서 론

중광물이란 석영(S.G. = 2.65) 또는 장석(S.G. = 2.54~2.76)보다 비중이 큰 광물로써, 일반적으로 비중이 2.8 이상인 광물을 말한다. 지각을 이루는 암석 내에서 중광물은 대체로 1% 미만으로 존재하 며, 주로 규산염광물이나 산화염광물에 속한다. 이들 중광물 중 많은 광물들이 화학적 풍화나 기계적 마 모에 강하기 때문에 퇴적물의 기원지, 특히 조립질 퇴적물의 특성을 재구성하거나 퇴적물의 이동경로 추적에 유용하게 활용되고 있다(Lee et al., 1997).

황해와 동중국해는 한반도와 중국 대륙 사이에 위치하며, 중국 대륙의 황하와 양자강 및 한국 연안 의 강들로부터 막대한 양의 육상기원 퇴적물이 유 입되어 집적되고 있다(Milliman and Meade, 1983). 이들로부터 공급된 퇴적물은 중국과 한국의 연안, 황해 중앙부, 그리고 제주도 남서쪽의 북동중국해 대륙붕에 독립적으로 퇴적되어 몇 개의 특징적인 니 질대를 형성하는데, 황해중앙니질대(Central Yellow Sea Mud, CYSM), 황해남동니질대(Southeastern Yellow Sea Mud, SEYSM)와 제주남서니질대 (Southwestern Cheju Island Mud, SWCIM) 등이 대표적이다. 이러한 니질대는 황해-동중국해의 독특 한 해류 시스템에 의해 발달하는 와류와 용승 작용 에 의해 형성된다(Hu, 1984, Shi et al., 2003).

이번 연구에서는 황해남동니질대(SEYSM)와 제 주도남서니질대(SWCIM)에 포함되어 있는 중광물 의 종류 및 함량을 알아보고, 각 중광물의 분포특 성을 바탕으로 두 니질대의 중광물 특성을 비교하 고자 하였다.

황해남동니질대 해역 퇴적물의 중광물 구성에 대하여 Lee et al. (1988)은 각섬석이 가장 많고 녹 염석이 그 다음으로 많은 양을 차지하며, 석류석, 저어콘, 전기석, 금홍석, 스핀, 모나자이트 등이 포 함되어 있다고 보고하였다. Kang (2003)은 충청남 도 해안에 발달한 해빈과 해안사구의 중광물은 각 섬석과 녹염석으로 주로 구성되며, 전기석, 저어콘, 철산화물이 소량 포함되어 있고, Chae et al. (2007) 은 전라남도 신안군 자은도 해빈사의 중광물 역시 각섬석과 녹염석이 주를 이루며, 티탄철석, 저어콘, 금홍석, 아나타제, 모나자이트 및 제노타임 등이 일부 포함된다고 보고하였다. Lee et al. (2004)는 한강 퇴적물의 중광물은 각섬석이 주를 이루며, 티 탄철석, 석류석, 녹염석, 금홍석, 스핀 등이 포함된 다고 보고하였다. 황해남동니질대 해역과 근원지로 여겨지는 하천과 해빈 퇴적물에 대한 중광물 연구 를 토대로 황해남동니질대 퇴적물은 인접한 한반 도 서쪽에 분포하는 화성암 및 변성암에서 기원하 였을 것으로 생각된다.

그러나 현재까지 황해남동니질대 지역에 대한 중광물 연구는 매우 부족하며, 더욱 제주남서니질 대 지역에 대한 중광물 연구는 거의 없는 실정이 다. 따라서 이들 지역에 대하여 많은 시료를 바탕 으로 한 체계적인 중광물 연구가 필요한 실정이다.

연구 재료 및 방법

이번 연구에 사용된 시료는 한국해양과학기술원 (KIOST, Korea Institute of Ocean Science and Technology)과 한국지질자원연구원(KIGAM, Korea Institute of Geology and Mineral Resources)에서 채취된 표층 5 cm 이내의 퇴적물 총 240개의 시료 중, 모래 비율이 20% 이상이 되는 것들을 황해남 동니질대와 제주남서니질대 각각 28개씩 선정하여 총 56개에 대하여 실험을 진행하였다. 중광물을 분 리하기 위하여 시료 전처리, 자성 광물 분리 및 중 액 분리 과정을 수행하였으며, 자세한 실험 과정은 Lee et al. (2016)의 방법에 따라 실시하였다.

