• 광물과 암석
• /
• 제35권2호
• /
• pp.101-109
• /
• 2022

고준위방사성폐기물 내에 핵분열 생성물로 존재하는 방사성 세슘의 이동은 화강암을 기반으로 하는 고준위방사성폐기물 처분장의 안전성 평가를 위한 중요한 고려 항목이다. 지하수의 수리화학적 특성과 모암을 이루는 광물과의 반응 특성은 처분장에서 방출된 세슘의 이동 속도를 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. 알칼리 금속인 세슘은 지하수 내의 주요 양이온들과 수착 자리를 놓고 경쟁하는 것으로 알려져 왔고, 흑운모는 화강암의 핵종 수착 특성에 중요한 기여를 하는 구성광물로 알려져 왔다. 이 논문은 심부 처분장의 무산소 환경을 모사하기 위해 혐기성 챔버에서 전형적인 중생대 원주화강암에 대한 세슘 수착특성을 연구한 결과를 보고한다. 분쇄한 화강암에 대하여 전해질(NaCl, KCl, CaCl₂) 용액과 합성지하수를 사용하여 세슘 초기농도(10^-5, 5×10^-6, 10^-6, 5.0×10^-7 M)를 달리하여 세슘 수착속도와 수착량을 측정하였다. 세슘 수착 실험 결과는 유사 2차 속도 모델(r² = 0.99)과 프로인들리히(Freundlich) 등온선 모델(r² = 0.99)로 잘 모사되었다. 특히 염화포타슘(KCl)은 모든 이온강도 및 세슘 초기농도에서 다른 전해질에 비해 가장 강력하게 세슘 수착을 제한하였다. 이는 포타슘 이온(K⁺)이 세슘의 가장 효과적인 경쟁 이온임을 지시하는 것으로 판단된다. 흑운모 함량에 따른 세슘 수착 실험 결과 흑운모의 세슘 수착 분배계수는 화강암 자체의 값보다 약 2배 이상 높았으며 선형관계를 나타냈다. 포타슘 이온은 주로 흑운모에 의해 공급되기 때문에, 이러한 결과는 처분심도 ~500 m 깊이에서 화강암체 내에 존재하는 흑운모가 세슘의 효율적인 수착재로 작용하지만 또한 지하수의 수리화학 조건에 따라 세슘의 수착을 저해하는 역할을 할 수 있음을 지시하며, 향후 이에 대한 상세한 후속 연구가 필요함을 보여준다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권2호
• /
• pp.111-123
• /
• 2022

본 연구는 자연계에서 가장 흔하게 관찰되는 두 그린 러스트(green rust) 광물인 carbonate green rust (CGR)과 sulfate green rust (SGR)을 공침법(co-precipitation)을 통해 각각 합성하고, 이들의 형성 메커니즘 및 이화학적 특성들을 체계적으로 규명하였다. X-선 회절(XRD) 분석 및 리트벨트 정련 수행 결과, 본 합성 조건에서 이차광물상 없이 이중층수산화물로서 CGR과 SGR이 합성됨을 확인하였다. 또한, 각각의 구조 파라미터는 CGR의 경우 a(=b)축 = 3.17 Å, c축 = 22.52 Å이고, SGR의 경우 a(=b)축 = 5.50 Å, c축 = 10.97 Å이며, 이들의 미결정 크기는 각각 (003)면 기준 57.8 nm와 (001)면 기준 40.1 nm로 밝혀졌다. 주사전자현미경/에너지 분산형 분광분석(SEM/EDS) 결과, CGR과 SGR은 모두 육각 판상의 전형적인 이중층수산화물 결정 형상을 보이지만 탄소(C)와 황(S)의 함량은 서로 다르게 나타났다. 퓨리에 변환 적외선(FT-IR) 분광 분석결과, 탄산염(CO₃^2-)와 황산염(SO₄^2-) 이온들이 각각 CGR과 SGR의 층간 음이온으로 밝혀졌고, 이는 XRD를 활용한 광물상 동정 결과와 잘 일치한다. 철 용액으로의 수산화이온(OH^-) 주입 시간에 따른 혼합 용액의 pH와 Eh, 그리고 잔류 철 농도의 비율(Fe(II):Fe(III)) 측정 결과, 시간에 따른 차이는 있지만 두 green rusts 모두 1단계 전구체 형성, 2단계 중간 생성물로의 상변환, 그리고 3단계 green rust로의 상변환과 에이징에 의한 결정성장으로 이어지는 결정 형성 메커니즘을 보이는 것으로 판단된다. 본 연구는 공침법을 통해 CGR과 SGR을 안정적으로 합성하고 이들의 형성 메커니즘과 이화학적 특성을 규명함으로써, green rust를 활용한 응용 연구 및 산업 활용에 원천 기초자료를 제공할 것으로 기대된다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권1호
• /
• pp.13-24
• /
• 2022

