I-S 시료는 상온건조(AD)와 에틸렌글리콜(EG)에서 측정한 001과 003 피크의 비, 즉 (001/003)AD/(001/003)EG(이후, IR 값이라 함)를 이용하여 팽창도를 측정하였다. 이를 위해 먼저 정방위시료를 실리카겔이 들어있는 건조기에서 24시간 건조한 후 X-선 회절분석을 실시하고 순차적으로 에틸렌글리콜을 처리하여 분석하였다.
분리된 1 µm 이하 시료를 1 M KCl 용액으로 3회 포화시킨 후에 잔류염을 제거하고 정방위시료를 제작한 후, 300oC에서 8시간 가열하여 층간탈수반응을 진행하였다.
채취한 시료는 Na-아세테이트(pH = 5 완충용액), 과산화수소, Na-구연산염-중탄산염-디티오나이트(CBD)로 불순물과 응집물을 제거하였으며(Jackson, 1969), 원심 분리기를 이용하여 1 µm 이하 입도로 분리하였다. 분리된 점토는 소량의 NaCl 포화용액으로 응집시킨 후 투석막을 이용하여 잔류염을 제거하였다. 이때, 염의 제거 상태는 AgCl 침전반응으로 확인하였으며 시료건조를 위해 동결건조기를 사용하였다.
이러한 Nadeau et al.의 기본입자모델을 적용하여 %S와 Nf 다이어그램으로부터 각각의 질서도에 해당하는 %SXRD 범위를 예측해보았다. Fig.
분리된 점토는 소량의 NaCl 포화용액으로 응집시킨 후 투석막을 이용하여 잔류염을 제거하였다. 이때, 염의 제거 상태는 AgCl 침전반응으로 확인하였으며 시료건조를 위해 동결건조기를 사용하였다. %SXRD측정을 위하여 퇴적법으로 박편용 유리판 위에 약 20-10 mg/cm2 두께의 정방위시료를 제작하였으며, 증기법으로 에틸렌글리콜을 48시간 포화시켰다.
단, 장범위질서도 I-S 시료는 상온건조(AD)와 에틸렌글리콜(EG)에서 측정한 001과 003 피크의 비, 즉 (001/003)AD/(001/003)EG(이후, IR 값이라 함)를 이용하여 팽창도를 측정하였다. 이를 위해 먼저 정방위시료를 실리카겔이 들어있는 건조기에서 24시간 건조한 후 X-선 회절분석을 실시하고 순차적으로 에틸렌글리콜을 처리하여 분석하였다. 팽창도는 무작위-질서도(R0)를 갖는 I-S 경우에는 ∆2θ법(Moore and Reynolds, 1997)으로, 단범위-질서도(R1~2)를 갖는 I-S 경우에는 (002/003)EG법(\(\acute{S}rodo\acute{n}\), 1984)으로, 장범위-질서도(R3이상)를 갖는 I-S 경우에는 IR법(\(\acute{S}rodo\acute{n}\) and Elsass, 1994)으로 측정하였다.
, 1998)으로 분석하였다. 일정한 분석조건을 유지하기 위해 Smoothing power를 0 또는 1로 제한하였으며, 분포평균값보다는 측정조건에 크게 영향을 받지 않는 외삽평균값을 평균부합성산란두께로 사용하였다. 평균부합성산란두께는 비교상 편의를 위하여 일라이트 저면간격에 해당하는 0.
측정 조건은 CuKa(40 kV, 30 mA)을 이용하였으며, 신호/잡음비를 높이기 위하여 발산슬릿 0.5o와 수광슬릿 0.15o조건에서 0.02o2θ당 에틸렌글리콜처리 시료는 4초, 가열처리 시료는 6초로 측정하였다.
일정한 분석조건을 유지하기 위해 Smoothing power를 0 또는 1로 제한하였으며, 분포평균값보다는 측정조건에 크게 영향을 받지 않는 외삽평균값을 평균부합성산란두께로 사용하였다. 평균부합성산란두께는 비교상 편의를 위하여 일라이트 저면간격에 해당하는 0.98 nm로 나누어줌으로써 길이단위인 nm에서 층개수로 단위전환을 실시하였다. X-선 회절분석은 MXP 18A RINT-2500 (MacScience사, 일본) 장비를 사용하였다.
