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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.29 No.1 pp.11-22
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2016.29.1.11

Fe-rich Sepiolite from the Basalt Fault Gouge in the South of Pohang, Korea

Byeongseo Son, Jinyeon Hwang*, Jinhyun Lee, Jiho Oh, Moon Son, Kwanghee Kim
Department of Geological Sciences, Pusan National University, Pusan 46241, Korea
Corresponding author: +82-51-510-2254, hwangjy@pusan.ac.kr
December 18, 2015 March 17, 2016 March 21, 2016

Abstract

The black fault gouge having 5-10 cm width occurs at the center of the fault fracture zone developed at the early Miocene basaltic rocks that is located at the Geumkwang-ri area in Donghae-myeon, Pohang city. The fault gouge was analyzed with XRD, FTIR, DTA/TGA, SEM, TEM, XRF, EPMA. Analyses reveal that the fault gouge is Fe-rich sepiolite having high iron content. Alteration minerals observed in the fault fracture zone are mainly smectite. The significant amount of smectite also observed in the basaltic parent rocks. The occurrence of constituent minerals indicates that the Fe-rich sepiolite was crystallized by faulting and hydrothermal alteration after the consolidation of basaltic rock at the deep place.


포항시 남부 현무암체의 단층점토에서 산출되는 Fe-세피올라이트

손 병서, 진 진연*, 이 진현, 오 지호, 손 문, 김 광희
부산대학교 지질환경과학과

초록

경북 포항시 남구 동해면 금광리 일대의 전기 마이오세 현무암층 내에 단층파쇄대의 중심에 약 5-10 cm의 폭을 가진 흑색의 단층점토가 길게 연장되어 나타났다. 이 단층점토에 대해 XRD, FTIR, DTA/TGA, SEM, TEM, XRF, EPMA 등으로 자세히 분석한 결과, Fe 성분을 다량 함유하는 Fe-세피 올라이트인 것으로 확인되었다. 이 외에 단층파쇄대의 변질광물은 주로 스멕타이트인 것으로 나타났 으며, 신선한 모암인 현무암에도 스멕타이트가 상당량 포함되어 나타났다. 이러한 구성광물의 산상으 로 보아, Fe-세피올라이트는 현무암의 고화 형성 후에 다소 깊은 곳에서 단층작용과 함께 열수변질작 용이 관여하여 형성된 것으로 사료된다.


    Korea Meteorological Industry Promotion Agency
    KMIPA2015-3010

    서 언

    경상북도 포항시 남구 동해면 금광리 일대에는 전기 마이오세에 해당되는 현무암체가 넓게 분포 하고 있다. 이 현무암체 내의 일부분에서 단층파쇄 대가 잘 발달되어 나타나며, 그 중심부분에서 흑색 을 띠는 맥상의 단층점토가 관찰되었다. 이 단층점 토에 대하여 X-선회절분석, 전자현미경관찰, 화학 분석 등을 수행한 결과, Fe를 다량 함유하는 세피 올라이트(sepiolite)에 해당되는 것으로 나타났다. 따라서 이 세피올라이트에 대하여 산출상태, 광물 학적 특성 및 성인 등에 대하여 검토한다.

    세피올라이트는 팔리고스카이트(palygorskite)와 화학조성과 결정구조가 유사한 함수마그네슘규산 염 광물이며, 층상구조와 쇄상구조가 혼합된 찬넬 구조 혹은 리본구조라고 하는 특이한 결정구조를 지닌 점토광물이다(Brauner and Preisinger, 1956). 이로 인하여 세피올라이트는 다공질이고 가벼운 특성을 가지고 있다. 세피올라이트는 높은 흡착능, 촉매성, 유동성, 건조고결성, 소결성 등의 성질을 가지므로, 다양한 분야에서 활용되고 있다. 세피올 라이트의 어원은 그리스어인 Sepia (오징어)에서 유래된 것이며, 그 외관이 오징어의 등부분과 유사 하다고 하여 유래되었다. 또한 산지에 따라 외관이 매우 다르게 나타나는데, 그에 따라 광물이면서도 부드러운 가죽 같은 것을 “mountain leather”로 부 르며, 괴상이며 물에 넣으면 기포가 나오는 것을 “meerchaum (海泡石)”이라 부르며, 그 외에도 mountain wood, mountain cork 등으로 불려진다 (Shimosaka and Wada, 1984).

    세피올라이트는 주성분에 따라 Mg-세피올라이 트, Fe-세피올라이트, Al-세피올라이트 등 다양한 형태로 나타난다. 일반적으로 세피올라이트는 Mg 을 주성분으로 하는 Mg-세피올라이트의 형태로 주 로 산출한다. Fe-세피올라이트는 Caillere (1936)에 의하여 크실로타일(Xylotile)이라는 이름으로 처음 보고되었다.

