[논문]일라이트-백운모 전이과정과 십자석 생성과의 관계: 부여지역 백운사층 셰일에 대한 연구

최승현; 문향란; 이영부; 이정후; 유장호

doi:10.9727/jmsk.2013.26.1.55

일라이트-백운모 전이과정과 십자석 생성과의 관계: 부여지역 백운사층 셰일에 대한 연구
Generation of the Staurolite Based on a Relation Between Illite-Muscovite Transition: A Study on the Shale of the Baekunsa Formation, Buyeo 원문보기

韓國鑛物學會誌 = Journal of the Mineralogical Society of Korea, v.26 no.1, 2013년, pp.55 - 64

최승현 (전북대학교 지구환경과학과) , 문향란 (전북대학교 지구환경과학과) , 이영부 (한국기초과학지원연구원 전주센터) , 이정후 (전북대학교 지구환경과학과) , 유장호 (한국광물자원공사 전략금속탐사팀)

초록
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충남 부여군 홍산면 일대의 백운사층 셰일에서 산출되는 운모류 광물(혼합상 백운모)과 십자석에 대한 EPMA 연구를 수행하여, 혼합상 백운모와 십자석 생성 과정과의 관계 및 백운사층 셰일의 변성환경을 규명하고자 하였다. 암석에서 산출되는 운모류 광물의 평균 화학조성은 $(K_{1.11}Na_{0.26}Ca_{0.04})(Al_{3.93}Fe_{0.21}Mg_{0.07})(Si_{6.08}Al_{1.92})O_{20}(OH)_4$로 층간 양이온 함량이 낮으며(1.41) 팔면체 자리에 Fe, Mg를 함유한 일라이트, 즉 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상($Mu_{70.5}Py_{23.5}Ch_{6.0}$)의 화학조성을 보인다. 한편 십자석은 암석 내에서 혼합상 백운모, 단일 결정의 파이로필라이트 및 알루미늄 규산염 광물과 함께 산출되는데, 이들 중 파이로필라이트가 십자석 생성에 참여한 것으로 판단된다. 혼합상 백운모에서 분리된 파이로필라이트와 녹니석이 반응하여 클로리토이드를 형성한 이후, 변성도가 증가하면서 파이로필라이트와 클로리토이드가 반응하여 십자석이 생성된 것으로 보이며, 이때 클로리토이드는 모두 소모되어 암석 내에서 관찰되지 않는 것으로 판단된다. 결국 일라이트가 백운모로 전이되는 과정에서 형성되는 혼합상 백운모는 십자석 생성에 필요한 광물을 공급하는 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 이 반응이 $300^{\circ}C$ 이상에서 일어나는 점과 혼합상 백운모에서 분리된 파이로필라이트가 약 $350^{\circ}C$에서 알루미늄 규산염 광물로 전이되는 점을 감안할 때, 백운사층 셰일은 $300{\sim}350^{\circ}C$의 변성환경을 경험한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The generation of staurolite from the mixed-phase muscovite and the metamorphic environment of shales in the Baekunsa formation, Hongsan, Buyeo, were studied using electron probe micro analysis (EPMA). The average chemical composition of mica-type mineral is $(K_{1.11}Na_{0.26}Ca_{0.04})(Al_{3.93}Fe_{0.21}Mg_{0.07})(Si_{6.08}Al_{1.92})O_{20}(OH)_4$, and shows a characteristics of the so-called illite with a low content of interlayer cations and Fe, Mg in octahedral sites. The mica-type mineral shows a typical chemical composition of the mixed-phase among muscovite, pyrophyllite, and chlorite (mixed-phase muscovite, $Mu_{70.5}Py_{23.5}Ch_{6.0}$). The staurolite, in general, occurs with the mixed-phase muscovites, pyrophyllites, and aluminosilicates in the rock. We consider that staurolite can be formed by a reaction involving pyrophyllite such as pyrophyllite+chloritoid. The chloritoid is formed by a reaction between pyrophyllite and chlorite and is supposed to be used up in the process of staurolite formation. As a result, the mixed-phase muscovite, formed during the transition of illite to muscovite, plays an important role for the generation of the staurolite. Considering that the reaction occurs at the temperature higher than $300^{\circ}C$ and pyrophyllites transform into aluminosilicates at $350^{\circ}C$, the shale in the Baekunsa formation can be considered to have been experienced a metamorphic temperature between $300{\sim}350^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2012a) 십자석 생성에도 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)이 연관되어 있을 것으로 추정된다. 일라이트-백운모 전이과정에서 나타나는 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)과 십자석 생성과의 관계를 규명하기 위해 수행된 이번 연구는 BSE (Back Scattered Electron) image 관찰 및 EPMA 정량분석으로 암석의 구성광물의 산출상태 및 화학조성을 구하여 일라이트-백운모 전이과정이 십자석 생성과 어떠한 연관이 있는지 규명하고자 하였다. 또한 십자석의 생성환경을 바탕으로 백운사층 셰일이 경험한 변성환경을 추정하였다.

