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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.29 No.3 pp.131-139
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2016.29.3.131

Shock Metamorphism of Plagioclase-maskelynite in the Lunar Meteorite Mount DeWitt 12007

Hyun Na Kim1*, Changkun Park2
1Department of Geoenvironmental Sciences, Kongju National University, Gongju 32588 Korea
2Division of Polar Earth-System Sciences, Korea Polar Research Institute, Incheon 21990, Korea
Corresponding author : +82-41-850-8513, hnkim@kongju.ac.kr
September 2, 2016 September 8, 2016 September 19, 2016

Abstract

Detailed knowledge on maskelynite, a glassy phase of plagioclase found in shocked meteorites and impact craters, is essential to understand a shock metamorphism. Here, we explore an inhomogeneous shock metamorphism in the lunar meteorite Mount DeWitt (DEW) 12007 with an aim to understand the formation mechanism of maskelynite. Most plagioclase grains in the DEW 12007 partially amorphized into maskelynite with a unidirectional orientation. Back-scattered electron (BSE) images of maskelynite show a remnant of planar deformation fracture possibly indicating that the maskelynite would be formed by solid-state transformation(i.e., diaplectic glass). Plagioclase with flow texture is also observed along the rim of maskelynite, which would be a result of recrystallization of melted plagioclase. Results of Raman experiments suggest that shock pressure for plagioclase and maskelynite in the DEW 12007 is approximately 5-32 GPa and 26-45 GPa, respectively. The difference in shock pressures between plagioclase and maskelynite can be originated from 1) external factors such as inhomogeneous shock pressure and/or 2) internal factors such as chemical composition and porosity of rock. Unfortunately, Raman spectroscopy has a limitation in revealing the detailed atomic structure of maskelynite such as development of six- or five-coordinated aluminum atom upon various shock pressure. Further studies using nuclear magnetic resonance spectroscopy are necessary to understand the formation mechanism of maskelynite under high pressure.


달운석 Mount DeWitt 12007의 마스컬리나이트 충격 변성 특성 연구

김 현나1*, 박 창근2
1공주대학교 지질환경과학과, 충청남도 공주시 공주대학로 56
2극지연구소 극지지구시스템연구부, 인천광역시 연수구 송도미래로 26

초록

마스컬리나이트(maskelynite)는 강한 충격에 의해 운석이나 크레이터(crater)에서 형성된 장석 조성의 비정질 상으로서, 마스컬리나이트의 형성 메커니즘에 대한 이해는 운석의 충격 변성 압력에 대한 중요한 정보를 제공한다. 본 연구는 마스컬리나이트의 형성 메커니즘을 규명하기 위한 예비연구 로서, 달운석 Mount DeWitt (DEW) 12007에서 관찰되는 사장석과 마스컬리나이트의 충격 압력의 불 균일성을 연구하였다. 달운석 DEW 12007에서 대부분의 사장석 입자 일부가 마스컬리나이트로 전이 하여, 하나의 입자 내에서 사장석과 마스컬리나이트가 방향성을 가지고 혼재하는 양상이 관찰된다. 주 사 전자 현미경의 후방 산란 이미지 관찰 결과, 마스컬리나이트 내부에 평면 변형 구조가 남아 있는 것은 다이어플렉틱 글래스일 가능성을 지시하는 것으로 보이는 반면, 입자 경계를 따라 사장석이 용 융 후 재결정된 흔적도 나타난다. 라만 분광분석 결과는 사장석이 약 5-32 GPa, 마스컬리나이트가 26-45 GPa의 충격 변성 압력을 받았음을 지시한다. 이와 같이 한 입자 내에서 서로 다른 충격 변성 압력은 충격파의 불균일한 분포와 같은 운석 외부에 의한 원인 또는 사장석 입자의 물리적, 화학적 특 성과 같은 운석 자체의 원인에 의해 발생할 수 있다. 하지만 라만 분광분석은 비정질 상(phase)인 마 스컬리나이트의 원자 구조를 규명하기에는 한계가 있으며, 고압 환경에서 형성될 것으로 예상되는 고 배위수 원자 환경의 관찰이 힘들다. 따라서 장석과 마스컬리나이트의 충격 압력 및 형성 메커니즘을 이해하기 위해, 장석과 마스컬리나이트의 화학 조성 및 원자 단위 구조의 규명이 필요하다.


