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나나 송
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1 지질학회지제 53 권제 6 호, p , (2017 년 12 월 ) J. Geol. Soc. Korea, v. 53, no. 6, p , (December 2017) DOI ISSN (Print) ISSN (Online) <Technical Report> 소량의시료의 X- 선회절분석을통한단층주미끌림대의물질분석 김창민 1 정종옥 2 구도희 1 한래희 1, 1 경상대학교지질과학과및기초과학연구소 2 경상대학교공동실험실습관 요약 전단변위가집중되는단층핵내부의주미끌림대 (principal slip zone, PSZ) 를구성하는물질, 즉단층물질 (fault material) 은단층의마찰특성을결정하는가장중요한인자중하나이다. 따라서, 단층물질의광물조성을정확히확인하는것은단층의역학적거동이해를위해반드시필요하다. 그러나자연의단층대에서관찰되는 PSZ 는대부분수 cm 에서수 mm 이하의매우좁은폭을가지기때문에 PSZ 를이루는단층물질만의정확한광물조성을알기위해서는시료채취와분석과정에서특별한주의가필요하다. 본연구에서는좁은 PSZ 에서채취된미량의시료만으로도단층물질의광물조성이쉽고정확하게결정될수있는지를확인하기위해고분해능 XRD 기기를이용한 X- 선회절분석을시도하였다. 본연구의대상물질은포항보경사지역의양산단층대에서발달하는 2 cm 폭의 PSZ 와그주변단층핵에서채취되었으며, 이물질로부터일차적으로슬랩을만들고 X- 선회절분석시료는마이크로드릴을이용하여그슬랩으로부터소량의파우더를긁어내는방식으로채취하였다. 시료량에따른고분해능 XRD 기기의정확도를검증한결과, 정성분석이가능한최소시료량은대략 2 mg 으로측정되었다. 이것을기준으로 PSZ 내부단층물질들 (PSZ-B, PSZ-R) 과단층핵내부갈색단층물질 (BZ) 을미량 (2 mg) 채취하여분석한결과, PSZ 가인접한물질들과는상이한광물조성을가질수있음을확인하였다. 본연구를통해개발된 PSZ 단층물질분석법은기존덩어리시료분석법에비해좁은영역에서발달하는단층물질연구에효과적이며, 전단실험으로부터회수한실험단층물질이나시추코어에서발견되는단층물질등이용가능한시료량이극히제한된상황에서의물질연구에도활용될수있을것이다. 주요어 : X- 선회절, 단층, 단층물질, 주미끌림대, 양산단층대 Chang-Min Kim, Jong Ok Jeong, Dohee Gu and Raehee Han, 2017, Identification of materials in principal slip zones of faults by X-ray diffraction analysis using a small amount of sample. Journal of the Geological Society of Korea. v. 53, no. 6, p ABSTRACT: Fault materials in principal slip zones (PSZs), where the shear displacement is concentrated, are one of the most important factors that control the frictional properties of a fault. Thus, the identification of mineral composition of fault materials is essential to understanding the mechanical behaviors of faults. However, since the PSZ of natural faults is commonly very thin (less than a few cm or mm), special attention should be paid to the sampling and analysis of the materials in the PSZ. In this study, we designed X-ray diffraction (XRD) analyses on the fault materials taken from a narrow PSZ using a high-resolution X-ray diffractometer to examine if mineral composition can be reliably determined from a small amount of fault materials. The materials analyzed in the study were taken from about 2-cm-thick PSZ and adjacent fault core of the Yangsan fault zone, Bogyeongsa area, Pohang. Some slabs were prepared from the materials, and the powder specimens used in the XRD analyses were scraped from the slabs with a micro-drill. Given the results of the XRD analyses performed by changing the amount of the material, it follows that the minimum amount of sample needed for the reliable determination of mineral composition is estimated to be about 2 mg. The mineral compositions determined by using the 2-mg-specimens of the PSZ materials (PSZ-B and PSZ-R) and the brownish fault core material (BZ) confirm that the PSZ may be composed of different minerals from the adjacent areas. The method developed in the study may be effectively used for the materials not only in thin layers of natural fault materials but also in recovered experimental faults or in thin faults found in drilling cores from which only a small amount of material can be collected. Corresponding author: , raeheehan@gnu.ac.kr

