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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.26 No.2 pp.111-118
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2013.26.2.111

처트-백운석 반응에 의한 석면상 투각섬석의 생성과 형태적 특성

정 기 영1,*, 최 진 범2
1안동대학교 지구환경과학과
2경상대학교 지구환경과학과 및 기초과학연구소
제천시 수산면의 고생대 백운암에는 속성기원 흑색 처트 단괴들이 함유되어 있으며, 흑운모 화 강암 관입과 관련된 접촉변성작용으로 백운석과 처트가 반응하여 단괴 주위로 변질대가 형성되었다. 변질 초기에 활석 및 방해석이 처트와 백운암을 교대하며 생성되었지만, 후기에 투각섬석이 활석과 방해석을 교대하였다. 처트 단괴들이 밀집한 백운암 층준에서는 회백색 투각섬석이 다량으로 산출된다. 주사전자현미경 및 광학현미경 관찰결과, 투각섬석은 다양한 종횡비의 신장된 입자 형태를 보이며, 수 mm의 좁은 공간에서 같이 산출된다. 침상-섬유상 입자들이 다발을 이루는 석면상 투각섬석도 있으나, 주상 입자들도 흔히 존재함이 확인되었다. 따라서 자연 유래 석면물질의 경우, 모든 투각섬석이 석면상 투각섬석은 아니므로 석면 정량 시 유의해야 한다. 수산 지역에서 석면상 각섬석의 산출 환경은 함처트 백운암, 열원, 수용성 유체의 존재가 투각섬석 석면의 지질학적 생성 조건이 될 수 있음을 지시한다.

Asbestiform Tremolite Formed by Chert-Dolomite Reaction and Its Morphological Characteristics

Gi Young Jeong1*, Jin Beom Choi2
1 Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong 760-749, Korea
2Department of Earth and Environmental Sciences and Research Institute of Natural Sciences,
Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea

Abstract

Diagenetic black chert nodules occur in the Paleozoic dolostone in Susan, Jecheon,Korea. They reacted with dolomite to form alteration rim around the nodules during the contactmetamorphism probably related to the intrusion of biotite granite. In the earlier stage of alteration, talcand calcite replaced both the chert and dolomite, which were subsequently replaced by tremolite.Significant mass of tremolite occurs along the horizon enriched with chert nodules. Scanning electronmicroscopy and optical microscopy of the tremolite specimens revealed the elongated morphology ofdiverse aspect ratios coexisting in several mm scale. Non-asbestiform tremolite columns were alsocommon as well as asbestiform fibrous bundles. Quantitative estimation of asbestos should be morecautious for naturally occurring materials because all the tremolite particles in the outcrop are notasbestiform. The occurrence of asbestiform tremolite in the Susan area indicates that a combination ofchert-bearing dolostone, heat source, and aqueous fluids is one of the geological environments for theformation of asbestiform tremolite.

서 언

 우리나라에 분포하는 자연발생석면(naturally occurring asbestos)으로 사문석 계열의 온석면과 각섬석 계열의 석면상 투각섬석 및 석면상 양기석이 있다(Koh, 2009). 온석면이 국지적으로 분포하는 사문암 분포지에서 제한적으로 산출되는 반면에, 투각섬석-양기석 고용체 계열의 석면은 보다 광범한 지질환경에서 산출될 뿐만 아니라(Jeong and Choi, 2012), 석면상 투각섬석-양기석의 위해성이 온석면 보다 크다는 동물실험 결과들도 보고되고 있다(Mc-Connel et al., 1990; Davis et al., 1991). 그러나 열수변질암 또는 변성암에서 투각섬석이 흔히 주상광물 집합체로 산출되기는 하나, 형태학적으로 석면으로 분류될 수 있는 예는 드물기 때문에 자연 석면조사에서 광물학적 특성 분석이 필수적이다.

