응용지질기사 요약정리 – 광물, 암석학에 대한 정리 (4) 광물의 분류 및 감정

표: 광물의 분류

 ☆규산염 광물

규산염 음이온 내의 하나의 규소 양이온에는 네 개의 산소 원자가 강하게 결합되어 있다. 이들이 이루는 강한 결합은 대부분 공유결합 때문이다. 규소는 비교적 크기가 작은 양이온이지만 산소는 매우 큰 음이온이다. 규산염 음이온 내에서 산소는 네 개의 구형 태로서 가장 좁은 공간을 차지하도록 배열되어 있다. 네 개의 산소는 사면체의 꼭짓점에 해당하는 위치에 배열되어 있고 비교적 크기가 작은 규소 양이온은 산소가 이루는 사면체의 중앙에 위치함으로써 규산염은 사면체의 형태로 이루어져 있다. 규산염 광물들의 구조와 물리적 특성들은 (SiO₄) 4-규산염 사면체가 결정 내에 어떻게 배열되었는가에 의해 결정된다. 각 규산염 사면체는 -4의 전하를 띠고 있다. 규소는 외각 전자껍질에 4개의4 전자가 위치하고 산소는 6개가 위치한다. 규산염 사면체의 규소 원자는 각 산소들과 하나의 전자를 공유하며 또한 4개의 산소도 규소와 전자 하나씩 공유하고 있다. 결국 규소는 외곽 전자껍질에 8개의 전자를 갖게 되지만 네 개의 산소원자는 안정적인 88 전자가 되기 위해서는 하나의 전자가 더 필요하다.

산소들은 다음 두 가지 방법으로 안정적인 88 전자를 획득하게 된다.

㉠ 산소가 양이온들로부터 전자를 받아들이거나 공유한다. 감람석(MgSiO₄)을 예로 들면 이온결합을 이루는 과정에서 두 개의 Mg원자는 외곽 전자껍질에서 2개의 전자를 산소로 보낸다.

㉡ 산소가 두 개의 규소 원자와 동시에 결합한다. 이 경우 산소는 두 개의 규소와 모두 공유결합을 하게 된다. 결합된 산소는 양쪽의 규소로부터 전자를 받아들이기 때문에 외곽 껍질은 꽉 차게 되며 두 개의 사면체가 결합된 규산염 음이온은 (Si2 O76-) 화학식의 커다란 복합 음이온을 이루게 된다.

커다란 (Si2 O76-) 음이온은 작은 음이온들처럼 전자를 받아들이거나 공유한다. 산소가 두 규산염 사면체를 연결하는 구조로 이루어진 일반 광물로서는 녹염석이 유일한 예이다. 목걸이를 형성하는 것보다 많은 사면체가 연결되는 현상을 폴리머화라 하는데 산소가 규산염 사면체를 연결함으로써 거대한 음이온을 형상할 수 있다. 대부분 일반 규산염 광물들은 폴리머화에 의하여 매우 커다란 음이온을 형성한다. 하나의 사면체가 주변 사면체들과 하나 이상의 산소를 공유함으로써 복합이온은 커다란 환상형, 사슬형, 층상형, 그리고 3차원적인 격자형의 구조를 이룰 수 있다. 폴리머화에 의하여 커다란 음이온을 형성하더라도 안정적인 8개의 외곽 전자를 확보하지 못한 산소는 양이온으로부터 전자를 받아들이거나 공유하는 방식으로 결합을 한다.

㈀ 감람석군–독립된 사면체를 포함하는 중요한 광물군들로서 두 가지를 들 수 있다. 첫번째가 보통 연한 녹색을 띠는 유리질로 보이는 광물인 감람석군이다. 감람석은 지구의 구성광물 중 가장 많은 광물인데 해양지각의 화성암 및 상부 맨틀의 주요 구성광물이기 때문이다. 가끔 감람석은 흠이 없는 아름다운 결정으로 나타나므로 보석으로 사용된다.