분리한 중광물은 실체현미경을 사용하여 크기, 색깔 및 모양에 따라 구분하였으며, 전계방출형 주 사전자현미경(FE SEM, Field-Emission Scanning Electron Microscope) 관찰을 통해 중광물 표면의 미세 조직을 관찰하였다. 중광물의 정확한 감정을 위하여 에너지 분산형 분광분석기(EDS, Energy Dispersive Spectrometer)를 사용하여 화학조성을 분석하였다. 중광물 중 각섬석, 녹염석 및 석류석 은 전자현미분석(EPMA, Electron Probe Micro- Analyzer) 분석을 실시하여 정확한 화학 조성을 구 하였다. 약 12,000개의 입자를 실체현미경으로 관 찰하였고, 이 중 1,500개 입자를 FE-SEM을 이용 하여 분석하였다. FE-SEM과 EPMA 분석은 경상 대학교 공동실험실습관에서 보유하고 있는 JSM- 7610F FE-SEM과 JEOL JXA-8100을 사용하였다.Fig. 1

결 과

황해남동니질대와 제주남서니질대의 표층 퇴적 물 시료 각각 28개에 대하여 실체현미경, FE-SEM 및 EDS을 이용하여 중광물 분석한 결과는 Table 1과 Table 2에 각각 나타나 있다. 중광물 함량은 황해남동니질대가 제주남서니질대보다 월등히 많 은 것을 알 수 있다. 황해남동니질대의 경우 중광 물 함량은 각섬석, 녹염석, 저어콘, 스핀, 석류석, 인회석, 금홍석, 모나자이트 순으로 존재하는데 반 하여, 제주남서니질대에서는 각섬석, 녹염석, 인회 석, 석류석, 스핀, 금홍석, 저어콘 순으로 산출된다. 각섬석은 황해남동니질대와 제주남서니질대 두 지 역 모두에서 가장 많이 존재하는 중광물로써 각각 37.4%와 41.5%이며, 녹염석은 두 지역 모두에서 두 번째로 많이 산출되는데 각각 33.2%와 33.8% 이다. 각섬석과 녹염석은 두 지역 모두에서 중광물 의 주구성광물로서 그 합은 70% 이상이다. 저어콘 과 스핀은 황해남동니질대에서, 그리고 인회석과 금홍석은 제주남서니질대에서 우세하게 산출되는 경향을 보였다.

연구지역의 중광물 중 가장 많은 함량을 나타내 는 각섬석은 진한 초록색을 띠며, 대체로 주상이고 각진 형태로 산출되었으며 한 방향의 쪼개짐이 관 찰되었다. SEM 관찰 결과에서도 각진 형태와 쪼 개짐이 잘 나타난다(Fig. 2A). 두 번째로 많이 존 재하는 중광물인 녹염석은 옅은 초록빛을 띠고, 원 마도가 좋지 않고 모양이 불규칙적이었으며, SEM 관찰결과 표면에 여러 개의 균열과 마모를 심하게 받은 부분이 존재하여 풍화를 받은 것을 알 수 있 었다(Fig. 2B).

저어콘은 옅은 갈색 내지 짙은 갈색을, 저어콘 특유의 각진 다면체형의 입자를 나타내는 것과 타 원형의 입자가 주로 산출되었다(Fig. 2C, Fig. 3B). 석류석은 연분홍색이나 옅은 빨간색을 띠며, 모양 은 불규칙적이고 각진 형태로, SEM 관찰 결과 표 면이 다른 광물 입자에 비해 상대적으로 매끄럽다. 특히 제주남서니질대의 석류석은 황해남동니질대 의 석류석에 비해 입자 표면이 깨끗하고 모양이 각 진 것을 통해 풍화를 덜 받은 것으로 판단되었다. 스핀은 노란빛을 띄며 실체현미경상에서 석류석과 비슷한 모양으로 관찰되었으나 SEM관찰에서 표면 이 거칠어 그 차이를 확인할 수 있었다(Fig. 3A). 인회석은 타 광물에 비해 원마도와 구형도가 상대 적으로 뛰어나지만 주상의 형태를 띠는 것도 관찰 되었다. 금홍석은 짙은 붉은색을 띄며, 주상의 입 자와 불규칙적인 형태의 입자가 나타난다. 황해남 동니질대의 일부 지역에서 발견된 모나자이트는 옅은 초록빛 내지 주황빛으로 나타났으며, 원마도 가 뛰어나게 관찰되었다(Fig. 3C).