    국내에서 세피올라이트에 대한 산출은 경북 상주 지역에서 수집한 시료를 일본인에 의해 분석한 연 구(Shimosaka and Kawano, 1969)가 있으나, 위치 와 산상에 대해서는 알려지지 않고 있다. 그리고 Hwang (1991)은 울산지역 사문석 광산의 세맥에 서 세피올라이트를 발견하여 자세한 광물학적 특성 을 발표하였다. 또한 최근에 전북 장수군 장계면의 백운석 광산에서 세피올라이트가 발견되어 광물학 적 연구(Choi et al., 2012)가 이루어진 바 있다. 이 들의 모든 세피올라이트는 Mg을 주성분하는 일반 적인 세피올라이트에 해당된다. 이러한 Mg-세피올 라이트는 세계적으로 많은 산출이 알려지고 있다.

    그러나 Fe를 다량 함유하는 세피올라이트는 일 본과 모로코 등의 일부에서 드물게 산출된 보고가 있다(Hoe and Hayashi, 1975; Shimosaka et al., 1976; Sakamoto et al., 1980; Arranz et al., 2008). 이처럼 세계적으로도 산출이 드물며, 아직 국내에 서는 보고된 바가 없으므로 이번에 발견된 Fe-세 피올라이트에 대해서 산상과 광물학적 특성에 대 해서 분석결과를 제시하고자 한다. 특히 단층점토 로서 산출되었기 때문에 이 광물의 생성과정을 검 토하고 지질구조운동사의 해석에 유용한 자료를 제공하고자 한다.

    연구방법

    본 지역의 현무암체, 단층파쇄대, 단층점토 등에 대하여 시료를 채취하였고, 이들 암석과 점토의 시료 에 대하여 X-선회절분석(X-Ray Diffraction, XRD), 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 관찰, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 관찰, 적외선분광분석(FTIR), 시차열분석(Diffrential Thermal Analysis, DTA) 및 열중량분석(Thermogravimetric Analysis, TGA), X-선형광분석(X-Ray Fluorescence, XRF), 전자탐 침미량분석(Electron Probe Micro-Analysis, EPMA) 등을 실시하였다.

    X-선회절분석은 Rigaku사의 Geigerflex2301를 사용하여 CuKα선으로 Ni-filter로 측정하였다. 측 정 시 가속전압은 35 kV, 전류는 20 mA이고, 주 사속도 2°2 θ/min, 시정수 1 sec, 슬릿 1°-0.3 mm-1°로 측정하였다.

    주사전자현미경은 부산대학교 공동실험실습관의 SUPRA40 VP 모델의 FE-SEM 장비를 활용하였으 며 가속전압은 15 kV로 관찰하였고, 투과전자현미 경은 기초과학지원연구원 부산센터의 JEM 2011 모 델을 이용하여 200 kV의 가속전압으로 관찰하였다.

    적외선분광분석은 부산대학교 공동실험실습관의 Spectrum GX 모델의 장비를 사용하여, 적외선 범 위(파수 4000-400 cm-1)에서 KBr 정제법으로 측정 하였다.

    시차열분석 및 열중량분석은 기초과학지원연구 원 부산센터의 SDT Q600 모델을 이용하여 분석 하였으며, 상온부터 950 ℃까지의 범위에서 가열 속도 10 ℃/min의 조건으로 측정하였다.

    X-선형광분석은 부경대학교 공동실험실습관에 의 뢰하여 실시하였으며, 장비는 SHIMADZU (Japan) 사의 XRF-1700 모델을 이용하여 4 kW Rh-Ka X-ray Tube의 조건으로 Glass bead 정량법을 사용 하여 분석을 실시하였다.

    EPMA 분석은 부산대학교 공동실험실습관의 JEOL사의 JXA-8530F 모델의 FE-EPMA를 사용 하여 분석하였으며, 분석조건은 High Voltage 10 KeV, Probe current range 20 nA, beam size 10 μm로 분석하였다.

