광석(ore)이란 경제성을 가지고 추출될 수 있는 광물 또는 광물의 집합체를 말하며, 이처럼 경제적으로 유용한 광물이 모여 있는 부분을 광상(mineral deposits)이라고 한다. 광석이 되기 위해서 정해진 정확한 품위는 없다. 경제적으로 유용한 광물을 함유하는 광상이라도 광상의 위치와 개발 시기에 따라 광석이 될 수도 있고 그렇지 않을 수 도 있다. 즉 아무리 높은 품위를 가지고 있다하더라도 지하 심부에 부존하거나 또는 운송하는데 비용이 많이 드는 오지에 위치하기 때문에 경제성이 없다면 광석이 될 수 없다. 또한 광석으로서 활발하게 개발되던 광상도 개발비용이 시장에서의 판매가격보다 더 많이 든다면 그것은 더 이상 광석이 될 수 없다. 일반적으로 경제적으로 유용한 원소를 함유하는 광석광물은 유용한 원소를 함유하지 않는 광물들과 함께 산출되는데 이러한 광물을 맥석(gangue)이라고 한다. 금속광물을 함유하는 광석과 함께 가장 일반적으로 산출되는 맥석광물로는 석영, 방해석 및 장석이 있다.

광상은 유용한 원소가 농집 되는 과정에 따라 마그마광상, 열수광상, 퇴적광상, 사광상, 풍화잔류광상 등이 있다.

마그마로부터 광물이 정출된 후 액체로부터 분리되는 마그마 분별정출작용이 일어나면 잔류마그마와 정출된 광물 사이에 원소의 분배가 일어난다. 이처럼 어떤 원소가 마그마로부터 정출되는 광물과 함께 다량 농집되거나 아니면 남아있는 잔류마그마에 부화됨으로써 경제적으로 가치가 있는 광상이 형성될 수 있는데, 이와 같이 마그마 분화과정에 수반되어 생성되는 광상을 마그마 광상이라고 한다. 마그마 광상은 광상 형성에 관여하는 마그마의 성질에 따라 생성되는 과정이나 금속광물의 종류가 달라지는데, 대표적인 것으로 정마그마 광상과 페그마타이트 광상을 들 수 있다.

점성이 낮은 초고철질 마그마나 고철질 마그마가 고결되면, 마그마 분별정출작용 초기단계에 Cr, Ni, Cu, Fe, Ti, Pt과 같은 금속원소를 다량 함유하는 황화광물이나 산화광물이 마그마쳄버의 바닥에 가라 앉아 경제적으로 유용한 광상이 형성되는데 이러한 광상을 정마그마 광상이라고 한다. 남아프리카공화국의 부쉬벨트 화성암복합체와 짐바브웨이의 그레이프 다이크 등은 암체의 바닥부분에 크롬철석이 풍부한 층을 갖는 층상의 관입암체로로서 정마그마광상의 대표적인 예이다. 이 광상은 고철질 마그마가 고결되면서 마그마의 분별정출과정 초기에 크롬의 주광석인 크롬철석이 마그마 쳄버의 바닥에 가라앉아 형성된 것이다.

화강암질 마그마와 같은 규장질 마그마가 고결되는 경우에, 광물이 정출되고 나면 잔류마그마에는 H2O와 CO₂ 같은 휘발성기체가 다량 남는다. 이러한 휘발성 기체는 결정의 성장속도를 증가시켜 커다란 결정을 생성하는 역할을 한다. 이처럼 규장질 마그마의 분화 최후 단계에 휘발성 기체의 영향을 받아 생성된 거정의 입자들로 이루어진 암석을 페그마타이트라 한다(그림). 이 암석에는 휘발성 기체와 함께 잔류마그마 내에 다량 들어있던 Be, Li, B, U, REE와 같은 원소가 다량 들어있는 유용한 광물이 생성되는데 이러한 과정을 통해서 만들어진 광상을 페그마타이트 광상이라고 한다. 페그마타이트 광상에서 산출되는 광물로 실생활에서 우리가 사용하는 Be, Li, B와 같은 원소들을 추출하는데 이용되는 주요 광석광물로는 녹주석(beryl, Be₃Al₂Si₆O₁₈), 전기석(tourmaline, (Na,Ca)(Mg,Fe,Al,Li)3Al₆(BO₃)3Si₆O₁₈(OH)₄), 자주색 Li- 운모인 레피돌라이트(lepidolite, K(Li,Al)₃(Si,Al)₄O₁₀(F,OH)₂, Li-휘석인 스포듀민(spodumene, LiAlSi2O6) 등 이 있다.

