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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.38 No.7 pp.546-551
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2017.38.7.546

Morphology and Texture of Microlites in the Baekdusan and Kyushu Obsidians

Ga-hyun Hwang, Yong-Joo Jwa*
Department of Geology and Research Institute of Natural Sciences, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Korea
Corresponding author: jwayj@gnu.ac.kr+82-55-772-1475+82-55-772-1479
20171129 20171214 20171218

Abstract

We examine the morphology and texture of microlites included in the obsidians from the Baekdusan (Mt. Baekdu) and Kyushu (SW Japan) by using an electron microscope. According to the morphological types of microlites, the microlites in the Baekdusan obsidians are classified as Arculites, Asteroidal and Crenulite, whereas those in the Kyushu obsidians as various types of Arculites, Bacillite, Belonites, Crenulite, Furculite, Lath, Margarite, and Scopulites. Specifically, the Arculites in both obsidians show very distinctive crystal relationships, though they are mainly composed of magnetite and pyroxene. The Baekdusan Arculites exhibit the poikilitic texture of pyroxene crystals enclosing multiple magnetite crystals, whereas the Kyushu ones demonstrate the granular and/or intergranular texture of interlocking between magnetite and pyroxene crystals. This distinction can be used to discriminate the provenance of the obsidian artefacts from the prehistoric sites in the Korean Peninsula.


백두산과 규슈 흑요석 내 미세결정의 형태와 조직

황 가현, 좌 용주*
경상대학교 지질과학과 및 기초과학연구소, 52828, 경상남도 진주시 진주대로 501

초록

백두산과 일본 규슈에서 산출되는 흑요석을 대상으로 그 내부에 포함된 미세결정의 형태와 조직을 전자현미경 을 사용하여 관찰하였다. 미세결정에 대한 형태학적 분류에 따르면, 백두산 흑요석 내의 미세결정은 Arculites, Asteroidal, Crenulite 등의 형태만 보이고, 규슈 흑요석 내의 미세결정은 Arculites, Bacillite, Belonites, Crenulite, Furculite, Lath, Margarite, Scopulites 등의 다양한 형태를 보인다. 이 사실은 백두산과 규슈 흑요석은 포함된 미세결정의 형태에 따라서 구분 가능함을 지시한다. 한편, 동일한 Arculites 형태의 미세결정의 경우 백두산 흑요석은 휘석 결정 내에 자철석의 결 정들이 포함된 포이킬리틱 조직을 보이는 반면, 규슈 흑요석은 자철석과 휘석이 서로 입상 내지 입간 조직을 보인다. 이러한 흑요석 내 미세결정의 형태 및 조직의 차이는 향후 우리나라에서 선사시대 유물로 출토되는 흑요석제 석기의 산지를 밝히는데 이용될 수 있다.


