광물은 자연에서 무기적으로 산출되는 고체물질로서 특정한 화학식과 결정구조를 가지는 원소 또는 화합물을 말한다. 따라서 인조 다이아몬드와 같은 인공적으로 만든 물질은 광물이라 할 수 없다. 그러면 이러한 광물은 어떻게 만들어 지는 것일까? 광물은 크게 세 가지 지질작용을 통해 생성된다.

① 첫째, 광물은 암석이 녹아서 된 마그마로부터 생성된다. 일반적으로 마그마는 650-1200^oC에 이르는 고온 상태에 있다. 마그마가 이처럼 고온 하에 있을 때는 운동에너지가 높아서 어떠한 고체도 마그마 내에 안정된 상태로 존재할 수 없기 때문에 액체인 상태로 존재하게 된다. 그러나 마그마가 주위에 열을 빼앗겨 온도가 내려가면 원자들의 움직임이 점점 느려지면서 서로 결합하여 결정을 생성하게 된다. 용융상태로 존재하는 마그마 내에서 원자들의 움직임은 고체로 된 물질 내에서의 움직임보다 활발하기 때문에 이들 원자들은 성장하는 결정의 표면으로 비교적 쉽게 이동하여 결정의 성장이 이루어지도록 한다. 결정의 성장이 균일하게 이루어지면 모자이크 모양의 결정으로 된 암석이 형성된다. 이러한 과정을 통해서 생성된 광물을 화성기원의 광물이라 하며, 대표적인 광물들로서 감람석, 휘석, 각섬석류, 운모, 장석류, 석영, 산화광물 등을 들 수 있다.

② 두 번째로 광물은 수용액속에 용존 되어 있는 이온들이 침전됨으로써 생성된다. 용액이 불포화 상태에 있을 경우에는, 운동에너지로 인해 용해되어 있는 이온들이 서로 결합하지 못한다. 그러나 온도가 감소하거나 물이 증발하여 용해된 물질의 농도가 증가하여 포화상태로 되면, 용액 속에 녹아있던 이온들이 서로 결합하여 고체의 화합 침전물을 형성하게 된다. 예를 들어, 물속에 녹아 있던 Ca²⁺와 CO₃^2-의 농도가 충분히 높아지면 칼슘탄산염이 침전되어 방해석(CaCO₃)이라는 광물을 형성하게 된다. 호수나 바다에서는 이러한 기작을 통해서 흔히 방해석, 암염(NaCl), 석고(CaSO₄ㆍH₂O)와 같은 광물들을 침전시킨다. 아주 작은 규모인 경우 천천히 움직이는 지하수로부터 침전하는 광물들은 암석 내에 발달된 틈을 채우며 생성되기도 한다. 이러한 작용을 통해서 생성되는 광물들은 실온 상태의 비교적 낮은 온도에서 생성되는 경우와 이보다는 높은 온도를 갖는 뜨거운 수용액으로부터 생성되는 경우로 나누어 볼 수 있다. 실온 상태의 수용액으로부터 광물이 생성되는 경우에는 전형적으로 결정면이 발달되지 않은 매우 작은 입자들로 이루어지거나 특별한 형태를 갖지 않는 괴상의 광물이 형성된다. 관광지에서 기념품으로 흔히 판매되는 정동(geode)는 이러한 작용을 통해서 형성된 광물들로 이루어져 있다(그림2-1-1). 정동의 경우는 저온에서 물속에 녹아있던 실리카(Si) 들이 침전되어 형성된 석영입자들로 이루어진 것이다. 화학적인 침전이 비교적 고온의 수용액으로부터 일어날 때 생성되는 광물들은 일반적으로 100^oC 이상 350^oC 이하 정도의 온도에서 광물이 용액으로부터 침전되어 생성되는 것으로서, 이러한 과정을 통해서 생성되는 광물들의 대표적인 경우로는 우리 실생활에서 사용되는 금속의 주요 공급물인 금속광물들을 들 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 열수광상 부분에서 다룰 것이다.

