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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.39 No.6 pp.568-574
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.39.6.568

Detailed Morphology and Texture of Microlites in Obsidian observed through Electron Microscopy

Yong-Joo Jwa1*, Ga-hyun Hwang1,2
1Department of Geology and Research Institute of Natural Sciences, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Korea
2Restoration Technology Division, National Research Institute of Cultural Heritage, Daejeon 34122, Korea
Corresponding author: jwayj@gnu.ac.kr Tel: +82-55-772-1475
October 15, 2018 November 19, 2018 December 19, 2018

Abstract


Microlite is crystallized under the supercooled condition of volcanic magma. This study reports the morphology and texture of microlites included in the obsidians from the Baekdusan (Mt. Baekdu), Kyushu (Japan), Hokkaido (Japan) and Lipari Island (Italy) by using a scanning electron microscope (SEM). Morphology and texture observed from the back scattered electron (BSE) image could give more detailed information on the microlite crystallization which cannot be acquired from the conventional optical microscope. Ten types of microlites are newly described according to the 14 morphological types of microlites by Clark (1961): Lath, Crenulite, Bacillite, Margarite, Belonites, Trichites, Arculites, Furculite, Scopulites, Scopulitic growth. Detailed description of the ten microlites can be used to interpret the crystallization and paragenetic relations of crystals during the cooling of acidic volcanic magma.



전자현미경을 이용한 흑요석 내 미세결정의 형태와 조직 관찰

좌 용주1*, 황 가현1,2
1경상대학교 지질과학과 및 기초과학연구소, 52828, 경상남도 진주시 진주대로 501
2국립문화재연구소 복원기술연구실, 34122, 대전광역시 유성구 문지로 132

초록


흑요석 내 미세결정은 화산암질 마그마의 과냉각 조건에서 정출된 아주 작은 결정이다. 백두산, 일본 규슈와 홋 카이도, 그리고 이태리 리파리 섬에서 산출되는 흑요석을 대상으로 그 내부에 포함된 미세결정의 형태와 조직을 전자현 미경을 사용하여 관찰하여 정리하였다. 전자현미경의 후방산란전자 이미지로부터 관찰한 보다 자세한 미세결정에 대한 형태학적 분류는 기존의 광학현미경으로 얻을 수 없는 미세결정의 결정화에 대한 정보를 제공해 준다. 이 논문에서는 Clark (1961)의 미세결정 형태 분류 14가지 중에서 10가지에 대해 새로이 기재하였다. 즉, Lath, Crenulite, Bacillite, Margarite, Belonites, Trichites, Arculites, Furculite, Scopulites, Scopulitic growth 등의 미세결정에 대한 형태와 조직적 특징을 구체적으로 살펴보았다. 이런 기재적 연구로부터 향후 산성 마그마의 냉각과정동안 흑요석 내 미세결정의 결정 작용과 광물 공생관계를 밝히는데 활용될 것이다.



    Gyeongsang National University

    서 론

    선사시대 석기(prehistoric artefacts)의 중요 재료로 사용되었던 흑요석은 그 산출지가 화산분출지에 한정 되어 있어 흑요석 유물의 산지해석을 위해 지질학적 및 지구화학적 연구 방법들이 도입되고 있다(예: Yi and Lee, 1996;Cho et al., 2006;Yi and Jwa, 2016). 흑요석에는 1 μm 내외의 크기를 가지는 미세 결정들이 포함되어 있는데, 이 미세결정들은 마그마 가 지하에서 지표로 상승하면서 과냉각차이가 커짐에 따라 형성된다(Donaldson, 1976). 미세결정의 기재적 연구로 최초의 사례로 꼽히는 Clark(1961)에서는 유 리질 암석 내 미세결정을 형태에 따라 분류한 바 있 으나 광학현미경만을 이용한 것으로, 고해상도의 전 자현미경을 통해 관찰한 미세결정의 형태와는 차이가 있다(Fig. 1). 우리나라에서 미세결정 형태를 통한 광 물기재적 연구는 Cho et al.(2005)Jang et al. (2007)에서 매우 간단히 언급되었고, Jin et al.(2014) 에서 비교적 자세하게 연구된 바 있으며, 미세결정의 정출, 조직 및 광물 공생관계 등에 대한 연구는 Hwang and Jwa(2017)을 제외하고 그 사례가 매우 드물다. 한편 과거 Clark(1961)의 분류에 대한 보다 정확한 광물학적 재해석이 필요하고, 이를 위해서는 과거의 광학현미경을 사용한 형태 분류와 전자현미경 을 사용한 형태 분류를 비교검토할 필요가 있다. 본 연구에서는 Hwang and Jwa(2017)에 의해 형태와 조 직이 잘 정리되어 있는 백두산과 일본 규슈에서 산 출되는 흑요석과 더불어 아직 발표된 적이 없는 일 본 홋카이도와 지중해 리파리 섬 등지의 흑요석을 추가하여 미세결정에 대한 광학현미경과 전자현미경 관찰을 실시하고, 형태와 조직에 따라 미세결정의 공 생관계가 어떻게 나타나는지를 정리하고자 한다.