제안 방법

EPMA 분석은 한국기초과학지원연구원 전주센터의 Shimadzu EPMA 1600을 사용하여 가속전압 15 kV, 빔 전류 20 nA, 빔 크기 1 µm의 조건에서 분석하였다.
일라이트-백운모 전이과정에서 나타나는 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)과 십자석 생성과의 관계를 규명하기 위해 수행된 이번 연구는 BSE (Back Scattered Electron) image 관찰 및 EPMA 정량분석으로 암석의 구성광물의 산출상태 및 화학조성을 구하여 일라이트-백운모 전이과정이 십자석 생성과 어떠한 연관이 있는지 규명하고자 하였다. 또한 십자석의 생성환경을 바탕으로 백운사층 셰일이 경험한 변성환경을 추정하였다.
충남 부여군 홍산면과 외산면 일대에 분포하는 백운사층에서 시료를 채취하여 박편을 제작하였으며, 편광현미경 관찰과 EPMA 분석을 실시하였다. 편광현미경 관찰에 사용된 박편은 BSE (Back Scattered Electron) image 관찰을 실시하고 여기에서 분석할 입자를 선별하여 EPMA 정량분석을 수행하였다.
충남 부여군 홍산면과 외산면 일대에 분포하는 백운사층에서 시료를 채취하여 박편을 제작하였으며, 편광현미경 관찰과 EPMA 분석을 실시하였다. 편광현미경 관찰에 사용된 박편은 BSE (Back Scattered Electron) image 관찰을 실시하고 여기에서 분석할 입자를 선별하여 EPMA 정량분석을 수행하였다. EPMA 분석은 한국기초과학지원연구원 전주센터의 Shimadzu EPMA 1600을 사용하여 가속전압 15 kV, 빔 전류 20 nA, 빔 크기 1 µm의 조건에서 분석하였다.

