한국지질자원연구원은 몽골 광물자원청과 공동으로 우기누르 철-망간 광화대에 대한 공동 연구를 수행하였다. 이의 일환으로 수행된 육상 자력탐사에서 획득한 자료를 바탕으로 3차원 자력 역산을 수행하였으며, 3차원 지질모델링 기술을 이용하여 철-망간 광화대에 대한 3차원 영상화 및 광체 평가를 위한 연구를 수행하였다. 총자력 이상의 분포 특성을 통해 연구지역의 광상에서 지표 노두로부터 수평적으로 연장되는 광체의 부존 가능성을 확인하였다. 또한, Fe 함량과 상관성이 높은 자기감수율 역산 결과를 토대로 연구지역의 제 1광상 및 제 2광상 모두에서 지표에서 드러난 광체가 지하 하부로 연장되어 있는 것으로 해석되어, 지표에 드러나지 않은 광체의 부존 가능성이 높은 것으로 판단된다. 시추 조사를 통해 일부 대표 지역의 광체 품위 자료가 확보되고 이번 연구결과와의 복합 해석을 수행한다면 효과적인 개발 가능성 평가가 가능할 것으로 판단된다.

몽골 남부 구르반사이한 호상 열도 지형 내 족도르 지역의 함동 석영맥에 대한 유체포유물 연구 결과를 보고한다. 족도르 지역에는 후기 백악기 퇴적층 내에 정치된 화강섬록 반암 내에 구조적으로 제어되는 동 광화작용이 나타난다. 이러한 화강섬록 반암 내에 동 광물 함유 석영맥은 프로필리틱 변질대의 석영-녹렴 석-자철석 및 석영-자철석을 포함하는 열수 변질 양상을 보인다. 석영맥은 광물 조합에 따라 두 가지 유형으 로 분류되며 주로 황동석과 함께 산출되고 드물게는 반동석, 자철석, 황철석과 함께 산출된다. 석영-자철석± 황동석 및 석영-녹렴석-자철석 조합의 석영맥 내 유체포유물은 기포 크기 5-30 vol.%, 염농도 2-13 wt.% NaCl, 균질화 온도 107-270°C인 2상의 수성 포유물이다. 관찰된 석영맥의 광물 조합과 모암의 지구화학적 특성 및 변질 양상 등으로 판단했을 때, 유체포유물 자료는 연구 지역이 반암동 관련 광화작용의 프로필리틱 변질 영역에 해당함을 보여준다.

북한 무산 철광상과 중국 안산-번시 철광화대는 시생대 호상철광층으로 북중국 지괴의 동쪽 블록 중 용강 블록에 속한다. 무산 철 광상을 배태하는 변성퇴적암은 무산층군이고 안산-번시 철 광화대를 배태하는 변성퇴적암은 안산층군으로 이들은 주로 철질 규암, 각섬암, 편암, 혼성암으로 구성되어 있다는 공통점을 갖고 있다. 주 광종은 주로 철질 규암에 배태되어 있는 자철석이다. 광체의 모양은 무산 철 광상의 경우 습곡에 의해 말발굽 모양을 갖지만 안산-번시 철 광화대의 경우 대부분 층상의 모양을 갖는다. 호상철광층의 생성 연대는 무산 철 광상은 약 2.66-2.52 Ga이고, 안산-번시 철 광화대는 2.55-2.53 Ga로 보고되어 시기적으로 유사하며, 광상형은 모두 알고마 유형으로 알려져있다. 결론적으로 무산 철 광상과 안산-번시 철 광화대는 지질 및 형성 시기, 그리고 광상 특성이 매우 유사하다고 볼 수 있다.

