기초과학

알루미늄함유 적철광 자성학 메커니즘 연구 최신성과

발행일 : 2012 / 05 / 04

적철광은 산화퇴적물과 열대-아열대토양 가운데 부존되어 있는 약자성을 띠는 천연광물이다. 또한 특수 철산화물로서 그 생성이나 운송 및 보존은 고대 기후나 환경변화와도 밀접히 연관되어 있다. 자연계에서 적철광은 주로 2가지 경로에 의해 형성된다. 그중 하나는 ferrihydrite의 수열전환을 통해 형성되는데, 이는 토양과 산소가 녹아 있는 침전환경에서(예 산화환원반응이 가능한 해양침전물) 비교적 보편적이다. 다른 하나는 철 수화물의 열탈수과정으로, 특히 침철광(Goethite)은 화성암이나 퇴적암으로부터 적철광을 형성하는 주요 경로이다. 하지만 토양용액에 대량으로 함유된 불순물 이온이나 분자가 토양생성작용과정에서 광물의 결정구조에 들어가기 때문에 순수한 적철광을 형성하는 것이 아니라 이온이나 분자가 일정하게 함유된 광물을 형성한다. 알루미늄(Al)의 대체 적철광은 바로 대표적인 사례인데, 열대·아열대 지역에서 토양물질이 광물의 풍화작용으로 약염기성 조건을 형성하는데, 가용성 염이나 알칼리금속, 알칼리 토금속 및 규산이온이 대량으로 유실되면서 철과 알루미늄이 상대적으로 농축되어 있게 되었다. 따라서 적철광의 형성과정에서는 일부 철이온이 알루미늄이온에 의해 대체되기 때문에 적철광의 성질에도 영향을 미친다. 과거의 연구에서는 자연계에서 적철광의 알루미늄 결정격자 대체문제를 소홀히 하였기에 다양한 해석이 나오게 되었다.

중국과학원 지질지구물리연구소의 지앙자오샤(姜兆霞)박사와 그의 지도교수 리우칭숭(劉靑松) 연구원은 다양한 적철광의 자성학 특성 및 알루미늄 대체 양의 적철광의 자성 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였고, 수열법과 열탈수법을 이용해 실험실에서 2개 그룹의 적철광(HFh*와 HG*는 수열법과 침철석 열탈수법으로 합성한 적철광을 나타냄)을 합성해냈으며, 또한 XRD, TEM과 자성학 방법을 이용해 종합적인 연구를 수행했다.

연구결과, Al 대체 양이 늘어남에 따라 2개 그룹의 적철광 샘플의 자성학 매개변수가 일치하게 변화되는 추세를 나타내었다. 하지만 이 2개 그룹의 적철광의 결정체 형태 및 자성학 특성은 매우 크게 다르다. HFh*계열 적철광 입자는 평평한 판모양구조이지만 HG*계열 적철광은 둥글고 긴 모양의 구조이다(그림1). HG*계열 샘플과 비교하였을 때 HFh*계열 적철광은 자성이 비교적 강하고 보자력이 낮은 편이어서, 자연계의 적철광의 형성환경을 구현하는데 있어서 의의가 크다. 그다음 알루미늄함유 적철광을 화학적 특성으로 이를 화학적 잔류자기가 존재하는 표지로 삼을 수 있다. 과거의 연구결과로부터 single domain 순수 적철광의 unblocking 온도와 보자력과 정의 상관관계(positive correlation)이지만 본 연구결과로부터 single domain 알루미늄대체 적철광의 경우 unblocking 온도와 보자력과 부의 상관관계(Negative correlation)임을 발견하였다(그림2). 이 결론은 single domain 알루미늄함유 적철광이 존재하는 증거로 삼을 수 있으며 더 나아가 화학적 잔류자기의 존재를 나타내는데 있어서 중요한 의의를 지닌다.

이 연구논문은 국제지구물리학 저널인 Journal of Geophysical Research 최신호에 실렸다.
(Jiang et al. Magnetic discrimination between Al-substituted hematitessynthesized by hydrothermal and thermal dehydration methods and its geological significance. Journal of Geophysical Research. 2012, 117, B02102, doi:10.1029/2011JB008605)

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