열수광상은 지각 내에 발달된 열극 즉 갈라진 틈이나 공극을 통해 이동하는 열수 속에 들어있던 유용한 원소가 침전되어 생긴 광상이다. 열수광상을 형성하는 열수는 마그마의 분화과정 최후기에 H₂O가 집적되어 생성된 마그마수, 대기 중에 있던 물이 지각으로 들어가 생긴 천수, 퇴적물 입자들 사이의 공극을 채우는 공극수, 해수 등 다양한 기원을 갖는다. 고온의 마그마로부터 기원하기 때문에 열수가 되기 위한 별도의 열을 필요로 하지 않는 마그마수와는 달리, 천수, 해수 및 공극수는 외부로부터 열을 흡수함으로써 열수가 된다. 대표적인 열의 공급처로는 두 가지를 들 수 있다. 하나는 지구내부로부터 지각을 향해 관입하는 마그마이며, 다른 하나는 퇴적분지에 퇴적물이 쌓이면서 매몰 깊이가 증가할 때 지온상승률에 의한 공급되는 지열을 들 수 있다.

마그마로부터 방출되는 열을 흡수하여 생성되는 열수로는 천수 기원의 열수와 해수 기원의 열수를 들 수 있다. 천수란 기원에 관계없이 대기를 순환하며 대기와 평형을 이룬 물을 말한다. 비, 눈, 안개, 이슬, 서리 등 여러 가지 형태로 대기에서 기원한 물이 지하로 스며들어 광상을 형성하는데 참여한다는 사실이 산소와 수소 안정 동위원소 연구결과를 통해 널리 알려져 왔다. 지하로 내려가던 물이 관입 화성암체 주변에 도달하게 되면 화성암체로부터 방출되는 열에 의해 천수가 가열되면서 관입암체 주변에는 대류현상에 의해 순환하는 열수시스템이 생성된다. 이러한 열수의 순환과정 동안 뜨겁게 가열된 물과 암석 사이에 상호반응이 일어나면서 암석 내에 분산되어 있던 유용원소가 열수용액에 첨가되어 열수용액 내에 들어있는 유용한 원소의 농도를 증가시킴으로 광 화유체가 된다. 이러한 광화유체가 지각 내에 존재하는 열극을 따라 이동하던 중 물리화학적인 조건의 변화가 일어나면 특정한 원소를 함유하는 금속광물을 침전시켜 유용원소가 농집된 광상을 형성하게 된다. 천수 기원의 열수광상은 또한 광상형성에 유용한 원소를 마그마로부터 공급받기도 한다.

마그마수 기원의 열수광상은 천수 기원의 열수광상과 유사하게 관입암체 주변에 생성된다. 마그마가 관입하면 관입한 화성암체 주변의 암석들은 마그마로부터 방출되는 열수에 의해 변질작용을 받는다. 이러한 열수변질대는 광상을 탐사하는데 중요한 열쇠 역할을 한다. 마그마수 기원의 열수광상을 형성하는데 필요한 유용금속원소는 대개 마그마 분화과정 후기에 잔류용액인 마그마수에 농집되어 있던 원소로부터 기원한다. 마그마수 기원의 열수광상이나 천수 기원의 열수광상 중 가장 흔하게 관찰할 수 있는 유형은 열극을 따라 이동하던 광화유체로부터 유용한 금속광물이 침전되어 형성된 열극충진형 광상이다. 이러한 열극충진형 광상은 보통 석영으로 된 맥 속에 유용 금속광물을 함유하며 산출된다(그림 2-3-1). 금-은, 아연, 납 광상 대부분은 이러한 석영 맥을 따라 존재한다.

그림 2-4-1. 석영맥 내에 배태되어 있는 금 (그림 출처: rockhoundblog.com/mineral-of-the...is-gold/).

해수 기원의 열수광상은 화산활동이 활발하게 일어나는 해령에서 주로 생성된다. 화산분출에 의해 가열된 해수는 해령 주변에서 현무암으로 되어있는 해양지각을 따라 아래로 침투해 들어가면서 암석 속에 함유되어 있는 Zn, Cu, Pb, Au, Ag, Fe 등의 원소를 흡수하여 유용한 금속원소를 다량 함유한 광화유체가 된다. 이러한 열수용액은 해령부분에서 하부에 놓여있는 마그마로부터 공급되는 열에 의해 다시 가열되어(200-400oC) 해령을 따라 상승하여 해저에서 분출한다(그림 2-3-2-A). 분출된 열수용액은 차가운 해수를 만나 물리화학적인 조건의 변화를 겪으며 황화광물을 침전시켜 광상을 형성한다. 해 령에서는 극미립의 황화광물을 다량 함유하는 검은색의 열수용액(~350OC)이 굴뚝모양의 분출구를 통해 분출되는 현상이 관찰되는데 이러한 곳을 블랙스모커(black smoker)라고 한다(그림 2-3-2-B). 이 분출구 주변에서는 아연, 구리, 납과 같은 원소를 함유하는 황화광물이 침전되어 쌓인 해저열수광상이 형성된다.


