희토류원소는 원자번호 57의 La으로부터 원자번호 71의 Lu까지의 원소군으로서, 지난 40여년간 지구화학 및 우주화학의 연구분야에서 상당한 관심을 받아왔다 (Masuda et al., 1973; Taylor and McLennan, 1985: Johannesson et at., 1997). 최근에는 지하수, 호소와 같은 육상수에서의 희토류원소의 농도가 그들의 지구화학적 진화에 영향을 주는 과정의 잠재적인 지시자로서 주목을 받고 있다 (Sholkovitz, 1992; Johannson et at., 1997). (중략)
동위원소희석법은 스파이크(농축 동위원소)를 사용하여, 질량분석기에서 얻어지는 각 원소들의 동위원소 스펙트럼을 비교함으로써 정량화하는 방법으로서, 현재까지 개발된 정량분석 방법 중 가장 정확한 방법이다. 특히 열이온 질량분석기(Thermal Ion Mass Spectrometer)를 이용한 동위원소희석법은 현재까지 알려진 분석방법 중 가장 신뢰도가 높은 결과(1% 이내의 정도까지 가능함)를 얻을 수가 있다. 동위원소회석법에 의해 정량분석을 하고자 할 때, 가장 중요한 요인중의 하나로서 스파이크(농축 동위원소)의 선택이다. 회토류원소의 복합 스파이크용액을 만들 때의 개개의 회토류원소의 스파이크는 $^{138}$$La^{142}$ , $Ce^{145}$ /Nd, $^{149}$ /, $Sm^{151}$ , $Sm^{151}$Eu, $^{157}$ Gd, $^{163}$ Dy, $^{167}$ Er, $^{171}$ , $Yb^{176}$ Lu를 많이 쓴다. 이 동위원소희석법에 의한 정량분석이 가장 유용하게 쓰여지고 있는 지구화학적 연구분야는 암석이나 광물의 연대를 측정하고자 할 때의 관심원소의 정량 및 자연계시료의 회토류 원소의 미세구조를 들 수가 있다. 특히 희토류원소의 테트라드 효과를 연구하고자 할 때, 이 동위원소희석법은 아주 효과적인 방법이다.
모나자이트광 속에 포함되어 있는 회토류 원소들을 이온교환수지를 이용하여 분리 회수 하는 방법에 관해 연구하였다. 이온교환수지로는 양이온교환수지와 음이온교환수지를 사용하고, 용리액으로는 EDTA, DTPA, IMDA, Ln-EDTA 용액을 사용하였으며, 양이온교환수지는 retaining 이온 곧 $H^+, Zn^{2+}, Fe^{3+}, Al^{3+}, Cu^{2+}, NH^+_4$으로 치환된 수지를 사용하였다. 음이온교환수지는 EDTA로 치환된 수지에 Ln-EDTA착물을 흡착시켜 분리하였다. 여러 가지 회토류 원소 중에서 선택적으로 한 원소만 분리하기 위해 용리액으로 Ln-EDTA를 사용하였으며, 수지통의 크기 변화와 여러 가지 용리형태의 메카니즘, 그리고 다량의 회토류 원소를 분리 회수하는 방법 등에 관해 연구하였다.
지질시료 중의 전 회토류원소들을 유도결합플라즈마 원자방출분광법을 이용하여 동시 및 개별정량하였다. 시료는 산처리 및 알칼리 용융으로 분해하고 TOPO(triocylphosphine oxide)를 이용하여 용매추출한 다음 HCl 용액으로 역추출하여 군분리하였다. 표준암석 AGV-1에 대한 분석결과는 US Geological Survey 및 다른 문헌상의 결과와 비교하여 양호하였다.
