알칼리성 용융물의 미량 원소 확산과 마그마 혼합 시 분별 및 시간 추정

초록

본 연구는 화산섬 Vulcano의 천연 쇼소니트·류양암 용융물을 1200 °C, 50–500 MPa, 0–2 wt% 수분 조건에서 12개의 확산 커플 실험으로 조사하였다. 30종 미량 원소 중 13종은 정상적인 확산 프로파일을 보였고, 17종은 상승 확산(uphill diffusion)을 나타냈다. 물 함량이 1 wt% 증가할 때 확산 계수는 0.4–0.7 로그 단위 상승했으며, 특히 삼가이온 REE(La‑Nd, Gd‑Lu)는 SiO₂ 농도 구배에 의해 일시적인 농축 현상을 보였다. 이러한 결과는 마그마 혼합 과정에서 원소 분별 메커니즘과 혼합 시간 추정에 중요한 제약을 제공한다.

상세 분석

이 실험은 알칼리성 마그마 시스템에서 미량 원소의 확산 거동을 정량화하기 위해 설계되었다. 쇼소니트(마피시)와 류양암(실리카 함량이 높은) 용융물을 각각 58, 62, 66, 70 wt% SiO₂ 조성으로 중간 단계에서 샘플링하고, 레이저 어블레이션 ICP‑MS(LA‑ICP‑MS)로 농도‑거리 프로파일을 획득하였다. 결과는 두 개의 뚜렷한 그룹으로 나뉘었다. 첫 번째 그룹(13원소)은 Na, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Sn, Sb 등 저장성 및 전이 원소로, 농도 구배에 따라 전형적인 Fickian 확산을 보이며, 농도 의존적 확산 계수(D)는 SiO₂ 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 두 번째 그룹(17원소)에는 Y, Zr, Nb, Pb 및 거의 모든 희토류 원소(REE)가 포함되었으며, 이들은 ‘상승 확산’ 현상을 보여서 초기 농도 구배와 반대 방향으로 이동하였다. 특히 삼가이온 REE(La‑Nd, Gd‑Lu)는 프로파일 중앙에 뚜렷한 최소값을 형성했으며, 경량 REE일수록 최소값이 깊고 넓었다. 이는 SiO₂ 농도 차이에 의해 발생하는 활동도 구배가 REE의 화학 퍼텐셜을 변동시켜 일시적인 ‘분배’ 현상을 유도하기 때문이다.

물 함량의 효과는 모든 원소에 걸쳐 일관되게 나타났다. 1 wt% H₂O가 첨가될 때 확산 계수는 평균 0.55 로그 단위 상승했으며, 이는 물이 용융 구조를 파괴해 네트워크 폴리머를 완화시키고, 이온 이동성을 크게 증가시킨다는 기존 연구와 부합한다. 압력(50–500 MPa) 변화는 확산 계수에 미미한 영향을 주었으며, 온도 고정(1200 °C) 하에서는 물 함량이 주된 조절 변수임을 확인하였다.

모델링 측면에서 저자들은 ‘유효 이진 확산(Effective Binary Diffusion, EBD)’ 모델을 수정하여 활동도 구배를 포함시켰다. 이 모델은 REE 프로파일을 성공적으로 재현했으며, 특히 ‘상승 확산’ 최소값의 위치와 깊이를 정확히 예측했다. 모델 파라미터 추정 결과, SiO₂ 농도 차이가 12 wt% 이상일 때 REE의 활동도 구배가 충분히 커져서 일시적인 REE 농축이 발생한다는 점을 제시한다.

이러한 결과는 마그마 혼합 과정에서 원소 분별을 해석할 때, 단순히 확산 계수만을 적용하는 것이 부적절함을 시사한다. 특히 REE와 같은 고용량 원소는 ‘활동도 구배‑확산 상호작용’ 메커니즘을 고려해야 하며, 물 함량과 SiO₂ 조성 차이가 혼합 시간 추정에 큰 영향을 미친다. 실제 화산 현장에서 관측되는 REE ‘U‑shaped’ 혹은 ‘V‑shaped’ 프로파일은 이 연구에서 제시한 메커니즘으로 설명 가능하며, 이를 통해 현장 시료의 혼합 시점과 물 함량을 역산할 수 있는 새로운 정량적 도구를 제공한다.