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🗂️ 논문 정보
- DOI: 10.1007/s00410-012-0753-5
- ISO 690: PASEK, Matthew A.; BLOCK, Kristin; PASEK, Virginia. Fulgurite morphology: a classification scheme and clues to formation. Contributions to Mineralogy and Petrology, 2012, 164.3: 477-492.
- 저자: Matthew Pasek, Kristin Block, Virginia Pasek
- 카테고리: 지구과학, 지질학
📄 논문 대표 이미지
✨ 논문 핵심 요약
서론
본 연구는 번개에 의해 생성되는 풀구라이트의 형태학적, 암석학적 특성을 분류하고, 이를 통해 번개의 특성을 제한하는 것을 목표로 합니다. 자연 유리는 다양한 메커니즘을 통해 생성되지만, 번개에 의해 생성되는 풀구라이트는 번개가 지면에 닿을 때 암석, 모래, 또는 토양이 급속히 가열되어 형성됩니다. 이 연구는 풀구라이트를 다섯 가지 유형으로 분류하는 체계를 제시하며, 이는 풀구라이트의 형태학과 암석학적 특성을 기반으로 하여 다른 자연 유리와 구별할 수 있는 기준을 마련합니다.
방법론
본 연구에서는 14개 지역에서 수집된 57개의 풀구라이트 샘플에 대한 형태학적 특성을 조사하였습니다. 각 샘플은 무게 측정, 길이 및 직경 측정, 중앙 공동의 직경 측정 등을 포함하여 기록되었습니다. 또한, EMPA 방식의 카메카 SX50 전자현미경을 이용해 지화학적 분석 및 이미징을 실시하였으며, Carter et al. (2010b)에 의해 제안된 간단한 열 확산 모델을 사용하여 번개 충격 시 발생하는 온도를 반경과 시간의 함수로 결정하였습니다.
결과
풀구라이트는 주로 토양, 모래, 또는 바위와 같은 대상 물질에 번개가 치면서 생성되며, 그 구조로 인해 주변 물질과 구분됩니다. 형성 번개의 에너지는 1~30 MJ/m 범위이며, 가열 속도는 초당 1,000K, 번개 채널 두께는 약 1mm임을 시사합니다. 풀구라이트의 밀도와 유리 함량은 대상 물질에 따라 차이를 보이며, 이는 물질이 얼마나 기화되었는지를 추정할 수 있게 합니다. 풀구라이트의 구성은 주로 르샤틀리에라이트와 혼합된 구성의 두 번째 용융물로 이루어져 있으며, 다양한 금속이 발견되었습니다.
결론
본 연구는 풀구라이트의 형성 과정과 그 특성에 대해 깊이 있는 분석을 제공합니다. 풀구라이트의 형태학적, 암석학적 특성을 기반으로 한 분류 체계는 현장에서 풀구라이트 유리를 식별하고, 고고학적 현장 등에서 발견될 수 있는 풀구라이트 유사 유리와 다른 자연 유리를 구분하는 데 기여할 것입니다. 또한, 풀구라이트 형성에 필요한 번개의 특성을 제한하는 중요한 단서를 제공합니다. 이 연구는 풀구라이트의 다양한 형태와 구성에 대한 체계적인 분석이 필요함을 시사하며, 향후 연구에서는 이러한 형태와 구성의 더 깊은 이해를 위한 기반을 마련합니다.
📖 논문 상세 요약
초록
본 연구에서는 모래, 점토, 칼리치 풀구라이트를 검토하여 이들이 체계적으로 다른 형태학을 가지고 있음을 보여주며, 이 형태학적 특징을 사용하여 풀구라이트 형성 번개의 특성을 제한합니다. 풀구라이트는 네 가지 주요 형태와 추가적인 소형태로 분류되며, 형성 번개의 에너지는 1~30 MJ/m 범위이며, 가열 속도는 초당 1,000K, 번개 채널 두께는 약 1mm임을 시사합니다. 또한, 펜실베니아주 요크 카운티에서 발견된 두 풀구라이트에서는 철을 금속 철로 환원시키는 과정과 다양한 Fe-Ti 및 Si-P 화합물을 포함한 금속 실리사이드의 존재가 확인되어, 이러한 단계들이 지구상에서도 발견될 수 있음을 보여줍니다.
Introduction
자연 유리는 화산 유리, 지진 시 고유동으로 인한 유리화 현상, 운석 충돌 등 다양한 메커니즘을 통해 생성됩니다. 특히, 번개에 의해 생성되는 풀구라이트는 번개가 지면에 닿을 때 암석, 모래, 또는 토양이 급속히 가열되어 형성되며, 이는 번개의 세계적인 발생 빈도와 연계하여 상당한 수의 풀구라이트가 형성될 가능성을 시사합니다. 그럼에도 불구하고, 풀구라이트 유리의 분류 체계는 아직 제안되지 않았습니다. 본 연구는 풀구라이트를 다섯 가지 유형으로 분류하는 체계를 제시하며, 이는 풀구라이트의 형태학과 암석학적 특성을 기반으로 하여 다른 자연 유리와 구별할 수 있는 기준을 마련합니다. 이러한 분류 체계는 현장에서 풀구라이트 유리를 식별하고, 고고학적 현장 등에서 발견될 수 있는 풀구라이트 유사 유리와 다른 자연 유리를 구분하는 데 기여할 것입니다.
Characteristics of fulgurite-forming lightning strikes
본 연구는 구름에서 지상으로 이어지는 번개가 대기와 지면 사이의 전하 차이로 인해 발생하며, 이 과정에서 풀구라이트(번개로 인해 형성된 유리)가 어떻게 형성되는지에 대한 특성을 다룹니다. 번개는 대기와 지면 사이의 전하 불균형의 일부를 복원하며, 이 과정에서 최대 10^9 J의 에너지를 방출하고 주변 공기를 10^4-10^5 K까지 가열합니다. 이 에너지는 토양을 통과하면서 대상 물질을 녹이고, 기화시키며, 화학적으로 환원시켜 물리적, 화학적, 형태학적 변화를 초래합니다. 번개가 전도성 층에 도달하거나 대상 물질을 변화시키기에 충분한 에너지를 가지고 있지 않을 때 풀구라이트 형성이 멈춥니다. 번개는 대상 물질을 통해 약 10^4-10^5 암페어의 전류를 흘려보내며, 이 과정에서 신속한 가열과 휘발성 물질의 방출로 인해 때때로 중공의 유리질 코어와 거친 외부 표면을 가진 원통형 풀구라이트를 형성합니다. 이러한 풀구라이트는 크기가 몇 센티미터에서 몇 미터에 이르기까지 다양하며, 풀구라이트는 번개의 지하 특성, 예를 들어, 에너지 전달량, 번개 채널의 폭, 최고 온도 등에 대한 단서를 제공합니다.
번개의 피크 파워 출력은 약 10^13W에 달하며, 번개 스트라이크는 매우 짧은 시간 동안 좁은 채널 폭에 에너지를 집중시켜 주변을 초당 약 1,000K의 비율로 극도로 높은 온도로 가열합니다. 이러한 고온은 풀구라이트 형성과 관련된 최고 온도가 대부분의 규산염의 끓는 점인 3,000K를 초과하며, 번개 채널 내에서는 규산염이 완전히 기화되는 10,000-30,000K에 이를 수 있음을 시사합니다. 또한, 풀구라이트의 형태학적 특성은 타겟의 구성, 수분 함량, 그리고 번개 스트라이크의 에너지와 같은 여러 요소에 의존할 가능성이 높으며, 이는 스트라이크 동안 도달하는 온도가 크기와 구성 변화에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 번개에 의해 공기 중에 소산되는 에너지는 대략 10^4-10^5 J/m의 순서이며, 이는 풀구라이트 형성에 필요한 최소 에너지와 비교됩니다.
Fulgurite features
본 논문에서는 Essene과 Fisher(1986)의 연구를 따라 번개에 의해 물리적, 가능성 있는 화학적 변화를 겪은 고체 물질인 풀구라이트의 특징을 설명합니다. 풀구라이트는 주로 토양, 모래, 또는 바위와 같은 대상 물질에 번개가 치면서 생성되며, 그 구조로 인해 주변 물질과 구분됩니다. 이는 번개가 모래나 점토와 같은 느슨한 지면 물질에 칠 경우, 대상 물질로부터 쉽게 분리될 수 있는 고체 구조를 형성하며, 바위에 칠 경우에는 녹아내린 물질 전체와 주변의 원래 바위를 포함하는 집합체가 됩니다. 대부분의 풀구라이트는 원통형이나 길쭉한 원뿔형을 하고 있으며, 형성 중에 기화된 물질이나 휘발성 물질이 탈출한 중앙의 하나 또는 여러 개의 밀접한 공간이 있습니다. 이러한 특징들은 풀구라이트가 형성되는 과정과 그 구조에 대한 이해를 돕습니다.
Fulgurites studied
본 연구에서는 14개 지역에서 수집된 57개의 풀구라이트에 대한 형태학적 특성을 조사하였습니다. 이들 풀구라이트은 질량, 치수, 유리의 범위, 분기 특성 등을 포함하여 기록되었습니다. 호주 뉴사우스웨일스의 해변, 알제리와 모로코의 사하라 사막에서 얻은 얇고 유리질의 풀구라이트과 녹색에서 검정색으로 변하는 유리 색을 가진 풀구라이트들은 노스캐롤라이나의 그린즈버러, 펜실베니아의 요크 카운티, 콜로라도의 채피 카운티 등 다양한 지역에서 발견되었습니다. 또한, 애리조나의 유마 카운티와 라파즈 카운티, 유타의 그레이트 솔트 레이크, 와이오밍의 스위트워터 카운티에서는 두꺼운 풀구라이트이 발견되었으며, 이들은 사막의 단단한 표면이나 칼리체에서 발견된 것으로, 석영과 장석으로 구성된 모래 입자가 방해석으로 결합된 특징을 가지고 있습니다. 추가적으로, 펜실베니아와 유타의 번풀구라이트에서 발견된 두 개의풀구라이트방울도 분석되었습니다.
Morphological analysis
본 연구에서는 개별 풀구라이트 조각들의 형태학적 분석을 위해 각 샘플을 별도로 무게 측정하고, 길이(z축에 평행)와 직경(x-y 평면에서)을 캘리퍼스로 측정하였습니다. 풀구라이트의 직경이 길이에 따라 또는 다른 방향으로 변하는 경우, 최소 세 번의 측정이 기록되었습니다. 중앙 공동의 직경도 적절한 경우 측정되었습니다. 마찬가지로, 단면의 유리질 부분과 변하지 않은 부분의 두께도 측정되었습니다. 두 개의 풀구라이트 방울은 샌드 박스에 넣었을 때 이동된 모래의 부피를 계산하여 부피를 측정하였으며(Consolmagno와 Britt 1998을 따름), 질량은 0.1mg까지 정확한 삼중 빔 저울로 기록되었습니다.
