청양 지역의 조계리층에서 산출된 목재화석의 성인 = Genesis of wood fossils from the Jogyeri Formation in Cheongyang
저자
발행사항
공주 : 공주대학교 교육대학원, 2010
학위논문사항
학위논문(석사)-- 공주대학교 교육대학원 : 지구과학교육전공 2010. 2
발행연도
2010
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
충청남도
형태사항
iii, 32 p. ; 26cm
소장기관
지금까지 목재 화석은 흔히 목재가 규화된 상태로 보존된 규화목이 주된 연구였다. 그러나 규화목은 목재 조직에 규소가 침투하여 형성된 화석을 뜻하므로 일반화하기에는 어려움이 있다. 그 이유는 규소 이외에도 칼슘, 철 등이 침투하여 목재 화석이 형성되기도 때문이다. 그러므로 목재 화석에 침투하여 축적된 광물 성분을 연구하는 것은 목재 화석 분류에 큰 의의가 있을 것이다.
따라서, 본 연구는 충남 청양 광대리 부근에 분포하는 조계리층의 노두에서 산출된 목재 화석의 화학 성분과 구성 광물을 알아보고 그 성인에 대해 논의해 보고자 한다.
목재화석은 충남 청양 조계리층에 분포하는 화석 산지로부터 50여 개의 목재화석을 채집하였다. 목재 화석을 구성하고 있는 광물의 종류를 알기 위하여 5개의 표본을 선정하고 X선 회절 분석을 실시하였다. 또한 목재화석의 주성분을 알기 위하여 임의로 5개의 표본을 선정하여 XRF 분석을 실시하였다. XRD 분석과 XRF 분석은 공주대학교 공동실험실습관에서 실시하였다. 목재화석을 이루는 조직 보존 상태를 알아보기 위해 10개의 표본을 선별하여 연마편을 제작하여 반사현미경으로 관찰하였다. 연마편의 제작과 관찰은 공주대학교 지구과학교육과 박편실에서 실시하였다.
공주대학교 공동실험실습관에서 실시한 측정 조건은 DMAX2000기기를 사용하여 음극, Cu, 전류 60kv~300mA, slow scanning speed 3°/min, 측정 범위 2θ=10~70°이다.
규소(SiO2), 마그네슘(MgO), 망간(MnO), 알루미늄(Al2O3), 인(P2O5), 철(Fe2O3), 칼륨(K2O), 칼슘(CaO) 등 화학 성분은 엑스선 형광 분광법(XRF)으로 측정하였다. XRF 분석은 고전압으로 가속된 열전자를 금속으로 된 X-선 튜브의 표적에 충돌시켜 이 때 방출되는 일차 X-선을 분석하고자 하는 시료에 조사시켜 시료에 들어 있는 여러 원소별로 방출하는 특징적인 X-선의 세기를 측정하여 정량하는 방법이다. 공주대학교 공동실험실습관의 측정 장비는 SEA2220A이고, 관구목표원소는 Rh이다.
목재 화석의 조직을 관찰하기 위하여 공주대학교 지구과학교육과 박편실에서 연마편을 제작하였다.
청양 일대의 지질은 선캄브리아기에 속하는 변성암과 이를 부정합으로 덮고 있는 남포층군과 이를 관입한 백악기 흑운모 화강암과 석영 반암 및 현세 충적층으로 구성된다.
청양 지역에 분포하는 조계리층 주변의 지질은 선캠브리아기의 변성암/편암류(경기 편마암복합체)와 원생대 화강편마암이 분포한다.
X선 회절 분석 결과에 의하면 매우 넓은 범위에서 회절선이 나타난다. 분석 자료는 2θ = 10~70°범위인 21.2°에서 최대 강도의 회절선이 나타나고, 목재화석을 구성하고 있는 광물은 목재 화석은 예상과는 달리 규화된 상태가 아니고 침철석(Goethite, α-FeO․OH)이 우세하다.
조계리층에서 산출된 목재화석(wood fossil) 표본 5개를 XRF로 분석한 결과이다. Fe2O3, SiO2, Al2O3, P2O5의 평균 함량은 각각 83.18wt.%, 7.82wt.%, 4.45wt.%, 2.10wt.%를 나타내고 있다. Fe2O3가 5개의 표본에 우세하게 많이 들어 있는 화학성분이다. 화학 성분 분석 결과 Fe2O3 성분이 76.85~88.75%에 되어 있다.
10개의 연마편을 만들어서 반사현미경으로 관찰한 결과 횡단면에서 미세한 세포 조직이 관찰되었다.
X선 회절 분석 결과, 목재 화석은 예상과는 달리 규화된 상태가 아니고 침철석으로 충전되어 있는 것이 확인되었고, 화학 성분 분석 결과 표2와 같이 Fe2O3성분이 76.85~88.75%로 되어 있다. 연마편으로 관찰된 조직은 종이나 속의 식별이 불가능할 정도로 보존 상태가 불량하다.