그림 2-4-2. (A)블랙스모커 형성 과정(그림 출처:www.uic.edu/classes/bios/bios100...ct04.htm). (B)블랙스모커 사진 (그림 출처: discoverytimes.blogspot.com/2008...500.html).

공극수 기원의 열수용액은 퇴적분지에 매몰된 퇴적물이 지각 깊이 매몰되면서 속성작용이나 저온변성작용을 받으면서 생성된다. 공극수가 가열되어 생성된 열수용액은 퇴적암을 따라 발달된 열수시스템을 따라 순환하는 과정에 암석 속에 존재하던 금속원소를 용해시켜 광화유체가 된다. 공극수 기원의 열수는 많은 양의 염소를 포함하기 때문에 금속원소를 운반하는 용매가 될 수 있다.

퇴적작용에 수반되어 특정한 광물이 농집되어 생성된 광상을 퇴적광상이라 한다. 퇴적작용에 의해 생성되는 광상에는 풍화잔류광상이나 사광상과 같은 것이 포함될 수 있으나 여기서는 유체에 의해 운반되던 물질이 침전되거나 물속에 용해되어 있던 물질이 적정한 조건에서 화학적 침전을 일으켜 생성된 광상을 말한다.

퇴적광상이 가장 직접적으로 생성되는 과정은 호수나 해수가 증발하면서 물속에 녹아 있던 양이온과 음이온의 화학적 결합에 의해 침전이 일어나면서 생성되는 증발광상을 들 수 있다. 해수가 증발될 때 생성되는 것으로는 석고(CaSO₄.H₂O), 암염(NaCl), 석리염(KCl) 등이 있으며, 호수에서 생성된 증발암으로는 탄산나트륨(Na₂CO₃), 황산나트륨(Na₂SO4), 보렉스(Na₂B₄O₇10H₂O) 등이 있다. 해수에서 생성된 증발암이 호수에서 생성된 증발암보다 더 일반적이며 중요하다. 해수의 증발에 의해서 생성된 증발암은 세계 각지에서 흔하게 산출되는데, 대부분의 증발암은 접착제나 비료의 원료로 이용된다. 회반죽용 석고와 식물비료로 쓰이는 칼륨을 비롯하여 우리가 일상생활에서 이용하는 대부분의 염들은 해양성 증발암에서 얻은 것이다.

퇴적광상에 속하는 것으로 증발광상과는 다른 유형의 광상으로 층준규제광상이 있는데, 세계적으로 중요한 납, 아연, 구리 광상 중 일부가 이에 속한다. 층준규제광상에서는 Pb, Zn, Cu 원소들을 함유하는 주요 광석광물인 방연석, 섬아연석, 황동석과 같은 광물들이 퇴적물에서 흔히 볼 수 있는 규칙적인 세립의 층리를 이루며 산출된다(그림 2-3-3). 이러한 광석광물로 이루어진 층리들이 인접하는 퇴적암의 층리에 평행하게 발달되어 있기 때문에 층준규제광상이라 불린다. 이 광상은 열수용액이 셰일이나 이암과 같은 이질의 퇴적물내로 침투하여 퇴적물 입자와 열수용액 사이에 반응이 일어나 광석광물이 침전되면서 생성된다. 광석광물의 침전은 퇴적물이 고화되어 퇴적암으로 변하기 이전에 일어난다.

그림 2-4-3. 층준규제광상(그림 출처: www.georesources.eu/stratboundore.html).

