10강. 광물학
추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차
1. 정의 [본문]
2. 구조 [본문]
3. 분류 [본문]
4. 성질 [본문]
5. 생성 [본문]
1. 정의 [목차]
⑴ 지각을 구성하는 물질의 기본 단위
⑵ 정의 1. 자연적·천연적으로 만들어진 무기화합물 또는 단체
① 예외 : 석탄
② 인조 다이아몬드는 광물이 아님
⑶ 정의 2. 상온에서 고체
① 예외 : 수은
⑷ 정의 3. 화학성분이 일정하거나 한정된 범위 안에서 변함
① 고용체는 한정된 범위에서 변함
⑸ 정의 4. 일정한 결정구조를 가짐
① 같은 종류의 광물은 내부 원자나 이온 배열이 같음
② 예외 : opal 단백석은 물을 함유하는 석영으로 물 함유량에 따라 결정구조가 약간 달라짐
⑹ 정의 5. 무기물
① 예외 : 석유, 산호초
⑺ 정의 6. 각각의 예외는 준광물로서 넓은 의미의 광물로 간주
① 흑요석, 부석도 넓은 의미의 광물임
2. 구조 [목차]
⑴ 결정질과 비결정질
① 라우에 반점 : 광물의 내부 구조를 알아내는 X선 회절분석법
② 결정 : 분자가 규칙있게 배열되어 규칙적인 외형을 이루는 것
③ 결정질 광물 : 광물을 이루는 원자와 이온의 배열이 규칙적인 것
○ 라우에 반점 결과 반점이 규칙적
④ 비결정질 광물 : 광물을 이루는 원자와 이온의 배열이 불규칙적인 것
○ 라우에 반점 결과 반점이 불규칙적
⑵ 결정의 규칙성
① 결정의 3요소 : 결정면(F), 능(E), 우각(S)
② 법칙 1. 오일러의 법칙 : F + S = E + 2
③ 법칙 2. 면각 일정의 법칙
○ 면각 : 입접하는 두 결정면에 내린 수선 사이의 각
○ 같은 종류의 광물에서 대응하는 면각은 항상 같음
○ 도구 : 접촉 측각기, 반사 측각기
④ 6정계 : 결정축의 길이(축률)와 축과 축의 각(축각)에 따라 분류
○ 등축정계(입방체) : 정육면체
○ 예 : 금강석, 암염, 형석, 황철석, 석류석(운모편암), 방연석 등
○ 정방정계 : 정사각형을 밑면으로 하는 기둥
○ 예 : 저콘, 황동석 등
○ 육방정계
○ 예 : 방해석, 석영, 흑연 등
○ 사방정계 : 일반적인 직육면체
○ 예 : 감람석, 유황, 홍주석 등
○ 단사정계 : 자연상에서 가장 풍부
○ 예 : 정장석, 운모, 각섬석, 활석 등
○ 삼사정계
○ 예 : 사장석, 남정석 등
⑶ 결정의 성장
① 결정의 성장은 성장 환경, 결정 방향성 등에 영향을 받음
② 결정의 성숙도에 따라 자형, 반자형, 타형으로 나뉨
○ 모든 광물은 결정형을 가지고 있음
○ 자형 → 반자형 → 타형 순으로 결정이 형성되며 타형은 결정을 형성할 공간을 잃어 고유의 구조가 가려짐
③ 결정의 대칭 : 그 결정을 돌렸을 때 원래 모양이 몇 번 겹치느냐
⑷ 조암광물
① 실제로 암석을 이루는 30여 종에 남짓한 광물
② 7대 규산염 광물 : 사장석 > 석영 > 휘석 > 각섬석 > 운모 > 감람석 > 정장석 (12%)
③ 규산염 광물의 기본구조는 SiO44- 사면체에 (+) 이온이 결합한 구조
④ 규산염 광물의 결정구조
○ 단독형 (예 : 감람석 등)
○ 쪼개짐, 풍화 小
○ 공유산소 없음
○ Si : O = 1 : 4
○ 사슬형 1. 휘석
○ 쪼개짐, 풍화 中
○ 공유산소 2개
○ Si : O = 1 : 3
○ 사슬형 2. 각섬석
○ 쪼개짐, 풍화 中
○ 공유산소 2 ~ 3개
○ Si : O = 4 : 11
○ 판상형 (예 : 흑운모)
○ 쪼개짐, 풍화 大
○ 공유산소 3개
○ Si : O = 2 : 5
○ 입체형 (예 : 석영, 장석)
