Analysis on the Spectral Characteristics of Dolomite and Calcite: Okgye-myeon, Gangneung-si, Gangwon-do

백운석 및 방해석의 분광특성 분석 연구: 강원도 강릉시 옥계면 지역

Abstract

In case of Korea, limestone is very useful in various industries. These limestones are mainly produced in Gangwon-do. The study area, which is located in Okgye-myeon, Gangneung-si, Gangwon-do, is Okcheon metamorphic belt where abundant limestone, dolomite stone, and high-grade limestone are produced. The purpose of this study is to distinguish between calcite and dolomite among the limestone which is one of the representative carbonate rocks using the spectral characteristics. For this study,spectral characteristics were measured in the field and laboratory using FieldSpec® 3 spectrometer equipment from Analytical Spectral Device Inc. (ASD). In the field, the reflectance was measured below 50 cm from rock surface, and in the laboratory, the reflectance was measured in the rock surface, the polished surface, and the rock powder. As a result, absorption wavelengths of calcite and dolomite were significantly different around 2,330 nm. In particular, the absorption wavelength band position of dolomite appeared before 2,330 nm wavelength compared to calcite. The study could be used as a basis data for analysis of high-grade calcite limestone.

국내 강원도에서 많이 산출되는 석회암은 다양한 분야에서 활용도가 매우 높다. 이러한 석회암 광상 개발을 위해서는 석회암에 대한 특징 파악이 중요하다. 따라서 이 연구에서는 대표적 탄산염암인 석회암 성분 중 방해석과 백운석의 분광 특성을 측정하여 두 광물을 구분하고자 한다. 연구지역은 강원도 강릉시 옥계면은 옥천변성대 지역으로 석회암, 백운암, 고품위 석회암이 많이 산출되는 지역이다. 분광 특성 측정은 ASD사(Analytical Spectral Device Inc.)의 FieldSpec® 3 스펙트로미터 장비를 사용하였으며 현장 및 실내에서 분광 특성을 측정하였다. 현장에서는 암석 표면을 측정하였으며 실내에서는 암석 표면, 연마면 및 파우더 상태에서 반사도를 측정하였다. 그 결과 2,330 nm를 전후로 방해석과 백운석의 흡수대 위치가 확연히 차이가 나는 것을 확인하였다. 특히 방해석에 비하여 백운석의 흡수 파장대 위치가 2,330 nm 파장 이전에 나타나는 것을 알 수 있었다. 이 연구는 향후 고품위의 방해석 산출에 기초 자료로 활용이 가능할 것이다.

1. 서론

탄산염암은 지구 표면에 있는 물질 중에서 풍부한 성분 중 하나로서, 화석 연료 및 가치 있는 광물 등과 같은 천연자원을 보유하고 과거의 지표면 환경 지시자로서 중요한 광물 중 하나이다(Blatt et al., 1972; Pettijohn, 1975). 특히 탄산염암 중에서 석회암은 국내에서 가장 풍부한 양이 분포하는 광물자원으로 자급률이 98.3%에 달하고 있으며(KIGAM, 2016a; 2016b), 주로 강원도 및 충청도 지역에 석회암 광산이 분포한다(Ji, 1995). 이러한 석회암은 국내에서는 주로 시멘트용으로 사용될 뿐만 아니라 중질 탄산칼슘, 생석회, 제철/제강, 탈황 등 다양한 용도로도 활용되고 있다(Kim et al., 2016). 특히 기존에는 석회암이 대부분 중-저품위로 고부가가치를 생산하였지만, 최근에는 경제적으로 부가가치가 높은 고품위 석회암 활용성이 증가되고 있다. 따라서 고품위 석회암 생산을 위한 매장량 확보가 중요한 과제로 제시되고 있다 (Kim et al., 2017).