    National Cultural Properties Research Institute

    서 론

    흑요석(obsidian)은 지질학적인 정의에 의하면 흑색 또는 암색을 띠는 화산유리(volcanic glass)로, 실리카 함량이 높은 유문암질 또는 석영 안삼암질의 마그마 의 급냉에 의해 형성된다(Bates and Jackson, 1987). 따라서 선사시대 석기(prehistoric artefacts)의 중요 재 료로 사용되었던 흑요석은 그 산출지가 화산분출지에 한정되어 있다. 이러한 흑요석 유물의 산지해석을 위 해 지질학적 및 지구화학적 연구 방법들이 도입되고 있다(예: Yi and Lee, 1996; Cho et al., 2006; Yi and Jwa, 2016). 흑요석에는 1내외의 크기를 가지는 미세결정들이 포함되어 있는데, 이 미세결정들은 마 그마가 지하에서 지표로 상승하면서 과냉각차이가 커 짐에 따라 형성된다(Donaldson, 1976; Fig. 1). 흑요 석 전암을 대상으로 한 연구는 다양한 화학분석법, 예를 들어 XRF, EPMA, PIXE, LA-ICP-MS 등의 방 법을 통해 많이 수행되었으나(Kim, et al., 2007; Cho and Choi, 2010; 2012; Yi and Jwa, 2016), 미세결정 형태를 통한 광물기재적 연구는 Cho et al. (2005)Jang et al. (2007)에서 매우 간단히 언급되었고, Jin et al. (2014)에서 비교적 자세하게 연구된 바 있 으나, 미세결정의 정출, 조직 및 광물 공생관계 등에 대한 연구는 거의 없다. 미세결정의 기재적 연구로 최초의 사례로 꼽히는 Clark (1961)에서는 유리질 암 석 내 미세결정을 형태에 따라 분류한 바 있으나 (Fig. 2) 편광현미경만을 이용한 것으로, 고해상도의 전자현미경을 통해 관찰한 미세결정의 형태와는 차이 가 있을 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 백 두산과 일본 규슈에서 산출되는 흑요석을 주 연구대 상으로 하여 흑요석 내의 미세결정을 전자현미경을 통해 보다 정밀한 형태를 살피고, 산지에 따른 미세 결정 형태를 비교하고자 한다.

    연구 방법

    우선 연구에 사용된 시료들은, 그 산출 위치는 Yi and Jwa (2016)의 Fig. 1에 도시되어 있다. 백두산 흑요석 시료(NK-1, NK-11, NK-15, Hunch)의 경우 Jin et al. (2014)의 연구에서 사용된 시료들과 동일하 다. 일본 규슈 흑요석의 경우 그 구체적 위치는, K10, K11 및 Hario 시료들은 하리오 해안, K14는 우시노다케, K15와 kosh 시료들은 고시다케, Shiiba 는 시이바다케 등이다.

    흑요석 내 미세결정의 정확한 형태와 구성 광물의 종류를 정성적으로 파악하기 위해 경상대학교 공동실 험실습관의 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope; FE-SEM)과 극지연구 소의 전계방출형 전자현미분석기(Field Emission Electron Micro Probe Analyzer; FE-EPMA; Jeol, JXA-8530F)을 이용하였다. 분석조건은 가속전압 10 kV, 빔전류 20 nA, 빔크기는 spot (1)으로 분석하였으 며 분석을 통해 얻은 SEM IMAGE는 CorelDRAW X5 program을 이용하여 미세결정 형태를 작업하였다.