기후 변화에 민감하게 반응하는 북극해는 지구 기후 변화의 흔적을 고스란히 간직하고 있으므로, 북극해 퇴적물 연구는 지구 기후 변화를 연구하는 데 매우 중요하다. 2016년에 수행된 아라온호의 ARA07C 북극해 탐사를 통하여 동시베리아해 연변부에서 획득한 ARA07C-St02B 중력 코어를 이용하여 퇴적학적, 광물학적, 지화학적 특성을 연구하고 이를 이용하여 기원지를 추정하였다. 코어 퇴적물은 색, 입도와 빙운쇄설물의 함량에 의하여 4개의 유닛으로 구분하였는데, 갈색층을 포함하는 유닛 1과 3은 회색층으로 구성된 유닛 2와 4보다 모래와 빙운쇄설물의 함량이 다소 높다. ARA07C-St02B 코어 주변에서 연구된 ARA03B-27 코어와 비교를 통하여 이들은 MIS (Marine Isotope Stage) 1부터 4시기에 퇴적된 것으로 여겨진다. 갈색층을 포함하는 유닛들과 회색층으로 이루어진 유닛 사이에는 벌크 광물 조성, 점토광물 조성, 지화학 조성에서 차이가 난다. 벌크 광물과 점토광물 특성은 조립질 퇴적물과 세립질 퇴적물 사이에 기원지가 다를 수 있음을 시사한다. 조립질 퇴적물은 대부분 랍테프해와 동시베리아해로부터 동시베리아 연안류나 추크치해로부터 보퍼트 환류를 따라 운반된 것으로 여겨지지만, 세립질 퇴적물은 대부분 동시베리아해, 추크치해, 보퍼트해로부터 해류에 의하여 운반된 것으로 추정된다. 유닛 1의 일부 조립질 퇴적물과 유닛 3의 세립질 퇴적물은 보퍼트해와 캐나다 북극 군도로부터 해류, 빙산 또는 해빙에 의하여 연구 지역에 퇴적된 것으로 판단된다. 잠재적인 근원지의 지화학 조성에 관한 자료를 획득하게 되면, 연구 지역의 코어 퇴적물의 기원지와 공급 방법에 대하여 좀 더 자세하게 규명될 수 있을 것으로 판단된다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권1호
• /
• pp.25-39
• /
• 2022