이와 같이 석회암과 같은 광물 자원 개발을 위하여 국외에서 다양한 연구가 진행되어 왔으며(Meer, 2004; Huo et al., 2014; Zaini et al., 2014; Alayet et al., 2017), 국내에서도 많은 연구가 진행되어 왔다. Hwang et al. (2013)은 석회암과 유사한 특성을 보이는 백운석에 대한 X선회절분석을 실시하였으며 이를 통하여 구성광물과 광물조합에 대한 연구를 진행하였다. 반면에 Kim et al. (2017)은 정선-삼척 일대 대기층 상부 고품위 석회암의 생성 환경 분석을 위하여 산소-탄소 안정동위원소 분석 연구를 진행하였다. 또한 최근에는 구성 광물에 따라서 다르게 나타나는 분광학적 특성 및 반사 특성을 활용한 연구도 진행되어 왔다. 특히 VNIR - SWIR 분광분석으로 탄산염 광물 중 방해석과 백운석 등의 흡수파장에 대한 연구가 집중되었다(Hunt, 1977; Gaffey, 1986; Clark et al., 1990; Zaini et al., 2012). 국내에서도 석회암의 분광학적 연구를 위하여 Kim et al. (2016)은 정선 지역의 강원, 충무 및 백운 광산을 대상으로 근적외선-단파적외선을 활용하여 고품위 석회암의 분광 특성을 분석하였으며, Kim et al. (2017)은 단파적외선 분광분석법을 이용하여 광물의 분광 특성 및 현장 적용성에 대한 연구를 진행하였다. 또한 Oh (2017)은 가시광 및 근적외 스펙트럼의 PLS 회귀 분석을 이용하여 고품위 석회암의 품위를 예측하는 연구를 진행한 바 있다. 그러나 대부분 실내에서의 실험이 주를 이루고 있으며 현장에서의 직접적인 연구는 미비한 실정이다. 따라서 이 연구에서는 국내 고품위 석회암의 광물탐사를 위하여 강원도 강릉시 옥계면한라시멘트 광상에서 산출되는 방해석과 백운석의 분광학적 특성을 분석하고자 한다. 특히 실내에서 획득한 분광학적 특징 뿐만 아니라 현장에서 직접 획득한 분광학적 특징의 분석을 통하여 두 광물을 구분하고자 한다. 이러한 연구는 향후 실내 분석을 통한 암상 구분이 아닌 현장에서의 직접적 암상 분석에 활용하고자 한다.

2. 연구지역

연구 지역은 강원도 강릉시 옥계면 한라시멘트 광상(Fig. 1)으로 주로 석회암이 채광되는 지역으로(Fig. 2(a)), 옥천변성대 태백산분지의 북동부에 위치하며 서쪽에 고생대 하부의 조선누층군(묘봉층, 풍촌층, 원평층)이 북동-남서 방향으로 대상 분포하고 남동쪽에 중생대 백악기의 우백질 화강암이 분포한다(Oh et al., 2008; Seon et al., 2018).

Fig. 1. (a) Sentinel-2 image of study area acquired on 30 September 2019, (b) detailed map of red box in (a).

연구의 주요 대상 암층은 풍촌층으로 하부에서 상부로 갈수록 석회암(Fig. 2(b)), 백운암, 고품위 석회암(Fig. 2(c))으로 구성되어 있으며 백운암과 고품위 석회암은 풍촌층 전체 두께에 비해 매우 얇은 분포를 보이며, 고품위 석회암은 광산의 고지대(풍촌층의 최상부)에서만 관찰된다. 석회암은 담회색, 담홍색, 담갈색 등 다양한 색을 보이며 결정질 조직을 보이기도 한다. 연구 지역의 구성암은 주로 북동-남서 방향으로 분포되어 있으며 분포 방향과 유사한 방향으로 충상 단층(Thrust fault)이 발달되어 있다.

Fig. 2. (a) Geologic map of the study area (modified from Oh et al., 2008; Seon et al., 2018), outcrops of (b) limestone showing light gray, (c) high quality limestone.