㈁ 석류석군–독립 사면체 구조의 두 번째 중요한 광물군이 석류석이다. 감락석처럼 석류석도 이온 치환에 의하여 넓은 범위의 화학성분을 갖게 되는데 석류석에서 그 범위가 더 넓다. 석류석은 A3B2(SiO4)3로 표시되는데 A는 Mg2+ , Fe2+ , Ca2+ , Mn2+ 또는 이들의 혼합을 가리키며 B는 Al3+, Fe3+, Cr3+ 또는 이들의 혼합이 차지한다. 석류석은 대륙지각의 변성암에서 흔히 발견되나 일부 화성암에서 발견되기도 한다. 중요한 특징 중의 하나로서 석류석은 아름다운 결정을 이루는 경향이 있다. 또한 석류석은 경도가 높아서 연마를 하거나 광택을 낼 때 연마제로 사용된다.

㈂ 휘석 군과 각섬석군-기다란. 휘석은 각 사면체가 두 개의 산소를 공유한 사슬 형태로 이루어져 있는데 음이온은 (SiO3 n2-) 화학식을 하고 있다. 각섬석은 휘석의 사슬에 해당하는 두 개의 사슬형태로 이루어져 있는데 절반의 사면체는 2개의2 산소를 공유하고 나머지 절반은 3개의 산소를 공유함으로써 음이온은(Si4 O11) n6-화학식을 이룬다. 휘석과. 각섬석의 사슬들은 모두 Ca2+,Mg2+,Fe2+처럼 전자를 보낼 수 있는 양이온과 결합함으로써 채워지지 않은 전자껍질을 갖는 산소를 가지는 주변의 사슬과 결합한다. 휘석은 해양지각의 화성암과 맨틀에서 가장 많이 산출되지만 또한 대륙지각의 화성암과 변성암에서도 산출된다. 가장 흔히 볼 수 있는 휘석은 흑색의 광택의 띠는 오 자 이 트인데Ca(Mg, Fe)(SiO3) 2[(Al, Fe) 2O3] x이다.

㈃ 점토광물, 녹니석, 운모, 사문석–점토광물, 운모, 녹니석, 사문석은 사면체들이 층상구조를 이룬다는 점에서 서로 관련 있는 광물군들이다. 층을 이루는 판들은 각 사면체들의 3개의 산소가 주위의 사면체들과 공유됨으로써(Si4 O10) n4-의 일반식을 이룬다. 따라서 각 사면체를 이루는 산소의 하나는 전자 한 개가 채워지지 않게 된다. 이 산소는 Al3+Mg2+Fe2+와 결합함으로써 폴리머 화한 층들을 연결하고 있다. 폴리머화된 층의 Si-O결합은 다른 양이온과 산소의 결합보다 강하므로 점토광물, 운모, 녹니석, 등은 층의 방향으로 벽개가 발달한다. 점토광물은 토양에서 가장 흔히 볼 수 있는 광물이다. 운모에서는 Al3+,K+가 산소와 결합된 양이온으로 존재한다. 운모류로서 다음 두 가지를 흔히 볼 수 있다. 백운모는 투명하고 거의 무색에 가깝다. 흑운모는 철 성분 때문에 짙은 갈색을 띤다.. 운모들은 화성암이나 변성암에서 흔히 볼 수 있다. 녹니석군은 녹색을 띠는데 녹색을 의미하는 chloros라는 그리스에서 유래하였다. 녹니석은 흔히 Fe와 Mg을 함유하는 감람석, 흑운모, 각섬석, 휘석 등이 변질을 받아 생성된다. 예를 들어 해양지각의 화성암은 흔히 감람석과 휘석을 포함하고 있다. 이런 광물들이 해수와 접촉하게 되면 녹니석으로 변질된다. 사문석군은 Mg6(Si4 O10) 2(OH) 2의 화학식을 가지는 세 가지 동질이상의 광물인 크리소틸, 앤티고라이트, 리자다이트로 이루어져 있다. 이 세 가지 광물들은 감람석이나 다른 마그네슘 규산염 광물들이 변질받아서 생성된 작은 덩어리로 이루어진 녹색 암체에서 흔히 함께 산출된다. 크리서 탈 석면은 폴리머화된 규산염 층들이 카펫처럼 촘촘하게 감길 때 형성된다.

