[논문]경기도 수원시에서 산출되는 적갈색 점토-실트 퇴적물의 광물 및 지화학 특성과 기원

정기영

doi:10.22807/kjmp.2020.33.3.153

경기도 수원시에서 산출되는 적갈색 점토-실트 퇴적물의 광물 및 지화학 특성과 기원
Mineralogical and Geochemical Properties and Origin of Clay-silt Sediments, Suwon, Korea 원문보기

광물과 암석 = Korean journal of mineralogy and petrology, v.33 no.3, 2020년, pp.153 - 163

초록
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우리나라 제4기 고환경 변화 특성 규명을 위하여 수원시의 편마암 및 화강암 풍화대를 피복하는 적갈색 점토-실트 퇴적물 2개 단면(~3.5 m)에 대하여 광물 및 지화학 분석을 실시하였다. 퇴적층은 광물조성과 화학조성의 수직 변화를 기준으로 4개의 퇴적층(Unit 1-4)으로 구분되었다. 최하부 Unit 1은 K-장석 함량이 높은 사질 퇴적물로서 기반암 풍화물의 기여도가 높다. Unit 2는 전이층이며, Unit 3은 적갈색 점토-실트질 퇴적물로서 총점토 함량이 평균 58%이며, 주요 점토광물은 일라이트-스멕타이트 혼합층 광물과 수산기삽입질석/스멕타이트이다. Unit 3에는 사장석이 거의 함유되어 있지 않은 반면에, 그 풍화물인 고령토 광물의 함량이 다른 층들보다 높다. Unit 4는 전반적 광물조성과 화학적 특성이 Unit 3과 유사하나, 사장석과 녹니석의 함량이 더 높고 고령토 광물의 함량은 더 낮다. 단면내 화학성분 변화를 국내 타지역 적갈색 점토-실트층과 비교한 결과, Unit 3과 4는 풍성퇴적물의 범위에 포함되었다. 이 지역 퇴적 단면에서 고환경변화는 다음과 같이 해석된다. 기반암인 편마암과 화강암 풍화물이 침식되어 주변부에 사질 퇴적물로 퇴적되어 하부층(Unit 1, 2)을 이루고, 그 위에 빙하기의 점토-실트질 풍성퇴적물층(Unit 3)이 퇴적되었다. Unit 3은 간빙기의 풍화작용으로 풍화되어 전체적으로 적갈색 토양화되었다. 그 후 다시 빙하기로 접어들면서 최상부에 풍성퇴적물층(Unit 4)이 퇴적되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Mineral and geochemical analysis were conducted on two sections (~3.5 m) of red-brown claysilt sediments covering the gneiss and granite weathering zones in Suwon-si for establishing Quaternary paleoenvironmental changes in Korea. The sections were divided into four sedimentary layers (Unit 1-4) by vertical changes in mineral composition and chemical composition. The lowermost unit 1 was a sandy sediment with a high K-feldspar content with a significant contribution of weathered bedrock. Unit 2 was a transition layer showing intermediate characteristics. Unit 3 was a reddish brown clay-silt sediment, with a total clay content of 58% on average, and the main clay minerals were illite-smectite mixed layer minerals and hydroxy-interlayered vermiculite/smectite. Unit 3 contained almost no plagioclase, while the content of kaolin minerals derived by the plagioclase weathering was higher than in the other layers. Unit 4 had similar mineral composition and chemical properties to Unit 3, but had a higher content of plagioclase and chlorite and lower content of kaolin minerals. The chemical compositions of the sections were compared with those in other regions of Korea, suggesting the eolian origin of Units 3 and 4. The paleoenvironmental change in the sedimentary section of this region was interpreted as follows. Weathered products of gneiss and granite, which are bedrocks of this region, were eroded and deposited as sandy sediments in the periphery to form the lower layers (Unit 1, 2), followed by the deposition of the claysilty rich eolian sediments (Unit 3) during the glacial. Unit 3 was chemically weathered during the warm humid climate during the last interglacial, developing a reddish brown color. After that, a eolian sediment layer (Unit 4) was deposited during the last glacial.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Reddish brown clay-silt sedimentary sections exposed in Suwon, Korea. Section A: N37° 14' 12.16", E127° 02' 47.16"; Section B: N37° 14' 09.41", E127° 02' 42.40".
$Fig. 2. X-ray diffraction patterns of bulk samples.$ 그림 Fig. 2. X-ray diffraction patterns of bulk samples.
표 Table 1. Mineral compositions of sediments from section A and B
$Fig. 3. X-ray diffraction patterns of clay fractions treated with ethylene glycol.$ 그림 Fig. 3. X-ray diffraction patterns of clay fractions treated with ethylene glycol.
$Fig. 4. X-ray diffraction patterns of clay fractions heated at 300℃.$ 그림 Fig. 4. X-ray diffraction patterns of clay fractions heated at 300℃.
$Fig. 5. X-ray diffraction patterns of clay fractions heated at 500℃.$ 그림 Fig. 5. X-ray diffraction patterns of clay fractions heated at 500℃.
그림 Fig. 6. Photomicrographs of thin sections of the sediment samples from the section A and B. V: void, Q; quartz. Plane-polarized light except Unit 1 of Section B observed under cross-polarized light.
표 Table 2. Chemical compositions of sediments from section A and B
그림 Fig. 7. Red and yellow chroma changes in the sedimentary section A.
그림 Fig. 8. Vertical variation in atomic ratios of Si to Ti in the sections with data for other sections and Asian dust.