 투각섬석의 생성에는 Ca, Mg, Si, H2O가 필수적으로 공급되어야 한다. 따라서 열수의 도입으로 Ca와 Mg가 주성분인 백운암이 Si 및 물과 반응하는 환경이 투각섬석 생성에 적합함을 쉽게 예상할 수 있으며, 이에 따라 변질작용을 받은 백운암 분포지역이 자연발생석면의 산출 가능 지역으로 지목되고 있다. 또한 Mg 함량이 높은 사문암에도 Ca를 함유한 단사휘석이 흔히 함유되어 있으므로 열수 작용에 의하여 투각섬석이 생성될 수 있다. 기존 조사에서 국내 사문암 분포지와 충남 보령지역 백운암질 대리암에서 석면상 투각섬석의 산출이 보고되었다(Mine Reclamation Corporation, 2010; Yoon et al., 2010; Jeong and Choi, 2012).

 이러한 배경에서 최근 국내 가행중인 광산들의 백운석 광석을 대상으로 광물학적 조사가 시행된 바 있으나, 석면상 투각섬석의 산출이 확인되지 않았다(The Mineralogical Society of Korea, 2012). 그 이유는 주로 제철소 용재로 사용되는 백운석의 품위 기준을 충족하기 위해서는 고순도 백운암만이 개발 대상이며, 이러한 백운암은 대체로 투각섬석 생성에 필수적인 Si가 결여되어 있기 때문이다. 따라서 광석용 고순도 백운암보다는 Si의 공급원인 규산염 광물들이 혼재하는 불순 백운암이 석면상 투각섬석의 자연적 생성에 적합하다고 예상된다. 2009년 제천시 수산면에 위치한 채석장에서 석면상 투각섬석의 산출이 확인되어 사회문제화된 바 있는데, 이 경우에도 백운암 내 처트(chert)의 존재가 석면상 투각섬석 생성의 중요 인자였던 것으로 해석된다. 이 연구에서는 제천시 수산면 채석장에 노출된 함처트 백운암에서 관찰된 백운석과 처트의 반응에 의한 석면상 투각섬석의 생성과 형태적 특성에 대하여 보고한다.

지 질

 조사 지역은 제천시 수산면 전곡리에 위치하고 있으며(그림 1a), 1 : 50,000 황강리 도폭에 속한다(그림 1b)(Lee and Park, 1965). 황강리 도폭설명서에 따르면 이 지역은 고생대 오오도비스기의 백운암 및 석회규산염암과 백악기에 관입한 흑운모 화강암으로 구성되어 있으며, 채석 활동으로 노출된 노두는 백운암 분포지 내에 위치하고 있다(그림 1b). 지질도폭조사에서 Lee and Park (1965)은 백악기 흑운모 화강암의 관입으로 인한 이질 석회암의 석회규산염암화와 백운암의 변질작용으로 생성된 투각섬석대의 흔한 산출을 보고하였으며, 섬유상 투각섬석 집합체도 관찰한 바 있다. 따라서 투각섬석 석면에 대한 환경적 인식이 없었던 시기였지만, 50년전 도폭 조사에서 지질조사자들은 이미 석면상 투각섬석의 산출을 관찰하였다.

Fig. 1. Location of outcrop (a) and geological map (b) modified from Lee and Park (1965).

투각섬석의 산상

 조사 지역은 채석장으로 개발되어 넓은 절개지가 노출되어 있고, 선별 채굴된 암괴들이 쌓여 있다. 풍화심도가 깊어서 신선한 암벽 노두는 현장에서 관찰하기 어렵지만, 선별된 암괴들에서 백운암 구조를 잘 관찰할 수 있었다. 백운암은 전반적으로 어두운색을 띠며, 흑색 처트 단괴들이 산재한다. 백운암에는 방해석의 백색 세맥들이 흔히 분포하고, 이들 맥들은 흔히 절단 또는 습곡되어 있다(그림 2a). 이 지역 백운암은 처트가 풍부하고 암회색이며 어란상(oolitic) 조직이 관찰되지 않는 점에서 충청북도-강원도 지역의 백운석 광산들의 백운암과 구분된다.

Fig. 2. Occurrence of chert-bearing dolostone. (a) Chert nodule altered to tremolite. (b) Chert nodule with tremolite-talc-calcite alteration rims. (c) Radiating tremolite columns/needles. (d) Chert nodule with alteration rims aligned to bedding plane. (e) Altered chert nodules exposed on the bedding planes (lower part). Cross section of the dolostone bed (upper part) shows the vertical distribution of chert nodules. Some of chert nodules on different horizons were merged into larger irregular mass.

