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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.31 No.4 pp.287-293
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2018.31.4.287

Amorphous Silica in Soil Silt

Gi Young Jeong*
Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong 36729, Republic of Korea
Corresponding author: +82-54-820-5619, E-mail: jearth@anu.ac.kr
November 23, 2018 December 10, 2018 December 18, 2018

Abstract


Amorphous silica (SiO2) silt grains were found in some soils of Korean Peninsula. Scanning electron microscopy of polished section of soils revealed ellipsoidal amorphous SiO2 grains with numerous submicron pores concentrated in the interior. Their amorphous structure was confirmed by lattice imaging and electron diffraction under transmission electron microscope. Amorphous SiO2 grains were not found in the eolian sediment of the Chinese loess plateau. Although the origin of the amorphous SiO2 grain is uncertain, they are likely either phytolith or weathering product of volcanic ash. The amorphous SiO2 silt grains are not useful as a tracer of long-range transport mineral dust in soils.



토양 실트의 비정질 실리카

정 기영*
안동대학교 지구환경과학과

초록


한반도 일부 토양에서 비정질 실리카(SiO2) 실트 입자들이 발견되었다. 토양 연마박편의 주사전 자현미경에서 관찰된 비정질 SiO2 입자는 타원형이며, 1마이크론 이하의 극미세 공극들이 입자 내부 에 집중 분포한다. 입자의 비정질성은 투과전자현미경 격자상 관찰과 전자회절로 확인하였다. 이 이질 적인 실트 입자들의 풍성기원 가능성을 확인하기 위하여 중국 황토고원의 풍성퇴적물인 뢰스(loess) 내 SiO2 실트입자들을 조사하였으나 유사 입자를 확인하지 못하였다. 아직 기원이 명확하진 않지만, 식물규소체나 화산재 풍화물일 가능성이 있다. 토양환경에서 비정질 SiO2 실트 입자의 장거리 이동 광물먼지(황사) 추적자로서 가능성은 낮다.



    Andong National University

    서 론

    한반도는 아시아 내륙 건조지에서 발생한 광물 먼지(황사)의 장거리 이동 경로에 있다(Chun et al., 2001;Jeong, 2008;Uno et al., 2009;Jeong et al., 2014;Park and Jeong 2016;Jeong, 2018). 광물먼지 기원지인 중국 고비사막 주변에는 수백 m 두께의 광물먼지 퇴적층인 뢰스(loess)가 분포한 다(Liu, 1988;Kukla and An, 1989;Jeong et al., 2008, 2011). 따라서 광물먼지 이동경로인 한반도 에도 상당한 양의 광물먼지가 퇴적되었을 것으로 생각된다. 최근 한반도의 하안단구나 해안단구 지 역을 중심으로 풍성퇴적물로 해석되는 실트층들이 발견되어 보고되었다(Shin et al., 2005;Yu et al., 2008;Kim et al., 2011;Yoon et al., 2011;Jeong et al., 2013;Kwak and Jeong, 2017). 단구지역 퇴적층이 아닌 일반토양에도 황사로 불리는 광물 먼지 입자들이 퇴적되어 혼합되어 있을 가능성이 높지만, 이에 대한 연구는 거의 없다.

    이전 연구에 의하면 건조지 기원의 광물먼지에서 한반도 토양과 구분되는 광물은 방해석, 백운석, 석 고 등의 용해도가 높거나 산에 약한 광물들이다. 이러한 광물들은 한반도의 습한 산성 토양에서 분 해되어 없어지며, 나머지 석영, 장석류, 운모류, 점 토광물 등은 한반도 암석의 조암광물들이나 그 풍 화물과 구분하기 쉽지 않다. 따라서 한반도 토양 내 광물먼지의 퇴적과 혼합을 지시할 수 있는 풍성 실트 입자 고유의 미시적 특징이나 풍성 기원의 이 질적 입자들을 찾을 필요가 있다. 한반도 토양 내 실트 입자의 미시적 분석과정에서 비정질 SiO2 실 트입자가 일부 토양에서 발견되어 장거리이동 광물 먼지의 추적자로서의 가능성이 주목되었다. 본 연 구에서는 비정질 SiO2 실트 입자의 미세조직과 형 태에 대하여 보고하고, 그 기원에 대하여 토의한다.

    시료 및 실험

    지질별로 국내 20개 지역의 토양을 조사하였으 나, 비정질 SiO2 실트 입자는 팔공산 화강암 지역 토양(N36°00’59.71”, E128°41’42.25”)(Fig. 1a)과 제주도의 현무암류 사이 고토양층(N33°18’03.92”, E126°18’46.32”)(Fig. 1b)에서 박편의 전자현미경 분석으로 확인되었다. 시료는 팔공산 비로봉 정상 에 노출된 화강암 풍화단면 상부의 암회색 토양 (Fig. 1c)과 제주시 안덕면 서광리의 쇄석 채굴장 에 노출된 적갈색 고토양(Fig. 1d)이다.