본 연구는 원자력 시설 해체 시 발생되는 저준위 및 극저준위 폐토양, 점토와 산업부산물인 고로슬래그를 이용하여 방사성 폐기물을 안전하게 담지할 수 있는 비소성 시멘트의 제조 가능성을 평가하고 광물·형태학적 분석을 통하여 생성된 반응 물질에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서는 (1) 폐토양, 점토 및 고로슬래그의 특성 분석, (2) 폐토양, 점토 및 고로슬래그를 고화재 및 성분조정제로 이용한 원전 해체 폐기물 담지를 위한 비소성 시멘트 제조 및 최적의 배합 비율 도출, (3) 제조된 비소성 시멘트 고화체의 수화반응 생성물질에 대하여 광물·형태학적 분석 등을 수행하였다. 비소성 시멘트 고화체의 광물·형태학적 분석 결과, 폐토양과 점토는 수화반응 생성물이 관측되지 않았으며, 고로슬래그의 경우 고화체의 강도를 발현시킬 수 있는 수화반응생성물질인 calcium silicate hydrate (CSH), 에트링가이트(ettringite)가 생성되는 것을 확인하였다. 폐토양, 점토를 고화재로 이용한 비소성 시멘트의 재령 28일 후 고화체는 최적의 배합 비율에서 약 3 MPa의 강도를 나타내 처분장 인수기준 압축강도인 3.44 MPa를 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 그러나, 고로슬래그를 고화재로 이용한 비소성 시멘트는 모든 실험 조건에서 처분장 인수기준 압축강도를 만족하며, 최적의 배합 비율에서는 약 27 MPa로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 비소성 시멘트 고화재로 고로슬래그, 방사성 핵종에 대한 흡착제 역할로 폐토양 및 점토를 이용한다면 방사성 폐기물 처분을 위한 최적의 비소성 시멘트를 제조할 수 있을 것으로 판단된다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권3호
• /
• pp.333-344
• /
• 2022

화강암 및 대리석 같은 천연 건축용 석재의 채석 및 활용이 개발도상국에서 급부상하고 있다. 이러한 석재를 사용하기 위해 가공, 절단 및 치수화 과정에서 많은 양의 폐기물이 발생한다. 석재폐기물은 개방된 환경에서 처리되며, 부산물로 발생하는 폐기물의 독성이 환경과 인간의 건강에 악영향을 줄 수 있다. 2019년 세계 석재 산업 성장은 채석장 폐기물을 제외하고 1% 이상 증가한 약 155,000천톤의 새로운 기록을 달성하였다. 인구 천명당 석재 사용량(m²/1,000 inh)은 2001년 177, 2018년 266에서 2019년 268로 증가했다. 2019년 세계 총채석량은 316,000천톤(100%)이고, 생산량의 53%는 채석장 폐기물로 발생되었다. 석재가공 단계에서는 완제품 생산량이 91,150천톤(29%)에 도달했으며 결과적으로 63,350천톤이 석재폐기물이 생산되었다. 그러므로 세계적으로 채석장에서 생산된 석재가 100%이라면 전체 폐기물 발생량은 71%이다. 석재폐기물은 환경적, 경제적 및 사회적 관점에서 상당한 문제를 발생시킨다. 석재폐기물 처리는 기본적으로 3가지 방법이 있는데 재사용, 재활용 및 매립처리가 있다. 그 중에 재사용 및 재활용은 환경 친화적으로 할 수 있는 양호한 석재폐기물 관리 방법이다. 석재폐기물은 많은 사용 방법이 있지만 건축 자재, 세라믹 재료 및 환경 적용으로 요약된다. 석재폐기물을 이용한 재료 생산은 매우 유망하며 채석장과 산업 현장에서 재생되어 사용할 수 있다. 새로운 생산품(인공토양)은 토목 공사, 철도 제방 및 원형교차로 주변 표토로 사용하며, 석분토는 산성토양의 중화를 위해 사용도 가능하다. 또한 석재폐기물은 광물 잔유물 회수, 광물 성분 추출, 건설 자재, 전력 생산, 빌딩 재료와 가스 및 수질 처리에 이용할 수 있다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권3호
• /
• pp.313-331
• /
• 2022

