| 초염기성 암석[1]을 박편으로 관찰한 모습[2] |
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1. 개요
鑛物學 / Mineralogy광물학은 광물에 대한 학문이다. 광물의 성질이나 산출조건, 혹은 광물 내의 성분 변화와 물성 변화를 기반으로 산출환경을 역유추해내기도 한다.
지구 내부에서 고체 물질이 만들어지는 과정은 인간의 관점에서 매우 느리다. 이 말은 고체 물질이 더 안정된 형태인 결정을 이룰 수 있다는 의미이다. 지구 내부의 온도는 더 높기 때문에 결정 구조를 만들어낼 에너지도 충분하게 제공한다. 따라서 지구는 거의 대부분이 광물로 구성되어 있다. 사실 우주에 떠다니는 비교적 온도가 낮은 고체 물질들은 대부분 결정구조를 가지기 때문에 광물로 구성되어 있다고 할 수 있다.
즉 지질학에서 광물은 대부분의 경우 물질의 단위가 된다. 마치 화학에서 단위체가 원자이거나, 생물학에서 세포가 그 단위인 것과 비슷하다. 또한 광물은 그 자체로 생성 환경과 그 조건을 암시하고 내부에 여러 구조를 담아냄으로서 더 많은 정보를 제공한다.[3]
현대광물학은 기초적인 광물정보를 넘어서 지구 중심에 가까운 조건이나 더 극한의 조건을 추적하여 다양한 자연에서 산출할 수 있는 물질들의 성질을 규명하고 그들의 구체적인 성질을 열역학, 양자역학 등의 물리조건을 종합하여 연구한다. 재료공학이나 기타 다양한 물리학 분야와 접목되어 있다.
광물암석학 강의록을 참조하였다. 4년제 대학의 2학년 전공과목으로 개설시 21시간 정도의 분량으로 개설된다.
2. 이론적 기초
광물학을 공부하기 전에는 일반화학을 공부해두어야 할 필요가 있다. 화학 결합, 산화와 환원, 이온화 경향, 원자 모형, 이온화 에너지, 화학식 등에 대해서 알아두어야 한다.2.1. 결정학
crystallography결정학은 광물학에도 나오고 재료공학에서도 중요한 과학 분야이다.
광물의 독특한 외부의 형태를 결정형이라 한다.
석영, 암염 등 대부분의 광물은 원자나 이온의 배열 상태가 규칙적인 '결정질 광물'이다. 일부 불규칙한 '비결정질 광물'이 있다.
광물은 결정면의 배열에 따라 여러 가지 모양으로 나타나는데 이를 결정 형태라고 한다.
- 자형: 고유한 결정면을 가진 형태. 고온에서 정출된다.
- 반자형: 고온에서 먼저 생긴 광물의 부분적인 방해로, 일부만 고유한 결정면을 가진 형태이다.
- 타형: 먼저 생긴 광물의 결정들 사이에서 성장하다 보니 고유한 결정면을 갖추지 못한 형태. 저온에서 정출된다.
3. 광물의 성질
3.1. 광물의 물리적 성질
physical mineralogy물리적 성질에는 색, 조흔색, 굳기, 쪼개짐과 깨짐 등이 있다.
- 색: 광물은 고유의 자색을 띤다. 화학 조성과 결정 구조 등에 의해 결정된다. 그러나 불순물이 섞이면 자색과 다른 타색을 띨 수 있다. 크게 유색 광물과 무색 광물로 나눌 수 있는데, 무색 광물에는 석영, 정장석, 사장석, 백운모 등이 있고, 유색 광물에는 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모 등이 있다.
- 조흔색: 광물 가루의 색을 말한다. 광물의 색과는 다를 수 있다. 광물을 조흔판에 긁어서 광물의 가루를 내면 된다.