활석은 T-O-T 구조의 함수 마그네슘 층상규산염 광물로서, 화학적 안정성과 흡착성 등의 특성을 가지고 있어 다양한 산업분야에서 첨가제, 코팅제 등으로 활용되어 왔다. 최근 나노 복합체의 안정성 향상을 위한 첨가제로서 활석 나노입자가 각광받고 있다. 본 연구에서는 고에너지 볼 밀을 이용하여 기계적인 방법으로 활석 나노입자를 형성하고, 분쇄시간에 따른 입자크기 및 결정도의 변화를 알아보고자 하였다. X-선 회절 분석 결과, 분쇄가 진행됨에 따라 활석의 피크 폭이 점진적으로 증가하여720분 분쇄 후, 활석은 비정질에 가까운 X-선 회절패턴을 보여준다. 레이저회절 입도 분석 결과, 약12 μm이었던 활석의 입도는 분쇄가 진행됨에 따라 약 0.45 μm까지 감소하였으나, 120분 이상 분쇄를진행하여도 뚜렷한 입도의 감소가 관찰되지 않았다. 반면, BET 비표면적은 분쇄 720분까지 꾸준히 증가하여, 분쇄에 따른 입도 또는 형태의 변화가 지속적으로 일어남을 지시한다. 주사전자현미경 및 투과전자현미경 관찰 결과, 720분 분쇄 후 약 100~300 nm 내외의 층상형 입자들이 마이크로 스케일의응집체로 존재함을 확인하였다. 이와 같은 결과는 분쇄시간이 증가함에 따라 활석의 입자크기 및 형태는 지속적으로 변화하지만, 나노입자의 특성상 재응집이 일어나 마이크로 크기의 응집체를 형성하고 있음을 지시한다. 또한 활석의 분쇄에서 판의 크기, 즉 a축, b축 방향의 길이는 감소 한계가 존재하며, 분쇄가 진행될수록 판의 두께, 즉 c축 방향의 길이 감소가 주된 분쇄 메커니즘으로 생각된다. 본연구의 결과는 나노 활석의 형성 메커니즘에 대한 이해를 고양할 수 있을 것으로 기대된다.

신제3기 마이오세(Miocene)의 플라야호(playa lake) 환경에서 형성된 증발형 붕소 광상인 터키 의 비가디치(Bigadiç) 광상과 크르카(Kırka) 광상에서 산출되는 점토에서 각각 LiO2가 0.02-0.21%, 0.16-0.30% 함유되어 있다. 이는 점토에 리튬을 함유한 헥토라이트(hectorite)가 함유되어 있기 때문으 로 확인되었으며 붕소 광석을 처리하고 남은 광미도 LiO2 0.04-0.26% 포함하고 있는 것으로 보고된 다. 약 0.18%의 리튬 함량을 보이는 비가디치 및 크르카 광상 점토 시료 각 1개에 대하여 추출 가능 한 리튬의 양을 알아보았다. 본 연구의 XRD 분석 결과 크르카 광상의 시료에는 25.7%, 비가디치 시 료에는 79.7%의 헥토라이트가 함유되어 있었다. 이들 점토가 리튬 광석으로 활용될 수 있는지 알아보 기 위해 (1) 산 처리 용출 및 (2) 열처리 침출 방법으로 리튬을 추출하였다. 두 광상 시료 모두 0.25 M 염산과의 반응시간에 따라 용출되는 리튬의 양이 증가하였으나 10시간 이상 반응시켰을 때는 용출되 는 리튬의 양이 더 이상 증가하지 않았다. 10시간 이상 반응시켰을 때, 크르카 광상 점토 시료에서 89%의 리튬이 용출되었으며 비가디치 광상 점토 시료에서 71%의 리튬이 용출되었다. CaCO3 및 CaSO4와 함께 1,100°C에서 2시간 열처리하여 크르카 광상 시료에서 87%, 비가디치 광상 시료에서 82%의 리튬을 추출하였다. 크르카 광상의 점토 시료는 산 처리로 더 많은 양의 리튬을 추출할 수 있 었으며 비가디치 광상의 시료는 열처리 방법으로 리튬을 더 많이 추출할 수 있었다.

신제3기 마이오세(Miocene)의 플라야호(playa lake) 환경에서 형성된 증발형 붕소 광상인 터키 의 비가디치(Bigadiç) 광상과 크르카(Kırka) 광상에서 산출되는 점토에서 각각 LiO2가 0.02-0.21%, 0.16-0.30% 함유되어 있다. 이는 점토에 리튬을 함유한 헥토라이트(hectorite)가 함유되어 있기 때문으 로 확인되었으며 붕소 광석을 처리하고 남은 광미도 LiO2 0.04-0.26% 포함하고 있는 것으로 보고된 다. 약 0.18%의 리튬 함량을 보이는 비가디치 및 크르카 광상 점토 시료 각 1개에 대하여 추출 가능 한 리튬의 양을 알아보았다. 본 연구의 XRD 분석 결과 크르카 광상의 시료에는 25.7%, 비가디치 시 료에는 79.7%의 헥토라이트가 함유되어 있었다. 이들 점토가 리튬 광석으로 활용될 수 있는지 알아보 기 위해 (1) 산 처리 용출 및 (2) 열처리 침출 방법으로 리튬을 추출하였다. 두 광상 시료 모두 0.25 M 염산과의 반응시간에 따라 용출되는 리튬의 양이 증가하였으나 10시간 이상 반응시켰을 때는 용출되 는 리튬의 양이 더 이상 증가하지 않았다. 10시간 이상 반응시켰을 때, 크르카 광상 점토 시료에서 89%의 리튬이 용출되었으며 비가디치 광상 점토 시료에서 71%의 리튬이 용출되었다. CaCO3 및 CaSO4와 함께 1,100°C에서 2시간 열처리하여 크르카 광상 시료에서 87%, 비가디치 광상 시료에서 82%의 리튬을 추출하였다. 크르카 광상의 점토 시료는 산 처리로 더 많은 양의 리튬을 추출할 수 있 었으며 비가디치 광상의 시료는 열처리 방법으로 리튬을 더 많이 추출할 수 있었다.