Geochemical analysis and imaging
본 연구에서는 뉴사우스웨일스, 모로코, 그린즈버러(NC), 쿼츠사이트(AZ), 요크 카운티(PA) 및 관련 드롭, 버널(UT) 및 관련 드롭, 채피(CO), 라파즈(AZ), 유마(AZ)에서 수집한 풀구라이트 샘플들을 EMPA 방식의 카메카 SX50 전자현미경을 이용해 지화학적 분석 및 이미징을 실시하였습니다. 이 과정에서 점 분석, X-레이 맵, 그리고 후방산란 전자 이미지를 획득하였으며, 분석에는 20 nA의 전류와 15 kV의 가속 전압, 20초의 피크 카운트 시간이 사용되었습니다. 샘플은 라이트닝 스트라이크 경로로부터의 반경 거리에 따른 내부 재료를 검사할 수 있도록 z축에 수직으로 절단되었고, 크기가 2.5cm를 초과하는 샘플의 경우 단면의 일부가 사용되었습니다. 분석 전 샘플은 표준 준비 절차에 따라 탄소 코팅되었으며, X-레이 맵과 BSE 이미지를 통해 개별 구성 요소의 백분율 추정도 수행되었습니다.
Modeling
본 연구에서는 Carter et al. (2010b)에 의해 제안된 간단한 열 확산 모델을 사용하여, 원통 좌표계에서 번개 충격 시 발생하는 온도를 반경과 시간의 함수로 결정하였습니다. 이 모델은 최대 온도, 가열 및 냉각 속도를 결정하기 위해, 열이 가해진 물질의 열 프로필을 해결하였습니다. 초기 온도는 번개 충격으로 알려진 최대 온도인 30,000 또는 60,000 K로 설정되었으며, La Paz와 Yuma 풀구라이트에서 관찰된 최소 공극 직경 1-2 mm에 해당하는 채널 폭을 선택하였습니다. 이 모델은 질량 이동이 없고, 온도 변화나 상전이에 따른 확산성 변화가 없다고 가정합니다. 또한, MELTS 열역학 코드와 HSC 화학 코드를 사용하여 대상 물질의 용융점과 기화점을 결정하였으며, 이러한 온도는 부모 물질의 용융 및 기화점과 상관관계가 있습니다.
본 섹션에서는 번개 충격으로 인한 용융 및 기화 과정에서의 화학 시스템의 종(species) 분화에 대해 논의합니다. 이 과정에서 평형 모델링을 사용하여 화학 시스템의 종 분화를 해석하는 방법을 설명합니다. 그러나 번개 충격의 시간 규모를 고려할 때, 불균형 과정이 매우 가능성이 높으므로, 이러한 계산은 근사치로만 간주되어야 한다는 점을 강조합니다. 이러한 맥락에서, Pasek et al. (2005), Pasek and Greenberg (2012), 그리고 White et al. (1958)의 연구가 참고 문헌으로 제시되며, 이는 화학 시스템의 종 분화에 대한 평형 모델링 접근의 유효성과 한계를 논의하는 데 기여합니다.
Density and glass percentage
본 연구에서는 풀구라이트의 밀도와 유리 함량을 조사하여, 이들이 형성된 기초 물질(예: 모래, 점토질 모래, 칼리치)의 밀도와 비교함으로써 물질이 얼마나 기화되었는지를 추정하였습니다. 풀구라이트는 대상 물질에 따라 I, II, III형으로 분류되며, 밀도와 유리 함량에 따라 차이를 보입니다. 가장 밀도가 낮은 풀구라이트는 모래에서 발견되며 평균 밀도가 0.7 g/cm^3로, 대상 물질의 약 45-70%가 기화된 것으로 나타났고, 가장 높은 유리 함량을 가집니다. 반면, 칼시트가 풍부한 토양 또는 칼리치에서 발견된 가장 밀도가 높고 유리 함량이 낮은 풀구라이트는 평균 밀도가 2.1 ± 0.5 g/cm^3로, 거의 기화되지 않았습니다. 중간 밀도의 풀구라이트는 주로 미세한 점토질 토양이나 부서진 바위에서 발견되며, 평균 밀도는 1.2 ± 0.2 g/cm^3로, 0-30% 정도 기화된 것으로 추정됩니다. Droplet 풀구라이트는 이 중간 밀도 풀구라이트 중 두 가지와 관련이 있으며, 평균 밀도가 더 높은 것으로 나타났습니다.
Empa results
본 연구에서 분석된 풀구라이트(번개가 모래나 암석을 녹여 만든 유리)의 구성은 주로 두 가지 물질로 이루어져 있습니다: 거의 순수한 SiO2 유리인 르샤틀리에라이트와 혼합된 구성의 두 번째 용융물인 '지반 용융물'. 이 두 용융물은 혼합 가능하지만, 풀구라이트가 형성된 직후 빠르게 냉각되면서 이러한 혼합이 이루어지지 않았을 가능성이 높습니다. 또한, 모로코 풀구라이트는 Zr 산화물이 풍부한 유리와 Fe-Ti 산화물이 풍부한 용융물을 포함하는 지반 용융물을 가지고 있으며, 뉴사우스웨일스 풀구라이트는 SiO2로 거의 전적으로 구성되어 있지만 TiO2가 풍부한 용융 영역을 가지고 있습니다. 이 연구는 풀구라이트의 다양한 구성과 그 안에 포함된 부속 광물들을 상세히 분석하여, 풀구라이트 형성 과정에서의 물질적 변화를 이해하는 데 기여합니다.
Mineral transformations
본 연구에서 EMPA로 분석된 모든 풀구라이트와 그 내의 작은 방울들에서 르샤틀리에라이트(Lechatelierite)가 흔하게 발견되었습니다. 이 르샤틀리에라이트는 주변 물질과 거의 혼합되지 않고, 원래 입자의 형태를 유지하며, 거의 순수한 SiO2로 구성되어 있습니다. 이러한 혼합 부족은 석영의 용융점(1,670-1,713°C)과 주변 용융물의 온도 차이, 그리고 풀구라이트의 비교적 빠른 냉각 때문일 가능성이 높습니다. 또한, 풀구라이트 형성 과정에서 지르콘은 크게 영향을 받으며, 타입 I 풀구라이트 내의 지르콘은 Zr 산화물이 풍부한 용융물로만 존재합니다. 반면, 타입 II 풀구라이트 내의 지르콘은 불균일 용융을 나타내는 물질의 껍질을 보여주며, 이 껍질은 지르콘에 비해 Zr이 풍부하고 Si가 적습니다. 풀구라이트 형성 중 도달한 최소 온도에 대한 제약을 지르콘이 분해하기 시작하는 온도인 약 1,950K가 제시합니다. 타입 III 풀구라이트에서는 지르콘이 관찰되지 않았습니다. 포스페이트 광물은 풀구라이트 형성 과정 중 가열 시 변화를 겪으며, 이는 인화물로의 환원, 정상 인산염의 이합체인 피로인산염으로의 대체, 그리고 가능성 있는 정상 인산염의 인산염으로의 환원을 포함합니다.
Metals
York County, PA에서 발견된 풀구라이트와 관련된 방울에서는 다양한 금속이 발견되었습니다. 이 풀구라이트의 주요 질량에서 발견된 금속은 작은 크기(5-20 lm)로 주로 Fe와 P 금속으로 구성되어 있으며, 소량의 Si와 Ni도 포함하고 있습니다(평균 구성 Fe 90.1±4.6, Ni 0.24±0.18, Si 0.20±0.44, P 6.8±4.4, 평균 총량 97 ± 1 wt. %). York County의 풀구라이트 방울에서는 큰 입자(500-1,500 lm)와 작은 입자(5-20 lm) 두 종류의 금속이 발견되었는데, 큰 입자는 Fe와 Si로 구성되어 있으며 P, Ti, Ni의 흔적을 포함하고 빠른 냉각으로 인한 질감을 보입니다. 한편, 작은 금속 입자 중 하나는 Fe 74.6, Ni 3.1, P 22의 구성을 가지며, 이는 슈라이버사이트(Fe,Ni)3P와 유사한 조성을 보이며, Ni가 전체 구성 대비 약 175배 농축되어 있습니다.
Model results
본 연구에서는 MELTS 코드와 HSC 화학 코드를 사용하여 다양한 목표 물질의 액화 및 기화 온도를 측정하고, 이를 통해 풀구라이트 형성 시 물질의 열적 프로필을 예측하였습니다. 특히, 건조한 모래와 젖은 점토 모래에서 풀구라이트가 형성될 때의 녹는 영역의 크기를 예측하였으며, 이는 관찰된 풀구라이트의 반경과 밀도와 일관성이 있음을 보여줍니다. 또한, CaCO3와 SiO2로 구성된 목표 물질의 급속 가열은 MELTS 코드를 사용하여 모델링할 수 없었으나, HSC 코드를 통해 Ca-실리케이트의 생성과 CO2의 손실이 관찰되었습니다. 이러한 결과는 풀구라이트의 다양한 P-T-t 경로를 제안하며, 초기 온도가 열 확산 과정에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 연구에 따르면, 풀구라이트가 1,000K 이하로 냉각되는 데 걸리는 시간은 약 2분이며, 풀구라이트 형성을 위한 물질의 녹는 시간은 타입에 따라 0.5초에서 3초 사이입니다.
본 연구에서는 번개 충격에 의해 발생하는 에너지가 약 10 마이크로초 이내에 소모된다고 밝혔습니다. 이 과정에서 풀구라이트(번개가 모래나 암석에 충돌하여 생성된 유리) 형성에 필요한 에너지는 실리케이트의 용융 및 기화 과정에서 소비되며, 이는 타입 I 풀구라이트(지름 1.8cm)의 경우 약 5MJ/m, 타입 II 풀구라이트(지름 10cm)의 경우 약 25MJ/m에 해당한다고 합니다. Carter et al. 2010b의 연구 결과를 통해, 번개에 의한 풀구라이트 형성 과정에서 소모되는 에너지의 양이 풀구라이트의 유형과 크기에 따라 상당한 차이가 있음을 확인할 수 있습니다.
Discussion
본 연구에서는 풀구라이트를 다섯 가지 유형으로 분류하고, 그 중 네 가지를 검토하였습니다. 이 분류는 기존 연구를 바탕으로 확장되었으며, 풀구라이트의 밀도와 유리 함량 차이는 주로 대상 물질의 구성 차이에서 비롯된다고 제안합니다. 각 유형의 풀구라이트는 구성과 미네랄학적 관찰에서 차이를 보이며, 이는 풀구라이트 연구에 새로운 이해를 제공합니다.
본 연구에서는 풀구라이트(번개로 인해 생성된 유리)의 형성 과정과 그 특성에 대해 논의하였습니다. 특히, 타입 IV 풀구라이트는 대상 물질의 입자 크기가 생성된 풀구라이트 유리의 지름보다 큰 경우에 해당하며, 이들은 모체 암석과 유사한 밀도를 가지고 있으며 철의 감소가 거의 없고, 일부는 석영 부족으로 인해 르샤틀리에라이트(SiO2 유리)를 포함하지 않습니다. 또한, 풀구라이트 방울은 모양과 구성에서 주요 풀구라이트와 다르며, 이는 부모 물질의 철저한 혼합을 나타냅니다. 이 연구는 풀구라이트의 형성과 그 특성에 대한 이해를 심화시키며, 향후 연구에서는 풀구라이트의 다양한 형태와 구성에 대한 체계적인 분석이 필요함을 시사합니다.