무기 자연 수소(H₂)는 천연가스의 주요 구성성분이지만, 청정 및 재생 가능한 에너지로써 글로벌 에너지 분야에서 그 중요성이 다소 과소평가되고 있다. 이 논문은 우리가 과거에 생각했던 것보다 훨씬 광범위한 환경에서 무기 자연 수소가 대륙 암석권에서 대량 생성된다는 최근 논문들을 바탕으로 자연 수소의 발생 기작과 이와 관련된 다양한 지질학적 특징들을 검토하였다. 지금까지 확인된 자연 수소의 주요 근원암은 (1) 초고철질암, (2) 철(Fe²⁺)이 풍부한 암석으로 구성된 강괴, (3) 우라늄이 풍부한 암석이다. 이 암석들은 선캄브리아 시대 결정질 기반암 그리고 중앙 해령과 대륙기반의 오피올라이트(ophiolite), 페리도타이트(peridotite) 암체에서 사문암화된 초고철질암과 밀접하게 관련된다(Zgonnik, 2020). 이 근원암들에서 자연 수소를 생성하는 무기적 작용은 (a) 광물(예, 감람석)의 Fe²⁺이 산화되는 동안 물의 환원, (b) 방사성 붕괴로 인한 수전해, (c) 규산염 암석의 기계적 파괴(예, 단층) 동안 물과 표면 라디칼의 반응 등이며, 자연 수소는 자유 기체(51%), 다양한 광물 내의 유체포유물(29%), 지하수의 용존기체(20%) 형태로 발견된다(Zgonnik, 2020). 우리나라의 경우 아직 자연 수소 연구가 수행되지는 않았지만, 경상분지 내 무기 자연 수소의 생성과 부존 가능성은 두꺼운 퇴적분지 내에서 초고철질암, 층간 현무암층과 철/구리 부화대 존재, 그리고 페름기-제3기 동안 능동적 대륙 연변부에서 여러 번의 화성활동 등을 포함한 지질학적/지구화학적 특성을 고려하면 상당히 높은 것으로 평가된다. 최근 지질 기원의 자연 수소를 연구/탐사하는 국외 학자들과 산업체들은 가까운 미래에 자연 수소가 깨끗하고 재생 가능한 획기적인 에너지원 역할을 할 것으로 전망하고 있다. 따라서 우리나라에서 자연 수소의 경제적 활용을 위한 부존지 발견 여부와 상관없이 지하의 암석-유체 상호작용에 관한 통합 연구를 통해 아직 밝혀지지 않은 자연 수소의 성인과 탐사는 차세대 핵심 연구임이 분명하다.

• 광물과 암석
• /
• 제34권2호
• /
• pp.95-106
• /
• 2021

자로사이트 내의 SO₄는 다른 산화음이온으로 치환될 수 있는데 자로사이트가 침철석으로 전이되는 과정은 공침된 산화음이온의 거동에 중요한 역할을 하게 된다. 본 연구에서는 다양한 산화음이온과 함께 공침된 자로사이트가 환원성 용해에 의하여 상변화를 거칠 때 산화음이온 종에 따른 상변화의 양상과 이와 수반된 산화음이온의 거동을 광물학적 및 지구화학적으로 연구하였다. 다섯 가지의 산화음이온이 SO₄를 5 몰% 치환한 자로사이트가 본 연구에 사용되었다. 본 연구에서는 암모늄 옥살레이트를 이용한 환원성 용해 시 일어나는 자로사이트의 광물상의 변화를 측정하였으며 자로사이트의 침철석으로의 전이 속도는 MoO₄-자로사이트 ≥ SeO₄-자로사이트 ≥ CrO₄-자로사이트 > 순수한 자로사이트 > SeO₃-자로사이트 > AsO₄-자로사이트의 순서를 보여 치환된 산화음이온에 따라서 자로사이트의 상전이 속도가 다름을 보여주었다. 이에 따른 Fe의 용출은 시간과 산화음이온의 종류에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 광물의 변화에 따라 용출되어져서 나온 각 산화음이온의 농도는 전체적으로 Mo > Se(SeO₃) > As > Se(SeO₄) > Cr의 농도 순위를 보였으며 시간에 따라 약간의 증가를 보였다. 이러한 경향은 광물상의 변화보다는 산화음이온 종류의 특성에 의한 것으로 파악된다. 본 연구 결과는 산화음이온의 종류에 따라 자로사이트의 침철석으로의 변화는 영향이 있었으나 이러한 경향이 용출되는 산화음이온의 농도에 영향을 미치지 않음을 보여주었다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권4호
• /
• pp.409-421
• /
• 2022