    백두산과 규슈 흑요석 내 미세결정의 기재적 특징

    백두산과 규슈 흑요석은 편광현미경 하에서 용결에 의한 유동방향이 관찰되며 선구조를 이루는 미세결정 은 Clark (1961)의 분류상 Lath, Arculites 정도로만 구분이 가능하다. 편광현미경 하에서는 Fig. 2와 같 은 미세결정의 대략적인 형태적 분류만 가능하고 구 체적인 미세조직은 관찰할 수 없으며, 또한 결정의 종류와 서로 다른 결정들 사이의 공생관계를 파악할 수 없다. 하지만 전자현미경 하에서 관찰한 결과, 주 로 유리(glass)와 함께 기질부를 이루는 미세결정 형 태인 Lath와 Furculite, Scopulites는 일본 규슈 흑요 석에서 관찰되며 주로 사장석 조성을 나타낸다(Fig. 3). 그리고 Furculite는 한 다발에서 양 끝만이 갈라진 형태인 반면 Scopulites는 Furculite가 뭉쳐져 더 두꺼 운 형태로 두 형태는 덴드리틱 조직(dendritic texture) 을 보인다. 이러한 결정구조는 결정 표면의 계면이 불안정한 성장상태 즉, 본질적으로 비평형 현상을 암 시하는 복잡한 결정 패턴으로서 성장 길이는 넓은 범위의 성장률과 온도구배에 기인하며(Trivedi and Somboonsuk, 1984), 성장방향(crystallographic direction) 은 열 흐름 방향에 의해 통제되어 성장하는 경향이 있다(Weinberg and Chalmers, 1952). 또한 Donaldson (1976)에 의하면 지표부근에서 급냉한 경우 화도보다 더 빠른 냉각속도에 의해 덴드리틱 조직이 형성될 가능성이 높으나 화도 부근에서 급냉한 경우, 보다 낮은 과냉각 정도에 의해 스켈레탈 조직(skeletal texture)이 형성될 가능성이 높다(Fig. 4). Bacillite는 Lath상의 결정 양 끝부분이 돌출된 마름모의 형태이 며 규슈 흑요석 내에서 주로 휘석 조성으로 관찰된 다(Fig. 5). Crenulite는 Lath상의 결정 양 끝부분이 융식된 형태(corrosion form)로 둘 이상의 조성에 의 한 공생관계를 보이기도 한다(Fig. 5). 백두산 흑요석 내 Crenulite는 휘석 또는 사장석 조성으로 관찰되며 규슈 흑요석 내 Crenulite는 K10-A에서 휘석과 장석 이 비슷한 입자크기를 가지며 동시 정출한 후 급냉 에 의해 결정을 완전히 이루지 못하고 전반적인 스 폰지 조직(sponge texture)을 보인다. 규슈 흑요석 내 흑운모 조성의 Crenulite는 주변부에서 규산 성분이 풍부하며 1 μm 이상의 자철석이 공생하는 형태로 관 찰되고 중심부가 빈 스켈레탈 조직을 가진다. 이러한 조직은 급냉에 의한 결정작용의 조직으로서(Donaldson, 1976) 현미경상에서 결정의 외곽(outline) 또는 뼈대 (framework)의 성장 이후 결정 내부를 완전히 채우지 못한 불완전한 결정조직을 말한다(Hibbard, 1995).

    백두산과 일본 규슈 흑요석 내 관찰되는 Arculites 는 자철석과 주변에 휘석이 공생관계를 이루는 결정 형태이다(Fig. 6). 이 Arculites는 산지에 따라 조직적 차이를 보인다. 백두산 지역 흑요석의 Arculites는 톱 니모양의 휘석결정에 자철석이 포획된 포이킬리틱 조 직(poikilitic texture)으로 관찰된다. 포이킬리틱 조직 은 핵 생성률(nucleation rates)은 다르나 비슷한 시기 에 성장한 전형적인 반정조직으로서(David, 1983) 두 광물 중 비교적 큰 광물 내 다른 작은 광물이 포획 되어(Williams, 1893) 고온과 저온 사이의 차별적인 결정 정출과정에서 형성되는 조직이다(Hibbard, 1995). 백두산 시료 Hunch에서 관찰되는 Arculites는 심성기 원의 화성암 조직 중 덧성장 조직(overgrowth texture) 에 해당하는 외륜 조직(corona texture) 혹은 라파키 비(rapakivi)와 유사한 형태로 관찰되며(Fig. 6), 이러 한 조직은 한 가지 광물이 결정화된 후 그 주위에 한 가지 혹은 그 이상의 광물들이 고리의 형태나 바 깥쪽 테두리 모습 그대로 자라난 조직으로서 통상 마그마 불균질 혼합작용과 이 작용에 수반된 과냉각 및 물질의 이동에 기인하지만(Hibbard, 1995), 흑요석 의 경우 과냉각의 효과를 지시한다고 볼 수 있다. 또 한 백두산 흑요석 내 Arculites는 회전하는 형태의 Asteroidal로 관찰되기도 하며(Fig. 6), 이 역시 포이 킬리틱 조직을 보이고 단순한 방사상의 결정모양이 아닌 회전하는(spiral) 결정 형태를 보인다. 한편 규슈 지역 흑요석의 Arculites는 주상의 자철석에 자형의 휘석이 붙어 있는 입상 조직(granular texture) 또는 입간 조직(intergranular texture)으로 관찰되며(Fig. 6) 이는 초기 과냉각과정에서 두 광물의 거의 동시 정 출을 지시한다(Hibbard, 1995). 따라서 Arculites 형태 의 결정들은 모두 과냉각에 정출된 조직을 나타내지 만, 백두산과 일본 규슈 흑요석에서 서로 다른 형태 를 보이기 때문에 산지 구분에 활용될 수 있다.