대상 데이터
(1993)에 의해 보고된 금성산화산암복합체의 주 화산 활동시기인 71 Ma(현무암질 화산활동) 및 67 Ma(유문암질 화산활동)와 매우 밀접한 관계가 있음을 제시하였다. SI-, SU-, SG-시료들은 화산암복합체 내 화산쇄설물에서 채취하였으며, OT-1은 오토산 주변 열수변질대에서 채취하였다. 반면에, GS-1은 화산암복합체의 기반암인 백악기 퇴적암 내에 협재된 구산동 응회암에서 채취하였다.
연구시료로는 금성산화산암복합체(경북 의성) 화산쇄설물에서 기원한 11개 I-S 시료(Kang, 2000; Kang et al., 2002)가 사용되었다. Kang (2000)는 I-S의 K/Ar 방사선연대측정을 통하여 I-S의 생성시기가 Lee et al.
채취한 시료는 Na-아세테이트(pH = 5 완충용액), 과산화수소, Na-구연산염-중탄산염-디티오나이트(CBD)로 불순물과 응집물을 제거하였으며(Jackson, 1969), 원심 분리기를 이용하여 1 µm 이하 입도로 분리하였다.
이론/모형
(1992)이 제시한 %SMax = 100/Nf를 이용하여 계산하였으며, 이를 통하여 ∆%S도 구하였다(∆%S = %SMax − %SXRD).
위에서 설명한 방법으로 %SXRD와 N을 이용하여 Nf를 계산한 후 Kang et al.(2002)이 제시한 %S와 Nf 다이어그램에 도식해 보았다. 결과, 측정자료 대부분이 자연에서 산출되는 I-S가 존재할 수 있는 영역으로 제시된 1 < Nf < 100/%SMax 조건을 잘 만족하였다.
팽창도는 무작위-질서도(R0)를 갖는 I-S 경우에는 ∆2θ법(Moore and Reynolds, 1997)으로, 단범위-질서도(R1~2)를 갖는 I-S 경우에는 (002/003)EG법(\(\acute{S}rodo\acute{n}\), 1984)으로, 장범위-질서도(R3이상)를 갖는 I-S 경우에는 IR법(\(\acute{S}rodo\acute{n}\) and Elsass, 1994)으로 측정하였다.
, 2003). 평균부합성산란두께는 MudMaster 프로그램(Eberl et al., 1996)을 이용하여 가열처리한 시료에서 측정한 001 회절선을 대상으로 Bertaut-Warren-Averbach (BWA)법(Drits et al., 1998)으로 분석하였다. 일정한 분석조건을 유지하기 위해 Smoothing power를 0 또는 1로 제한하였으며, 분포평균값보다는 측정조건에 크게 영향을 받지 않는 외삽평균값을 평균부합성산란두께로 사용하였다.
성능/효과
결과, 측정자료 대부분이 자연에서 산출되는 I-S가 존재할 수 있는 영역으로 제시된 1 < Nf < 100/%SMax 조건을 잘 만족하였다.
결론적으로 본 연구는 %SMAX와 %SXRD간의 차이를 이용하여 단범위적층효과를 정량적으로 이해하고자 하였으며, 연구결과 약 20 %SXRD(또는 Nf ≈ 3)에서 단범위적층효과가 최대로 발생함을 제시하였다.
그러므로 I-S 결정자의 두께증가가 비교적 크지 않은 %SXRD > 20 영역에서는 I-S 결정자 외각에 위치한 1/2 규산염층이 팽창도에 기여하는바가 비교적 일정하게 유지된다고 가정할 수 있다. 그러나 이와 달리 기본입자의 두께가 %SXRD가 감소함에 따라 큰 폭으로 증가하는 것으로 보아 결정자 내 일라이트층간이 급격하게 없어지게 되고 이에 따라 %SXRD감소가 두드러지게 발생하여 궁극적으로는 ∆%S를 증가시키는 것으로 사료된다. 이와 반대로 %SXRD < 20 영역에서는 I-S 결정자두께와 기본입자두께 모두 급격하게 증가하여 %SMax, %SXRD 모두 빠르게 감소하기 때문에 궁극적으로 ∆%S 감소를 유발하는 것으로 판단된다.
따라서 20 %SXRD에서 단범위적층효과가 최대로 발생하는 것으로 사료되며, Fig. 4를 참조할 때 대략적으로 평균 3개의 규산염층으로 구성된 일라이트-기본입자(Nf ≈ 3)가 적층하여 I-S 층상구조를 형성할 때 단범위적층효과가 크게 발생하는 것으로 사료된다.
