충남 부여군 홍산면 일대의 백운사층 셰일에서 산출되는 운모류 광물(혼합상 백운모)과 십자석에 대한 EPMA 연구를 수행하여, 혼합상 백운모와 십자석 생성 과정과의 관계 및 백운사층 셰일의 변성환경을 규명하고자 하였다. 암석에서 산출되는 운모류 광물의 평균 화학조성은 (K1.11Na0.26Ca0.04)(Al3.93Fe0.21Mg0.07)(Si6.08Al1.92)O20(OH)4로 층간 양이온 함량이 낮으며(1.41) 팔면체 자리에 Fe, Mg를 함유한 일라이트, 즉 백운모/파이로필라이트/녹니석 혼합상(Mu70.5Py23.5Ch6.0)의 화학조성을 보인다. 한편 십자석은 암석 내에서 혼합상 백운모, 단일 결정의 파이로필라이트 및 알루미늄 규산염 광물과 함께 산출되는데, 이들 중 파이로필라이트가 십자석 생성에 참여한 것으로 판단된다. 혼합상 백운모에서 분리된 파이로필라이트와 녹니석이 반응하여 클로리토이드를 형성한 이후, 변성도가 증가하면서 파이로필라이트와 클로리토이드가 반응하여 십자석이 생성된 것으로 보이며, 이때 클로리토이드는 모두 소모되어 암석 내에서 관찰되지 않는 것으로 판단된다. 결국 일라이트가 백운모로 전이되는 과정에서 형성되는 혼합상 백운모는 십자석 생성에 필요한 광물을 공급하는 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 이 반응이 300℃ 이상에서 일어나는 점과 혼합상 백운모에서 분리된 파이로필라이트가 약 350℃에서 알루미늄 규산염 광물로 전이되는 점을 감안할 때, 백운사층 셰일은 300~350℃의 변성환경을 경험한 것으로 판단된다.

강원도 삼척시 석개재에서 산출되는 직운산층 셰일의 운모류 광물(일라이트)에 대한 EPMA 연구를 수행하였다. 정량분석으로 계산된 운모류 광물의 평균 화학식은 (K1.17Na0.04Ca0.01)(Al2.80Mg1.17Fe0.78)(Si6.34Al1.66)O20(OH)4로, 소위 일라이트에 해당되는 화학조성을 보인다. 낮은 층간 양이온 값과 팔면체 자리의 높은 Mg, Fe값으로 보아 일라이트는 백운모, 파이로필라이트 및 녹니석의 혼합상으로 판단된다. 이 연구에서 분석된 일라이트에 해당되는 화학식을 각각의 구성광물로 분리하였고, 그 분리 방법을 새로이 고안하여 제시하였다. 일라이트의 화학식으로부터 K(Na, Ca 포함)를 기준으로 백운모의 함량을, Mg+Fe로부터 녹니석의 함량을 추산하고 나머지를 파이로필라이트로 간주하였다. 파이로필라이트는 이상화학식을, 녹니석은 평균 분석값을 사용하여 일라이트의 분석값에서 빼면, 나머지는 백운모의 화학식이 되는데 이는 원칙적으로 백운모의 이상화학식이 된다. 이 연구에서 분석한 운모류 광물의 평균 분석값을 이 방법으로 분리하면 백운모 61%, 녹니석 27.3%, 파이로필라이트 11.7%로 되며, 여기에서 계산된 백운모의 화학식은 (K,Na,Ca)2.00Al3.69(Si6.75Al1.25)O20(OH)4이다. 이 백운모의 화학식은 대체로 낮은 Al값을 보이나 암석의 낮은 Al 함량과 녹니석 화학조성의 불확실성을 감안할 때 대체로 합리적인 것으로 간주되며, 이는 또한 이 연구에서 제시한 분리 방법이 합당하다는 것을 뒷받침한다.

경북 문경지역의 사동층과 고방산층 셰일에서 산출되는 클로리토이드와 white mica에 대한 연구를 수행하여, 사동층과 고방산층이 경험한 변성환경을 규명하였다. 사동층 셰일에서는 두 종류의 white mica가 산출되는데, 백운모 성분이 우세한 white mica (Mu76.1Pa18.1Ma5.8)와 마가라이트가 우세한 white mica가 산출된다(Ma52.9Mu31.6Pa15.5). 이들 white mica는 각각 Na 성분이 풍부한 일라이트의 속성작용과 일라이트에서 분리된 파이로필라이트가 방해석과 반응하여 생성된 것으로 판단된다. 고방산층 셰일의 경우, 클로리토이드가 백운모, 파이로필라이트, 녹니석과 함께 산출되며, 클로리토이드는 파이로필라이트와 녹니석의 반응에 의해 생성된 것으로 보인다. White mica가 200℃ 이상의 온도에서 생성되는 점과 클로리토이드-파이로필라이트-녹니석 조합이 280℃ 이하에서 안정되는 점을 감안할 때, 문경지역 사동층과 고방산층은 저온의 변성작용(anchizone)을 경험한 것으로 판단된다.