성능/효과

, 2012b)을 보인다. 또한 K 이외에 Na와 Ca가 소량 존재하는 것으로 보아, 백운모 이외의 white mica (파라고나이트, 마가라이트)도 존재하는 것으로 판단된다. 결국 분석된 백운모는 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)과 white mica 사이의 혼합상이거나, white mica 고용체와 파이로필라이트 및 녹니석의 혼합상인 것으로 추정된다.
앞으로 이들에 대한 TEM 격자상 연구가 진행된다면, 기존에 알려지지 않았던 새로운 형태의 혼합상을 발견할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 파이로필라이트의 분석 결과(표 1)에서도 Na의 함량이 K와 같은 값으로 나온 것을(각 0.9) 감안하면, 속성작용으로부터 파라고나이트가 생성되는 과정에서도 파이로필라이트가 형성되어 파라고나이트/파이로필라이트 혼합상(Pa/P)을 형성할 가능성도 높을 것으로 판단된다.
5%) 있는 것으로 생각된다. 십자석의 평균 화학식은 (Fe²⁺_1.37Mg_0.22)(Al_9.50 Fe³⁺_0.04Ti_0.06)(Si_3.96Al_0.04)O₂₄로 이상화학식에 비해 높은 Al 함량을 보이는데(표 1), 십자석 뿐 아니라 암석 내 다른 광물들의 분석 결과에서도 Al 함량이 높게 분석되었다. 이러한 결과로 비추어 볼 때, 암석이 생성될 당시 Al 이온이 풍부하였던 것으로 보인다.
이번 연구 결과를 종합하면, 백운사층 셰일에서 산출되는 십자석은 약 300℃에서 파이로필라이트와 클로리토이드의 반응에 의해 생성된 것으로 판단된다. Ghent et al.
이번 연구에서 분석된 백운모는 층간 양이온 값이 낮은 일라이트, 즉 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)의 화학조성을 보이면서 층간 양이온 자리에 Na, Ca도 함유되어 있다(표 1). 이는 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)에 각각 Na와 Ca end-member인 파라고나이트와 마가라이트가 함유되었을 가능성을 시사한다.
White mica의 분석 결과(표 1)와 기존의 마가라이트에 대한 TEM 연구(Rhee and Ahn, 2003)에서 마가라이트가 입자 내에서 녹니석과 혼합상을 형성하고 있는 것이 발견된 점을 감안하면, 분석된 white mica 역시 파이로필라이트 및 녹니석과 혼합상을 이루고 있을 가능성이 매우 높을 것으로 생각된다. 카올린의 평균 화학식은 Al_4.00(Si_3.91Al_0.09)O₁₀(OH)₈로 Al 함량이 약간 높지만 이상화학식에 근접하게 분석되었으며(표 1), 암석 내에 소량으로 존재하는 녹니석의 평균 화학식은 (Fe_5.59Mg_0.37Al_4.55)(Si_6.12Al_1.88)O₂₀(OH)₁₆이다.