Relationship of fulgurites to lightning properties
본 연구는 풀구라이트의 형성과 번개의 특성 간의 관계를 탐구합니다. 풀구라이트는 지표 아래로 번개가 통과할 때 형성되며, 이 과정에서 수 메터당 여러 MJ의 에너지가 주입되어 주변 물질을 즉시 기화시키고, 중심 열기둥에서 열이 바깥으로 전파되어 풀구라이트를 형성합니다. 풀구라이트의 형태는 도달한 온도, 에너지의 양, 가열 및 냉각 속도, 대상 물질의 조성과 특성에 따라 달라집니다. 연구는 풀구라이트 형성 시 1~30 MJ/m의 에너지가 주입되며, 이는 번개 에너지가 대기 중보다 훨씬 높은 밀도의 대상 물질에서 주로 소모됨을 시사합니다. 또한, 번개 에너지의 급격한 방출로 인한 충격이 특정 유형의 풀구라이트 형성에 중요할 수 있으며, 이는 열 확산보다 더 높은 가열 속도를 의미할 수 있습니다.
풀구라이트(번개로 인해 형성된 유리) 형성에 있어 표적의 전도성이 큰 영향을 미치지 않으며, 대부분의 지각 광물의 전도성은 낮아 번개에 의한 열 생성이 발생합니다. 물의 함량과 같은 표적의 다른 특성이 풀구라이트 형성에 영향을 줄 수 있으며, 물이 포함된 표적은 증기 형성으로 일부 에너지가 소모되어 물이 적은 표적에 비해 더 작은 풀구라이트를 형성할 가능성이 높습니다. 또한, 철과 인의 산화 상태가 체계적으로 감소하는 것이 풀구라이트의 특징이며, 이는 주로 타입 II 풀구라이트에서 관찰됩니다. 특히, 이 연구는 펜실베니아의 요크에서 발견된 풀구라이트에 존재하는 감소된 금속 상(phase)을 추가로 보고하며, 이러한 상은 Fe, Ni, Ti와 같은 금속과 Si, P와 같은 비금속으로 구성된 화합물을 포함합니다. 이는 풀구라이트에서 M5N3 및 M3N과 같은 새로운 상의 최초 보고를 의미하며, 이러한 물질은 suessite, gupeiite, xifengite와 유사할 수 있습니다.
본 연구는 요크 카운티의 풀구라이트(번개에 의해 생성된 유리) 방울이 주변의 풀구라이트 질량보다 더 환원된 상태임을 밝혀냈습니다. 이는 방울 내에서 철(Fe)과 실리콘(Si)이 더 높은 농도로 합금되어 있기 때문입니다. 풀구라이트에서 철의 환원은 매우 흔한 과정으로, 분석된 풀구라이트의 80% 이상에서 발생합니다. 환원의 원인으로는 유기 탄소와의 반응, 번개 충격으로 인한 전자 흐름에 의한 갈바닉 환원, 산화물에서 산소의 기상 분리, 다른 금속이나 산화물의 산화, 충격 화학에 의한 환원 등 다섯 가지가 제시되었습니다. 그러나 요크 풀구라이트에서는 충격 환원이나 다른 금속의 산화에 의한 환원이 크게 일어나지 않는 것으로 나타났습니다. 따라서, 이 풀구라이트 내 금속의 기원은 유기 탄소와의 반응에 의한 환원 또는 철에서 산소의 분리에 의한 것으로 추정됩니다. 이 연구는 풀구라이트 형성 과정에서의 환원 메커니즘을 이해하는 데 중요한 기여를 합니다.
Conclusions
본 연구의 결론에서는 풀구라이트의 구성이 상당한 다양성을 보이며, 이는 광물학적 구성과 미네랄 변화에 영향을 미치는 형태의 다양성으로 나타납니다. 특히, 얇은 용융물을 가진 타입 I 풀구라이트는 매우 높은 온도 범위를 보이며, 이러한 풀구라이트 내의 지르콘은 완전히 용융되었습니다. 반면, 두꺼운 용융물을 가진 타입 II 풀구라이트는 더 넓은 온도 범위를 보이며, 이는 용융물의 온도 범위 차이에서 기인합니다. 풀구라이트 형성은 짧은 시간 동안 좁은 열주에서의 에너지 급증으로 인해 발생하며, 필요한 에너지는 1MJ/m 이상이며, 이로 인한 온도는 3,000K를 초과합니다. 또한, 이 연구는 펜실베니아 요크에서 발견된 풀구라이트에서 새로운 Fe-Si 상을 조사하였으며, 이는 지금까지 지구상에서 보고된 바 없는 새로운 광물 상을 나타냅니다.
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풀구라이트 형태: 분류 체계와 형성에 대한 단서
초록
풀구라이트는 구름에서 지면으로 떨어지는 번개에 의해 형성된 자연 유리입니다. 이전 연구에서는 모래 풀구라이트, 암석 풀구라이트, 점토 풀구라이트를 포함한 여러 가지 다른 형태의 풀구라이트가 보고되었습니다. 본 연구에서는 모래, 점토, 칼리체 풀구라이트를 조사하고 이들이 형태적으로 체계적으로 다르다는 것을 보여줍니다. 우리는 또한 형태적 특징을 사용하여 풀구라이트를 형성하는 번개 스트라이크의 특성을 제한합니다. 우리는 풀구라이트를 네 가지 형태로 분류하며 추가적인 소수 형태를 포함합니다. 유형 I 풀구라이트는 얇은 유리 벽으로 구성된 모래 풀구라이트며, 유형 II 풀구라이트는 두꺼운 용융물로 가득 찬 벽으로 구성된 점토 풀구라이트입니다. 유형 III 풀구라이트는 두꺼운 유리가 적은 벽으로 구성된 칼리체 풀구라이트며, 유형 IV 풀구라이트는 주변의 녹지 않은 암석으로 구성된 벽을 가진 유리로 구성된 암석 풀구라이트입니다. 풀구라이트 형태는 풀구라이트를 형성하는 스트라이크의 에너지가 형성된 풀구라이트 1미터당 1에서 30 MJ 사이에 있으며, 가열 속도가 약 1,000 K/s의 순서이며, 번개 채널의 두께가 약 1 mm 직경임을 시사합니다. 번개는 대부분의 풀구라이트에서 최소 두 가지 성분의 혼합물을 생성합니다: 르샤텔리에라이트로 식별된 SiO2 유리와 더 다양한 조성의 지반질입니다. 이 네 가지 주요 유형 외에도 다섯 번째 유형 — 방울 형태의 풀구라이트(fulgurites)은 다른 유형과 형태적으로 다르지만, 조성적으로는 유형 II 또는 IV 풀구라이트과 관련이 있습니다. 또한, 미국 펜실베이니아주 요크 카운티에서 발견된 두 개의 풀구라이트는 철이 철 금속으로 환원되는 현상을 보였으며, 거의 순수한 Fe 금속에서 FeSi까지의 화학량론을 가진 Fe–Ti 및 Si–P 화합물의 다양한 조합을 포함하고 있습니다. 이러한 금속 실리사이드에는 화학량론적 Fe3Si, Fe2Si, Fe5Si3가 포함되며, 가능성 있는 Fe8Si3 및 Fe7Si3도 포함되어 있으며, 이는 일반적으로 외계 물질과 관련된 이러한 상에 대한 지구상의 근원을 제공합니다.
서론
자연 유리는 여러 다양한 메커니즘에 의해 생성됩니다 (O’Keefe 1984). 타킬라이트와 흑요석과 같은 화산 유리는 용암과 용암의 급속한 냉각과 관련이 있습니다. 지진 발생 시 단층을 따라 높은 마찰 운동이 암석을 유리화하여 의사타킬라이트를 형성할 수 있습니다 (Spray 1995). 다른 자연 유리는 운석 충돌과 같은 극도로 높은 에너지 사건과 관련이 있다. 테크타이트, 베다이사이트, 몰다바이트, 리비아 사막 유리는 모두 대규모 충돌과 관련이 있지만, 원천 물질의 정확한 위치는 항상 잘 제약되지 않습니다.
풀구라이트는 구름에서 지면으로의 번개가 암석, 모래 또는 토양을 급속히 가열하여 형성된 유리이며, 번개를 의미하는 라틴어 용어인 fulgur에서 그 이름을 적절히 따왔습니다 (Arago 1821). 이론적으로 풀구라이트는 번개가 치는 곳 어디에서나 형성될 수 있기 때문에 가장 조성적으로 다양한 자연 유리의 종류여야 합니다.
번개는 지구상에서 매우 보편적인 현상으로, 전 세계적으로 초당 약 45회 발생한다고 알려져 있습니다(Christian et al. 2003). 이 번개 중 대다수(75–90%)는 대륙 육지에서 발생하며(Altaratz et al. 2003; Williams et al. 2004; Lay et al. 2007), 그중 약 4분의 1은 구름에서 지면으로 내려오는 번개입니다(Boccippio et al. 2000). 따라서 풀구라이트(fulgurite) 형성의 잠재적 사건 수도 상당한 수준이며, Pasek와 Block(2009)은 전 세계적으로 초당 최대 10개의 풀구라이트가 형성되는 것으로 추정한 바 있습니다.
다양한 종류와 풍부한 양을 자랑하는 풀구라이트에도 불구하고, 아직 이를 체계적으로 분류하는 기준은 마련되지 않은 상태입니다. 본 연구에서는 풀구라이트를 네 가지 주요 유형과 한 가지 부차적 유형, 총 다섯 가지 유형으로 분류하는 체계를 제시하고자 합니다. 이 다섯 유형의 풀구라이트는 대상 물질의 구성에 따라 서로 다른 형태와 암석학적 특성을 나타냅니다. 대상 물질에 따라 가열 속도가 달라질 수 있고, 이는 산화환원 화학과 알칼리 휘발화(예: Switzer와 Melson 1968)의 발생 여부에 영향을 미치게 됩니다. 해당 분류 체계는 현장에서 풀구라이트를 인식하고, 다른 자연 유리(예: Martin-Crespo et al. 2009)와 실제로 이질적인 풀구라이트를 구별하는 데 유용한 수단이 될 수 있습니다. 예를 들어, 풀구라이트는 고고학적 유적지에서도 발견될 수 있으며(Davis 2010), 이와 유사한 다른 풀구라이트리는 충격으로 인해 생성된 것으로 간주되기도 합니다(Schultz et al. 2004). 본 논문에서는 번풀구라이트의 구성과 형태를 제한함으로써, 현장에서 마주치게 되는 다양한 유리와 풀구라이트를 구분하려는 시도를 하고 있습니다.
풀구라이트 형성 및 번개 스트라이크의 특성
구름에서 지면으로 전달되는 번개(구름-지면 번개)는 대기와 지면 사이 전하 차이의 축적에 의해 발생하며, 일반적으로 뇌우 상황에서 나타납니다. 번개는 전자가 지면으로 흐르거나(음의 번개), 지면에서 흐르면서(양의 번개) 이 전하 불균형을 일부 복원합니다. 풀구라이트는 번개가 지면을 강타하고 전도성 층(예: 대수층 또는 지표수)을 통과하는 과정에서 형성됩니다.
