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- 푸른색에서 검은색의 마그마 암석 킴벌라이트가 존재하는 곳에서만 보석을 찾을 수 있다.
- 감람석에 철분이 매우 풍부한 암석 샘플에는 다이아몬드가 없거나 아주 적어
- 반대로 감람석에 마그네슘 함량이 높을 때는 다이아몬드 함량도 매우 높았다
- 새로운 방법은 덜 복잡하고 신속. 소량 킴벌라이트 샘플 분석으로 다이아몬드 함유 찾아

새로운 방법으로 다이아몬드 검색이 더 쉬워졌다.
다이아몬드는 특정 미네랄과 함께 만 생성돼

새로운 지표:
다이아몬드는 마그네슘이 풍부한 형태의 광물 감람석이 발견될 수 있는 암석층에서만 발견된다. 그러나 이 보석은 감람석에 철분을 더 풍부하게 만드는 지질학적 과정에 의해 파괴된다. 이제 새로운 방법을 사용하면 다이아몬드를 지하에서 찾기 더 쉬워진다. 

▲ 킴벌라이트 암석은 녹색 ​​광물 감람석의 50% 이상으로 구성되어 있다. © ETH 취리히 / Eduard Gübelin

다이아몬드는 자연계에서 상대적으로 희귀하기 때문에 찾기가 어렵고 그만큼 가치가 높다. "다이아몬드 발견을 보장하는 방법은 없다"고 ETH Zurich의 지질학자 안드레아 줄리아니Andrea Giuliani는 말했다. 검색 시 단서는 푸른색에서 검은색의 마그마 암석 킴벌라이트(Kimberlite)가 존재하는 곳에서만 보석을 찾을 수 있다는 것이다. 이는 주로 캐나다, 남아메리카, 중앙 및 남부 아프리카, 호주 및 시베리아에서 수십억 년 동안 지질학적으로 변하지 않은 매우 오래된 대륙 블록에서만 발생한다.

“그러나 킴벌라이트를 찾는 것은 건초 더미에서 바늘을 찾는 것과 같다”고 Giuliani는 말한다. “일단 이 암석을 발견하면 실제로 다이아몬드에 대한 복잡한 검색이 시작된다.” 일반적인 방법은 주로 킴벌라이트에서 발생하는 광물인 클리노피록센Klinopyroxen과 석류석에 의존하지만 시간이 많이 걸리고 발견이 보장되는 것도 아니다.

새로운 지표 찾아

따라서 Giuliani와 그의 팀은 다이아몬드 매장지에 대한 더 간단한 지표를 찾았다. 지질학자들은 킴벌라이트 암석의 약 절반이 감람석 광물로 구성되어 있다는 사실을 이용했다. 감람석은 차례로 마그네슘과 철의 다양한 비율로 구성된다. 연구자들은 감람석의 철 또는 마그네슘 함량이 다이아몬드 매장량의 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있는지 알고 싶었고 다이아몬드 딜러인 De Beers의 다양한 킴벌라이트 샘플을 분석했다. 샘플은 러시아, 캐나다, 브라질 및 남아프리카에서 나왔다.

▲ 그림 6: 암석권 두께와 킴벌라이트 관련 대사체 정도에 따른 킴벌라이트의 다이아몬드 잠재력. a 높은 다이아몬드 등급은 킴벌라이트 대사작용의 영향을 최소한으로 받는 두꺼운 암석권 뿌리와 관련이 있다. b 킴벌라이트 교대작용이 증가하면 다이아몬드가 용해되고 상승하는 킴벌라이트 마그마의 다이아몬드 등급이 낮아진다. c 얇은 암석권은 킴벌라이트 대사종의 정도에 관계없이 낮은 다이아몬드 등급과 관련이 있다. 출처: 관련논문 Diamond preservation in the lithospheric mantle recorded by olivine in kimberlites / nature communications Open access Published: 02 November 2023

그 결과:
“감람석에 철분이 매우 풍부한 암석 샘플에는 다이아몬드가 없거나 아주 적었다”고 Giuliani는 말했다. 반대로 감람석에 마그네슘 함량이 높을 때는 다이아몬드 함량도 매우 높았다. 추가 연구에서는 감람석의 철-마그네슘 비율이 킴벌라이트 암석의 다이아몬드 함량과 직접적인 관련이 있음이 확인됐다.