AI 본문요약
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문제 정의

한반도 적갈색 점토-실트 퇴적물의 기원 해석을 위해서는 더 많은 지역의 단면 분석 자료를 확보하고 상호 비교할 필요가 있다. 이 연구에서는 수원시의 유적 발굴지에 노출된 적갈색 점토-실트 퇴적물 단면의 광물학적 및 지구화학적 특성을 보고하고, 퇴적물의 기원에 대하여 토의하였다.

제안 방법

4%)의 함량이 낮아서 Unit 3과 뚜렷이 구분된다. Unit 3 내에서 광물조성의 뚜렷한 차이는 없지만, 아래층이 좀 더 황색을 띠고, 위층이 좀 더 적갈색을 띠며, 적철석 함량이 적갈색층에서 약간 더 높아 Unit 3-1과 Unit 3-2로 세분하였다.
36 mm 체를 통과시킨 분말 시료 1 g 정도를 취하여 알루미늄 홀더에 측면으로 채운 무방향 시료를 준비하였다. XRD 분석에는 안동대학교 공동실험실습관의 Rigaku Ultima IV 장비를 이용하였다. XRD 분석은 CuKα 1.
XRD 분석은 CuKα 1.5418 Å 가속전압 40 kV, 전류 30 mA, 슬릿 2/3°-0.15 mm-2/3°, 계수간격 0.03°, 단속주사시간 2초, 주사범위 3°-65°(2θ)의 조건에서 시행하였다.
퇴적물 박편 제작을 위하여 적당한 크기로 절단한 퇴적물 시편을 상온에서 건조한 후, 경화제 및 아세톤과 적절한 비율로 혼합하여 점도를 낮춘 에폭시를 주입하여 고화시켰다. 고화된 퇴적물의 박편은 일반 암석 박편 제작 절차에 따라 제작하였다.
단면 A: EG 처리, 300℃, 500℃ 가열 정향 점토 시편의 XRD 패턴을 비교해 보았다. 하부 Unit 1과 2의 EG 처리에서 16 Å 부근에 회절선이 나타나는데, 이는 스멕타이트와 질석의 중간 특성을 갖는 팽윤성 점토광물로 보인다(그림 3).
색측정은 MINOLTA CM2500d 색차계를 이용하여 La*b* 색공간에서 측정하였다. 시편을 채취하여 균질 하게 분말화한 다음, 스프레이로 시편을 습하게 처리 하고 측정하였다.
색측정은 MINOLTA CM2500d 색차계를 이용하여 La*b* 색공간에서 측정하였다. 시편을 채취하여 균질 하게 분말화한 다음, 스프레이로 시편을 습하게 처리 하고 측정하였다.
그러나 후술할 점토광물 분석에 의하면, 스멕타이트는 검출되지 않았으며, 대신에 Al-수산기 삽입 질석(hydroxy-Al-interlayered vermiculite, HIV)이 함유되어 있다. 이상의 정성 분석에 근거하여 광물정량 분석을 실시하였다(표 1). 분석결과, 광물조성의 수직 변화가 뚜렷하지 않지만, 단면의 색상, 입도, 조직 변화와 광물조성을 종합하여 고려하면 단면의 최하부로 부터 Unit 1, 2, 3, 4로 구분된다.
