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고압 환경에서 붕소를 함유한 함수 유문암질 용융체의 물에 의한 원자 구조 변화: 지구 내부 붕소 동위 원소 조성에 관한 고찰
이아침(A Chim Lee),이성근(Sung Keun Lee) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
붕소는 친수성이 큰 원소로 규산염 마그마 내에 붕소의 함량이 많을수록 해당 마그마에 대한 물의 용해도가 증가한다. 물과 붕소는 암석-용융체간의 반응을 포함한 지질학적 과정 중에 용융체에 집적되고, 규산염 용융체의 점성도를 감소시키는 등, 물성에 큰 영향을 미친다. 해양판이 지구 내부 맨틀로 섭입하고, 지하 깊은 곳에서 붕소를 함유한 함수 광물의 붕괴는 붕소를 함유한 유체를 맨틀에 공급한다. 이때 유체에 의해 생성되는 용융체는 해당 깊이(압력)에서의 붕소 동위 원소 조성을 지닌다. 붕소의 동위 원소 조성 및 농도는 지하 맨틀에서의 물의 순환에 대한 간접적 지시자로 이용된다. 규산염 용융체의 원자 구조는 붕소의 동위 원소 조성을 포함한 거시적 성질에 영향을 미치므로 이에 대한 정보는 붕소를 지구화학적 추적자로 이용하는데 필수적이다. 상부 맨틀에 해당하는 압력에서의 붕소와 물을 함유한 규산염 용융체의 원자 구조 변화는 규명되지 않았다. 본 연구에서는 멀티 엔빌 프레스를 이용하여 상부 맨틀 압력에 해당하는 6 및 8 GPa 환경에서 물과 붕소를 함유한 모델 유문암질(NaAl0.5B0.5Si₃O8) 글래스를 합성하였다. 약 9.3 wt% (6 GPa), 7.4 wt% (8 GPa)의 물이 합성에 이용되었다. 고해상도 고상 핵자기 공명 분광분석(high-resolution solid-state nuclear magnetic resonance, 이하 NMR)을 이용하여 고압 환경에서 합성된 글래스의 B와 Al의 원자 환경을 조사하여, 물이 붕소를 함유한 용융체의 원자 구조에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. <SUP>11</SUP>B NMR 결과, 6 및 8 GPa 환경 모두 물이 첨가됨에 따라 <SUP>[4]</SUP>B 분율과 <SUP>[4]</SUP>B 피크 넓이가 증가하였다. H₂O가 글래스 네트워크에 첨가될 때, <SUP>[3]</SUP>B와 OH<SUP>-</SUP>가 결합을 이루어, <SUP>[4]</SUP>B-O···H를 생성하는 것을 의미한다. <SUP>[4]</SUP>B 피크 폭의 증가는, <SUP>[4]</SUP>B의 두번째로 이웃하는 원자의 종류가 B 또는 Si[<SUP>[4]</SUP>B-O-B(Si)]에서 H(<SUP>[4]</SUP>B-O···H)도 추가로 늘어나면서 생성되는 무질서도의 증가에 기인한다. <SUP>27</SUP>Al NMR 결과, 물이 첨가됨에 따라 고배위수 알루미늄([5,6]Al)의 생성이 억제되었고, [4]Al 피크 폭이 감소하였다. 붕소의 원자 환경 변화와는 반대의 양상을 보여준다. <SUP>[5,6]</SUP>Al 생성 억제는, H₂O가 Si-O-<SUP>[5,6]</SUP>Al 결합을 끊고, Si-O···H를 생성함과 동시에 Al의 배위수가 감소하기 때문이다. <SUP>[4]</SUP>Al 피크 폭의 감소는 알루미늄 사면체 주위의 대칭성 증가에 따른 것이다. 본 연구 결과를 바탕으로 고압 환경에서 붕소를 함유한 유문암질 용융체의 물의 용해 기작에 대한 반응식을 제안한다[Si-O-<SUP>[5,6]</SUP>Al + Si(B)-O-<SUP>[3]</SUP>B + H₂O → Si-O···H + <SUP>[4]</SUP>Al + Si(B)-O-<SUP>[4]</SUP>B-O···H]. 용해 기작에 대한 이해도를 높이기 위해 산소 원자 환경에 대한 정보가 추후 필요하다. 본 연구에서 고압 환경에서 물에 의해 유문암질 용융체 내의 <SUP>[4]</SUP>B가 증가하는 것을 관찰하였다. 맨틀 웨지(wedge)에서 암석이 유체 공급에 의해 용융되었을 때, 용융체가 가벼운 <SUP>10</SUP>B를 선호하여 가벼운 동위 원소 조성을 지닐 수 있음을 의미한다.