그림 2-1-1. 석영과 옥수로 이루어진 정동
(사진 출처: qdig.sourceforge.net/qdig/qdig-d...6Qis%3DM)

③ 세 번째로 광물이 생성되는 기작은 변성작용이 일어나는 동안 광물이 생성되는 과정을 들 수 있다. 기존의 암석이 생성될 당시와 다른 물리적인 조건(온도, 압력)하에 놓일 경우, 이미 존재하던 광물들이 새로운 조건에 안정한 광물로 바뀌면서 생성되는 것을 말한다. 이처럼 자연으로부터 광물이 생성되는 작용은 크게 세 가지 경우로 나누어 볼 수 있다.

지구상에 존재하는 광물의 종류는 3,500여종에 이르는 것으로 알려져 있지만, 단지 20 내지 30 여개의 광물들만이 우리가 주변에서 흔히 볼 수 있는 암석들의 주요 조암광물로서 산출된다. 광물의 종류는 광물을 생성하는 물질의 화학조성, 생성 온도, 생성 압력 등 여러 가지 요인에 의해 달라진다. 그런데 지각을 구성하는 광물의 종류와 양을 살펴보면 지각을 구성하는 화학성분의 상대적인 양을 반영하여 나타나는 것을 알 수 있다. 지각을 구성하는 원소들의 상대적인 양을 살펴보면 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등의 8 가지 원소가 대부분을 차지한다. 그중 산소(약 45%)와 규소(약 27%)가 지각 무게의 약 72%로서 지각의 많은 부분을 차지하고 있다. 따라서 지각을 구성하는 대부분의 광물들은 이 두 원소를 주성분으로 하는 광물들로 이루어져 있는데 이러한 광물을 규산염광물이라고 한다.

규산염광물을 제외한 비규산염 광물로는 여러 가지 종류가 있는데, 이들은 양이온과 결합하는 음이온이 무엇이냐에 따라 분류된다. 양이온과 결합하는 음이온이 산소(O^2-)일 경우에는 산화광물, 탄산염 옴이온(CO₃^2-)이면 탄산염광물, 인산염 음이온(PO₄^3-)이면 인산염광물, 황 음이온(S^2-)이면 황화광물, 황산염 음이온(SO₄^2-)이면 황산염광물 등으로 불린다. 공통의 음이온을 갖는 이러한 광물들은 서로 비슷한 환경 하에서 생성되며, 서로 비슷한 물리적인 성질을 갖는다. 예를 들어 탄산염 음이온을 공통적으로 가지는 탄산염광물들인 방해석(CaCO₃), 아라고나이트(CaCO₃), 돌로마이트(CaMg(CO₃)₂), 마그네사이트(MgCO₃) 등은 서로 비슷한 지질환경에서 생성될 뿐만 아니라 서로 비슷한 물리적인 성질을 가진다.

규소와 산소를 주성분으로 갖는 규산염광물의 기본 단위는 반경이 작은 하나의 규소이온을 중심으로 상대적으로 큰 반경을 갖는 산소이온 4개가 둘러싸며 4개의 모서리를 갖는 사면체모양을 하는 SiO₄ 사면체이다(그림 2-1-2). 규산염광물은 SiO₄ 사면체가 결합하는 방식에 따라 결정구조를 달리하는 7개의 소그룹으로 분류된다(표 2-1-1). SiO₄ 사면체로 된 부분은 전기적으로 음의 전하상태이기 때문에 양의 전하를 갖는 양이온과 결합함으로써 전기적으로 중립 상태인 광물을 형성하게 된다.

그림 2-1-1. SiO₄ 사면체의 여러 표현 모습.
(그림 출처: http://homepage.usask.ca/~mjr347/prog/geoe118/geoe118.007.html)

표 2-1-1. 실리카 사면체의 결합방식에 따른 규산염광물의 분류.