2 874 김창민 정종옥 구도희 한래희 Key words: X-ray diffraction, faults, fault materials, principal slip zones, Yangsan fault zone (Chang-Min Kim, Dohee Gu and Raehee Han, Department of Geology and Research Institute of Natural Science, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Republic of Korea; Jong Ok Jeong, Center for Research Facilities, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Republic of Korea) 1. 서론단층의주미끌림대 (principal slip zone, PSZ) 에는마찰미끌림시의다양한물리화학적과정에의해만들어진물질과더불어그것이시간에따라변화되어만들어진산물등이함께존재하는데, 이를통틀어단층물질 (fault materials) 이라정의할수있다. 이물질은눈으로볼수있는입자에서부터나노입자까지크기가다양하며 (e.g., Han et al., 2007a, 2007b; Viti, 2011; Siman-Tov et al., 2013) 때때로비정질물질을포함하기도한다 (e.g., Yund et al., 1990; Lin, 1994; Kirkpatrick et al., 2013). 다양한단층물질에대한지금까지의전단시험결과로부터확인된중요한사실은단층의주미끌림대의구성물질이단층의역학적거동에결정적인영향을준다는점이다 (e.g., Carpenter et al., 2009, 2011; Ikari et al., 2011; Fujimoto and Sato, 2017). 가령, 천부에서흔히관찰되는점토질단층비지 (clay-rich fault gouge) 를이루는광물들중스멕타이트 (smectite) 는낮은마찰계수값 ( 실온, 실내습도, 조건에서 μ < 0.3) 을보이며, 카올리나이트 (kaolinite) 는상대적으로큰마찰계수값 ( 실온, 실내습도, 조건에서 μ < 0.65) 을나타내는경향을보인다 (e.g., Ikari et al., 2011). 또한, 단층면에서강한분쇄작용이나열분해작용등으로생성되는결정질또는비정질나노입자가미끌림대에존재하는경우강한동적단층약화 (dynamic fault weakening) 현상이발생하여더큰변위의단층미끌림을유발할가능성이높다는최근의연구결과들 (e.g., Di Toro et al., 2004; Janssen et al., 2010; Han et al., 2011; Hayward et al., 2016; Hirono et al., 2016; Aretusini et al., 2017) 역시보고되었다. 이런이유로단층핵 (fault core), 그중에서도전단변위가집중되는 PSZ를이루는단층물질의구성성분을정확히알아내는것이단층의역학적거동연구측면에서매우중요하다고볼수있다. 단층핵내에발달하는 PSZ는주변단층물질과는다른색상, 광물및화학조성, 미구조등을가질수 있는것으로알려져있다 (e.g., Chester and Cherster, 1998; Ishikawa et al., 2008; Oohashi et al., 2011; Kim et al., 2016). 이러한 PSZ의폭은좁게는수 m, 넓게는수백 m 폭으로발달하는단층대 (fault zone) 의폭에비해극도로얇아서, 대부분수 cm에서 1 mm 이하의좁은영역으로발달한다 (e.g., Chester and Cherster, 1998; Faulkner et al., 2003; Sibson, 2003; De Paola et al., 2008; Smith et al., 2011). 따라서, PSZ의구성물질을식별하기위해서는그영역에존재하는물질만을채취하여분석해야하나, 기존에는시료채취의어려움과분석에필요한물질의양적인제한등으로인해이런식의분석이시도되지못해왔다. 최근분석기기들의기술적발달로고분해능기기들이보편화되면서이러한기기들을활용한지질학적연구들이매우활발하게진행되고있다 (e.g., Wirth, 2009). 특히, 자연단층과전단실험으로부터생산된단층물질에대한나노스케일에서의광물학및지화학적연구에서도이러한기기들이큰기여를하고있다 (Bestmann et al., 2011; De Paola et al., 2011; Janssen et al., 2013; Kirkpatrick et al., 2013; Collettini et al., 2014; Han et al., 2014; Kuo et al., 2016; Viola et al., 2016; Lee et al., 2017; Scuderi et al., 2017). 그러나기기의분해능이높아질수록까다로운시료준비과정과그과정에서발생될수있는시료의오염, 운용자의분석숙련도, 높은분석비용등의단점들이존재한다. 이러한측면에서 X-선회절분석 (X-ray diffraction, XRD) 은간편한시료준비과정및운용, 상대적으로짧은분석시간, 그리고저렴한분석비용으로물질의광물학적특징을파악할수있다는장점들을가진장비임에틀림없지만상대적으로많은량 (> 2 g) 의시료가필요하며, 덩어리 (bulk) 샘플링및분석으로인해미소구간에대한분해능이상대적으로떨어지는단점또한존재한다. 그렇기때문에지금까지의단층물질에대한 XRD 분석에서는 PSZ를포함한보다넓은영역에서물질이채취및분석되어분해능있는물질분석이이루어지지못했던측면이있다 (e.g., Choo and Chang, 2000). 그러나최근 XRD 기기역시다수의채