- 경도, 굳기 (hardness): 광물의 단단한 정도를 말한다. 절대경도를 측정하는 방법으로 다이아몬드추를 광물 위에 올려서 생기는 파인 자국의 크기로 구별을 한다. 그래서 그 크기와 방향에 따라 경도가 다르게 측정될 수 있다. 특히, 벽개를 가지는 광물의 경우는 벽개면을 따라서는 경도가 약하지만 벽개면이 아닌 경우엔 상대적으로 강한 경도를 가지게 된다. 하지만 절대적 굳기는 알아내기 힘드므로, 모스 굳기계를 이용해 상대적 굳기를 알아낸다.[4] 모스 굳기 7 이상인 경우 보석으로 분류할 수 있다.
- 쪼개짐(cleavage)과 깨짐(parting): 광물에 물리적 충격을 주면 어떤 광물은 일정한 방향으로 쪼개지고, 어떤 광물은 불규칙하게 깨진다. 석영, 감람석은 깨지며, 흑운모는 1방향(탁상)으로 쪼개지고, 휘석, 각섬석은 2방향(주상)으로 쪼개지며, 방해석은 3방향(능면체상)으로 쪼개진다.
3.2. 광물의 화학적 성질
mineral chemistry먼저 상태도에 따라 동질이상/유질동상/고용체로 분리할 수 있다.
- 동질이상: 화학 성분이 같아도 생성 당시의 환경 차이 (온도, 압력)으로 인해 광물의 물리적 성질 (결정 구조, 결정형)이 다른 광물이다. 예를 들어 다이아몬드와 흑연의 차이.[5]
- 유질동상: 화학 성분은 다르지만, 공통적인 화학 성분을 가지고 있어서 서로 같은 결정형을 갖는 광물. 예를 들어 방해석과 마그네사이트의 차이.
- 고용체: 두 가지 이상의 성분이 임의의 비율로 혼합되어 성분비가 어느 범위 내에서 연속적으로 변하지만 결정 구조는 일정한 광물.
그 외에 염산과의 반응성 같은 산-염기도 화학적 성질에 들어간다. 예를 들어 방해석은 탄산염 광물이기 때문에 염산과 반응한다.
3.3. 광물의 광학적 성질
optical mineralogy광학적 성질에 중심을 맞추고 편광현미경 등의 도구를 이용해 광물을 관찰한다. 예를 들어 많은 광물은 광학적으로 비등방성을 가지고 있어서 편광된 빛에 대한 독특한 상호작용을 만들어낸다. 이를 이용한 편광현미경은 지금도 지질학에서 가장 기초적인 도구로 사용된다.
복굴절이란 빛이 광물을 통과할 때 진동 방향이 서로 수직인 두 개의 광선으로 나뉘어 굴절하는 현상이다. 빛이 두 갈래로 갈라져 굴절되기 때문에 광물 아래의 물체가 이중으로 보인다. 광물 내에서 단굴절하는 광물을 광학적 등방체, 복굴절하는 광물을 광학적 이방체라고 한다.
편광 현미경의 구조 중 상부 편광판을 빼고 하부 편광판만 통과시키는 상태를 개방 니콜, 상부 편광판과 하부 편광판을 모두 통과시키는 상태를 직교 니콜이라 한다.
| 광학적 등방체 | 유색의 광학적 이방체 | |
| 개방 니콜 | 관측됨 | 다색성 |
| 직교 니콜 | 빛이 통과하지 않음 | 간섭색, 소광 |
4. 광물의 분류
4.1. 규산염 광물
4.2. 비규산염 광물
- 원소 광물, 산화 광물, 황화 광물, 할로젠 광물, 탄산염 광물, 황산염 광물, 인산염 광물 등이 있다.
5. 결정형
결정형(Crtstal form)이란, 결정의 외형을 이루고 있는 결정면들의 집합체를 말한다. 다면체에 있어서 동일한 종류의 면들의 집합을 하나의 정형이라고 부른다. 결정형의 종류와 명명방법은 등축정계와 비등축정계에 있어서 서로 근본적으로 다르다.
5.1. 비등축정계의 결정형
- 단면형(pedion) 단 1개로만 존재하는 면, 보통 개형을 폐쇄하는데 필요하다. 판상벽개를 생각하면 된다.(예를 들자면 운모)
- 탁(pinacoid) 평평한 2개의 면이 이루는 형태. 보통 1개의 결정축과 교차한다. 탁상벽개를 생각하면 된다.
