이용재 교수팀, 망간 단괴 구성 광물의 초수화 현상 발견

심해저 및 섭입대 조건에서 일어나는 망간 산화물의 단계적 상전이 현상 규명

전체 과학 분야 권위지 ‘Nature Communications’ 게재

이용재 교수(지구시스템과학과, 고압광물물리화학연구단) 연구팀이 해저 환경에 존재하는 망간 단괴의 주요 구성 광물에 대한 단계적 상전이 과정을 밝혔다. 

망간은 지구의 지각에서 두 번째로 풍부한 전이 금속 원소로서 여러 가지 망간 산화 광물로 이뤄진 망간 단괴의 형태로 전 세계 해저에 분포한다. 망간 단괴는 망간과 함께 철, 니켈, 구리, 코발트 등 다양한 금속과 희토류 원소를 함유하고 있어 미래 자원으로서 전 세계적 관심이 높으나 이를 구성하고 있는 주요 광물의 성인에 대한 이해는 아직 부족하다. 이용재 교수팀은 망간 단괴의 주요 구성 광물 두 가지에 대한 상전이 관계를 규명해 과학 전 분야 세계적 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 11일 보고했다.

망간 단괴의 주요 구성 광물인 버네사이트(birnessite)와 부서라이트(buserite)는 모두 망간 산화물로 구성된 층으로 이뤄져 있고 이들 층 사이에 물을 함유하고 있는 함수 광물이지만 서로 다른 물 함량과 안정성으로 인해 별개의 광물로 구분돼 왔다. 특히 부서라이트의 경우 대기 중으로 노출되면 층간에 함유된 물이 빠져나오는 탈수 현상을 보여 해저 환경에서 안정적으로 존재하는 구조에 대해서는 아직 알려진 바가 불확실했다. 이용재 교수팀은 버네사이트를 물과 함께 섞어 해저부터 지각판의 섭입대 깊이까지 압력과 온도를 가하는 실험을 진행했고 해저로부터 약 5㎞ 깊이에 해당하는 압력에서 버네사이트가 부서라이트로 변화하는 과정을 관찰했다.

이용재 교수는 “버네사이트에서 부서라이트로의 압력에 따른 상전이 과정은 망간 산화물 층간의 간격이 40% 이상 팽창함과 함께 물 함량이 약 3.7배 증가되는 ‘초수화 현상‘으로 설명되며, 이는 그동안 제올라이트나 점토광물에서 관찰돼 온 부피 팽창이나 물 함량 증가와 비교해 가장 큰 규모로 확인된다.”고 이번 연구 결과를 설명했다. 

실제로 초수화된 부서라이트는 전체 중량의 약 35% 가까이 물 분자로 구성돼 기존에 알려진 다른 함수 광물들과 비교해도 가장 높은 물 함량을 보인다. 특히 이러한 초수화 반응이 섭입대 약 5㎞ 조건에서 일어난다는 결과는 그동안 섭입대의 비교적 낮은 깊이에 집중된 지진 발생에 대한 새로운 가설을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

이후 섭입대의 더욱 깊은 곳까지 압력과 온도를 가하면 초수화된 부서라이트는 단계적으로 다른 망간 산화물로 상전이 과정을 거치며 광물 구조 속에 품고 있던 물을 주변으로 유출시키게 된다. 이 과정에서 전이 금속인 망간의 단계적인 환원 반응도 일어나 초기에 4가 양이온으로 존재하던 망간이 2가 양이온으로 변하는 것이 관찰된다. 이러한 형성 조건에 따른 다양한 망간 산화물의 함수량과 안정성에 대한 체계적인 이해를 통해 물이 풍부한 지구나 과거에 물이 존재했을 것으로 추정되는 화성의 지표 환경 변화에 대한 이해를 확장시킬 수 있을 것으로도 기대된다.

[해저 망간 단괴의 주요 구성 광물로서 버네사이트와 부서라이트의 초수화 반응에 의한 구조적 연관성을 보여주는 그림]

본 연구는 한국연구재단 리더연구자사업(고압광물물리화학연구단)의 지원으로 수행됐다. 지구시스템과학과 윤서희 박사과정 학생이 논문의 1저자로 연구를 수행했으며, 경북대, 미국 사우스캐롤라이나대, 스미소니언박물관 연구진이 참여했다. 고압-고온 X-선 회절 실험은 포항가속기연구소(PAL)와 미국 알곤국립연구소(ANL), 그리고 일본 국립고에너지가속기연구소(KEK)의 방사광가속기 연구시설을 활용해 수행됐다.

논문정보

● 논문제목: Super-hydration and reduction of manganese oxide minerals at shallow terrestrial depths

● 논문주소: https://www.nature.com/articles/s41467-022-29328-y

용어설명

● 망간 단괴(Manganese nodule): 망간 산화 광물을 주요 구성 성분으로 하는 광물-금속 복합체로 직경 ~0.5㎝에서 ~25㎝ 범위의 덩어리 형태로 전 세계 해저에 분포함. 해수나 해양저로 분출되는 열수에 녹아있는 금속 성분을 기원으로 약 백만 년에 ~1㎜  속도로 성장하는 것으로 알려져 있음.

● 버네사이트(Birnessite): 본 연구에서 사용된 망간 산화 광물로 Na0.54Mn2O4∙1.5H2O의 화학식을 보임. 망간 산화물(MnO2) 층으로 구성돼 있으며 층 사이에 물(H2O)이 존재함.

● 부서라이트(Buserite): 버네사이트와 함께 망간 단괴의 주요 구성 광물을 이루며 본 연구를 통해 버네사이트의 초수화 반응을 통해 만들어지는 것으로 밝혀짐. 버네사이트와 비교해 확장된 망간 산화물 층 사이에 약 3.7배 많은 물을 함유함. 

● 섭입대(Subduction zone): 서로 다른 지각판의 충돌로 인해 하나의 지각판이 다른 지각판 밑으로 침강하는 지역. 일반적으로 지각판의 침강은 1년에 수 ㎝ 정도의 속도로 일어나며 이를 통해 함수 광물이 지구 심부로 운반되고 지진과 화산 활동 및 조산 작용을 유도함.

● 방사광가속기(Synchrotron): 전자와 같은 하전입자를 빛의 속도 가까운 운동 상태로 만들고 가속시킴으로써 고에너지 X-선과 같은 다양한 파장대의 전자기파를 태양빛의 백만 배 이상의 밝기로 만들어내는 거대 과학시설. 우리나라의 포항방사광가속기(http://pal.postech.ac.kr/)를 비롯해 전 세계에 30여 기의 가속기 연구시설이 건설돼 운영 중에 있음.