Abstract
The subject of this study deals with phase relations between stannite ($Cu_2FeSnS_4$) and sphalerite (${\beta}-ZnS$)/wurtzite (${\alpha}-ZnS$). The phase relations were systematically investigated from liquidus temperature to $400^{\circ}C$ under controlled conditions. ${\beta}-stannite$ (tetragonal) is stable up to $706{\pm}5^{\circ}C$, where it inverts to a high-temperature polymorph ${\alpha}-stannite$ (cubic) melting congruently at $867{\pm}5^{\circ}C$. Sphalerite (cubic, ${\beta}-ZnS$) inverts at $1013{\pm}3^{\circ}C$ to wurtzite, which is the hexagonal hightemperature polymorph of ZnS. Between ${\alpha}-stannite$ and sphalerite a complete solid solution series exists above approximately $870^{\circ}C$ up to solidus temperature. The melting temperature of ${\alpha}-stannite$ rises towards sphalerite and reaches a maximum at $1074{\pm}3^{\circ}C$, which is the peritectic with the composition of 91 wt. % sphalerite and 9 wt. % ${\alpha}-stannite$. At this temperature, wurtzite takes only 5wt. % ${\alpha}-stannite$ in solid solution which decreases with increasing temperature. The inverson temperature of ${\alpha}/{\beta}-stannite$ is lowered with increasing amounts of sphalerite in solid solution down to $614{\pm}7^{\circ}C$, which is the eutectoid with the composition of 13 wt. % sphalerite and 87 wt. % ${\alpha}-stannite$. Here, ${\beta}-stannite$ contains only 10wt. % sphalerite in solid solution. With decreasing temperature, the ranges of the solid solution on both sides of the system narrow. The phase relations in the above pure system changed due to the FeS impurities in the sphalerite solid solution. The eutectoid increased from $614{\pm}7^{\circ}C$ up to $695{\pm}5^{\circ}C$ (5 wt. % FeS) and $700{\pm}5^{\circ}C$ (10wt. % FeS), while the peritectic decreased from $1074{\pm}3^{\circ}C$ down to $1036{\pm}3^{\circ}C$ (wt. %FeS) and $987{\pm}3^{\circ}C$ (10wt. %FeS). A most notable change is the appearance of non-binary regions. An important feature is the combination of this study system with the experimental results reported by Sprinfer (1972). If a stannite-kesterite solid solution is used in the place of stannite as a bulk composition, the inversion temperature is lowered to less than $400^{\circ}C$ which belongs to temperatures of the hydrothermal region.