정성분석으로 확인된 광물 종들을 대상으로 Siroquant 소프트웨어로 시료내 광물 함량의 정량분석을 실시하였다. 정량분석은 XRD 패턴에서 백그라운드와 분석구간을 설정하고, 광물 구조 파라미터 초기 입력값을 이용하여 1차 refinement를 실시한 후에 결과의 적정성을 판단하여, 백그라운드 및 분석구간의 설정 및 구조 파라미터 등을 반복 변화시키면서 최적의 정량분석 결과를 구하였다.
폴리프로필렌 여지에 점토 현탁액을 여과시킨 점토필름을 유리 슬라이드에 옮겨 붙이고 상온에서 건조하여 정향 점토시료를 준비하였다. 정향 점토시료는 48시간 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG) 증기처리 후, XRD 분석을 실시하고, 곧이어 전기로에서 300℃ 및 500℃ 30분 열처리 후 분석을 실시하였다. 정향 점토시료의 XRD 분석은 2°-30°(2θ) 범위에서 실시하였으며 다른 조건은 전시료 분석과 동일하였다.
정향 점토시료의 XRD 분석은 2°-30°(2θ) 범위에서 실시하였으며 다른 조건은 전시료 분석과 동일하였다.
화학분석을 위하여 건조한 시료를 200메쉬 이하로 분쇄한 분말시료를 준비하였고, 주원소 화학분석을 Activation Laboratories에서 유도결합플라즈마방출분 광분석으로 실시하였다. 퇴적물 박편 제작을 위하여 적당한 크기로 절단한 퇴적물 시편을 상온에서 건조한 후, 경화제 및 아세톤과 적절한 비율로 혼합하여 점도를 낮춘 에폭시를 주입하여 고화시켰다. 고화된 퇴적물의 박편은 일반 암석 박편 제작 절차에 따라 제작하였다.
화학분석을 위하여 건조한 시료를 200메쉬 이하로 분쇄한 분말시료를 준비하였고, 주원소 화학분석을 Activation Laboratories에서 유도결합플라즈마방출분 광분석으로 실시하였다. 퇴적물 박편 제작을 위하여 적당한 크기로 절단한 퇴적물 시편을 상온에서 건조한 후, 경화제 및 아세톤과 적절한 비율로 혼합하여 점도를 낮춘 에폭시를 주입하여 고화시켰다.

대상 데이터

토양쐐기는 기온이 낮고 건조한 빙하기에 형성되는 구조로 알려져 있다. 분석을 위한 시료는 토양을 부삽으로 플라스틱 박스에 맞는 모양으로 원위치에서 성형하고, 그대로 박스를 덮고 떼어내 채취하였으며, 상하 방향과 깊이를 표시하였다(Fig. 1).
이 연구에서 조사한 퇴적물 단면은 수원시 영통구에 위치한다(Fig. 1). 이 지역은 평탄한 지형을 이루고 있으며, 주변에 큰 하천은 없으나 서해로 흐르는 하천의 소규모 지천인 원천리천이 있다.
전시료의 X선회절(X-ray diffraction, XRD)분석을 위한 시료는 50℃에서 하루 정도 건조한 후, 2 mm 이하 체를 통과한 시료를 마노 유발에서 좀 더 해체 하고 0.36 mm 체를 통과한 시료를 준비하였다. 이중 3 g을 에타놀과 혼합하여 진동분쇄기로 5 μm 이하로 분말화하였다.
조사 대상 단면은 단면 A(N37° 14' 12.16", E127° 02' 47.16") 와 단면 B(N37° 14' 09.41", E127° 02' 42.40")이다 (Figs. 2, 3).