○ 공유산소 4개
○ Si : O = 1 : 2
3. 분류 [목차]
⑴ 규산염 광물
① 지각에 존재하는 대부분의 광물은 규산염 광물 : 전체 광물의 92%
② 원인 : 지구의 기원이 그런 방식이었음
○ 1st. 초기 태양계에 미행성체가 있었음
○ 2nd. 이들이 모이고 모여 원시 지구를 형성
○ 3rd. 원시 지구를 형성하면서 열 에너지가 발생
○ 4th. 액체상태였던 원시 지구에서 무거원 원소(예 : Fe, Ni)는 지구 중심으로 모임
○ 5th. 지구 전체적으로 풍부한 원소는 Fe이나 지각에서 풍부한 광물은 저밀도 산화 화학종, 즉 규산염 광물임
③ 보충 : 현재 지각 상황
○ 지각의 8대 원소 : 지각은 8개의 원소가 99 % 이상을 차지
O ＞ Si ＞ Al ＞ Fe ＞ Ca ＞ Na ＞ K ＞ Mg
○ 산소가 월등히 많음 (질량비 : 45.2 wt%, 원자비율 : 92 vol%)
○ 어떤 화학종은 분산돼 있고(예 : Rb), 어떤 화학종은 농집돼 있음(예 : Zr(저어콘), Ti(금홍석, 티탄철석))
○ 양이 적은 원소는 농집된 곳에서 채광함
○ 상대적으로 많은 원소인 산소와 규소가 대부분의 광물을 형성 → 규산염 광물이 대부분인 이유
④ 4개의 산소원자가 규소원자를 둘러싸는 구조 (단, 이때는 분자의 이온이 -4로 상당히 불안정함)
○ 규산염 광물은 다른 '양이온'과 결합하여 다양한 형태가 됨
○ '양이온' : 지각의 8대 원소 중 산소, 규소를 제외한 것, 즉 Al, Fe, Ca, Na, K, Mg
⑵ 규산염 광물의 분류
① 분류 기준
○ 기준 1. 규소 원자가 불안정한 -4의 전하를 어떻게 해결하는지 (고온정출, 저온정출과 관련)
○ 기준 2. 암석의 색
○ 기준 3. 연속계열, 불연속계열
○ 연속계열 : 정출 시 양이온의 치환으로만 이루어지는 것
○ 불연속계열 : 정출 시 계속해서 결정 구조가 변하는 것
○ 정출 : 마그마에 의해 광물이 갓 생성되는 것
② 마그마 정출 순서
A : 현무암질 마그마, B : 안산암질 마그마, C : 유문암질 마그마
○ 암기 팁 : 현안유
○ SiO2의 함량이 많을수록 온도가 낮음
○ SiO2의 함량이 많을수록 점성이 높음
○ (주석) SiO2는 유리의 주성분이므로 끈적끈적한 느낌을 상기하면 됨
② 고온정출광물 : 고온에서 정출되는 광물, 다시 철마그네슘 규산염과 비-철마그네슘 규산염으로 구분됨
③ 철마그네슘 광물(ferromagnesian) : 철, 마그네슘이 -4의 전하를 중화
Figure. 2.의 구조는 겹치게 그려져 있음을 알 수 있음
○ 공통 특징
○ 유색광물 : 철, 마그네슘에 의해 녹색, 검정색, 암회색을 띰
○ 철 때문에 밀도가 큼
○ 종류 1에서 종류 4로 갈수록 인접하는 사면체 간에 공유하는 산소의 수가 많아짐
○ 종류 1에서 종류 4로 갈수록 광물의 용융점이 낮아짐
○ 종류 1. 감람석군(olivine group)
○ 화학식 : (Mg, Fe)2SiO4
○ Mg2+과 Fe2+은 이온 반지름이 비슷해 서로 치환됨
○ 구조 : 독립사면체 구조. 독립형 구조
○ 각각의 규산염이 정사면체의 형태로 독립적으로 존재
○ 중간중간 들어가는 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 종류 2. 휘석군(pyroxene group)
○ 화학식 : XYSi2O6 또는 (Mg, Fe)SiO3
○ 구조 : 사슬형 구조
○ 단쇄상 또는 단사슬 구조라고도 함
○ 감람석군의 구조에서 한 줄, 한 줄씩 이어진 구조
○ 규산염 사면체가 양쪽의 산소를 공유
