• 한국광물학회지
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• 제27권4호
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• pp.271-281
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• 2014

점토광물의 물리화학적 특성에 대한 분자 또는 원자 스케일의 연구 중요성이 강조되고 있다. 그러나 실험만으로는 광물의 미시적 현상을 이해하기 어려운 경우가 많다. 특히 2:1 점토광물 팔면체에 존재하는 수산기(hydroxyl)가 금속 양이온 흡착과정에 큰 역할을 한다는 가정은 X-ray를 이용하는 실험만으로는 명확하게 테스트하기 어렵다. 이번 논문에서는 점토광물 내의 수산기 연구에 대한 전산광물학(computational mineralogy) 이용 가능성에 대하여 조사하였다. 점토광물의 기본구조인 팔면체 층만으로 구성된 광물, 1:1 구조를 갖는 광물, 2:1 구조를 갖는 광물 중 대표적인 이팔면체 및 삼팔면체 층상규산염 광물을 선별하여 구조최적화를 실시하였다. 분자역학적(molecular mechanics) 계산과 양자역학적(quantum mechanical) 계산 모두 실험값의 격자상수(lattice parameters)를 잘 재현할 수 있었다. 그러나, 사면체층과 팔면체의 구조적 뒤틀림(structural distortion) 등 광물 내부구조를 기존 실험결과와 비교했을 때, 양자역학적 계산결과가 분자역학적 방법을 이용한 결과 보다 더 낮은 오차를 보였다. 파이로필라이트(pyrophyllite) 수산기가 (001)면과 이루는 각은, 수산기의 H(proton)과 사면체의 Si 양이온 간의 척력으로 결정되는데, 양자역학적 방법은 약 $25-26^{\circ}$로 예측하였고, 분자역학적 방법은 약 $35^{\circ}$ 정도로 양자역학계산 결과와 무려 $10^{\circ}$의 큰 차이를 보였다. 전산광물학은 점토광물 구조연구에 신뢰성이 매우 높은 연구방법으로 양이온 흡착과정 중 수산기의 역할 규명에 사용될 수 있다.

• 한국광물학회지
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• 제30권4호
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• pp.161-172
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• 2017

점토광물은 지하수 바닥부터 산림에 이르는 지구의 얇은 표면에 해당하는 '크리티컬존(critical zone)'에 존재하는 금속원소의 지구화학적 순환에 중요한 역할을 한다. 입자 크기가 매우 작은 점토광물에 대한 원자 수준(atomistic scale)의 연구는 지구화학적 순환 과정에 대한 정확한 기작(mechanism)을 규명할 수 있을 뿐만 아니라 재료개발과 같은 산업분야에도 응용될 수 있다. 원자 간의 페어 퍼텐셜(pair potential)을 파라미터화한 힘 장(force field)을 사용하는 분자동역학(molecular dynamics) 컴퓨터 시뮬레이션은 원자 수준의 정보를 제공할 수 있기 때문에 실험과 함께 점토광물의 결정구조와 반응도 연구에 사용된다. 점토광물 시뮬레이션을 위한 힘 장으로는 이팔면체(dioctahedral) 광물을 기반으로 만들어진 ClayFF 힘 장이 보편적으로 사용된다. 삼팔면체(trioctahedral) 광물 시뮬레이션에도 ClayFF를 사용하는 연구가 보고되고 있으나, 같은 광물을 계산하더라도 각 연구마다 다른 파라미터 값을 사용하고 있기 때문에 파리미터 선택이 시뮬레이션의 정확도에 어떤 영향을 미치는지 체계적인 테스트가 필요하다. 이번 연구에서는 삼팔면체 광물인 수활석, 리자다이트, 활석을 대상으로 팔면체 마그네슘(Mg)의 원자간 페어 퍼텐셜을 나타내는 파라미터 'mgo'와 'mgh'를 각각 사용하여 분자동역학 시뮬레이션 계산결과를 비교하였다. 격자상수, 원자 간의 거리 등 삼팔면체 점토광물의 결정구조는 주어진 두 가지 파라미터에 관계없이 거의 일정한 결과를 보여주었지만, 진동 파워 스펙트럼(vibrational power spectrum)으로 계산한 수산기의 진동수는 파라미터에 따라 상대적으로 뚜렷한 차이를 보였다.