    지질 및 산출상태

    경상북도 포항시 남구 동해면 금광리 일대에는 전기 마이오세의 현무암류가 넓게 분포되어 있다. 이 지역의 지질도는 최근 포항지역의 오천단층계 의 연구에 의해 작성된 Cheon et al. (2012)의 논 문을 인용하여 Fig. 1에 나타내었다. 그림에서 보 듯이 이번 연구대상인 단층점토의 산출지점은 단 층선과 만나는 현무암층 내에 위치한다. 이곳을 지 나는 단층은 주향이동단층으로 기재되어 있다. 장 기분지에 대한 연구는 Tateiwa (1924)에 의해 하 부의 장기층군과 상부의 범곡리층군으로 최초로 구분하였으며, 이 두 층군의 상대적 퇴적시기는 연 구자에 따라 논란이 많으며, 아직도 지속되고 있다 고 한다(Son et al., 2013). 이는 범곡리층군과 장 기층군에 대한 명확한 정의가 없고, 제3기 지역은 분지의 진화과정 동안 분지 내외에서 많은 단층활 동과 화산활동으로 인해 지층이 복잡하며 암상의 변화가 심하여 세밀한 야외조사에 어려움이 많기 때문이라 알려져 있다(Son et al., 2013). Tateiwa (1924)에 의해 작성된 1 : 25,000 연일도폭에서는 이번 연구지역에 존재하는 단층이 표시되어 있지 않았으나, 최근 Cheon et al. (2012)에 의하여 단층 의 존재가 확인되었다.

    Tateiwa (1924)에 의해 이곳의 현무암은 제4기 연일현무암 및 양휘석안산암으로 명명되고 대부분 분출암으로 기재되었으나, Yoon (1992)에 의해 어 일현무암으로 명명되고 제3기의 관입이 우세하다 고 보고된 바 있다. 또한 Kim et al. (2011)에서는 뇌성산현무암으로 명명되었으며, Cheon et al. (2012)에서는 현무암질 응회암과 함께 현무암류라 고 분류되었다. 여기서 단층점토가 나타나는 암체 는 흑색을 띠고 치밀한 괴상체로 나타나기 때문에 일반적인 현무암체로 기술한다.

    이번 연구의 대상인 단층파쇄대는 Fig. 2에서 보 듯이 비스듬한 경사로 나타나며 폭이 약 3-9 m으 로 뚜렷이 잘 발달되어 있다. 이 파쇄대에는 깨진 암편들과 점토들이 혼합되어 있으며, 그 중간 부분 에서 흑색 내지 암갈색의 점토가 맥상으로 발달되 어 있다. 이 맥상의 단층점토는 폭이 약 5-10 cm 로서 길게 잘 연장되어 나타난다(Fig. 3a). 이곳의 건너편 약 100 m 지점에서도 이러한 단층점토가 발견되는 것으로 보아 연장성이 좋은 것으로 판단 된다. 이 단층점토에서도 앞서 나타난 특징과 유사 하게 나타나는 것으로 보아 단층핵 부분에 해당되 는 것으로 보인다. 육안으로 관찰해 보면 파쇄대의 암편들 사이를 충전한 부드러운 점토와는 달리 비 교적 단단하며 표면이 매끄러운 지방광택을 보이는 덩어리 형태로 나타났다(Fig. 3b). 이 부분의 점토에 서 Fe-세피올라이트가 산출되었는데, 국내외에서 일 반적으로 산출하는 Mg-세피올라이트의 밝은 색을 띠고 가볍고 부드러운 가죽 같은 모습(Hwang, 1991)과는 전혀 다른 외형을 나타냈다. 단층파쇄대 의 가까운 곳에서는 절리가 많이 발달하거나 부분 적으로 파쇄된 암석이 나타나지만, 더 외각부에서 는 단단하고 괴상의 암체가 잘 나타난다. 이곳의 암체 내에서는 스멕타이트로 구성된 절리충전점토, 방해석 세맥, 크리스토발라이트(opal-CT)와 석영으 로 된 규질화 부분 등도 관찰되었다.

    X-선 회절분석

    조사지역의 현무암체와 단층파쇄대 및 단층점토 에 대하여 다양한 시료를 채취하였고, 모든 시료에 대하여 X-선 회절분석을 실시하였다. X-선 회절분 석 결과, 현무암에는 사장석이 주로 나타났으며, 스멕타이트와 함께 휘석과 자철석이 소량 수반되 었다. Fig. 4에서 보듯이, 신선하고 매우 단단한 현 무암임에도 불구하고 비교적 뚜렷한 스멕타이트의 회절선이 나타났다. 여러 암석시료에서 약간의 함 량 차이는 있으나 이 곳 주변의 암석에서는 스멕타 이트가 특징적으로 포함되었다. 또한 파쇄대의 변 질암석과 점토에서도 다량의 스멕타이트가 포함되 었다(Fig. 4). 이들의 암석과 파쇄대의 변질점토에 대하여 2 μm 이하의 점토입자를 추출하여 X-선 회절분석 결과, 비교적 폭 좁고 예리한 회절선을 나타냈으며, 무처리에서 15.2 Å의 회절선이 에칠 렌글리콜 처리에서 17.6 Å으로 팽윤하였다. 이것 으로 볼 때 비교적 결정도가 높은 스멕타이트인 것 으로 나타났다. 또한 이 스멕타이트 시료의 (060) 격자면간격을 측정해 본 결과, 약 1.533 Å을 나타 내어 삼팔면체형(trioctahedral) 스멕타이트인 것으 로 나타났다. 따라서 Mg와 같은 2가 양이온을 다 량 함유하는 스멕타이트인 것으로 생각된다.

