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문제 정의
- 본 연구실은 매년 봄철 황사시료를 채집하여 광물학적 분석을 실시하고 있으며, 최종 목표는 장기적으로 축적된 자료를 종합하여 광물학적 특성의 시공간적 변화를 황사 발생지 추적, 이동경로, 대기성분과의 반응, 퇴적과정과 관련하여 해석하는 것이다. 본 연구에서는 2018년 4월 6일과 15일에 한반도 전역에서 관측된 2번의 황사현상시에 채집된 시료에 대하여 X선회절분석(XRD)과 주사전자현미경분석(SEM)을 이용한 광물 특성 분석을 실시하였다.
제안 방법
- 2018년 4월 6일과 15일에 관측된 황사에 XRD와 SEM-EDS 분석을 실시하여 광물학적 특성을 규명하였다.
- (2014, 2016)의 절차에 따라 시행하였다. 500개 이상 황사입자의 EDS 스펙트럼을 획득하고, 입자를 광물별로 분류한 다음 조성비를 구하였다. 황사 개별입자는 흔히 여러 광물의 혼합체이긴 하지만, 대개 어느 한 광물이 우세한 특성을 보이며, 이 경우 황사 입자는 그 광물로 간주한다.
- 황사 개별입자는 흔히 여러 광물의 혼합체이긴 하지만, 대개 어느 한 광물이 우세한 특성을 보이며, 이 경우 황사 입자는 그 광물로 간주한다. EDS 스펙트럼이 두 광물의 중간적인 특성을 보이는 경우, 각각 0.5개씩으로 간주하였다. XRD 정량분석 결과는 무게%로 표현되나, SEM-EDS 개별입자분석에 의한 정량분석결과는 개수%이다.
- 03° 간격당 20초 계수 조건하에서 2°-65° (2θ) 범위의 회절도를 획득하였다. XRD 회절패턴의 광물정성분석은 EVA (Bruker), 정량분석은 SIROQUANT (Sietronics Ltd) 프로그램을 이용하여 시행하였다. 개별 황사 입자의 관찰 및 정성분석은 TESCAN LYRA 전계방출형 SEM 및 OXFORD X-MAX EDS (energy dispersive X-ray spectrometer) 장비를 이용하였다.
- XRD 회절패턴의 광물정성분석은 EVA (Bruker), 정량분석은 SIROQUANT (Sietronics Ltd) 프로그램을 이용하여 시행하였다. 개별 황사 입자의 관찰 및 정성분석은 TESCAN LYRA 전계방출형 SEM 및 OXFORD X-MAX EDS (energy dispersive X-ray spectrometer) 장비를 이용하였다. 황사입자의 SEM 관찰을 위해서 여과지를 잘라 유리 슬라이드에 붙이고 가볍게 두드려 1 mm 정도 떨어진 반대편 슬라이드에 떨어지게 한 다음, 직경 1 cm의 알루미늄 디스크에 접착된 탄소테이프에 묻히고 오스뮴 코팅을 하였다.
- 본 연구실은 매년 봄철 황사시료를 채집하여 광물학적 분석을 실시하고 있으며, 최종 목표는 장기적으로 축적된 자료를 종합하여 광물학적 특성의 시공간적 변화를 황사 발생지 추적, 이동경로, 대기성분과의 반응, 퇴적과정과 관련하여 해석하는 것이다. 본 연구에서는 2018년 4월 6일과 15일에 한반도 전역에서 관측된 2번의 황사현상시에 채집된 시료에 대하여 X선회절분석(XRD)과 주사전자현미경분석(SEM)을 이용한 광물 특성 분석을 실시하였다.
- 메탄올 현탁액은 일회용 60 µm 폴리에틸렌 체에 통과시켜 여과지에서 떨어져 나온 섬유를 제거하고, 메탄올을 증발시켜 회수하였다. 분리한 황사시료는 Si 웨이퍼로 제작한 용기에 채우고, XRD 분석을 실시하였다. 분석에 사용한 기기는 Cu X선관이 장치된 Rigaku Ultima IV X선회절기였으며,슬릿 2/3°-0.
- 황사가 채집된 여과지의 절반을 몇 개의 직사각형 조각으로 자른 다음, 비이커 안의 메탄올에 담그고 초음파 처리를 하여 황사입자를 떨어내었다. 메탄올 현탁액은 일회용 60 µm 폴리에틸렌 체에 통과시켜 여과지에서 떨어져 나온 섬유를 제거하고, 메탄올을 증발시켜 회수하였다.
- 황사입자의 SEM 관찰을 위해서 여과지를 잘라 유리 슬라이드에 붙이고 가볍게 두드려 1 mm 정도 떨어진 반대편 슬라이드에 떨어지게 한 다음, 직경 1 cm의 알루미늄 디스크에 접착된 탄소테이프에 묻히고 오스뮴 코팅을 하였다.
대상 데이터
- 분석에 사용한 기기는 Cu X선관이 장치된 Rigaku Ultima IV X선회절기였으며,슬릿 2/3°-0.1 mm-2/3°, 전압 40 kV, 전류 30 mA, 0.03° 간격당 20초 계수 조건하에서 2°-65° (2θ) 범위의 회절도를 획득하였다.