다이아몬드는 왜 철이 부족한 감람석 근처에서만 발견되나?

이러한 연관성이 어떻게 발생하는지 알아내기 위해 연구자들은 다이아몬드가 부족한 킴벌라이트 샘플을 사용해 소위 메타소마토즈(métasomatose:암석성분의 교대작용)가 보석에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 이러한 자연적인 지질학적 과정에서 지구 내부의 암석은 뜨거운 유체의 공격을 받아 밑에 있는 층에서 녹는다. 암석에 존재하는 미네랄은 유체에 용해된 물질과 반응하여 다른 미네랄을 형성한다.

지질학자들은 그러한 교대작용이 일어나는 곳마다 감람석에 철분이 더 풍부해지고 암석의 구성이 크게 변한다는 것을 발견했다. 이것은 소위 암석권 맨틀에서 발생한다. 다이아몬드는 높은 압력으로 인해 약 150km 깊이의 이 암석층에서도 발견되지만, 다이아몬드는 녹으면서 파괴될 수 있다고 Giuliani와 그의 동료들이 보고했다. 그러나 암석권 맨틀의 암석층에 용융물이 전혀 또는 아주 적게 침투한다면 감람석에는 철이 거의 없고 대신 마그네슘이 많이 함유되어 다이아몬드가 보존된다.

▲ 희귀한 발견: 킴벌라이트 블록의 거친 다이아몬드. © ETH 취리히 / 안드레아 줄리아니

다이아몬드는 어떻게 지구 표면으로 이동할까?

그러나 그러한 교대작용이 없다는 것이 다이아몬드의 유일한 요건은 아니다. 연구자들이 설명하는 것처럼 또 다른 지질학적 과정도 중요하다. 킴벌라이트와 여기에 포함된 원석은 지구 내부에서 액체 덩어리로 솟아올라 더 높은 암석층에 도달한다. 도중에 그들은 지구 맨틀의 단단한 조각을 집어 식힌 다음 갇히게 된다. 이 과정은 한 번에 또는 여러 단계로 차례로 진행될 수 있으며 이는 다이아몬드 침전물에 영향을 미친다.

"녹고, 떠오르고, 응고되는 멈춤 현상은 다이아몬드에 파괴적인 영향을 미친다"고 Giuliani는 설명했다. 그러나 킴벌라이트가 표면으로 직접 솟아오를 수 있는 조건이 조성된다면 이는 원석을 보존하는 데 이상적일 것이다. “우리의 연구는 킴벌라이트가 아직 이전 용융물과 강하게 상호작용하지 않은 맨틀 조각을 운반하는 경우에만 다이아몬드가 온전한 상태로 남아 있음을 보여준다”고 Giuliani는 말했다.

▲ 연구자들이 다양한 킴벌라이트에서 추출하고 조사한 감람석 조각. © ETH Zürich / Andrea Giuliani

새로운 기술은 다이아몬드 검색에 도움

따라서 감람석의 낮은 철 함량은 다이아몬드의 좋은 지표이지만 충분하지는 않다. 연구원들이 보고한 것처럼 새로 개발된 분석은 킴벌라이트의 다른 광물에 의존하는 이전 방법만큼 (비)신뢰적이다. 그러나 새로운 방법은 덜 복잡하고 빠르다. 미래에는 소수의 킴벌라이트 샘플만 분석하여 다이아몬드 함유 여부를 알아내면 된다.

감람석의 화학적 분석은 이전 측정을 보완하며 향후 다이아몬드 침전물을 더 쉽게 감지할 수 있게 해준다. “De Beers는 이미 새로운 방법을 사용하고 있다”고 Giuliani는 말했다. 또한, 새로운 방법은 이전 기술도 효과가 있었던 이유를 최종적으로 이해하는 데 도움이 된다. 이는 킴벌라이트가 급속히 증가하고 따라서 보석에 유리한 상승을 나타내기 때문이다.
(Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-42888-x)
출처: Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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