3 소량의 시료의 X-선 회절분석을 통한 단층 주미끌림대의 물질분석 널을 가지는 고분해능 검출기를 이용하여 극소량의 (수 mg) 시료만으로도 신뢰도 높은 분석이 가능한 수 준으로 발전하였기 때문에 XRD의 분석 한계를 넘어 서 단점을 극복하는 수준에 이르렀다. 본 연구의 목표는 XRD 분석 시 통용되고 있는 덩 어리 샘플링 및 이를 이용한 분석법의 단점을 극복하 기 위해 고분해능 XRD를 활용하여 분석결과의 신뢰 성이 확인되는 최저 시료량을 확인하고, 나아가 좁은 폭의 PSZ로부터 소량의 물질을 직접 채취하여 분석 한 결과를 덩어리 시료로부터 최저 시료량만을 취하 여 분석한 결과와 비교함으로써 시료량이 극도로 제 한된 단층물질에 대해 적용될 수 있는 XRD 분석법 을 제시하고자 한다 포항 보경사 지역의 양산단층대에서 관찰 되는 단층핵 포항 보경사 인근의 북북서-남남동 방향으로 발달 하는 하천에는 한반도 동남부의 주요 주향이동단층 들 중의 하나인 양산단층대의 전체 내부구조가 연속적 으로 잘 드러나 있다(e.g., Chae and Chang, 1994; 그림 1a). 연구지역의 단층대는 백악기 경상분지 하양 층군에 속하는 퇴적암층과 유천층군에 속하는 화산암 (데사이트질 라필리 응회암)의 경계부에서 약 220 m의 폭으로 발달하고 있으며, 내부에는 약 10 m 폭의 단층 핵대(fault core zone)가 발달한다(Kim et al., 2016; 그림 1b). 단층핵대를 구성하는 단층비지대(fault gouge Fig. 1. (a) Satellite image of the study area ( showing the trace of the Yangsan fault and the study area (star). (b) Internal structure of the Yangsan fault, Bogyeongsa area (modified from Kim et al., 2016). BPZ, blue and purple gouges. BZ, brown gouge. PSZ, principal slip zone. (c) Outcrop photograph of the boundary between the dacitic lapilli tuff and brown gouge zone (BZ). (d) Dark brown layer (white arrows) developed along the boundary between the damage zone and fault core.

876 김창민 정종옥 구도희 한래희 zones)들 중의 하나인 BZ (brown gouge zone)와 서편의 단층손상대(데사이트질 라필리 응회암 측)와 의 경계부(그림 1c)를 자세히 관찰한 결과, N10 E/ 80 NW 자세의 직선에 가까운 경계부를 따라 기존 연구에서 보고되지 않은 치밀한 조직의 암갈색 물질 이 최대 2 cm의 폭으로 관찰되었다(그림

4 876 김창민 정종옥 구도희 한래희 zones)들 중의 하나인 BZ (brown gouge zone)와 서편의 단층손상대(데사이트질 라필리 응회암 측)와 의 경계부(그림 1c)를 자세히 관찰한 결과, N10 E/ 80 NW 자세의 직선에 가까운 경계부를 따라 기존 연구에서 보고되지 않은 치밀한 조직의 암갈색 물질 이 최대 2 cm의 폭으로 관찰되었다(그림 1d). 2.1 단층암 시료의 슬랩 및 박편제작 단층핵(BZ)과 단층손상대의 경계에서 관찰된 암갈 색 물질의 미구조와 광물조성을 확인하기 위해 BZ와 데사이트질 라필리 응회암의 경계부를 중심으로 약 20 cm 30 cm 크기의 정향된 덩어리(bulk)시료를 채취하였으며, 미고결 상태의 시료의 파손을 방지하 기 위해 저점도 에폭시(Struers 사의 Epofix-set)를 이 용하여 외부를 보강한 후 슬랩형태의 관찰면을 연마 하였다. 연마된 관찰면의 고해상도 이미지를 얻기 위 해 고해상도 스캔작업을 실시하였으며(그림 2a), 이 미지 상에서 확인된 미끌림면을 포함하는 부분을 칩 (chip) 형태로 잘라 박편을 제작하였다. 모든 슬랩 및 박편제작과정에는 수분에 취약한 시료의 특성 상 연 마제와 금속가공용 방전가공유를 섞은 현탁액을 이 용하여 관찰면을 연마하였다. 또한, 모든 관찰면은 Fig. 2. Slab and microstructural images of the fault materials in the principal slip zone (PSZ) and brown gouge zone (BZ). (a) Polished rock slab image showing the PSZ and BZ. The zones are composed of the fault materials of different colors and structures. FC, fault core materials; PSZ-R, reddish materials in PSZ; PSZ-B, bluish materials in PSZ. White boxes are the sampling area for the XRD analyses. Optical photomicrographs (cross polarized light; gypsum plate inserted) and BSE (backscattered electron) images showing the microstructures of PSZ-R (b), PSZ-B (c), and BZ (d).