• 한국광물학회지
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• 제29권4호
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• pp.209-220
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• 2016

점토광물은 대기부터 지하수에 이르는 크리티컬존(critical zone) 영역에서 금속과 탄소 순환을 결정짓는 역할을 한다. 계산광물학 연구방법 중에 하나인 분자동역학(molecular dynamics) 시뮬레이션은 지구물질을 원자단위로 계산하기 때문에, 점토광물의 물리화학적 현상들에 대해 원자수준의 자세한 정보를 제공할 수 있다. 이번 연구에서는 clayFF 힘 장(force field)을 사용한 분자동역학 시뮬레이션을 이팔면체 점토광물인 깁사이트(gibbsite, $Al(OH)_3$), 카올리나이트(kaolinite, $Al_2Si_2O_5(OH)_4$), 파이로필라이트(pyrophyllite, $Al_2Si_4O_{10}(OH)_2$)에 적용하여 300 K, 1기압조건에서 각 광물이 가지는 격자상수와 원자간 거리를 계산하고 실험결과와 비교하였다. 더불어 수산기의 방향성 및 수소결합의 양상 그리고 파워스펙트럼(power spectrum)을 추가적으로 계산하였다. 계산 결과, 격자상수는 기존의 실험결과와 약 0.1~3.7% 미만의 오차율을 보였으며, 원자간 거리는 실험결과와 약 5% 미만의 차이를 가졌다. 깁사이트나 카올리나이트의 팔면체층 표면에 존재하는 수산기가 가지는 신축진동파수(stretching vibrational wavenumber)는 실험값 보다 약 $200-300cm^{-1}$ 높게 계산되었지만, 팔면체층 표면에 존재하는 수산기들의 상대적 크기의 경향은 기존 실험 결과와 일치하였다. 팔면체층 표면의 수산기가 (001)면과 이루는 각도도 기존 실험결과와 상당부분 일치한 반면에 내부 수산기의 경우는 다소 차이를 보였다. ClayFF를 사용한 분자동역학 시뮬레이션 연구 방법은 이팔면체 점토광물 표면 내(층간) 금속이온 흡착에 대한 수산기의 역할을 규명하는데 유용한 연구방법이 될 수 있음을 시사한다.

• 한국광물학회지
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• 제18권2호
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• pp.73-81
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• 2005

울릉분지 남부 대륙붕 석유탐사 시추공에서 회수된 사암 내에서 산출되는 녹니석-스멕타이트 혼합층 점토광물에 대하여 광물학적 및 화학적 연구를 수행하였다. X-선 회절분석과 화학분석 결과에 의하면 이 점토광물은 녹니석과 스멕타이트가 1:1 비율로 구성된 이팔면체형의 녹니석-스멕타이트 혼합층광물, 즉 토수다이트이다. 이 토수다이트는 Li가 풍부한 토수다이트로서 열수변질대에서 보고되는 토수다이트와 거의 동일하다. 이것은 토수다이트가 산출되는 지역은 열수변질과 관련된 열적 영향을 받았음을 지시한다. 실제로 이 시추공이 있는 지역은 단층과 습곡이 많이 발달되어 있고 구조적으로 변형되어 있다. 이와 같은 점을 고려할 때 하부로부터 열수가 올라와서 사암 내의 토수다이트의 생성에 기여했을 것으로 생각된다.

• 한국해양학회지
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• 제26권4호
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• pp.313-323
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• 1991

한강 및 경기만 일부 해역에서 저충퇴적물과 부유퇴적물내 점토광물의 분포 특성 을 알아보기 위하여 X-선 회절분석(XRD)을 실시하였다. 분석결과, 한강 하류부를 이루 고 있는 주 구성광물은 일라이트(57.1%), 고령석(22.9%), 녹니석(19.6%), 이며, 하구 와 경기만 일부해역에서 나타나는 점토광물은 일라이트, 녹니석, 고령석과 스멕타이트 가 각각 67.2, 16.5, 15.5%와 1.3%로 나타났다. 하천, 하구환경과 만환경에 따라 함량 차이가 뚜렷히 나타나는데 일라이트의 경우 외해역으로 가면서 점차 증가하는 양상을 보이며, 또한 피크비(Peak-intensity ratio) 분석결과, 한강 및 하구상부에서 나타나 는 일라이트는 복팔면체이며, 외해역에서 나타나는 일라이트는 하천을 통해 운반된 것 이 아닌 것으로 보이는 삼팔면체의 특징을 보이는 일라이트가 나타났으며, 그 중간지 역에서는 두 형태가 혼합된 일라이트가 분포하는 것으로 나타났다. 고령석은 외해로 가면서 23%에서 11%로 감소하는 경향을 보이며, 녹니석은 외해로 가면서 19%에서 14% 로 고령석과 유사한 경향을 보였다. 스멕타이트는 3% 미만의 소량으로 나타났다. 일라 이트 고령석과 녹니석은 주로 하천에 의해 운반되는 하구의 수리적 특성에 의해 재분 포된 것이며, 스멕타이트는 황해나 중국에서 운반 퇴적된 것으로 사료된다. 이와 같이 운반된 점토광물의 공간적 분포를 결정하는 주요 요인은 하구순환특성에 의해 좌우되 는 것으로 보인다.

