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차례 |
제 1장 |
제 2장 |
제 3장 |
제 4장 |
제 5장 |
제 6장 |
제 7장 | | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 자원과 환경: 지구의 선물, 그 빛과 그림자 - 제 2장 광물과 암석 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2-1. 광물 2-2. 암석 2-3. 광물로 인한 환경 문제 2-4. 광상 2-5. 광해 2-6. 방사능과 환경 2-보충 학습 2-참고문헌 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2-4. 광상 2-4-1. 용어 정의 우리는 특정 광물이 많이 모여 있는 곳에서 그 광물 자원을 채취한다는 점을 이미 언급하였다. 특정 광물이 그렇게 모일 수 있었던 것은 지구 내 물질의 재분배 때문이라는 점도 설명하였다. 지질학자들은 특정 유용 성분이 모여 광물 자원을 채취할 수 있는 지각의 한 부분을 광상(ore deposit)이라고 하고, 이렇게 채취하는 작업장을 광산(mine)이라고 한다. 우리는 오늘 이 광상에 대해 간략하게 배우고, 광산 개발과 관련된 환경 문제를 조금 깊이 있게 다뤄보려고 한다. 그 전에 몇 가지 용어를 설명하도록 하자. 여러분들은 광석(ore)이란 말을 한번쯤은 들어보았을 것이다. 광석이란 정확히 무슨 뜻일까? 광석이란 경제성을 갖고 채취할 대상 광물 또는 그 집합체이다. 이때 경제성을 갖는 다는 말이 중요하다. 광석은 그대로 사용할 수도 있고, 그 안에 광물을 선별하고, 이 광물을 처리하여 특정 성분(원소)를 추출할 수도 있다. 광석을 채취하는 것을 채광(mining)이라 하는데, 채광하여 판매할 때, 인건비, 시설 감가상각비, 처리비, 재료비, 운송비 등을 포함한 총 생산 비용과 판매 가격을 비교하였을 때 충분한 이익이 남아야 경제성을 갖는다고 한다. 광석을 채취하다보면 피치 못하게 채취 대상 광물이외의 다른 광물들도 채취하게 된다. 대상 광물 이외의 광물이 전혀 필요 없는 광물일 수도 있고, 혹은 다른 쓰임새가 있는 광물이 섞여 있을 수도 있다. 소위 이 다른 광물들은 모두 골라내어야 하는데, 이 것이 모두 비용이 든다. 그래서 경제성이란 해당 광물의 함량(품위)와 불순물의 종류에 따라 크게 좌우된다. 이 밖에 광체의 규모, 입지 여건, 에너지 가격, 노동 시장의 상황, 광석의 시세 등 많은 변수에 의해 경제성이 결정된다. 광석에 대비되는 용어로 맥석(gangue)이 있다. 맥석은 광석 주변 또는 광석과 함께 산출되는 상업적으로 쓸모 없는 광물이다. 그림 2-4-1은 석석(cassiterite)과 석영(quartz)의 결정 사진이다. 석석은 매우 중요한 주석의 원료로서 광석 광물이다. 주석을 채취 목적으로 했을 때 함께 있는 석영은 골라내어야 하는 맥석 광물이 된다. 이 시료의 경우 결정들의 크기가 매우 커서 분쇄 후 석석만 따로 골라내고 석영은 폐기하던지 아니면 따로 모아 다른 목적으로 이용하면 될 것이다. 결정의 크기가 매우 작은 경우, 광석 광물과 맥석 광물이 서로 섞여 명확히 분리되지 않을 때도 있다. 이 경우 광석 광물이 많이 모여있는 부분을 광석, 그 반대의 경우를 맥석이라 부르기도 한다. 원하는 성분을 추출하기 위해서는 결국에는 이 둘을 분리하여야만 한다. 이렇게 분리하는 과정을 선광(ore dressing 또는 ore processing)이라 한다.  그림 2-4-1. 석석(cassiterite, SnO2)와 석영(quartz, SiO2). © Ralph Bottrill. http://www.mindat.org/photo-229273.html. 2-4-2. 광상의 종류 앞서 광상은 지구 작용에 의한 물질의 재분배를 통해 만들어진다고 하였다. 