    파쇄대의 중심부에 나타나는 암석의 맥상 단층점 토에서는 Fig. 5와 같이 12.3 Å의 회절선을 비롯하 여 모두 세피올라이트에 해당되는 회절선을 잘 나 타냈다. 이 세피올라이트 시료에 대하여 내부표준 물질 방법을 이용하여 회절선의 d값과 강도를 정확 히 측정하여 Table 1에 나타내고, 다른 지역의 세 피올라이트와 비교하였다. 비교한 결과, 모든 비교 시료들과 확실히 구분되는 차이는 나타나지 않았으 나, 비교적 Shimosaka et al. (1976)Anrranz et al. (2008)에 의한 Fe-sepiolite의 회절선과 일치하 는 것으로 나타났다.

    세피올라이트의 가열에 의한 결정구조의 변화를 관찰하기 위하여 300, 500, 700, 800, 900 ℃의 온 도에서 각각 1시간씩 가열 후 X-선 회절분석을 실 시하였다. 가열실험은 자기도가니를 이용하여 시료 분말을 전기로에서 가열하였고, 비정방위 시료의 상태로 X-선 회절분석을 실시하였다. 가열실험 동 안 동일한 시료를 사용하여 저온에서 고온까지 실 험하였으며, 실험결과는 Fig. 6에 나타내었다.

    그림과 같이 300 ℃까지는 변화 없이 무처리와 같은 회절선을 나타냈다. 그러나 500 ℃의 온도에 서 12.3 Å의 회절선이 급격히 감소하고, 10.3 Å 의 작은 회절선이 나타났다. 700 ℃에서는 12.3 Å 회절선이 거의 없어지고 상대적으로 10.3 Å의 회 절선이 다소 크게 나타났다. 800 ℃의 고온에서는 세피올라이트와 유사한 회절선은 사라지고 대신 엔스타타이트(enstatite)에 해당하는 회절선이 나타 났다. 이는 기존연구에서 세피올라이트는 Ⅰ형과 Ⅱ형으로 존재하며, 두 유형의 전이온도는 350-400 ℃이며, 800 ℃ 이상의 온도에서 세피올라이트 Ⅱ 형은 엔스타타이트로 변화한다고 알려진 바 있다 (Migeon, 1936; Longchambon, 1937). 여기서 세 피올라이트 Ⅱ형은 Preisinger (1959)에 의해 “sepiolite anhydride (무수 세피올라이트)”라 명명 된 바 있다. 이번 실험에서 300 ℃ 온도까지 세피 올라이트 Ⅰ형이 나타났으며, 500-700 ℃에서 나 타난 10.3 Å의 회절선은 세피올라이트 Ⅱ형에 해 당한다고 볼 수 있다. 이러한 열적 특성은 전형적 인 세피올라이트와 잘 일치하는 것으로 생각된다.

    전자현미경 관찰

    단층점토에서 산출된 세피올라이트의 결정형태 를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 투과 전자현미경(TEM)의 관찰을 실시하였다. 우선 SEM 으로 관찰해 보면 솜털이나 깃털 같은 형태를 나타 냈으며, 배율을 높여 자세히 관찰해 보면 길쭉한 형태들이 집합된 형태를 나타냈다(Fig. 7). SEM으 로서는 명확한 형태를 알기가 어려워서 투과전자 현미경을 사용하여 관찰하였다. TEM으로 관찰한 결과, 매우 가늘고 긴 미세한 섬유 형태로 나타났 다(Fig. 8). 섬유의 길이는 약 0.2-2 μm의 것이 대 부분을 나타냈으며, 평균적으로 1 μm 정도인 것으 로 보인다. 폭은 약 0.01-0.04 μm 정도로 기존 문 헌들에서 밝혀진 세피올라이트의 크기와 대체로 유사한 것으로 나타났다. SEM과 TEM의 관찰시 EDS를 사용하여 이 광물결정의 화학성분을 분석 해 보았다. 그 결과, 정확한 정량은 어려웠으나, 주 성분은 Si, Mg, Fe, Al인 것으로 나타났다. 흑색의 맥상 점토시료에 세피올라이트가 주를 이루고 있 으나, 점토입자로 분리한 시료에서는 소량의 스멕 타이트가 나타났다. 즉, 점토입자에 대한 정방위분 석법을 통한 X-선회절분석에서 스멕타이트의 작은 회절선이 검출되었다. 따라서 투과전자현미경 관찰 (Fig. 8)에서 나타나는 얇은 판상의 결정은 스멕타 이트인 것으로 생각된다.