㈄ 석영–완전히 규소와 산소만으로 구성된 광물이 석영이다. 이 광물은 모든 산소의 전자껍질에 전자가 채워진 예이며 사면체가 3차원적인 격자를 구성한다. 석영은 6개의 결정면들이 특징적으로 나타나는데 다양한 아름다운 색을 띠기도 한다. 석영은 화성암, 변성암, 퇴적암 모두에서 산출되며 보석 또는 장식용으로 가장 널리 사용되는 광물이다. 저온의 용액에서 침전된 석영의 일종은 입자가 매우 작아서 비정질로 보이기 때문에 전자 현미경, X-선 회절기 등 분석기를 사용하여야만 이 광물이 규칙적인 결정구조를 이루고 있음을 밝힐 수 있다. 이러한 미세입자의 석영을 칼세도니라 부른다.

㈅ 장석 군-장석은. 이 광물은 대륙지각을 구성하는 광물의 약 60%를 차지하며 석영과 합하면 부피로 따져서 지각의 약 75%를 차지한다. 장석은 해양지각을 구성하는 암석에도 풍부하다. 장석도 석영과 마찬가지로 사면체의 모든 산소 원자가 주위의 규산염 사면체와 공유하고 있다. 그러나 석영과는 달리 일부 사면체는 Si4+가 Al3+로 치환되어 있으므로 전자를 획득하여 전자의 평형을 이루려면 다른 양이온이 결정구조에 추가되어야 한다.

장석 군에 속하는 광물들도 넓은 범위의 화학조성을 가진다. 장석은 칼리장석과 사장석으로 구분된다. 칼리장석은 몇 가지 동질이상을 보여주는데 이들이 보여주는 결정구조의 차이는 매우 미미하다. 이들은 소량의 Fe3+가 Al3+을 이온치환하기 때문에 분홍색이나 녹색을 띤다.. 장석에 있어서 가장 중요한 치환 현상은 사장석의 Na+를 Ca2+가 치환하는 것이다. 이러한 치환이 일어나는 이유는 k+의 이온반경이 Ca2+와 Na+의 이온반경이 매우 비슷하기 때문이다. 그러나 Ca2+와 Na+가 전하가 다르기 때문에 이들의 치환 시 쌍쌍치환으로 일어난다. 이 치환은 전 범위에 걸쳐 일어남으로 사장석의 화학조성은 앨바이트와 안토르사이트 범위에 걸쳐 존재한다.

☆ 탄산염광물

 탄산염 복합음이온 (CO₃) 2-은 방해석, 아라고나이트, 백운석등 세 가지 중요한 광물을 형성한다. 방해석과 아라고나이트는 모두 CaCO₃를 가지고 있는 동질이상 광물이며 방해석이 아라고나이트보다 흔한 광물이다. 백운석의 화학식은 CaMg(CO)₂이다. 방해석과 백운석은 흔히 볼 수 있는 광물들이며 매우 비슷하게 보인다. 두 광물들은 모두 유리광택과 독특한 벽개를 보여주는데 방해석과 백운석은 각각 퇴적암인 석회석과 백운암을 이루는 주요 광물이다. 이들을 간단히 구분하기 위해서는 묽은 엽산을 이용한다. 방해석은 거품을 일면서 급속히 반응하지만 백운석은 거품이 일지 않고 매우 느린 속도로 반응한다.

인산염광물–인산염 광물 중 인회석이 가장 중요한 광물이다. 이 광물은 복합 음이온 (PO₄) 3-를 함유하고 있다. 인회석은 인간의 치아나 뼈를 형성하는 물질이다. 이 광물은 다양한 화성암과 퇴적암에서 산출되며 인산비료를 제조하는 데 사용되는 인을 추출하는 중요한 자원으로 활용된다.

☆ 광석광물

 유용한 금속광물을 추출하기 위하여 이용하는 광물들을 광석광물이라 부른다. 대부분 원소광물, 황화광물, 산화광물 등이 광석광물에 해당한다.