SiO₄ 사면체 구조	단위구조 화학식	규소(Si): 산소(O) 결합비	광물
독립사면체형	(SiO₄)^4-	1:4	감람석, 석류석, 저어콘
복사면체형	(Si_2O₇)^6-	1:3.5(=2:7)	녹염석
환형(고리형)	(SiO₃)^2-	1:3	녹주석, 전기석
단일사슬형	(SiO₃)^2-	1:3	휘석
이중사슬형	(Si₄O₁₁)^6-	1:2.75(=4:11)	각섬석
판상형	(Si₂O₅)^2-	1:2.5(=4:10)	운모
망상형	(SiO₂)⁰	1:2	장석, 석영

①독립사면체형 규산염광물: SiO₄ 사면체를 이루는 4개의 산소 중 어느 것도 인접한 SiO₄ 사면체와 공유하지 않는 독립된 결합구조(그림 2-1-3-A)를 갖는 것으로서, SiO₄ 사면체는 (SiO₄)^4-에서 볼 수 있는 것처럼 4가의 음의 전하를 띠게 된다. 4가의 음의 전하를 띠는 SiO₄ 사면체가 양이온과 결합하여 광물을 형성할 때, 이들은 전기적으로 중성이 되도록 결합한다. 예를 들어, Mg²⁺ 이온과 (SiO₄)^4-가 결합할 때 전기적 중성이 되기 위해 한 개의 (SiO₄)^4- 구조 단위에 2개의 Mg²⁺ 이온이 결합함으로서 Mg₂SiO₄의 화학식을 갖는 광물인 감람석을 형성하게 된다. 만약에 (SiO₄)^4- 음이온이 Zr⁴⁺ 이온과 결합할 경우에는, 전기적으로 중립 상태를 유지하기 위하여 한 개의 (SiO₄)^4- 음이온에 단지 1개의 Zr⁴⁺ 이온만이 결합함으로써 ZrSiO₄의 화학식을 갖는 광물인 저어콘을 형성한다. 이처럼 독립사면체형 규산염광물에 속하는 규산염광물들은 Si:O의 비가 1:4인 SiO₄로 끝나는 화학식을 갖는다. 이에 해당하는 광물로는 감람석(그림 2-1-3-B), 저어콘, 석류석, 알루미늄 규산염광물(홍주석, 규선석, 남정석)을 들 수 있다. 감람석(olivine)은 고철질 마그마가 굳어져 생성된 현무암이나 반려암과 같은 암석에서 주로 산출된다. 감람석은 그림 2-1-3-B에서 보는 바와 같이 올리브-녹색(olive-green)을 띠는데 이러한 색깔 때문에 영어로 olivine이라고 불린다. 이러한 올리브-녹색은 감람석 내에 미량 들어있는 니켈(Ni)에 의해서 나타나는 것으로 여겨진다.


그림 2-1-3. (A)독립 사면체형 규산염광물의 SiO₄ 사면체 결합구조(파란색 구는 양이온) (그림 출처: en.wikivisual.com/index.php/Olivine). (B) 감람석 결정(그림 출처: skywalker.cochise.edu/wellerr/mi...ineL.htm)

② 복사면체형 규산염광물: SiO₄ 사면체가 다른 SiO₄ 사면체와 하나의 모서리를 공유하는 방식으로 결합하는 결정구조(그림 2-1-4-A)를 갖는 광물로서, SiO₄ 사면체는 (Si₂O₇)^6-와 같이 6가의 음의 전하를 띠게 된다. 따라서 이러한 결합구조를 갖는 규산염광물은 Si:O의 비가 2:7로 결합하며 Si₂O₇로 끝나는 화학식을 갖는다. 이에 해당하는 광물로는 녹염석이 있으며, 주요 조암광물 중에 이러한 결합구조를 광물은 흔치 않은 편이다. 녹염석은 녹색을 띠는 광물로서 마그마로부터 직접 생성되지는 않으며 기존의 광물이 변질작용을 받아 생성되는 이차광물이다(그림 2-1-4-B).


그림 2-1-4. (A) 복사면체형 결합구조(그림 출처: www.tulane.edu/~sanelson/eens211...es08.htm) (B) 녹염석 결정(그림 출처: www.ilovelotus.com/html/crystal_...dom.html)

③ 환형 규산염광물: SiO₄ 사면체가 고리의 형태로 연결된 결합구조(그림 2-1-5-A)로서, SiO₄ 사면체는 (SiO₃)2-와 같이 2가의 음의 전하를 띠게 되며, 이러한 결합구조를 갖는 광물은 Si:O의 비가 1:3으로 결합하여 SiO₃로 끝나는 화학식을 갖는다. 이에 해당하는 광물로는 녹주석(beryl, 그림 2-1-5-B)과 전기석이 있으며, 복사면체형 규산염광물과 마찬가지로 이러한 결합구조를 갖는 조암광물은 흔한 편이 아니다.