≈ 3)에서 단범위적층효과가 최대로 발생함을 제시하였다. 또한, 기본입자두께가 I-S 질서도를 결정하는 주요인자임을 재확인하였으며, 단범위적층효과에 의해 각 질서도에 해당하는 %SXRD 범위가 좀 더 일라이트질로 나타남을 관찰할 수 있었다. 이러한 본 연구결과는 I-S 구조를 해석하는데 있어서 기본입자의 적층성이 미치는 영향을 이해하는데 도움을 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
예를 들어, Table 1을 살펴보면 %SXRD가 20보다 클 때에는 N값이 비교적 완만한 증가세를 보이는 반면에 Nf 값의 경우에는 급격한 증가추세를 보인다. 일례로 SU-1(94%SXRD)과 SU-2(24 %SXRD)를 비교해 보면 N값이 5.6에서 7.1로 약 27 %정도 증가하나 Nf는 1.05에서 2.9로 176 % 증가한다. 반면에 %SXRD가 20보다 작을 때에는 N, Nf 모두 급격한 증가세를 보이게 되는데 SU-2와 SG계열 시료를 비교해보면 N값은 52-111 %, Nf는 93-214 % 증가세를 보인다.
후속연구
또한, 기본입자두께가 I-S 질서도를 결정하는 주요인자임을 재확인하였으며, 단범위적층효과에 의해 각 질서도에 해당하는 %SXRD 범위가 좀 더 일라이트질로 나타남을 관찰할 수 있었다. 이러한 본 연구결과는 I-S 구조를 해석하는데 있어서 기본입자의 적층성이 미치는 영향을 이해하는데 도움을 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스멕타이트 함량이 이론치보다 낮게 나타나는 특징이 있는 이유는?
일라이트-스멕타이트 혼합층광물(I-S)은 속성작용과 열수변질작용에 의해 생성되는 자생광물로 온도와 칼륨이온 농도가 증가할수록 일라이트가 증가하는 I-S 상으로 전이하기 때문에 에너지 및 광물자원탐사분야에서 지온계와 연대측정계로 널리 활용되고 있다. 일반적으로 I-S 층상구조를 이루고 있는 규산염층의 개수가 한정적이기 때문에 (보통 5 ~ 15개) 팽창도라 부르는 스멕타이트 함량(%S)이 이론치보다 낮게 나타나는 특징이 있다(이를 단범위적층효과라 함). 본 연구에서는 기본입자(I-S 결정자를 물리적으로 분리하였을 때 관찰되는 최소 단위체)가 면대면(face-to-face)으로 쌓여 I-S 층상구조를 이룬다는 기본입자모델을 적용하여 적층정도에 따른 팽창도 차이로부터 단범위적층효과를 정량화하고자 하였다(${\Delta}%S=%S_{Max}-%S_{XRD}$; $%S_{Max}$ = 기본입자가 무한적층을 하였을 때 팽창도, $%S_{XRD}$ = 기본입자가 제한적층을 하였을 때 팽창도로 통상 X-선 회절분석을 이용하여 측정함).
일라이트-스멕타이트 혼합층광물이 지온계와 연대측정계로 에너지 및 광물자원탐사에서 널리 활용해 오고 있는 이유는?
특히, Fig. 1과 같이 I-S는 온도가 증가하거나 칼륨이온 농도가 증가할수록 일라이트질 I-S로 체계적으로 전이하기 때문에 지온계와 연대측정계로 에너지 및 광물자원탐사에서 널리 활용해 오고 있다(Pollastro, 1993; Meunier and Velde, 2010). 그러나 I-S 생성 및 결정성장 기작이 지질환경에 따라 다양하게 나타나기 때문에 I-S의 지질학적 활용성을 높이기 위해서는 I-S 생성기작에 관한 심도 깊은 연구가 필요하며 이를 위해서는 I-S의 구조적 특성에 대한 이해가 선행되어야 한다(Altaner and Ylagan, 2000).
일라이트-스멕타이트 혼합층광물의 특징은?
일라이트-스멕타이트 혼합층광물(I-S)은 속성작용과 열수변질작용에 의해 생성되는 자생광물로 온도와 칼륨이온 농도가 증가할수록 일라이트가 증가하는 I-S 상으로 전이하기 때문에 에너지 및 광물자원탐사분야에서 지온계와 연대측정계로 널리 활용되고 있다. 일반적으로 I-S 층상구조를 이루고 있는 규산염층의 개수가 한정적이기 때문에 (보통 5 ~ 15개) 팽창도라 부르는 스멕타이트 함량(%S)이 이론치보다 낮게 나타나는 특징이 있다(이를 단범위적층효과라 함).
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