이는 지구의 물질이 순환하는 과정 중에 만들어진다는 말과도 상통하는 것이다. 지구 작용 중 어떤 작용에 의해 광상이 형성되었는지에 따라, 즉 성인(genesis)에 따라 마그마(magmatic)광상, 변성(metamorphic)광상, 열수(hydrothermal)광상, 퇴적(sedimentary)광상, 풍화잔류(weathered residual)광상, 사(placer)광상 등으로 구분할 수 있다. 마그마광상은 마그마 내 특정 성분의 분리나 마그마로부터 광물이 만들어짐에 따라(이를 정출이라고 한다), 성분의 분화가 일어나면서 만들어 지는 광상을 말한다. 예를 들면 마그마로부터 황이 분리되면서 이동하여 몇몇 곳에 집중적으로 모이게 되고, 이 황이 금속 성분과 결합하면서 다량의 광석 광물을 만들어 광상을 형성할 수 있다. 마그마로부터 특정 광물이 제한된 온도 및 시기에 많이 정출되면서 특정 원소의 부화가 일어나면서 광상이 형성되는 경우도 있다. 혹은 광물의 정출이 진행될수록 특정 성분이 잔류마그마에 부화됨으로써 경제적으로 가치가 있는 광상이 형성될 수도 있다. 그림 2-4-2는 남아프리카 공화국에 있는 부쉬벨트 화성암 복합체의 한 노두(outcrop)이다. 노두란 지각의 암석이 지표에 노출된 부분을 가리키는 말이다. 이 노두를 살펴보면 층 모양의 검은 띠와 회색 띠가 교호하고 있는데, 검은 부분은 크롬철석, 회색 부분은 사장석이 모여 있어 그렇게 보이는 것dl다. 이렇게 띠 모양을 이루는 건 마그마에서 이들 두 광물이 따로 모여 정출되어 가라 앉았기 때문이다. 크롬철석은 거의 유일한 크롬 광석이다. 이렇게 크롬 철석이 모여 있으면 개발이 가능한 광상이 된다. 마그마 작용으로 이렇게 되었으므로 이 광상은 마그마광상이다.  그림 2-4-2. 남아프리카 부쉬벨트 화성암 복합체의 크롬철석(chromite, (Fe, Mg)Cr2O4)(검은색 부분)과 사장암(anorthosite)(회색 부분)의 층상 구조(layer). © Kevin Walsh. http://www.flickr.com/photos/86624586@N00/85262560/. 변성 광상은 변성 작용에 의한 변성 광물의 탄생과 함께 만들어지는 광상이다. 변성 작용(높은 온도와 압력)을 받으면 기존의 광물이 반응해서 새로운 변성 광물을 만드는데, 이 때 변성 이전에는 별 쓸모 없던 것들이 변성 작용과 함께 재구성되면서 유용한 광물로 바뀌어 광상을 이루는 경우가 있다. 그림 2-4-3은 미국 뉴햄프셔주 cheshire county의 흑연인데, 변성 작용에 의해 만들어지는 대표적인 유용한 광물이다. 흑연 전에는 지층 중에 있는 유기물이었던 것이 변성 작용을 받아 우리가 매우 소중하게 사용하는 흑연 자원이 되었다. 열수 광상은 지각 내에 발달된 깨진 틈이나 빈 공간을 통해 이동하는 열수 속에 들어있던 유용한 원소가 침전되어 생긴 광상이다. 열수는 뜨거운 물이라는 뜻인데, 이렇게 물이뜨거운 이유는 지구 내부가 매우 뜨겁기 때문이다. 그러므로 지표로부터 지하로 깊이 들어갈수록 온도가 상승하는데, 이 때문에 지하에 깊이 있는 물의 온도 또한 높다. 이 온도가 높은 물에는 여러 가지 성분이 녹아 있을 수 있는데, 열수가 움직이면서 다양한 화학 반응을 통해 이런 성분을 침전시켜 광상을 형성하는 것이다. 그림 2-4-4의 왼쪽 사진은 미국 서부 해안에서 좀 떨어진 태평양 후앙 데 푸카 해령의 바다 밑바닥에 있는 열수 분출 모습이다. 열수가 분출되면서 바닷물과 반응하여 황화광물을 침전시키기 때문에 마치 굴뚝에서 시커먼 연기가 솟아오르는 것처럼 보인다. 이런 현상 때문에 이를 “black smoker”라고 부르는데, 해저의 열수 분출 지점에서 흐히 볼 수 있는 광경이다. 이로부터 열수에서 많은 금속 광물들이 침전할 수 있음을 알 수 있다. 그림 2-4-4의 오른쪽 사진은 열수가 규암의 깨진 틈 사이에 석영맥을 만들면서 다량의 황동석을 침전시킨 모습이다. 황동석은 동을 추출하는 주요 광석이다.
