광물은 어떻게 생성되는가?

지구 내부 구조의 이해

광물의 생성 조건을 이해하기 위해선 우리가 살고 있는 지구의 내부 구조를 이해하는 것이 필수적이다.

지구의 껍질인 지표와 지각(~150Km), 맨틀, 액체상인 내핵, 고체상태의 내핵으로 구성되어 있다. 지표(crust)는 대략 35km 전후이고 그 밑에 암석으로 이루어진 지각 까지는 대략 150km 전후이다.

그 밑에 반 액체상인 연약권,맨틀,액체상인 외핵,철과 닉켈로 이루어진 고체상의 내핵으로 구성되고 있을 것으로 알려져 있다.

우리가 살고 있는 지각은 10여개의 판으로 이루어져 있고 유라시아판, 인도판, 태평양판 등으로 맨틀 위에서 수평적으로 움직여 판끼리 부딪히거나 상대 판 밑으로 파고 드는 과정(섭입)에서 지진이 발생하고 열이 발생하여 암석이 녹고 축적된 스트레스가 지표의 취약부로 터져 나오는 것이 지진이나 화산 활동이다. 지금도 히말라야 는 아직도 융기중이고 환태평양대에는 많은 화산 활동이 있고 지진이 잦게 일어나는 이유다.

마그마가 광물 생성의 원천

마그마(Magma)는 희랍어의 Mixture에서 유래된 것으로 용융 또는 반용융의 혼합물로 거의 모든 원소를 포함하고 있는 섭씨 800~1,200의 지하 수km 고온 저압 환경하에 존재하는 액상의 물질이다.

위의 지각판 즉 밀도가 상대적으로 높은 해양판이 밀도가 낮은 대륙판 밑을 파고드는 과정에서 암석들이 녹아 마그마가 생기고 심층부에서 압력에 의해 압력과 온도가 낮은 지표쪽으로 이동하게 되는 데 이때, 마그마(가스와 액체가 혼재 상태)가 심층부(pluton)지각의 균열부를 따라 관입되는 과정 또는 압력이 가중되어 지각의 취약 부위로 화산이 폭발 되면서 지상으로 용암(volcanoc lava)이 되어 흘러 내리는 과정에서 많은 광물이 생성 되어진다.

광물(mineral)은 그 이름에서 유래되듯이 주로 지하 심성암 환경의 페그마타이트 광상이나 지 표면의 현무암 광상에서 많이 발견된다. 철이나 구리등 필요 금속을 얻기 위해 제철소나, 제련소에 용광로가 필수 프로세스 이듯이 역으로 마그마는 자연의 용광로이기 때문에 광물 생성의 원천이 된다.

마그마의 온도가 식어가는 과정에서 원소끼리 화학 반응을 통해 분화,정출 과정을 통해 생성되고 높은 온도 대역에서는 주로 무거운 광물이 자리 잡고 유동성과 휘발성이 높은 광물질은 낮은 온도 대역에서 지각의 틈새 부위에 생성되게 된다.

정리하면 1) 마그마로부터, 2) 심층 열수 용액으로부터, 3) 지표면 용해수로부터 광물이 생성되어진다.

이들 마그마 또는 용해수로부터 광물 결정이 성장하기 위해서는 용해수에 용해되어 있는 물질의 화학조성, 농도, 포화되어 결정이 시작되는 온도와 결정이 성장할 때의 용해수의 균질도, 그 냉각 속도, 공간적인 제약에 따라 결정의 크기와 형태가 결정된다.

대 부분의 광물 결정은 깨끗하게 독립적으로 존재하기 보다는 다른 암석에 갇힌 상태로 성장한 것이 많고, 완벽한 결정 형태로 성장한 것은 비교적 드물다.

완벽한 결정형을 갖추기 위해서는 소위'pocket'이라는 공간이 필요한 데 이것은 암석내에 존재하는 틈새나 마그마내에 혼재된 버블(bubble)이 만들어 내는 정동(geode)이 있다.

또한, 결정이 성장하기 위해서는 물질의 공급량과 냉각 속도가 영향을 주는데 냉각 속도가 느리면 결정이 크게 성장하고 냉각 속도가 빠르면 결정이 성장하기가 어렵다. 온도 변화가 낮은 지하 심층부에는 거대 결정이 존재할 것으로 본다.