5 소량의시료의 X- 선회절분석을통한단층주미끌림대의물질분석 877 Table 1. Specifications of the multi-channel compound silicon strip detector. Items No. of channels Active window Spatial resolution (pitch) Specifications 192 strips 14.4 mm 16 mm 75 micrometer Angular coverage ~3 2θ at 500 mm measurement circle Energy resolution <680 ev at 25 Max. global count rate >100,000,000 cps 단층의미끌림선 (slickenline) 에평행하고단층면에수직한면을기준으로제작되었다. 2.2 단층암의미구조적특성 BZ와단층손상대의경계부에서채취한슬랩의내부에는야외에서관찰한바와같이최대 2 cm 폭의암갈색물질이대상으로경계부를따라거의직선형태로관찰된다. 암갈색물질의내부에는눈에보이는크기의암편들이결핍된매우치밀한조직을가지며, 광학관찰결과내부입자들의강한배열이관찰되었기때문에본영역을미끌림이집중되어극도의파쇄현상을경험한 PSZ로판단하였다 ( 그림 2a). PSZ 내부에는암갈색물질뿐만아니라청색 ( 그림 2a의 PSZ-B 영역 ) 및암적색 ( 그림 2a의 PSZ-R 영역 ) 의물질들이약 1 mm 내외의폭을가지는얇은띠형태로교호한다. 암적색의 PSZ-R 물질은광학현미경하에서수십 μm 크기의암편들이전체적으로분포하고있으며, 기질부는암편보다더작은크기의점토및불투명광물 (opaque minerals) 들로이루어진다. 전자현미경관찰결과, 기질부는초미립의판상의점토광물뿐만아니라최대 2 μm에서마이크론 (micron) 이하크기의입상 (granular) 조직을가지는물질들이다량관찰된다 ( 그림 2b). 청색의 PSZ-B 물질은광학현미경하에서 PSZ-R에비해암편을적게포함하고있으며, 기질부는강한배열을가지는점토광물들로구성된다. 그러나전자현미경관찰결과, PSZ-R 물질과유사한마이크론이하크기의입상조직의물질들과초미립의점토광물들이관찰되었다 ( 그림 2c). 슬랩에서관찰되는 BZ 물질은최대 1 cm 크기의방해석, 퇴적암, 화산암등으로이루어진암편들과주전단방향에사교하는방향의엽리들을이루는갈색의 점토광물로이루어져있으며, 전자현미경관찰결과, 주로미립의판상의점토광물들이크고작은암편들사이를채우고있다 ( 그림 2d). 3. 실험방법 3.1 고분해능 XRD 소량채취된점토질단층물질의상 (phase) 분석을위해경상대학교공동실험실습관의고해상도 X-선회절분석기기 (Bruker사의 D8 Advance A25) 를이용하였다 ( 그림 3a). 본기기의측정대원 (measuring circle) 의반지름은 560 mm이며, Å의입사각을가지는 Cu Kα1 특성 X-선을사용한다. X-선회절분석기는기본적으로 X-선발생장치 (generator), 고니오미터 (goniometer), 검출기 (detector) 로구성되어있다. X-선발생장치는최대 3 kw의출력으로가속전압은 20 ~ 60 kv, 가속전류는 2 ~ 60 ma로설정이가능하며 Cu 타겟의 X-선튜브 ( 최대 2.2 kw) 가장착되어있다. 고니오미터는수직형의 theta/theta 구동방식이며, 측정대원의반지름은 560 mm, 최대사용각도는 -60 ~ +158, 정확도는 로이전장비에비해회절피크의분해능이현저히향상되었다. 검출기는다중채널복합실리콘검출기 (multi-channel compound silicon strip detector; Bruker사의 LYNXEYE XE) 를사용하였으며극소량의시료로부터양질의회절 X-선을얻는주요부품이다. 본검출기는냉각장치없이실온에서작동이가능한에너지분산형다중채널방식이다 ( 표 1). 680 ev의탁월한에너지분해능으로니켈필터없이도고해상도 (high resolution) 모드에서백색및 Kβ-선을제거할수있고, 192개의채널을사용하여짧은시간에양질의회절선을얻을수있어극소량의시료를측정하는데매우용이하다. 소량시료측정시, 소량의시료를흩뿌려로딩할수있는실리콘홀더 (low-background silicon sample holder) 를사용하였다. 이홀더는실리콘단결정의 911면으로제작되어비정질피크나배경피크가검출되지않아소량시료를측정하기적합하다. 3.2 시료준비 PSZ 내부에서얇게발달하는 PSZ-R와 PSZ-B 영역, BZ 물질에서눈에보이는크기의암편을제외한영역, 그리고기존의덩어리시료채취방법을고려한

6 878 김창민 정종옥 구도희 한래희 FC 영역(PSZ와 BZ 물질을 모두를 포함하는 단층핵 물질; fault core materials) 등 각각의 영역(그림 2a 의 흰색 사각형)에 대한 분말샘플링을 실시하였다. 비 교적 많은 량의 시료를 얻을 수 있는 BZ와 FC 영역 은 야외에서 직접 채취 후 실내에서 약 24시간 동안 40 의 건조오븐에서 건조시켰으며, 각각 5 g 이상의 시 료를 10분 동안 마이크로나이징 밀(micronizing mill; McCrone microscopes & accessories)을 사용하여 <5 μm 크기의 입자로 분쇄시켰다. BZ 및 FC 영역과 는 달리 수 mm 폭으로 산출되는 PSZ 물질들은 완성 된 슬랩에서 정확한 위치를 파악 후 마이크로 드릴 (micro-drill; Proxxon사의 FBS 240/E)로 슬랩의 표 면을 긁어 분말시료를 채취하였다(그림 3b). 이후 소 형 아게이트에 무수에탄올과 채취된 분말을 섞어 10 분간 <5 μm 크기의 입자로 분쇄시켰다. 3.3 분석방법 기기가 분석 가능한 최소시료량을 알기 위해 동 일한 물질(FC)을 대상으로 시료량을 각각 1,500 mg, 150 mg, 2 mg, 1 mg, 0.5 mg으로 나누어 실험을 실 시하였다. 그 이후 검증된 최소시료량을 기준으로 FC 물질에 대한 점토광물 정방형시료분석과 슬랩으로부 터 채취된 소량의 PSZ 물질 및 단층핵 물질에 대한 XRD 정성분석을 실시하였다. 점토광물의 정방형시료를 위 해 10 g의 건조시료와 100 ml의 증류수를 혼합하여 10분간 초음파 세척하고, 30분 동안 마그네틱으로 교반하여 약 1시간 침전시킨 후 상부 2 cm의 혼탁액 을 채취하여 7,000 rpm에서 15분간 원심분리하였다. 