- 비(dome) 대칭면 양쪽에 존재하면서 서로 평행하지 않은 2개의 면이 이루는 형태. 반으로 접은 종이의 형태를 생각하면 된다.
- 설(sphenoid)과 양설(disphenoid)
- 주(prism)와 복주(diprism) 기둥모양의 결정형, 삼각주와 육방주, 정방주 등이 이에 속한다. 하나의 축에 평행한 면들이 있는 것이 가장 큰 특징이다. 복주는 각 면이 다시 2개의 면으로 분화하여 면을 가지는 형태이다.
- 추(pyramid)와 양추(bipyramid) 밑면이 다각형이고 옆면은 모두 삼각형인 '뿔'을 생각하면 된다.(예를 들자면 삼각뿔과 육각뿔) 밑면인 다각형의 중심을 가로지르는 축을 기준으로 우각이 존재한다.
- 편각삼면체(scalenohedron)
- 편방체(trapezohedron)
- 능면체(rhomobohedron) 사잇각이 60 또는 90가 아닌 각도를 가진 평행사변형의 결정면이 육면체를 이루고 있으며 상부의 3면과 하부의 3면이 서로 어긋나는 위치에 존재하는 폐형이다.
5.2. 등축정계의 결정형
등축정계의 결정형은 비등축정계의 경우와 다르게 모두 폐형으로 입체상(3차원공간)의 면들의 배열에 빈 공간, 즉 면이 없는 공간이 존재하지 않는다.
5.3. 단형과 취형
- 단형(simple form) 결정이 한 가지 종류의 결정형으로만 구성되어 있을 경우.(예를 들자면 정육면체인 사장석)
- 취형(combination) 두 가지 또는 그 이상의 종류의 결정형으로 구성되어 있을 경우. 같은 결정임에도 어떤 것은 육면체로 다른 것은 사면체의 취형을 보여준다.
5.4. 주와 추의 종류
5.5. 완면상과 결면상
- 완면상(holohedry) 결정형에 있어서모든 면을 완전히 갖추고 있을 경우가 대부분이다. 이를 완면상이라 한다.
- 반면상(hemihedry) 면의 수가 반으로 줄어들었을 경우
- 결면상(merohedry) 반면상, 사반면상(tetartohedry)을 포함하는 용어. 완면상에서 면이 줄어들어서 결손된 면이 있다는 의미.
tip! 정삼각형으로 이루어진 정팔면체에 있어서 그의 반면상은 정사면체이다. 이런식으로 확대시켜 상상한다면, 완면상의 반면상의 반면상은 사반면상이 된다.
참고도서
『광물과학』(김수진,우성출판사,1996)
6. 관련 항목
[1] 사진의 암석은 사실 초염기성 성분을 가진 운석.[2] 박편(thinsection)은 0.03mm 두께로 연마한 암석을 슬라이드글라스에 붙여서 고정해놓은 것. 이렇게 얇게 연마하면 많은 광물은 사진처럼 화려한 모양새를 갖는다. 광물의 비등방성에 의해 굴절각이 2개가 만들어지기 때문이다. 난반사를 줄이고 표면이 매끄러워야하므로, 박편의 연마는 1um 혹은 그보다 섬세한 연마재까지 사용된다. 광물의 일종인 사방휘석(opx)과 감람석(ol)이 화려한 간섭색을 만들어내고 있다. 박편을 통한 암석 관찰은 지질학자가 갖추어야할 기초 소양 중 하나라 할 수 있다.[3] 예컨대 포유물이나 결정구조의 흠(dislocation), 누대구조(zoning), 쌍정(twinning), 광물 내 조직(texture), 모양 등 다양한 정보가 숨어 있다.[4] 모스 굳기계에 대해서는 해당 항목 참조[5] 이를 이용해 흑연을 다이아몬드로 만들 수 있지만, 비용이 많이 든다.