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      • 비정질 홍석류석과 비정질 모델 현무암의 저온 압축에 의한 원자 구조 변화 연구: 섭입하는 해양지각으로의 적용

        이주호(Juho Lhee),이성근(Sung Keun Lee) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10

        수렴형 경계에서 나타나는 섭입(subduction) 과정은 대표적인 저온·고압의 지질학적 과정으로 알려져 있다. 섭입하는 해양지각은 비교적 밀도가 높은 현무암질로 구성되어있으며, 섭입 깊이에 따라 온도·압력 환경의 변화로 인해 구성 물질의 상전이가 발생하게 된다. 이러한 상전이의 발생을 이해하는 것은 섭입대 환경에서 나타나는 암상의 변화나 맨틀의 환경 변화 등 다양한 지질학적 현상을 이해하기 위해 필수적이다. 섭입대의 맨틀 환경의 지시자로 많은 결정질 광물들의 상전이(phase transition)가 이용되고 있으며 이에 대한 연구는 많이 이루어져 왔지만, 이러한 환경에서의 비정질 물질에 나타나는 변화에 대한 연구는 해양지각에 적지 않게 존재한다는 사실과 그 중요성에도 불구하고 상대적으로 거의 진행되지 않아 왔다. 한편, 비정질 물질은 상온에서 고압에 노출되었을 때 겪는 영구적인 고밀도화(permanent densification) 현상을 겪는다. 이러한 현상을 재현하는 저온 압축 실험은 실제 섭입하는 판에서는 압력 변화뿐만 아니라 온도 변화를 어느 정도 수반하는 과정임에도 불구하고 섭입대 환경의 모델 실험으로 바라볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 홍석류석(pyrope, Mg₃Al₂Si₃O12)과 투휘석(diopside, MgCaSi₂O6, Di)-회장석(anorthite, CaAl₂Si₂O8, An) 공융점 조성(Di-An eutectic composition, Di64An36), 투휘석-회장석-고토감람석(forsterite, Mg₂SiO₄, Fo) 공융점 조성(Di-An-Fo eutectic composition, Di49An43.5Fo7.5)의 세 성분의 비정질 물질을 이용하여 상온에서 저온 압축 실험을 수행하고, 그 구조 변화를 규명하고자 했다. 저온 압축 실험은 대기압 조건에서 합성된 세 가지의 비정질 물질을 1100톤 멀티 앤빌 프레스(1100 ton Multi-anvil press)를 이용하여 상온에서 5.4 GPa부터 최대 18.4 GPa의 다양한 압력에 일정 시간 동안 노출시켰다가 대기압으로 감압하는 방법으로 수행되었다. 이후 압축된 비정질 물질들에 대하여 고상핵자기공명분광분석(solid-state nuclear magnetic resonance, NMR)을 이용하여 Al 중심의 배위 환경변화를 통해 구조 변화를 알아보았으며, 특히 Al-27 2D 3QMAS NMR 실험 방법을 이용하여 Al의 배위 환경을 정량적으로 분석할 수 있었다. Al-27 MAS와 2D 3QMAS NMR 스펙트럼을 분석한 결과, 비정질 물질이 노출되는 압력이 높아질수록 <SUP>[4]</SUP>Al의 비율은 감소하고, <SUP>[5,6]</SUP>Al의 비율이 증가하는 것으로 나타났다. 대기압에서 비정질 파이로프는 약 92.6%가 [4]Al이고 나머지 7.4%가 <SUP>[5]</SUP>Al로 이루어져 있으며, 투휘석-회장석 공융점 조성의 경우 95.8%의 <SUP>[4]</SUP>Al과 4.2%의 <SUP>[5,6]</SUP>Al을 갖는 것으로 나타났다. 비정질 파이로프의 경우 5.4 GPa, 8.1 GPa, 12.2 GPa로 압력이 증가함에 따라서 <SUP>[5,6]</SUP>Al의 비율이 11.6%, 23.6%, 37.8%로 크게 증가하였으며, 투휘석-회장석 공융점 조성의 경우 <SUP>[5,6]</SUP>Al의 비율이 10.9%, 13.2%, 29.6%로 증가하는 것으로 나타났다. 실험 결과를 통해, 파이로프와 투휘석-회장석 공융점 조성의 비정질 물질에서 압력에 따른 Al의 배위 환경 변화는 임계 압력(threshold pressure)이 존재하여 임계 압력 근처에서 급격하게 변화한다는 점과, 투휘석-회장석 공융점 조성의 경우 파이로프와 비교하여 같은 압력에서 압력이 높아질수록 나타나는 <SUP>[5,6]</SUP>Al의 증가가 더 적다는 점을 알 수 있었다. 본 실험 결과는 해양지각에 존재하는 비정질 물질에서 압력이 높아질수록 원자 구조의 네트워크가 복잡하게 연결되는 방향으로 변화가 나타날 수 있다는 점과 그 변화가 성분에 따라 다른 양상을 보인다는 점을 지시한다. 이에 기반하면 해양지각의 섭입 깊이에 따른 해양지각 내 비정질 물질의 원자 구조의 변화와 그로 인해 나타나는 특성의 변화를 유추할 수 있으며, 반대로 섭입된 해양지각에서 기원한 비정질 물질의 원자 구조에서 해당 해양지각이 겪은 압력 변화를 유추할 수 있을 것으로 기대된다.

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