    연구 방법

    백두산 흑요석과 일본 규슈 흑요석의 경우 그 위 치는 Hwang and Jwa(2017)에서 찾을 수 있다. 일본 홋카이도 흑요석은 시라타키 지역의 흑요석 산지에서 수집되었으며, 지중해 흑요석은 이태리 남서부의 리 파리 섬에서 수집된 것이다. 시라타키와 리파리 섬은 둘 다 선사시대 흑요석 산지로 잘 알려진 장소이다 (예: Izuho and Hirose, 2010;Martinelli et al., 2016).

    흑요석 내 미세결정의 정확한 형태와 구성 광물의 종류를 정성적으로 파악하기 위해 고배율의 편광현미 경 관찰을 실시한 다음, 경상대학교 공동실험실습관 의 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope; FE-SEM)을 사용하여 형태와 조직을 관찰하고 극지연구소의 전계방출형 전자현미 분석기(Field Emission Electron Micro Probe Analyzer; FE-EPMA; Jeol, JXA-8530F)을 이용하여 광물의 조 성을 파악하였다. 분석조건은 가속전압 10 kV, 빔전 류 20 nA, 빔크기는 spot (1 μm)으로 분석하였으며 분석을 통해 얻은 SEM IMAGE로 CorelDRAW X5 program을 이용하여 미세결정 형태 분류작업을 수행 하였다.

    흑요석 내 미세결정의 기재적 특징

    흑요석 내 미세결정의 형태 구분에 대한 연구 중 Clark(1961)의 결과는 유리질 암석 내 미세결정의 형 태를 종합적으로 분류한 최초의 사례이며(Fig. 2), Ross(1962) 역시 실제 산지의 흑요석을 대상으로 미 세결정의 형태를 묘사하였다. 이후, Sharp et al. (1996)은 크기에 따라 미세반정(microphenocrysts), 미 세결정(microlites), 나노결정(nanolites)로 구분하기도 하였고, Manga(1998)는 결정화와 유동구조를 반영한 미세결정의 배열특징에 대한 정량적인 접근을 시도하 였다. 하지만 미세결정에 대한 일련의 연구는 고배율 광학현미경을 사용한 형태적 분류이며, 그런 분류가 결정정출의 어떤 조건을 지시하는지에 대한 정보는 거의 없다.

    Clark(1961)이 미세결정 구분에 사용한 개별 형태 의 생성과정이나 물리화학적 환경에 대한 고찰은 Hwang and Jwa(2017)에 의해 이루어졌다. 가령 Clark(1961)의 분류에 따라 광학현미경에서 Lath와 Arculites 정도로만 구분이 가능한 미세결정은 전자현 미경 하에서 관찰한 결과, Lath, Furculite, Scopulites 등으로 나타나며 사장석 조성을 나타낸다(Hwang and Jwa, 2017). 그리고 Furculite는 한 다발에서 양 끝만이 갈라진 형태인 반면 Scopulites는 Furculite가 뭉쳐져 더 두꺼운 형태로 두 형태는 덴드리틱 조직 (dendritic texture)을 보이기도 한다. 이처럼 기존의 흑요석내 미세결정의 형태에 대한 연구 결과가 실제 결정들의 조직과 공생관계 규명에 대한 해석에서 오 류를 도출할 가능성이 있기 때문에 광학현미경의 형 태분류를 전자현미경을 사용하여 보다 명확하게 분류 해보았다.

