광물의 이해와 다양성

광물의 이해

지구과학 연구 방법은 매우 광범위하지만 기본적으로 지구 또는 행성 물질에 대한 관찰을 통해 이루어지는데 광물은 지구과학에서 관찰되는 물질 가운데 가장 작고 근원이 되는 물질입니다.

의약품, 보석, 화장품, 반도체, 건설 재료 등 다양한 응용분야에서도 핵심 원료나 재료로 광물이 사용되고 있기 때문에 광물에 대한 이해는 첨단 소재 개발에 매우 중요합니다.

 

광물은 지질학적 과정으로 생성된 일정한 화학 조성과 규칙적인 원자 배열을 가지는 고체로 정의할 수 있습니다. 과거에는 무기적인 지질학적 과정으로 생성되어야 한다는 제한적 개념이 있었지만, 최근 미생물에 의해 생성된 광물 연구가 활발해지면서 지질학적 과정이 반드시 무기적 과정만을 의미하지 않습니다.

광물이 생성되는 지질학적 과정은 크게 마그마에서 정출 되는 화성 작용, 수용액에서 침전, 변성과 암석화 작용으로 분류할 수 있습니다.

마그마에서 정출된 광물로는 흔히 보웬반응 계열에서 언급하는 감람석, 장석, 휘석, 운모, 석영 등이 주요 화성 광물입니다. 지표 환경이나 지하수 환경에 해당하는 수용액에서 침전 생성되는 광물에는 방해석, 암염, 석고 등이 있으며, 열수에 의해 암석의 단열에서 침전되는 광물은 주로 황철석, 황동 철석, 섬아연석 등 황하 광물과 텅스텐 광물이 있습니다.

변성 작용으로 생성된 대표적인 광물로는 십자석, 남정석, 석류석, 홍주석 등이 있으며 심해저 퇴적물에서 흔히 관찰되는 토도로카이트와 같은 광물은 속성 작용으로 생성됩니다.

 

광물은 자연적 과정으로 생성된 물질이기 때문에 흔히 사용되는 ‘합성광물’이나 ‘자연광물’이라는 용어는 정확한 표현이라고 할 수 없습니다.

고용체의 경우 특정 양이온의 화학 조성은 변할 수 있지만 양이온 자리의 전체 비율은 일정합니다. 광물을 구성하고 있는 원자들은 3차원의 규칙적인 반복 패턴으로 배열되어 있어 유리와 같이 비정질 물질과 대비됩니다.

수증기와 물은 기체와 액체로 광물은 아니지만 고체인 얼음은 광물에 해당하며 상온에서 액체상을 갖는 수은(Hg)은 예외적으로 금과 은처럼 원소 광물에 해당합니다.

 

광물의 다양성

국제광물학회연합에 등록된 광물의 수는 2000년 초반 약 4,000개에서 현재는 5,700여 개에 이르는데 이처럼 광물이 다양해진 이유는 과거에 감정할 수 없던 광물을 분석 기술의 발전으로 새롭게 감정할 수 있게 되었기 때문입니다.

그러나 광물이 어느 한 시점에 한꺼번에 모두 생성되었다고 보기는 힘듭니다. 지질시대 동안 동적인 지구의 지질학적 이벤트에 따라 광물이 다양화된 것으로 바라보는 학설이 현재 널리 받아들여지고 있는데 이 학설에 의하면, 미행성들이 충돌하여 지구가 생성된 약 45.5억 년 전에는 현무암질 마그마의 주 구성 광물인 감람석, 저어콘, 휘석, 사정석 등 약 250개의 광물만이 존재하는 것으로 추정되었습니다.

지각과 맨틀 운동이 활발하던 45.5~25억 년 사이에는 약 1,500여 개의 광물이 새롭게 생성되었고 25억 년부터는 대기의 변화로 다양한 산화 광물과 수산화 광물이 생성되고 생물권과의 상호작용으로 탄산염 광물이 침전되는 등 총 광물 개수가 약 4,000개 이상으로 급격하게 증가한 것으로 보고 있습니다.

진화의 관점에서 광물의 다양성을 바라보는 연구는 태양계 행성의 생성과 생명의 기원을 이해하는 연구에 크게 기여하고 있습니다.

 

광물의 분류

광물은 수많은 원자나 이온들로 구성되어 있으며, 구성 원자와 이온은 서로 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 또는 반데르발스 결합과 같은 화학 결합을 하고 있습니다.

광물의 물성, 구조, 대칭은 원자와 이온의 화학 결합 종류에 따라 결정됩니다. 원자끼리 서로 전자를 공유하는 공유 결합은 광물을 구성하는 화학 결합 중에서도 가장 강한 화학 결합으로 공유 결합으로 이루어진 광물은 대체로 높은 경도, 낮은 용해도, 높은 용융점과 같이 성질을 가집니다.

원자들 사이에서 원자가전자의 교환으로 인한 이온 간의 정전기적 상호작용으로 이루어진 이온 결합은 공유 결합보다 상대적으로 결합이 약해서, 이온 결합으로 구성된 물질은 경도나 용융점 같은 성질이 공유 결합으로 이루어진 물질보다 낮은 값을 보입니다.

금속 결합을 가지는 대표적인 예로는 금·은·동이 있으며 이들을 구성하는 원자들은 대체로 원자 반경이 큽니다. 금속 결합을 구성하는 원소의 원자가전자는 원자핵과 상대적으로 멀리 떨어져 있어 원자핵과의 인력이 거의 작용하지 않아 물질 내에서 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 금속 결합 물질은 전기전도도가 높습니다.

반데르발스 결합은 전하를 띠지 않는 원자들 사이에서 발생하는 순간적인 분극 사이의 약한 인력으로 화학 결합 가운데 가장 약한 결합력을 보입니다.

흑연과 점토 광물은 판상의 형태로 쪼개지는 벽개가 잘 발달되어 있는데 이는 반데르발스 결합의 방향과 일치합니다. 다이아몬드는 100% 공유 결합, 암연은 100% 이온 결합으로 이루어져 있지만, 많은 광물은 한 종류의 결합보다는 혼합된 화학 결합의 성질은 갖는다.

예를 들면, 산화 광물과 규산염 광물은 이온 결합과 공유 결합 성질이 혼합되어 있으며, 황화 광물은 금속 결합과 공유 결합의 성질이 혼합되어 있습니다.