분리된 점토입자들은 슬라이드글라스 위에 도포하 여 상온에서 건조하였다. 소량의 점토광물 정방형시 료는 마이크로 튜브(micro-tube)에 약 2 mg의 시료 와 1.5 ml의 증류수를 혼합하여(그림 3c) 10분간 초 음파 세척 후 10분간 교반기(vortex)를 이용하여 시 료 내의 점토광물을 분리 하였고, 이후 30분간 침전과 정을 거쳐 혼탁액의 상부 0.5 ml를 슬라이드글라스 위에 도포한 후 상온에서 건조하였다. 정방형시료를 제외한 모든 분석은 40 kv/40 ma, 4~70 2-theta 구간에서 주사간격 0.02, 주사시간은 시료량에 따라 각각 0.2초, 0.5초, 1초로 설정하였으며(표 2), 모든 시 료는 0.4 mm 발산슬릿(divergent slit)을 이용하였 Fig. 3. (a) The high-resolution XRD diffractometer used in the study. (b) For the XRD analysis, a small amount of the powder sample is collected from the slab surface using a micro-drill. (c) Photograph showing the suspension (powder and distilled water) from which clay minerals in the fault materials are collected for the XRD analysis. (d) The powder sample (not less than 2 mg) is placed on the low-background Si holder which has not a cavity.

7 소량의시료의 X- 선회절분석을통한단층주미끌림대의물질분석 879 Table 2. Conditions of X-ray diffraction analyses. Sample ID Weight (mg) Holder XRD condition Slit size (mm) Scan time (sec) FC-N 1500 LAH FC (with cavity) FC FC FC PSZ-R PSZ-B BZ LAH: Low-angle holder, : Low-background silicon holder. Remarks Bulk sampling of fault core materials (PSZ+brown gouge) Bulk sampling of fault core materials (PSZ+brown gouge) Bulk sampling of fault core materials (PSZ+brown gouge) Bulk sampling of fault core materials (PSZ+brown gouge) Bulk sampling of fault core materials (PSZ+brown gouge) Small-amount sampling of red materials in PSZ Small-amount sampling of blue materials in PSZ Small-amount sampling of the matrix of brown gouge 다. 점토광물정방형시료의분석조건은 4~15 2-theta 구간에서주사간격 0.01, 주사시간 1초로설정하였으며나머지조건은정성분석을위한조건과같다. 시료의홀더는시료의량에따라 1,500 mg은저각홀더 (low-angle holder), 150 mg은홈이있는실리콘홀더 (low-background silicon holder with cavity), 2 mg 이하는모두평평한실리콘홀더 (low-background silicon holder without cavity) 를사용하였다 ( 표 2; 그림 3d). 4. 결과 4.1 고분해능 XRD의최소시료량검증시료량에따른회절 X-선의변화를알아보기위해 PSZ 물질과 BZ 물질을모두포함하는 FC 시료를대상으로 1,500 mg (FC-N), 150 mg (FC-150), 2 mg (FC-2), 1 mg (FC-1), 0.5 mg (FC-0.5) 의각기다른양을투입하여 XRD 정성분석을실시하였다 ( 그림 4a). 그결과, FC는스멕타이트그룹, 녹니석, 일라이트, 일라이트 / 스멕타이트혼합층광물등의다양한점토광물들과석영, 장석, 방해석등의광물로이루어져있으며, 상대적으로소량의적철석또한포함되어있 다. 시료량에따른회절패턴의변화를비교해보면, FC-N과 FC-150은거의유사한회절패턴을보였으며, FC-2의경우전체적으로피크 (peak) 의크기가다소감소하였지만 FC-N 및 FC-150과매우유사한회절패턴으로정성분석이가능한정도의해상도를보여준다. 반면, FC-1은 FC-2에비해상대적으로저각에서의배경값 (background) 과전체진폭이다소상승하는결과를보이며, FC-0.5의회절패턴은몇몇의피크가사라지며정성분석이불가능할정도의해상도를보여준다. 그렇기때문에본기기의신뢰도가보장된최소시료량을약 2 mg으로설정하였다. 또한 10 g (FC-N) 과 2 mg (FC-2) 의 FC 물질에서각각분리된점토광물의정방향시료 XRD 분석결과 ( 그림 4b), FC-N에비해 FC-2의저각에서의배경값이다소높고, 점토광물이아닌다른광물들의피크가미미하게감지되었지만스멕타이트그룹및녹니석으로구성된점토광물들의정성적인판별은가능한수준의결과를보였다. 4.2 PSZ 물질과단층핵의 XRD 결과비교앞서검증된 XRD 분석이가능한최소시료량인 2 mg을기준으로 PSZ 내부의 PSZ-B 및 PSZ-R 물질,