    흑요석 산지에 따라 가장 크게 구분이 되는 미세 결정의 형태로는 Acicular 타입과 Asteroidal 타입 두 가지가 있다. 먼저, 광학현미경하에서 관찰되는 Acicular 타입의 미세결정은 전자현미경 관찰결과 Arculites로 주로 구성되며 Arculites는 철산화물과 휘석이 공생을 이룬다. 백두산 흑요석의 경우 톱니모양의 휘석결정 에 소량의 자철석이 공생하며, 일본 규슈 흑요석의 경우 주상의 자철석에 자형의 휘석이 붙은 형태로 관찰된다(Fig. 3).

    또한, 흑요석 내 철산화물의 길이나 크기에 따라 홋카이도의 경우 규슈지역의 흑요석보다 자철석이 길 거나 넓은 면적으로 나타나며 단독으로 존재하는 자 철석도 규슈보다 확연히 많다(Fig. 4). 반면 규슈지역 의 경우 자철석은 단독형태보다 주로 휘석과 함께 Arculites로 관찰되며 TiO2의 함량에 따라 티탄철석이 관찰되어 일본 흑요석을 구분하는 기준이 될 수 있 다고 판단된다(Fig. 5).

    홋카이도와 규슈 흑요석의 경우 광학현미경 하에서 관찰되는 Lath 타입은 전자현미경에서는 Crenulite로 나타난다(Fig. 6) 그러나 Crenulite의 광물조성에 따라 홋카이도의 경우 휘석 또는 감람석, 규슈의 경우 주 로 장석, 흑운모, 휘석 등의 조성을 가진다(Fig. 7). 지금까지 살펴 본 것처럼, 같은 미세결정의 타입이라 하더라도 광물의 공생관계가 다르게 나타나기도 하고 또한 광물 조성이 전혀 다른 경우도 있다.

    미세결정의 형태와 조직을 좀 더 자세하게 기재하 기 위해 백두산, 규슈, 홋카이도, 리파리 섬의 흑요석 으로부터 전자현미경의 후방산란전자(BSE) 이미지를 획득하고 스케치하였다. 네 가지 흑요석에 대한 관찰 결과, Clark(1961)의 미세결정 14개 타입 중 10개의 타입이 확인되었으며, 산지별 형태는 Fig. 8과 같다.

    전자현미경에서 확인되는 미세결정 10개 타입은 산지에 따라 조금씩 다르게 산출되지만 형태학적 분 류에서는 거의 유사하다. 일본의 홋카이도 흑요석에 서는 가장 많은 10개의 타입이, 규슈 흑요석에서는 8 개, 지중해 리파리 섬에서는 5개, 그리고 백두산 흑 요석에서는 4개의 타입이 나타난다. 한편, Clark (1961)이 분류한 미세결정의 형태 중에서 Globulite, Cumulite, Rotolite, Spherulite 등의 타입들은 연구 대 상인 세 지역의 흑요석에서는 나타나지 않는다. 흑요 석 산지에 따라 미세결정의 형태가 서로 다르게 나 타나는 것은 산성 마그마의 분출과 냉각과정의 차이 로 발생하였을 것으로 생각되며, 향후 이에 대한 추 가적인 연구가 필요하다.

    같은 형태의 미세결정이라 하더라도 공생하는 광물 의 종류에서 차이를 보이기도 한다. 이는 마그마의 조성과 비평형 하에서의 정출작용의 차이로 해석되는 데(Hwang and Jwa, 2017;Jwa et al., 2018), 이와 같은 마그마 성인론에 대한 부분으로 여기서는 언급 하지 않기로 한다.

    고찰 및 결론

    백두산, 일본의 홋카이도와 규슈 그리고 지중해 리 파리 섬에서 산출되는 흑요석에 포함된 미세결정을 전자현미경을 이용하여 관찰한 결과 광학현미경에서 얻을 수 없는 조직에 대한 정보를 구할 수 있었다. 제한적인 시료이기 하지만, Clark(1961)이 분류한 미 세결정 형태 중 10개 타입에 대해 보다 구체적인 형 태학적 정보가 수집되었고(Fig. 8), 이를 정리하면 Table 1과 같다.