    규슈 흑요석 내 Margarite는 Lath 또는 Bacillite의 자형의 결정이 한 방향의 집합체를 이루는 미세결정 형태로 ‘swarm’을 이룬다(Fig. 7). 규슈 흑요석 내 관 찰되는 주상의 Belonites는 자철석 내지 티탄철석의 단결정으로 관찰되며 간혹 휘석조성의 Margarite 내 연정 혹은 포이킬리틱 조직으로 공생하기도 한다 (Fig. 7).

    한편, 백두산과 규슈 지역 흑요석 내 포함된 동일 분류상 형태의 미세결정이라 해도 서로 다른 세부 형태와 조직으로 산출되는 이유는 상이한 지체구조 환경, 즉 대륙 내부 환경의 백두산과 섭입대 화산호 환경의 규슈에서 생성되는 유문암질 마그마의 조성, 마그마 상승과정, 그리고 화도와 지표부근에서의 차 별적인 냉각과정 등에 관련될 것으로 판단되나, 향후 보다 구체적인 연구가 필요하다.

    결 론

    본 연구는 백두산과 일본 규슈 흑요석을 연구대상 으로 흑요석 내 미세결정에 대한 연구를 통해 산지 에 따른 형태적 차이점, 그리고 형태에 따른 조성적 차이점을 도출하였다.

    • 1. 백두산과 일본 규슈 흑요석을 구분할 수 있는 미세결정 형태로는 Arculites이며 두 지역의 흑요석 내 Arculites는 자철석과 주변에 공생하는 휘석의 형 태이나, 백두산의 경우 휘석 내 자철석이 포이킬리틱 조직, 규슈의 경우 주상의 자철석과 자형의 휘석이 컨서털 조직으로 관찰되는 차이를 보인다.

    • 2. 미세결정의 광물조성은 형태에 따라 특징적으로 관찰되며 Furculite, Scopulites는 주로 장석 조성, Bacillite, Crenulite는 휘석, 흑운모 조성, Belonites는 철산화광물 단독광물로 관찰되는 것이 특징이다.

    이러한 결과를 바탕으로 고고학의 석기로 산출되는 흑요석의 정확한 산지추정이 보다 구체적으로 이루어 질 것으로 기대된다.

    사 사

    이 연구는 국립문화재연구소의 2015년 문화유산융 복합연구(R&D) 사업 “흑요석 및 옥기의 산지추정을 위한 기초연구(3)”의 지원으로 이루어졌음을 밝힌다. 그리고 이 논문에 대해 세심한 검토를 해 주신 익명 의 심사자 세 분께 감사드린다.

    Figure

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    Typical morphologies of microlites crystallized as a function of undercooling degree according to Donaldson (1976).

    JKESS-38-546_F2.gif

    Type of crystallite and microlites of glassy rocks (Clark, 1961).

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    Photographs showing ‘Lath’, ‘Furculite’, ‘Scopulites’ in Kyushu obsidians.

    JKESS-38-546_F4.gif

    Typical morphologies of microlites according to the relative depth of undercooling magma in the conduit.

    JKESS-38-546_F5.gif

    Photographs showing ‘Bacilite’ and ‘Crenulite’ in Baekdusan and Kyushu obsidians. NK-11 is from Baekdusan; the others from Kyushu.

    JKESS-38-546_F6.gif

    Photographs showing ‘Arculites’ and ‘Asteroidal’ in Baekdusan (NK-1, NK-15, and Hunch) and Kyushu (K15-1, K15-2, and kosh) obsidians.

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    Photographs showing ‘Margarite’ and ‘Belonites’ in Kyushu obsidians.

    Table

    Reference

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