퇴적 광상은 퇴적 작용과 연관되어 특정한 광물이 농집되어 형성된 광상이다. 좀 더 무거운 광물들이 특별히 모여 퇴적되거나, 특정 광석이 침전되며 퇴적되거나, 또는 증발하며 만들어진 증발 광물이 집중되어 광상을 만들 수 있다. 그림 2-4-5는 리오 틴토 보락스 광산의 모습이다. 보락스는 붕산나트륨 화합물의 혼합물에 대한 광석 이름이다. 이 보락스는 증발암에서 발견되는데, 우리가 붕소를 얻는 거의 유일한 광석이다. 리오 틴토 보락스 광산은 세계 최대 규모를 자랑한다. 사진에 노천 채굴하는 광산의 모습이 담겨 그 규모를 짐작하게 한다. 노천 채굴이란 광체 위의 것을 걷어내 드러나게 한 뒤 그대로 채굴하는 방식이다. 반대 의미로 지하 채굴 또는 갱도 채굴 등이 있다.  그림 2-4-5. 리오 틴토 보락스(Na2B4O7·10H2O) 광산(Rio Tinto Borax mine, CA). © Marcin Wichary, . https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rio_Tinto_Boron_mine_and_plant.jpg. 풍화잔류광상은 암석이 풍화를 받고 남은 광뭏이 이룬 광상이다. 여기서 풍화란 대개 화학적 풍화를 말하고, 지구상의 화학적 풍화는 거의 대부분 물을 매개로 일어난다. 즉, 암석이나 토양이 빗물 등의 물과 화학 반응을하여 풍화가 일어난다. 이는 마치 암석이나 토양을 계속 물로 씻어 내는 것과 비슷한 효과를 내는데, 오랜 시간 동안 이 과정이 반복되면 물에 잘 녹는(용탈되는) 성분은 씻겨 나가 없어지고, 물에 녹지 않는 부분만 남아, 상대적으로 이 불용성 성분이 부화되어 광상을 이룬다. 그림 2-4-6은 자메이카 중부의 보오크사이트 광산의 모습인데, 포크레인 같은 장비를 동원해서 숲을 걷어내고 흰색을 띠고 있는 보오크사이트를 채취하는 모습을 볼 수 있다. 보오크사이트는 깁사이트라는 광물이 농집되어 있는 광석을 지칭하는 말이다. 깁싸이트의 화학식은 Al(OH)3인데, 장석을 많이 포함한 암석이 많은 강수량에 의해 풍화되면서 생긴다. 이러한 화학적 풍화가 오랜 기간 동안 지속되면 깁싸이트가 풍화 산물로 남아 부화된 광석 보오크싸이트가 만들어진다.  그림 2-4-6. 중앙 자메이카 보크사이트(bauxite) 채광 모습-1984. © Paul Morris. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bauxite_Jamaica_1984.jpg. 사광상은 말 그대로 모래 광상이란 뜻인데, 이는 모래퇴적물들이 모여 이룬 광상이란 뜻이다. 물은 풍화 침식을 통해 퇴적물을 얻고 이를 하천 등을 통해 운반한다. 이때 운반되는 퇴적물의 크기는 퇴적물의 무게(밀도와 크기)에 따라 정해진다. 운반되는 도중 좀 더 무거운 광물들은 특정한 곳에 모여 쌓일 수 있는데, 이렇게 형성된 광상이 사광상이다. 그림 2-4-7은 인도 체나이 지역 해변 모래에서 발견되는 중광물 사광상이다. 검은색으로 보이는 것이 중광물이다. 중광물이란 무거운 광물이란 뜻으로 보통 저어콘, 티탄철석, 금홍석 등의 광물로 이루어져 있다. 이들 중광물은 저코니움, 티타니움, 텅스텐, 희토류원소들의 중요한 원광으로 사용된다. 예전 우리나라 이곳 저곳 하천에서 사금을 채취하는 모습을 볼 수 있었습니다. 이 사금도 사광상의 일부 였다.  그림 2-4-7. 해빈 중광물(검은색) 사광상(Chennai, India). © Mark A. Wilson. https://en.wikipedia.org/wiki/Heavy_mineral_sands_ore_deposits#/media/File:HeavyMineralsBeachSand.jpg. 표 2-4-1은 금속 별로 그 원광이 되는 광석 광물과 그 광물의 화학식 그리고 금속의 사용분야를 간단히 정리한 것이며, 그 아래 그림 2-4-8은 각 금속의 대표적 광석광물의 모습을 보여주는 것이다.
표 2-4-1. 주요 금속원소와 그들의 광석 및 사용분야(문희수와 최선규, 2001)
2-5. 광해에 계속 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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