    Lath 타입은 침상 또는 주상으로 자형의 미세결정 이며, Crenulite 타입은 Lath의 양 끝부분 또는 중심 부가 융식된 형태의 골격조직(skeletal texture)을 보인 다. Bacillite Lath는 양 끝부분이 돌출된 마름모꼴 (diamond-shaped) 형태로서, 부분적으로 중심부가 빈 골격의 스폰지조직(spongy cellular texture)을 보이기 도 한다. Margarite는 Lath 또는 Bacillite 등의 미세 결정이 한 방향의 군집(swarm)을 이루며 결합된 형 태로서, 간혹 집합체(aggregates)로부터 결합이 끊어 지거나 1 μm 이내에 선상의 배열을 이루는 형태이다.

    Belonites는 대체로 단독 조성의 주상의 형태로 나 타나는데, 중심부가 오목한 Clavalite, 긴 타원형의 Longulite, 중심부가 볼록한 Spiculite로 세분된다. Trichites는 Asteroidal 타입과 Acicular 타입으로 구분 된다. Asteroidal 타입은 회전(spiral) 또는 방사상 (radial) 형태로 나타나며, Acicular 타입은 Lath를 비 롯해 미세결정 형태에 관계없이 선상의 집합체 (aggregation)를 이루는 경우이다.

    Arculites는 긴 주상 또는 Belonites의 뭉툭한 (stubby-type) 결정에 하나 이상의 결정이 공생하는 포이킬리틱(poikilitic) 또는 연정조직(intergrowth texture) 을 보인다. Furculite는 가느다란 하나의 다발에서 양 끝부분이 여러 갈래로 갈라진 신경세포 형태이다. Scopulites는 Furculite의 집합체로 나타나며, Scopulitic growth는 중심부에 위치한 Lath 또는 Bacillite 등의 결정이 주변부로 가면서 수지상 혹은 깃털모양의 조 직(dendritic texture)을 이루는 경우이다.

    이상과 같은 흑요석 내 미세결정의 형태와 조직은 기존 광학현미경에서 자세히 인지되지 못했던 것으로 향후 각 미세결정의 정출과 공생관계를 해석하는데 중요한 정보를 제공할 것이다.

    사 사

    이 연구는 2015년도 경상대학교 발전기금재단 재 원으로 수행되었음을 밝힌다. 논문을 읽고 유익한 조 언을 해 주신 세 분의 심사자께 감사드린다.

    Figure

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    Type of microlites observed in the optical microscopy (left) and in the electron microscopy (right).

    JKESS-39-568_F2.gif

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

    JKESS-39-568_F3.gif

    SEM-BSE images and their sketches of the arculite-type microlites in the Baekdusan obsidian (left) and in the Kyushu obsidian (right). Abbreviations: i.o, Fe-oxide microlite; py, pyroxene microlite.

    JKESS-39-568_F4.gif

    Sketches of SEM-BSE images for the mircolites from the Hokkaido obsidian (left) and the Kyushu obsidian (right). Abbreviations are the same as Fig. 3.

    JKESS-39-568_F5.gif

    Sketches of SEM-BSE images for the Fe-oxide mircolites from the Hokkaido obsidian (left) and the Kyushu obsidian (right). Abbreviations are the same as Fig. 3, and ilm stands for ilmenite microlite.

    JKESS-39-568_F6.gif

    Lath-type microlites in the Hokkaido Shirataki obsidian observed through the opitical microscope (left), and SEM-BSE images indicate that they are divided into lath-type and crenulte-type. Abbreviations: ol, olivine; py, pyroxene microlite.

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    Crenulite microlites from the Hokkaido Shirataki obsidian are of olivine (ol) and pyroxne (py) crystals (left), whereas those from the Kyushu obsidian of plagioclase (pl), biotite (Bt) and pyroxene (py) (right).

    JKESS-39-568_F8.gif

    Microlite morphology from the Baekdusan (NK), Kyushu (K), Hokkaido (H), and Lipari (MeS) obsidians through electron microscopy observation. Abbreviations are the same as Figs. 3, 5 and 7.

    Table

    Description of microlite types through SEM-BSE observation

    Reference

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