그림 2-1-5. (A) 환형(그림 출처:www.tulane.edu/~sanelson/eens211...es08.htm). (B)녹주석 결정(그림 출처: dave.ucsc.edu/myrtreia/photos/beryl.html)

④ 단일 사슬형 규산염광물: SiO₄ 사면체가 한 방향으로 길게 연결되어 하나의 사슬과 같은 모양을 하는 결합구조(그림 2-1-6-A)를 갖는 것으로서, 모든 SiO₄ 사면체는 두 개의 모서리에서 다른 SiO₄ 사면체와 모서리를 공유하는 결합방식으로 연결된다. SiO₄ 사면체는 (SiO₃)^2-와 같이 2가의 음의 전하를 띠는 화학식을 가지며, 이러한 결합구조를 갖는 광물은 Si:O의 비가 1:3으로 결합하여 SiO₃로 끝나는 화학식을 갖는다. 이러한 결합구조를 광물로 대표적인 것은 휘석이다(그림 2-1-6-B). 휘석은 고철질 마그마나 중성질의 마그마가 고화될 때 주로 생성되는 유색광물로서 현무암, 반려암, 안산암, 섬록암 등에서 산출된다. 암녹색을 띠며 그루터기처럼 짧은 기둥의 형태를 갖는다.


그림 2-1-6. (A) 단일사슬형 규산염광물 결합구조 (붉은 색 구는 양이온) (그림 출처: www4.nau.edu/meteorite/Meteorite...ryP.html). (B)휘석 결정 (그림 출처: comp.uark.edu/~sboss/study2s08.htm)

⑤ 이중 사슬형 규산염광물: SiO₄ 사면체가 한 방향으로 길게 연결되어 사슬 모양을 하고 있는 것이 서로 엇갈려 연결됨으로써 두 개의 사슬이 서로 연결되어 있는 모양을 하는 결합구조(그림 2-1-7-A)를 가지며, 3개의 모서리를 공유하는 SiO₄ 사면체가 1/2, 2개의 모서리를 공유하는 SiO₄ 사면체가 1/2인 결합방식으로 연결된다. SiO₄ 사면체 부분이 갖는 화학식은 (Si₄O11)^6-로 6가의 음의 전하를 가지며, Si:O의 결합비는 4:11이다. 이러한 결합구조를 갖는 광물로 대표적인 것으로는 각섬석류가 있다(그림 2-1-7-B). 각섬석류 중 가장 흔한 광물은 보통감석석(hornblende)으로 주로 중성질의 마그마나 규장질의 마그마가 굳어질 때 생성되는 안산암, 섬록암, 화강암 등에서 산출된다. 암녹색을 띠며 길쭉한 주상의 모양을 갖는다.


그림2-1-7. (A)이중 사슬형 결정 구조(그림 출처: www.tulane.edu/~sanelson/eens211...es08.htm). (B)각섬석 결정(source: ). (B) 각섬석 결정(그림 출처: min.kores.or.kr/gpms/user.tdf%3F..._030_110)

⑥ 판상형 규산염광물: SiO₄ 사면체를 구성하는 4개의 산소 중에 3개의 산소가 인접한 사면체와 공유되는 결합방식으로 연결됨으로써 평면상에 넓게 펼쳐진 판의 모양을 하는 결합구조(그림 2-1-8-A)를 갖는다. SiO₄ 사면체는 인접한 사면체와 3개의 모서리를 공유하기 때문에 (Si₄O₁₀)^4-의 화학식을 가지며, Si:O의 결합비는 4:10이다. 이러한 판상의 구조를 갖는 광물로 대표적인 것은 흑운모와 백운모와 같은 운모류이다(그림 2-1-8-B). 운모류는 이와 같은 판상의 구조를 갖는 여러 개의 층들이 서로 약한 결합을 통해 결합된 광물이기 때문에 이러한 약한 결합을 갖는 부분을 따라 발달된 벽개를 따라 잘 쪼개지는 물리적인 특성을 보여준다. 운모류 이외에도 점토광물과 녹니석이 이러한 결합구조를 가지고 있다. 흑운모와 백운모는 주로 규장질 마그마가 굳어져서 된 화강암이나 편암과 편마암 같은 변성암에서 산출된다.