• 자원환경지질
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• 제12권1호
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• pp.41-49
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• 1979

본문은 광물학 및 습식야금법의 관점에서, 산성용액내의 점토 광물의 물리적 특성과 화학적 특성을 문헌에 의해 검토한 것이다. 점토광물의 몇가지 중요한 특성은 이들이 산성용액내에서 양이온을 교환하고 흡수팽창하며, 이질광물로 분해(incongruent dissolution)하는 능력을 갖는다는 것이다. 여러 점토광물들은 양이온 교환과정으로 금속 이온들을 용액으로부터 흡착할 수 있다. 일반적으로 이들의 양이온 교환능력은 다음 순서로 증가된다. 즉, kaolinite, halloysite, illite, vermiculite, montmorillonite 산성용액내에서는 점토광물들에 의하여 동과 같은 양이온 흡착은 수소와 알미늄에 의해 크게 방해를 받으므로, 우라늄 및 동 등의 금속을 회수하는데는 점토광물이 중용한 요소가 되지 않는다. 그러나, 염기성용액에서는 양이온 흡착(uptake)이 중요하다. 흡수 팽창성은 낮은 pH에서 최소가 된다. 이는 격자 파괴에 기인할 가능성이 많다. 흡수 팽창은 montmorillonite형 점토에서 조절이 되는데 그것은 내부층의 Na 이온이 리튬 과/또는 수산화된 알미늄 이온과 교환을 하기 때문이다. 점토광물에 대한 산의 효과는 다음과 같다. i) 면적 및 다공성이 증가됨에 따라 보다 작은 판상의 집합체로 분리됨 ii) 점토-산 반응은 다음 순서로 일어난다. (ㄱ) 내부층 양이온들의 $H^+$ 치환 (ㄴ) Al, Fe, Mg 등의 팔면체 양이온의 이동. (ㄷ) 사면체 Al 이온들의 이동. 산의 공격반응(attack)은 점토 입자의 가장자리에서부터 시작되어 내부로 계속되며, 수화된 규소겔을 가장 자리에 남긴다. iii) (ㄴ)과 (ㄷ)의 반응속도는 위-일급($pseudo-1^{st}$ order)이며, 이는 산의 농도에 비례한다. 그리고 그 속도는 온도 매 $10^{\circ}C$ 증가에 따라 배가된다. 산에 의한 동이나 우라늄을 제자리에서 용해시키는 경우 고찰할 문제는 다음과 같다. i) 1년 혹은 그 이상의 오랜 작용으로 산의 반응을 받은 점토광물은 규소겔을 남길 것이다. 그런데 이 겔이 용해(leaching)작용을 받고 있는 유용 광물 표면을 덮게 되면 용해에 의한 회수 속도는 실질적으로 감소된다. ii) 0.5% 점토광물과 동을 함유하는 회수 가능한 동광상에 대해 점토-산 반응에 사용될 값의 상승은 동 1파운드당 1.5c이다. (혹은 구리 1파운드당 $H_2SO_4$ 0.93Ibs) 점토광물에 의한 이러한 산의 소모량이 산화동광상에서 동을 추출하는데 경제적 평가의 한 요소가 될 것이다.

• 한국광물학회지
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• 제13권3호
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• pp.121-137
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• 2000