번개는 한 번의 방전으로 최대 10^9 줄(J)의 에너지를 방출할 수 있으며(Borucki와 Chameides 1984), 이 과정에서 주변 공기를 순간적으로 10,000~100,000 K의 온도로 가열합니다(Uman et al. 1978). 번개가 토양을 통과할 때 이 에너지는 대상 물질을 녹이고, 증발시키며, 화학적으로 환원시키는 과정(Jones et al. 2005)을 거쳐 급격한 물리적, 화학적 및 형태적 변화를 일으킵니다. 만약 번개가 전도성 층에 도달하지 못하거나 대상 물질을 변화시킬 만큼 충분한 에너지를 내지 못하면, 풀구라이트 형성은 중단됩니다. 번개의 전류 강도는 약 10,000~100,000 암페어이며, 전자량은 약 30~300 쿨롱, 전압은 약 1,000,000~100,000,000 볼트에 해당합니다(Rakov와 Uman 2003). 번개는 주로 수분 함량이 많거나 높은 전도성을 가진 물질, 예를 들어 식물 뿌리 등의 매개체를 따라 흐르게 됩니다(Essene와 Fisher 1986). 이 대상 물질이 급격하게 가열되면서, 끓음 현상이 번개 경로 주변의 공극과 기포를 만들어 휘발성 물질이 배출될 수 있도록 합니다. 가열된 공기와 수분의 팽창된 외피는 일부 입자를 번개의 극한 온도로부터 절연하는 역할을 할 수 있으며(Pye 1982), 이로 인해 일부 입자는 풀구라이트 내에서 상대적으로 손상되지 않은 상태로 남아 있는 반면, 인근 다른 입자들은 극도로 높은 온도에 노출된 증거를 보여줍니다(Carter et al. 2010a). 이와 같은 급격한 가열과 휘발성 물질의 방출은 종종 원통형의 유리질 핵을 생성하며, 때로는 속이 비어 있는 구조를 형성하기도 합니다. 또한, 이 핵은 녹은 입자와 녹지 않은 입자로 구성된 거칠고 불규칙한 외부 표면으로 둘러싸여 있습니다. 풀구라이트의 크기는 센티미터에서 미터에 이르기까지 매우 다양하지만, 그 취약성 때문에 작은 크기의 샘플이 가장 많이 회수됩니다.
토양을 통과하는 번개의 특성을 직접 관찰하기 어려운 만큼, 풀구라이트는 지하에서 발생하는 번개의 특성에 대한 중요한 단서를 제공합니다. 여기에는 에너지의 침전, 번개 채널의 너비, 최고 온도, 그리고 잠재적으로 가열 및 냉각 속도 등이 포함됩니다. 공기를 통한 번개 경로의 직경은 일반적으로 2~5센티미터 사이로 알려져 있습니다(Rakov와 Uman 2003). 토양의 전기 전도도는 일반적으로 공기보다 몇 배나 높기 때문에, 번개가 토양을 통과할 때 채널의 직경은 1센티미터보다 훨씬 좁아질 것으로 예상됩니다. 번개 스트로크의 지속 시간은 약 10마이크로초이며, 단일 스트로크에 여러 번의 방전이 포함될 수 있으므로, 번개 스트로크가 낼 수 있는 최고 출력은 약 10¹³ 와트로 추정됩니다(Krider et al. 1968). 이 번개 에너지는 상대적으로 짧은 시간 동안 좁은 채널 너비에 집중적으로 침전되기 때문에, 방전 직후의 가열 속도는 매우 높은 수준(약 1,000 K/s)입니다. 풀구라이트 형성과 관련하여 관찰되는 최고 온도는 종종 3,000 K를 넘으며, 이는 대부분의 규산염이 끓는 온도에 해당합니다. 또한, 번개 채널 내에서는 규산염이 완전히 증발할 가능성도 있으며, 이때 온도는 10,000~30,000 K에 달할 수 있습니다. 이 열은 번개 채널을 중심으로 방사형으로 확산하게 되며, 번개 스트로크에 인접한 물질들은 열 확산에 의해 결정되는 속도로 가열됩니다. 저희는 원통 좌표를 이용하여 열 확산 속도를 계산함으로써 이러한 가열 속도를 보다 자세히 탐구하고자 합니다.
한편, 풀구라이트의 형태적 특성은 대상 물질의 구성, 수분 함량, 그리고 번개 스트로크에 의해 전달되는 에너지(특히 온도에 직접적으로 비례)에 따라 달라질 수 있습니다. 이번 논의에서는 토양의 전기 전도도 효과는 따로 고려하지 않았는데, 토양의 전기 전도도는 약 1에서 1,000 mS/m(밀리시멘스 퍼 미터) 수준으로 매우 다양하지만, 모두 공기 중 전기 전도도(약 10⁻¹¹ mS/m)보다는 훨씬 높은 값을 가집니다. 또한, 번개 스트로크 경로는 일반적으로 이온화된 공기의 기둥을 따라 형성되며, 이 기둥이 대상 토양 내로 전파되는 특성을 보여 주어, 풀구라이트 형성 과정에서 토양과 공기 간 전기 전도도 차이가 크게 작용하지 않음을 시사합니다. 번개 스트라이크의 에너지는 풀구라이트의 형태에 중요한 영향을 미칠 가능성이 있으며, 스트라이크 동안 도달하는 온도가 스트라이크 과정에서 발생할 수 있는 크기 및 구성 변화에 직접적인 영향을 끼칩니다. 공기 중에서 번개에 의해 방출되는 에너지는 대략 10⁴~10⁵ J/m 정도로 알려져 있습니다(Hill 1979). 저희는 이 값을 풀구라이트 형성에 필요한 최소 에너지와 비교하여 검토하고자 합니다.
풀구라이트 특징
본 논문에서는 Essene과 Fisher(1986)의 연구를 따르는 용어를 사용합니다. 풀구라이트는 번개 스트라이크로 인해 물리적, 화학적 변화를 겪은 고체 물질로 정의되며, 대부분의 경우 토양, 모래 또는 암석이 해당됩니다(그림 1).풀구라이트는 그 구조적 특성으로 인해 주변의 물질과 구별됩니다. 예를 들어, 모래나 점토 등 느슨한 지면 물질에 번개가 떨어지면, 풀구라이트는 대상 물질로부터 쉽게 분리될 수 있는 고체 구조를 형성합니다. 반면, 암석에 번개가 떨어지면 번개유리는 녹은 물질과 주변의 원래 암석이 함께 포함된 집합체이며, 이 중 일부만이 유리 형성에 필요한 극한 조건에 노출되었을 수 있습니다.
대부분의 풀구라이트는 원통형 또는 길쭉한 원뿔형을 띠고 있습니다. 많은 풀구라이트는 형성 과정에서 증발되거나 휘발된 물질이 빠져나간 중심부에 단일 또는 여러 개의 밀접하게 배치된 공극을 가지고 있습니다. 이 공극들은 전류가 흐르는 방향을 따라 정렬되어 있으며, 본 논문에서는 이를 z축으로 지정하고 있습니다. 작은 공극이나 보조 통풍구는 중앙 공극에서 방사형으로 확장될 수 있습니다. 만약 풀구라이트가 거의 손실 없이 회수되면, 이 중앙 공극은 일반적으로 시료의 길이를 따라 확장되는 내부 풀구라이트 벽으로 둘러싸여 있습니다. 이 내부 벽은 대체로 녹은 유리로 구성되어 있으나, 형성 후 과정의 결과로 변하지 않은 입자가 포함될 수도 있습니다. 외부 풀구라이트 벽은 부분적으로 녹거나 구워진 물질로 이루어져 있으며, 약간 변형되었거나 변하지 않은 대상 물질이 외부 벽에 느슨하게 부착되어 있을 수 있습니다.
풀구라이트는 대략 x–y 평면상에서 대칭적인 형태를 가지나, 일부는 주 원통에서 확장된 가지 구조를 갖습니다. 이 가지들은 주 튜브에 비해 상당히 다른 암석학적 특성을 지닐 수 있습니다(예: Martin-Crespo et al. 2009). 주체(main body)는 풀구라이트 내에서 외부 벽 간의 직경이 가장 큰 부분으로 간주됩니다. 샘플이 완전하지 않은 경우, 주체는 중앙 공극 및 내부 벽 녹은 부분의 위치와 크기를 기준으로 보조 가지 구조와 구별됩니다.
일부 풀구라이트(fulgurites)은 암석 표면에서 제자리에 회수됩니다. 이 풀구라이트는 좁은 관으로 구성되어 있으며, 산봉우리의 암석에서 형성됩니다(예: Switzer and Melson 1968; Frenzel and Ottemann 1978; Frenzel and Sta¨hle 1982, 1984; Libby 1986; Frenzel et al. 1989; Grapes and Muller-Sigmund 2010). 목표 암석의 많은 광물들이 동질적으로 녹기 때문에, 이러한 풀구라이트의 유리는 상당히 이질적일 수 있습니다(Switzer and Melson 1968). 암석 표면이 풍화되었거나 토양으로 덮여 있는 경우, 암석 풀구라이트는 매트릭스에서 쉽게 분리되는 원통형 풀구라이트로 덮일 수 있습니다.
방법
연구된 풀구라이트
57개의 풀구라이트 세트의 질량, 크기, 유리의 범위 및 분기 특징을 포함한 형태학적 특징이 기록되었습니다. 이 57개의 풀구라이트는 14개의 위치에서 유래되었습니다. 얇고 유리질의 풀구라이트를 가진 세 장소는 호주 뉴사우스웨일스(NSW)의 해변과 알제리 및 모로코(MOR)의 사하라 사막이었습니다. 갈색에서 녹색, 검은색으로 유리 색상이 다양한 풀구라이트는 노스캐롤라이나 그린즈버러(GNC), B 지평점 점토 모래 토양(또한 Carter et al. 2010a 참조); 펜실베이니아 요크 카운티(YPA), 운모 편암의 작은 조각과 식생이 있는 토양(2004년 관찰된 번개); 콜로라도 차피 카운티(CCO), 윌리엄스 산 정상에서; 애리조나 쿼츠사이트(QAZ), 풍화된 화강암에서; 유타 버널(VUT), 로에스(2006년 관찰된 번개)에서; 서부 뉴욕, 풍화된 셰일에서; 그리고 기원이 알려지지 않은 네바다 엘리에서 유래되었습니다. 이 풀구라이트의 직경은 몇 cm를 초과할 수 있습니다.
두꺼운 풀구라이트가 발견된 네 장소는 애리조나 유마 카운티(YAZ), 애리조나 라 파즈 카운티(LPAZ), 유타 그레이트 솔트 레이크, 와이오밍 스위트워터 카운티였습니다. 이 풀구라이트는 사막의 단단한 지반이나 칼리치에서 발견되었으며, 이는 석회석에 의해 결합된 석영과 장석으로 구성된 모래 알갱이로 특징지어지는 토양 유형입니다. 풀구라이트는 얇은 절단면에서 등방성 특성으로 식별되는 소량의 르샤틀리에라이트를 포함하고 있습니다. 이 풀구라이트의 단면에서는 작은 빈 공간이 보입니다(그림 2). 이러한 풀구라이트는 일반적으로 석회석과 관련된 석영과 장석으로 구성되어 있습니다.