침철석(goethite)은 웅덩이나 습지에서 형성되는 침전물이다(Choubersky, 1958). 주로 철을 함유한 광물의 풍화작용에 의해 형성된다(Schwertmann, 1959). 침철석과 같은 (산)수산화철 화합물에는 α, β, γ, δ-FeO․OH의 4종류가 알려져 있으며, 천연에는 α-FeO․OH, γ-FeO․OH가 광물로서 존재한다(박상민 외, 1981). 그리고 침철석은 α-FeO․OH로서 침철석이라고 하며, γ-FeO․OH는 Lepidocrocite라고 한다(Himmel, 1939). 침철석과 동질이상인 Lepidocrocite(γ-FeO․OH)는 산출 빈도가 매우 낮지만 함께 산출되는 광물로 공생 관계이다(Posnjak et al., 1919). 침철석이 탈수되면 상자성인 α-Fe2O3(haematite)로 된다(Betiana C, 2007).
침철석이 만들어지는 메커니즘은 다음과 같이 4가지를 들 수 있다.
가) 기반암의 풍화
나) 사문암체의 풍화
다) 황화광물의 풍화
라) 함철대의 풍화
즉, 목재화석을 구성한 침철석은 기반암이 풍화되어 생성된 Fe(OH)2의 산화작용에 의해 생성된 것으로 추측할 수 있다.
조계리층 주위의 변성암류인 각섬석 편암은 운모편암류내 뿐만 아니라 우백질 호상편마암류내에도 분포한다(이돈영 외, 1974). 청양 지역의 각섬석편암을 구성하는 흑운모는 심한 변질 작용을 받아 녹니석화 및 질석화되어 있다(송윤구 외, 1991). 지질 조사 결과 조계리층 주위의 각섬석 편암은 고령토화되어 있는 곳이 관찰된다. 비봉면 마티에서는 각섬석편암 내의 흑운모 집중부에서 질석(vermiculite)을 채굴한다.(이돈영 외, 1974).
단사녹니석은 지표 조건에 노출되면 불안정하게 되어 풍화 작용을 겪게 된다. 단사녹니석은 질석, 스멕타이트를 거쳐 고령토 광물로 순차적으로 풍화된다(Cho and Mermut, 1992). 인접한 두 개의 녹니석층 중에서 하나의 녹니석층이 수소이온의 공격을 받아 하나의 질석층으로 변한다. 녹니석 중의 2 : 1 규산염층은 큰 변화없이 질석 구조로 이어지는 반면 층간의 수산화물층은 다량의 Al, Fe, Mg가 용탈됨으로써 녹니석이 질석화한다. 이와 같은 층간 수화물층의 용탈은 주로 Fe2+의 산화 작용에 기인하는 것으로 알려져 있다(Ross, 1975).
조계리층 주위의 변성암류인 운모편암에는 변성퇴적암류-흑운모장석편암 또는 녹니석흑운모장석편암-녹니석석영편암이 분포한다(이돈영 외, 1974). 기반암의 풍화가 진행됨에 따라 철의 함량을 결정하는 광물은 주로 흑운모이다. 흑운모는 풍화되어 녹니석으로 변질된다(김정진외, 2006).
위에서 논의한 바와 같이 산화철 광물을 침전시키는 철의 주요 근원은 각섬석과 녹니석이다(정기영 외, 1990). 정기영(1990)에 의하면, 침철석은 녹니석이 질석으로 변질되고 각섬석이 용해되기 시작하면서 우세하다. 목재화석을 구성한 침철석은 녹니석/질석 혼합층이 풍화되어 유입된 철에 의해 생성되었을 수 있다. 또는 운모편암내의 흑운모의 풍화에 의해 목재화석을 이루었을 것으로 생각할 수 있다. 따라서 목재화석은 조계리층의 기반암인 각섬석편암과 운모편암 내의 흑운모와 녹니석이 풍화되는 과정에서 철이 유입되어 생성되었을 가능성이 가장 높은 것으로 판단된다.
충청남도 예산-홍성-광천 및 아산-공주-청양-부여 일대에는 초염기성 암체의 변성 또는 변질 작용에 의하여 생성된 사문암, 석면, 활석 등이 선캄브리아기의 녹색 편암상 또는 각섬암상의 편마암 복합체 내에 북북동-남남서 방향을 따라서 단속적으로 단속적으로 평행 발달하는 폭 수 m~1km, 연장 수 m~5km 인 20여개조의 렌즈상 암체인 사문암체가 발견된다(우영균 외, 2000).