    토양 시료를 그늘에서 건조한 후, 63 μm 일회용 나일론(nylon) 체로 습식 체질하여 X-선회절(X-ray diffraction, XRD)분석과 화학분석을 위한 실트 시 료를 분리하였다. XRD용 분말시료는 실트 시료를 다시 10 μm 이하 입도로 파쇄하여 준비하였다. XRD 분석은 Rigaku Ultima IV X선회절기로 실 시하였으며, 정량분석은 Siroquant 2.0 (2012, Sietronics Ltd.)을 이용하였다. 주원소조성은 캐나 다 Activation Laboratories에서 유도결합플라즈마 방출분석법으로 분석하였다. 건조한 토양 원 시료 에 에폭시(epoxy)를 주입하여 경화시킨 후, 연마편 을 제작하였다. 연마편은 탄소 코팅 후, TESCAN LYRA SEM 및 OXFORD X-MAX EDS (energy dispersive X-ray spectrometer) 장비를 이용하여 후방산란전자(BSE, back-scattered electron)상으로 토양 실트 입자들의 크기, 형태, 화학조성을 분석 하였다. 광물학적 특성 비교를 위해서 Jeong et al. (2008, 2011)에서 조사한 연마박편도 함께 분석하 였다. 투과전자현미경(TEM)으로 SiO2 입자의 미 세조직과 결정성을 조사하기 위하여, 집속이온빔 (focused ion beam)으로 100 nm 이하 두께의 TEM 관찰용 박편을 제작하였다. TEM 분석은 OXFORD X-MAX EDS 분석기가 부착된 JEOL JEM ARM200F 및 JEOL JEM 2010 기기를 이용 하여 분석하였다. SiO2 입자의 결정성은 고배율 격 자상 관찰과 전자회절로 확인하였다.

    결 과

    팔공산 화강암은 대략 석영, 사장석, K-장석이 각각 30 % 정도씩 함유되어 있고, 흑운모 5 %, 각 섬석 3 %가 함유되어 있다(Jeong and Lee, 1998). 그러나 팔공산 토양 실트에는 사장석 함량이 석영 이나 K-장석보다 많다(Table 1). 이는 석영과 K-장 석이 상대적으로 풍화에 강하여 굵은 모래 입자로 토양에 잔류하는 반면, 사장석은 고령토 광물로 풍 화되면서 입자 크기가 작아져 실트 입자로 잔류하 기 때문으로 해석된다. 팔공산 토양 실트에는 팽윤 성 점토광물(31 %)과 고령토 광물(19 %)이 다량 으로 함유되어 있다(Table 1). 팔공산 화강암의 풍 화작용은 이전 연구에서 상세한 광물학적 분석이 이루어진 바 있다. 팽윤성 점토광물은 주로 모암인 화강암 흑운모와 풍성기원의 일라이트류 광물의 풍화물인 질석, 질석-흑운모 혼합층, 일라이트-질석 /스멕타이트 혼합층, 스멕타이트 등이다(Jeong, 1998;Jeong and Lee, 1998;Jeong et al., 2006). 고령토 광물은 사장석의 풍화물인 할로이사이트가 대부분 이며(Jeong and Lee, 1998), 부분적으로 흑운모와 일라이트의 최종 풍화산물인 캐올리나이트가 생성 되었다(Jeong, 2000).

    제주도에는 현무암류 사이에 적갈색 고토양 층 들이 흔히 퇴적되어 있다(Lee et al., 2014a, b). 고 토양은 고온의 현무암류로 덮이고 구워져, 붉은 색 으로 변하였다(Fig. 1d). 고토양에는 현무암에 없는 다량의 석영 실트가 함유되어 있어(Table 1), 풍성 퇴적물로 해석된다. 그럼에도 고령토 광물이 없고, 일라이트류 점토광물 함량도 작은데(Table 1), 이 는 고온의 현무암 용암의 열을 받아 점토광물 구조 가 파괴되었기 때문으로 생각된다. Table 2의 화학 분석자료에서 제주도 고토양의 작열감량(LOI)이 1.9 %로 팔공산 토양 실트에 비하여 매우 작은데, 이는 고토양의 함수점토광물들이 탈수되어 구조가 파괴되었음을 지시한다. 고토양에는 감람석, 휘석 등 이 함유되어 있어서, 현무암 성분도 혼합되어 있다. 구조가 파괴되어 비정질화한 점토광물들이 XRD에 검출되지 않았지만, 화학분석(Table 2)의 높은 K2O와 Al2O3 함량에 반영되어 있다.

