Re: Re : 석류석과 흑운모의 광물교환반응과 지질온도계

[갤럭시]

설명해 드리면 다음과 같습니다.

감람석, 석류석, 휘석은 무수광물이며, 각섬석, 흑운모, 백운모는 함수광물이다. ‘흑운모+석류석’은 지질온도계로 널리 이용되는데, 그 이유는 정해진 압력하에서 공존하는 광물 사이의 Fe와 Mg의 비율은 변성온도에 의해 좌우되기 때문이다.

광물 교환반응은 일정한 온도 변화에 따라서 흑운모에서 석류석으로의 치환 반응이 일어나는 것을 말한다. 흑운모와 석류석이 온도가 증가하면 흑운모를 소비하여 석류석이 생성되는 반응으로 흑운모의 존재 영역이 줄어들고 석류석의 존재 영역이 늘어난다. 온도의 변화에 따라 분배상수 KD의 값이 달라지게 되며 석류석과 흑운모 내에서 Mg/Fe의 비가 달라지게 된다. 그러므로 석류석-흑운모 내에서의 Mg/Fe의 비는 변성온도의 정보를 제공하게 된다.

분배상수 KD = [Fe/Mg]흑운모/[Fe/Mg]석류석이다.

X(Fe) = Fe/(Mg+Fe)이고, X(Mg) = Mg/(Mg+Fe)이다.

분배상수 KD = [X(Fe)/X(Mg)]흑운모 / [X(Fe)/X(Mg)]석류석

= {Fe/(Mg+Fe)}/{Mg/(Mg+Fe)}흑운모 / {Fe/(Mg+Fe)}/{Mg/(Mg+Fe)}석류석

= [Fe/Mg]흑운모 / [Fe/Mg]석류석

변성온도가 올라감에 따라(전진변성) 실제로는 흑운모의 Fe/(Mg+Fe)비는 조금 감소하는 반면에 흑운모의 Mg/(Mg+Fe)비는 조금 증가한다. 변성온도가 올라감에 따라(전진변성) 실제로는 석류석의 [Fe/(Mg+Fe)]비는 많이 감소하는 반면에 석류석의 Mg/(Mg+Fe)비는 많이 증가한다.

분배상수 KD = [Fe/Mg]흑운모 / [Fe/Mg]석류석 = 조금 감소 / 많이 감소 = ‘증가’한다.

또는 분배상수 KD= [Mg/Fe]석류석 / [Mg/Fe]흑운모 = 많이 증가 / 조금 증가 = ‘증가’한다.

따라서 분배상수는 온도에 비례하여 증가함을 보여준다.

변성암석학 46면 분배상수 = [Fe/Mg]흑운모 / [Fe/Mg]석류석 식은 올바르다.

암석학개론 302면 분배상수 = [X(Fe)/X(Mg)]석류석 / [X(Fe)/X(Mg)]흑운모 식은 오류이다.

그 이유는 암석학개론 302면 분배상수 식에 대입하면 오류라는 것을 금방 알 수 있다.

온도가 올라감에 따라(전진변성) 분자인 [Fe/Mg]석류석는 점차 감소하고, 분모인 [Fe/Mg]흑운모는 점차 증가하므로 분배상수 KD는 온도가 올라감에 따라 감소하는 것으로 나와서 분배상수 KD ∝ T(온도)와는 모순된다는 것을 금방 알 수 있다.

2009년도 14번 문제의 경우에 광물 교환반응에서

광물a(석류석) Fe/(Fe+Mg)비는 압력이 일정할 때 온도가 증가할수록 많이 감소한다.

광물b(흑운모) Fe/(Fe+Mg)비는 압력이 일정할 때 온도가 증가할수록 조금 감소한다.

따라서 분배상수 KD = [Fe/Mg]흑운모 / [Fe/Mg]석류석 = 조금 감소 / 많이 감소 = 증가

온도가 증가할수록 분배상수 KD는 비례하여 증가한다.

광물 교환반응에서 압력이 일정할 때 변성온도가 올라감에 따라(전진변성)

석류석의 Fe/(Fe+Mg)비는 많이 감소한다. 흑운모의 Fe/(Fe+Mg)비는 조금 감소한다.

압력이 일정할 때 변성온도가 올라감에 따라(전진변성)

석류석의 Mg/(Fe+Mg)비는 많이 증가한다. 흑운모의 Mg/(Fe+Mg)비는 조금 증가한다.

고려할 수 있는 단성분간의 반응은

상대적 저온 : 석류석① (Fe)3(Al)2(SiO4)3 + 흑운모① K(Mg)3AlSi3O10(OH)2 ↔

상대적 고온 : 석류석② (Mg)3(Al)2(SiO4)3 + 흑운모② K(Fe)3AlSi3O10(OH)2

석류석① : 철반석류석(알만딘), 석류석② : 고반석류석(파이로프)

흑운모① : phlogopite(금운모), 흑운모② : annite(철운모)

변성작용이 일어나는 동안 석류석과 흑운모는 서로 반응하여 각각의 성분 Fe/(Fe+Mg)비가 변한다. 흑운모와 석류석이 공존하는 경우 온도 증가시 Fe-Mg교환반응에서 흑운모의 화학조성 영역은 Mg측에서 Fe측으로 이동하며, 석류석의 화학조성 영역은 Fe측에서 Mg측으로 이동한다. 석류석의 Fe/(Fe+Mg) 비는 압력이 일정할 때 온도가 증가할수록 감소한다.

온도 T=500℃에서 분배상수 KD=0.14이고, 이보다 고온인 T=800℃에서 KD=0.30으로 온도에 비례하여 증가한다. 변성 온도가 증가할수록 흑운모의 Mg/(Fe+Mg)비 값을 고정시킨 상태에서 비교해 보면, 석류석의 Mg/(Fe+Mg)비 값은 증가한다는 것을 알 수 있다. 반면에, 변성 온도가 증가할수록 석류석의 Fe/(Fe+Mg)비 값은 감소한다는 것을 알 수 있다. 변성 온도가 증가할수록 석류석의 Mg/(Fe+Mg)비 값을 고정시킨 상태에서 비교해 보면, 상대적으로 흑운모의 Mg/(Fe+Mg)비 값은 감소한다는 것을 알 수 있다.

그러나 실제로는 변성 온도가 증가할 때, 석류석의 Mg/(Fe+Mg)비 값은 고정되지 않고 증가되므로 흑운모의 Mg/(Fe+Mg)비 값은 조금씩 증가한다.

[정리]

광물 교환반응에서 압력이 일정할 때 변성온도가 올라감에 따라(전진변성)

석류석의 Fe/(Fe+Mg)비는 많이 감소하고, 흑운모의 Fe/(Fe+Mg)비는 조금 감소한다.

석류석의 Mg/(Fe+Mg)비는 많이 증가하고, 흑운모의 Mg/(Fe+Mg)비는 조금 증가한다.

자세한 내용은 임용지구과학 카페에 업로드되어 있기에 살펴볼 수 있습니다.

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