추가로, 두 개의 풀구라이트 방울이 분석되었습니다(그림 2c). 이 방울들은 갈색에서 녹색의 유리로, 방울 모양을 하고 있으며, 펜실베이니아 요크 카운티와 유타 버널 풀구라이트의 주요 덩어리와 관련이 있었습니다.
형태학적 분석
그림 1. a 텍스트에서 사용된 용어가 포함된 풀구라이트의 개략도, b 오른쪽에 1 cm 큐브가 있는 오리건 데슈츠의 풀구라이트와의 비교. C 켄터키 클레이 카운티의 풀구라이트의 단면도, 빈 공간, 내부 용융 및 외벽 영역을 보여줍니다. 지름은 10 cm입니다.
개별 풀구라이트 조각은 각각 무게를 측정하였고, 캘리퍼스를 사용하여 길이(축 z에 평행)와 각 샘플의 x–y 평면에서의 지름을 측정하였습니다. 지름이 풀구라이트의 길이 또는 다른 방향에 따라 달라지는 경우, 최소한 세 번의 측정을 기록했습니다. 적절한 경우, 중앙의 빈 공간의 지름을 측정했습니다. 마찬가지로, 유리질 및 변하지 않은 단면의 두께를 측정했습니다. 두 개의 풀구라이트 방울의 부피는 방울을 모래로 가득 찬 상자에 넣었을 때 변위된 모래의 부피를 계산하여 측정했습니다(Consolmagno와 Britt 1998을 따름). 질량은 0.1 mg까지 정확한 삼중 빔 저울로 기록했습니다.
지구화학 분석 및 이미지화
그림 2. a 아리조나 라파즈 카운티의 석회암에서 형성된 풀구라이트, 풀구라이트의 길이를 따라 형성된 풀구라이트와 b 단면을 보여주기 위해 절단된 풀구라이트. c 유타 버널에서 형성된 풀구라이트에서 방출된 풀구라이트 방울. 방울의 지름은 1.5 cm입니다.
뉴사우스웨일스, 모로코, 그린즈버러 NC, 쿼츠사이트 AZ, 요크 카운티 PA(및 관련 방울), 버널 UT(및 관련 방울), 채피 CO, 라파즈 AZ, 유마 AZ의 풀구라이트는 Cameca SX50 전자 미세탐침을 사용하여 EMPA로 분석되었습니다. 점 분석, X선 지도 및 반사 전자 이미지를 얻었습니다. 20 nA의 전류와 15 kV의 가속 전압, 20초의 피크 카운트 시간을 사용했으며, 이전 연구(Pasek와 Block 2009)를 따랐습니다. 금속 분석에 사용된 표준에는 Si 금속은 Si, Fe 금속은 Fe, Ni 금속은 Ni, InP는 P, CuFeS2는 S, Ti 금속은 Ti에 사용되었습니다. 산화물 및 규산염 분석에 사용된 표준에는 Si, Mg, Ca에 대한 휘석, Na에 대한 알바이트, Al에 대한 아노르타이트, K에 대한 칼륨 장석, P에 대한 인회석, Mn에 대한 로도크로사이트, Fe에 대한 페이알라이트, Ti에 대한 루틸이 포함되며, 이전 방법(Domanik et al. 2004)을 따랐습니다.
풀구라이트 샘플은 번개가 친 경로로부터 다양한 반경 거리에서 내부 물질을 검사할 수 있도록 z축에 수직으로 절단되었습니다. 지름이 2.5 cm 이상인 샘플의 경우, 단면의 일부를 사용했습니다. 모든 경우에, 샘플의 중심으로 물이 들어가는 것을 최소화하기 위해 에탄올 또는 이소프로필 알코올을 윤활제로 사용했습니다. 샘플은 에폭시에 장착되고, 다시 에탄올 또는 이소프로필 알코올을 윤활제로 사용하여 연마되었습니다. 분석 전에, 샘플은 표준 샘플 준비와 X선 또는 BSE 지도를 이들 알려진 광물의 밝기 강도에 맞춰 탄소 코팅되었습니다. 가능한 경우, 전체 풀구라이트 지도를 사용했으며, 비율은 총 픽셀 수를 기준으로 합니다.
모델링
표 1. HSC 코드 기화 모델에서 고려된 화합물 분석된 종
간단한 열 확산 모델(Carter et al. 2010b)은 원통 좌표계를 이용하여, 번개가 스트라이크할 때 반경과 시간에 따른 도달 온도를 산출하는 데 활용되었습니다. 이를 통해 최고 온도뿐만 아니라 가열 및 냉각 속도도 결정할 수 있었습니다. 이 모델은 대상 물질에 반경 1mm(반경 0으로 설정)의 가열된 물질 기둥이 추가될 때 형성되는 온도 분포를 푸는 방식으로, 다음의 식을 사용하여 반경(z축을 기준으로 0)과 관련한 최대 온도를 계산하였습니다.
여기서 k는 대상 재료의 열 확산 계수입니다(예: Ingersoll 및 Koepp 1924). 초기 반지름 0 cm에서의 온도는 30,000 또는 60,000 K로 설정되었으며, 이는 번개가 칠 때의 알려진 최대 온도입니다(Uman et al. 1978). 이 번개의 채널 너비는 La Paz와 Yuma의 풀구라이트에서 관찰된 최소 공극 직경인 1–2 mm에 맞추어 선택되었습니다. 모델은 질량 이동이 없고, 확산성이 온도 변화나 상전이에 따라 변하지 않는다고 가정합니다.
이 반지름 의존적 온도는 모재의 용융 및 기화점과 상관관계가 있습니다. 목표 물질의 용융점은 MELTS 열역학 코드를 사용하여 결정되었습니다(Ghiorso and Sack 1995; Asimow and Ghiorso 1998). 각 풀구라이트의 액상선 온도는 EMPA에 의해 결정된 조성을 사용하여 계산되었으며, SiO2의 용융점은 1,713 °C로 설정되었습니다.
물질의 기화점은 이전 연구(Pasek et al. 2005; Pasek and Greenberg 2012)를 따라 HSC 화학 코드를 사용하여 결정되었습니다. 이 코드는 GIBBS 에너지 해석기(White et al. 1958)를 사용하여 다양한 광물, 산화물, 금속 및 기체 상에서 원소의 평형 분포를 계산합니다. 필요한 입력값은 허용된 광물 종, 온도 범위, 조성 및 압력입니다. 이 연구에서는 온도를 300에서 4,000 K로 변경하였으며(4,000 K는 대부분의 열역학 데이터에 대한 신뢰 범위의 상한), 압력은 1 bar로 일정하게 유지되었습니다. 초기 조성은 EMPA 데이터로부터의 원소 풍부도로 설정되었습니다. 각 혼합물의 50%가 질량으로 기화되는 온도를 기화 온도로 정의합니다. 이 코드를 사용하여 주 용융물에서 산화물과 기체의 기여를 나타내는 화합물의 양을 추적했습니다(표 1). 이러한 종은 HSC 화학 데이터베이스에서 제공하는 "견고한" 데이터(category 1)를 구성합니다. 또한, 이 코드는 SiO2를 포함한 규산염의 온도 의존적 CP 데이터를 제공하여 이러한 규산염을 용융 및 기화시키는 데 필요한 총 에너지를 계산할 수 있게 합니다. 이 코드는 용융물을 이상 용액으로 계산하므로 기화 온도는 추정치입니다. 또한, MELTS와 HSC 화학 모두 평형 모델링을 사용하여 이러한 화학 시스템의 종을 해결합니다. 번개가 칠 때의 용융 및 기화의 시간 척도는 비평형 과정이 매우 가능성이 높음을 시사하며, 따라서 이러한 계산은 단지 근사치로만 간주되어야 합니다.
결과
밀도 및 유리 비율
이 풀구라이트의 밀도 및 유리 비율은 그림 3에 제시되어 있습니다. 이 계산에서의 밀도는 전체 실린더로 근사한 이 물질의 밀도입니다. 이 접근 방식은 개별 풀구라이트의 공극 크기 정도를 고려하여 시작 물질의 밀도(예: 모래는 ~1.6 g/cm3, 모래 점토는 ~1.4 g/cm3, 그리고 칼리체는 2.2 g/cm3)와 직접 비교하여 물질의 기화된 비율을 결정할 수 있게 합니다. 풀구라이트는 목표 물질과 상관관계가 있는 밀도 및 유리 비율에 따라 유형 I, II, III로 분리됩니다. 가장 밀도가 낮은 풀구라이트는 평균 밀도가 0.7 g/cm3이며 표준 편차는 ±0.2 g/cm3로, 이는 목표의 45–70%가 기화된 것과 동일하며 또한 가장 높은 유리 비율을 가지며 모래에서 수집되었습니다. 가장 밀도가 높고 유리 비율이 낮은 풀구라이트는 칼사이트가 풍부한 토양이나 칼리체(caliche)에서 수집되었으며 평균 밀도는 2.1 ± 0.5 g/cm³로, 증발된 양이 매우 적습니다. 중간 밀도의 풀구라이트는 평균 밀도가 1.2 ± 0.2 g/cm³로, 0–30% 증발되었으며 유리 비율은 미세한 점토질 토양이나 부서진 암석에서 수집되었습니다. 방울 형태의 풀구라이트는 이러한 중간 밀도의 풀구라이트 두 개와 관련이 있지만 평균 밀도가 더 높습니다(1.6 ± 0.2 g/cm³). 이는 아마도 이러한 풀구라이트의 내부 유리 밀도를 나타낼 것입니다.
그림 3은 밀도와 유리 비율을 기준으로 연구된 풀구라이트(fulgurites)을 세 가지 주요 유형으로 나눈 것입니다.
EMPA 결과
분석된 풀구라이트의 조성은 표 2에 나와 있습니다. 대부분의 풀구라이트는 최소 두 가지 조성의 물질로 구성되어 있습니다. 하나는 르샤틀리에라이트(lechatelierite, 거의 순수한 SiO2 유리)이고, 다른 하나는 혼합 조성의 두 번째 용융물로, 이를 "기저질 용융물(groundmass melt)"이라고 부릅니다. 이 두 용융물은 혼합될 수 있으며(예: Essene and Fisher 1986), 이러한 용융물이 혼합되지 않는 이유는 풀구라이트가 형성된 직후 급속히 냉각되기 때문일 가능성이 큽니다.
그림 3의 유형 I 범주에 속하는 얇고 실리카가 풍부한 풀구라이트는 주로 SiO2 물질(90–100%)로 구성된 용융물로, 아마도 녹은 석영 모래일 것입니다. SiO2 유리 외에도 모로코 풀구라이트는 Zr 산화물이 풍부한 유리와 Fe–Ti 산화물이 풍부한 용융물로 구성된 기저질 용융물을 가지고 있습니다. 뉴사우스웨일스 풀구라이트는 두 번째 기저질 용융물이 없고 거의 전적으로 SiO2로 구성되어 있지만, TiO2가 풍부한 용융 영역을 가지고 있습니다.