○ 각 선형구조 사이에는 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 특징
○ 능선이 90°
○ 기둥 모양의 결정을 이룸
○ 2방향 쪼개짐이 발달 : 사슬형 구조에서 기인
○ 종류 3. 각섬석군(amphibole group)
○ 화학식 : Ca2Na(Mg, Fe)4(Al, Fe, Ti)3Si6O22(OH, F)2 또는 Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2
○ 구조 : 이중사슬
○ 복쇄상 또는 복사슬이라고도 함
○ 휘석의 구조에서 한 줄이 아니라 두 줄씩 이어진 구조
○ 규산염 사면체가 2개의 산소를 공유
○ 서로 반대 방향을 바라보는 두 사슬이 산소를 공유하는 구조
○ 각 복쇄들 사이에는 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 특징
○ 능선이 120°
○ 기둥 모양의 결정을 이룸
○ 2방향 쪼개짐이 발달 : 이중사슬 구조에서 기인
○ 종류 4. 운모군(흑운모)(mica group)
○ 화학식 : K(Mg, Fe)3(OH)2AlSi3O12 또는 Al2Si2O3(OH)4
○ 구조 : 판상구조
○ 모든 사실이 이어져 하나의 평면을 구성하는 구조
○ 규산염 사면체가 산소 3개를 공유
○ 판과 판 사이에 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 즉, 산소-양이온-산소로 연결된 이온결합으로 반데르발스 힘보다는 크나 힘이 약한 편
○ 약간의 힘을 받아도 얇게 쪼개지는 경향이 존재 : 반데르발스 힘이 적용되는 것에는 흑연이 있음
○ 흑운모는 철마그네슘 광물이지만 백운모는 비-철마그네슘 광물에 속함
○ 흑훈모는 현무암보다 화강암에 많이 들어 있음
○ 1방향 쪼개짐이 발달
④ 비-철마그네슘 광물(non-ferromagnesian) : 알루미늄이 -4의 전하를 중화, 주로 밝은색
○ 망상구조 : 규산염 사면체가 산소 4개를 모두 공유하여 3차원으로 결합
○ 일반적으로 규산염 사면체의 결합이 복잡할수록 안정하여 망상구조는 풍화에 강함
○ 종류 1. 석영
○ 규산염 사면체 사이의 모든 산소를 공유하여 규소와 산소만으로 구성
○ 망상구조
○ 종류 2. 장석군(feldspar group) 중 사장석
○ Ca 장석과 Na 장석의 결정형이 같음 : 규산염 사면체의 규소 일부를 대신하여 양이온이 결합하여 구성
○ 사장석은 2 방향으로 쪼개짐이 일어남
○ Ca 장석과 Na 장석으로 구분 (고용체 관계)
○ 고용체 : 고체가 용액처럼 존재하게 될 때 다른 이온이 기존의 결정구조에 침투하는 것
○ Na+와 Ca2+가 서로 치환이 가능하므로
○ 온도에 따른 Ca 장석과 Na 장석의 함량 : 초기 고온 상태에서 Ca 장석이 먼저 석출됨
Figure. 4. 온도에 따른 Ca 장석과 Na 장석의 함량
○ 감람석도 고용체 광물임
⑤ 저온정출광물
○ 원리
○ 고온정출 광물이 저온정출 광물보다 빨리 만들어짐
○ 고온정출 시 많은 양의 산소와 반응을 함
○ 저온정출 광물이 형성될 때는 산소를 아껴쓰려 하기 때문에 산소를 최대한 공유하려고 함
○ 각 결정 구조가 산소를 최대한 공유하는 구조가 됨 → 망상구조화
○ 종류 1. 정장석(orthoclase) : K2O·Al2O3·6SiO2
○ K 장석이라고도 불림
○ 양이온 함량이 낮은 저온정출 광물
○ 사장석과 달리 저온정출되어 달리 치환될 금속 양이온이 없기 때문에 고용체가 존재하지 않음
○ 조암광물의 약 12%를 차지함