강원도 태백지역에 분포하는 만항층 셰일의 운모류 층상규산염광물입자에 대한 EPMA 및 TEM 연구를 수행하였다. EPMA 분석에 의한 만항층 셰일 내 운모류 층상규산염광물의 평균 화학식은 K1.35(Fe0.18Mg0.03Al3.86)(Si6.55Al1.45)O20(OH)4이며, 이는 백운모의 이상화학식과 비교하면 층간 양이온인 K의 함량이 낮아서 일라이트에 가까운 조성을 갖는다. X-선 회절 분석에 의하면 만항층 셰일에서 파이로필라이트가 흔히 백운모와 함께 산출된다. TEM 격자상 관찰에 의하여 10a의 백운모와 9.3a의 파이로필라이트 층들이 단일 층 수준에서의 층간 혼합 및 층 내 혼합 현상이 동시에 관찰되었다. EPMA 분석에서 K 함량이 백운모에 비해 낮게 분석된 원인은 이처럼 입자 내에서 백운모와 파이로필 라이트가 밀접하게 공존하기 때문으로 판단된다.

Na-장석(Amelia albite)의 1100℃ 등온가열에 대한 XRD 분석결과는 Si-Al의 재배열에 의한 급격한 구조변화를 보여주며 4일 이상의 가열에 의해 저온형에서 고온형으로의 상전이를 보였다. TEM의 제한시야전자회절(SAED)법을 이용하여 구조변화 인지를 시도한 결과, 변화의 양상은 보이나 측정 오차에 의해 Si-Al 배열상태의 정량화가 어려웠다. 수렴성빔전자회절(CBED)법을 이용한 연구결과, 관찰을 위한 최적 실험조건은 냉각 시료지지대의 사용과 120 kV의 가속전압, 37 μm크기의 C3 조리개, 25 nm의 빔 크기로 나타났다. 알바이트의 구조변화에 따라 HOLZ 선이 두드러진 변화를 보인 방향은 [418] 방향에서 약 -1.2˚ 회전한 방향으로 파악되었으며, 이 방향에서는 저온형과 고온형 알바이트에서 두 HOLZ선의 폭이 서로 반대로 나타나 Si-Al 배열상태의 뚜fut한 구별이 가능하였다.

Au 내부 표준시편을 이용하여 일반 전자회절도형에서도 알바이트와 올리고클레이스의 격자 상수 값을 1% 이내의 오차범위로 얻었다. 자연산 올리고클레이스 시료의 전자회절도형 지도를 작성하였고, 11개 지점의 정대축 전자회절도형을 얻었다 이러한 작업은 삼사정계민 장석으로부터 신뢰성 있는 전자현미경 연구 결과를 얻기 위해서는 필수적인 과정이다. 장식의 001 벽개면과 TEM의 양측경사 시료지지대를 이용하면 장석의 구조/화학 분석에 필요한 다음과 같은 정보를 획득할 수 있다: 알칼리 장석은 [001] 방향에서 ＊ 값을, [100] 방향에서 α＊ 값을 측정하여 α＊ - ＊ plot을 함으로써 미세 영역에서 Si-Al ordering 상태 및 화학 조성을 예측할 수 있다. Na-rich한 사장석은 [001] 방향에서 ＊ 값을 측정하여 Si-Al ordering 상태를 예측할 수 있다. Na-poor한 사장석은 [100] 방향에서 e-reflection의 유무, 회절강도 및 위치 변화를 측정하여 구조 및 화학을 예측할 수 있다.