반암동 광화작용이 수반된 관입암체로 이루어진 촉트체치 지역은 몽골 남부 중앙아시아 조산 대의 구르반사이한 호상열도 지형에 위치한다. 이러한 촉트체치 지역에서 예비조사를 수행하였다. 촉 트체치 지역의 동 광화작용은 페름기에 관입한 알칼리 화강암과 관련된 반암동 광상이다. 공작석이 산출되는 알칼리 화강암 지역에서 프로필리틱 변질대가 넓게 분포한다. 편광현미경에서 확인된 광석 광물은 자철석, 황철석, 반동석이다. 프로필리틱 변질대 시료에서는 석영, 견운모, 녹니석, 녹렴석 등 이 관찰되었다. XRD와 SEM-EDS 분석 결과 동 광물은 주로 공작석과 적동석으로 이루어진다. 공작 석 산출지에서 채취한 시료의 평균 동 함량은 759 ppm이고 최대 동 함량은 6190 ppm이다. 촉트체치 지역의 광화작용 특성은 촉트체치 지역으로부터 남쪽으로 56 km 떨어진 오유 톨고이 동-금(-몰리브 덴) 광상 및 북동쪽으로 120 km 떨어진 차간 수바르가 동-몰리브덴 광상과 유사하다. 조사지역의 지 질, 지구조 환경, 암상, 광물, 변질 등이 다른 반암동 광상과 유사한 특성을 갖는다. 따라서 촉트체치 동 광화 지역에 대해 지하 광체 확인을 위한 IP 탐사를 포함한 추가 광물자원 탐사가 필요하다.

한국지질자원연구원과 몽골광물자원청은 몽골 우기누르 철-망간 산출지의 제2광상 우측부에서 시험시추를 수행하였다. 기술적 한계의 최저 시추 각도인 65°의 각도로 시추하고 50-70 m 시추 구간에 서 착맥되도록 시추 위치를 설계하였다. 몽골 우기누르 철-망간 산출지에 대한 시험시추 결과 3번 시추 위치를 제외한 나머지 세 공은 지하에서의 습곡에 의해 예상보다 낮은 깊이에서 광체를 착맥하였다. 3 번 시추 위치는 비교적 예상에 맞게 착맥되었다. 1번 시추 위치에는 47.45-50 m 구간과 56.35-57.1 m 구간에서 Fe 40% 이상의 고품위 철 광체가 배태되어 있다. 1번 시추 위치의 나머지 광체 구간 및 다른 세 공의 광체에서 Fe는 약 10%로 저품위 철 광체이다. 1번 시추 위치에서 망간은 최대 10%, 평균 1% 의 품위를 갖고 나머지 세 공의 광체에서 망간은 평균 0.2%로 품위가 낮지만 철과 망간의 품위가 매우 유사한 변동 양상을 보이고 있어 철과 망간이 함께 이동하고 농집되었음을 유추할 수 있다. 시추 지역 의 확정 자원량은 Fe 231,661 톤이고 평균 품위는 Fe 11.82%이다. 시추위치 1과 2의 광체와 3과 4의 광체가 지하에서 연결되어 있다는 가정 하에 계산한 시추 지역의 예상 자원량은 Fe 4,415,296 톤이고 평균 품위는 Fe 11.82%이다. 평가된 자원량은 현재로서는 품위가 낮아 개발 가능성이 낮다.