토 론

중광물 분포

중광물은 해양 퇴적물, 특히 조립질 퇴적물의 근 원지 추적과 해양 광물 자원 탐사 측면에서 주목을 받고 있다(Lee et al., 1988; Kang, 2003; Lee et al., 2004; Chae et al., 2007, 2009, 2011). 중광물 중 유용광물 자원으로 여겨지는 저어콘과 모나자 이트는 황해남동니질대에서, 금홍석은 제주남서니 질대에서 상대적으로 많이 존재한다. 이번 연구의 목적은 황해남동니질대와 제주남서니질대 두 지역 내 중광물 특성이 어떤 차이가 있는가를 규명하는 것이므로, 중광물 분포도, 중광물 지수 및 중광물 의 광물화학분석을 통하여 황해남동니질대와 제주 남서니질대 두 지역의 차이를 보다 자세하게 연구 하였다.

각섬석의 경우 황해남동니질대 북부보다 남부 지역이 더 많은 함량을 나타내며, 제주남서니질대 에서는 중심부 지역이 외곽 지역보다 더 많은 함량 을 나타낸다. 녹염석은 황해남동니질대 서부보다 동부 지역이 더 많지만, 제주남서니질대의 경우 동 부보다 서부 지역이 더 많이 존재한다. 저어콘의 경우 황해남동니질대가 제주남서니질대보다 더 많 은 양 존재하며, 특히 황해남동니질대 동부에서 서 부로 갈수록 감소하는 경향을 잘 보여준다(Fig. 4A). 스핀 역시 황해남동니질대가 제주남서니질대 보다 더 많은 양 존재하며, 황해남동니질대 북부에 서 남부로 갈수록 감소하는 경향을 잘 보여준다. 그러나 금홍석은 황해남동니질대보다 제주남서니 질대에 더 우세하며, 제주남서니질대에서는 외곽 지역이 중심부 지역보다 더 많은 함량을 나타낸다 (Fig. 4B). 황해남동니질대에서만 산출되는 모나자 이트는 북부에서 남부로 갈수록 감소하는 경향을 나타낸다(Fig. 4C). 황해남동니질대에서 모나자이 트 산출은 한반도 서해안을 따라 존재하는 모나자 이트 사광상과 매우 밀접한 연관을 가지는 것으로 판단된다. 모나자이트의 궁극적인 공급원은 호남지 역에 분포하는 복운모화강암과 화강편마암인 것으 로 보고되어 있다. 화강암 또는 편마암내의 조암광 물 중 모나자이트의 존재 또는 성분 등(Park and Lee, 1968).

황해남동니질대 내 중광물 분포 특성을 통하여 조립질 퇴적물들이 가까운 한반도의 서해안으로부 터 공급된 것임을 알 수 있다. 제주남서니질대 조 립질 퇴적물의 공급지는 이 자료만으로는 판단할 수 없지만 최소한 황해남동니질대와 다른 것은 알 수 있다.

중광물 지수

중광물 연구에서는 기계적⋅화학적 풍화에 대한 안정도가 다른 저어콘, 석류석, 금홍석, 인회석 및 모나자이트 등을 이용하여 다양한 중광물 지수 (heavy mineral index)가 퇴적물의 특성을 해석하 는데 이용되고 있다(Morton and Hallsworth, 1994; Hallsworth et al., 2000; Hallsworth and Chisholm, 2008). 이번 연구에서는 석류석, 저어콘, 금홍석 등 세 광물은 연구 지역 거의 모두에서 다 산출되기 때문에, 이들을 포함하는 석류석-저어콘 지수(GZi; the garnet-zircon index)와 금홍석-저어콘 지수 (RuZi; the rutile-zircon index)를 이용하여 황해남 동니질대와 제주남서니질대 두 지역 중광물 특성 을 비교하였다.Fig. 5Fig. 6