    Kongju National University
    2015-0718-01

    서 론

    마스컬리나이트(maskelynite)는 운석 또는 운석 이 충돌한 크레이터(crater)에서 관찰되는 장석 조 성의 비정질 상으로서, 운석의 충돌과 같은 수십 GPa의 강력한 충격변성 작용에 의해 형성되는 것 으로 알려져 있다. 1872년 G. Tschermak가 셔고타 이트(Shergottite) 운석에 존재하는 라브라도라이트 (labradorite) 조성의 등방성 유리질 물질(isotropic glass)을 마스컬리나이트로 정의한 이후(Tschermak, 1872), 마스컬리나이트는 콘드라이트(chondrite)의 충격 변성 정도를 지시하는 지표로 활용되어 왔다 (Milton and de Carli, 1963; Stöffler et al., 1991; Chen and El Goresy, 2000; Greshake et al., 2004; Fritz et al., 2005; Xie and Sharp, 2007). 마스컬리나이트를 이용하여 운석의 충격 변성 압 력을 구체적으로 측정하기 위해, 마스컬리나이트의 형성 메커니즘 및 온도/압력에 대한 이해가 필수적 이지만, 아직 정확히 규명되지 못하였다(Cygan et al., 1992; Chen and El Goresy, 2000; Fritz et al., 2005; El Goresy et al., 2013; Jaret et al., 2015). 따라서, 본 연구에서는 마스컬리나이트의 형성 메 커니즘을 이해하고자 하는 궁극적인 목표의 일환 으로, 달 운석에서 관찰되는 마스컬리나이트의 산 출 특성을 광학 현미경, 주사전자현미경 및 라만 분광기를 이용해 연구하였다.

    달이나 화성기원의 운석은 지각의 일부가 강한 충 격(impact event)을 받으면, 모체(parent body)의 중 력권을 벗어날 수 있는 탈출 속도(escape velocity) 이상으로 가속되어 형성된다(Shoemaker et al., 1963; Min and Lee, 2010). 그 과정에서 광물의 충 격변성의 증거가 파동 소광(undulatory extinction) 및 평면 변형 구조(planar deformation feature, PDF) 의 발달, 고압상 결정질/비정질 광물의 존재, 고온 고압하에서 용융(melting)의 발생 등의 형태로 관 찰된다(Stöffler et al., 1991; Sharp and DeCarli, 2006). 그중, 마스컬리나이트는 운석이 20-35 GPa 의 강한 충격 변성을 받을 때, 장석이 비정질화 되 면서 형성된다(Stöffler et al., 1991; Grieve et al., 1996; Fritz et al., 2005). 운석의 탈출속도는 모체 의 크기와 대기의 존재 여부에 따라 달라지며, 운 석의 탈출속도가 클수록 운석이 우주로 방출되기 위해서는 강한 충격 변성이 필요하다. 따라서 모체 의 종류에 따라 운석에서 마스컬리나이트의 형성 빈도가 달라진다. 예를 들어 소행성 베스타(Vesta), 달 및 화성에서의 탈출속도는 각각 0.36, 2.38 km/s 및 5.03 km/s로 추정되며, 따라서 소행성 운 석의 약 5%, 달 운석의 약 30%, 그리고 화성 운석 의 약 93% 정도가 마스컬리나이트를 다량 포함하 고 있는 것으로 추정된다(Rubin, 2015).

    마스컬리나이트가 장석의 충격 변성에 의해 형 성되므로, 마스컬리나이트를 이용해 운석의 충격 변성 압력에 대한 정보를 얻고자 하는 노력이 지속 되어왔다(Chen and El Goresy, 2000; Fritz et al., 2005; Kubo et al., 2010; Tomioka et al., 2010; El Goresy et al., 2013; Kowitz et al., 2013). 라 만 분광분석은 박편 시료의 손상 없이 장석에서 마 스컬리나이트로의 상전이 과정에서 일어나는 원자 단위 구조 변화를 관찰할 수 있고, 다이아몬드 앤 빌 셀(diamond anvil cell)을 이용한 실시간(in-situ) 고압 실험에서도 활용 가능한 장점이 있어, 마스컬 리나이트의 형성 메커니즘 연구에 적극 활용되어 왔다(Heymann and Hörz, 1990; Fritz et al., 2005; Kubo et al., 2010; Tomioka et al., 2010). 장석의 라만 스펙트럼에서 T-O-T (T = Si 또는 Al 사면 체) 결합의 대칭적인 신축진동(symmetrical stretch) 은 약 480 cm-1 및 505 cm-1에서, Si-O-Si 결합의 대칭적인 신축진동은 1140-1120 cm-1 영역에서 약 20 cm-1의 반치폭을 가지고 서로 구분되어 관찰된 다. 또한, 150, 270 및 290 cm-1에서의 격자 진동양 상(lattice vibrational mode)이 관찰된다(Heymann and Hörz, 1990). 반면, 마스컬리나이트의 라만 스 펙트럼에서는 T-O-T 결합의 대칭적인 신축진동 (symmetrical stretch) 양상의 폭이 크게 증가하여, 두 진동 양상이 서로 겹쳐서 하나의 진동 양상처럼 나타난다. 이와 같이 라만 분광분석은, 비정질화에 따른 피크폭의 증가를 통해 장석에서 마스컬리나 이트로 상전이 여부를 쉽게 확인할 수 있다.

