납 및 아연 함량에 따른 비정질 규산염의 원자구조 변화 연구: 원소 분배 특성에 대한 적용

국문 초록 (Abstract)

지구물질 내에서 납(Pb)과 아연(Zn)의 함량은 마그마의 진화 과정 및 지구 형성 초기 과정 연구에 중요하게 사용된다. 두 원소는 지구 내부 및 지각에서 다양한 화성 과정에 수반하는 규산염 광물과 용융체 내에 차별적으로 분배된다. 원소 분배 계수 변화는 규산염 용융체 구조와 밀접한 관련이 있을 것으로 알려져 있다. 따라서 납 및 아연이 포함된 규산염 용융체의 자세한 원자 구조를 밝히고, 변화하는 구조와 규산염 광물 및 용융체 간의 원소 분배 계수와의 관계를 규명하는 것이 필수적이다. 분광학적 실험 방법론 중 고상 핵자기공명(solid-state nuclear magnetic resonance, NMR) 분광분석은 특정 원소 주변 원자 환경을 정량적으로 제공하기 때문에 비정질 시료의 원자 단위 구조 연구에 널리 이용된다. 본 연구에서는 고상 NMR 분광분석을 수행하여 비정질 Pb-Na 규산염 및 Zn-Na 규산염의 조성에 따라 변화하는 자세한 원자 구조를 확인하였다. 자연계 마그마 용융체의 모델 시스템으로 납이 포함된 [(PbO)x(Na₂O)1-x]·ySiO₂ (y=0.5, 1) 시료와 아연이 포함된 [(ZnO)x(Na₂O)1-x]·zSiO₂ (z=1, 3) 시료로 다양한 조성의 비정질을 합성하였으며 조성에 따른 규소 및 산소 주변 원자 환경의 변화를 확인할 수 있는 고상 <SUP>29</SUP>Si와 <SUP>17</SUP>O NMR 분광분석을 수행하였다. <SUP>17</SUP>O NMR 분광분석 결과를 통해 납 및 아연이 포함된 비정질 Na-규산염의 다양한 산소 주변의 원자 환경을 규명하였다. 이를 통해 비정질 규산염의 연결도와 무질서도의 변화를 확인하고 양이온 대 규소의 비율 차이와 조성을 기준으로 각 미량원소의 구조적 역할 및 양이온 간의 혼합(intermixing)특성을 설명하였다. <SUP>29</SUP>Si MAS NMR 결과는 납과 아연이 소듐을 치환함에 따라 피크의 폭이 넓어지고 피크 최대값의 위치가 음의 방향으로 이동하는 것으로 나타났다. 규소와 결합된 연결 산소의 양인 Q<SUP>n</SUP> 환경 변화를 정량적으로 분리하기 위하여 29Si NMR 스펙트럼에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 규소 주변 원자 환경 변화에 기인한 화학적 차폐의 이동이 시사된다. 특히 Pb-Na metasilicate ([(PbO)x(Na₂O)1-x]·SiO₂) 비정질에서는 소듐 대신 납이 포함되면서 Q²가 감소하고 Q¹ 및 Q³가 증가하면서 Q<SUP>n</SUP> 환경의 불균화가 증가하였다. 본 결과로부터 비정질 규산염 조성의 평균 양이온 세기(average cation field strengths)에 따른 불균화 상수(disproportionation factor) 및 피크 반치폭 증가를 정량화하였다. 평균 양이온 세기는 납이 포함된 비정질 Na-규산염에서 배열무질서도 및 위상 무질서도의 변화를 예측하기에 좋은 변수로 작용할 수 있다. 이러한 무질서도의 증가와 비정질의 구조 변화는 더 유연한 네트워크를 의미하여 납 및 아연을 비롯한 이온 반경이 큰 양이온을 가질 수 있는 능력이 증가함을 추론할 수 있다. 본 연구는 자연계 마그마 내에서 광물과 용융체 간의 미량 원소 분배 특성을 이해할 실마리를 제공할 기초 연구로 활용될 것이다.