응용지질기사 요약정리 – 광물, 암석학에 대한 정리 (3) 광물의 물리적 성질

 

․ 불순물 존재에 의하여 색을 띠는 광물을 타색광물(他色鑛物)이라고 함. 석영은 원래는 무색이지만 불순물의 함유에 따라 분홍색, 황색 녹색, 갈색 등을 띤다.

․ 결정구조의 차이에 따라 색이 달라지는 예 다이아몬드와 흑연.

․ 물리적 효과

 

㈀ 변채 – 광물을 회전시킬 때 색채가 대를 이루면서 급히 변하는 것.(라브라돌라이트, 월장석)

㈁ 천채 – 변채에 비해서 색채의 변화가 약하고 색대가 넓게 나타나는 것.(호안석)

㈂ 단백광 – 단백석내부에서 작은 구상체에 의한 빛의 굴절현상에 의하여 나타나는 우윳빛 또는 진주빛의 빛.

㈃ 훈색 – 광물표면의 엷은 피막이나 또는 벽개에 의한 굴절 및 반사에 의하여 무지개 색깔이 나타나는 것(석고, 운모)

㈄ 섬유광 – 섬유상의 광물에서 보임, 견사와 유사한 느낌(호안석, 섬유상 석고)

㈅ 성채 – 육방정계 결정에 있어서 6방향으로 빛이 강하게 반사하는 현상(금운모, 스타루비, 사파이어)

㈆ 섬광 – 광물의 내부 또는 벽개면에 평행하게 존재하는 미소한 포유물에 의하며 반사하여 나타나는 색.(하이퍼신)

㈇ 퇴색 – 광물이 공기 중에 노출되어 그 표면의 색이 변하는 것.

 

 

② 조흔색

 

광물의 색과 조흔색

광물	화학식	표면색	조흔색	광물	화학식	표면색	조흔색
금	Au	황색	황색	적철석	Fe2O3	흑색	적색
황철석	FeS2	황색	흑색	자철석	Fe3O4	흑색	흑색
황동석	CuFeS2	황색	녹흑색	갈철석	Fe2O3․nH2O	갈흑색	황갈색

 

③ 광택 – 광물의 표면에서 빛이 반사할 때 우리 눈에 주는 느낌.

 

㈀ 금강광택 – 굴절률이 높은 광물(다이아몬드, 녹염석, 섬아연석)

㈁ 견사광택 – 미세한 섬유상 광물 집합체에서 보임(섬유석고, 석면)

㈂ 유리광택 – 깨진 유리에서 보이는 광택, 덜 나타날 때 아유리광택(석영, 암염, 전기석)

㈃ 진주광택 – 진주에서 볼 수 있는 것과 같은 광택(활석, 어안석, 수활석)

㈄ 지방광택 – 기름이 얇게 덮여 있는 것과 같은 느낌의 광택(네펠린, 석영)

㈅ 토상광택 – (점토, 고령토)

㈆ 찬광 – 거울처럼 상이 비추어 보이는 광택(적철석)

㈇ 요광 – 표면에서 상이 반사되지만 뚜렷하진 않는 경우(셀레스타이트)

㈈ 섬광 – 표면에서 반사는 되지만 상이 나타나지 않는 경우(활석, 황동석)

㈉ 미광 – 반사가 불안전한 경우(플린트)

㈋ 무염 – 광택이 없는 경우(고령토, 백악)

 

 

④ 투명도 – 빛을 통과시키는 정도

 

㈀ 투명 – 광물을 통하여 그 뒤쪽에 잇는 물체의 윤곽이 완전히 보임(아이슬란드스파,수정, 다이아몬드, 황옥)

㈁ 영롱 – 빛을 통과시키기는 하지만 그 뒤쪽에 물체가 보이지 않음

㈂ 불투명 – 빛을 통과시키지 못함(황철석, 황동석, 방연석 -대부분의 금속광물)

 

 

⑤ 발광성 – 어떤 물질이 외부로부터 자극레인지를 흡수하며 그 에너지의 일부 또는 전부를 광에너지로 방출하여 빛을 발하는 현상

 

 

 

 

 

․ 형광과 인광 – 광물이 자외선, X선 또는 음극선에 노출되는 동안 빛을 발하는 현상을 형광(螢光, fluorescence), 자극 에너지를 제거한 후에도 발광이 지속되면 인광(燐光, phosphorescence)이라고 한다.

 

2) 응집력에 의한 성질

 

 

① 벽개와 열개

 

벽개(劈開, cleavage) – 광물이 일정한 방향으로 평탄한 면을 보이면서 쪼개지는 성질.

