맨틀상부에서 암석의 변형 및 광물의 격자선호방향(LPO) 형성과 지진파 비등방성과의 연계성 Rock Deformation and Formation of LPO of Minerals in the Upper Mantle: Implications for Seismic Anisotropy원문보기
감람석은 맨틀 상부의 주요 광물이고, 탄성적으로 매우 비균질하다. 맨틀암석이 고압고온에서 변형될 때, 이러한 감람석이 배열되어 격자선호방향(LPO, Lattice Preferred Orientation)이 형성된다. 감람석의 격자선호방향은 압력, 응력, 그리고 감람석 내부의 물(OH)의 양에 따라 크게 영향을 받을 수 있다. 이 논문에서는 물, 응력, 그리고 압력이 어떻게 감람석의 격자선호방향(LPO)의 형성에 영향을 주는지에 대해 그동안 발표된 논문들을 리뷰했고, 자연 맨틀암석에서 발견된 감람석의 격자선호방향들을 요약했으며, 감람석의 격자선호방향과 맨틀상부에서 나타나는 지진파의 비등방성과의 연계성에 대해 토의하였다. 그리고 최근에 맨틀암석에서 발견된 사방휘석의 네 가지 격자선호방향들을 기술하였다.
감람석은 맨틀 상부의 주요 광물이고, 탄성적으로 매우 비균질하다. 맨틀암석이 고압고온에서 변형될 때, 이러한 감람석이 배열되어 격자선호방향(LPO, Lattice Preferred Orientation)이 형성된다. 감람석의 격자선호방향은 압력, 응력, 그리고 감람석 내부의 물(OH)의 양에 따라 크게 영향을 받을 수 있다. 이 논문에서는 물, 응력, 그리고 압력이 어떻게 감람석의 격자선호방향(LPO)의 형성에 영향을 주는지에 대해 그동안 발표된 논문들을 리뷰했고, 자연 맨틀암석에서 발견된 감람석의 격자선호방향들을 요약했으며, 감람석의 격자선호방향과 맨틀상부에서 나타나는 지진파의 비등방성과의 연계성에 대해 토의하였다. 그리고 최근에 맨틀암석에서 발견된 사방휘석의 네 가지 격자선호방향들을 기술하였다.
Olivine is a dominant mineral in the upper mantle and is elastically very anisotropic. When olivine is deformed under stress at high pressure and high temperature, lattice preferred orientation (LPO) is formed. It is known that the LPO of olivine is affected by water, stress, and pressure. In this p...
Olivine is a dominant mineral in the upper mantle and is elastically very anisotropic. When olivine is deformed under stress at high pressure and high temperature, lattice preferred orientation (LPO) is formed. It is known that the LPO of olivine is affected by water, stress, and pressure. In this paper, I reviewed the papers dealing with the effects of water, stress, and pressure on the LPO of olivine, summarized the papers on the LPOs of olivine in natural mantle rocks, and discussed its implications for seismic anisotropy in the upper mantle. In addition, I also described four types of LPOs of orthopyroxene recently found in natural spinel lherzolite.
Olivine is a dominant mineral in the upper mantle and is elastically very anisotropic. When olivine is deformed under stress at high pressure and high temperature, lattice preferred orientation (LPO) is formed. It is known that the LPO of olivine is affected by water, stress, and pressure. In this paper, I reviewed the papers dealing with the effects of water, stress, and pressure on the LPO of olivine, summarized the papers on the LPOs of olivine in natural mantle rocks, and discussed its implications for seismic anisotropy in the upper mantle. In addition, I also described four types of LPOs of orthopyroxene recently found in natural spinel lherzolite.
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문제 정의
, 1985; Mei and Kohlstedt, 2000; Zhang and Karato, 1995). 이 논문에서는 주로 맨틀암석의 변형, 광물(감람석, 사방휘석)의 격자선호방향 형성, 그리고 이로 인해 초래되는 지진파 전파속도의 변화와 지진파 비등방성에 대해 기술하고자 한다.