 백운암 내 흑색처트 단괴들은 백운암과의 경계면을 중심으로 양방향으로 변질대가 형성되었다(그림 2b). 대체로 처트 쪽 변질대는 활석, 방해석, 투각섬석 혼합체이고, 백운암 쪽 변질대는 투각섬석이 우세하다. 백운암 쪽 투각섬석은 육안적으로 백운암과 처트 경계면에 수직방향으로 성장한 침상-섬유상 입자 집합체(그림 2b)와 방사상 집합체(그림 2c)로 산출된다. 처트를 층리 방향으로 관찰하면 길게 신장되어 있고 층리면에 평행하다(그림 2d). 층리를 절단하는 방해석맥과 관련된 투각섬석의 형성은 관찰되지 않았다(그림 2d).

 그림 2b와 그림 2d로부터 처트 단괴의 3차원적 형태는 다소 불규칙하지만 대체로 편평한 타원체(oblate ellipsoid)에 가까운 것으로 보인다. 극미립석영 집합체인 처트 단괴들은 백운암에 비하여 풍화에 매우 강하기 때문에, 수십 cm 크기의 처트 단괴들이 풍화대 절개지에 노출된 층리면을 따라 볼록볼록하게 드러난 현상이 관찰된다(그림 2e의 하부). 그림 2e의 상부는 층리면에 수직인 절리가 드러난 것이다. 그림 2e로부터 처트의 형태는 대체로 불규칙하며 긴 방향들이 층리에 대체로 평행하지만, 이들이 수직적으로 층을 횡단하며 연결되어 더 크고 불규칙한 단괴를 형성하기도 하다. 이상의 처트단괴의 형태나 산출상태는 탄산염암에 특징적인 속성기원 처트의 산출상태와 일치한다(Pettijohn, 1975). 그림 2e의 처트 단괴들은 회백색을 띄는데, 이는 흑색 처트 단괴의 가장자리가 회백색 투각섬석으로 교대되었기 때문이다(그림 2b, c, d).

백운암-처트 반응 조직

 백운암 내 처트 단괴를 층리에 수직방향으로 절단하여 제작한 연마박편을 주사전자현미경 후방산란전자(BSE)상으로 관찰하여 변질대의 광물분포와 조직을 관찰하였다. 관찰에 이용한 기기는 IXRF 모델의 에너지분산X선분광기(EDS)가 부착된 TESCAN VEGA II LMU 주사전자현미경이었다. 백운암은 백운석층과 탄질물로 추정되는 불투명 흑색층이 호층을 이루며, 백운석층 내에도 흑색 파편들이 분포하고 있다(그림 3a). 변질은 처트와 백운암 경계로부터 양방향으로 진행되었는데, 방해석과 활석대는 폭이 좁고 투각섬석대가 넓다(그림 3b). 변질대 단면을 좀더 확대하여 관찰하였다(그림 3c-f). 처트 쪽 변질대는 처트 접촉부로부터 방해석과 활석대, 투각섬석대가 대상으로 분포하며, 반응하지 못한 석영입자들이 방해석과 활석대에 일부 잔존한다(그림 3c, f). 백운암쪽 변질대에서도 백운암 접촉부로부터 방해석과 활석대, 투각섬석대의 순서로 대상 분포한다(그림 3e). BSE 상에서 개별 각섬석 입자들의 형태를 정확히 파악할 수는 없지만, 대부분의 각섬석 형태는 주상이다(그림 3c-f). 그러나 주상 투각섬석 입자 사이에 가느다란 섬유상 투각섬석 입자들이 분포되어 있다(그림 3c, f). 변질대와 백운암의 X선회절분석에서 변질대의 주구성 광물이 투각섬석임을 확인할 수 있다(그림 4).