    마스컬리나이트의 라만 분광분석을 이용해 운석의 충격변성 압력을 추정하는 방법은, 장석의 고압실험 을 통해 형성된 마스컬리나이트의 라만 분광분석 결 과와 비교하는 것이다(Kubo et al., 2010; Tomioka et al., 2010; Jaret et al., 2015). 이와 같은 재현 실 험의 신뢰도를 높이기 위해서는 마스컬리나이트의 형성 메커니즘에 대한 이해가 선행되어야 한다. 오 랫동안 마스컬리나이트는 용융상태를 거치지 않고, 고압충격에 의한 고체 상태 전이(solid-state transformation)를 통해 형성된 다이어플렉틱 글래스 (diaplectic glass)로 생각되어 왔으며(Bunch et al., 1967; Hörz and Quaide, 1973), 마스컬리나이트의 충격 변성 실험은 일반적으로 상온 또는 용융점보다 낮은 온도 영역에서 실행되었다(Kubo et al., 2010; Tomioka et al., 2010; Jaret et al., 2015). 하지만 마 스컬리나이트가 충격 변성 과정에서 장석이 용융된 후, 빠른 속도로 냉각되어 형성된 일반적인 유리질 물질(normal glass)이라는 의견도 제시되고 있다 (Chen and El Goresy, 2000; Grady, 1980).

    기존의 이론을 따라 고체 상태 전이에 의해 마 스컬리나이트가 형성되는 경우에도, 상전이가 일어 나는 충격변성 압력은 온도 및 충격 변성 시간 (duration)에 따라 달라진다. 일반적으로 온도가 증 가하고 충격 변성 시간이 증가할수록 낮은 압력에 서 마스컬리나이트가 형성된다(Kubo et al., 2010; Tomioka et al., 2010). 예를 들어, 알바이트(albite) 의 압력증가에 따른 비정질화 실험에서, 고압 환경 하에서의 반응 시간이 충분한 다이아몬드 앤빌 셀 이 순간적인 고압 충격(shock) 실험을 할 때보다 약 10 GPa 정도 낮은 압력에서 마스컬리나이트가 형성되었다(Kubo et al., 2010; Tomioka et al., 2010). 참고로 화성 운석(martian meteorite)과 콘 드라이트의 충격변성 시간은 각각 약 0.01 s 및 1 s 정도로 추정되고 있으며(Ohtani et al., 2004; Beck et al., 2005; Xie and Sharp, 2007), 이러한 충격변성 시간의 차이는 운석의 모체에 따라 온도 나 압력이 동일하더라도 마스컬리나이트의 형성여 부가 달라질 수 있음을 의미한다. 이외에도 화학조 성, 입자크기 및 공극률 등 다양한 변수가 마스컬리 나이트의 형성 압력에 영향을 줄 수 있다(Heymann and Hörz, 1990; Kubo et al., 2010). 사장석 고용 체에서 Na 성분이 증가할수록 더 높은 압력에서 마스컬리나이트로의 상전이가 일어나, 동일한 실험 조건에서 안데신(andesine)에 비해, 올리고클레이 스(oligoclase)의 비정질화 압력이 약 5~6 GPa 정 도 증가하는 것으로 나타났다(Heymann and Hörz, 1990). 이와 같이 운석의 충격변성에 의한 광물의 비정질 매커니즘에 압력 이외에도 다양한 변수가 작용하므로, 단순히 고압 실험을 통해 재현된 마스 컬리나이트의 형성 압력을 이용해 운석의 충격변 성 압력을 추론하기는 쉽지 않다.

    마스컬리나이트를 이용해 운석의 충격변성 압력 을 추론하기 어려운 또 다른 원인은 불균일한 충격 변성의 정도에 있다. 동일한 운석 내에서도 충격 맥 (shock vein)은 고압 광물상으로 구성되어 있는 반면, 근처 기질(matrix) 쪽으로 갈수록 급격한 충격변성 정도의 감소가 관찰된 바 있다(Chen and El Goresy, 2000). 또한 충격변성을 받은 장석과 마스컬리나이트 가 동시에 관찰되는 운석이 다량 보고되었다(Fritz et al., 2005; Chen and El Goresy, 2000; Collareta et al., 2016). 이와 같은 관찰 결과는 외부에서 가해진 충격파(shock wave)의 불균일한 분포로 생각되었지 만, 운석의 공극률이나 광물의 화학조성의 차이 등 운석 자체의 물리적, 화학적 특성에 따라 장석의 일 부분만 마스컬리나이트로 전이했을 가능성도 배제할 수 없다. 따라서, 마스컬리나이트의 부분적 형성 메 커니즘 및 그 원인에 대한 이해가 필요하지만, 아직 체계적인 연구는 미흡한 실정이다.

    본 연구에서는 마스컬리나이트의 형성 메커니즘 을 이해하고자 하는 장기적인 연구의 일환으로, 달 운석에서 관찰되는 장석-마스컬리나이트 입자의 광물학적 특성을 관찰하고, 라만 분광분석을 실시 하여 장석과 마스컬리나이트가 받은 충격변성의 정도를 유추하고자 하였다. 또한 장석과 마스컬리 나이트가 함께 관찰되는 경우, 그 원인에 대해 고 찰해 보고자 하였다.