제안 방법
EBSD 테크닉을 사용하여 광물의 방향 측정시 불확실성은 1° 미만이다. 감람석 내부의 물(OH)의 함량은 서울대 지구환경과학부 지체구조물리학 연구실에 설치된 Nicolet 6700 FTIR and continuum IR microscope를 사용 하여 정밀하게 분석되었다. 이 실험 결과, 압력이 감람석의 격자선호방향 형성에 크게 영향을 준다는 것을 발견하였다(Fig.
물과 응력이 감람석의 격자선호방향에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해, 고압고온 암석변형 실험기기인 Griggs apparatus를 사용하여 실험하였다(Fig. 3a). 실험은 압력이 0.
1)2SiO4들로, 우선 압력이 300 MPa, 온도가 1200 ℃인 조건에서 암석화(hot press)되었다. 실험은 감람석이 건조(dry)한 경우와 습한(wet) 경우에 대해 압력매개체(pressure medium)를 다르게 하여 실시되었다(Fig. 3b). 건조한 경우는 오븐에서 920 ℃로 구운 soft-fired pyrophyllite를 압력매개체로 사용 하였고, 습한 경우에는 talc과 brucite의 혼합물을 압력매개체로 사용하여 물(OH)이 800 ℃ 이상에서 감람석에 스며들어가게(diffusion되게)하였다(Fig.
실험은 개조된 Griggs apparatus를 사용해 이루어졌으며, 변형률(strain rate)은 2 × 10-4− 6 × 10-5/s, 전단변형(shear strain)값은 γ = 3 − 6 범위 내로 하고, 압력은 2.5 − 3.6 GPa 범위 내, 온도는 1300 ℃를 유지한 상태인 건조한(dry) 환경 하에서 고압고온 암석 변형 실험이 수행되었다.
이 기기는 원래 hydrostatic(σ1 = σ2 = σ3)한 상태에서 실험을 하도록 만들어졌으나, 한쪽의 방향으로 좀 더 응력이 가해지도록 고안된 실험어셈블리를 이용하여 전단변형(shear strain)값이 0.2 정도 되도록 하고, 압력은 11 GPa, 온도는 1400 ℃인 조건에서 실험을 수행하였다.
대상 데이터
6 GPa 범위 내, 온도는 1300 ℃를 유지한 상태인 건조한(dry) 환경 하에서 고압고온 암석 변형 실험이 수행되었다. 감람석의 격자선호방향은 서울대 지구환경과학부 내에 설치된 전자현미경에 부착된 HKL EBSD (electron backscattered diffraction) 기기를 사용하여 정밀하게 분석되었다. EBSD 테크닉을 사용하여 광물의 방향 측정시 불확실성은 1° 미만이다.
큰 응력은 감람석의 슬립(slip)방향(미끄러지는 방향)을 [001]축 방향으로 쉽게 만들 수 있고, 이로 인해 감람석의 격자선호방향이 바뀔 수 있음은 이미 오래 전에 밝혀진 사실이다(Carter and Avé Lallemant, 1970). 셋째, 철이 들어있지 않은 감람석(forsterite; Mg2SiO4)을 가지고 실험을 수행하였다. 하지만 지구 내부에 존재하는 자연산 감람석은 대부분 철(Fe)을 함유하고 있기 때문에, 실제 지구내부에서 이러한 일들이 일어나는가에 대해서는 의문이 든다.
, 2004). 실험 샘플은 철을 10% 포함하고 있는 상부맨틀을 대표할 수 있는, 미국 애리조나 주 San Carlos산 감람석(Mg0.9, Fe0.1)2SiO4들로, 우선 압력이 300 MPa, 온도가 1200 ℃인 조건에서 암석화(hot press)되었다. 실험은 감람석이 건조(dry)한 경우와 습한(wet) 경우에 대해 압력매개체(pressure medium)를 다르게 하여 실시되었다(Fig.
, 2009a). 실험시료는자연산으로, 맨틀상부의 감람석의 성분을 대표하는 미국 애리조나 주 San Carlos 감람석(Fo90)을 사용하였다. 실험은 개조된 Griggs apparatus를 사용해 이루어졌으며, 변형률(strain rate)은 2 × 10-4− 6 × 10-5/s, 전단변형(shear strain)값은 γ = 3 − 6 범위 내로 하고, 압력은 2.