○ 화학적 풍화 작용을 받으면 고령토가 됨
○ 종류 2. 운모군(백운모)(mica group) (위 참고)
○ 종류 3. 석영(quartz) : SiO2, 입체구조(망상구조)
○ 석영은 양이온의 함량이 거의 없음
○ 석영은 다른 광물보다도 공유결합이 이온결합보다 훨씬 많음
○ 풍화에 대한 저항성↑
○ 모스경도↑ : 7
○ 해변의 모래에 석영이 많은 이유도 풍화에 대한 저항성 때문
○ 팁. 후기정출이 될수록 풍화의 저항성이 높아짐
○ 이유 1. 공유결합수가 많아지기 때문
○ 이유 2. 이온성이 낮아지기 때문
⑥ (참고) 점토광물
○ 미립의 층상구조를 가진 규산염 광물
○ 고령토는 점토광물
○ 가소성(plasticity) : 물을 흡수하면 가소성이 있고, 제거하면 단단해짐
⑶ 비규산염 광물
① 지각의 10 %에 해당
② 분류
○ 산화광물(oxides) : 자철석(Fe3O4) 등
○ 황화광물(sulfides)
○ 황산염광물(sulfates)
○ 탄산염광물(carbonates)
○ 원소광물(native elements)
③ 예 : 황철석(FeS), 방연석(PbS), 방해석, 자연동(Cu), 암염(NaCl), 석고 등
○ 방해석 : 탄산염 중 가장 흔함
4. 성질 [목차]
⑴ 물리적 성질
① 조흔색 : 광물을 빻거나 조흔판에 긁었을 때 나오는 색깔
○ # : 표면색 - 조흔색
○ 금 : 황색 - 황색
○ 적철석(Fe2O2) : 흑색 - 적색
○ 황철석(FeS2) : 황색 - 흑색
○ 자철석(Fe3O4) : 흑색 - 흑색
○ 석영 : 무색 - 흰색
○ 황동석(CuFeS2) : 황색 - 녹흑색
○ 갈철석(Fe2O3·nH2O) : 갈흑색 - 황갈색
○ Ca 장석, Na 장석, K 장석 모두 조흔색이 같음
② 굳기·모스경도계가 표준으로 광물의 상대적인 굳기를 나타냄
| 굳기 | 광물 |
| 1 | 활석 |
| 2 | 석고 |
| 3 | 방해석 |
| 4 | 형석 |
| 5 | 인회석 |
| 6 | 정장석 |
| 7 | 석영 |
| 8 | 황옥 |
| 9 | 강옥 |
| 10 | 금강석 |
Table. 1. 굳기·모스경도계
○ 암기 팁. 활이 썩고 방패는 형편없는데 인정없는 석황이 강금했다.
○ 1번. 활석(talc) : 약한 반데르발스 결합 때문에 활석의 굳기가 매우 약함
○ 구조 : 판 내부에서 공유결합 또는 이온결합을 통해 판상으로 연결
○ 세부구조 1. T-layer : Si-O 사면체로 구성된 층, 공유결합
○ 세부구조 2. O-layer : Mg-O(OH) 팔면체로 구성된 층, 이온결합
○ 세부구조 3. T-layer와 O-layer 사이에 Si-O-Mg 결합이 형성됨, 공유결합
○ 세부구조 4. T-O-T layers가 한 단위가 되어 반데르발스 결합으로 연결돼 있음
○ (주석) 미끄러진다는 의미로 활석이라는 이름이 붙음
○ 2번. 석고
○ (주석) 일상생활에서 석고가 굉장히 무르다는 사실을 쉽게 알 수 있음
○ 3번. 방해석(carbonates)
○ 염산과 반응하여 CO2가 방출 : 거품이 생성됨
○ 조개껍데기 등의 구성물질 : 굉장히 무름
○ 복굴절이 나타냄
○ 무색 투명하고 유리 광택이 남
○ 석회암이나 대리암의 주요 구성 성분
○ 7번. 석영(quartz)
○ 모래의 주성분. 저온 정출 광물
○ 규소 원자와 산소 원자가 공유결합으로만 돼 있어 굉장히 단단함
○ 10번. 금강석(다이아몬드, diamond)
○ 탄소로만 구성된 탄소동소체 중 한 종류
○ 완전한 공유결합을 형성하고 있음 : C-C 공유결합이 Si-O 결합보다 훨씬 강함
