<사진. KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

지구에서 가장 풍부한 광물

고대 운석과 고에너지 X-선이 과학자들이 지구의 38퍼센트까지를 이루는 한 광물을 찾고, 확인하고 특징을 알아내기 위한 반세기의 노력의 결론을 내리는 것을 도왔다.

그림. 1879년에 호주에 떨어진 운석의 한 영역. 브리지마나이트(Bridgmanite)는 소행성 충돌의 강하고 빠른 충격으로부터 나온 어두운 광맥에 형성되어 갇혔다. 과학자들의 팀이 아르곤국립연구소의 개량광자원(Argonne National Laboratory`s Advanced Photon Source)을 이용해서 Bridgmanite의 정의-지구의 가장 풍부한 광물이고 마그네슘 철 규산염의 고밀도 형태-를 명확하게 했다.

고대 운석과 고에너지 X-선이 과학자들이 지국의 38퍼센트까지를 이루는 한 광물을 찾고, 확인하고, 특징을 알아내는 반세기의 노력을 결론내리는 것을 도왔다. 그리고 그렇게 하는데, 라스베이거스대(University of Las Vegas)의 광물학자인 Oliver Tschauner가 이끈 과학자들이 지구의 가장 풍부한 광물?이제는 브리지마나이트(Bridgmanite)라고 불리는 마그네슘 철 규산염(magnesium iron silicate)의 정의를 명확히 하고?의 형성을 위한 제한 범위를 추정했다. 그들의 연구는 미국 에너지국(U.S. Department of Energy (DOE))의 아르곤국립연구소에 위치한 DOE의 과학사용자 시설(Science User Facility)인 개량광자원(Advanced Photon Source)에서 수행되었다.

그 광물은 1964년 노벨상 수상자이며 고압 연구의 선구자인 Percy Bridgman을 따라서 이름붙여졌다. 그 작명은 과학적 용어에서의 성가신 차이를 고치는 것 이상을 한다; 그것은 또한 지구 깊은 곳에 대한 우리의 이해를 도울 것이다.

지구의 내부 층들의 조성을 알아내기 위해서, 과학자들은 극한의 압력과 온도 아래서 물질들을 시험할 필요가 있다. 수 세기 동안, 과학자들은 밀도가 높은 페로브스카이트(perovskite) 구조가 지구 부피의 38퍼센트를 차지하고, 브리지마나이트의 화학적 물리적 성질들이 지구의 맨틀을 통해 원소들과 열이 어떻게 흐르는지에 대해 큰 영향을 준다고 믿어왔다. 그러나, 그 광물이 표면까지의 여행에서 살아남지 못했기 때문에, 아무도 그것의 존재?국제 광물학 협회(International Mineralogical Association)가 이름을 붙이기 위한 필요 조건?를 시험하고 증명할 수 없었다.

태양계에서 소행성체의 충돌에서 발생하는 충격-압축은 지구 깊은 곳과 같은 어려운 상태?약 섭씨 2,1000도(화씨 3,800도)의 온도와 해수면 기압보다 약 240,000배 더 큰 압력?를 만든다. 그 충격은 지구의 표면과 같이 더 낮은 압력에 왔을 때 일어나는 브리지마나이트 분해를 막기에 충분히 빠르게 일어난다. 이들 충돌로부터 나오는 조각들의 부분이 충격-융해 광맥 안에 “얼어있는” 브리지마나이트를 가진, 운석으로서 지구에 떨어진다. 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy)을 이용한 운석에 대한 이전의 시험들은 그 표본들에 방사 손상을 일으켜서 결과가 불완전했다.

그래서 그 팀은 새로운 방법을 시도해보기로 결정했다: 회절 분석을 위한 비침습적인 미세-초점 X-선과 새로운 신속-해독 영역 ?감지기(fast-readout area-detector) 기술. Tschauner와 캘리포니아공대와 아르곤국립연구소의 APS에 있는 시카고대(University of Chicago)가 운영하는 X-선 광선인 GeoSoilEnviroCARS에 있는 그의 동료들은그들에게 그 운석을 투과할 수 있는 능력을 준 X-선의 고에너지와 손상을 일으키는 방사선을 거의 남기지 않는 그것의 휘도를 이용했다. 그 팀은 1879년에 호주에 떨어진, 매우 충격이 켰던 L-구립 운석 Tenham의 한 부분을 조사했다. GSECARS 광선은 전도성 고압 연구를 위한 국가의 최고 장소들 중의 하나이기 때문에 그 연구에 최적이었다.

브리지마나이트 알갱이들은 Tenhma 운석에서 희귀하고 지름이 1마이크로미터보다 더 작다. 따라서 그 팀은 고도로 집중화된 광선을 사용해서 브리지마나이트의 응집을 확인하고 구조와 조성 분석을 할 때까지 공간적으로 매우 세부적으로 회절 맵핑을 수행해야 했다.

브리지마나이트의 이 첫 번째 자연 표본은 몇 가지 놀라운 점이 있었다: 그것은 합성 표본을 훨씬 능가하는, 예상하지 못한 양의 철 이온을 포함한다. 천연 브리지마나이트는 또한 대부분의 합성 표본들보다 훨씬 더 높은 나트륨을 포함한다. 따라서 천연 브리지마나이트의 결정 화학은 새로운 결정 화학적 통찰을 제공한다. 브리지마나이트의 이 천연 표본은 미래에 깊은 맨틀 암석의 실험적 연구에 보충물 역할을 하게 될지도 모른다.

이 연구 이전에, 브리지마나이트의 성질들에 대한 지식은 그것이 230 kbar(23GPa)의 압력 이상에서 660킬로미터(410마일)의 깊이 아래에서만 안정하기 때문에 합성 표본들만을 기반으로 했었다. 그것을 내부 지구 밖으로 꺼내면 더 낮은 압력이 그것을 밀도가 더 낮은 광물들로 바꾼다. 어떤 과학자들은 다이아몬드에 있는 포함된 것들 일부가 다이아몬드를 파낼 때 변한 브리지마나이트에 의해서 남겨진 표지라고 믿고 있다.

그 팀의 결과는 11월 28일호 저널에 네바다주 라스베이거스에 있는 네바다대(University of Nevada in Las Vegas, N.V )의 O. Tschauner; 캘리포니아주 파사데나(Pasadena)에 있는 캘리포니아공대(California Institute of Technology)의 C. Ma; J.R. Beckett; G.R. Rossman; 일리노이주 시카고에 있는 시카고대(University of Chicago)의 C. Prescher; V.B. Prakapenka가 쓴 "Discovery of bridgmanite, the most abundant mineral in Earth, in a shocked meteorite"라는 제목으로 실렸다. 이 연구는 미국 에너지국, NASA, NSF의 지원을 받았다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr