희토류원소 패턴 (Rare Earth Element (REE) Pattern)

지구과학

한 줄 정의: 란타넘족 원소의 농도를 콘드라이트나 셰일 표준값으로 정규화하여 원자번호 순으로 도시한 그래프로, 그 기울기와 이상(anomaly)을 통해 암석의 근원, 마그마 분화 정도, 퇴적 환경과 산화환원 조건을 해석하는 지구화학 도구이다.

쉽게 풀면

희토류원소 15개는 화학적 성질이 서로 매우 비슷해서 지질 과정에서 한 묶음으로 움직이지만, 이온 크기가 조금씩 달라 미세하게 다른 행동을 합니다. 이 미세한 차이를 보기 위해 각 원소 농도를 운석의 값으로 나누어 그래프로 그리면 매끈한 곡선이 나오는데, 이 곡선의 기울기나 특정 원소가 튀어나온 모양이 암석의 '지문'이 됩니다. 예를 들어 유로퓸이 푹 꺼져 있으면 사장석이 먼저 빠져나갔다는 뜻이고, 세륨이 꺼져 있으면 산소가 풍부한 바닷물 환경이었다는 뜻입니다.

왜 중요한가

희토류원소 패턴은 마그마의 근원암과 분화 과정, 퇴적물의 기원지, 해수와 열수의 산화환원 조건, 변성 유체의 이동까지 폭넓게 추적할 수 있어 현대 지구화학에서 가장 널리 쓰이는 미량원소 도구입니다. ICP-MS로 정밀 분석이 가능해지면서 거의 모든 암석·광물·물 시료 연구에 표준 자료로 포함됩니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"콘드라이트 정규화 희토류 패턴은 경희토류가 부화되고 뚜렷한 음의 Eu 이상(Eu/Eu* = 0.6)을 보여 사장석 분별을 시사한다."

가벼운 희토류가 많고 유로퓸만 푹 꺼진 모양이어서, 유로퓸을 잘 받아들이는 사장석이 먼저 결정화되어 빠져나갔다고 본다는 뜻이다.

"셰일 정규화 패턴에서 나타나는 음의 Ce 이상은 산화 환경의 해수에서 탄산염이 침전되었음을 지시한다."

세륨이 꺼진 것은 산소가 많은 바닷물에서 세륨만 따로 제거되는 현상 때문이므로 당시 바다에 산소가 풍부했다는 의미이다.

조금 더 깊게 보면

정규화는 원자번호 짝수·홀수에 따른 농도의 톱니 효과(오도-하킨스 규칙)를 제거하기 위한 것으로, 화성암에는 CI 콘드라이트, 퇴적물·해수에는 PAAS나 NASC 같은 셰일 표준을 씁니다. 경희토류(LREE)와 중희토류(HREE)의 비(La/Yb)는 근원암의 석류석 유무와 부분용융 정도를 반영하고, Eu 이상은 사장석과 산소 분압, Ce 이상은 산화환원, 텅스텐·하프늄 등과의 결합은 유체 작용을 지시합니다. 중희토류가 고갈된 패턴은 석류석이 잔류상으로 남은 깊은 용융(아다카이트, TTG)의 증거로 쓰입니다. 해수의 희토류 패턴은 중희토류 부화와 강한 음의 Ce 이상이 특징입니다.

주의할 점

정규화 기준에 따라 패턴 모양이 달라지므로 어떤 표준값(CI, PAAS 등)을 썼는지 반드시 명시해야 하며, 다른 표준으로 정규화된 문헌과 직접 비교해서는 안 된다. 또 Eu 이상과 Ce 이상의 계산식(기하평균 대 산술평균)도 논문마다 다르므로 수식을 밝혀야 한다.