    화학성분 분석

    암석 및 광물시료의 화학성분분석을 위해서 XRF, EPMA, 전자현미경의 EDS 등을 사용하였 다. Table 2에서는 파쇄대 중심부에 나타나는 암색 의 단층점토와, 파쇄대내의 변질암석, 주변의 신선한 모암의 XRF에 의한 화학분석의 결과를 나타냈다.

    여기서 Sep-1 시료는 거의 대부분 세피올라이트 로 보이는 시료이며, Sep-2 시료는 세피올라이트와 함께 일부 스멕타이트가 포함되는 시료이다. 이 두 시료에서는 SiO2와 함께 다음으로 MgO와 FeO가 다량 포함되고 있다. 전술한 X-선회절분석의 결과 로 보면 이 Sep-1시료에는 거의 세피올라이트로 구성되어 있음이 나타났다. 일반적인 세피올라이트 는 Mg을 다량 함유하는 것으로서 MgO가 약 23 wt% 정도로 나타난다(Imai et al., 1966; Hwang, 1991). 여기 Sep-1시료는 MgO가 10.47 wt%로 매 우 적은 함량을 나타내며, 반면에 전체 철로서 Fe2O3 9.77 wt%를 나타냈다. 이 결과로 볼 때, 이 지역의 세피올라이트는 일반적인 Mg형의 세피올 라이트가 아니며, Fe를 다량 포함하는 세피올라이 트인 것으로 볼 수 있다.

    Fe를 다량 함유하는 세피올라이트는 일본과 모 로코 등에서 드물게 산출된 보고(Hoe and Hayashi, 1975; Shimosaka et al., 1976; Sakamoto et al., 1980; Arranz et al., 2008)가 있는데, 이곳 시료의 분석결과에서 이들 Fe-세피올라이트와 유사한 화 학성분을 나타냈다. 전술한 바와 같이, Sep-1시료 에도 아주 소량의 스멕타이트가 포함되어 있기 때 문에 이 세피올라이트 시료의 화학성분에 대해서 는 EPMA 분석도 추가하여 검토하였다.

    신선한 현무암 시료에 대한 분석결과, SiO2가 약 55 wt%에 해당되어 전형적인 현무암과는 약간 다 른 것으로 TAS 다이어그램(Le Bas et al., 1986) 에 투영해보면 현무암질 안산암에 해당되는 것으 로 나타났다. 그리고 파쇄대의 변질암석에 대한 분 석결과(Table 2), 모암의 성분과 거의 비슷하게 나 타났으나, Ca가 감소하고, Mg가 증가하며, LOI도 증가하는 경향이 나타났다. 이는 모암의 일부가 스 멕타이트로 변질된 것으로 볼 수 있다.

    세피올라이트 시료의 정확한 화학성분을 알기 위하여 EPMA분석을 실시하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타냈다. 전자현미경의 EDS와 XRF 분석에서 이 광물시료에서는 Si, Fe, Mg, Al의 성 분이 주성분인 것으로 나타나 이들 원소에 대하여 분석하였다. 미세한 점토광물에 대한 EPMA 분석 은 오차가 많을 수 있어서 많은 부분을 분석하여 평균값으로 나타내었다. Table 4에서 다른 곳에서 산출된 세피올라이트 시료의 분석값과 비교하여 나타냈다. 일반적인 Mg-세피올라이트에서는 MgO 가 약 23 wt%의 함량을 가지는 것에 비해, Fe-세 피올라이트는 약 18 wt% 정도로 낮은 함량을 나타 내며, 본 지역의 세피올라이트 시료도 유사하게 약 16 wt%로 낮게 나타난다. 전 철 함량인 FeO는 Mg-세피올라이트에서는 0-2 wt%의 함량을 지닌 반면에, Fe-세피올라이트는 약 10 wt%의 함량으로 나타나, 이곳 시료의 약 11 wt% 함량과 값이 유사 하다. 즉, 이곳의 세피올라이트는 화학성분 분석결 과, Fe-세피올라이트에 해당하는 것으로 볼 수 있 다. 이 분석치를 Brauner and Preisinger (1956)가 제시한 이상적인 세피올라이트의 화학식인 [Mg8Si12O30(OH)4]과 비교하여 구조식을 만들어 보 면, (Mg5.48Al0.29Fe2.11) (Si11.96Al0.04)O30(OH)4로 계산된 다. 이 결과와 같이, Fe값이 크게 높고 그만큼 Mg 값이 낮다.