하상퇴적물은 기반암의 풍화에 의해 가장 직접적인 영향을 받기에 본 연구에서는 한강 상류인 남한강유역과 북한강 유역의 하상 퇴적물을 대상으로 지화학적 분석자료를 통해 인근육상암석과의 상관관계와 근원암에 관하여 유추하였다. 지화학적 분석을 통해 연구지역 하상퇴적물들의 주성분원소, 미량성분원소, 회토류원소 등의 분석자룔르 비교한 결과 다음과 같은 경향성을 나타내었다. 본 연구지역 주성분 원소들의 분산 경향성은 남한강 하상퇴적물의 경우 산성 화성암의 일반적인 경향은 나타내었고, 북한강 하상퇴적물 역시 산성 화성암의 일반적인 경향을 나타냈다. 두 지역의 주성분 원소 분산 경향성은 서로 유사한 분산경향을 나타냈으며, 미량 성분 원소의 함량치 역시 두 지역에서 거의 유사하게 나타났다. 희토류원소의 REE pattern은 두 지역 모두 Eu에서의 부의 이상이 뚜렷하게 나타내며 산성 화성암 기원의 희토류원소 pattern과 전체적으로 유사한 경향을 나타냈다. 희토류원소의 함량에 있어서는 남한강 하상퇴적물에 비해 북한강 하상퇴적물의 함량이 훨씬 높게 나타났다. 중광물은 남한강 하상퇴적물의 경우 주로 투각섬석-양기석, 적철석, 석류석 군, 녹염석, 금홍석, 스핀 등이 관찰된다. 이는 두 지역의 인근 유역 육상지질이 대체로 변성암류와 화성암류가 주를 이루는 점과 조화적이다. 따라서 본 연구지역인 남한강과 북한강의 하상퇴적물은 대부분 화성암 기원 또는 변성암 기원의 성분으로 구성되며 퇴적암 기원의 성분은 거의 전부 뜬짐 또는 녹음짐으로 제거된 것으로 본다.
Skaergaard 암체는 광범한 in situ 화성분화작용을 격은 층상관입암의 대표적인 예로 널리 알려져 있다. 따라서 이 암체는 폐쇄계에서 미량원소변이를 modeling 할 수 있는 적지가 될 것이다. 그러나, 기존의 연구에 의하면 본 암체의 전암 및 광물의 회토류는 폐쇄계로서의 예상된 경향을 보이지 않는다(Haskin and Haskin, 1968; Paster et al., 1974). 발표된 분배계수, 공존광물들의 mode,그리고 전암 및 광물의 미량원소함량을 사용한 미량원소modeling에 의하면 Skaergaard 암체의 희토류는 분화후기에 일어난 광범한 인회석 결정작용에 크게 영향을 받았음을 보여준다. 미량원소modeling은 Upper Border Series에서 간헐적으로 나타나는 인회석이 기존에 주장되어 온 바와 같은 liquldus상이 아니라 진화하는 magma의 미량원소함량에는 영향을 끼칠 수 없는 interstitial phase임을 시사한다. 분화작용 말기에 Skaerganrd 마그마가 대류를 멈추거나 소규모로 대류를 할 때, 마그마 암장의 상부에 축적되는 휘발성분에 기인한 증가된 $PH_2$O가 인회석이 UBS에서 정출 되는 것을 방해하였을 것이다. 이와 같은 인회석의 특성을 고려해서 Skaergaard분화작용을 modeling하면 희토류는 폐쇄계로서의 예상된 경향을 따른다 이와 같은 결과는 최종 20% 분화작용기간 중에 양적으로 상당한 양의 마그마의 주입이나 분출을 수반하는 그 어떤 Skaergaard 암체의 분화model도 배격한다.