    연구 방법

    시료 준비

    본 연구에서 사용한 Mount DeWitt (DEW) 12007 운석은 2013년 극지연구소와 이탈리아의 남극운석 공동탐사대가마운트 드윗(Mt. Dewitt)의 청빙지대(위도 77°14.153’S, 경도 158°02.218’E)에 서 발견하였다. 이 운석은 수 mm 또는 그 이하의 크기를 가진 현무암질, 반려암질, 회장암질, 유리질 비드(bead) 등의 쇄설물(clast)들이 비현정질의 기 질에 둘러싸인 각력암으로, 주로 사장석(An>85)과 단사휘석(피지오나이트, 보통휘석)으로 이루어져 있다(Collareta et al., 2016; Han, 2016). 발견된 총 중량의 절반인 46.7 g의 시료를 극지연구소에 서 소유하고 있으며, 본 연구에서는 극지 연구소에 서 제작된 박편을 대여하여 사용하였다.

    분석 방법

    본 연구에서는, 달운석 DEW 12007 박편을 광학 편광현미경으로 관찰하여 사장석과 마스컬리나이트 입자를 찾아내었다. 박편을 약 25 nm 두께로 탄소 코팅한 후 극지연구소의 주사전자현미경(Scanning electron microscope; SEM; JEOL JSM 6610)을 이용해 가속 전압 15 kV, 스팟 사이즈 70에서 해당 입자의 후방산란전자(backscattered electron; BSE) 영상을 관찰하였다. 라만 분광분석은 공주대학교 공 동실험실습관의 Horiba Jobin Yvon의 LABRAM HR UV/VIS/NIR를 이용하여 수행하였다. 약 1 μm 지름의 632.8 nm 레이저와, 600 격자(grating) 를 사용하였다. 노출시간은 10초이며, 8번 스캔으 로 스펙트럼을 얻었다.

    결과 및 토론

    광학 편광현미경 및 후방산란 영상 관찰 결과

    달운석 DEW 12007의 편광현미경 관찰 결과, 수~수십 μm의 다양한 크기의 사장석-마스컬리나 이트 입자가 관찰되었다. 본 연구에서는 여러 개의 사장석-마스컬리나이트 입자 중 5개를 임의로 선 택하여 각각 1~5 관찰 위치(site)로 명명하였으며, Fig. 1은 해당 사장석-마스컬리나이트 입자의 편광 현미경 및 후방산란전자 영상을 보여준다. 편광현 미경의 직교 니콜 하에서 사장석은 옅은 회색에서 옅은 노란색으로 관찰되는 반면, 마스컬리나이트는 등방성이므로 소광되어 검정색으로 나타나 서로 쉽게 구분된다. 달운석 DEW 12007에서 대부분의 사장석 입자가 마스컬리나이트로 부분 전이되었으 며, 사장석 입자 전부가 마스컬리나이트로 전이된 온전한 마스컬리나이트 입자는 거의 관찰되지 않 았다. 또한 사장석 입자 내에서 마스컬리나이트의 형성 위치가 방향성을 가지고 분포한다. 이와 같은 결과는 운석의 충돌의 방향과 마스컬리나이트의 형성 위치가 서로 관련되어 있음을 지시한다. 참고 로 Fig. 1의 편광현미경 및 후방산란전자 영상에서 박편이 놓인 방향(orientation)은 모두 동일하며, 비 정질화가 일어난 방향성이 노란색 화살표로 표기 되어 있다. 충격변성의 중요한 증거의 하나인 평면 변형 구조가 1번, 3번, 5번 사장석에서 2방향으로 뚜렷하게 관찰되는데 반하여, 마스컬리나이트에서 는 평면 변형 구조나 충격변성에 의한 균열의 흔적 을 관찰하기 힘들다. 이와 같은 결과는 마스컬리나 이트의 형성과정에서 평면 변형 구조가 지워진 것 으로 생각된다.

    후방산란전자 영상 관찰 결과, 사장석 영역에서 는 충격변성을 받았을 때 형성되었을 것으로 생각 되는 균열이 뚜렷하게 반면, 마스컬리나이트 영역 에서는 균열이 없는 비교적 매끈한 조직을 가진다. 마스컬리나이트에서도 충격에 의해 형성된 것으로 보이는 평면 변형 구조의 흔적이 미세하게 관찰되 는데, 이는 본 시료에서 관찰된 마스컬리나이트가 고체 상태 전이에 의해 비정질화된 다이어플렉틱 글래스일 가능성이 높음을 시사한다(Stöffler, 1984; Stöffler, 2000). 용융에 의해 형성된 마스컬리나이 트의 경우, 평면 변형 구조나 균열이 용융과정에서 사라지고 매끈한(smooth) 조직이 나타나며, 용융상 태에서 부피 증가로 인해 마스컬리나이트 주위로 방사형태의 균열이 발생할 수 있다(Chen and El Goresy, 2000; El Goresy et al., 2013).