나타나는 정도	탁월	완전	양호	명료	불명료
광물 예	운모, 휘수연석	형석, 중정석	장석	크리소베릴	녹주석

 

열 개(裂開, parting) – 광물이 쌍정을 이루거나 또는 압력에 의하여 구조적으로 약한 면을 따라 깨지는 현상.

 

② 단구 – 벽개가 없는 광물의 깨진 면의 모양

 

종류	패각상	평탄	불평탄	침상	섬유상	토상
광물 예	석영, 플린트	처트	태부분	자연동	펙톨라이트	점토, 백악

 

③ 경도

 

	모스 경도	비커스의 절대경도	로시월의 마찰경도
활석	1	20	0.03
석고	2	350	1.04
방해석	3	1720	3.75
형석	4	2480	4.17
인회석	5	6100	5.42
정장석	6	9300	31
석영	7	11200	100
황옥	8	12500	146
강옥	9	21000	833
다이아몬드	10	100000	117000

 

④ 점착성 – 어떤 물질이 역학적인 힘을 받을 때 이에 저항하는 성질.

 

㈀ 탄성 – 힘을 받으면 깨지지 않고 원래의 모앙으로 되돌아가려는 성질(백운모)

㈁ 요곡성 – 얇은 광물 조각이 힘을 받으면 깨지지 않고 구부러졌다가 힘을 제거해도 원상태로 돌아오지 않고 그대로 있는 것

㈂ 전성 – 망치로 때렸을 때 얇은 박으로 늘어나는 성질(자연금)

㈃ 연성 – 실같이 가느다란 선으로 늘릴수 있는 성질(자연은, 자연동)

㈄ 가절성 – 칼로 베어낼 수 있는 성질(석고)

㈅ 이쇄성 – 쉽게 분말상태로 깨지는 성질(펙톨라이트)

 

⑤ 비중(specific gravity)

보통 광물의 비중은 2~4이고, 금속 광물은 대개 4 이상이다.비중이 고르지 않고, 어느 범위의 폭을 가지는 것은 대개 고용체 광물이다.

 

 

 

 

 

⑥ 광물의 비중측정

 

광물	비중	광물	비중	광물	비중	광물	비중
금 동 금강석 흑연 황	15.00~19.30 8.90 3.52 2.30 2.05~2.09	섬아연석 황동석 방연석 황철석 암염	3.05~4.00 4.10~4.30 7.60 5.02 2.10~2.30	형석 자철석 적철석 석영 방해석	3.18 5.18 5.20 2.65 2.72	각섬석 활석 운모 정장석 사장석	3.00~3.30 2.70~2.80 2.73~3.00 2.54~2.56 2.62~2.76

 

㈀ 아르키메데스 원리에 의한 측정법

G = { Wa} over {Wa-Wl } ×L

(Wa = 공기 중에서 광물의 무게, Wl = 비중 L인 액체에 넣어서 측정한 광물의 무게)

측정장치로는 졸리천칭과 버먼천칭이 있다.

 

㈁ 비중병에 의한 측정법

G = { b-a} over {(b-a)-(c-d) }

(a = 비중병만의 무게, b = 비중병 + 시료, c = 비중병 + 시료 + 액체, d = 비중병 + 액체)

 

㈂ 중액에 의한 부유법

소수의 미소한 광물 입자들을 비중이 높은 액체에 넣고 광물입자가 뜰지도 가라앉지도 않을 때까지 액체의 농도를 조정한 후 이 액체의 비중을 측정.

 

 

 

 

3) 열에 의한 성질

 

① 용융과 해리

광물의 고체상은 어떤 압력과 온도에서만 안정된 상태로 존재하고, 광물의 가열하면 어떤 온도에서는 액체상으로 변하는데 이때의 온도를 용융점이라고 한다. 그리고 용융점에 도달하기 전에 어떤 온도에서 분해되어 기체를 발생시키는데 이런 현성을 해리라고 한다.

해리의 예) CaCO3 BUILDREL rarrow { ~900℃} { } CaO + CO2 (석회석의 소각)

 

② 상변화

광물이 용융이나 해리가 일어나기 전에 새로운 조건에 적응하기 위하여 화학조성은 그대로 있으면서 결정구조만 변하여 새로운 광물상으로 되어버린 경우, 상변화(相變化) 혹은 천이(遷移) (※ 천이온도가 알려진 광물들은 지질온도계(地質溫度計, geological thermometer)로 이용될 수 있다.)

 

화학조성	천이온도
S	사방황 BUILDREL exarrow { 95.3℃} { } 단사황
SiO2	β-석영 BUILDREL exarrow { 573℃} { }α-석영

 

 

 

 

 

 

4) 광물의 광학적 성질

 

 

① 편광 – 광파가 어떤 일정한 평면 내에서만 진동하는 빛

 

② 등방체와 이방체

등방체 – 빛이 모든 방향에서 똑같은 속도로 진행하는 물체

이방체 – 방향에 따라서 다른 속도로 빛이 진행하는 물체

 

 

③ 등방체의 광학성

 

등방체에서는 반사에 있어서 입사광과 반사광은 항상 똑같은 평면내에 있으며 입사각과 반사각은 같다.

※ 스넬의 법칙

n ={ sini} over {sinr } = { c _{ 0} } over {c } (c_{ 0} : 진공에서 빛의 속도, c : 통과하는 매질에서의 빛의 속도)

 

 

④ 이방체의 광학성

․ 복굴절 – 스넬의 법칙에 맞도록 굴절되는 빛을 상광선(常光線, ordinary 또는 O-ray), 스넬의 법칙에 맞지 않게 굴절하는 광선을 이상광선(異常光線, extraodinary 또는 E-ray)이라고 한다.

․ 이방체를 통과라는 광선은 서로 수직으로 진동하는 O-ray와E-ray로 갈라지기 때문에 동일한 방향에서도 두 파장의 굴절률 nw와ne 가 다르게 나타난다. 그런데 결정에 있어서 상광선과 이상광선의 속도가 같은 방향, nw와ne 가 같아지는 방향이 1개 또는 2개 존재하는데 이 방향을 광축이라고 하고, 광축이 1개 존재했을 때를 일축성(一軸性, uniaxial) 2개인 것을 이축성(二軸性, biaxial)이라고 한다.

일축성	정방정계, 육방정계 결정
이축성	사방정계, 단사정계, 삼사정계 결정

 

⑤ 직교니콜과 소광

 

-편광현미경에는 편광판이 2개 부착되어 있는데 아래쪽에 있는 것을 폴라라이저(polarizer 또는 lower nicol), 위쪽에 있는 것을 아날라이저(analyzer 또는 upper nicol)라고 한다. 빛이 진동방향이 서로 직각이 되어 통과하지 못하는 현성을 소광(消光, extinction)이라고 하는데, 재물대에 이방성 광물 박편을 올려놓고 재물대를 회전시켜 보면 360°회전하는 동안 4회 소광현상이 일어난다.

광파의 간섭색, 간섭색, 다색성 – 2개 광파의 상호간섭을 간섭(干涉, interference)이라고 한다. 두 광파의 파장이 1/2파장 서로 다를 경우에는 진폭이 동일하다면 서로 간섭에 의하여 소멸된다. 두 광파의 간섭에 의해 나타나는 색이고 광물자체의 색이 아닐 때 간섭색.

개방니콜하에서 재물대를 회전시킬 때 광물의 색이 변하는 현상을 다색성(多色性, pleochroism)이라고 함, 다색성을 잘 보여주는 광물은 흑운모, 전기석 등이 있다.

 

 

5) 광물의 화학적 성질

 

 

① 광물 내의 물 – 광물 안에 들어있는 물은 분석에 있어서 H2O(+)와 H2O(-)의 두 가지로 표시된다. H2O(+)는 105℃이상에서 방출되는 수분이고, H2O(-)는 105℃

 

이하에서 방출되는 수분이다.

㈀ 흡착수 – 광물 내에 존재하는 벽개와 같은 작은 틈에 들어 있는 물을 흡착수(吸 着水, adsorption water)라고 한다. 흡착수는 방출되어도 결정구조에는 아무런 변 화가 일어나지 않는다.

㈁ 구조수 – Mg(OH) 2(수활석)와Ca2 Mg5 Si8 O22(OH) 2(투각섬석)에서와 같이 (OH)(OH)군으로 존재하는 것을 구조수(構造水, strucural water)라고 한다. (OH)군을 가지고 있는 광물들은 대체로 층상구조를 가진다.

 

 

 

 

 

 

㈂ 결정수 – CuSO4․5 H2 O(칼칸다이트)와Na2 CO3․10 H2 O(나트론)에서와 같이 물분자가 구조의 일부가 되어 있는 것을 결정수(結晶水, water of crystallization)라고 한다. 결정수가 방출될 때에는 그 광물의 구조가 파괴된다.

㈃ 불석수 – 불석(zeolite)에서와 같이 광물격자 내의 공간에 들어 있는 물이 불석수(沸石水, zeolite water)인데 물이 방출되어도 격자구도에는 아무런 변화가 일어나지 않는다. 예를 들면, Na2 Al2 Si3 O10는Na2 Al2 Si3 O10․2 H2 O(나트롤라이트)와 구조가 같다.

㈄ 콜로이드수 – 단백석(SiO2․nH2O)에서와 같이 계속해서 물분자를 방출하지만 다시 물을 흡수하지는 못하는 함수겔에 부착되어 있는 물이 콜로이드수(colloidal water)이다.