The Wolchul Mt. area is composed of a biotite granite and a pink feldspar granite. These granites are distinctly different in terms of their field occurrence, mineralogy, trace element and REE composition, as well as their isotope ages. The biotite granite has higher ferromagnesian elements and lower lithophile trace element abundances than the pink feldspar granite. The biotite granite has high Sr and Ba while the pink feldspar granite has high Rb. On the Rb-Sr-Ba diagram the biotite granite plots as a granodiorite while the pink feldspar granite belongs to a strongly differentiated granite. The ${\Sigma}$ LREE/ ${\Sigma}$ REE for the biotite granite is 0.95 and for the pink feldspar granite it is 0.88. The ratio shows a steep decrese in LREE while HREE is essentially constant. Based on the Eu/Sm, $[La/Lu]_{cN}$ and low Eu(-), the biotite granite has quartz diorite to granodiorite composition while the pink feldspar granite, with a relatively high Eu(-) anomaly, falls into the monzo- to syenogranite classification. The silica vs. trace element diagrams for the two granites indicate that the biotite granite could have formed near to a continental margin or volcanic island setting environment while the pink feldspar granite formed within a continental plate or as result of plate collision. The biotite granite has a U-Pb zircon age of 175 Ma, i.e. Middle Jurassic. The pink feldspar granite is younger, it has a K-Ar orthoclase age $93.6{\pm}1.5$ Ma which is Late Cretaceous age.
옥천대 내에서 옥천층군을 관입하고 있는 보은 화강섬록암은 그화학적 성질이 과알루미나질이며, 칼크-알칼리 계열을 따르는 화강암류이다.그리고 보은 암체를 형성한 마그마가 생성되고 관입한 환경은 활동성 대륙 주변부일 가능성이 있다. 한편, 옥천대의 보은암체를 동시대의 경기육괴의 인제-홍천암체와 비교하면 보은암체 ?이 인제-홍천암체 보다 성숙도가 낮은 대륙호의 환경에서 형성된 것임을 알 수 있다. 주성분원소, 미량원소 및 회토류원소의 함량 변화에 있어서 결정분화를 지시하는 경향성이 결여되어 나타나는 것은 화강암류의 화학적 성질을 지배하는 마그마과정이 단순한 분별작용의 모델 만으로는 설명되지 않음을 나타낸다. 또한 보은 화강암체를 형성시킨 마그마과장에 대해서 레일리 분별 및 주성분원소 함량변화에 따른 분별과정을 모델 계산을 통해 검토해 보았으나, 어느것도 보은암체이 지구화학적 경향성을 효과적으로 설명해 주지 않는다. 반면, 결정작용과 동시성 혼염작용(AFC)에 대한 모델 계산에서는 보은 화강섬록암을 형성시킨 화강암질 마그마는 옥천층군을관입하기 이전에 퇴적기원의 지각물질과의 혼염과정을 거쳤을 가능성이 제기되고, 그 때이 조건으로는 혼염되는 주변암석이 성분과 마그마의 성분이 유사하고 또한 혼염작용의 속도가 결정작용의 속도와 비슷하여 혼염되는 질량은 마그마 전체 질량의 10% 내외인 경우이다. 한편, 분별과정과 AFC모델 계산의 결과는 규장질암맥이 보은 화강섬록암으로 파생된 것이 아니라 다른 성인의 마그마로부터 유래되었을 가능성을 제시한다.
암석의 용해 방법에 따른 미량원소 분석결과를 비교해 보기 위해 미국 지질조사소의 암석 표준시료 3종류 (G-2, W-2, BHVO-1)를 비이커-가열판법, 마이크로파 오븐법, 알칼리 용융법으로 용해 시켜 유도결합 플라즈마 질량분석기를 사용, 각각의 미량원소 농도를 측정하여 용해 방법에 따른 차이를 살펴보았다. 전체적으로 보아 비이커-가열판법으로 용해시킨 경우와 마이크로파 오븐법으로 용해시킨 경우는 비슷한 분석결과를 보인다. 알칼리 용융법을 사용하여 용해시킨 경우 높은 온도 때문에 Pb, Cu, Rb 등의 휘발성 원소 상당 부분이 손실된다. 산분해법의 경우 Zr, Hf 등의 원소가 저어콘 등의 불용성 광물에 농집되어 있을 때에는 광물들의 불충분한 용해로 인해 측정 농동가 낮게 나타난다. 회토류 원소 분석결과는 시료 용해 방법 사이에 차이가 없었으며 추천치와 대체로 일치하였으나 알칼리 용융법의 경우 큰 희석인자로 인한 측정상의 문제점이 일부 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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