그림 3의 유형 II 범주에 속하는 중간 양의 유리를 가진 두꺼운 풀구라이트는 유형 I 풀구라이트보다 훨씬 더 다양한 조성을 가지고 있습니다. 이러한 풀구라이트는 2–3가지 물질의 혼합물로, 그 중 적어도 하나는 주로 SiO2로 구성된 유리입니다. 르샤틀리에라이트는 이러한 풀구라이트의 조성에서 50%를 초과하지 않습니다. 콜로라도 주 차피의 풀구라이트는 녹은 석영과 장석, 그리고 이들 광물보다 Fe와 Mg가 더 풍부한 세 번째 기저질 용융물로 구성되어 있습니다. 이 풀구라이트는 또한 부속 광물로 적철석을 가지고 있었습니다. 다른 풀구라이트는 주로 두 가지 용융물로 구성되어 있습니다. SiO2 유리와 기저질 용융물의 혼합물 외에도 애리조나 주 쿼츠사이트의 풀구라이트에는 Fe–Ti 산화물, 티타나이트, Ca–P 산화물이 포함되어 있습니다. 유타 주 버널의 부속 광물에는 Na- 및 K-장석, Fe–Ti 산화물, Ca–P 산화물이 포함되어 있습니다. 노스캐롤라이나 주 그린즈버러의 풀구라이트의 부속 광물은 일메나이트입니다. 펜실베이니아 주 요크의 풀구라이트의 주요 부속 광물은 지르콘입니다.
그림 3의 유형 III 범주에 속하는 밀도가 높은 풀구라이트는 주로 CaCO3, SiO2, 장석으로 구성되어 있습니다. 부속 광물에는 Fe–Ti 산화물, 적철석, 바라이트, Ca–P 산화물이 포함되어 있습니다. 라파즈 카운티 풀구라이트의 세 가지 색상의 원소(Ca, Al, Si) X선 지도는 그림 4로 표시됩니다. 이 지도는 이러한 풀구라이트 내의 공극이 주로 방해석으로 둘러싸여 있으며, 일부는 석영과 장석으로 채워져 있음을 보여줍니다.
펜실베이니아주 요크와 유타주 버널의 풀구라이트와 관련된 유리 방울은 혼합 조성의 지질 용융물과 SiO2 유리라는 두 가지 주요 성분으로 구성되어 있습니다. 이 방울들은 두 번째 용융물의 조성이 더 균일하며, 조성의 변동이 적어 표준 편차가 작습니다. 두 방울의 지질 용융물은 대부분의 주요 원소에서 주 풀구라이트 실린더 용융물과 체계적으로 다릅니다(그림 5). 추가적으로, 펜실베이니아주 요크의 방울은 Fe3Si에서 FeSi까지 다양한 조성을 가진 여러 개의 큰 금속 방울을 포함하고 있습니다(그림 6), 이는 아래에서 더 논의됩니다.
그림 4는 라 파즈, 애리조나의 풀구라이트트에서 알루미늄(빨강), 칼슘(초록), 실리콘(파랑) 세 가지 원소의 X선 맵 합성입니다. 초록색 물질은 방해석, 파란색 입자는 석영, 보라색 입자는 혼합 조성의 장석입니다. 풀구라이트의 중심부에 있는 어두운 영역은 빈 공간이며, 일부는 이후 모래로 채워졌습니다.
그림 5는 풀구라이트 방울의 지반 유리질에서 주요 원소 산화물의 풍부도를 관련된 풀구라이트 실린더의 지반 유리질에서의 풍부도로 나눈 값입니다. 실선은 유타주 버널의 풀구라이트를, 점선은 펜실베이니아주 요크 카운티의 풀구라이트를 나타냅니다. 요크 카운티 방울 풀구라이트의 CaO 풍부도는 튜브 풍부도의 4.2배입니다. MnO와 P2O5는 이 두 원소의 총 풍부도에 비해 표준 편차가 커서 생략되었습니다.
그림 6은 펜실베이니아주 요크의 풀구라이트 방울에서 Fe(빨강), Al(초록), Si(파랑) 세 가지 원소의 X선 맵 합성입니다. 파란색 입자는 르샤틀리에라이트이며, 파랑-초록색은 평균 조성의 용융물입니다. 검은 구멍은 방울의 기포이며, 검은 구멍 안의 초록색 입자는 알루미나 연마 가루입니다. 둥근 자주색 물체는 Fe-Si 금속 입자입니다. 석영 입자와 작은 입자는 이 풀구라이트의 하단에서 볼 수 있으며, 이는 풀구라이트가 방출된 후 지면에 충돌한 위치에 해당합니다.
광물 변형
르샤틀리에라이트는 이번 연구에서 EMPA로 분석된 모든 풀구라이트, 방울을 포함하여 공통적으로 발견되었습니다. 르샤틀리에라이트는 주변 물질과 거의 혼합되지 않으며, 종종 원래 입자의 형태를 보존하고 있으며, 조성적으로 순수한 SiO2에 가깝습니다. 이러한 혼합의 부족은 석영의 용융 온도(1,670–1,713 °C)와 주변 용융물의 온도 차이, 그리고 풀구라이트의 상대적으로 빠른 냉각 때문일 가능성이 높습니다.
지르콘은 풀구라이트 형성 과정에 의해 강하게 영향을 받습니다. 유형 I 풀구라이트의 지르콘은 Zr 산화물 풍부한 용융물로만 존재합니다(그림 7a). 반면, 유형 II 풀구라이트의 지르콘은 뒤쪽 산란 전자 매핑에서 평균 원자 번호가 높은 물질의 껍질을 보여주며(그림 7b), 이러한 광물의 불균일한 용융을 나타냅니다. 이러한 껍질은 지르콘에 비해 Zr이 풍부하며, Si는 적습니다(그림 7c). 지르콘이 분해되기 시작하는 온도는 약 1,950 K이며(Butterman and Foster 1967), 이는 풀구라이트 형성 중 도달한 최소 온도에 대한 제약을 제공합니다. 유형 III 풀구라이트에서는 지르콘이 관찰되지 않았습니다.
인산염 광물은 풀구라이트 형성 과정에서 가열 시 인화물로의 환원(아래 "금속" 섹션 참조), 정인산염의 이합체인 피로인산염으로의 대체(Pasek 2008), 그리고 아마도 정인산염의 인화물로의 환원(P의 +3 산화 상태, Pasek and Block 2009 참조)을 포함한 변화를 겪습니다. 칼슘-인 광물(크기 10–100 μm)은 유타주 버널 풀구라이트, 애리조나주 쿼츠사이트 풀구라이트, 애리조나주 유마 풀구라이트에서 발견되었습니다(표 3, Pasek and Block 2009의 그림 2b 참조). 유타주 버널 풀구라이트 인산염 광물의 조성은 아파타이트와 일치합니다. 그러나 다른 Ca–P 산화물은 아파타이트와 일치하는 조성을 가지고 있지 않으며 상당한 SiO2와 Al2O3를 포함하고 있습니다. 마이크로프로브는 P의 산화 상태나 H, C, F와 같은 경원소의 풍부함에 대한 정보를 제공하지 않으므로, 이러한 Ca–P 산화물에서 P의 산화 상태는 알려지지 않았습니다.
표 2. 주요 원소 산화물에 의한 중량 %로 풀구라이트의 주요 성분의 평균 조성, 표준 편차 포함
표준 편차는 주어진 유형의 조성 간 차이입니다. "L"은 르샤틀리에라이트, "F"는 장석, "nd"는 결정되지 않음, "BDL"은 검출 한계 미만을 의미합니다. LPAZ와 YAZ 풀구라이트의 낮은 총합은 주로 CaCO3이므로 44.5 wt. % CO2로 균형을 맞출 수 있습니다.
표 3. 풀구라이트의 칼슘-인산염 광물 조성, 주요 원소 산화물에 따른 중량 백분율
그림 7. 풀구라이트의 지르코늄 광물. a 모로코 풀구라이트에서 지르코늄이 풍부한 지역의 BSE 이미지. b 펜실베이니아주 요크 카운티 풀구라이트에서 지르코늄이 풍부한 광물의 BSE 이미지. 펜실베이니아주. 이 풀구라이트는 약 55% 유리질로 구성되어 있습니다. c 요크 카운티 풀구라이트의 Zr-입자에 걸친 0–20선의 상 조성.
금속
금속은 펜실베이니아주 요크 카운티의 풀구라이트와 관련된 방울에서 발견되었습니다. 이 풀구라이트의 주 질량에 있는 금속은 작으며(5–20 μm) 주로 Fe와 P 금속, 소량의 Si와 Ni(평균 조성 Fe90.1±4.6Ni0.24±0.18Si0.20±0.44- P6.8±4.4, 평균 총량 97 ± 1 중량 %)로 구성됩니다. 펜실베이니아주 요크 카운티의 풀구라이트 방울의 금속은 두 가지 종류가 있습니다. 큰 입자(500–1,500 μm)는 가장 두드러집니다(그림 8). 이 입자는 Fe와 Si로 구성되어 있으며, 소량의 P, Ti, Ni도 포함되어 있습니다. 이 입자는 급속 냉각과 일치하는 질감을 보이며, 주로 다양한 화학량론적 비율로 혼합된 Fe와 Si로 구성됩니다(그림 9a). 더 작은 금속 입자(5–20 μm)도 더 큰 입자와 관련이 있습니다. 더 작은 금속 입자는 Fe와 Si의 뚜렷한 화학량론적 비율을 가지지 않으며(그림 9b), 일부는 거의 순수한 Fe 금속으로 보입니다. 이러한 입자 중 일부는 Fe와 Si의 화학량론적 비율을 가지지 않기 때문에, 작은 방울의 조성은 냉각 이력, 방울의 크기 및 마이크로프로브에 의한 검출 한계(여러 Fe-Si 종이 동시에 분석됨)의 결과일 수 있으며, 모재의 산화물 전구체(적철석, 일메나이트)의 넓은 변화를 반영할 수 있습니다. 펜실베이니아주 요크 카운티의 풀구라이트 방울에서 하나의 금속 입자는 Fe74.6Ni3.1P22로 결정되었으며, 조성상 슈라이버사이트(Fe,Ni)3P와 유사합니다. 이 인화물은 전체 조성에 비해 Ni가 약 175배 풍부합니다(*200 ppm).