    적외선분광분석

    세피올라이트 시료에 대하여 적외선분광분석 (FTIR)분석을 실시하여, 그 결과를 Fig. 9에 나타 냈다. 이 스펙트럼에서 나타나는 흡수선들의 파수는 기존에 보고된 일반적인 세피올라이트의 것과 대체 로 잘 일치한다(Midgley, 1959; Otsuka et al., 1968; Hwang, 1991). 스펙트럼의 영역범위는 Sakamoto et al. (1980)에서 기술된 것을 바탕으로 분석결과를 영 역별로 구분하여 설명한다. 4000 cm-1에서 3000 cm-1의 영역은 OH기의 결합영역이며, 여기서는 3683 cm-1의 아주 미약한 흡수선과 3619, 3570 cm-1 의 약한 흡수선 그리고 3432 cm-1와 3262 cm-1의 약 간 넓은 흡수선 등 5개의 흡수선이 나타났다. 이 중 3683 cm-1의 흡수선은 OH기의 신축진동에 의한 흡 수선이며, 이는 결합 내 구조수에 의한 것으로 생 각된다. 또한 3619 cm-1와 3570 cm-1, 그리고 3432 cm-1와 3262 cm-1는 각각 리본구조 내의 양이온과 결합한 결합수 그리고 불석수에 의한 것으로 생각 된다. 1800-1500 cm-1의 구간은 H2O의 변각진동 에 의해 흡수가 나타나는 영역이며, 1656 cm-1에서 뚜렷한 피크가 나타난다. 1200-400 cm-1의 구간에 서는 1024 cm-1과 471 cm-1에서 크고 넓은 피크들 이 대표적으로 나타나며, 이들은 Si-O의 신축 및 변각진동에 의하여 적외선이 흡수되어 나타난 것 으로 생각된다.

    시차열중량분석

    세피올라이트의 열적특성을 파악하기 위하여 시 차열분석(DTA)과 열중량분석(TGA)을 실시하였다. 그 결과는 Fig. 10에 나타내었다. 그림에서 나타나 듯 67 ℃의 매우 큰 흡열반응피크와 함께, 379, 474, 787 ℃의 약한 흡열반응피크가 나타난다. 또 한 808 ℃에서 약하지만 뚜렷한 발열반응피크가 나타났다. 67 ℃의 매우 큰 흡열반응피크는 매우 급격한 중량감소가 수반되고 있어서 이것은 흡착 수와 찬넬구조 내 불석수에 의한 것으로 생각된다. 379 ℃와 474 ℃의 흡열반응은 찬넬 내의 결합수 에 의한 것으로 보인다. 그 후 완만한 중량감소를 동반하여 787 ℃에 나타나는 흡열반응은 OH기인 구조수의 탈수에 의한 것으로 볼 수 있다. 그리고 이러한 탈수에 동반하여 나타나는 808 ℃의 발열 반응은 세피올라이트가 엔스타타이트로 전이에 의 한 것으로 생각되며, 이는 X-선회절분석을 통해 확 인한 결과와 일치한다.

    흡착수와 불석수의 탈수에 의한 중량감소는 300 ℃까지 연속적으로 나타난다. 300 ℃까지의 중량 감소량은 약 14.55 wt%이며, 그 후 결합수에 의한 379 ℃와 474 ℃의 흡열반응을 포함하여 600 ℃까 지의 중량감소는 약 3.52 wt%로 된다. 그 후 구조 수의 탈수에 의한 중량감소는 약 0.98 wt%로 나타 났다. 이러한 결과는 일반적인 세피올라이트의 특 성(Callere and Henin, 1961; Sakamoto et al., 1980; Hwang, 1991)과 크게 다르지 않는다. 그러 나 Sakamoto et al. (1980)에 의한 Fe-세피올라이 트의 열분석 결과에서 구조수의 탈수량이 1.6 wt% 으로, 일반적인 Mg-세피올라이트의 2.8 wt%보다 적다는 것이 특징으로 기술하였다. 이러한 점으로 보면 포항지역의 세피올라이트는 구조수의 탈수량 도 0.98 wt%으로 다소 적게 나타났다. 또한 초기 300 ℃ 이하에서의 탈수량이 Sakamoto et al. (1980)의 Fe-세피올라이트는 11.2 wt%임에 비하 여 14.55 wt%로 높게 나타났다. 이는 시료 내에 스멕타이트가 소량 포함되어 스멕타이트 층간의 층간수가 함께 탈수되어 약간 높은 값을 나타내는 것으로 보인다.