    Fig. 2는 관찰 위치의 광학 편광현미경 사진 및 후방산란전자 영상을 확대한 것으로, 마스컬리나이 트의 바깥쪽 경계(rim)를 따라 발달한 조직의 변화 의 보여준다. 미세한 충격변성의 흔적이 관찰되는 마스컬리나이트 내부의 조직과 달리, 마스컬리나이 트의 경계를 따라 마치 흐른듯한 조직(flow texture) 이 약 2~3 μm 두께의 띠 형태로 나타나며(Fig. 2 의 화살표), 일부 마스컬리나이트는 균열(crack)을 채우고 있다(Fig. 2B). 이는 마스컬리나이트의 입 자 경계를 따라 용융이 일어났음을 지시한다. 참고 로 사장석 영역에서는 입자 경계에서의 조직변화 가 관찰되지 않는다. 이 부분의 개방 니콜하에서의 편광현미경 영상(PPL)과 비교해보면 마스컬리나이 트와 굴절률이 다르고, 후방산란전자 영상에서도 마스컬리나이트보다 좀 더 어둡게 나타나는 것으 로 보아, 재결정이 일어났을 가능성이 높다고 판단 된다. 하지만, 후방산란전자 영상은 시료 표면(약 2 μm 이내)에 대한 정보를 주는 반면, 편광현미경은 빛이 투과되면서 박편 두께(약 30 μm)에 다른 광물 이 겹쳐서 존재할 수 있으므로, 두 영상이 완전히 동일한 정보를 제시한다고 말할 수는 없다. 본 연구 의 라만 분광분석에서 해당 영역의 라만 분광분석 을 시도했으나, 본 라만 분광기의 공간 분해능이 충 분히 높지 않아 신뢰할 수 있는 실험 결과를 얻지 못했다. 따라서 마스컬리나이트 경계에서 발생한 용 융의 재결정 여부를 확인하기 위하여, 공간적 분해 능이 높은 전자후방산란회절(electron backscatter diffraction, EBSD)이나 레이저의 지름이 1 μm 미 만의 라만분광기을 활용한 추가 연구가 요구된다.

    라만 분광분석 결과

    Fig. 3은 1번 사장석과 마스컬리나이트의 라만 스펙트럼으로서, 달운석 DEW 12007이 받은 충격 변성 정도에 대한 정보를 제공한다. 사장석 및 마 스컬리나이트의 라만 분광분석의 결과, 약 390, 480, 500, 550, 630, 665, 730 cm-1 및 820 cm-1에 서 크고 작은 피크가 관찰되었으나, 480, 500 cm-1 및 550 cm-1에서 관찰되는 피크를 제외하고는 박 편 제작과정에서 사용된 에폭시의 라만 스펙트럼 과 겹쳐서 나타난다. 다행히 마스컬리나이트의 충 격변성에 따른 T-O-T (T = Si 또는 Al 사면체) 결 합의 대칭적인 신축진동의 변화가 주로 관찰되는 약 440~600 cm-1 영역에서는 에폭시의 시그널이 관찰되지 않았다.

    라만 분광분석은 6개의 위치에서 측정되었는데 (Fig. 3A), 1-1과 1-2 위치는 편광현미경 하에서 마스컬리나이트로 관찰되는 영역을, 1-5와 1-6 위 치는 사장석이 관찰되는 영역을, 1-3과 1-4 위치는 사장석이 마스컬리나이트로 전이되는 영역에 각각 위치한다. Fig. 3B는 측정 위치에 따른 라만 스펙 트럼으로, 사장석에서 마스컬리나이트로 바뀌면서 T-O-T 결합의 대칭적인 신축진동의 양상이 점진적 으로 변해가는 것을 알 수 있다. 마스컬리나이트에 해당하는 1-1과 1-2 위치는 약 490 cm-1를 중심으로 반치폭이 약 50 ± 10 cm-1로 매우 넓은 피크가 관찰 되었다. 이처럼 폭이 넓고 높이가 낮은 피크는 비정 질 물질의 분광분석 스펙트럼에서 일반적으로 관찰되 는 특성이며(McMillan, 1984; Handke and Mozgawa, 1993), 이전의 마스컬리나이트의 라만 스펙트럼과 유사하다(Heymann and Hörz, 1990; Chen and El Goresy, 2000; Fritz et al., 2005; Jaret et al., 2015; Tomioka et al., 2010).

    사장석에 해당하는 1-5와 1-6 위치의 라만 분광분 석의 결과, 480 cm-1와 510 cm-1에서 두 개의 피크 가 약 20 ± 5 cm-1의 반치폭을 가지고 서로 겹쳐 나 타났으며, 560 cm-1에서도 작은 세기의 피크가 추가 로 관찰되었다. 유사한 피크 위치와 폭을 가지는 라 만 스펙트럼이 저압의 충격변성을 받은 사장석에서 전형적으로 관찰된다(Chen and El Goresy, 2000; Fritz et al., 2005; Tomioka et al., 2010). 1-3과 1-4 위치에서는 사장석의 피크 세기가 감소한 형태의 라만 스펙트럼이 관찰되며, 사장석과 마스컬리나이 트가 혼재하는 위치에서 예상되는 결과이다.