알칼리 장석 중 고온 상인 anorthoclase의 미세구조 및 화학을 EPMA 및 TEM을 이용하여 분석하였다. Anorthoclase는 BSE image 상에서 Na-rich 지역과 K-rich 지역이 다양한 크기의 lamella를 형성하며 혼재되어 있으며, EPMA 분석 결과 Na-rich 지역은 평균 조성이 Ab: 81%, Or: 3%, An: 12%이며 K-rich 지역은 평균 조성이 Ab: 45%, Or: 44%, An: 11%로 나타났다. TEM 관찰 결과 Na-rich 지역은 앨바이트(albite) 쌍정 구조가 잘 발달한 반면 K-rich 지역은 다시 미세한 앨바이트 쌍정이 발달한 앨바이트와 쌍정이 없는 orthoclase가 약 100 nm의 규칙적인 lamellae 형태를 이루며 서로 섞여 있음이 드러났다 K-rich 지역의 [001] 전자회절도형도 두 상이 공존함을 보이는데, 앨바이트 회절점은 쌍정 구조에 의하여 (010) * / 방향으로 streaking이 나타난다. 이에 비하여 (100)* 방향으로는 앨바이트 회절점과 orthoclase 회절점이 모두 streaking을 가지는데 이는 Al과 Si의 배열-비배열 현상과 두 상의 계면 간에 나타나는 왜력(strain)에 기인한 것으로 여겨진다. 앨바이트와 orthoclase의 방향이 서로 반대로 나타나는 이유는 두 상의 계면 간의 왜력을 줄이기 위한 일종의 pole switching의 결과로 여겨진다. 위의 결과를 종합해 볼 때 연구된 광물은 중간 단계의 Al-Si 비배열 상태를 가지며 미세구조의 생성 온도가 400℃∼600℃로 추정되기 때문에 고온 상인 anorthoclase라기보다는 보다 저온 상인 cryptoperthite라 할 수 있다

Partially sericitized tourmaline from a pegmatite, Black Hills, South Dakota, U.S.A., was investigated using high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). Muscovite occurs as the only alteration product of tourmaline, and it is developed extensively as narrow veinlets along the 110 and 100 cleavage directions of tourmaline, indicating that a cleavage-controlled alteration mechanism was dominant. Muscovite was characterized mainly as two-layer polytypes with minor stacking disorder, but tourmaline is almost free of structural defects. HRTEM images of tourmaline-muscovite interfaces revealed that the interfaces between two minerals are composed of well-defined 110 and 100 boundaries of tourmaline. The (001) of muscovite is in general parallel to the c-axis of tourmaline, but tourmaline and replacing muscovite do not show specific crystallographic orientation relationship; muscovite consists of numerous 100-1000a thick subparallel packets, and the angles between the (001) of muscovite and (110) of tourmaline is highly variable. Al/Si ratios of both minerals suggest that tourmaline to muscovite alteration by late magnetic fluids has been facilitated by their similar Al/Si ratio in the incipient alteration stage, in that the hydration reaction with preservation of Al and Si would require only addition of K+ and H2O. Aluminous minerals other than muscovite were not characterized as the alteration products of tourmaline, indicating that tourmaline reacted directly to muscovite; the tourmaline alteration apparently occurred by the presence of residual fluids in which K+ is available and silica was not undersaturated.

옥천 변성대 남서부 지역에서 산출되는 변성 니질암에서는 muscovite, biotite 및 chlorite를 주로하는 phyllosilicate가 서로 intergrowth 또는 interlayer를 이루는 것이 편광현미경 관찰, EPMA 분석, Back Scattered Electron (BSE) image 관찰 및 Transmission Electron Micro-scope(TEM) 관찰을 통하여 확인되었다. 이들 광물들은 편광현미경 관찰에서 흔히 각각의 입자를 식별할 수 없을 정도의 미세 규모로 서로 intergrow 되어 있으며BSE image에서는 0.1μm 이하의 아주 작은 크기에서부터 10.0μm 정도 크기까지 다양한 규모의 intergrow를 형성하고 있음이 관찰되었다. TEM scale에서는 개별 layer 크기(약 10a)에서부터 수십 개 layer 크기의 interlayering을 보여준다. 이와 같은 intergrowth 또는 interlayering의 결과로 EPMA 분석에서 종종 보기에는 규진(homogeneous)한 입자라 하더라도 두 개 이상의 광물 성분이 섞여 있는 분석값을 나타내며 이러한 nonstoichiometry는 BSE image에서 interlayer(또는 intergrow) 된 것으로 관찰되는 부분에서 더욱 두드러진다.Chlorite zone에서는 chlorite와 muscovite의 interlayering (C/M)이 주로 발견되며 biotite zone과 garnet zone에서는 chlorite와 biotite의 interlayer (C/B)가 주로 관찰된다. 이는 chlorite zone에서는 속성작용에서 보편적으로 나타나는 C/M으로부터 chlorite가 분리되는 광물반응이 일어나는데 반해서 biotite zone과 garnet zone에서는 chlorite로부터 C/B를 거쳐 biotite를 생성하는 광물반응이 일어나는 것을 의미한다. 이와 같은 현상은 변성작용에서 phollosilicate의 광물반응의 엄밀한 의미에서는 평형(equilibrium) 상태에서 균질한 광물을 생성하기보다는 비평형(disequilibrium) 반응으로 일어난다는 것을 의미한다.