한국지질자원연구원과 몽골 광물자원청은 몽골 항가이 희유금속 광화대 내 둘란하이한 W-Mo 산 출지에 대해 공동조사를 하였다. 몽골 항가이 희유금속 광화대 둘란하이한 W-Mo 산출지에 대한 지 질광상 조사결과 텅스텐 함량이 높은 광화점들을 발견하였고 텅스텐 광석 광물은 철망간중석, 철중 석, 망간중석으로 분석되었다. 실루리아기 호톤트 층의 규암에서 채취한 시료의 텅스텐(WO3) 함량이 0.11-4.43%로 분석되었고, 페름기 델거한 복합체의 페그마타이트에서 채취한 시료의 텅스텐 함량이 137-3844ppm으로 분석되었다. 조사지역에서 채취한 시료들의 전체 R2O3의 평균값은 473ppm으로 지 각의 평균 함량인 200ppm에 비해 약 2.5 배 정도 되는 값을 가지며 가장 높은 시료는 1326ppm으로 약 6.5 배 정도 되는 값을 갖는 것으로 분석되었다. 요인분석 결과에 따르면 둘란하이한 지역 내 텅스 텐 함량이 높은 두 지역의 광화 작용은 상관관계의 유사성을 보이며 따라서 유사한 기원을 갖는 것으 로 판단된다.

몽골 우기누르 지역 철-망간 광상과 타미르골 지역 철 광상의 광체는 먼곤체지 층 내에 렌즈상으로 협재되는 특성을 갖는다. 이러한 광상은 캠브리아 기에서 실루리아기에 이르는 화산 기원의 퇴적형 광상인 타미르골-요루골 광상구에 해당된다. 우기누르 지역의 철-망간 광체와 타미르골 지역의 철광체는 주로 규암과 편암을 모암으로 하여 먼곤체지 층 내에 렌즈상으로 협재되어 있다. 우기누르지역의 편암이 주로 세리사이트 편암인 데 비해 타미르골 지역은 주로 백운모 편암이 나타나는 차이를 갖는다. 또한 우기누르 지역의 광석은 망간이10에서 12% 함유되나 타미르골 지역의 광석은 망간이 1% 이하로 함량이 낮은 특성을 갖는다. 우기누르 철 망간 광상의 철 광물은 주로 자철석, 적철석이 우세하게 나타나고 기타 철 산화물과 황철석이 미량으로 수반되어 나타나며, 망간 광물은 주로스페사틴, 버네사이트가 우세하게 나타나고 기타망간 산화물이 수반되어 나타난다. 타미르골 지역의 철 광석은 자철석이 우세하게 나타나고 적철석이 수반되며 황철석, 철 산화물, 탄산질 철 등이 미량으로 수반되어 나타난다. 우기누르 철-망간 광상에 대한 육상 자력탐사 결과 높은 자기 이상값을보이는 영역이 지표에서 확인된 광체의 방향과 같은 약 N30˚W 방향으로 나타나며 지표에서 확인된 광체 이외에 지표에 드러나지 않은 부분에서도 연장되는 것이 확인되었다.

지구물질로 이루어진 공극 구조와 이를 채우고 있는 유체의 상호작용에 대한 이해는 지표 및 지구내부의 다양한 지질학적 현상의 설명에 필수적이다. 본 연구에서는 지구물질과 유체의 상호작용을 보다 잘 이해하기 위해, 비표면적과 공극률이 다공성 매질의 공극 구조를 설명하는 매개변수에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 입자의 지름과 공극률을 다양하게 하여 동일한 크기의 구형의 입자로 이루어진 다공성 매질에 대한 삼차원 공극 구조를 무작위 패킹 시뮬레이션으로 얻었고, 이에 대해 구성 엔트로피와 삼차원 상자집계 프랙탈 차원 분석을 하였다 구성 엔트로피 분석 결과, 엔트로피 길이는 비표면적이 2.4에서 8.3mm2/mm3으로 증가할 때 0.8에서 0.2 mm로 감소하고, 최대 구성 엔트로피는 공극률이 0.33 에서 0.46으로 증가할수록 0.94에서 0.99로 증가하는 뚜렷한 경향을 보인다. 구성 엔트로피와 공극률의 관계로부터 구성 엔트로피가 맨틀 용융체의 탄성과 점성도를 설명하는 변수로 사용될 수 있음을 제시한다. 삼차원 상자집계 프랙탈 차원은 비표면적이 같을 때 공극률이 증가함에 따라 증가하고, 비표면적이 2.4에서 8.3mm2/mm3으로 증가할 때 2.65에서 2.98로 증가한다. 이러한 삼차원 상자집계 프랙탈 차원과 비표면적, 공극률의 관계로부터 삼차원 상자집계 프랙탈 차원이 지진파 감쇠와 맨틀용융체를 포함한 다양한 지질매체의 구조와 무질서도를 설명하는 변수로 사용될 수 있음을 제시한다.