석류석-저어콘 지수와 금홍석-저어콘 지수는 서 로 양의 상관관계를 잘 나타내는데 황해남동니질 대보다 제주남서니질대에서 상관관계가 더 양호하 게 보인다. 황해남동니질대의 경우 석류석-저어콘 지수와 금홍석-저어콘 지수가 매우 넓게 분포하는 데 반하여, 제주남서니질대에서는 두 지수 모두가 제한된 지역 내에 한정되는 특성을 나타낸다. 석류 석-저어콘 지수와 금홍석-저어콘 지수는 황해남동 니질대는 낮은 석류석-저어콘 지수와 금홍석-저어 콘 지수를, 제주남서니질대는 높은 석류석-저어콘 지수와 금홍석-저어콘 지수를 가진다. 이러한 중광 물 지수에서도 두 지역은 매우 다른 특성을 가지는 것으로 보아 퇴적물 기원지가 다를 가능성이 매우 높다는 것을 지시한다.

중광물의 광물화학

전자현미분석을 이용한 광물화학(mineral chemistry) 연구는 실체현미경 관찰을 통한 중광물 감정을 증 빙할 수 있을 뿐만 아니라 광물군(mineral group) 내 광물종(mineral species)의 결정과 광물군 내 화 학조성의 변화를 고찰할 수 있게 해 준다(Morton, 1994, 1999). 광물군이나 광물종과 같은 한 광물상 (mineral phases) 내 화학조성의 다양성은 서로 다 른 근원암을 구별할 수 있게 해 주고, 근원암의 암석 학적 특성에 관한 정보를 제공해 준다(von Eynatten et al., 1999). 그러므로 중광물에 대한 광물화학 연구는 근원암이나 근원지의 특성에 관한 중요한 정보를 알아낼 수 있으므로 많은 학자들에 의해 연 구가 수행되어 왔다. 중광물 중 각섬석과 석류석은 가장 흔히 존재하는 중광물 중 하나이고, 풍화나 매몰 속성과정에서 상대적으로 안정하고, 다양한 화학조성을 가지고 있기 때문에 이들에 대한 광물 화학적인 연구가 많이 수행되고 있다(Mange and Morton, 2007; Decou et al., 2011).

각섬석은 연구지역에서 가장 많이 존재하는 중광 물이다. 각섬석의 일반화학식은 W_0-1X₂Y₅Z₈O₂₂(OH)₂ 로 나타낼 수 있는데, W는 10-12 배위수를 가지는 A자리에 해당되며 Na와 K가 들어가고, X는 6-8배 위수를 가지는 M4 자리로써, Ca²⁺, Na⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Li⁺ 등이 들어갈 수 있다(Klein and Dutrow, 2007). Y는 M1, M2 및 M3 팔면체 자리 에 해당되며, Mn²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Ti⁴⁺)을 등이 들어가며, Z는 사면체 자리로써, Si와 Al이 주로 들어간다. 각섬석군 광물은 A, M4, M3, M2 및 M1 자리에 들어가는 양이온의 종류에 따라 매 우 다양하게 분류된. 이번 연구지역에서 산출되는 각섬석은 거의 대부분 A site에는 주로 Na와 약간 의 K가, M4 자리에는 Ca이 대부분을 차지하는 칼 슘 각섬석(calcic amphibole)에 해당된다. 칼슘 각섬 석군은 (Na + K)의 함량과 사면체 자리에 포함된 Si 함량에 따라 다시 파가사이트(pargasite), 에데나 이트(edenite), 처마카이트(tschermakite), 보통각섬 석(hornblende) 및 투각섬석(tremolite) 등 5가지 광 물로 세분할 수 있다(Hawthorne, 1981; Hawthorne et al., 2012).

황해남동니질대에서 산출된 각섬석은 대부분 보 통각섬석에 해당되며, 일부 파가사이트와 투각섬석 에 해당되는 것도 존재한다. 이에 반하여 제주남서 니질대에서 산출된 각섬석은 파가사이트, 처마카이 트, 보통각섬석, 투각섬석 등 다양한 조성을 가진 다. 각섬석의 광물화학적 특성에서도 황해남동니질 대와 제주남서니질대 두 지역은 뚜렷하게 구별되 는 것으로 보아 이 역시 퇴적물 기원이 서로 다를 가능성을 시사하고 있다.