- 두 번째 황사는 2018년 4월 13일 11시 경에 몽골 동남부 고비사막에서 발생하였으며, 48시간 후인 4월 15일 11시 경에 안동에 도달하여 다음날인 16일 01시까지 14시간 지속되었으며, PM10의 최대 농도는 316 µg/m3이었다. 황사 시료는 2018년 4월 06일 15시부터 7일 09시 사이, 그리고 4월 15일 15시부터 16일 10시 사이에 안동대학교 자연1호관 2층 계단에서 고용량총분진측정기(Tisch high volume TSP sampler)로 Whatman No.41 셀룰로스 여과지에 채집하였다. 채집한 시료는 시료처리 전까지 제습기에 보관하였다.
이론/모형
- 황사입자의 SEM 관찰을 위해서 여과지를 잘라 유리 슬라이드에 붙이고 가볍게 두드려 1 mm 정도 떨어진 반대편 슬라이드에 떨어지게 한 다음, 직경 1 cm의 알루미늄 디스크에 접착된 탄소테이프에 묻히고 오스뮴 코팅을 하였다. EDS 스펙트럼을 이용한 광물 동정과 광물조성 정량화는 Jeong (2008a), Jeong et al. (2014, 2016)의 절차에 따라 시행하였다. 500개 이상 황사입자의 EDS 스펙트럼을 획득하고, 입자를 광물별로 분류한 다음 조성비를 구하였다.
성능/효과
- 2018년 4월 6일과 15일에 관측된 황사에 XRD와 SEM-EDS 분석을 실시하여 광물학적 특성을 규명하였다. XRD 분석결과, 점토광물의 총함량이 62 wt% 정도였으며, 일라이트-스멕타이트류 점토광물의 함량이 55% 정도로 가장 높았고, 녹니석과 캐올리나이트가 소량 함유되어 있었다. 그 외 석영 18%, 사장석 9%, K-장석 3%, 방해석 3%, 석고 2-4%가 함유되어 있었다.
- 5개씩으로 간주하였다. XRD 정량분석 결과는 무게%로 표현되나, SEM-EDS 개별입자분석에 의한 정량분석결과는 개수%이다. 그러나 황사를 구성하는 주요광물들의 밀도 차이가 크지 않으므로 무게%와 개수%의 차이는 미미하다.
- XRD 패턴의 정량분석결과, 시기가 다름에도 두 시료는 매우 유사한 광물조성을 갖고 있음을 알 수 있었다. 별도의 정량화가 어려운 일라이트-스멕타이트 혼합층, 일라이트, 스멕타이트는 ISCMs으로 통합하였다.
- 개별 황사입자의 SEM-EDS 분석에 근거하여 광물조성을 정량화한 결과(Table 1), ISCMs가 50% 이상 점유하여 가장 흔한 구성광물이며, 석영, 사장석, K-장석, 방해석, 석고, 녹니석 등이 주요 광물이다. 전혀 다른 정량분석 방법을 고려하면 SEM- EDS 분석결과는 XRD 분석결과와 잘 부합한다.
- 두 시료의 XRD 패턴이 거의 동일하여, 두 황사 현상에서 광물 조성의 차이는 거의 없는 것으로 보인다(Fig. 3). 비점토 규산염광물로서 석영, 사장석, K-장석, 탄산염 광물로서 방해석, 황산염 광물로서석고가 확인되었다.
- 3). 비점토 규산염광물로서 석영, 사장석, K-장석, 탄산염 광물로서 방해석, 황산염 광물로서석고가 확인되었다. 층상규산염광물로서 일라이트,일라이트-스멕타이트 혼합층 광물, 녹니석, 캐올리나이트 등이 확인되었다.
- ISCMs의 함량이 54-55% 정도로 가장 높고, 그 외 녹니석 3%, 캐올리나이트가 4% 정도 함유되어 있다(Table 1). 층상규산염광물의 총량이 61-62%이었으며, 비층상규산염광물의 총함량은 38- 39% 정도이었다. 비층상규산염 광물은 석영 18- 19%, 사장석 9-10%, K-장석 3%, 방해석 3%, 석고 2-4% 정도이다.
후속연구
- 점토질 황사입자는 종종나노 섬유상 방해석이나 납작한 자형결정의 석고를 함유한다. 2018년 4월 황사의 광물학적 특성은 황사와 지구환경의 상호작용 이해에 필수적인 황사의 광물특성 모델 수립에 기여할 것이다. 2018년 4월에 관측된 두 황사의 광물학적 특성은 시기차이에도 불구하고 유사하며, 다른 예년 시료들과도 유사한 광물학적 특성을 보이지만, 2012년 시료와 비교하면 점토광물의 함량이 높다.
- 2018년도두 황사의 광물특성의 유사성은 황사 발원지가 동일함을 의미하거나, 황사발원지의 다양한 지질에도 불구하고 지표 풍성 퇴적물내의 풍화된 쇄설 입자들이 오랫동안 균질하게 혼합되었기 때문일 것이다. 광물학적 특성을 이용한 황사발원지 규명은 발원지 현장조사, 발원지 퇴적물의 광물특성분석, 황사발생시 기상학적 관측자료의 정밀한 해석이 뒷받침된 종합적인 연구가 필요하다.
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