광물의 화학적 성질과 암석

광물의 화학적 성질

 

금강석과 흑연은 모두 탄소로 되어 있으나 외관과 결정형이 전혀 다르다. 이렇게 같은 원소로 되어 있으면서도 결정의 모양이 다른 것을 동질이상(同質異像:polymorphism)이라고 한다. 황철석과 백철석 (양자의 화학식은 모두 FeSz), 방해석과 애러거나이트(aragonite) (양자의 화학식은 모두 CaCO3), 석영과 인석영 (양자의 화학식은 모두 SiO)도 각각 동질이상이다. 화학 성분이 다르나 일부 공통된 성분이 있으면 서로 같은 결정형을 가지는 일이 있다. 이런 현상을 유질동상 (類質同像:isomorphism)이라고 한다. 방해석 (CaCO3)·마그네사이트(MgCO3)ㆍ능철석 (FeCO)은 모두 CO, 근을 공통으로 가지며 육방정계에 속하는 비슷한 결정을 만든다. 또한 고용체의 단성분(端成分)들도 유질동상을 이룬다.

 

 

1. 고용 체(固溶體:solid solution)

두 종류의 물질을 혼합하여 용융시켰다가 이를 냉각시킬 때 한쪽 물질이 다른 물질 중에 용해된 대로 응고하여 각 물질의 성질을 전혀 나타내지 않으면 이를 고용체 (solid soution)라고 한다.

 

광물에는 고용체가 많다. 감람석은 Mg,SiO4 와 FezSiO4 인 감람석의 두 단성분의 고용체로서 Mg 와 Fe의 한쪽이 증가하면 다른 쪽이 감소된다. 이런 고용체를 (Mg, Fe²+)zSiO4 와 같이 표시한다. 대체로 괄호 속에 여러 개의 원소가 들어 있는 화학식이면 이는 고용체이다. 사장석(斜長石:plagioclase)은 조장석 (曺長石:albite, NazO.AlzOg·6SiOz)과 회장석 (灰長石:anorthite, CaO.AlzO·2SiO2)이 서로 임의의 양이 섞여서 만들어지는 고용체이다.

 

 

2. 광물의 형태
(0) 맛 (0)결정에 있어 결정면(F), 능(E) 및 우각(S) 사이에는 다음 식으로 나타낼 수 있는 일정한 관계가 있다.

 

F+S=E+2

 

이 식을 오일러 (Euler)의 방정식이라고 한다. 

 

 

3. 면각 일정의 법칙
인접하는 두 면에 수선을 내렸을 때 그 수선각을 면각(interfacial angle)이라고 하며, 같은 종류의 광물 결정에서는 대응하는 면각은 언제나 같다. 이런 사실을 면각 일정의 법칙이라고 한다. 면각은 축률 계산에 사용되고 결정의 그림을 그리는 데도 사용된다. 큰 결정의 면각측정에는 접촉측각기 (contact goniometer)를, 작은 결정에는 반사측각기(reflection goniometer)를 사용한다.

 

 

4. 결정의 대칭(結晶의 對稱:symmetry)

결정을 한 개의 평면으로 쪼개어 그 좌우가 거울에 비친 것처럼 대응하게 되면 이 면을 대칭면, 결정 속을 통과하는 어떤 축을 생각하고 그 축을 360° 회전시킬 때 처음과 같은 모양이 두 번 이상 반복되면 이를 대칭축,결정의 중심에 한 점을 생각하여 이 점을 통과하는 직선의 양단이 등거리에서 성질이 같은 결정면·능·우각에 각각 접하면 이 점을 대칭심이라고 한다. 대칭면·대칭축·대칭심을 대칭의 요소라고 하며 같은 종류의 광물 결정에서는 대칭의 요소의 종류와 수가 언제나 같다. 모든 결정을 대칭의 요소로 구분하면 모두 32가지가 되며, 이를 32 정족(族)이라고 한다.

 

 

6. 광물의 내부 구조

광물의 내부 구조를 연구하는 데는 파장이 짧은 X광선을 사용한다. 이는 결정을 만드는 원자들이 대단히 좁은 공간격자(空間格子)를 만들기 때문이다. 결정에 X광선을 통과시켜 찍은 사진에는 많은 점이 나타난다. 이를 해석하면 결정의 내부 구조가 해명된다.또한 결정을 분말로 만들어 X광선을 쬐어서도 결정의 내부 구조를 알 수 있다. 광물에 따라 그 내부 구조가 다르므로 X광선으로 광물을 감정할 수 있다.