8 880 김창민 정종옥 구도희 한래희 그리고 BZ 물질을대상으로 XRD 정성분석을실시하였고, 그결과를 PSZ 및 BZ 물질을모두포함하는 FC-2의회절패턴과비교해보았다 ( 그림 5). BZ 물질 은스멕타이트그룹과일라이트 / 스멕타이트혼합층광물, 녹니석, 그리고소량의일라이트로구성된점토광물들이주를이루며, 석영과방해석등의광물들도 Fig. 4. Results of the XRD analyses performed by changing the amount of the materials. Bulk (a) and oriented (b) samples. For FC-N, FC-150, FC-2, FC-1 and FC-0.5 samples, 1,500 mg, 150 mg, 2 mg, 1 mg, and 0.5 mg of the powder sample were used, respectively. Fig. 5. Results of the XRD analyses on the small amount (2 mg) of powder samples taken from PSZ, BZ, and FC-2.

9 소량의시료의 X- 선회절분석을통한단층주미끌림대의물질분석 881 포함되어있는데, 장석의피크가매우낮게관찰되는것이특징적이다. 이결과는 BZ 물질을덩어리채취해서 1,500 mg의시료량으로분석을실시한 Kim et al. (2016) 의 XRD 결과와매우유사하다. 반면, PSZ-R 과 PSZ-B 물질은 BZ에비해저각에서의배경값이높고점토광물들의피크가낮으며석영및장석의피크가높은것을확인할수있다. 그리고 FC-2 결과에서는 BZ와 PSZ-R 및 PSZ-B를구성하고있는대부분의광물들이모두인지되었다. 5. 토의및결론실험결과에따르면, 고분해능 XRD를이용하여약 2 mg의미량의시료만을사용하더라도신뢰도가높은 XRD 정성분석결과를도출해낼수있었으며 ( 그림 4), 이를통해양산단층의단층핵내부에존재하는여러가지단층물질들의광물상 (mineral phase) 을비교적손쉽게알아낼수있었다. 특히단층의미끌림이집중된 PSZ 영역을이루고있는물질의 XRD 결과는점토광물의함량이 BZ에비해적고입상의물질들이다수포함되어있는미구조적특징을잘반영하는결과이며, 미립의입상의물질들은대부분석영내지장석으로이루어진암편일가능성이높다 ( 그림 5). 이결과는단층의미끌림에주도적으로관여한물질과단층핵전체를이루는물질의조성이다를수있다는사실을직접적으로보여주는좋은예로서, 본분석법이단층핵내부에서수 cm 이하의좁은영역에서발달하는주미끌림대구성물질을식별하는데효율적임을지시한다. 그러므로단층의미끌림과직접관계된좁은 PSZ 물질만을채취하여 XRD 분석을시도할경우본분석법을고려해야할필요가있을것으로판단된다. 그러나몇가지개선되어야할사항들이확인되었다. 미량 XRD 분석시에사용된홈이없는실리콘홀더의특성상도포된시료의두께로인해전체피크가다소이동 (displacement) 한것을관찰할수있었는데 ( 그림 5), 이러한경우잘알려진광물들의단독피크를기준으로보정이필요하다. 또한, 시료의절대량이적기때문에 XRD 정량분석이가능한만큼의신호가충분하지못한다는문제점도존재한다. 게다가미량의점토광물의정방향시료분석결과에서점토광물이아닌다른광물이일부인지되는데 ( 그림 4b), 이러한문제점들은차후정확한분 석이가능한시료량과 X-선의주사시간, 점토광물의침전시간등의새로운분석조건을찾아내야할것이다. 그럼에도불구하고본연구로부터개발된분석법은정성분석면에서상당히간편하고정확한결과를낼수있기때문에야외에서얇게관찰되는단층암이외에도퇴적암내의수 mm 두께의얇은엽층리, 실내전단실험후회수된소량의단층물질, 그리고대심도시추코어등시료량이매우제한되어있는상황에서의광물상분석연구측면에서도폭넓게기여할수있을것으로기대된다. 감사의글 이연구는경상대학교학술진흥지원사업신임교원연구기반조성연구비의지원으로수행되었다. X- 선회절분석결과의해석에도움을주신안동대정기영교수님과심사과정에서유익한조언을해주신추창오박사님및익명의심사위원께감사드린다. REFERENCES Aretusini, S., Mittempergher, S., Plümper, O., Spagnuolo, E., Gualtieri, A.F. and Di Toro, G., 2017, Production of nanoparticles during experimental deformation of smectite and implications for seismic slip. Earth and Planetary Science Letters, 463, , j.epsl Bestmann, M., Pennacchioni, G., Frank, G., Göken, M. and Wall, H., 2011, Pseudotachylyte in muscovite-bearing quartzite: Coseismic friction-induced melting and plastic deformation of quartz. Journal of Structural Geology, 33, Carpenter, B., Marone, C. and Saffer, D., 2009, Frictional behavior of materials in the 3D SAFOD volume. Geophysical Research Letters, 36, L05302, GL Carpenter, B., Marone, C. and Saffer, D., 2011, Weakness of the San Andreas Fault revealed by samples from the active fault zone. Nature Geoscience, 4, Chae, B.-G. and Chang, T.W., 1994, Movement history of Yangsan fault and its related fractures at Chongha- Yongdok area, Korea. Journal of the Geological society of Korea, 30, (in Korean with English abstract). Chester, F.M. and Chester, J.S., 1998, Ultracataclasite structure and friction processes of the Punchbowl fault, San Andreas system, California. Tectonophysics, 295,