후속연구

이처럼 Al-rich 주요 변성광물 생성에 중요한 역할을 하는 일라이트-백운모 전이과정, 특히 이때 형성되는 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상 (M/P/C)과 이번 연구에서 발견된 white mica (낮은 층간 양이온 값을 가지며 Na가 우세한)에 대한 TEM 격자상 연구가 지속적으로 수행된다면, 일라이트가 백운모로 전이되는 과정을 좀 더 명확히 규명할 수 있을 뿐 아니라, 기존에 알려지지 않았던 새로운 형태의 혼합상을 발견하는 데에도 기여할 것으로 판단된다. 또한 클로리토이드 및 십자석의 생성과정과 일라이트-백운모 전이과정 사이의 관계도 규명할 수 있을 것으로 예상된다.
이는 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)에 각각 Na와 Ca end-member인 파라고나이트와 마가라이트가 함유되었을 가능성을 시사한다. 비록 이들이 white mica 간의 혼합상에 파이로필라이트와 녹니석도 혼합상으로 함유된 상태인지 혹은 white mica 고용체와 파이로필라이트 및 녹니석의 혼합상인지는 명확하게 알 수 없지만, white mica 간의 혼합상의 존재에 관한 최근의 STEM 연구(Livi et al., 2008)를 감안할 때, 이번에 확인된 백운모가 혼합상 white mica와 파이로필라이트 및 녹니석과의 혼합상으로 구성되었을 가능성이 높을 것으로 판단된다. 한편 이번 연구에서는 층간 양이온이 Na (파라고나이트)가 우세한 white mica의 존재도 확인되었는데(표 1), 이들은 Na 성분이 풍부한 점토광물로부터 만들어진 것(Chatterjee, 1973; Frey, 1978)으로 판단된다.
29) 팔면체 자리에 소량의 Fe, Mg를 함유하고 있어서 white mica 내에도 파이로필라이트와 녹니석이 혼합되어 있는 것으로 생각된다. 앞으로 이들에 대한 TEM 격자상 연구가 진행된다면, 기존에 알려지지 않았던 새로운 형태의 혼합상을 발견할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 파이로필라이트의 분석 결과(표 1)에서도 Na의 함량이 K와 같은 값으로 나온 것을(각 0.
결국 일라이트-백운모 전이과정은 클로리토이드, 십자석과 같은 Al-rich 변성광물 생성에 필요한 원료를 공급하는 중요한 역할을 하는 것으로 볼 수 있다. 이처럼 Al-rich 주요 변성광물 생성에 중요한 역할을 하는 일라이트-백운모 전이과정, 특히 이때 형성되는 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상 (M/P/C)과 이번 연구에서 발견된 white mica (낮은 층간 양이온 값을 가지며 Na가 우세한)에 대한 TEM 격자상 연구가 지속적으로 수행된다면, 일라이트가 백운모로 전이되는 과정을 좀 더 명확히 규명할 수 있을 뿐 아니라, 기존에 알려지지 않았던 새로운 형태의 혼합상을 발견하는 데에도 기여할 것으로 판단된다. 또한 클로리토이드 및 십자석의 생성과정과 일라이트-백운모 전이과정 사이의 관계도 규명할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투과전자현미경을 이용해 일라이트에 대해서 알아낸 사실은?	, 1984; Lee et al., 1985), 일라이트는 스멕타이트의 속성작용으로부터 생성되어 스맥타이트/일라이트 혼합상(S/I)을 형성하며, 온도가 증가하면서 일라이트/녹니석 혼합상(I/C) 및 백운모/녹니석 혼합상(M/C)을 거쳐 각각의 광물로 분리되는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 1985; Ahn and Peacor, 1986).
	일라이트란?	셰일의 주 구성광물 중 하나인 일라이트는 Grim et al. (1937)에 의해 운모와 유사한 점토 크기 입자의 광물로 처음 알려진 광물로서, 현재에는 “자연에서 4 µm 이하로 산출되며 운모와 같은 결정구조를 갖는 광물”로 정의되어(Srodon and Eberl, 1984) 속성작용 및 열수변질작용에 의해 생성되는 백운모와 유사한 점토광물의 명칭으로 사용되고 있다(Kang, 2012; Song, 2012). 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscopy)을 이용한 일라이트에 대한 기존의 연구에서(Lee and Peacor, 1983; Lee et al.
	백운사층 셰일의 십자석 생성과정으로 추정되는 2가지는 구체적으로 무엇인가?	이번 연구 결과를 바탕으로 추정한 백운사층 셰일의 십자석 생성과정은 크게 두 가지가 있다. 먼저 이번 연구 결과에서는 관찰되지 않았지만, 십자석 생성 이전에 존재하였을 것으로 추정되는 클로리토이드와 암석 내에 존재하는 알루미늄 규산염 광물이 반응하여 생성된 경우이다(Spear, 1993). 이 반응은 350∼500℃ 사이에서 일어나게 되는데, 이 과정을 보면, 350℃ 이하에서 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)에서 분리된 각각의 광물과 클로리토이드가 공존하는 상태에서 파이로 필라이트는 350℃에서 홍주석으로의 전이가 시작되어(Hemley et al., 1980; Kerrick and Jacobs, 1981; Berman, 1988; Evans and Guggenheim, 1988; Ghent et al., 1989), 400℃에서의 광물조합은 클로리토이드+녹니석+홍주석+백운모이다(Spear, 1993). 변성온도가 450∼500℃에 이르게 되면, 클로리토이드와 홍주석의 반응으로 십자석이 생성되며, 이때 클로리토이드는 모두 소모되어 홍주석+녹니석+십자석+백운모의 광물조합을 보이게 된다(Spear, 1993). 두 번째로 생각할 수 있는 십자석의 생성 과정은, 저온의 변성작용에서 백운모/파이로 필라이트/녹니석 혼합상(M/P/C)으로부터 분리된 파이로필라이트와 녹니석이 약 280℃에서 클로리토이드를 형성한 다음(Zen, 1960; Paradis et al., 1983), 이때 생성된 클로리토이드와 클로리토이드를 생성하고 남은 파이로필라이트가 약 300℃에서 다음의 반응으로 십자석을 형성한 것으로 판단된다(Ghent et al., 1989).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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