 

 

7. 광물의 광학성

비결정질과 등축정계에 속하는 광물 속을 통과하는 광선의 속도는 그 진행 방향에 관계 없이 일정하다. 이런 광물을 등방성(等方性:isotropic) 광물이라고 한다. 그러나 등축정계를 제외한 다른 정계에 속하는 결정 (유기질 및 인조 결정도 포함됨)은 통과하는 광선에 복굴절 (double refraction)을 일으키며 파동의 방향이 서로 직교하는 두 종류의 편광(偏光:polarized ray)으로 갈라진다. 이 때에 작게 굴절하는 것을 상광선(常光線:ordinary ray), 크게 굴절하는 것을 이상광선(異常光線:extraordinaryray)이라고 한다. 이와 같은 복굴절을 일으키는 광물을 이방성(異方性:anisotropic) 광물이라고 부른다. 이방성 결정 속을 통과하는 광선은 방향에 따라 그 속도를 달리한다. 광물은 종류에 따라 편광성이 다르므로 광물이나 암석의 편광성을 검사할 수 있는 편광현미경을 사용하면 광물의 감정이 가능하여 암석을 쉽게 연구할 수 있다.

 

 

8. 광 축(光軸:optic axis)

등축정계를 제외한 모든 결정을 여러 방향으로 얇게 절단하여 편광현미경으로 검사하여 보면 모두 복굴절을 일으킴을 알 수 있다. 그러나 특정한 방향에 직각인 결정의 박편은 복굴절을 일으키지 않는다. 육방정계 및 정방정계에 속하는 결정의 c축에 직각인 박편은 복굴절을 일으키지 않는다. 이와 같이 복굴절을 일으키지 않는 방향(육방 및 정방정계에서는 c축)을 광축(光軸)이라고 부른다. 그런데 사방·단사·삼사의 각 정계에 속한 결정에는 복굴절을 일으키지 않는 방향, 즉 광축이 두 개 있다. 광축이 하나인 결정을 일축성 결정(uniaxial crystal), 둘인 것을 이축성 결정(biaxial crystal)이라 한다. 이축성 결정에서 광축 사이의 각도는 광물에 따라 다르다. 

 

 

암석

정 의

1종 또는 그 이상의 광물이나 유기물이 자연의 작용으로 모여서 어떤 덩어리 또는 집합체를 만들면 이를 암석 (岩石:rock)이라고 한다. 덩어리나 집합체는 굳거나 또는 연하거나에 무관하고 또 입자들이 서로 고결되어 있거나 고결되지 않고 엉성하거나 무관하다. 그러므로 지구상에 있는 모든 물질의 집합체 중 인공적이 아닌 것은 모두 암석이라고 생각할 수 있다. 예를 들면 냇가나 강바닥의 사력·토양 · 토탄·석탄· 얼음. 눈도 암석으로 취급될 수 있다.

 

지각을 구성하는 암석은 자갈·모래·진흙·연니(軟泥)같은 굳지않은 지층과 표토(regolith) 및 굳은 암석, 즉 기반암(bed rock)으로 2분할 수 있다. 이는 광의(義)로 암석을 해석한 경우이며 보통 우리가 암석이라고 할 때에는 견고한 돌이나 바위를 의미한다. 이는 곧 협의(俠義)의 암석이다. 이 책에서도 보통 암석이라고 부를 때에는 협의의 암석을 의미하는 것으로 약속해 둔다. 

 

 

암석의 3대분

암석은 그 성인에 따라 3대분할 수 있다. 하나는 용융 상태에 있던 물질이 냉각 고결되어 만들어진 암석으로서 이를 화성암(火成岩:igneous rocks)이라고 부른다. 기존 암석 (표면에 나타나게 된 화성암, 퇴적암 및 변성암)이 풍화작용과 침식작용을 받고 부서지거나 녹아내린 것이 다른 곳으로 운반·퇴적되어 이루어진 암석은 퇴적암(堆積岩:sedimentary rocks)이고, 화성암 또는 퇴적암이 지하에서 열과 압력의 작용을 받아 원래의 성질을 잃어버리고 새로운 성질을 가진 암석으로 변한 것은 변성암(變成岩:metamorphic rocks)이다.

지각은 대부분 이들 3종의 암석으로 구성되어 있다. 이들이 지표에 분포된 면적은 분명히 알려져 있지 않으나 변성암을 변성되기 전의 화성암과 퇴적암으로 환원시켜 계산하면 퇴적암이 75%, 화성암이 25%의 육지면을 덮는 셈이 된다.물론 이는 표토를 제거한 경우이다. 그러나 지하로 향하여 내려감에 따라 퇴적암의 양은 점점 감소된다. 그리고 어떤 깊이에서는 암석의 대부분은 화성암으로 점령된다. 클라크(F.W. Clarke, 1847∼1931)가 지구화학적 방법으로 얻은 결과에 의하면 지하 16 km 까지의 화성암 및 퇴적암의 양적 비(比)는 체적으로 95:5이다. 이런 비는 퇴적암이 지표 부근에만 얇게 덮여 있음을 가리켜 준다.