지표-지각환경을 구성하는 지질매체의 구조와 성질의 정량적-체계적 이해를 위한 예비연구로, 매질을 구성하는 입자의 모양, 크기, 충전 밀도가 공극 구조의 특성과 매질의 성질에 미치는 영향을 알아보기 위해 입자의 모양이 구형인 글래스 비드와 모양이 불규칙한 실리카 젤을 이용하여 입자 크기와 공극률이 서로 다른 다양한 다공성 매질을 준비하였고, 핵자기공명 현미영상을 이용하여 약 50 μm의 분해능으로 삼차원 영상을 획득하였다. 분석 결과, 지름 약 0.2~1.3 mm 크기의 입자로 구성된 다공성 매질의 비표면적은 2.5부터 9.6 mm2/mm3, 공극률은 0.21에서 0.38, 투수율은 11.6에서 892.3 D이며, 이는 일반적인 미고결 샌드가 갖는 값의 범위에 해당된다. 비표면적, 공극률, 투수율의 관계는 Kozeny 식에서 예상된 경향과 비교적 일치하였다. 상자집계 프랙탈 차원은 공극률, 비표면적과의 관련성이 높으며, 공극률이 0.29~0.38일 때 비표면적이 약 2.5부터 6.0 mm2/mm3까지 증가할수록 프랙탈 차원이 2.6에서 3.0까지 선형으로 증가하며, 공극률이 0.21~0.28일 때 비표면적이 약 2.5부터 9.6 mm2/mm3까지 증가할수록 프랙탈 차원이 2.5에서 3.0까지 선형으로 증가한다. 실제 다공성 사암에 포함된 유체의 삼차원 구조를 핵자기공명 현미영상으로 영상화하였고, 이에 대한 비표면적은 0.33 mm2/mm3, 공극률은 0.017, 투수율은 30.9 mD, 상자 집계 프랙탈 차원은 1.59로 계산되었다. 본 연구에서 제시된 것과 같이 핵자기공명 현미영상은 다양한 다공성 매질의 삼차원 공극 구조를 영상화할 수 있고, 삼차원 공극 구조에 대한 상자집계 프랙탈 차원은 본 연구에서와 같이 다양한 공극 구조에 대해 분석이 가능하며, 다공성 매질의 이동 특성을 나타내는 매개 변수들과 지진파 감쇠 등에 대한 조절 인자로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 점토광물 표면 클러스터의 크기와 결정학적 위상이 전자 밀도와 자기 차폐 텐서에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 캐올리나이트 규산염 층을 대표하는 세 개의 서로 다른 위상의 모델 클러스터와 벤질 알코올과의 상호작용에 대해 다양한 수준의 양자화학 계산을 수행하였다. 모델 클러스터 1은 단순화된 7개의 규산염 고리로 이루어졌고, 모델 클러스터 2는 결정학적 위상을 가진 7개의 규산염 고리로 이루어졌으며, 모델 클러스터 3은 세 개의 규산염 고리와 팔면체 고리로 이루어져 있다. 멀리켄 전하 계산 결과 벤질 알코올과의 반응 후의 상대적인 전자 밀도 이동의 크기는 모델클러스터 3의 사면체 쪽 〉 모델 클러스터 1 〉 모델 클러스터 2 〉 모델 클러스터 3의 팔면체 쪽의 순으로 계산되었다. 또한 벤질 알코올과 강한 수소 결합을 하는 원자들의 전자 밀도 이동이 상대적으로 크다 벤질 알코올 흡착 전에 대한 사면체 표면 원자들의 자기 차폐 텐서 결과는 결정학적 위상을 고려하지 않은 경우 표면 중심으로부터의 거리가 비슷한 산소들끼리 유사한 등방 자기 차폐 텐서 값들을 갖고, 결정학적 위상을 고려한 경우는 결정학적으로 서로 다른 산소 자리(O3, O4, O5)에 대해 각각 228.2±3.9, 228.9±3.4, 222.3±3.0ppm으로 계산되었다. 흡착 전후의 산소 원자의 화학 차폐의 차이는 알코올과 근접한 산소들에서 약 1~5.5ppm 정도의 변화가 나타나며 이러한 변화는 최근의 고분해능 이차원 핵자기공명분광 분석을 이용하면 실험으로 관찰할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 모델 클러스터 2의 화학 차폐의 변화는 모델 클러스터 1보다 상대적으로 큰 특징을 보인다. 전자밀도 이동과 화학 차폐의 변화는 약한 양의 상관관계를 가진다. 이러한 결과들은 캐올리나이트 규산염 사면체 층과 벤질 알코올이 약한 수소 결합과 벤젠 고리와 규산염 층 산소 원자들의 약한 정전기적 힘에 의해 흡착되고 있음을 보여준다. 본 연구는 점토광물과 유기물에 대한 양자 화학 계산에서 클러스터 크기와 결정학적 위상이 고려되어야 함을 제시한다.