    연마편의 SEM 관찰에 의하면, 팔공산 토양은 모래 입자 외, 실트 입자와 그 사이를 충전하는 점 토로 구성되어 있다(Fig. 2a). 비정질 SiO2 실트 입 자는 드물게 관찰되며 장경 20 μm, 단경 13 μm 정도의 타원형 입자이다(Fig. 2b). 입자 내부에 1 μm 이하 크기의 미세 공극들이 분포하나, 가장자 리에는 빈도가 낮다(Fig. 2b). 내부의 공극이 많은 부분을 FIB로 절개하여 TEM으로 관찰하면, 1 μm 이하의 불규칙한 형태의 미세 공극들이 관찰된다 (Fig. 2c). 공극 단면이 가끔 원형이기도 하지만, 3 차원적 형태는 다소 길게 늘어지고 꾸불꾸불하다. 고배율에서 결정격자가 관찰되지 않고(Fig. 2d), 전 자회절(Fig. 2e)에서 희미한 회절환들만 관찰되어 비정질임을 알 수 있다. 비정질 입자의 EDS분석에 의하면 Si, O, 소량의 Al로 구성되어 있다(Fig. 2f).

    제주도 고토양 연마편의 SEM 관찰에 의하면, 가끔 세립 모래 입자도 관찰되지만, 대부분 실트 입자로 구성되어 있다(Fig. 3a). EDS 분석과 함께 개별 실트 입자들을 관찰하면, 다공성 타원형 SiO2 실트 입자들을 발견할 수 있다(Fig. 3b). 그러나 그 양은 매우 적어서 실트입자의 1 % 이하이다. 미세 공극들은 주로 입자 내부에 집중적으로 분포하며, 가장자리에는 거의 없다(Fig. 3b). 입자 가장자리는 반구형으로 오목한 홈들이 관찰된다. 공극이 많은 내부를 FIB로 절개하여 TEM으로 관찰결과, 수십 nm 크기의 기공들이 조밀하게 분포되어 있다(Fig. 3c). 기공들은 서로 연결되어 있지 않으며, 각 기공 은 매끄러운 곡면을 형성하나, 형태는 일정하지 않 다. 고배율에서 결정격자가 관찰되지 않고(Fig. 3d), 전자회절(Fig. 3e) 결과, 회절반점들이 관찰되 지 않아 비정질임을 알 수 있다. EDS 분석결과, Si 와 O, 그리고 소량의 Al로 구성되어 있다(Fig. 3f). 투과전자현미경에서 관찰되는 제주도 고토양 공극 의 형태와 크기는 팔공산 비정질 SiO2 실트 입자 의 공극들과 매우 유사하다. 이들 입자는 비정질 SiO2인 단백석으로 보이지만 전자현미경 EDS 분 석으로는 수분이 어느 정도 함유되어 있는지 확인 할 수 없다.

    비정질 SiO2의 기원

    동일한 형태와 미세구조의 비정질 SiO2 실트 입 자가 지리적으로 떨어진 팔공산과 제주도 토양에 서 산출되고, 이 토양들의 기반암이 각각 화강암과 제4기 현무암들이므로 비정질 SiO2가 기반암에서 유래한 쇄설성 입자일 가능성은 거의 없다. 이러한 입자들이 비회(fly ash)로 토양에 퇴적된 오염물질 일 가능성도 있으나, 형태나 내부구조가 일반적인 비회와 다르며(Jeong et al., 2015), 제주도 고토양 은 산업화 이전 제4기에 퇴적되었으므로 그 가능성 은 없다. 건조지역에서 유래한 풍성입자일 가능성 이 있어서, 이전 연구(Jeong, 2008, Jeong et al., 2008, 2011)의 중국 황토고원의 뢰스(loess)와 기원 지 토양실트 연마편을 SEM으로 다시 조사하였으 나, 유사 입자를 찾지 못하였다. 현재로서는 이러한 입자들이 황사처럼 건조지역에서 장거리 이동한 광 물먼지 퇴적물일 가능성은 낮으며, 토양 산출지 주 변 지역에서 국지적으로 유입되었을 가능성이 있다.