위와 같이 마그마에 직접 성인한 화성암(Igneous rock) 태생과 용암이나 지질 활동에 의해 지표에 노출된 광물질이 풍화작용에 의해 분해된 것이 퇴적(sedimentary rock)되는 과정에서 지표 가까이의 낮은 온도와 압력 조건에서 지표수에 재용해되고 재정출 과정을 받아 태어나거나, 퇴적층이 쌓여 압력이 증가하거나 상승되는 마그마와 접촉되는 과정에서 변성(metamorphic rock)과정을 거쳐 태어나는 것도 있다.
이 처럼 광물 생성은 화성,퇴적,변성의 순환  과정을 거친다.

결정은 어떻게 성장하는지에 대한 예로서 염전에서 천일염이 만들어지는 과정을 보자.

바닷물에는 불과 몇 %미만의 소금(NaCl)이 용해되어 있지만, 일조량과 통풍이 잘되는 염전에서 수분이 계속 증발하게 됨에 따라  임계 포화점에 이르면 소금 결정이 성장하게 된다.

천일염은 인위적으로 제조 되었기 때문에 광물이라 하지 않지만, 자연 상태에서 생성된 암염(Halite)의 경우 톤 단위가 넘는 거대 결정이 종종 나타나기도 한다. 색상 역시 핑크색 또는 보라빛깔의 아름다운 결정도 있다.

지각 변동에 따라 바다가 융기되고 갇힌 바닷물이 분지를 이루거나 돔형태의 지각내 존재할 경우 환경 조건에 따라 거대 결정으로 성장할 수 있게 되었기 때문이다.

왜 다이아몬드나 보석은 희귀할까?

다이아몬드의 경우 섭씨 3,500도가 넘는 고온 고압 환경 조건하에서만  생성될 수 있기 때문에 최소 지각 130Km 이하의 최 심층부에서 만 만들어 질 수 있다.

마그마층에서 지표까지 파이프 처럼 뻗어있는 킴버라이트라는 광상에서 드문드문 숨겨진 다이아몬드를 채굴해 내거나 대략 3톤정도에 1캐럿 0.2g 풍화로 들어나 강이나 냇가의 자갈 등지에서 채로 걸러 찾아낼 수 밖에 없어 지표상에서는 희귀할 수 밖에 없다.

세계적으로 가장 유명한 킴벌라이트 광상은 남 아프리카의 킴벌리가 유명하지만, 러시아, 콩고 등 세계 각처에서 발견되고 있다.

그러나 다이아몬드 유통 시장을 장악한 남아프리카의 De Beer사의 인위적수급 조절로 가격이 어느 정도 통제되고 있기 때문에 그 희소가치가 유지되고 있다.

이 처럼 희귀하고 값비싼 보석의 대명사이기 때문에 항상 우리에게 관심의 대상이기 때문에 흥미로운 이야기의 주인공이 되기도 한다.

영화 <잃어버린 세계를 찾아서> 등 지저 탐험을 주제로 한 공상 과학 영화에서 지하 깊숙한 곳에서 엄청나게 많은 다이아몬드가 발견되는 데 이는 단순한 공상이 아니라 실제 그 가능성이 높은 것이다.

gypsum giant crystal,Naica Mexico.

반면 석고 의 경우 낮은 용융점이라 지표 가까운 곳에서 생성 될 수 있는데, 얼마전 내셔날지오그래픽에서 소개된 멕시코의 Naica 광산의 경우 지표면 가까운 공간에 길이가 수십 미터에 달하는 거대 결정들이 군집하여 등산장비와 방열복을 입은 탐사가들이 그 결정 기둥위를 걸어가는 모습이 기이하고 신비롭게 보였다.
(National Geographic 2008.11 참조)

우리들이 귀하게 여기는 다이아몬드, 루비, 사파이어 등 보석 광물의 경우 대개가 융점이 높아 지하 심층부에서 생성될 수 있기  때문에 귀할 수 밖에 없고 결정의 크기도 타 광물에 비해 작을 수 밖에 없다.

반면에 방해석이나 석고의 경우 상대적 용융점도 낮고 물질 역시 풍부하기 때문에  우리 주변에서 흔히 볼 수가 있는 것이다. 이런 것 역시 자연의 잘 조화된 균형의 법칙이 아닌가 한다.