Fig. 3. Microscopic features of the alteration rim of the chert nodule. (a) Polarizing microscope image of polished thin section of chert and dolostone with alteration rims (plane polarized light). (b) Back-scattered electron image of calcite(+talc)-tremolite-calcite(+talc) zonings in the alteration rim. Image of the box in a. (c) The replacement of talc and calcite for chert, and tremolite for talc. Tremolite fibers are dispersed between tremolite columns. Image magnified from b. (d) Columnar tremolite aggregates in the center of the rim. Image magnified from b. (e) Dolomite successively replaced by calcite, talc, and tremolite. Image magnified from b. (f) Image of the box in a, showing the sequential repalcement of chert by calcite, talc, and tremolite. Fine tremolite fibers are dispersed between larger tremolite columns.

Fig. 4. X-ray diffraction pattern of dolostone and alteration rim of chert.

투각섬석 입자의 형태적 특성

 그림 3에서 박편제작에 사용한 시편과 동일한 원시편(그림 5a)의 주사전자현미경 이차전자(SE)상을 관찰하여 투각섬석 입자의 형태적 특징을 관찰하였다. 개별 투각섬석 입자의 형태적 특징을 기술함에 있어서 주상(columnar), 침상(acicular), 섬유상(fibrous) 등의 용어들을 사용하는데, 흔히 침상과 섬유상의 구분이 명확하지는 않다. 여기서는 관찰 배율에 관계없이 머리카락처럼 길거나 휘어지는 특성의 입자들을 섬유상, 그렇지 않은 입자들을 침상으로 구분하였다.

Fig. 5. Morphological features of tremolite. Secondary electron images. (a) Freshly-fractured rock chip equivalent to the thin section in Fig. 3. (b) Granular quartz crystals of chert. (c) Columnar-acicular tremolite equivalent to Fig. 3d. (d) Asbestiform tremolite in the alteration rim. (e) Curved tremolite fibers associated with acicular-fibrous tremolite bundles. Image magnified from the box in d. (f) EDS spectrum showing the elemental composition of end-member tremolite.

 변질되지 않은 처트는 5∼20 μm 정도 크기의 석영 입자들로 구성된 등립상 조직을 보인다(그림 5b). 처트를 교대하며 생성된 투각섬석은 주상(그림 5c)과 침상-섬유상(그림 5d, e)이다. 침상-섬유상 입자들은 평행하게 배열되어 쉽게 갈라지는 곧은 입자들의 다발을 형성하고 있으며(그림 5d, e), 주상투각섬석과 혼재하여 연속체를 형성한다(그림 5d). 대부분의 신장된 입자들이 곧은 형태를 갖고 있지만, 드물게 너비 1 μm 이하의 휘어진 입자(그림 5e)들도 관찰된다. 그림 5d의 침상-섬유상 입자 집단은 석면상 투각섬석이라 할 수 있으며, 형태적 특성이 보령 석면상 투각섬석과 매우 유사하다(Jeong and Choi (2012)의 그림 4). X선 에너지분산분광분석(EDS)에 의하면 Fe가 전혀 검출되지 않아서, 순수한 단성분 투각섬석임을 확인할 수 있었다(그림 5f).

 2개 투각섬석 시편에서 강철심으로 긁어낸 분말수 mg을 1.55 굴절액으로 글라스 슬라이드에 펼친 후 편광현미경으로 관찰하였다(그림 6). 두 시료에서 주상, 침상, 섬유상의 다양한 종횡비의 투각섬석 입자들을 관찰할 수 있었으며, 침상-섬유상 입자들의 다발도 관찰되었다.

Fig. 6. Polarizing microscope images of tremolite powders scraped from the surfaces of two specimens lined with tremolite grains (plane polarized light). Right images were magnified from the left images. (a) Powder from the tremolite alteration rim shown in Fig. 2b. (b) Powder from the radiating tremolite in Fig. 2c.