    이 입자들이 제주도 기원 화산 유리 입자일 가 능성도 있으나, 타원 형태와 내부에만 집중 분포하 는 공극들이 화산재 입자와 차이가 있고, Si 외 다 른 원소가 포함되어 있지 않아서 화산재 입자일 가 능성은 거의 없다. 토양환경에서 비정질 SiO2의 가 장 큰 근원은 식물규소체(phytolith)로 알려져 있다 (Kim and Whang, 1992). 벼과 식물을 중심으로 다양한 식물에서 형성되며, 식물 세포벽이나 공동 에 침전되므로, 식물 세포자체의 형태나 세포내부 공동의 형태를 반영한다. 식물종과 침전되는 세포 종류에 따라 덤벨형, 십자형, 말안장형, 원형, 난형, 침형, 과립형 등 매우 다양하고 복잡한 형태의 식물 규소체들이 알려져 있다(Kim and Whang, 1992). 토양환경에서 식물이 분해되면 식물규소체가 유입 되므로, 이 연구에서 발견된 토양내 비정질 SiO2도 식물규소체일 가능성이 있다. 그러나 이 연구의 비 정질 SiO2 실트 입자는 형태가 단순한 타원형이고, 다공성 내부구조를 갖고 있어서 식물규소체의 흔 한 형태와 차이가 있다.

    비정질 SiO2 입자는 또한 유기물이 풍부한 화산 재 토양의 A층에서 화산유리의 용탈로 생성되는 것으로 알려져 있다(Shoji and Masui, 1971;Henmi and Parfitt, 1980). 화산재 토양에서 관찰된 비정질 SiO2 입자의 단순한 구 또는 타원 형태는 본 연구에서 관찰된 비정질 SiO2의 형태와 유사하 다. 제주도는 주로 용암으로 덮여 있으나, 국지적 수성화산분출로 화산재도 퇴적되었으므로(Sohn et al., 2008), 비정질 SiO2 입자가 화산재 풍화로 생 성되었을 가능성도 있다. 그럼에도 동일한 입자가 팔공산 토양에서도 발견되므로 비정질 SiO2의 기 원을 완전히 설명하지는 못한다. 무엇보다도 화산 재 토양 내 풍화기원 비정질 SiO2에 대한 연구들 이 오래 전에 이루어져, 입자 내부구조나 조성에 대한 분석이 없어서 본 연구의 분석 자료와 직접 비교가 어렵다.

    결 론

    토양 실트 내 비정질 SiO2는 석영과 혼동되기 쉬우나, 타원형 형태와 내부의 미세공극들로 구분 된다. 이러한 비정질 SiO2 실트 입자의 광물먼지 지시자로서의 가능성을 검토하기 위하여, 기원지 토양실트나 황토고원의 뢰스를 조사하였으나 찾지 못하였으며, 아직 보고되지도 않았다. 비정질 SiO2 실트 입자는 장거리 이동 광물먼지가 아닌 국지적 광물먼지 또는 토양기원 입자로 추정된다. 여러 가 능성을 검토한 결과, 비정질 SiO2 실트 입자는 식 물규소체 또는 화산재 풍화기원일 가능성이 높다. 따라서 비정질 SiO2 실트 입자를 장거리 이동 광 물먼지 퇴적의 지시자로 사용하기 어렵다.

    사 사

    이 논문은 안동대학교 기본연구지원사업에 의하여 연 구되었다. 원고를 심사하시고 개선사항을 지적하여 주신 익명의 심사위원님들께 감사드립니다.

    Figure

    JMSK-31-287_F1.gif

    Occurrence of soils. (a) Palgongsan site (yellow circle). (b) Jejudo site (yellow circle). (c) Sample position of soil sample in the weathering profile of Palgongsan granite (yellow box). (d) Sample position of soil sample in the paleosol between basalt lavas at Jejudo site (yellow box).

    JMSK-31-287_F2.gif

    Electron microscopy of silica (SiO2) grain in Palgongsan soil. (a) Scanning electron microscope back-scattered electron image of soil. (b) Ellipsoidal SiO2 grain magnified from the box in a. Note mircopores in the interior of the grain. (c) Transmission electron micrograph of the interior of the SiO2 grain showing submicron pores. (d) High resolution transmission electron micrograph magnified from c, showing no lattice image. (e) Electron diffraction of the SiO2 grain showing no diffraction spots. (f) Energy dispersive X-ray spectrum showing strong peaks of Si and O with weak Al peak.

    JMSK-31-287_F3.gif

    Electron microscopy of silica (SiO2) grain in Jejudo paleosol. (a) Scanning electron micrograph back-scattered electron image of soil. (b) Ellipsoidal SiO2 grain magnified from the box in a. Note mircopores concentrated within the grain. (c) Transmission electron micrograph of the interior of the SiO2 grain showing irregular submicron pores. (d) High resolution transmission electron micrograph magnified from c, showing no lattice images. (e) Electron diffraction of the SiO2 grain showing no diffraction spots. (f) Energy dispersive X-ray spectrum showing strong peaks of Si and O with weak Al peak.

    Table

    Mineral compositions of soil silts

    Chemical compositions of soil silts

    Reference

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