3. 연구 방법 및 자료

분광 분석은 광물을 이루는 분자구조, 광물의 결정도 및 색, 원소의 종류 등에 따라 나타나는 고유의 분광패턴 및 흡광 특성을 파악하는 분석법으로(Lim et al., 2019; Shin et al., 2016), –OH기, H₂O, Fe-OH, Al-OH, Mg-OH, CO₃^2- 등에 의해 나타나는 분광학적 특징은 1,300–2,500nm 영역에서 확인이 가능하다(Hauff, 2008; Kerr et al., 2011; Jeong et al., 2016; Lim et al., 2019). Fig. 3은 연구의 흐름도이다. 이 연구에서는 방해석 (CaCO₃) 및 백운석 (CaMg(CO₃)₂)의 분광 분석을 위하여 현장 및 실내에서 ASD사(Analytical Spectral Device Inc.)의 FieldSpec® 3 스펙트로미터 장비를 사용하여 분광 측정을 실시하였다 (Fig. 4(a)). ASD 장비의 파장은 350 - 2,500 nm이며 샘플링 해상도는 350 – 1,000 nm까지는 1.4 nm이며, 1,000 – 2,500 nm까지는 2 nm이다.

Fig. 3. Flow chart of this study.

현장 조사의 경우 2019년 8월 29일에는 총 5개 정점, 2019년 10월 10일 ~ 11일에는 총 16개 정점에서 분광 측정을 실시하였다(Fig. 1). 2019년 8월 29일은 온도 및 습도를 측정하지 않아 기상청 관측 자료 (측정 관측소명 : 동해)를 활용하였으며, 2019년 10월 10일 ~ 11일에는 온도 및 습도를 각 정점에서 측정하였다. 2019년 8월 29일의 평균 온도는 약 25.0°C이며, 평균 습도는 약 59%로 높은 편이였다, 반면에 2019년 10월 10일 ~ 11일의 평균 온도는 22.1°C이며, 평균 습도는 41.3%로 8월에 비하여 습도가 낮았다(Table 1). 또한 2019년 8월 29일에는 구름으로 인하여 광량이 매우 적었으며 2019년 10월 10일 ~ 11일에는 광량이 매우 좋았다. 현장 조사 시 각 정점에서 암석을 채취하였으며, 암석 표면 약 50 cm 이내에서 반사도를 측정하였다(Fig. 4(b)). 분광 측정은 각 정점에서 총 3번씩 측정하여 평균 값으로 분석하였다. 또한 채취한 암석은 실내 실험실에서도 분광 측정을 실시하여 분석하였다. 실내 측정을 위하여 Fig. 5(a)와 같은 측정상자를 이용하였다. 측정 전 암석은 상온 조건에서 1시간 이상 건조 후 암석 표면(Fig. 5(b))의 분광 측정을 실시하였고, 동일 암석으로부터 연마면(Fig. 5(c))과 파우더시료(Fig. 5(d))를 만들어 분광 측정을 수행하였다. 현장조사와 동일하게 실내에서도 각 암석마다 3번씩 분광 측정하여 평균 값을 분석하였다. 특히 측정된 현장 및 실내 분광 자료로부터 백운석과 방해석의 특징이 잘 나타나는 2,000 – 2,500 nm 에서의 흡수대 위치를 산출하여 분석하였다.

Table 1. Meteorological conditions during field investigation

Fig. 4. (a) ASD spectrometer, (b) measurement of reflectance of the outcrops.

Fig. 5. (a) Laboratory ASD measuring equipment, (b) rock surface, (c) polished surface, (d) powder.

4. 연구 결과

Fig. 6은 USGS에서 제공하는 방해석(calcite)과 백운석(dolomite) 파우더의 분광 측정 결과이다. 방해석의 흡수대는 2,340 nm, 백운석의 흡수대는 2,322 nm로 방해석과 백운석 모두 2,300 nm부근에서 강한 흡수대가 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 1,900 nm 부근에서 매우 약한 흡수대가 나타난다. 일반적으로 탄산염광물은 주로 1,900 nm 부근과 2,300 nm 부근에서 반사도 흡수 피크가 나타난다. 그러나 1,900 nm의 흡수대보다 2,300 nm흡수대가 더 강하게 나타나기 때문에 탄산염광물의 존재를 확인하기 위해서는 2,300 nm 부근의 반사도 흡수피크를 주로 사용한다(Kim et al., 2017).