토 의

투각섬석의 생성

 조사 지역 내에 백악기 흑운모 화강암이 관입하였으며, 석회암이 광범하게 석회규산염으로 열변성되었다(그림 1b). 따라서 백운암의 경우에도 마그마 관입으로 인한 열변성 작용을 받았음이 분명하다. 백운암의 백운석과 처트는 마그마로부터 전도된 열로 인하여 점진적인 반응을 겪게 된다. 이와 같은 백운암 내 처트의 반응에 의한 활석, 방해석, 투각섬석의 형성은 Tilley (1948), Suzuki (1977), Hoersch (1981), Joesten (1991), Woodford et al. (2001) 등에 의하여 화강암질암 마그마에 관입된 백운암 접촉 변성대에서 기재된 바 있다. 이에 의하면 접촉부로부터의 거리에 따라 생성되는 광물조합이 변하는데, 온도가 증가함에 따라, 방해석+활석, 투각섬석, 감람석의 순서로 생성되는 광물조합이 변화한다. 이 연구에서 관찰된 바에 의하면 방해석+ 활석 조합이 처트 및 백운석을 교대하며 먼저 생성되고, 투각섬석이 이들을 교대하고 있다(그림 3c, f). 따라서 교대조직으로부터 추정되는 처트와 백운암의 반응 과정은 다음과 같다.

 

 

 마그마 관입과 함께 백운암의 온도가 상승함에 따라 물의 존재하에 백운석과 처트가 반응하여 처트와 백운암의 경계를 따라 활석과 방해석 변질대가 생성되었고, 온도가 지속적으로 상승함에 따라, 기 생성된 활석과 방해석이 반응하여 백운석이 생성된 것으로 해석된다. 두 번째 반응이 일어나기 위해서는 석영이 추가로 반응에 필요한데, 이 연구에서 관찰된 바에 의하면 활석과 방해석대에 잔존하는 석영이 투각섬석의 생성에 이용된 것으로 보인다(그림 3c, f).

투각섬석 입자의 특성

 국내 투각섬석 석면의 산출상태에 관한 이전 연구에서 Jeong and Choi (2012)는 섬유상, 침상, 주상의 다양한 투각섬석 입자 형태를 관찰한 바 있다. 섬유상 투각섬석은 충남 지역 및 안동의 사문암 열극에서, 그리고 침상-섬유상 투각섬석은 충남 보령의 백악기 흑운모 화강암과 접하는 백운암질 대리암에서 기재되었다. Jeong and Choi (2012)에 의하면 보령 투각섬석 시편에도 침상 입자뿐만 아니라 주상 입자나 섬유상 입자들도 산출되고 있다. 이 연구의 대상인 수산면 전곡리 투각섬석은 보령 투각섬석과 형태학적으로 유사하다. 즉 Jeong and Choi (2012)이 관찰한 전형적인 섬유상 입자들처럼 휘어진 긴 입자들은 드물고 대부분 곧은 형태를 유지하고 있다. 유해성 측면에서 석면을 구분할 경우에 휘어지는 특성이 필수요건은 아니며, 대부분 특정한 길이, 너비, 종횡비 값을 석면 판정 기준으로 정하고 있다. 따라서 이 지역의 침상-섬유상 투각섬석 입자들은 석면으로 분류될 수 있다.

 자연 석면 조사에서 석면의 정의는 분석자에 의한 석면 함유량 평가의 기준이 되므로 매우 중요하다. 그럼에도 석면 입자의 정의는 세계적으로 통일되어 있지 않으며 연구기관이나 규제기관마다 조금씩 다르게 정의되어 있다(Lowers and Meeker, 2002). 따라서 채용한 석면 정의에 따라 최종 평가된 석면함유량에 차이가 발생할 수 밖에 없다(Gunter et al., 2007; Strohmeier et al., 2010). 연구지역인 수산면 전곡리의 투각섬석은 석면이 아닌 주상 입자에서부터 석면으로 분류될 수 있는 침상-섬유상까지 매우 다양한 크기와 형태를 가진다. 따라서 자연 석면의 정량 분석에서 원시료의 다양한 형태가 고려되어야 한다. 특히 형태를 구분하지 못하는 X선회절분석과 같은 방법은 석면이 원료로 사용된 건자재의 석면분석에는 적용될 수 있으나, 자연 시료의 석면 정량에는 적합한 방법이 아니므로 투각섬석의 산출을 확인할 목적 외에는 사용되어서는 안된다.

사 사

 이 연구는 2012년도 한국석회석가공업협동조합이 지원한 ‘석면함유가능물질 지정과 합리적인 관리방안’ 연구의 일환으로 수행되었다. 원고를 세심하게 심사하시고 개선점을 제안하여 주신 이정후 교수님과 황진연 교수님에게 감사드린다.

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