데이터처리

03°, 단속주사시간 2초, 주사범위 3°-65°(2θ)의 조건에서 시행하였다. 정성분석으로 확인된 광물 종들을 대상으로 Siroquant 소프트웨어로 시료내 광물 함량의 정량분석을 실시하였다. 정량분석은 XRD 패턴에서 백그라운드와 분석구간을 설정하고, 광물 구조 파라미터 초기 입력값을 이용하여 1차 refinement를 실시한 후에 결과의 적정성을 판단하여, 백그라운드 및 분석구간의 설정 및 구조 파라미터 등을 반복 변화시키면서 최적의 정량분석 결과를 구하였다.

성능/효과

이 시료는 육안적으로도 조립질의 모래 입자들이 많이 함유되어 있어서 실트-점토질인 상위 시료들과의 차이가 확연하다. Unit 2는 Unit 1에 비하여 석영(33.3%) 과 K장석(6.9%) 함량은 작지만, 사장석(4.6%) 함량은 조금 높고, 점토광물 총량(54.7%)은 증가하지만, 고령토광물(kaolin minerals) 함량(9.6%)은 약간만 증가하였다. Unit 3과 4는 점토-실트 층이며, 점토광물 함량이 평균 58%이며, 이 중 일라이트-스멕타이트 혼합층과 HIV가 주성분이다.
점토-실트질 퇴적층 분석결과, 광물조성과 화학조성의 수직 변화가 확인되었고, 4개의 퇴적층이 구분되었다. 최하부 2개 층은 사질 퇴적물로서 K-장석 함량이 높아 지역 기반암 풍화물의 기여도가 높다.
이와 같은 변화는 빙기-간빙기 기후변화와 관련하여 해석할 수 있다. 즉 Unit 3과 4의 원물질은 동일한 것으로 보이지만, Unit 3은 과거 기후가 따뜻했던 간빙기의 화학적 풍화작용으로 심하게 풍화되어 좀 더 붉은색을 띠고, 사장석과 녹니석의 함량이 작고 고령토의 함량이 높다. Unit 4는 간빙기 후에 도래한 빙하기의 풍성 퇴적물로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한반도에 위치한 퇴적층 하부의 특징은?	산지는 침식이 심하여 암반이 노출되어 있으나, 평탄지에는 운반된 퇴적물이 기반암을 피복하고 있다. 퇴적층 하부에는 그 지역 가까운 곳에서 유래한 기반암 풍화물 기원의 사질 또는 역질 퇴적물이 우세하나, 상부는 대체로 적갈색의 균질한 점토-실트 퇴적물로 구성되어 있다(Lee, 1999; Jeong et al., 2013).
	적갈색 점토-실트 퇴적물의 기원을 명확히 단정하기 어려운 이유는?	, 2013). 그러나 그 기원을 명확히 단정하기 쉽지 않은데, 그 이유는 건조한 중국 서부 내륙 황토고원의 뢰스에 비하여 한반도는 다습한 환경으로 풍성물이 퇴적되어도 심한 풍화작용으로 광물조성, 화학조성, 조직이 퇴적 당시와 달라지기 때문이다. 한반도 적갈색 점토-실트 퇴적물의 기원 해석을 위해서는 더 많은 지역의 단면 분석 자료를 확보하고 상호 비교할 필요가 있다.
	한반도의 산지 특징은?	한반도는 굴곡이 심한 산지 지형이 우세하지만, 산지 사이 곳곳에 평탄한 단구나 풍화 분지가 발달되어 있다. 산지는 침식이 심하여 암반이 노출되어 있으나, 평탄지에는 운반된 퇴적물이 기반암을 피복하고 있다.

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