석류석은 황해남동니질대와 제주남서니질대 두 지역 모두에서 비숫한 함량을 가지고 있다. 석류석 의 일반화학식은 A₃B₂(SiO₄)₃로 나타낼 수 있는데, A자리는 8배위수를 가지는 자리로써 상대적으로 크기가 큰 2가의 양이온(Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺) 이, B자리는 6배위수에 해당하며 상대적으로 크기 가 작은 3가 양이온(Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺)이 점유한다. 석류석군 광물은 A와 B자리에 어떠한 양이온이 들어가느냐에 따라 세분된다(Klein and Dutrow, 2007). 연구 지역의 석류석은 B자리에는 Al³⁺이, A 자리에는 Fe²⁺, Mg²⁺ Mn²⁺이 포함된 파이랄스파이 트(pyralspite)군 석류석이며, 이 중 A자리에 Fe²⁺ 의 함량이 많은 알만딘(almandine)-스페사르틴 (spessartine)으로 판단된다. 황해남동니질대보다 제 주남서니질대에 Mn과 Ca의 함량이 더 많았다.

석류석의 광물화학적인 특성을 (알만딘 + 스페 샤틴) - 파이로프(pyrope) - 그로슐라(grossular) 삼 각다이아그램을 이용하여 해석하여 보았다(Mange and Morton, 2007). 황해남동니질대 지역의 석류 석은 거의 모두 Type A와 Type Bi에 해당되지만, 제주남서니질대 지역 석류석은 Type Bi과 Type Bii에 해당한다(Fig. 7). 이 삼각다이아그램을 이용 하여 많은 학자들이 석류석 기원지를 연구하였다 (Morton et al., 2004, 2005, 2011; Whitham et al., 2004; Mange and Morton, 2007; Meinhold et al., 2010). 높은 Mg와 낮은 Ca 함량을 가지는 Type A 석류석은 주로 고변성 퇴적기원의 변성암(백립 암상)이나 카노카이트(charnockite)에서 주로 기원 하고 일부 중성-산성 화성암에서도 유래하기도 한 다. 이에 반하여 낮은 Mg와 다양한 Ca 함량을 가 지는 Type B 석류석은 각섬암상 변성퇴적암에서 주로 형성되지만, 중성-산성 화성암에서도 일부 Type Bi 석류석이 기원하기도 한다.

황해남동니질대 퇴적물 내 중광물은 주로 각섬 석과 녹염석으로 구성되며, 저어콘과 스핀 등이 포 함되어 있었다. 거의 비슷한 지역에 대한 기존 연 구에 의하면 중광물 종류는 비슷하지만 본 연구에 비하여 녹염석 함량(17.3%)은 더 낮고, 각섬석 함 량(53.7%)은 더 높게 나타난다(Lee et al., 1988). 충청남도 해빈과 해안사구에 대하여 조사한 결과 도 중광물 경향은 본 연구와 유사한 결과를 보이고 있다(Lee et al., 1997; Kang, 2003). 또한 모나자 이트가 한반도 서해안을 따라 유입되는 하천이나 해안의 모래 속에 포함되어 있다(Park and Lee, 1968). 이를 바탕으로, 황해남동니질대의 조립질 퇴적물은 인접한 한국연안에서 황해 쪽으로 유입 되는 하천으로부터 유래한 것으로 해석될 수 있다 (Lee et al., 1988; Lee and Chough, 1989). 해양 퇴적물의 근원지를 정확하게 연구하기 위해서는 퇴적물 유입 경로와 주변 하천 퇴적물에 대한 중광 물 연구가 필수적이므로, 추후 하천 퇴적물에 대한 중광물 연구가 수행될 경우 더욱 정확한 퇴적물 근 원지와 이동 경로에 대한 해석을 할 수 있을 것으 로 판단된다.

결 론

황해남동니질대와 제주남서니질대 표층 퇴적물 내에 포함된 중광물 특성을 비교하여 연구한 결과 는 다음과 같다.