    시차열분석과 열중량분석의 그래프의 모습에서도 일반적인 Mg-세피올라이트는 구간의 경계가 뚜렷 하고 날카로운 흡열 및 발열반응피크를 보이는 반 면, Fe-세피올라이트는 완만한 감소구간과 미약한 피크들을 보이고 있는 것이 특징적으로 나타났다.

    세피올라이트의 생성에 대한 고찰

    일반적으로 세피올라이트가 형성되기 위한 산상 은 일반적으로 (1) 알칼리성 또는 염도가 높은 환 경의 호성 또는 해저 퇴적물, (2) 돌로마이트와 이 회암에 수반하여 형성, (3) 사문암의 열수변질로 인하여 생성, (4) 저온열수용액으로의 직접 침전물 로서 또는 열수변질의 산물로서 형성, (5) 토양 중 에 산출한다고 알려져 있다(Otsuka, 1984). 또한 세피올라이트는 스멕타이트로부터 변질되거나, 세 피올라이트가 스멕타이트로 변질된다고 알려져 있 다(Isphording, 1973). 이번에 발견된 세피올라이트 는 현무암체의 단층파쇄대 점토로서 산출한 것으 로서, (1), (2), (3), (5)의 것과는 관계가 없는 것으 로 볼 수 있다. 따라서 전술한 산출상태와 구성광 물 등으로 보아 세피올라이트는 열수변질작용에 의해 형성된 것으로 생각된다.

    특히 이곳에 산출된 Fe-세피올라이트는 드물게 산출되는 광물로서, 이들 Fe-세피올라이트의 산상 과 성인에 대하여 검토해보았다. 먼저 제3기의 응 회질 사암층을 관입하는 맥상의 사장석반암이 열 수변질작용으로 나타난 경우(Hoe and Hayashi, 1975), 화강암과의 접촉변성작용으로 인해 재결정화 된 돌로마이트 광산에서 산출되는 경우(Shimosaka et al., 1976), 많은 현무암 세맥들이 관입된 신제3기 의 각종 응회암과 이암으로 구성된 지층에서 폭 15 cm, 길이 약 100 m의 연장성을 지닌 단층을 충전 하는 형태로 산출된 경우(Sakamoto et al., 1980), 그리고 규질점토암, 현무암, 탄산염암 등으로 구성 된 중생대 지층이 화성활동으로 인한 고온 및 저온 변질을 받은 후, 분지형성에 의한 절리계를 따라 Mg 성분이 풍부한 저온열수가 통과하며 Fe-세피올 라이트의 맥을 형성한 경우(Arranz et al., 2008) 등 이 있다. 여기서도 돌로마이트 광산의 경우를 제외 하면 모두 열극계를 따라 일어난 열수변질작용에 의한 것으로 볼 수 있다. 그중에서도 Sakamoto et al. (1980)에 의한 단층 충전물로 산출되는 것과 유 사한 산상인 것으로 보인다. 전술한 바와 같이 이 곳의 현무암체의 신선한 모암에서 조차 스멕타이트 를 함유하는 것으로 보아 이 현무암체 자체가 다소 깊은 곳에서 열수변질을 받은 것으로 생각된다. 또 한 현무암체 내에서 점토세맥, 방해석세맥, 규질화 부분 등이 포함되는 것으로 볼 때 열수작용이 관여 한 것으로 보인다.

    이곳의 Fe-세피올라이트는 단단한 맥상 형태로 서 단층대의 중심부인 단층핵으로 나타나는 것으 로 볼 때, 단층운동에 의한 파쇄 및 마찰작용으로 인해 지하에서 현무암체와 반응한 Mg와 Fe가 풍 부한 열수용액이 단층을 따라 상승하여 다소 고온 상태에서 열수로부터 침전된 것으로 생각된다. Fe 가 많은 현무암의 성분이 Fe-세피올라이트의 형성 에 관여한 것으로 보인다. 이곳 단층대에 나타나는 스멕타이트가 삼팔면체형인 것으로 볼 때 세피올라 이트와 같이 Mg가 많은 열수에서 의해 스멕타이트 가 형성되었을 것으로 생각된다. 단층의 중심부에 Mg가 많은 열수가 계속 주입되면서 일부 먼저 형 성된 스멕타이트가 세피올라이트로 변질될 수도 있 었을 것으로 생각된다. 최종적으로 가장 Mg 농도 가 높고 온도가 높은 열수가 중심부분에 작용하여 Fe-세피올라이트의 단층점토를 만든 것으로 생각된 다. 이러한 작용이 이루어지기 위해서는 다소 깊은 곳에서 형성되어야 될 것으로 생각된다.