그림 2-1-8. (A) 판상형(그림 출처: maps.unomaha.edu/maher/geo117/11...als.html). (B)흑운모 결정(그림 출처: www.pitt.edu/~cejones/GeoImages/...cas.html)

⑦ 망상형 규산염광물: SiO₄ 사면체를 구성하는 4개의 산소 모두 인접한 사면체와 공유되는 3차원 입체모양의 복잡한 결합 구조(그림 2-1-9-A)를 갖는 것으로서, 4개의 모서리가 공유되기 때문에 SiO₄ 사면체로 된 부분은 (SiO₂)^o의 화학식을 갖는다. 이 결합구조를 갖는 광물로는 지각을 구성하는 광물 중에 가장 풍부한 장석류와 석영(SiO₂)이 있다. 이러한 결합구조는 위에서 설명한 다른 결합구조보다 SiO₄ 사면체 중 공유하는 모서리의 수를 더 많이 갖기 때문에 이러한 구조를 갖는 광물이 더 강한 결합을 하게 하여 풍화에 강한 특성을 갖도록 하는데 기여한다. SiO₄ 사면체 중 Si⁴⁺ 일부가 Al³⁺ 이온에 의해 치환되면, 전기적으로 중성인 상태를 유지하기 위해 다른 양이온이 와서 결합을 하게 되는데 이러한 과정을 통해 장석류가 생성된다. 예를 들어 (Si₃, Al)O₈^-와 같이 Si⁴⁺ 이온 하나가 Al³⁺ 양이온에 의해 치환됨으로써 1가의 음의 전하를 갖는 사면체가 될 경우에 전기적으로 중립인 상태를 유지하기 위해 Na⁺ 양이온이 결합하면 NaAlSi₃O₈의 화학식을 갖는 장석인 Na-사장석이 형성되고, Na⁺ 대신에 K⁺ 양이온이 결합하면 KAlSi₃O₈의 화학식을 갖는 장석인 K-장석이 형성된다.

장석류는 지각을 구성하는 광물 중 가장 흔한 광물로서 크게 사장석과 K-장석으로 구분된다. 사장석은 고철질 마그마로부터 규장질 마그마까지 다양한 조성을 가진 마그마로부터 모두 정출되는 광물이다. 고철질 마그마가 굳어져서 된 현무암이나 반려암에서는 주로 Ca 성분을 갖는 사장석이 생성되는 반면에 규장질 마그마가 굳어진 화강암이나 유문암에서는 Na 성분을 주로 갖는 사장석이 생성된다. K-장석은 화강암이나 유문암처럼 규장질 마그마가 굳어져서 된 화성암에서 주로 산출된다. 석영은 화성암, 변성암, 퇴적암 모두에서 산출되며, 일반적으로 하얀색 또는 투명한 색을 보이나(그림 2-1-9-B), 일부 석영은 특징적인 색깔로 인해 보석으로 사용된다.


그림 2-1-9. (A) 망상형 결정구조(그림 출처:www.tulane.edu/~sanelson/eens211...es08.htm). (B) 석영 결정(그림 출처: gwydir.demon.co.uk/jo/minerals/q...artz.htm)

위에서 살펴본 바와 같이 자연에서 광물이 형성될 때는 일정한 규칙성을 가지며 생성되는 것을 알 수 있다. 즉 광물은 양이온과 음이온이 일정한 비를 가지며 전기적으로 중립인 상태를 유지하도록 결합하며 생성된다. 독립사면체형 규산염 광물에서 망상형 규산염광물로 갈수록 SiO₄ 사면체 중 공유되는 모서리의 수는 증가하며 이에 따라 SiO₄ 사면체를 구성하는 규소와 산소의 결합비도 1:4로부터 1:2까지 체계적으로 감소하며 변하는 것을 알 수 있다(표 2-1-1). 이처럼 자연에서 생성되는 광물은 일정한 규칙 없이 임의의 방법대로 생성되는 것이 아니라 일정한 규칙에 따라 체계적이면서도 과학적인 방법으로 생성된다는 것을 알 수 있다.