    이전의 콘드라이트의 라만 분광분석 연구와 비 교해 볼 때, 달운석 DEW 12007에서 관찰되는 사 장석의 라만 피크의 모양은 약 5-32 GPa의 충격변 성 압력을 겪은 콘드라이트에서 관찰되는 라만 스 펙트럼과 거의 유사하다(Fritz et al., 2005). 마스 컬리나이트의 경우, 약 26-45 GPa 충격변성 압력 을 겪은 것으로 생각되는 콘드라이트와 거의 유사 한 라만 스펙트럼이 나타난다(Fritz et al., 2005). 따라서 입자 전체에 균일한 압력의 충격이 가해졌 다고 가정하면, 달운석 DEW12007은 사장석과 마 스컬리나이트가 동시에 관찰될 수 있는 약 26-32 GPa 정도의 충격 변성을 받았을 것으로 생각된다. 달운석 DEW 12007에서 사장석 입자의 위치에 상 관없이 균일한 충격변성을 받았는지 확인하기 위 하여, 운석 내 여러 위치의 사장석-마스컬리나이트 입자의 라만 분광분석을 실시하였다. Fig. 4A4B는 1번~4번 사장석과 마스컬리나이트의 라만 스펙트럼을 각각 나타낸 것으로, 3번 사장석의 라 만 스펙트럼을 제외하고 거의 비슷하게 관찰되었다. 3번 사장석의 라만 스펙트럼은 마스컬리나이트와 사장석이 혼재하는 양상으로 관찰되었는데, 이는 편 광현미경 하에서 사장석으로 관찰되었지만, 실제로 는 사장석의 일부가 마스컬리나이트로 전이된 위치 를 사장석으로 생각하고 라만 실험을 진행한 것으 로 판단된다. 마스컬리나이트의 라만 스펙트럼은 관 찰 위치에 상관없이 대체로 비슷한 스펙트럼을 가 지고 있다. 이와 같은 결과는, 이 운석에 존재하는 대부분의 사장석과 마스컬리나이트가 서로 비슷한 충격변성 작용을 받았음을 지시하며, 운석에서 사장 석-마스컬리나이트의 입자 위치에 따른 충격 압력 의 차이는 존재하지 않는 것으로 생각된다. 또한 마 스컬리나이트와 사장석이 함께 관찰되는 경우, 라만 실험을 진행하는 레이저의 위치에 따라서 스펙트럼 이 완전히 달라질 수 있으므로, 국소적인 위치의 원 자환경에 대한 정보를 제공하는 라만 분광분석을 통해 사장석과 마스컬리나이트의 충격 압력을 측정 하기 위해서는 연구자의 주의가 필요하다.

    충격변성 작용의 불균일성

    달운석 DEW 12007의 편광현미경 및 라만 분광 분석 결과를 토대로 운석 전체에 가해진 충격 압력 은 비교적 균일했다고 보여지나, 사장석의 일부가 마스컬리나이트로 전이된 것은 사장석 입자 내에 서 서로 다른 정도의 충격변성이 일어났음을 지시 한다. 하나의 입자 내에서 충격변성을 받은 사장석 의 형성, 고체 전이에 의한 비정질 마스컬리나이 트, 용융 후 재결정 된 사장석 흔적이 모두 나타나 는데, 일반적으로 충격 변성에 의한 사장석의 복굴 절률 감소, 고체 전이에 의한 비정질 마스컬리나이 트의 형성, 사장석의 용융으로 갈수록 강한 충격변 성을 지시한다(Grieve et al., 1996; Stöffler et al., 1991). 이와 같은 결과는, 운석이 충격을 받는 과 정에서 균일한 충격파가 가해졌음에도 불구하고, 모체에 존재하던 사장석의 물리적, 화학적 특성에 의해 동일한 입자 내에서 서로 다른 정도의 충격변 성이 일어났음을 지시한다. 동일한 충격을 가하는 경우에도, 충격변성 결과는 사장석의 화학 조성이 나 공극률 등 광물 자체의 특성에 의해서 달라질 수 있다(Jaret et al., 2015; Kowitz et al., 2013). 달운석 DEW 12007의 사장석-마스컬리나이트 입 자에서 관찰되는 비정질화 방향성의 존재는, 충격 변성의 불균일성이 충격 과정의 물리적인 원인에 의한 가능성이 높음을 지시한다. 암석 내의 공극이 충격이 가해진 지점에서 멀어질수록 충격변성 정도 가 감소할 수 있다(Kowitz et al., 2013). 또는, 사장 석과 주위 광물의 충격 임피던스(shock impedance) 의 차이에 의해 반사된 충격파에 의한 충격변성의 차이가 발생할 가능성도 배제할 수 없다(Stöffler and Langenhorst, 1994).

    이와 같이 동일한 운석의 하나의 입자에서도 서 로 다른 충격변성의 정도가 관찰되는 원인을 규명 하기 위해서는, 장석과 마스컬리나이트의 화학 조 성 및 원자 단위의 구조 변화에 대한 정보가 필요 하다. 약 6~8 GPa의 압력에서도 비정질 Na-규산 염 물질(Na-silicate glasses)에서 [5]Al와 [6]Al의 고 배위수 알루미늄 원자 환경이 관찰된 바 있다(Lee et al., 2004). 따라서 수~수십 GPa의 고압 환경 하 에서 형성된 마스컬리나이트에서도 고배위수의 원 자 환경이 형성될 것으로 생각되며, 이를 이용하여 마스컬리나이트의 충격 변성 압력을 정량적으로 측정할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 비정질 시료의 원자단위 구조에 대한 정보를 제공할 수 있 는 고상 핵자기 공명 분광분석 또는 XANES (X-ray absorption near edge structure)를 이용한 추가 연구가 요구된다.