㈅ 층간수 – 점토광물에서와 같이 격자층 사이에 존재하는 물분자가 층간수(層間水, interlayer water)로서 그 양에 따라 격자간격이 변한다. 예는 몬모릴로라이트.

 

 

② 광물의 조성과 구조

 

㈀ 동형(유질동상) – 서로 비슷한 화학조성을 가지고 있으면서 동시에 동일한 결정구조를 가지고 있을 때 동형(同形)또는 유질동상(類質同像, isomorphism)이라고 한다.

동형의 예) 감람석계열 Mg2 SiO4 – Fe2 SiO4 – Mn2 SiO4

 

☆동구조형 – 동일한 공간군, 동일한 화학식형, 격자크기, 원자들의 배열상태, 형태 및 배위다면체 등에 있어서 유사성을 가진 결정들을 동구조형(同構造型, isotype)이라고 한다.

NaCl, KCl, LiF, LiCl, LiBr….

★등구조형 – 구조형에 있어서 서로 밀접히 연관되어 있는 구조들을 등구조형(等構造型, homotype)이라고 한다. 금강석(C)과 섬아연석(ZnS), 방해석(CaCO3)과 돌로마이트

(CaMg(O3) 2),적철석(Fe2O3)과 티탄철석(FeTiO3)

☆부등구조형 – 결정격자가 서로 같지 않거나 또는 비슷하지도 않은 것을 부등구조형(不等構造型, heterotype)이라고 한다.

 

 

	광물	화학식
방해석 계열 (삼방정계)	방해석	CaCO3
	오타바이트	CdCO3
	능망간석	MnCO3
	능철석	FeCO3
	스미소나이트	ZnCO3
	마그네사이트	MgCO3
아라고나이트계열 (사방정계)	워터라이트	BaCO3
	세루사이트	PbCO3
	스트론치아나이트	SrCO3
	아라고나이트	CaCO3

 

㈁ 고용체 또는 혼정

 

하나의 결정상의 화학조성이 어떤 범위 내에서 연속적인 변화를 보여주는 광물을 고용체(固溶體, solid solution) 또는 혼정(混晶, mixed crystal)이라고 한다.

 

예) 1) 감람석(olivine, (Mg, Fe) 2 SiO4 )

고토감람석(forsterite, Mg2 SiO4 ) —- 철감람석(fayalite, Fe2 SiO4)

 

2) 사장석(plagioclase) → 사장석의 고용체 반드시 숙지할 것(순서)

 

albite Ab100 An0 ～ Ab90 An10

oligoclase Ab90 An10 ～ Ab70 An30

andesine Ab70 An30 ～ Ab50 An50

 

 

labradorite Ab50 An50 ～ Ab30 An70

bytownite Ab30 An70 ～ Ab10 An90

anorthite Ab10 An90 ～ Ab0 An100

 

┏동형고용체 – 동구조형을 갖는 결정 간에 고용체의 형성이 이루어졌을 때

┃등형 고용체등구조형을 갖는 결정 간에 고용체의 형성이 이루어졌을 때

┗부등형 고용체부등구조형 결정 간의 고용체

┏연속고용체 또는 완전고용체 – 두 단종 사이에서 화학조성이 연속적으로 변하는 고용체

┃ 예) 감람석 – 포르스테라이트(Mg2 SiO4)와 페이알라이트(Fe2 SiO4)

┃ 사장석 – 앨바이트(NaAlSi3 O8)(Ab)와 아노르다이트(CaAl2 Si2 O8)(An)

┗부분고용체 – 한정된 범위내서에 고용체를 이룸.

예) ZnS와와 FeS

┏치환고용체 – 양이온이나 음이온이 같은 수의 다른 양이온이나 음이온에 의하여 치환된 형태

┃간극고용체 – 작은 원자나 이온이 결정구조 내의 공간에 들어감으로써 화학조성이 변하는 광물

┗결손고용체 – 원자나 이온들이 있어야 할 위치에 없거나 하여 화학조성이 변하는 광물

 

 

㈂ 다형 또는 동질이상

 

원소나 화합물이 한 가지 이상의 결정구조로 존재할 때 이들 관계를 다형현상(多形現象) 또는 동질이상현상(同質異像現象, polymorphism)이라고 한다.

․ 이상다형 – 2개의 다형으로 산출되는 광물(흑연과 다이아몬드, 황철석과 백철석-FeS2, 섬아연석과 부르자이트-ZnS)

․ 삼상다형 – 규선석(sillimanite), 홍주석(andalusite), 남정석(kyanite) – Al2 SiO5

금홍석(rutile), 브루카이트(brookite),아타타제(anatase) – TiO2

※석영의 다형

보통석영, 고온석영, 트리다이마이트(tridymite), 크리스토바라이트(cristobalite), 스티쇼바이트(stishovite),등