광물 기초 3 : 광물 개요 (보충본)

§.  광물과 암석 

 

광물은 안정된 방식으로 원자 번호와 화학식으로 형성되지만 암석은 곡물이나 결정과 같은 다른 물질과 하나 이상의 광물과 같은 이질적인 혼합물로 구성되어 있다.

즉 암석은 여러 미네랄로 구성 될 수 있으며, 암석이 하나의 광물로만 구성되어있는 경우 단일 광물 암석이라고합니다.

 

암석윤회

판구조론에 의한 지속적인 지각운동은 지각을 연속적으로 변화하게 만듭니다. 이는 지각의 구성물질인 암석 또한 변화하게 하는데, 암석이 오랜 기간에 걸쳐 연속적으로 형성되고 파괴되는 일련의 과정을 암석윤회라 합니다. 암석윤회는 풍화와 침식, 퇴적작용, 속성작용, 융기, 변성작용, 용융, 냉각의 과정을 포함하며, 크게 4개의 cycle로 구분할 수 있다.

 

 

 

1.  화성암

 

화성암(Igneous rock)이란  마그마가 식어 굳어진 암석을 말한다.

지하심부의 마그마가 유입되어 위로 융기하면 주위의 낮은 온도에 의해 식게 됩니다.
이 과정에서 마그마는 고체화 되는데 이를 결정화 작용 과정이라 합니다. 마그마는 다양한 화학성분을 가지고 있기 때문에 물과 같이 특정온도(0℃ )에서 결정화가 진행되지 못하고 단계적, 순차적으로 결정화가 이루어 집니다. 화성암은 생성환경에 따라 크게 분출암과 관입암으로 나뉘며 관입압은 반심성암과 심성암으로 분류됩니다. 분출암은 곧 화산암과 같은 의미이기 때문에 화성암은 일반적으로 화산암 (Vocalnic rocks), 반심성암(semicentric rock), 심성암(Pluton)으로 나눌 수 있습니다.

화성암의 분류는 크게 조직, 화학조성, 광물구성에 따라 이루어집니다.

조직은 일반적으로 결정이 큰 순으로 조(완)립질, 반정질, 세립질(비현정질), 유리질(비결정질)로, 화학조성은 SiO2의 함량에 따라 산성, 중성, 염기성, 초염기성암으로, 광물구성은 지구상의 주요광물의 함량에 따라 규장질, 중간질, 고철질, 초고철질로 각각 나눕니다.

조직은 생성과정과 깊이에 직접적인 연관이 있으며, 화학조성과 광물구성은 분류되는 단계가 흡사하며, 암석의 색과 관련이 큽니다.

이 화성암의 기준들을 종합적으로 분류하면 다음과 같습니다.

 

 

 

가.  생성과정

 

화성암은 생성 심도에 따라 심성암, 반심성암 및 화산암으로 나뉘어집니다.
마그마가 상승할 때 심부에 식어 형성된 암석을 심성암, 중간 정도의 깊이에서 형성된 암석을 반심성암,얕은 천부에 형성된 암석을 화산암이라고 합니다.

 

 

 

   1) 심성암

 

   2) 반심성암

 

  3) 화산암

 

 

 

2. 퇴적암

 

 

지표에 노출된 암석의 풍화 물질이나 생물의 유해가 중력에 의해 낮은 곳에 쌓여 생성된 퇴적물(Deposit, Sediment)이 오랜 기간에 걸쳐 고화된 암석을 뜻합니다. 화성활동에 의해 처음 생성된 지구에서는 퇴적암이 존재하지 않았을 것으로 예상되나, 긴 세월에 걸쳐 지각이 풍화를 받아 지금은 지표면의 약 75%가 퇴적암으로 덮여 있습니다. 퇴적암은 화성암과 변성암과 달리 생성당시의 생물이 화석으로 보존되어 있고, 퇴적당시 기후와 주변 환경에 대한 추측이 가능하여 지질시대의 환경과 지구의 역사를 해석하는데 중요한 역할을 합니다.

 

가. 퇴적암 (Sedimentary rock)의 분류

 

물과 바람 등에 의해 운반된 암편이 지표의 낮은 압력과 낮은 온도 상태에서 퇴적작용을 거쳐 만들어진 암석으로서 퇴적암 구성 물질의 기원, 입자의 크기, 화학 성분 등에 따라 쇄설성, 화학적, 유기적 퇴적암 등으로 분류합니다.

 

나. 퇴적암 생성원리

 

산이나 높은 지역에 있는 암석이 풍화, 침식과정에 의해 부서져 물, 바람 등과 함께 운반되면 일정지역에 퇴적물이 모이게 됩니다. 이후 퇴적물이 계속적으로 쌓이면 압축, 고화작용을 거쳐 퇴적암이 생성됩니다.

 

 

 

3. 변성암

 

변성암(Metamorphic rock)이란 '형태가 변한다' 는 의미의 변성작용(metamorphism)이라는 과정을 거쳐 이미 생성된 모암이 재결정화된 암석을 말합니다. 변성작용 과정을 통해 모암은 광물학적, 결정학적인 변화가 이루어지는데, 변화의 주된 원인은 열과 압력의 변화입니다. 퇴적암, 화성암이 모암이 될 수도 있고, 오래 전 이미 생성된 변성암 또한 가능합니다.

 

가. 변성작용이란?

 

조산운동이나 화산활동 등의 지질학적 과정을 통해 기존의 암석이 생성 당시와는 다른 온도와 압력 상태에 놓이게 되고, 이에 고체 상태로 유지된 기존 암석 내 광물과 조직이 변하게 되는데, 이러한 일련의 과정을 말합니다. 변성작용은 크게 파쇄작용, 동력변성작용, 접촉변성작용 등으로 나뉘어지며 이들에 해당하는 각각의 대표적인 암석은 안구상편마암, 편마암, 혼펠스 등이 있습니다.

 

 

 

나. 생성과정

 

암석이 마그마의 접촉에 따른 열적작용이나 판의 충돌 및 섭입에 따른 동적작용에 의해 고온 고압의 환경에 놓이게 될 경우, 암석 내의 광물은단계적 변성작용을 거쳐 새로운 광물로 바뀌게 됩니다. 이는 암석전체의 변질을 가져와 모암과는 다른 새로운 변성암이 생성되게 됩니다.

한국광해공업공단 제공

 

 

 

§.   광물의 색과 결정

 

 

§.  광물의 생성원리

 

물(H2O)이 1기압, 0도에서 얼음결정이 되듯이, 광물은 각 특정범위의 환경조건하에서 결정핵이 형성됨.

또한 자석에 철가루가 달라붙듯이 최초 생성된 광물 결정핵이 주위의 필요한 원소물질들을 계속적으로 끌어당겨 광물이 성장하게 됩니다.

암염(NaCl)을 예로, 광물의 생성원리를 아래의 과정을 통해 설명해 보도록 하겠습니다.

 

Cl 원자의 구조

암염은 Na와 Cl의 이온결합체로 구성되어 있습니다. Na의 전자 하나가 이동하여  Na+, Cl -  이온으로 바뀌게 되고 전기적 인력에 의해 암염분자가 생성됩니다.

 

 

◀  암염의 기본 결정 구조   (좌측 그림)

 

Na (양이온의 원자)   :  좌측 그림의 파란 원

CI (음이온의 원자)    : 좌측 그림의 초록색 원

 

암염 분자는 안정된 정팔면체의 내부 구조를 가지며, 암염의 결정핵이 주위의  Na+와 Cl -  이온들을 무수히 끌어들여 정육면체(cubic)의 결정구조를 형성하게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

◀   결정이 성장한 실제모습

각각의 결정핵이 cubic 형태로 성장하게 되면, 그림과 같은 암염 광물들이 발견되게 됩니다.

 

 

 

§. 광물의 정의

자연에서 천연적으로 산출되는 무기질의 균질한 고체로서, 대부분 무기과정에 의해 생성되고 일정한 화학조성과 결정구조를 갖는 물질입니다.

 

 

 

1. 물리적 특성

 

  가. 결정형

    광물의 결정은 구성원소들이 3차원적으로 배열된 내부적 규칙성이 외부에 보여지는 다면체 형태로 나타나며, 각 광물결정의 기하학적 대칭도에 따라 크게 6개의 정계로 분류됩니다.

 

 

나. 색(Color)과 조흔색 (Streak)

자연광하에서 광물의 색은 판별에 있어 명백하고도 매우 유용한 특성이며, 육안으로 구분이 가능합니다.

조흔색은 광물을 조흔판에 긁어 나타나는 고유의 색으로 광물들을 구분할 때 활용됩니다.

 

다. 경도 (Hardness)

경도는 광물의 단단한 정도로서 각 경도의 대표적 광물을 표본광물에 긁어 나타나는 긁힘의 정도로 측정하는 상대경도와 표본광물을 다이아몬드침으로 눌러 나타나는 변형의 정도로 측정하는 절대경도(누프경도)로 나눌 수 있습니다.

아래 표는 모스가 정한 Mohs’ 경도계로 상대적 굳기에 따라 경도 및 해당 대표광물을 10단계로 구분하여 정한 것입니다.

 

라. 쪼개짐과 깨짐

 

- 쪼개짐 (Cleavage)  (우측 그림 참조)

광물에 타격을 가했을 때 약한 면을 따라 일정한 방향으로 쪼개지는 성질이며, 이렇게 평탄하게 쪼개진 면을 벽개면이라 합

니다.

 

 

- 깨짐 (Fracture)  (우축 그림 참조)

 

광물에 타격을 가했을 때 방향성이 없고 불평탄한 단구면으로 깨지는 성질을 말합니다.

 

 

 

마.  광택, 비중, 자성, 방사성

 

- 광택  Polish

광물 표면에서 반사된 빛에 대한 눈의 느낌으로, 광물표면의 성질과 흡수되는 빛의 양에 따라 구분됩니다. 크게 금속 광택과 비금속 광택으로 나뉘며, 비금속 광택은 금강, 견사, 유리, 진주, 지방광택 등으로 세분화됩니다.

 

- 비중 specific gravity

같은 부피의 물에 대한 광물의 무게비로, 원자량이 크고 결합원소의 밀집도가 클수록 높게 나타납니다.

 

- 자성 magnetism

광물의 자기적인 성질로 자철석, 자황철석과 같은 자성이 강한 광물은 막대 자석에도 달라 붙습니다.

 

- 방사성 radioactive

우라늄과 같은 방사성 원소를 함유해 방사성 붕괴에 의한 전자기파(방사선)를 방출하는 성질로, 가이거-뮐러계수기나 섬광계수기를 이용해 광물의 방사성 여부를 조사할 수 있습니다.

 

 

2.  화학적 특성

 

가. 동질이상  (polymorphism)

화학 성분은 같으나 생성 당시의 온도나 압력 조건에 따라 그 결정 구조와 물리적 성질이 다른 광물을 지칭하며, 금강석과 흑연(C), 황철석과 백철석(FeS2), 방해석과 아라고나이트(CaCO3) 등이 동질이상에 속합니다.

 

결정형 정보

 

 

 

유질동상 (isomorphism)

 

화학 성분은 다르지만 결정 구조가 같고 비슷한 광물들을 지칭하는 용어입니다. 한 예로 방해석(CaCO3), 능철석(FeCO3), 마그네사이트(CaCO3)를 비교해 보면, 모두 탄산이온(CO3)을 가지고 있으며 양이온(Ca,Mg,Fe)의 크기와 물리적 성질이 비슷하고 육방정계의 결정구조도 동일하여 서로 유질동상 관계임을 알 수 있습니다.

 

고용체 (solid solution)

 

화학조성이 일정하지 않고 특정한 범위 내에서 변화를 보이는 광물을 말하며, 이온간의 치환, 결정구조의 간극 및 결함이 고용체 형성의 주된 요인이 됩니다. 감람석[(Mg,Fe)2SiO4]은 Mg2+와 Fe2+의 성분이 특정한 비율로 섞여 있으며, 고토 감람석(Mg2SiO4)에서 철감람석(Fe2SiO4)까지의 범위로 존재하는 대표적 고용체 광물입니다. 감람석의 생성과정시 Mg2+가 Fe2+ 로 치환되면서 그 성분이 연속적으로 바뀌게 되며. 이에 고용체 광물의 밀도도 일정하지 않게 조금씩 변하게 됩니다.

 

 

 

3.  광학적 특성

 

가. 복굴절

 

  1)  복굴절에 의한 빛의 경로

      빛이 서로 다른 두 매질의 경계면에 입사할 때 그 속도가 변하게 되는데 이러한 빛의 속도차에 의해 굴절이 일어납니다.

 

  2) 방해석의 겹침현상

      등방체(등축정계)의 매질로 빛이 입사되면 일정하게 한 방향으로 굴절이 이루어지지만, 이방체일 경우 두 개의 방향으로 빛이 굴절하게 됩니다. 이러한 현상을 복굴절이라 하는데, 그림과 같이 글자 위에 이방체의 방해석을 올려놓으면 글자가 겹쳐 보이게 되는 현상이 좋은 예라 할 수 있습니다.

 

  3) 광택 

      광물의 표면에 반사되어 나온 빛의 모습을 뜻한다. 종류에는 금속광택, 아금속광택, 비금속광택이 있다.

 

  4) 빛의 투과도 

      불투명(opaque), 반투명(translucent), 투명(transparent)

 

  5) 다색성

      편광현미경의 개방니콜 상태에서 재물대를 회전시켜 백색광을 비추면, 표본광물이 방향에 따라 빛을 흡수하는 정도가 달라져 편광의 진동 방향에 따라 광물의 색이 변하게 되는데, 이를 다색성이라 합니다. 주요 광물로 흑운모, 전기석 등이 있습니다

 

  6) 간섭색

     빛의 두 파동이 서로간의 상호작용에 의해 나타나는 색을 간섭색이라고 합니다. 광학적 이방체 광물을 직교 니콜하에서 재물대를 회전시켜 두 니콜과 광물의 진동방향이 서로 45도의 각을 이루면 최대의 간섭색이 나타나게 됩니다.

광물에 따라 찬란하고 다양한 색이 나타나며, 이러한 간섭색은 광물 자체의 색이 아닌 복굴절에 의해 일어나는 현상입니다.

 

  7) 소광

      직교 니콜하에서 이방체 광물을 재물대에 놓고 회전시키면 1회전 시 4번의 암흑현상이 일어나는데 이러한 현상을 소광이라고 합니다. 이는 두 니콜과 광물의 진동방향이 동일한 상태에 놓이면 간섭에 의해 두 파장이 소멸되기 때문입니다.

이러한 소광 현상은 재물대 1회전 시 표본광물과 니콜의 진동방향이 이루는 각이 직각 (90˚,180˚,270˚,360˚)일 때 나타나므로 4번 발생하게 되는 것입니다. 

그림 가는 전기석의 최대 흡수방향과 빛의 진동방향을 나타내는데, 그림 나와 같이 전기석을 직각으로 놓을 경우 최대 흡수방향과 빛의 진동방향이 겹쳐져 소광이 일어나는 예를 보여줍니다.

 

 

§.  법정 광물

 

지하자원의 합리적 개발을 위해서는 국가의 규제와 보호가 필요합니다. 이를 위하여 국가는 광업법을 제정 실시 중입니다.

광업법에 의하면 광물의 채굴 ·취득을 위해서는 국가로부터 허가를 얻어야 하고 광업권 설정의 등록을 하여야 합니다(17·39조).   

광업법 제3조에는 광물학상의 광물 전부가 아니고 그 품위·광량·심도·필요성·이용가능도 등을 고려하여 중요한 광물을 지정하였는데 이를 법정광물이라고 합니다.

 

[광업법 제3조]

1. "광물"이란 금광, 은광, 백금광, 동광, 연광(鉛鑛), 아연광, 창연광(蒼鉛鑛), 주석광(朱錫鑛), 안티몬광, 수은광, 철광, 크롬철광, 티탄철광, 유화철광(硫化鐵鑛), 망간광, 니켈광, 코발트광, 텅스텐광, 몰리브덴광, 비소광(砒素鑛), 인광(燐鑛), 붕소광(硼素鑛), 보크사이트, 마그네사이트, 석탄, 흑연, 금강석, 석유(천연피치 및 가연성 천연가스를 포함한다), 운모[견운모(絹雲母) 및 질석(蛭石)을 포함한다], 유황, 석고(石膏), 납석(蠟石), 활석(滑石), 홍주석[홍주석. 규선석(硅線石) 및 남정석(藍晶石)을 포함한다], 형석(螢石), 명반석(明礬石), 중정석(重晶石), 하석(霞石), 규조토(硅藻土), 장석(長石), 불석(沸石), 사문석(蛇紋石), 수정(水晶), 연옥(軟玉), 고령토[도석(陶石), 벤토나이트, 산성백토(酸性白土), 와목점토(蛙目粘土), 목절점토(木節粘土) 및 반토혈암(礬土頁岩)을 포함한다], 석회석[백운석(白雲石) 및 규회석(硅灰石)을 포함한다], 사금(砂金), 규석, 규사, 우라늄광, 리튬광, 카드뮴광, 토륨광, 베릴륨광, 탄탈륨광, 니오비움광, 지르코늄광, 바나듐광 및 희토류광[세륨, 란타늄, 이트륨을 함유하는 토석을 말한다] 중 어느 하나에 해당하는 물질을 말하며, 그 물질의 폐광(廢鑛) 또는 광재(광재: 제련하고 난 찌꺼기)로서 토지에 붙어 있는 것은 광물로 본다.

 

주요원소광의 광물

자료출처 https://www.kores.or.kr/views/cms/hmine/mi/mi01/mi0101.jsp  한국광해공업공단 제공