자연계에서 산출되는 망가니즈단괴 내 광물종 및 원소의 공간적 분포를 규명하는 것은 단괴의 형성 과정 중 변화하는 생성 환경 및 지화학적 조건에 대한 이해를 가능하게 한다. 최근의 라만 분광분석을 이용한 연구에서 구형으로 성장한 단괴의 성장에 따른 산화망가니즈 광물종의 변화에 대해 연구한 바 있으나, 상대적으로 천해에서 획득되는 비구형 단괴 내 광물종의 분포는 자세히 연구되지 않았다. 이에 본 연구에서는, 동시베리아해 천해(수심 약 73 m)에서 산출되는 판상의 비구형 망가니즈단괴 내 서로 다른 성장 방향에서 획득된 라만 분광분석 결과를 바탕으로 단괴 내 광물종 및 해당 광물의 구조적 특성에 대하여 면밀히 연구하였다. 또한 에너지분산형 X-선 분광분석(energy dispersive spectroscopy, EDS)을 통하여 단괴 내부 구조 및 부수광물의 존재에 대하여도 관찰을 수행하였다. 그 결과, 본 연구에서 사용한 비구형 단괴의 내부는 중심으로 부터 외곽 방향으로 크게 핵, 철 기질부, Mn-Fe 층으로 구분되었다. Mn-Fe 층 내 서로 다른 성장 방향에서 획득된 라만 분광분석 결과는 모든 방향에 대하여, 단괴 중심부로부터 외곽부로 신호 획득위치가 옮겨감에 따라 산화망가니즈 광물의 경우 터널형 광물의 비율이 감소하는 경향성을 관찰할 수 있었다. 이 때, 단괴 내 성장 방향에 따라 구성 광물의 상대적 비율 및 구조적 특성이 크게 다르다는 것이 확인되었다. 총 3가지의 실험 방향 중, 한 방향에서 획득된 라만 분광분석 결과는, 철 수산화물의 비율이 낮고, 버네사이트나 토도로카이트와 같은 산화망가니즈 광물들의 결정도가 상당히 높다는 것을 보여주었다. 반면, 나머지 두 방향에서 획득된 신호를 분석한 결과, 산화망가니즈 광물들의 결정도가 매우 낮으며 비정질 내지는 결정도가 낮은 철 수산화물들의 비율이 높다는 것이 확인되었다. 이러한 결과는 비구형 단괴가 속성 과정으로 형성되는 동안 단일 단괴 내에서도 지화학적 조건에 차이가 있었다는 것을 지시한다. 더하여, 부수광물로서 암염이 일부 층에서 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 단괴 내 존재하던 해수의 증발로 인해 암염 결정이 형성되었음을 지시한다. 이처럼 본 연구에서는 라만 분광분석을 통해 비구형 단괴 내 광물종의 분포 및 구조적 특성에 대해 제시하였고 향후 본 연구 방법은 다양한 단괴 연구에 적용되어 지구물질의 지질학적 형성 과정에 대한 보다 세밀한 이해를 가능하게 할 것으로 기대된다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권4호
• /
• pp.447-455
• /
• 2022