그림 8. 펜실베이니아주 요크 카운티의 방울 풀구라이트에서 발견된 질감이 있는 큰 금속 입자. 질감과 평균 조성도 함께 표시됨
그림 9. 요크 카운티, 펜실베이니아 풀구라이트 방울 내 금속의 Fe 및 Ti 조성 대 Si 및 P 조성 (원자 단위 %) a 큰 (~500 μm) 금속 입자의 조성과 b 풀구라이트 내 작은 (5–20 μm) 금속 입자의 조성
모델 결과
MELTS 코드를 통해 산출된 각 대상 물질의 액상선 및 기화 온도는 표 4에 제시되어 있습니다. 원통형 확산 모델에서 30,000 K의 스트라이크가 원통 중심에 가해졌을 때의 열 프로필은, MELTS 코드와 HSC 화학 코드를 통해 결정된 녹는점과 기화 온도와 연계되어 그림 10에 나타나 있습니다. 이는 건조한 모래와 모래 점토(녹는점 1,100°C 사용)에 대한 결과입니다. 이 모델들은 모래에서 형성되는 풀구라이트 내부에서 약 0.6 cm 반경에서 0.75 cm 반경까지 좁은 용융 영역이 형성되며, 수분 함량이 있는 모래 점토에서는 낮은 녹는점을 가진 풀구라이트가 약 0.6 cm 반경에서 1.5~1.6 cm 반경까지 더 큰 용융 영역을 형성할 것으로 예측합니다. 이 두 결과 모두 서로 다른 대상 물질에서 형성되는 풀구라이트의 관찰된 반경 및 밀도와 전반적으로 일치합니다.
CaCO3와 SiO2로 구성된 대상 물질의 급속 가열은 MELTS 코드로 모델링할 수 없었습니다. HSC 코드는 1기압에서 ollastonite(칼슘 실리케이트)와 CaCO3로부터 CO2가 손실되어 CaO가 형성되는 반응을 보여주었습니다. 이 혼합물은 약 3,600 K에서 휘발성이 나타납니다. 하지만 CaSiO3나 CaO는 관찰된 해당 풀구라이트의 광물학적 양상에 포함되지 않습니다. 이러한 결과는 이들 풀구라이트에 대해 충격화학(shock chemistry)이 역할을 하는 대체 압력-온도-시간(P-T-t) 경로가 존재할 수 있음을 시사합니다(예: Ivanov and Deutsch 2002). 대상 물질의 열 확산도는 약 2배 정도 변동이 있지만, 온도 프로필에 미치는 영향은 크지 않습니다. 반면, 초기 온도는 열 확산 과정에 큰 영향을 주며, 초기 온도가 두 배로 높아지면 각 반경에서의 온도도 실질적으로 두 배에 달합니다. 대기 중 번개의 온도는 3배 이상 변할 수 있기 때문에(Orville 1968), 동일한 물질임에도 불구하고 형성되는 풀구라이트의 크기가 유사한 범위 내에서 달라질 수 있습니다.
본 모델은 또한 풀구라이트가 1,000 K 이하로 냉각되는 데 약 2분이 걸린다고 추정합니다. 또한 풀구라이트 형성을 위한 용융 시간은 유형 I 풀구라이트의 경우 약 0.5초, 유형 II 풀구라이트는 약 3초로 추정되는데, 이는 최고 온도에 도달하는 데 걸리는 시간을 바탕으로 산정한 값입니다. 가열 속도는 반경에 따라 다르지만, 풀구라이트 내부(공극 인접)에서는 1,000 K/s를 초과하며, 번개 채널에서 약 2 cm 떨어진 지점에서는 약 500 K/s 정도입니다(자세한 내용은 Carter et al. 2010b의 그림 7도 참고하시기 바랍니다). 이러한 빠른 가열 속도는 번개 스트라이크가 약 10 마이크로초 이하의 짧은 시간 내에 급격하게 에너지를 전달하기 때문입니다. 풀구라이트 형성 시(규산염의 용융 및 기화) 소산되는 에너지는 유형 I 풀구라이트(직경 1.8 cm)의 경우 약 5 MJ/m, 유형 II 풀구라이트(직경 10 cm)의 경우 약 25 MJ/m에 해당합니다.
표 4. 표 1에서 EMPA로 결정된 조성을 사용하여 용융물에 대해 결정된 액상선 및 증발 온도 °C
그림 10 건조한 모래와 습한 점토로 구성된 목표물에 30,000 K의 번개가 추가된 결과로 나타난 열 프로파일. 이러한 열 프로파일은 또한 열역학적 평형 모델로부터 생성된 용융 및 증발 영역과 연결되어 있습니다.
논의
우리는 풀구라이트를 다섯 가지 유형으로 분류할 것을 제안하며, 이 중 네 가지는 여기에서 검토되었습니다. 이러한 유형은 유리의 총 비율, 밀도, 구성 및 관찰된 광물학에서 차이가 있습니다(표 5). 우리는 밀도와 유리 비율의 차이가 주로 목표물 구성의 차이에서 비롯된다고 제안합니다. 이 분류는 Pasek 및 Block(2009)에서 논의된 예비 분류를 기반으로 하며, 문헌에서 논의된 풀구라이트를 추가합니다. 대부분의 풀구라이트는 최소 두 가지 구성 요소로 구성됩니다: SiO2 유리(르샤틀리에라이트)와 르샤틀리에라이트를 둘러싸고 있으며 일반적으로 Al 또는 Fe가 풍부한 용융물로 구성된 두 번째 기저 유리입니다. 르샤틀리에라이트는 주변 토양과 암석에서 용융된 용융물로 둘러싸인 현장 석영 입자가 용융된 것으로 보입니다.
표 5 풀구라이트 유형의 특성
I형 풀구라이트는 주로 석영 모래에서 형성되며 거의 전적으로 유리로 구성된 얇은 벽을 가지고 있습니다. 구성상으로는 하나 또는 두 개의 용융물로 구성되며, 그 중 하나는 르샤틀리에라이트입니다. 기저 용융물이 존재할 경우, Al 또는 Fe 산화물의 농도가 높은 용융물로 구성될 수 있지만, SiO2가 여전히 주요 산화물이 될 것입니다. 이러한 풀구라이트는 다양한 용융물과 대조적으로 용융된 SiO2의 좁은 온도 범위로 인해 밀도가 낮습니다.
II형 풀구라이트는 주로 점토, 석영 모래 및/또는 작은 암석 입자로 구성된 토양에서 형성됩니다. 이러한 풀구라이트는 두 개 이상의 용융물로 구성되며, 그 중 하나는 르샤틀리에라이트입니다. 르샤틀리에라이트는 I형 풀구라이트와 달리 이러한 풀구라이트의 용융물 대부분을 차지하지 않습니다. 기저 용융물은 구성상 상당히 다양하며, 풀구라이트 내에서도 작은 공간적 규모에 따라 다를 수 있습니다(예: Martin-Crespo et al. 2009). 목표물에 존재하는 다른 광물, 예를 들어 장석은 또한 균일한 조성을 가진 두 번째 용융물을 형성하기 위해 일치 용융될 수 있습니다. 이러한 풀구라이트는 더 넓으며, 따라서 다양한 조성을 가진 유리의 액체 용융물의 더 큰 온도 범위로 인해 I형 풀구라이트보다 더 큰 유리 영역을 가지고 있습니다. 물방울 풀구라이트는 이러한 풀구라이트와 관련이 있습니다.
III형 풀구라이트는 사막의 경화층 또는 석회암에서 형성됩니다. 여기에서 존재하는 용융물에는 르샤틀리에라이트와 용융된 장석이 포함됩니다. 이러한 유리는 부분적으로 입자를 접착하는 역할을 하는 방해석으로 둘러싸여 있습니다. 이러한 풀구라이트의 열적 형성 역사는 열역학 코드를 사용하여 설명할 수 없었습니다. CaCO3는 1기압에서 풀구라이트 형성 온도 범위에서 안정적일 것으로 예상되지 않으며 대신 CaO와 CaSiO3를 형성해야 합니다. 그러나 실제로는 그렇지 않기 때문에 이러한 풀구라이트의 가열 속도가 평형 화학 반응을 이루기에는 너무 빠를 수 있으며, 따라서 이러한 풀구라이트는 비평형 과정의 결과일 수 있으며, 아마도 충격 화학의 결과일 수 있습니다 (Ivanov and Deutsch 2002).
IV형 풀구라이트는 암석에서 형성됩니다. 정의상, 이러한 풀구라이트는 목표 물질의 암괴 크기가 결과적으로 형성된 풀구라이트 유리의 직경보다 큰 경우를 의미합니다. 이러한 풀구라이트는 모암과 가까운 밀도를 가질 것으로 예상됩니다. 또한, 암석 풀구라이트에서는 철의 환원이 거의 없으며, 모암에 석영이 부족할 수 있기 때문에 일부 풀구라이트에는 르샤틀리에라이트(SiO2 유리, Grapes and Muller-Sigmund 2010 참조)가 포함되어 있지 않을 수 있습니다.
풀구라이트 방울은 소수의 그룹에 속합니다. 이 방울들은 두 가지 중요한 방식으로 관련 풀구라이트와 다릅니다: 형태와 구성. 이러한 풀구라이트의 형태는 풀구라이트 실린더에서 방출되어 지표면에 착륙하고 냉각되는 것과 일치합니다 (방울의 바닥에 녹지 않은 광물 입자가 존재함으로써 나타남).
구성적으로, 방울들은 균질하며 이는 모재의 철저한 혼합을 나타냅니다. 방울들은 SiO2와 K2O가 더 풍부하며 대부분의 다른 산화물에서는 비교적 결핍되어 있습니다. 샘플 크기가 작기 때문에 일반적으로 풀구라이트 방울이 이러한 산화물에 대해 구성적으로 체계적으로 변할지 여부는 불분명합니다.
일반적으로 풀구라이트의 구성은 목표 물질의 구성을 반영합니다. 이는 특히 암석 풀구라이트(IV형)에 해당합니다. 암석 풀구라이트는 휘발성 물질이 탈출 경로가 매우 제한적이기 때문에 목표 물질과의 변동이 가장 적을 것입니다. 이는 중앙의 빈 공간을 통해서만 탈출할 수 있으며, 종종 이 빈 공간은 용융 유리에 의해 막혀 있습니다. 반면에, 다른 풀구라이트에서는 목표 물질과 결과 풀구라이트 사이의 변동이 더 가능하며, 이는 목표 물질의 다공성이 증가함에 따라 휘발성 물질이 방사형 방향으로도 탈출할 수 있기 때문입니다. 이러한 이유로, I–III형 풀구라이트는 질량 손실과 이동의 가능성이 있으며, 화학적 추론은 사례별로 고려해야 합니다.
풀구라이트와 번개 특성의 관계
풀구라이트는 구름에서 지면으로 번개가 지하를 통과할 때 형성됩니다. 수 메가줄(MJ)의 에너지가 10마이크로초(또는 여러 번의 번개가 발생할 경우 더 긴 시간) 동안 지하를 통해 매 미터마다 배치됩니다. 번개 채널 내의 물질은 즉시 기화되며, 구성에 따라 채널 인접 물질도 기화됩니다. 이 중앙 기둥에서 열은 500 K/s 이상의 속도로 외부로 전파되어 물질을 녹이고 융합하여 풀구라이트를 형성합니다. 최고 온도는 0.5–3초 내에 도달하며, 이후 풀구라이트는 냉각을 시작하여 약 2분 내에 1,000 K에 도달합니다.