    결 론

    본 연구에서는 마스컬리나이트의 형성 메커니즘 을 이해하고, 운석의 충격변성 지시자로 활용하기 위한 장기적인 연구의 일환으로, 달운석 DEW 12007에 존재하는 장석과 마스컬리나이트의 광물 학적 조직을 관찰하고, 라만 분광분석을 실시하였 다. 충격변성에 의해 달운석 DEW 12007에서 사 장석의 일부가 방향성을 가지고 마스컬리나이트로 전이되었으며, 일부 용융의 흔적도 입자의 경계에 서 관찰되었다. 라만 분광분석 결과, 사장석과 마 스컬리나이트가 각각 약 5-32 GPa, 26-45 GPa 압 력의 충격을 받았을 것으로 추정되지만, 이와 같은 불균일한 충격 변성 압력의 원인에 대해서는 추가 적인 연구가 필요하다. 마스컬리나이트를 충격변성 압력의 지시자로 활용하기 위해서는 라만 분광분 석 이외에 핵자기 공명 분광분석 같은 새로운 분광 법의 활용이 필요하다.

    사 사

    라만 분광분석 실험에 도움을 준 서울대학교 지구환경 과학부 김효임 연구원, 공주대학교 지질환경과학과 김창 현 연구원, 공주대학교 공동실험실습관 박상민 박사님께 감사드립니다. 본 연구는 2015년 공주대학교 학술연구지 원사업(2015-0718-01)의 지원을 받아 수행되었습니다.

    Figure

    JMSK-29-131_F1.gif

    Optical microscopic and scanning electron microscopy-backscattered electron (SEM-BSE) images of plagioclase (Pl) and maskelynite (Msk) in the lunar meteorite DEW 12007 showing the oriented direction in the formation of maskelynite. Left and middle images are taken with cross-polarised light (XPL) and plane polarised light (PPL), respectively. Regions outlined in BSE images are shown in detail in Fig. 2.

    JMSK-29-131_F2.gif

    Enlarged optical microscopic and SEM-BSE image of white rectangular box in Fig. 1. Arrows indicate the flow texture along the rim of the maskelynite.

    JMSK-29-131_F3.gif

    (A) Optical microscopic XPL image and Raman spectra of plagioclase-maskelynite in site 1 with varying location of measuring spot. Note that the Raman spectrum for epoxy in the thin section is shown as background signal.

    JMSK-29-131_F4.gif

    Raman spectra of (A) plagioclase and (B) maskelynite in the lunar meteorite DEW 12007. Asterisks denotes the background signal originated from epoxy in the thin section.