Tl⁺ 이온으로 교환된 제올라이트 A (|Tl₁₂|[Si₁₂Al₁₂O₄₈]-LTA, Tl₁₂-A) 단결정을 진공 탈수시킨 후, 623 K에서 72시간 동안 ZrI₄ (g, 6.0 × 10³ Pa) 와 반응시켜, Zr,I,Tl-A (|Zr_0.25I_1.5Tl₁₂|[Si₁₂Al₁₂O₄₈]-LTA)를 제조하였다. 제조된 단결정의 구조는 294 K에서 단결정 X-선 회절 기술을 이용하여 Pm3m (a = 12.337(2) Å) 입방 공간군에 속함을 확인 하였고, F_o> 4σ(F_o)를 사용하여 최종 오차 인자를 R₁/wR₂= 0.055/0.189로 정밀화 하였다. 이 구조에서 Tl⁺ 이온은 6-ring 맞은편의 3-fold 축상의 서로 다른 3개의 결정학적 위치에서 단위세포당 7.5개가 발견되었고, 모든 8-ring 근처(단위세포당 3개)에서 3개의 결정학적 위치로 채워졌다. 그리고 단위세포당 1.5개의 Tl⁺ 이온은 ZrI₄(g)와 반응 후 sodalite cavity 안에서 3-fold 축상을 벗어난 자리에서 골격산소 O2 및 O3와 결합하면서 발견되었다. Zr⁴⁺ 이온은 6개의 I^- 이온과 함께 8면체의 ZrI₆^2- 형태로 large cavity 정중앙에 존재하였고, 이들은 8-ring 및 6-ring 근처에 존재하고 있던 Tl+ 양이온과 3차원적으로 연결하면서 ZrI₆Tl₁₁⁹⁺ cationic cluster을 형성하였다. 이러한 cationic cluster은 Zr,I,Tl-A의 large cavity 중에서 약 25%에만 존재하였다.

• 광물과 암석
• /
• 제35권4호
• /
• pp.485-505
• /
• 2022

2017년 11월 15일 Mw 5.4의 포항지진은 흥해지역 지하 약 4 km의 진원 깊이에서 발생하여 포항시에 막대한 피해를 끼쳤다. 포항분지의 중부에 해당하는 흥해지역은 백악기 경상누층군과 백악기 말~고신생기 초불국사 화성암류를 기반암으로 하여 포항분지 충전물인 신신생기 연일층군이 분포한다. 이 논문에서는 포항분지에서 지각변형물(습곡, 단층, 절리)과 포항지진 동시성 지표변형물(모래화산, 지표균열, 팝업구조)에 대한 구조지질학적 연구를 수행하여 포항분지의 변형작용사와 포항지진 동시성 지표변형의 특성을 고찰해 보았다. 연구지역의 지각변형물은 제4기 단층운동 이전까지 적어도 5회의 변형단계를 거쳐 형성되었다: (북)북동 주향에 고각 경사하는 정이동(곡강단층) 단층 형성단계, 연일층군에 광역적으로 인지되는 동-서 방향의 고각 절리와 이에 (준)평행한 단층 형성단계, 동-서 주향에 중각 내지 저각 경사하는 공액상 정이동 단층(흥해단층과 형산단층)과 이에 수반된 동-서 계열의 습곡 형성단계, (역이동성) 좌수향 주향이동의 (북)북서 방향 단층조와 우수향 주향이동의 동-서(북동) 방향 단층조가 고각으로 경사하는 공액상 주향이동 단층 형성단계, 북북동과 북북서 주향에 중각 경사하는 공액상 역이동 단층과 이에 수반된 남-북 계열의 습곡 형성단계. 포항지진 동시성 지표변형물에서 모래화산은 종종 지표균열과 (준)평행한 선상배열을 보인다. 남-북 내지 (북)북동 방향의 팝업구조와 지표균열, 동-서 내지 서북서 방향의 지표균열 등은 포항지진 발생 응력원의 최대수평응력에 의한 지진원 단층의 역이동성 운동과 이에 수반된 상반지괴의 좌굴습곡작용에 의해 형성되었다. 이러한 구조적 활동은 지진원 단층의 상반지괴에 해당하는 포항시 흥해읍 중심으로 광범위하게 발생하여 이곳에 막대한 재산 피해를 끼쳤다.