자연계의 유화광물(硫化鑛物) 산출상태(産出狀態)를 보면 Stannite는 Chalcopyrite나 Sphalerite등의 유화광물(硫化鑛物)과 수반(隨伴)이 잘 되며 Kesterite와는 넓은범위에걸친 고용체(固溶體)를 형성한다. 따라서 이러한 수반현상(隨伴現象)에 따르는 지질학적(地質學的) 관계가 광상생성조건(鑛床生成條件), 특(特)히 그 온도(溫度)에 대한 지시물(指示物)로서 활용가능성이 인정되고 있다. 그러나 자연계의 광물수반(鑛物隨伴) 및 공생관계(共生關係)의 연구자료는 극히 제한되어있으므로 광물생성(鑛物生成)에 대한 물리화학적물(物理化學的) 조건(條件)의 구명(究明)은 현대식 장비로 조직적인 실험을 통해서만 가능하다. 본연구에서는 광상생성(鑛床生成)의 온도를 변수로 택하고 순수한 Stannite-Sphalerite계(系)에 대한 상평충관계(相平衝關係)를 구명하고 이계(系)에 미치는 불순물(不純物)(자연계에서 가장 흔히 은반(隱伴)되는 FeS)과 압력(壓力)(5kb)의 영향에 대한 실험을 실시하였다. 먼저 두 시작물질(始作物質)(Stannite와 Sphaleite) 을 합성(合成)하고 이들의 일정(一定)한 동량비(童量比)의 혼합을 석영관(石英管)속에 넣어 진공밀폐하고 이것을 실험시료(實驗試料)로서 $400^{\circ}C$에서부터 용융온도까지 일정온도로 유지시킨 Horirgontal Furnace에서 가숙반응(加熟反應)시켰다. 대부분의 가험시료(家驗試料)는 가숙반응(加熟反應)을 촉진시키기위하여 재혼합(再混合)하였다. 평충(平衝)에 도달된 실험시료(實驗試料)는 급냉(急冷)하여 ore-microscope, X-ray diffractometer 및 DTA로 상평충관계(相平衝關係)를 검토하였다. 1. 순수한 Stannite-Sphalerite계(系); Stannite의 결정(結晶) 온도가 상승하면 $706{\pm}5^{\circ}C$에서 정방형(正方型)(${\beta}-stannite$)에서 제보형(第輔型)(${\alpha}-stannite$)으로 변이(變移)하고 $867{\pm}5^{\circ}C$에서 용융한다. Sphalerite는 온도가 상승하면 등축형(等軸型)(${\beta}-ZnS$) 에서 육방형(六方型)(${\alpha}-ZnS$)인 wurtzite로 변이(變移)한다. 상기(上記) 양변이(兩變移)는 호변(互變)(enantiotropy) 이다. 본계는 양광물(兩鑛物)의 공존구역(共存區域)의임계온도인 약 $870{\pm}5^{\circ}C$에서 solidus temperature까지 완전고용체(完全固溶體)를 형성하며 온도가 더욱 상승하면 고용체(固溶體)는 용융하기 시작한다. ${\alpha}-stannite$는 sphalerite의 함량이 증가할수록 용융온도가 상승하여 stannite 9wt.% sphalerite 91wt%에서 최고, $1074{\pm}3^{\circ}C$ (peritectic)에 도달한다. 이 온도에서 wurtzite는 ${\alpha}-stannite$들 5%만 함유하고 그 함량이 감소되면 용융온도는 상승한다. stannite의 변이온도(變移溫度)는 용융온도와는 반대로 sphalerite의 함랑이 고용체(固溶體)중에서 증가할수록 하강하여 ${\alpha}-stannite$ 87wt.%, sphalerite 13wt.%에서 $614{\pm}5^{\circ}C$ (eutectoid)로 하강한다. 이 온도에서 ${\beta}-stannite$는 sphalerite를 10% 함유한다. 온도가 계속 하강하면 ${\beta}-stannite$와 sphalerite의 상호(고용량(固溶量))은 각각 감소하기 시작한다. 2. 불순물 (FeS)의 영향 ; 순수한 계(系)의 eutectoid temperature는 FeS가 5%, 10%로 증가함에따라 $614{\pm}7^{\circ}C$에서 $695{\pm}5^{\circ}C$, $700{\pm}5^{\circ}C$로 상승하고 peritectic temperature는 $1074{\pm}3^{\circ}C$에서 $1036{\pm}3^{\circ}C$, $987{\pm}3^{\circ}C$로 하강한다. 그리고 순수한 계(系)의 upper binary region(${\alpha}-stannite+sphalerite$)이 non-binary region으로 점차로 변화한다. 3. 순수한 계(系)에대한 경력(慶力) (5kb)의 영향. stannite는 condensed system에서 sphalerite의 함량증가로인하여 변이온도(變移溫度)가 $614{\pm}5^{\circ}C$까지 하강하나 onfining presstle (Ekb)하(下)에서는 이보다 약 $600^{\circ}C$ 더 높은 $675{\pm}10^{\circ}C$까지 밖에 하강하지 않는다. 그리고 ${\beta}-stannite$의 sphalerite 고용량(固溶量)도 eutectoid temperature에서는 condensed system의 경우와 비슷하나 온도가 하강하면 현저한 감소를 보이고 sphalerite에서의 stannite의 고용량(固溶量)의 극히 적다. 완전고용체(完全固溶體)가 stannite와 sphalerte사이에 존재하는 반면 upper binary region의 온도범위가 좁아진다.