이론/모형
Crystallographic orientations of ~200 – 650 grains of each sample were measured manually by the EBSD technique.
LPOs of ~200−460 grains of olivine for each sample were measured by the EBSD technique.
성능/효과
넷째, 전단변형(shear strain, γ)값이 0.2로 실제 지구내부에 비해 상당히 작았다.
둘째, 감람석 샘플에 가해진 응력의 세기가 실험하는 도중에 크게 변화(100−1500 MPa)하였다.
사방휘석의 type-BC 격자선호방향은 사방휘석의[010]축이 엽리에 거의 수직하게 배열하고, [001]축이 선구조에 거의 평행하게 배열하는 격자선호방향으로 정의되었다. 마지막으로 사방휘석의 type-ABC 격자 선호방향은 사방휘석의 [100]축과 [010]축 둘 다 엽리에 거의 수직하게 배열하고 선구조에 수직한 거들의 형태를 지니며, [001]축이 선구조에 거의 평행하게 배열하는 격자선호방향으로 정의되었다. 네 가지 타입의 사방휘석의 격자선호방향으로 형성된 지진파 속도와 지진파 비등방성은 Fig.
마지막으로, 감람석의 typeE 격자선호방향은 응력이 낮고 물함량이 중간정도 (200 ≤ COH < 700 ppm H/Si)인 조건에서 형성 되었으며, 이 격자선호방향은 감람석의 [001]축이 전단면에 거의 수직하고, [100]축이 전단방향에 거의 평행하게 배열하는 것이 특징이다.
감람석 내부의 물(OH)의 함량은 서울대 지구환경과학부 지체구조물리학 연구실에 설치된 Nicolet 6700 FTIR and continuum IR microscope를 사용 하여 정밀하게 분석되었다. 이 실험 결과, 압력이 감람석의 격자선호방향 형성에 크게 영향을 준다는 것을 발견하였다(Fig. 6) (Jung et al., 2009a). Fig.
첫째, 실험 후 적외선 분광기를 사용해서 감람석 샘플을 분석한 결과, 샘플에 물 함량이 약 1500−2500 ppm H/Si 이상 존재한 것으로드러났다.
후속연구
, 2011). 감람석의 격자선호방향이 3 GPa 이상에서 변하는 이유는 압력이 커지면 [001]축 방향으로의 슬립이 [100]축 방향보다 더 쉬워지기 때문으로 생각되는데, 근본적인 이유를 알기위해 추가적인 연구가 더 필요하다.
여러가지 지구내부의 환경에서 체계적인 고압고온 암석변형 실험연구가 필요하고, 이와 병행해서 실제 지구내부에서 변형된 자연암석들의 연구가 추가적으로 필요하다. 나아가, 아직은 거의 전무하나, 지각을 구성하고 있는 암석들의 변형과 구성광물들의 격자선호방향의 형성, 그리고 지진파 전파속도 및 지진파 비등방성에 주는 영향에 대한 연구도 수행되어져야 될 것이다.
최근에는 사문석화된 감람석에서 새로운 type-EB 격자선호방향이 관찰되었는데, 이 격자선호방향은 감람석의 [001]축이 엽리에 거의 수직하게 배열되고, [010]축이 선구조에 아평행하게 배열하는 격자선호방향으로 정의되었다(Jung, 2011). 아직까지 type-EB 격자선호방향의 형성 메커니즘은 알려지지 않았으며, 이에 대한 후속 연구가 필요하다.
섭입하는 슬랩 하부의 심부(지하 약 100 km 이상)에서 발생되는 지진파의 비등방성은 압력에 의한 감람석의 type-B 격자선호방향으로 설명될 수 있다. 앞으로 맨틀상부의 지진파의 전파속도와 지진파 비등방성을 더 잘 이해하기 위해, 맨틀상부를 구성하고 있는 이차적인 광물들(opx, cpx, garnet)이 고압고온 하에서 어떻게 변형되고, 어떤 격자선호방향을 형성하여, 지진파의 전파속도에 궁극적으로 어떤 영향을 주는지 밝혀낼 필요가 있다. 여러가지 지구내부의 환경에서 체계적인 고압고온 암석변형 실험연구가 필요하고, 이와 병행해서 실제 지구내부에서 변형된 자연암석들의 연구가 추가적으로 필요하다.