현무알질 마그마로부터 광물이 정출될 때, 광물은 보우엔 반응계열에서 보여주는 것처럼 일정한 순서에 따라 생성된다. 즉, 감람석이 가장 먼저 정출되고, 휘석, 각섬석류, 흑운모, 석영의 순서로 정출된다. 이 광물들의 결합구조를 보면 감람석은 독립사면체형 구조, 휘석은 단일 사슬형 구조, 각섬석류는 이중 사슬형 구조, 흑운모는 판상형 구조, 석영은 망상형 구조로서 감람석에서 석영으로 갈수록 SiO₄ 사면체 중 인접한 사면체와 공유되는 산소의 수는 각각 감람석(0개), 휘석(2개), 각섬석(1/2은 2개 1/2은 3개), 흑운모(3개), 석영(4개)로 점점 증가하며 따라서 Si:O의 결합비는 감람석(1:4), 휘석(1:3), 각섬석(1:2.75), 흑운모(1:2.5), 석영(1;2)로 점점 감소하며 결합한다.

비규산염 광물은 위에서 설명한 바와 같이 음이온이 무엇인가에 따라 여러 종류로 분류되는데 대표적인 광물로는 탄산염광물, 산화광물, 황화광물, 황산염광물, 인산염광물, 원소광물 등이 있다.

① 탄산염광물: 탄산염 복합음이온 (CO₃)^2-과 양이온이 결합하여 형성된 광물로서 대표적인 것으로는 방해석(calcite, CaCO₃), 아라고나이트(aragonite, CaCO₃) 및 백운석(dolomite, CaMg(CO₃)₂)이 있다. 방해석과 아라고나이트는 화학식은 동일하지만 결정구조가 다른 광물인 동질이상(polymorph) 관계이며, 방해석이 아라고나이트보다 더 흔하게 산출된다. 방해석과 백운석은 탄산염암인 석회암(limestone)과 백운암(dolostone)의 주요 구성광물로서 이들을 구분하기 위해서는 묽은 염산을 이용한다. 묽은 염산을 떨어뜨렸을 때 방해석은 거품을 내며 빨리 반응하지만 백운석은 거품을 내지 않는다.

② 산화광물: 가장 흔한 것은 자철석(magnetite, Fe₃O₄)과 적철석(hematite, Fe₂O₃)이며, 이들은 모두 철을 추출하는 주요 철광석이다. 자철석이라는 이름은 소아시아의 고대 도시인 Magnesia에서 생산되는 석재인 Magnetis라는 그리스어에서 그 이름이 유래하였다. Magnetis는 철가루를 끌어당기는 힘이 있기 때문에 자석을 의미하는 magnet와 자성을 가지는 광물인 자철석에 megnetite라는 이름을 붙이게 되었다. 적철석은 가루가 될 때 붉은색을 띠므로 그리스어로 붉은 피를 의미하는 haima에서 그 이름이 유래하였다. 다른 산화광물로는 주석(Sn)의 주요광석인 석석(cassiterite, SnO₂), 크롬(Cr)의 주요광석인 크롬철석(chromite, FeCr₂O₄), 티탄(Ti)의 주요광석인 일메나이트(ilmenite, FeTiO₃)와 금홍석(rutile, TiO₂), 우라늄(U)의 주요광석인 우라니나이트(uraninite, U₃O₈) 등이 있다.

③ 황화광물: 주로 금속광상에서 산출되는 광물들로 대표적인 광물로는 황철석(pyrite, FeS₂), 자류철석(pyrrhotite, FeS), 방연석(galena, PbS), 섬아연석(sphalerite, ZnS), 황동석(chalcopyrite, CuFeS2) 등이 있다. 황철석은 금과 매우 비슷한 색을 띠고 있기 때문에 바보 금(fool's gold) 이라는 별칭을 가지고 있다(그림 2-1-10-A). 자류철석은 약한 자성을 띠는데, 자성을 띠는 광물 중에 자철석 다음으로 흔한 광물이다. 방연석은 납(Pb), 섬아연석은 아연(Zn), 황동석은 구리(Cu)의 주요 광석이다. 방연석과 같은 많은 활화광물들은 금속광택을 보여준다(그림 2-1-10-B).