유구-청양을 연결하는 선내부의 선캄브리아기 편마암복함체내에서 북북동 방 향에 따라 발견되는 사문암체는 선캄브리아기의 경기편마암 복합체 및 서산층 군을 관입하고, 백악기의 중성 및 산성 암맥의 관입을 받았다. 사문암은 주로 사문석으로 구성되어 있으며, 감람석 기원의 사문석은 감람석의 가상을 이루고 있고 이 사문석 결정들의 자철석들이 둘러싸서 전체적으로 망상구조를 보인다. 감람석에서 사문석으로 변할 때 Fe2+와 Fe3+이 약간 감소하여 이 철들이 자철석을 형성한다(김영태․우영균, 2005)
사문석 광상 부근에서는 주로 흑운모-각섬석 편암이 우세하게 분포한다. 각섬석 편암 내에는 간혹 석영, 장석이 밀집되어 각섬석 편마암상을 이루는 곳도있다. 각섬석 편암은 주로 각섬석, 석영 및 사장석이 엽리에 따라 배열되어 있으며 소량의 자철석, 석류석, 흑운모 등이 포함된다. 사문암의 구성 광물은 주로 사문석으로 이루어져 있으며 이 밖에 자철석, 크롬철석, 소량의 녹니석, 금운모, 활석 등이 포함된다. 또한 기원암의 잔류 광물인 감람석, 휘석 및 각섬석도 상당량 산출된다.(우영균․서만철, 2000). 청양읍 서부 학당리 일대에는 사문암 기원의 활석 광상(싸리울 광상)이 발견된다(강혜선, 1997).
목재화석을 구성한 침철석은 사문암 지역의 감람석․사방휘석 등 구성 광물이 풍화되어 형성되었을 가능성이 있다.
그러나 청양읍 학당리에 위치하는 사문암체는 목재화석 발견지인 광대리와는 거리가 멀리 떨어져 있어 목재화석의 성인과 관련성은 적다.
침철석은 능철석이나, 황철석 같은 함철광물이 풍화되어서도 생성한다
현재 청양 주변에 침철석이 침전․발견되는 곳으로 청양 장평면 화산리(동경 126° 51‘ 44“, 북위 36° 21’ 20”) 일대에는 철망간중석과 휘수연석을 생산하는 청양광상이 있다. 다만 이곳은 하부 대동계를 관입한 불국사 화강암맥에서 선캄브리아기의 흑운모 편마암과 백악기의 화강반암에 발달된 열수 광상이다. 이는 열수 광화 작용으로 인해 형성된 황철석․방연석․섬아연석․황동석 등 황화 광물의 존재량과 밀접하게 관련된 것으로 해석된다. 이곳은 이평구 외(2003)에 의해 연구가 수행된 바 있다. 그들에 의하면 황철석에서 용해된 철이 철수산화광물로 침전되고 있다.
그러나 황화 광물에 의한 침철석의 생성은 본 조계리층 퇴적 이후이므로 목재화석의 성인으로는 가능성이 매우 낮다.
조계리층의 목재화석의 성인은 이곡-대산의 함철대의 형성과 비슷한 선캄브리아기 편마암 등으로 구성된 변성암에서 함철층이 형성되었고, 이 함철층이 트라이아스기에 침식 환경에서 풍화되어 목재화석을 구성하는 침철석을 형성하였을 가능성이 있다. 따라서 목재화석 발견지 부근의 암석의 철함량과 광물조사를 실시하였다.
철이 유입된 함철대를 찾아보기 위해 주변 암석 표본의 화학 성분 분석을 실시하였다. XRD 분석 결과 연구 화석 주변 암석 노두에서는 석영의 광물 함량이 높게 나타났고, 침철석은 확인되지 않았다. 이는 목재화석과 퇴적물이 동시에 철물질의 유입이 없었음을 시사한다.
결론적으로 조계리층 주위 암석에서 함철대가 발견되지 않았고, 산화철 함량도 적은 것으로 보아 함철대에 의한 목재화석의 성인 가능성은 낮다.
이상과 같이 목재화석의 성인에 대하여 4가지 경우를 토론하였지만, 그 중에서 가능성이 가장 높은 것은 각섬석편암과 운모편암 내의 흑운모가 풍화되어 녹니석이 생성되고, 녹니석이 질석으로 변질되면서 생성된 침철석이 용해되어 목재화석이 형성된 것으로 판단된다.
Wood fossils were collected from Conglomerates of the Upper Trissic Jogyeri Formation of the Nampo Group in the County of Cheongyang-gun, Chung-cheongnam-do Province, Korea. Conglomerates distributed around Jogyeri Formation are mainly composed of low-rounded cobbles. The mode of occurrence of wood fossils and cobbles suggest that the wood fossils are all allochthonous fossils.
The purpose of this study is to show genesis of mineralogy and chemical constituents substituded wood fossils.
Wood fossils collected ; about 50 in good condition were examined by XRF and XRD analysis, microscopy. XRF analysis data suggest that the wood fossils have high Fe2O3 (average 83.18wt.%), but SiO2(average 7.82wt.%). XRD analysis show the composing minerals substituded wood fossils is goethite, not similar in the petrified woods. Experimental results of Microscopy show the tissue of woods fossils were not preserved well enough to enable identification.
Goethite can be formed by oxidizing and by slow hydrolysis of the ferric salts, and as a weathering product of ultramafic rock, sulfide minerals, banded iron formation.
Genesis of wood fossils is regarded as filling of the goethite derived from weathering of hornblende gneiss or mica schist.
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