황화광물–주요 황화 광물들은 금속광택을 띠며 비중이 높은데 가장 흔히 볼 수 있는 황철석과 자류철석은 철을 추출하기 위해서 채굴되는 광물은 아니지만 광석광물이라 일컬어진다 납의 대부분은 방연석으로부터 추출되고 아연은 섬아연석 구리는 황동석으로부터 얻어진다. 황화광석광물로부터 얻어지는 다른 금속으로는 코발트, 수은, 몰리브덴, 은 등이 있다.

☆ 산화광물

 철분은 지각에 가장 풍부한 원소중 하나인데 산화철 광물인 자철석과 적철석 두 가지 광물로 흔히 산출된다. 적철석은 분말을 만들었을 때 적색을 띤다. 자철석과 적철석은 모두 철을 추출하는 광석광물이다. 다른 산화광물로서 티탄의 주된 공급원인 금홍석, 주석의 공급원인 석석, 우라늄의 공급원인 우라니나이트, 등이 있다. 산화광물로부터 추출할 수 있는 다른 원소로서 크롬, 망간, 니오비움, 탄탈륨 등이 있다.

☆ 보석광물

 보석 광물은 보석으로 이용되는 광물을 말하는 것이며, 이러한 광물들이 가공되어 보석이 되면, 대개의 경우 재료와 색의 종류에 따라 독특한 이름을 갖게 된다. 보석의 종류에는 수많은 것이 있으나, 여기서는 우선 유명한 보석부터 소개하기로 한다.

1) 녹주석(beryl, Be3 Al2 Si6 O18) + Cr → emerald(green)

2) 강옥(corundum, Al2O3) + Cr → ruby(red)

                         + Fe, Ti → sapphire(blue)

3) 황옥(topaz, Al2(SiO4)(Fe, OH) 2 )

4) 경옥(jade) : 휘석의 일종(jadeite)

5) 연옥(nephrite) : 각섬석의 일종

광물의 결정화학적 분류(H. Strunz, 1941)

규산염 광물의 비중과 특징

  ● 주요 조암광물의 현미경 하에서의 특징.

★ 중요한 증거

2) 광물의 감정

① 육안적 감정법

② 현미경적 감정법 – 편광현미경, 반사현미경(광석현미경) 사용.

③ 부식시험법 – 광석현미경하에서 연마 편에 적절한 시약을 약간 발랐을 때 시약과 광물과의 반응여하에 따라 광물을 감정하는 방법

④ X선 회절법 – 분말사진법, 분말회전기분석법

⑤ 전자현미경법 – 전자현미경분석기(위부터 전자발생장치–자력수렴렌즈–전자선–시료조명 및 관찰-자력대물렌즈-X선분광계-X선-시료-반사대), 분석전자현미경(分析電子顯微鏡, analytical electron microscope), 투사전자현미경(透射電子顯微鏡, transmission electron microscope, TEM), 주사전자현미경(走査電子顯微鏡, scanning electron microscope, SEM), 분석주사현미경(analytical scanning microscope), 주사투사전자현미경(走査投射電子顯微鏡, scanning transmission electron microscope, STEM)

⑥ 열분석법 – 광물이 열을 받으면, 화학적으로 또는 물리적으로 변화를 하게 되는데 이 변화가 일어날 때에는 흡열반응 또는 발열반응이 일어나며 열을 받으면 광물의 중량이 감소된다. 이러한 원리로 강도를 알아내는 원리를 시차열분석(示差熱分析, differential thermal analysis, DTA) 광물마다 DTA곡선의 특징이 다르기 때문에 광물 감정에 이용된다. 온도상승에 따른 중량의 변화를 알아내는 방법을 열중량분석(熱重量分析, thermogravimertric analysis, TG)이라고 한다.

⑦ 적외선흡수분광분석법 – 보통 IP 분석이라고 부른다. 원래 세립질 물질의 구조연구와 정성적 및 정량적인 광물상 분석에 사용된다. 광물이 적외선을 받게 되면 구조 내에서 원자와 분자들이 진동하게 되는데 이때 자극하는 적외선의 진동수와 진동하는 분자의 진동수가 같을 때는 그 파장은 흡수되어 흡수스펙트럼을 얻게 된다.