    Table

    Reference

    1. Beck P , Gillet P , El Goresy A , Mostefaoui S (2005) Timescales of shock processes in chondritic and martian meteorites , Nature, Vol.435 (7045) ; pp.1071-1074
    2. Bunch T , Cohen AJ , Dence M (1967) Natural terrestrial maskelynite , American Mineralogist, Vol.52 (1-2) ; pp.244-253
    3. Chen M , El Goresy A (2000) The nature of maskelynite in shocked meteorites: not diaplectic glass but a glass quenched from shock-induced dense melt at high pressures , Earth and Planetary Science Letters, Vol.179 (3-4) ; pp.489-502
    4. Collareta A , D’Orazio M , Gemelli M , Pack A , Folco L (2016) High crustal diversity preserved in the lunar meteorite Mount DeWitt 12007 (Victoria Land, Antarctica) , Meteoritics & Planetary Science, Vol.51 (2) ; pp.351-371
    5. Cygan RT , Boslough MB , Kirkpatrick RJ (1992) NMR spectroscopy of experimentally shocked quartz and feldspar powders , Proceedings of Lunar and Planetary Science, Vol.22 ; pp.127-136
    6. El Goresy A , Gillet P , Miyahara M , Ohtani E , Ozawa S , Beck P , Montagnac G (2013) Shock-induced deformation of Shergottites: Shockpressures and perturbations of magmatic ages on Mars , Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.101 ; pp.233-262
    7. Fritz J , Greshake A , Stöffler D (2005) Micro-Raman spectroscopy of plagioclase and maskelynite in Martian meteorites: Evidence of progressive shock metamorphism , Antarctic Meteorite Research, Vol.18 ; pp.96-116
    8. Grady DE (1980) Shock deformation of brittle solids , Journal of Geophysical Research: Solid Earth, Vol.85 (B2) ; pp.913-924
    9. Greshake A , Fritz J , Stoffler D (2004) Petrology and shock metamorphism of the olivine-phyric shergottite Yamato 980459: Evidence for a two-stage cooling and a single-stage ejection history , Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.68 (10) ; pp.2359-2377
    10. Grieve RAF , Langenhorst F , Stöffler D (1996) Shock metamorphism of quartz in nature and experiment: II. Significance in geoscience , Meteoritics & Planetary Science, Vol.31 (1) ; pp.6-35
    11. Hörz F , Quaide WL (1973) Debye-scherrer investigations of experimentally shocked silicates , The Moon, Vol.6 (1) ; pp.45-82
    12. Han J (2016) Petrography, geochemistry and age of granophyre clast in the lunar meteorite DEW 12007. Department of Earth System Sciences, Master, Yonsei university,
    13. Handke M , Mozgawa W (1993) Vibrational spectroscopy of the amorphous silicates , Vibrational Spectroscopy, Vol.5 (1) ; pp.75-84
    14. Heymann D , Hörz F (1990) Raman-spectroscopy and X-ray diffractometer studies of experimentally produced diaplectic feldspar glass , Physics and Chemistry of Minerals, Vol.17 (1) ; pp.38-44
    15. Jaret SJ , Woerner WR , Phillips BL , Ehm L , Nekvasil H , Wright SP , Glotch TD (2015) Maskelynite formation via solid-state transformation: Evidence of infrared and X-ray anisotropy , Journal of Geophysical Research: Planets, Vol.120 (3) ; pp.570-587
    16. Kowitz A , Güldemeister N , Reimold WU , Schmitt RT , Wünnemann K (2013) Diaplectic quartz glass and SiO2 melt experimentally generated at only 5 GPa shock pressure in porous sandstone: Laboratory observations and meso-scale numerical modeling , Earth and Planetary Science Letters, Vol.384 ; pp.17-26
    17. Kubo T , Kimura M , Kato T , Nishi M , Tominaga A , Kikegawa T , Funakoshi KI (2010) Plagioclase breakdown as an indicator for shock conditions of meteorites , Nature Geoscience, Vol.3 (1) ; pp.41-45
    18. Lee SK , Cody GD , Fei YW , Mysen BO (2004) Nature of polymerization and properties of silicate melts and glasses at high pressure , Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.68 (20) ; pp. 4189-4200
    19. McMillan P (1984) Structural studies of silicate glasses and melts-applications and limitations of Raman spectroscopy , American Mineralogist, Vol.69 (7-8) ; pp.622-644
    20. Milton DJ , de Carli PS (1963) Maskelynite: Formation by explosive shock , Science, Vol.140 (3567) ; pp.670-671
    21. Min K , Lee SR (2010) (U-Th)/He dating on martian meteorites: A review and perspective , Journal of Petrological Soceity of Korea, Vol.16 (4) ; pp.255-267
    22. Ohtani E , Kimura Y , Kimura M , Takata T , Kondo T , Kubo T (2004) Formation of high-pressure minerals in shocked L6 chondrite Yamato 791384: constraints on shock conditions and parent body size , Earth and Planetary Science Letters, Vol.227 (3-4) ; pp.505-515
    23. Rubin AE (2015) Maskelynite in asteroidal, lunar and planetary basaltic meteorites: An indicator of shock pressure during impact ejection from their parent bodies , Icarus, Vol.257 ; pp.221-229
    24. Sharp TG , DeCarli PS (2006) Shock effects in meteorites , Meteorites and the Early Solar System II, Vol.943 ; pp.653-677
    25. Shoemaker EM , Hackman RJ , Eggleton RE (1963) Interplanetary correlation of geologic time , Advanced in the Astronautical Sciences, Vol.8 ; pp.70-89
    26. Stöffler D (1984) Glasses formed by hypervelocity impact , Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.67 (1) ; pp.465-502
    27. Stöffler D (2000) Maskelynite confirmed as diaplectic glass: Indication for peak shock pressures below 45 GPa in all Martian meteorites , Lunar and Planetary Science Conference, Vol.31 ; pp.-1170
    28. Stöffler D , Keil K , Edward RDS (1991) Shock metamorphism of ordinary chondrites , Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.55 (12) ; pp.3845-3867
    29. Stöffler D , Langenhorst F (1994) Shock metamorphism of quartz in nature and experiment: I. Basic observation and theory , Meteoritics, Vol.29 (2) ; pp.155-181
    30. Stöffler D , Ostertag R , Jammes C , Pfannschmidt G , Gupta PRS , Simon SB , Papike JJ , Beauchamp RH (1986) Shock metamorphism and petrography of the Shergotty achondrite , Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.50 (6) ; pp.889-903
    31. Tomioka N , Kondo H , Kunikata A , Nagai T (2010) Pressure-induced amorphization of albitic plagioclase in an externally heated diamond anvil cell , Geophysical Research Letters, Vol.37 ; pp.-L21301
    32. Tschermak G (1872) Die Meteoriten von Shergotty und Gopalpur. Sitzungsberichte / Akademie der Wissenschaften in Wien , Mathematisch-Naturwissenschaftliche Klasse Abteilung I, Vol.65 ; pp.122-146
    33. Xie Z , Sharp TG (2007) Host rock solid-state transformation in a shock-induced melt vein of Tenham L6 chondrite , Earth and Planetary Science Letters, Vol.254 (3-4) ; pp.433-445