공주군 유구 일대의 화강암질편마암은 온대습윤기후의 지형적 영향에 기인한 산성환경 및 양호한 배수조건에서의 풍화작용으로 두께가 8m인 깊은 saprolite층과 50cm 이상의 두꺼운 토양층을 형성하였다. 풍화단면에서는 흑운모/질석혼합층 광물, 삼팔면체, 할로이사이트, 캐올리나이트, 일라이트, 이팔면체질식, 스백타이트, 깁사이트, 침철석 등의 풍화광물이 확인되었다. 흑운모의 변질은 질석화작용이 미약한 반면에 풍화단면 전반에서 고령토화작용이 매우 현저한 풍화양상을 보여주며, 흑운모-흑운모/질석 혼합층 광물-질석, 흑운모-할로이사이트, 캐올리나이트, 깁사이트 및 흑운모-일 라이트의 풍화과정을 나타낸다. 흑운모의 풍화작용으로 생성된 고령토광물은 주로 할로이사이트이며, 고령토화작용으로 방출된 Fe는 변질된 흑운모 주변에서 침철석을 형성한다 사장석은 용해-침전작용으로 관상의 할로이사이트를 형성한다. 할로이사이트의 산출양상은 사장석의 용해유형에 따라 방향성이 강한 할로이사이트 집합체와 매우 구불구불한 할로이사이트 집합체로 나타난다. 모암에서 철을 함유하고 있던 광물은 용해되어 모암광물의 가상을 유지한 채 또는 그 주변에서 침철석을 형성한다. 연구지역 화강암질편마암의 단면은 풍화도가 증가할수록 모암 구성광물이 감소하는 반면에 점토광물의 양이 증가하는 전형적인 풍화 양상을 보여주며, 광물의 풍화작용은 산성환경과 양호한 배수환경과 같은 지역적인 조건에 영향을 받아 복잡하고 다양한 풍화광물을 형성하였다.

• 한국광물학회지
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• 제15권2호
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• pp.85-94
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• 2002

한반도 동남부 일대에 발견된 제4기 단층인 상천, 입실, 왕산단층 비 지대에서 단층운동과 이에 수반된 유체의 영향으로 생긴 미구조 및 광물학적인 변화 양상을 알아보기 위해 단층 비지와 주위 모암의 전암분석과 전자현미분석이 수행되었다. 단층 비지와 주위 모암의 X-선형광분석 결과 유동성이 낮은 원소 즉 $TiO_2$, MgO, $P_2$$O_{5}$ , $Fe_2$$O_3$가 신선한 모암에 비해 비지대에 집적되는데 이는 단층운동과 이에 수반된 유체들의 활동이 활발했음을 이야기 해준다. 단층 비지 물질의 X-선회절분석 결과 관찰되는 광물은 석영, 장석, 방해석과 점토광물이고, 점토광물은 대부분 스멕타이트이며 (060) 회절선의 값은 평균 1.50 $\AA$으로써 이팔면체 구조를 가진다. 전자현미분석 결과 비지대 및 모암내 다양한 종류의 황화, 탄산염 및 인산염광물들이 관찰된다. 상천단층 회색 비지대의 제노타임, 입실단층 접촉부 안산암과 왕산단층 접촉부 회색 안산암의 황화광물은 제4기 이전의 단층운동과 관련된 열수의 유입으로 인해 생성된 것으로 추측 된다. 입실 접촉부 안산암과 비지대의 맥상의 탄산염광물은 제4기 이전의 단층운동과 관련된 유체에 의해 생성되었고, 이들 탄산염광물이 물리적으로 심하게 파쇄되어 있으며 탄산염광물 가장자리에 반응연이 있는 것으로 보아 탄산염광물이 생성되고 난 후에도 단층운동과 유체의 활동이 활발했음을 알 수 있다. 왕산단층의 맥상의 방해석은 제4기 단층운동과 동시기 또는 후기에 생성된 것으로 볼 수 있다.>${\mu}c$-Si:H의 Ea 가 가장 낮은 것을 관찰 할 수 있었다.s derived by combining the numerous rainfall-runoff data. The conclusions are as follows; 1)The oscillations in the derived unit hydrograph are reduced by combining the data from each flood event. 2) The reciprocals of the minimum eigen\value of XTX, 1/k and the condition number CN are increased when the oscillations are active in the derived unit hydrograph. 3)The parameter estimates are validated by extending the model to the Soyang river Dam site with elimination of the autocorrelation in the disturbances. Finally, this paper illustrates the application of the multiple regression model to drive an optimal unit hydrograph dealing with the multicollinearity and the autocorrelation which cause some problems. 우선적으로 고려하여 사용할 농약을 선택해야 할 것으로 보이나, 그 외 약제의 잔류성, 사용량, 사용시기와 함께

• 한국광물학회지
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• 제17권2호
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• pp.157-168
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• 2004