○ 기타
○ 감람석 : 6.8
③ 쪼개짐 : 광물이 어떤 평면을 따라 갈라지는 성질
○ 종류 : 석고 , 운도 / 휘석, 각섬석 / 암염, 방해석 / 형석, 회중석, 금강석
○ 암기 1. 흑운모는 1방향 쪼개짐. 방해석은 3방향 쪼개짐
○ 암기 2. 휘석, 각섬석, 장석 : 2방향 쪼개짐
○ 흑연
○ 한 평면 내 위와 아래 방향으로 공유결합을 하여 판의 쌓임구조
○ 판과 판 사이의 결합은 반데르발스 결합으로 매우 약한 결함
○ 판과 판이 서로 밀리는 식으로 쪼개짐이 나타남 → 굳기 또한 매우 작음
④ 깨짐 : 광물이 방향성 없이 부서지는 성질
○ 예 : 감람석, 석영, 흑요석
⑤ 비중
⑥ 전자기적 성질
⑵ 화학적 성질
① 염산반응 : -CO3기를 포함하는 암석(예 : 방해석)은 염산과 반응하여 CO2를 방출
⑶ 광학적 성질
① 색
○ 색깔을 띠게 하는 원소 : Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu
○ 자색광물 : 발색소가 광물의 주성분인 경우
○ 타색광물 : 발색소가 광물의 다른 성분인 경우
○ 불순물에 의해 색깔이 독특하게 나타나기도 함
○ 예 : 석영에 불순물이 첨가되면 자수정이 됨
② 조흔색
○ 광물의 가루 구조에서 난반사로 인해 일어남
○ 예 1. 적철석의 조흔색 : 빨강
○ 예 2. 황철석의 조흔색 : 검정
③ 투명도
○ 투명광물 : 광물을 얇게 했을 때 빛이 통과하는 광물
○ 불투명광물 : 광물을 얇게 해도 빛이 통과할 수 없는 광물. 금속광물 등
④ 광택 : 금속광택, 아금속광택, 비금속광택으로 세분화
⑤ 편광 : 광물을 통과한 빛이 독특한 패턴을 보이는 것
○ 편광의 원리
○ 1st. 광물이 이방체인 경우 광물 내부의 응집력이 일정하지 않음
○ 2nd. 광물 내부에서 빛의 속력이 방향에 따라 다름
○ 3rd. 광물을 통과한 빛이 독특한 패턴을 보임
○ 4th. 편광현미경으로 관찰
○ 단굴절 (광학적 등방체)
○ 정의 : 광물 내에서 방향에 관계없이 빛의 통과속도가 일정한 광물
○ 예 : 금강석, 암염, 석류석, 형석
○ 복굴절 (광학적 이방체)
○ 정의 : 광물 내에서 방향에 따라 빛의 통과 속도가 달라지는 광물
○ 예 : 대부분의 광물
○ 편광현미경
○ 상부 편광판은 삽입 가능하고 하부 평관판은 고정돼 있음
○ 상부 편광판과 하부 편광판의 편광 방향이 직교함
○ 개방니콜 : 상부 편광판이 없는 경우. 일반적으로 상이 밝게 보임
○ 다색성 : 개방니콜에서 광학적 이방체 유색광물을 회전시키며 관찰 시 색과 밝기가 변하는 현상
○ 광물이 빛을 복굴절시키면 빛의 진동방향을 90° 바꾸어 직교니콜 하에서 상이 밝게 보일 수 있음
○ 직교니콜 : 상부 편광판이 있는 경우. 일반적으로 상이 어둡게 보임
○ 간섭색 : 직교니콜에서 광학적 이방체 광물을 관찰 시 복굴절 된 두 광선이 형성하는 간섭무늬
○ 소광 : 직교니콜에서 광물이 검게 보이는 현상
○ 완전 소광 : 복굴절인 광물만 직교니콜 하에서 상이 보일 수 있음. 광학적 등방체는 완전 소광
○ 4회 소광 : 직교니콜에서 광물박편을 올려놓은 재물대를 360° 회전시키면 4회의 소광이 관찰됨
○ 이유 : '+'를 90° 회전시키면 또다시 '+'가 되는 것과 관련 있음 (추후 업데이트)
5. 생성 [목차]
⑴ 용융체로부터의 생성
⑵ 용액으로부터의 생성
⑶ 승화로부터의 생성
⑷ 변질작용으로부터의 생성
입력: 2016.6.22 20:54
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