Fig. 6. Reflectance of calcite and dolomite measured by USGS.

따라서 이 연구에서도 연구 지역 석회암 중 방해석과 백운석의 분광특성을 분석하기 위하여 350 – 2,500 nm의 분광 측정 결과 중에서 2,300 nm 부근 전후에서의 흡수대 특성을 분석하였다.

Fig. 7은 2019년 8월 29일과 2019년 10월 11일의 현장조사 시 획득한 분광 측정 결과로, 총 21개 정점 중 2019년 8월 29일에 획득한 1개의 정점 (HLOG-5)과 2019년 10월 11일에 획득한 2개의 정점 (HLOG-18, HLOG-21)의 그래프이다. Fig. 7(a)와 (b)는 2019년 8월 29일에 획득한 분광 특성 (HLOG-5)과 현장 노두 사진이며, Fig. 7(c)와 (d)는 2019년 10월 11일에 획득한 방해석 (HLOG-18)의 분광 특성과 현장 노두 사진이다. Fig. 7(e)와 (f)는 2019년 10월 11일에 획득한 백운석 (HLOG-21)의 분광특성과 현장에서 채취한 암석 사진이다. 2019년 8월 29일의 경우 기상 상태가 좋지 않아 광량이 매우 적었으며 이로 인하여 1,300 nm 이후의 분광 특성이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 반면에 2019년 10월 11일에 측정한 분광 특성은 매우 잘 나타났다. 따라서 2019년 10월 11일에 획득한 두 자료를 분석한 결과 방해석의 경우 강한 흡수대가 2,342 nm 부근에서 나타났으며 백운석은 2,320 nm 부근에서 강한 흡수대가 나타났다.

Fig. 7. (a) Reflectance of point HLOG-5 acquired on 29 August 2019, (b) outcrop of point HLOG-5, reflectance of (c) point HLOG-18, (e) point HLOG-21 acquired on 11 October 2019, (d) outcrop of point HLOG-18, (f) rock sample of point HLOG-21.

현장에서 획득한 분광 특성 뿐만 아니라 실내에서 측정한 분광 특성도 분석을 실시하였다. Fig. 8은 2019년 8월 29일 현장 조사 시에 채취한 암석의 실내 분광 특성 결과이다. Fig. 8(a)는 암석 표면, Fig. 8(b)는 암석 연마면, Fig. 8(c)는 암석 파우더의 실내 측정 분광 특성으로 3가지 샘플 모두 2,300 nm 부근에서 강한 흡수대를 가진다. 그러나 암석 표면 및 연마면 반사도가 암석 파우더 반사도에 비하여 낮은 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 절단된 표면에서는 특정 파장의 흡수 강도가 깊게 흡수되는 반면에 암석 파우더에서는 표면 산란에 의하여 투과깊이가 감소하는 특성 때문으로 생각된다(AusSpec International Ltd., 2008). 따라서 암석 표면 및 연마면의 반사도보다 상대적으로 반사도 특성이 잘 나타나는 암석 파우더의 실내 측정 자료를 분석하였다.

Fig. 8. Reflectance of (a) rock surface, (b) polished surface, (c) powder acquired on 29 August 2019.

Fig. 9은 실내에서 측정한 암석 파우더 분광 특성으로 Fig. 9(a)는 2019년 8월 29일에 획득한 백운석 (HLOG-5)의 분광 측정 값이며, Fig. 9(b)는 2019년 10월 11일에 획득한 방해석 (HLOG-18)의 분광 특성이며, Fig 9(c)는 백운석 (HLOG-21)의 분광 특성이다. 3개 샘플의 분광 특성을 분석한 결과 강한 흡수대가 나타나는 파장대는 각각 2,313 nm, 2,341 nm, 2,318 nm에 위치한다. 또한 현장조사 시 획득한 분광 특성 비교한 결과 현장 조사 결과와 동일하게 방해석은 2,330 nm 이후에서 강한 흡수대가 나타나며, 백운석은 2,330 nm 이전의 파장에서 강한 흡수대가 나타난다.