이 결과는 압력으로 인해 감람석의 type-B 격자선호방향이 생길 수 있음을 보여 주는 최초의 예라 할 수 있고, 위에 기술한 내용들(고압에 의해 감람석의 type-B 격자선호방향이 생길 수있음)을 강하게 지지해 주고 있다. 앞으로 지구내부의 심부기원 맨틀암석의 격자선호방향에 대한 연구가 더 필요하다.
앞으로 맨틀상부의 지진파의 전파속도와 지진파 비등방성을 더 잘 이해하기 위해, 맨틀상부를 구성하고 있는 이차적인 광물들(opx, cpx, garnet)이 고압고온 하에서 어떻게 변형되고, 어떤 격자선호방향을 형성하여, 지진파의 전파속도에 궁극적으로 어떤 영향을 주는지 밝혀낼 필요가 있다. 여러가지 지구내부의 환경에서 체계적인 고압고온 암석변형 실험연구가 필요하고, 이와 병행해서 실제 지구내부에서 변형된 자연암석들의 연구가 추가적으로 필요하다. 나아가, 아직은 거의 전무하나, 지각을 구성하고 있는 암석들의 변형과 구성광물들의 격자선호방향의 형성, 그리고 지진파 전파속도 및 지진파 비등방성에 주는 영향에 대한 연구도 수행되어져야 될 것이다.
, 1990). 하지만 보다 정확한 지구내부의 지진발생 메커니즘을 이해하기 위해서는 앞으로 추가적인 연구가 더 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
격자선호방향이란?
연성변형은 주로 온도가 높고, 응력이 작으며, 변형률이 작은 경우에 생기며, 지구 내부 깊은 곳에서의 주된 암석변형 메커니즘이라 볼 수 있다. 암석의 내부에는 여러 광물들이 존재하는데, 암석이 연성변형됨에 따라 광물들도 늘어나며 변형이 되고(Figs. 1df), 이 과정에서 광물들이 한 가지 방향으로 배열되기도 한다. 이러한 현상을 광물의 격자선호방향(lattice preferred orientation: LPO) 형성이라 한다. 또한, 격자 선호방향은 다른 말로 결정선호방향(crystal preferred orientation, CPO)이라고 불리기도 한다.
격자선호방향의 형성이 지진파에 끼치는 영향은?
또한, 격자 선호방향은 다른 말로 결정선호방향(crystal preferred orientation, CPO)이라고 불리기도 한다. 이러한 격자 선호방향의 형성은 광물이 탄성적으로 비균질한 (elastically anisotropic) 경우, 지진파의 전파속도에 큰 영향을 줄 수 있고, 지진파 비등방성의 형성(Fig. 2)에도 상당히 큰 영향을 줄 수 있다. 지구내부의 맨틀의 흐름(flow)과 지체구조는 지진파 전파속도와 지진파의 비등방성 자료를 가지고 해석될 수 있으므로, 지진파 전파속도와 지진파 비등방성의 형성에 근본적인 영향을 주는, 광물의 격자선호방향 형성에 대한 연구는 상당히 중요하다.
큰 응력이 격자선호방향에 주는 영향은?
둘째, 감람석 샘플에 가해진 응력의 세기가 실험하는 도중에 크게 변화(100−1500 MPa)하였다. 큰 응력은 감람석의 슬립(slip)방향(미끄러지는 방향)을 [001]축 방향으로 쉽게 만들 수 있고, 이로 인해 감람석의 격자선호방향이 바뀔 수 있음은 이미 오래 전에 밝혀진 사실이다(Carter and Avé Lallemant, 1970). 셋째, 철이 들어있지 않은 감람석(forsterite; Mg2SiO4)을 가지고 실험을 수행하였다.
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