10 882 김창민 정종옥 구도희 한래희 Choo, C.O. and Chang, T.W., 2000, Characteristics of clay minerals in gouges of the Dongrae fault, Southeastern Korea, and implications for fault activity. Clays and clay minerals, 48, Collettini, C., Carpenter, B.M., Viti, C., Cruciani, F., Mollo, S., Tesei, T., Trippetta, F., Valoroso, L. and Chiaraluce, L., 2014, Fault structure and slip localization in carbonate-bearing normal faults: An example from the Northern Apennines of Italy. Journal of Structural Geology, 67, , De Paola, N., Collettini, C., Faulkner, D.R. and Trippetta, F., 2008, Fault zone architecture and deformation processes within evaporitic rocks in the upper crust. Tectonics, 27, TC4017. De Paola, N., Hirose, T., Mitchell, T., Di Toro, G., Viti, C. and Shimamoto, T., 2011, Fault lubrication and earthquake propagation in thermally unstable rocks. Geology, 39, Di Toro, G., Goldsby, D.L. and Tullis, T.E., 2004, Friction falls towards zero in quartz rock as slip velocity approaches seismic rates. Nature, 427, Faulkner, D.R., Lewis, A.C. and Rutter, E.H., 2003, On the internal structure and mechanics of large strike-slip fault zones: field observations of the Carboneras fault in southeastern Spain. Tectonophysics, 367, , Fujimoto, K. and Sato, K., 2017, Studies of montmorillonite mechanochemically decomposed at different water contents. Geomaterials, 7, Han, R., Hirose, T., Jeong, G.Y., Ando, J. and Mukoyoshi, H., 2014, Frictional melting of clayey gouge during seismic fault slip: Experimental observation and implications. Geophysical Research Letters, 41, , org/ /2014gl Han, R., Hirose, T., Shimamoto, T., Lee, Y. and Ando, J., 2011, Granular nanoparticles lubricate faults during seismic slip. Geology, 39, Han, R., Shimamoto, T., Ando, J. and Ree, J.-H., 2007a, Seismic slip record in carbonatebearing fault zones: an insight from high-velocity friction experiments on siderite gouge. Geology, 35, Han, R., Shimamoto, T., Hirose, T., Ree, J.-H. and Ando, J., 2007b, Ultralow friction of carbonate faults caused by thermal decomposition. Science, 316, Hayward, K.S., Cox, S.F., Fitz Gerald, J.D., Slagmolen, B.J.J., Shaddock, D.A., Forsyth, P.W.F., Salmon, M.L. and Hawkins, R.P., 2016, Mechanical amorphization, flash heating, and frictional melting: Dramatic changes to fault surfaces during the first millisecond of earthquake slip. Geology, 44, , /g Hirono, T., Asayama, S., Kaneki, S. and Ito, A., 2016, Preservation of amorphous ultrafine material: A proposed proxy for slip during recent earthquakes on active faults. Scientific Reports, 6, 36536, /srep Ikari, M.J., Marone, C. and Saffer, D.M., 2011, On the relation between fault strength and frictional stability. Geology, 39, 83-86, Ishikawa, T., Tanimizu, M., Nagaishi, K., Matsuoka, J., Tadai, O., Sakaguchi, M., Hirono, T., Mishima, T., Tanikawa, W., Lin, W., Kikuta, H., Soh, W. and Song, S.