'금괴'가 지진에 의해 만들어졌을 가능성이 있다는 실험 결과가 나왔다

'금괴'가 지진에 의해 만들어졌을 가능성이 있다는 실험 결과가 나왔다

금(金)은 희소성과 아름다움 때문에 아주 과거부터 장식품 등으로 인기가 있으며, 최근에는 화학반응 촉매나 전기전도체로도 널리 사용되고 있습니다. 그런 금(金)은 주로 이산화규소가 결정화된 석영(石英. quartz)의 광맥 속에서 금괴(金塊)로 발견되는데, 금괴가 생기는 메커니즘에는 알 수 없는 점도 남아 있습니다. 과학지 Nature Geoscience에 새로 발표된 논문에서 석영 광맥 중의 금괴는 '지진'에 의해 만들어졌을 가능성이 있다고 보고되었습니다.

석영의 층은 금(金) 채굴의 주요 지점이며, 석영과 금(金)은 상당히 유사한 조건 하에서 용액으로부터 침전한다고 합니다. 석영 광맥 중에 금괴가 형성되는 메커니즘으로는 '마그마에서 분리된 금이나 규소가 녹아내린 지각 중에 고온의 물이 지각의 균열을 타고 흐를 때 규소가 차가워져 석영으로 결정화된 곳에 금(金)이 침전한다'는 설이 있습니다.

이 설에 대해 호주 모나쉬대 지구대기환경학부 크리스 비지 박사는 "이 이론은 널리 받아들여지고 있지만, 특히 이들 유체 중(지각 중에 고온의 물)의 금 농도가 극단적으로 낮은 것을 고려하면 거대한 금괴가 형성되는 메커니즘을 완전히는 설명하지 않고 있습니다"라고 지적했습니다.

금(金)은 원소로서 매우 물에 잘 녹지 않기 때문에 지각 중에 고온의 물의 금 농도가 100만분의 1을 넘는 경우는 거의 없습니다. 그러나 실제로 석영 광맥에서 발견되는 금괴는 원래 열수의 수천 배나 되는 농도로 금이 농축되어 있습니다. 그래서 '지각 중에 고온의 물에 있는 금(金)이 석영과 함께 침전한다'는 것만으로는 금이 왜 농축되는지 설명할 수 없다는 것입니다.

새롭게 비지 등의 연구팀은, 「조산 운동이 번성하고 지진이 많은 장소에 금광맥이 많다」 '석영은 압전성을 가진 광물로 지진 등 지질학적 응력에 의해 전하를 생성한다'는 단서를 바탕으로 '지진에 의해 석영 광맥 중 금괴가 만들어지는 것이 아니냐'는 가설을 세웠습니다.

압전성((壓電性. 역학적인 힘을 가할 때 기전력이 일어나거나 전압을 가할 때 역학적인 힘이 일어나는 성질)은 응력(재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 하중(외력)을 가했을 때, 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력)을 가하면 전하를 발생시키고 반대로 전압이 가해지면 변형되는 성질을 말합니다. 석영의 압전성은 쿼츠 시계나 라이터 같은 일용품에 이용되고 있는데, 연구팀은 이 압전성이 금괴의 형성에도 관련되어 있는 것은 아닐까 생각했습니다.

지진에 의해 지각이 흔들릴 때마다 석영은 전하를 생성하지만 석영 자체는 절연성이 높기 때문에 생성된 전하는 멀리까지 이동하지 않습니다. 한편 금(金)은 매우 전도성이 높은 물질이기 때문에 지진으로 생긴 석영의 전기화학 반응이 촉매 역할을 해 지각 중에 고온의 물 중의 금(金)이 퇴적될 가능성이 있다는 것입니다. 비지는, 「지진파의 주파수는 매그니튜드와 암석 조성에 의해서 크게 다르지만, 1 Hz~20 Hz 이상입니다. 이 파도는 석영을 일그러뜨려 전압을 발생시키고 부근의 용액에서 금이 석출(deposition. 액체의 용액으로부터 금속, 분자 등의 고체 물질이 침전으로 분리되는 현상)될 가능성이 있습니다'라고 말하고 있습니다.

가설을 검증하기 위해 연구팀은 천연 결정에서 잘라낸 석영 타일 12장을 금(金) 수용액에 가라앉히고, 절반의 타일을 1시간에 걸쳐 초당 20회 진동시키고, 다른 절반의 타일은 진동시키지 않고 가라앉힌 채로 두었습니다. 또한 흔들림에 의해 생기는 석영 타일의 전압은 0.4~1.4V 정도였습니다.

실험 결과, 진동시킨 타일에는 마이크로미터 크기의 금(金) 입자가 형성되어 있었지만, 진동시키지 않은 타일에는 금(金)이 퇴적되어 있지 않은 것이 밝혀진 것입니다. 또, 금(金) 입자가 자연적으로 흩어진 타일을 사용한 진동 실험에서는, 이미 존재하는 입자를 「핵」으로서 더욱더 금(金)이 퇴적된다는 것도 알게 되었습니다. 비지는 "어느 정도의 금(金)이 석출되면 그 전도성으로 금(金)이 또 다른 반응의 촉매처럼 행동하기 때문에 금이 더 쌓일 가능성이 높아집니다"라고 말했습니다.

논문의 공저자인 모나쉬대 지구대기환경학부 앤디 톰킨스 교수는 결과는 놀라운 것이었습니다. 응력이 걸린 석영은 그 표면에 금(金)을 전기화학적으로 석출시켰을 뿐만 아니라 금 나노입자를 형성해 축적시킨 것입니다. 놀랍게도 금은 새로운 입자를 형성하는 것이 아니라 기존 입자상에 석출하는 경향이 있었습니다.」라고 말했습니다.

이번 실험은 농축된 금 용액과 장시간 진동을 이용해 실험실 내에서 시뮬레이션된 것이기 때문에 금의 농도가 낮고 지진도 가끔만 일어나는 현실 환경에서는 금이 퇴적되기까지 훨씬 오랜 시간이 걸립니다. 그러나 지질학적인 시간 스케일로 보면 그렇게 느린 것은 아니고 금이 퇴적되어 금괴가 되는 메커니즘에 대한 설명으로 유력하다고 합니다.

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Gold nugget formation from earthquake-induced piezoelectricity in quartz | Nature Geoscience
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01514-1

Electricity generated by earthquakes might be the secret behind giant gold nuggets - Scimex
https://www.scimex.org/newsfeed/electricity-generated-by-earthquakes-might-be-the-secret-behind-giant-gold-nuggets

Radical Theory Suggests Earthquakes Spark Gold Nuggets Into Existence : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/radical-theory-suggests-earthquakes-spark-gold-nuggets-into-existence

Earthquakes can trigger quartz into forming giant gold nuggets, study finds | Live Science
https://www.livescience.com/planet-earth/geology/earthquakes-can-trigger-quartz-into-forming-giant-gold-nuggets-study-finds