    이곳에 산출된 Fe-세피올라이트는 세계적으로 드물게 보고된 광물이며, 이러한 특이 광물의 형성 조건을 규명하는 것은 단층작용과 지질구조사의 과정을 해석하는데 유용한 자료를 제공할 수 있으 므로, 좀 더 범위를 확장하여 더욱 심도 깊은 광물 학적, 지질학적, 성인적인 연구가 필요한 것으로 생각된다.

    결 언

    • 1 경북 포항시 남구 동해면 금광리 일대의 전기 마이오세 현무암층 내에 3-9 m 정도의 폭을 가진 단층파쇄대를 관찰하였으며, 이 단층파쇄대의 중심 부에 좁고 길게 연장되어 있는 약 5-10 cm의 폭을 가진 흑색의 단층점토를 발견하였다.

    • 2 이 단층점토에 대해 XRD, FTIR, DTA/TGA, SEM, TEM, XRF, EPMA 등으로 자세히 분석한 결과, XRD에 의한 결정구조분석과 전자현미경 (SEM, TEM)에 의한 결정형태 분석 등으로 보아 미세한 섬유상 형태를 가진 세피올라이트에 해당 되는 것으로 나타났다. 또한 XRF, EPMA에 의한 화학성분 분석의 결과, 전철로서 FeO가 약 11 wt% 정도로 철을 다량 함유하는 Fe-세피올라이트 인 것으로 확인되었다.

    • 3 이 곳 단층파쇄대 주변의 변질광물은 주로 삼 팔면체형 스멕타이트인 것으로 나타났으며, 신선한 모암인 현무암에도 이 같은 스멕타이트가 상당량 포함되어 나타났다. 이러한 구성광물과 산출상태를 고찰해 보면, Fe-세피올라이트는 현무암의 고화 형 성 후에 다소 깊은 곳에서 단층작용과 함께 열수변 질작용이 관여하여 형성된 것으로 사료된다.

    • 4 이곳에 산출된 Fe-세피올라이트는 세계적으로 드물게 보고된 광물이며, 이러한 특이 광물의 형성 조건을 규명하는 것은 단층작용과 지질구조사의 과정을 해석하는데 유용한 자료를 제공할 수 있으 므로 더 많은 검토가 요구된다.

    사 사

    이 연구는 지진기술개발사업(KMIPA2015-3010)의 지 원으로 수행되었습니다. 논문을 세밀히 검토해주신 익명 의 심사위원님들께 감사드립니다.

    Figure

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    Regional geological and structural map of the study area, SE Korea (from Cheon et al., 2012). A circle spot (F.C) indicates the locality of sepiolite.

    JMSK-29-11_F2.gif

    Fault fracture zone developed at the Miocene basaltic rocks in the Geumkwang-ri area in Donghaemyeon, Pohang city.

    JMSK-29-11_F3.gif

    (A) Fault gouge in the center of the fault fracture zone, (B) Black clay aggregates with greasy luster as the fault gouge.

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    XRD patterns of the altered rock (Sm-1) in the fracture zone and the fresh rock (Ba-1). F : feldspar, Sm : smectite, Px : pyroxene.

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    XRD pattern of the sepiolite sample of the black fault gouge part. S : sepiolite.

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    XRD patterns of the sepiolite samples after treatment at various temperatures for 1 hour. UT : untreated, E : enstatite.

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    SEM images showing fibrous shapes of the sepiolite sample.

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    TEM images showing fibrous shapes of the sepiolite sample and platy shapes of smectite.

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    Infrared absorption spectrum of the sepiolite sample.

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    DTA-TG curves of the sepiolite sample.

    Table

    XRD data of sepiolite samples

    (1)Fe-sepiolite from Oujda Mounts, Morocco (Anrranz et al., 2008)
    (2)Fe-sepiolite from the Kasuga mine, Japan (Shimosaka et al., 1976)
    (3)Mg-sepiolite from Ulsan, Korea (Hwang, 1991)

    Major element compositions by XRF analysis of the sepiolite bearing samples, altered rock and basalt rock

    Sep 1-3 : sepiolite samples, Sm-1 : altered rock, Ba-1 : basalt rock

    EPMA analysis (wt%) and cations for 24 non-hydrous oxygens of the sepiolite sample

    Chemical analysis of sepiolite samples (wt%)

    (A) Fe-sepiolite from the Seikan Tunnel, Japan (Sakamoto et al., 1980)
    (B) Fe-sepiolite from the Kasuga mine, Japan (Shimosaka et al., 1976)
    (C) Mg-sepiolite from Kuzu, Japan (Imal et al., 1966)
    (D) Mg-sepiolite from the serpentine mine in Ulsan, Korea (Hwang, 1991)

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