풀구라이트의 형태는 도달한 온도와 에너지의 양, 가열 속도와 냉각 속도, 목표 물질의 구성과 특성 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 여기서 우리는 풀구라이트 형성 동안의 에너지 배치를 1 MJ/m에서 30 MJ/m 사이로 제한하며, I형 풀구라이트의 경우 5 MJ/m이 일반적이고 II형 풀구라이트의 경우 25 MJ/m이 드물지 않다고 제안합니다. 이는 I형 풀구라이트를 형성하는 번개가 II형 풀구라이트보다 총 에너지가 적다는 것을 의미하지 않으며, II형 풀구라이트의 용융 온도가 I형 풀구라이트보다 낮기 때문에 목표 물질을 녹이는 데 더 많은 에너지가 저장되고 열로 소산되지 않는다는 것을 의미합니다. 이러한 에너지 소산은 공기 중 번개 에너지 소산의 약 102–103배입니다. 이는 목표 물질이 공기보다 약 103배 더 밀도가 높기 때문에 질량당 에너지가 소산된다는 것을 시사하며, 따라서 이러한 에너지 소산 비교는 훨씬 더 높습니다. 번개의 에너지가 약 1 GJ에 도달할 수 있으므로, 이는 대부분의 토양에서 최대 풀구라이트 길이가 약 30 m임을 시사합니다.
번개 에너지가 소멸되면서 도달하는 온도는 플루구라이트의 내부 반경에서 3,000 K를 초과하며(규산염의 기화 온도), 외부 껍질에서는 약 1,300–1,700 K입니다. 이러한 가열은 상대적으로 짧은 시간 동안 발생하며, 가열 속도는 최소 500 K/s이며, 중앙 채널에 가까울수록 1,000 K/s를 훨씬 초과합니다. 특히 이러한 가열 속도는 열 확산에 의해 결정됩니다. 번개가 칠 때의 대체적인 가열 방법은 대상에 에너지가 빠르게 배치되면서 발생하는 충격을 통해 이루어질 수 있으며, 이 과정은 유형 III 플루구라이트에 중요할 수 있습니다. 이러한 경우, 가열 속도는 열 확산으로 인한 것보다 더 높을 가능성이 있습니다.
플루구라이트 형성 중 지하에서 번개 채널의 너비는 유형 III 플루구라이트의 빈 공간 크기를 기준으로 직경이 2 mm 이하일 가능성이 높습니다. 이는 공기보다 토양의 전도성이 증가한 것과 일치합니다: 더 전도성이 높은 재료는 동일한 전류를 허용하기 위해 더 적은 면적을 필요로 합니다. 그러나 서로 다른 대상 유형(모래, 점토, 칼리체) 간의 전도성 차이는 대상과 공기 간의 차이에 비해 크게 다르지 않기 때문에, 토양 전도성이 플루구라이트 형성에 미치는 영향은 크지 않습니다. 만약 대상이 매우 전도성이 높다면(예: 구리선), 아마도 플루구라이트가 형성되지 않을 것입니다. 그러나 대부분의 지각 광물의 경우, 전도성이 충분히 낮아 번개에 의한 열 생성이 발생할 것입니다. 대상의 다른 특징, 예를 들어 수분 함량은 플루구라이트 형성에 역할을 할 가능성이 높습니다. 물은 증기 형성 과정에서 일부 에너지를 제거할 것이기 때문에, 물이 포화된 대상 유형은 물이 적은 것보다 작은 플루구라이트를 형성할 가능성이 높습니다.
환원(Reduction)
Sheffer (2007)는 11개의 플루구라이트 중 9개에서 철 산화 상태가 +3 산화 상태에서 +2 산화 상태 또는 금속(드물게)으로 체계적으로 환원된다는 것을 보여주었습니다. 이 환원은 유형 I, II 및 IV 플루구라이트에서 Sheffer (2007) 연구에서 공통적으로 나타났으며, 유형 III 플루구라이트는 연구되지 않았습니다. Pasek와 Block (2009)은 10개의 플루구라이트 중 5개에서 인 산화 상태가 +5인 인산염에서 +3인 인산염 또는 인화 금속으로 체계적으로 환원된다는 것을 보여주었습니다. 인의 환원은 유형 III 플루구라이트에서 가장 흔했지만, 유형 I 및 II 플루구라이트에서도 발생했습니다. 대부분의 플루구라이트에서 금속 형성은 드물며, 플루구라이트 형성에 필수적이지 않습니다.
지금까지 철이 철 금속으로 환원되는 것은 주로 유형 II 플루구라이트와 관련이 있었습니다(예: Essene 및 Fisher 1986; Cardona et al. 2006; Sheffer 2007; Garcia-Guinea et al. 2009). 유형 I 플루구라이트에서 Fe–Si 금속이 보고된 사례도 있습니다(Parnell et al. 2008). 현재 연구는 요크, 펜실베이니아 플루구라이트를 환원된 금속 상을 가진 플루구라이트 목록에 추가합니다. 이러한 상에는 MN, M5N3, M2N의 화학식을 가진 화합물이 포함되며, 여기서 M은 금속(Fe, Ni, 또는 Ti)이고 N은 비금속(Si 또는 P)이며, M7N3에서 M3N까지 변하는 화합물도 포함됩니다. MN 화합물은 이전에 Winans Lake 플루구라이트(Essene 및 Fisher 1986), 멕시코 이달고의 플루구라이트(Cardona et al. 2006), 그리고 사하라의 플루구라이트(Parnell et al. 2008)에서 보고되었습니다. 이 물질은 fersilicite(Gevork’yan 1969)와 동일한 화학식을 가지고 있습니다. M2N 물질(달의 광물 Hapkeite와 동일한 화학식을 가진, Anand et al. 2004 참조)은 웨스트 버지니아의 플루구라이트(Sheffer 2007)에서 FeSi와 함께 발견되었습니다. 그러나 M5N3 및 M3N의 플루구라이트에서의 발생은 처음으로 보고되었습니다. 이러한 물질은 suessite (Fe,Ni)3Si (Keil et al. 1982), gupeiite, Fe3Si, 및 xifengite, Fe5Si3 (Yu 1984)와 유사할 수 있습니다. M7N3 상은 새로운 상을 나타낼 수도 있지만, 이 광물은 M3N과 조성적 연속체를 형성하는 것으로 보입니다. 또는 M7N3와 M3N 사이의 차이는 이 두 Fe–Si 물질 사이의 조성적 위치에 있는 ferroan perryite (Ni,Fe)8(Si,P)3의 존재 때문일 수 있습니다.
요크 카운티 플루구라이트 방울은 관련된 주요 질량의 플루구라이트보다 더 환원되어 있으며, 방울에서 Fe와 합금된 실리콘이 더 높은 농도로 발견됩니다. FeSi 및 Fe3Si와 같은 상의 형성은 Fe 금속 형성보다 약 6–8 로그 단위 낮은 fO2를 필요로 합니다(Essene 및 Fisher 1986). 이는 m플루구라이트 방울이 관련된 실린더보다 일반적으로 더 환원되는지 여부는 불분명합니다. Vernal, Utah의 플루구라이트와 방울에서는 금속이 관찰되지 않았기 때문입니다.
Sheffer (2007)는 철의 환원이 80% 이상의 분석된 풀구라이트에서 발생하는 보편적인 과정임을 보여주었습니다. Jones et al. (2005)는 풀구라이트에서 환원의 다섯 가지 잠재적 원인을 제시하였습니다. 이는 (1) 유기 탄소와의 반응에 의한 환원, (2) 번개 충격 시 전자 흐름에 의한 재료의 갈바닉 환원, (3) 가열 중 산화물에서 증기상으로의 산소의 내재적 분리, (4) 다른 금속 또는 산화물의 산화에 따른 환원, (5) 충격 화학에 의한 환원 (Rowan and Ahrens 1994)입니다. 번개 충격 시 전자 흐름이 작기 때문에 (~30 쿨롱) Sheffer (2007)는 이를 가능성에서 제외하였습니다. 또한, York 풀구라이트에서 충격의 증거가 거의 없으므로 충격 환원이 크게 발생하지 않는 것으로 보입니다. 열역학적 이유로 다른 금속 또는 산화물의 산화에 의한 환원은 가능성이 낮습니다. 이러한 가능성을 배제한 결과, York 풀구라이트의 금속은 탄소와의 반응에 의한 환원이나 철에서 산소의 내재적 분리에 의한 환원 중 하나로 기인할 가능성이 높습니다. 탄소와의 반응에 의한 환원이 이 풀구라이트에서 금속을 생성하는 선호 경로로 보이지만, Essene과 Fisher (1986)에 의해 탄소에 의한 환원이 입증되었고 이 풀구라이트가 형성된 지역이 숲이었기 때문에 가열 중 O2의 분리는 이러한 물질을 생성하는 가능한 경로로 남아 있습니다. 특히 풀구라이트 형성 중 압력이 수정될 경우에, 0.2 atm의 O2에서 환원제가 없이 SiO2와 FeO를 Si와 Fe로 환원하는 데 필요한 온도는 이러한 원소의 끓는점을 초과하지만, 금속 산화물을 금속으로 환원하는 것(NiO를 Ni로 환원)은 이전에 인공 풀구라이트 형성 실험에서 보고되었습니다 (Jones et al. 2005).
결론
풀구라이트는 조성에서 상당한 다양성을 보이며, 이는 결과적으로 유리질 혼합물의 조성과 광물학에 영향을 미치는 형태의 다양성으로 나타납니다. 이는 지르콘과 석영과 같은 광물의 열적 변형을 포함하며, 그 정도는 풀구라이트마다 다릅니다. 얇은 용융을 가진 풀구라이트, 예를 들어 유형 I 풀구라이트는 매우 높은 온도의 좁은 범위를 보여줍니다. 이러한 풀구라이트의 지르콘은 완전히 녹았습니다. 반면, 두꺼운 용융을 가진 풀구라이트, 예를 들어 유형 II 풀구라이트는 더 넓은 온도 범위를 보여주며, 아마도 배델리이트로 둘러싸인 지르콘을 포함할 수 있습니다 (Essene과 Fisher 1986에 따름). 이러한 온도 프로파일은 주로 용융 액체의 온도 범위의 차이로 인해 발생하며, 이는 용융의 방사형 범위에 반영됩니다.
풀구라이트는 짧은 시간 동안 좁은 기둥에서 에너지가 크게, 빠르게 증가한 결과로 형성됩니다. 풀구라이트를 형성하는 데 필요한 에너지는 일반적으로 1 MJ/m 이상이며, 이에 따른 온도는 규산염의 기화에 대해 3,000 K를 초과합니다. 가열 속도는 최소 500 K/s이며, 번개 채널 인접부에서는 1,000 K/s를 초과합니다.
철과 인의 산화환원 변화는 풀구라이트에서 흔합니다. 이 연구는 펜실베이니아 주 요크의 풀구라이트에서 새로운 Fe–Si 상을 조사하였습니다. 이러한 상은 풀구라이트 방울의 큰 금속 입자에서 3:1에서 1:1까지의 Fe + Ti + Ni: Si + P 비율을 보여주며, 풀구라이트 실린더에서는 거의 순수한 Fe 금속 입자로 나타납니다. 현재 연구 이전에는 2:1 및 1:1 혼합물을 제외하고는 이러한 광물의 알려진 지구상 발생이 보고된 적이 없습니다.
🌐 논문 링크
링크: https://link.springer.com/article/10.1007/s00410-012-0753-5
👤 작성자
문지기 baibel
🔎 검토
문지기 baibel
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