-R., 2008, Coseismic fluid rock interactions at high temperatures in the Chelungpu fault. Nature Geoscience, 1, 679, Janssen, C., Wirth, R., Lin, A. and Dresen, G., 2013, TEM microstructural analysis in a fault gouge sample of the Nojima Fault Zone, Japan. Tectonophysics, 583, Janssen, C., Wirth, R., Rybacki, E., Naumann, R., Kemnitz, H., Wenk, H.R. and Dresen, G., 2010, Amorphous material in SAFOD core samples (San Andreas Fault): Evidence for crush-origin pseudotachylytes? Geophysical Research Letters, 37, L01303, GL Kim, C.-M., Han, R., Jeong, G.Y., Jeong, J.O. and Son, M., 2016, Internal structure and materials of the Yangsan fault, Bogyeongsa area, Pohang, South Korea. Geosciences Journal, 20, 1-15, Kirkpatrick, J., Rowe, C., White, J. and Brodsky, E., 2013, Silica gel formation during fault slip: Evidence from the rock record. Geology, 41, Kuo, L.-W., Song, S.-R., Suppe, J. and Yeh, E.-C., 2016, Fault mirrors in seismically active fault zones: A fossil of small earthquakes at shallow depths. Geophysical Research Letters, 43, , GL Lee, S.K., Han, R., Kim, E.J., Jeong, G.Y., Khim, H. and Hirose, T., 2017, Quasi-equilibrium melting of quartzite upon extreme friction. Nature Geoscience, 10, 436, Lin, A., 1994, Glassy pseudotachylyte veins from the Fuyun fault zone, northwest China. Journal of Structural Geology, 16, 71-83, (94) Oohashi, K., Hirose, T. and Shimamoto, T., 2011, Shear-induced graphitization of carbonaceous materials during seismic fault motion: Experiments and possible implications for fault mechanics. Journal of Structural Geology, 33, ,

11 소량의시료의 X- 선회절분석을통한단층주미끌림대의물질분석 883 Scuderi, M.M., Collettini, C., Viti, C., Tinti, E. and Marone, C., 2017, Evolution of shear fabric in granular fault gouge from stable sliding to stick slip and implications for fault slip mode. Geology, 45, , Sibson, R.H., 2003, Thickness of the Seismic Slip Zone. Bulletin of the Seismological Society of America, 93, , Siman-Tov, S., Aharonov, E., Sagy, A. and Emmanuel, S., 2013, Nanograins form carbonate fault mirrors. Geology, 41, Smith, S.A.F., Billi, A., Toro, G.D. and Spiess, R., 2011, Principal Slip Zones in Limestone: Microstructural Characterization and Implications for the Seismic Cycle (Tre Monti Fault, Central Apennines, Italy). Pure and Applied Geophysics, 168, , /s Viola, G., Scheiber, T., Fredin, O., Zwingmann, H., Margreth, A. and Knies, J., 2016, Deconvoluting complex structural histories archived in brittle fault zones. Nature Communications, 7, 13448, ncomms Viti, C., 2011, Exploring fault rocks at the nanoscale. Journal of Structural Geology, 33, Wirth, R., 2009, Focused Ion Beam (FIB) combined with SEM and TEM: Advanced analytical tools for studies of chemical composition, microstructure and crystal structure in geomaterials on a nanometre scale. Chemical Geology, 261, , Yund, R.A., Blanpied, M.L., Tullis, T.E. and Weeks, J.D., 1990, Amorphous material in high strain experimental fault gouges. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 95, , 095iB10p Received : November 27, 2017 Revised : December 15, 2017 Accepted : December 17, 2017

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method