수용액 내 캐올리나이트와 할로이사이트의 표면화학 특성을 전위차 적정 실험과 FITEQL3.2 프로그램을 이용하여 연구하였다. 표면복합반응 모델 중 일정용량 모델을 적용하였으며, 표면을 사면체 자리와 팔면체 자리로 나누어 설정한 2 sites - 3 $pK_{a/s}$ 모델은 캐올리나이트와 할로이사이트의 표면화학 특성을 설명하는데 적합하였다. 두 점토광물 표면은 pH 4 이상에서 음전하를 띄며 pH가 높아질수록 양성자 표면 전하 밀도는 낮아진다. 산성 및 중성 영역에선 Si 사리(≡$SiO^{-}$ )가, 염기성 영역에선 Al 자리(≡$AlO^{-}$)가 양이온을 흡착하는데 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 모델링 결과 캐올리나이트의 경우 $pK_{a2(si)}$ /$^{int}$, p $K_{al(Al) }$ /$^{int}$ /, $pK_{a2}$ $(Al)^{int}$ /는 각각 4.436. 4.564, 및 8.461이며, 할로이사이트의 경우는 각각 7.852, 3.885, 7.084이다. 캐올리나이트의 총 Si 표면자리 농도와 총 Al 표면자리 농도는 0.215와 0.148 mM이며, 할로이사이트의 경우는 0.357과 0.246 mM이다 두 광물 모두 Si 표면자리 밀도 : Al 표면자리 밀도가 1 : 0.69로 비슷하다. 캐올리나이트의 총 표면자리 밀도는 3.774 sites/$nm^2$로 할로이사이트의 2.292 sites/n $m^2$ 값보다 약 1.6배정도 높다.다.

• 자원환경지질
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• 제34권1호
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• pp.13-23
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• 2001

김포, 장기 및 포항분지의 기저역암에 협재되는 벤토나이트에 대하여 X-선회절분석, 주사전자현미경 관찰, 중광물 분석, 화학 분석, 양이온교환능, 산소 및 수소 동위원소 분석을 이용한 광물학적 특성을 고찰하였다. 중광물 분석 결과 세 지역에서 모두 화산암에서의 특징인 깨끗한 결정면을 가지고 있는 저어콘과 인회석, 각섬석 및 흑운모가 산출되었는데, 천북역암의 시료에서는 외형이 심하게 변질되고 깨져있는 흑운모가 관찰된다. 주사전자현미경으로 각 시료를 관찰한 결과 감포와 장기역암 시료에서는 불석광물이 자생하고 있는 모습과 화산재의 탈유리질화 작용으로 생간 몬모릴로나이트가 honey-comb 구조를 보이는 등 속성작용의 증거가 관찰된 반면, 천북역암에서는 점토입자편(clay flake)들이 조밀하고 불규칙하게 엉켜 있는 모습이 쇄설성 기원임을 지시한다. 구조식을 구해본 결과 스멕타이트 그룹중 이팔면체에 해당하는 몬모릴로나이트이며 층간의 양이온은 대부분이 2가의 $Ca^{2+}$ 와 $Mg^{2+}$ 임을 알 수 있었다. 천북역암의 몬모릴로나이트 구조식에서, 팔면체에 들어있는 Fe의 산화상태를 나타내는 $Fe^{2+}/Fe^{3+}$ 비가 다른 시료보다 훨씬 적은 것은 몬모릴로나이트의 생성온도를 이용하여 생성당시의 퇴적두께를 계산했을 때, 천북역암에서의 시료가 929~963 m로 이는 야외에서의 층후인 530~580 m를 초과하고 있다. 이상의 결과 천북역암의 벤토나이트는 다른곳에서 화산회의 속성작용에 의해 형성된 후 지표에 노출되어 이동, 재 퇴적되었을 가능성을 높이 시사한다. 정제시료에 대한 주 원소분석과 미량원소분석 결과와 구조식의 자료를 이용하여 판별분석을 실시한 바, 세 분지의 시료는 구분이 가능하였다. 이는 이들의 기원이 되는 화산회의 성분과 퇴적환경의 차이에서 비롯된 것으로서, $TiO_{2}/Al_{2}O_3$비와 호정원소(compatible elements)의 함량이 천북역암에서 가장 높고, 불호정원소(incompatible element)의 함량은 상대적으로 적은 것으로, 천북 역암의 것이 상대적으로 염기성인 화산회에서 유래되었음을 알 수 있고, Fe의 경우 천북역암의 것이 주 원소분석에서나 구조식내에서 모두 3가가 우세한 것으로 보아 이의 산화 환경에 의한 영향이 판별에 있어서 큰 역할을 했음을 지시해 준다.