그림 2-1-10. (A) 황철석 사진(그림 출처: http://www.crystalradio,net). (B)방연석 사진(그림 출처: fireflyforest.net/firefly/2006/0.../galena/)

광물은 우리의 실생활에서 다양한 목적으로 이용되어 왔다. 여기서는 그러한 광물들 중, 산업용으로 이용되는 산업광물과 보석으로 이용되는 보석광물의 용도에 대해 간단히 살펴보자.

산업광물(industrial minerals)이란 금속광물이나 보석광물을 제외한 비금속광물 중에 그 물질이 가지고 있는 물리적ㆍ 화학적 성질, 성분 및 기타 다양한 특성으로 인해 산업적으로 유용한 가치를 지닌 광물을 말한다. 산업광물은 원자재로서 천연상태로 사용되거나 또는 처리 이후에 다양한 목적을 위한 첨가재로서 사용된다. 산업광물은 종류가 많고, 그 용도가 다양하기 때문에, 이를 체계적으로 분류하는 것은 매우 어렵다.

산업광물은 건축, 세라믹, 페인트, 전기전자제품(electronics), 플라스틱 제품, 유리, 세제, 종이 제작 등 다양한 용도로 사용된다. 산업광물의 대표적인 것으로는 점토광물, 규조토, 카올린, 벤토나이트, 실리카, 중정석, 석고, 활석 등을 들 수 있다.

점토광물은 층상 규산염광물로서 수분을 함유한 상태에서 가소성(plasticity)을 가지며, 가열시 소결되는 성질을 갖는 광물이다. 이 광물은 주로 지표에서 풍화작용을 받아서 생성되며, 이외에 열수작용, 속성작용, 퇴적작용 등의 지질작용에 의해 형성된다. 원암의 종류와 성인에 따라 광물조성, 화학조성, 광물의 유형, 입도분포 등이 다양하게 나타난다. 점토광물은 오래전부터 도자기 제작 등과 같은 요업원료로 사용되어 왔으며, 제지공업의 주요 원료물질로도 사용되고 있다. 제지공업용으로는 용도에 따라 충진용과 코팅용으로 구분되어 사용된다. 충진용으로 가장 많이 사용되는 점토광물은 케올리나이트(그림 2-1-11)로, 이 광물을 사용하여 종이의 주원료인 목재펄프의 섬유질 사이에 발달되어 있는 많은 간극을 체워줌으로써 섬세한 인쇄가 가능하게 한다. 또한 점토광물을 종이의 코팅용으로 사용함으로써 종이 표면의 백색도와 분산성을 향상시켜 종이의 광택, 표면강도, 불투명도, 편평도를 높여준다. 캐올리나이트 이외에도 활석, 석영, 방해석, 중정석, 납석 등과 같은 광물이 제지산업용으로 사용된다. 이외에도 점토광물은 농업분야에서 토양 개량제, 화학공업분야에서 안료, 석유산업에서의 촉매제 등 다양한 용도로 사용된다.

그림 2-1-11. 카올리나이트의 전자현미경 사진 (그림 출처: soil.gsfc.nasa.gov/forengeo/thnsec.htm)

규조토(diatomite)는 SiO₂ 성분으로 되어 있으며, 이 물질이 갖는 다공질 특성 때문에 밀도가 0.65g/cm3로 낮다. 규조토는 화학공업과 식품공업의 여과제, 페인트, 종이, 플라스틱의 경량 충진제, 연마재, 건축용 단열재 등 여러 가지 용도로 사용된다. 규조토는 공극률이 최대 90%로서 매우 높기 때문에 중량의 80%까지 흡착력을 보여준다.

석영은 유리원료로 사용되는 광물로 대표적인 산업광물이다. 규사와 규석은 주로 석영으로 이루어진 유리의 원료광석으로서, 규사는 주로 석영 모래를 지칭하며, 규석은 석영맥, 석영사암, 규암, 페그마타이트와 같은 암석에 해당하는 것으로서 주로 석영의 집합체로 되어있는 괴상의 규질암을 나타내는 공업원료명이다. 규사는 용도에 따라 유리원료와 주물용으로 구분된다.