Fig. 9. Rock powder reflectance of (a) point HLOG-5 acquired on 29 August 2019, (b) point HLOG-18, (e) point HLOG-21 acquired on 11 October 2019.

이와 동일하게 나머지 18개 정점의 모든 자료 (현장자료, 실내 측정 자료 : 암석 표면,연마면, 파우더)를 분석한 결과, 백운석은 2,310 nm – 2,330 nm 사이에 흡수대가 분포하며, 방해석은 2,330 nm – 2,350 nm에 흡수대가 분포한다(Fig. 10). 즉 분광 측정으로 백운석과 방해석의 구분이 가능하며 이는 2,330 nm 전후로 분광 특성이 나타난다.

Fig. 10. Graph shows the classification of calcite and dolomite using the reflectance values.

5. 결론 및 토의

이 연구에서는 강원도 강릉시 옥계면 한라시멘트 광상에서의 백운석과 방해석의 분광 특성을 분석하였다. 총 2번의 현장 조사를 통하여 21개의 정점에서 현장 반사도를 측정하였으며 실내에서도 21개 암석의 반사도를 측정하였다. 그 결과, 현장 조사 자료에서는 방해석 (HLOG-18)과 백운석(HLOG-21)의 흡수대가 각각 2,342nm 및 2,320 nm에서 나타났다. 또한 실내 반사도 측정 분석 결과, 암석 표면, 연마면, 파우더 자료 중에서 암석 파우더의 반사도가 가장 높게 나타났으며, 2019년 8월 29일에 획득한 백운석(HLOG-5)과 2019년 10월 11일에 획득한 방해석(HLOG-18) 및 백운석(HLOG-21)의 흡수대는 각각 2,313 nm, 2,341 nm, 2,318 nm에서 나타났다. 뿐만 아니라 21개 정점의 모든 자료가 2,330 nm 기준으로 방해석과 백운석이 구분이 되는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 탄산염암은 단파장 적외선 영역에서 광물상을 구분할 수 있는 2,300 – 2,370 nm 영역에서 흡수파장을 보이며, 이러한 흡수파장의 영역 차이는 탄산염광물의 CO₃^-2 성분과 결합하고 있는 Ca와 Mg 성분 차이에 기인한다(Gaffey, 1986). 즉 21개 정점의 모든 자료가 Mg 성분이 많은 백운석은 2,310 – 2,330 nm에서 강한 흡수대를 가지며, Ca 성분이 많은 방해석의 경우 2,330 –2,350 nm 영역에서 흡수 파장을 가지는 것을 알수있었다. 그러나 현장 조사 자료의 경우 광량이 적거나 기상 상황이 좋지 않은 경우에는 자료 획득이 어렵거나 획득하여도 많은 오류가 포함되어 방해석과 백운석 구분의 정확도가 낮아질 수 있다. 반면에 실내 측정은 기상 상황에 대한 제약이 적어 정확한 결과 획득이 가능하지만 결과 산출 시까지 시간이 길어진다는 단점이 있다. 그러나 향후 정확한 현장 및 실내 자료를 획득한다면 향후 고품위 석회암의 매장량 확보에 활용이 가능할 것이다. 또한 현장 및 실내 측정 자료는 광학 위성 영상을 활용한 광물 탐사 시 영상 분류의 훈련 자료(training data)로 활용이 가능하다. 뿐만 아니라 광학 위성 영상 분류 결과의 검증 자료로도 활용이 가능할 것이다. 그러나 이 연구에서는 X선 회절 분석 등과 같은 암석 성분의 정밀한 분석이 이루어 지지 않아 Ca와 Mg의 정확한 성분 비율에 따른 상관성 분석이 불가능하였다. 따라서 향후 정밀한 성분 분석 연구가 필요하며 이를 통하여 성분 비율에 따른 파장 위치 정량화가 가능 할 수 있을 것이다. 이러한 연구는 향후 석회암 광상 개발 시에 비파괴 공법으로 경제적으로 빠르게 판단할 수 있는 원격탐사적기법의 기초 자료로 활용될 수 있다.