보석광물은 보석으로 사용되는 광물을 말하며, 보석(gem)이란 연마하고 가공하여 장식품이나 장신구로 사용되는 아름다운 광물을 말한다. 보석이 되기 위해서는 아름다움, 내구성, 희소성, 휴대의 간편성과 같은 특성을 지니고 있어야 한다. 보석의 가치는 주로 색깔(color), 연마 상태(cut), 투명도(clarity), 중량(carat) 등과 같은 물리적인 성질에 의해 평가되는데 이를 흔히 4C라고 한다. 광물 중에 보석으로 이용되는 것으로 다이아몬드, 강옥(corundum), 녹주석(beryl), 석영(quartz), 황옥(topaz), 단백석(opal) 등이 있다.

다이아몬드는 현재 보석으로서 사람들에 의해 가장 선호되는 광물이다. 다이아몬드는 지하 150 km 하부의 고압 하에서 형성된 맨틀기원의 초고철질암인 킴벌라이트(kimberlite)에서 주로 산출된다. 이 암체가 지표 근처에 이르러 침식작용을 받게 됨에 따라 이에 포함되어 있던 다이아몬드가 인근의 사광상에서 산출된다. 현재 다이아몬드의 주요 생산국은 남아프리카공화국이며, 자연계에서 산출되는 다이아몬드 중 약 75%는 산업용으로 나머지는 보석용으로 사용되고 있다.

강옥은 Al2O3의 화학식을 갖는 산화광물로서 모오스 경도계에서 경도 9로 다이아몬드 다음으로 단단한 광물이다. 일반적으로 강옥은 연한 갈색이나 무색을 보인다. 그러나 Al2O3의 Al3+ 이온을 미량의 Cr3+ 이온이 치환하면 적색을 띠는 강옥이 되는데, 이 강옥이 루비(ruby)라는 보석명으로 불리며, Al3+ 이온을 미량의 Ti4+와 Fe2+ 이온이 치환하여 청색을 띠게 된 강옥을 사파이어(sapphire)라는 보석명으로 부른다(그림 2-1-12).


그림 2-1-12. (A) 루비 사진(그림 출처:aquajewelmusic.tistory.com/tag/Ruby). (B) 사파이어 사진(그림 출처:www.palagems.com/kashmir_sapphire.htm)

녹주석(beryl)은 Be₂Al₂(Si₆O₁₈)의 화학식을 갖는 규산염광물로서 경도는 7.5-8이다. 녹주석은 일반적으로 녹색 빛을 보이지만, 색의 차이에 의해 각기 다른 보석으로 불린다. 진한 녹색을 가지면 에메랄드(emerald), 투명한 청색을 보이면 아쿠아머린(aquamarine), 연분홍색을 보이면 모가나이트(morganite, 금황색을 보이면 골든베릴(golden beryl)이라는 보석명으로 불린다.



그림 2-1-13. (A) 에메랄드(그림 출처: www.tmonews.com/2010/05/what-is-...emerald/). (B) 아쿠아머린(그림 출처: www.custom-jewelers.com/gemguide.htm). (C)모가나이트 (그림 출처: www.lanka.com/photos/sri-lankan-...120.html). (D) 골든베릴 (그림 출처: www.steveperrygems.com/gems/beryl.htm)

석영은 SiO₂의 화학식을 갖는 망상형 규산염광물로서 경도 7이며, 조암광물로 흔히 산출되는 경우에 무색이나 하얀색을 보인다. 그러나 소량의 미량원소가 치환해 들어가거나 결정구조에 변화가 일어나면서 다양한 색을 보이는 석영이 된다. 석영이 큰 결정으로 나올 때 이를 수정(crystal)이라 한다. 미량의 Ti⁴⁺가 치환해 들어가면 적색이나 분홍색을 띠는 장미수정(rose quartz)이 되며, 소량의 Al³⁺에 의해 회색을 띠면 연수정(smoky quartz), 결정 내에 들어있는 작은 유체포유물에 의해 유백색을 띠면 유수정(milky quartz)이 된다. 석영내의 FeO₄^4- 색중심에 의해 자주색을 띠면 이를 자수정(amethyst)이라 한다(문희수와 최선규, 2001).