암석이 화학적 풍화를 받을 때 물에 대한 용해도가 큰 물질은 제거되어 없어지고, 용해도가 작은 물질만이 남아 유용원소가 농집되어 생성된 광상을 풍화잔류광상이라 한다. 기후가 아주 습하고 따뜻한 지역의 암석이 화학적 풍화작용을 받으면 알루미늄과 규소를 주요 성분으로 갖는 규산염광물인 고령토와 같은 점토광물과 물에 용해가 잘 안 되는 적철석과 침철석 같은 광물이 생성되며, 화학적 풍화작용이 더 진행되면 점토광물로부터 규소 성분이 제거되면서 알루미늄의 수산화물인 깁사이트(Al(OH)3)가 생성된다. 이처럼 화학적 풍화작용 결과 생성된 깁사이트, 산화철광물 및 수산화철광물 등을 다량 함유하는 암석을 보크사이트라 하며, 이는 알루미늄의 가장 중요한 원광으로 개발된다.

풍화된 암석이 침식된 후 유수에 의해 운반되는 과정에 풍화에 강하고 비중이 큰 광물이 농집되어 형성된 광상을 사광상이라 한다. 사광상에서 중요한 광물은 금(그림 2-3-4-A), 백금, 다이아몬드, 석석, 석류석, 저어콘 등이며, 이중 가장 유용한 광물은 금이다. 인류 역사를 통해 생산된 금 산출량 중 절반 이상이 사광상에서 채취된 것이다. 사광상이 생성될 수 있는 장소는 그림 2-3-4-B에서 볼 수 있는 바와 같이 유수에 의해 운반되던 퇴적물의 이동이 멈추는 장소에서 광물이 농집되어 형성된다.


그림 2-4-4. (A) 사광상에서 채취한 금(그림 출처: http://www.maine.gov/doc.nrimc/mgs/). (B) 사광상 생성장소(그림 출처: http://www.britannica.com/).

전술한 바와 같이 광석이란 경제성을 가지고 추출될 수 있는 광물 또는 광물의 집합체를 말한다. 우리가 실생활에서 사용하는 대부분의 금속은 선광이나 제련을 통해 이러한 광석으로부터 추출된 후 사용된다. 생활에서 많이 사용되는 금속원소를 포함하는 광석광물의 종류와 용도를 간단하게 정리하면 표 2-3-1과 같다.

표 2-4-1. 주요 금속원소와 그들의 광석 및 사용분야(문희수와 최선규, 2001)

금속 원소	광석 광물	화학식	사용 분야
구리(Cu)	황동석(chalcopyrite)	CuFeS₂	합금, 전자공업
구리(Cu)	반동석(bornite)	Cu₅FeS₂	합금, 전자공업
금(Au)	자연금(native gold)	Au	귀금속, 전자공업, 화학기구
금(Au)	일렉트럼(electrum)	AuAg	귀금속, 전자공업, 화학기구
납(Pb)	방연석(galena)	PbS	축전지, 합금, 유리
니켈(Ni)	펜틀란다이트(pentlandite)	(Fe, Ni)₉S₈	특수강합금, 로켓, 원자로용
몰리브덴(Mo)	휘수연석(molybdenite)	MoS₂	특수강, 필라멘트, 유리색소
백금(Pt)	자연백금(native platinum)	Pt	촉매, 전자공업, 화학기구
수은(Hg)	진사(cinnabar)	HgS	전기공업, 촉매, 부식제
아연(Zn)	섬아연석(sphalerite)	ZnS	합금, 살충제, 의약품
안티모니(Sb)	스티브나이트(stibnite)	Sb₂S₃	주석관, 청동, 에나멜, 요업
안티모니(Sb)	테트라헤드라이트(tetrahedrite)	Cu₁₂Sb₄S₁₃	주석관, 청동, 에나멜, 요업
알루미늄(Al)	깁사이트(gibbsite)	Al(OH)₃	합금, 자동차, 비행기
우라늄(U)	우라니나이트(uraninite)	UO₂	원자로연료, 촉매, 색소
은(Ag)	자연은(native silver)	Ag	귀금속, 합금, 사진, 전기도금
은(Ag)	휘은석(argentite)	Ag2₂S	귀금속, 합금, 사진, 전기도금
주석(Sn)	석석(cassiterite)	SnO₂	주석판, 청동
텅스텐(W)	회중석(sheelite)	CaWO₄	특수강, 초경기계, 합금
텅스텐(W)	흑중석(wolframite)	(Fe, Mn)WO₄	특수강, 초경기계, 합금
코발트(Co)	린나아이트(linnaeite)	Co₃S₄	강철합금, 요업원료, 촉매제
크롬(Cr)	크롬철석(chromite)	(Fe, Mg)Cr₂O₄	합금, 도금, 내화벽돌, 염료
티타늄(Ti)	금홍석(rutile)	TiO₂	고압용기, 섬유공업, 염료
철(Fe)	적철석(hematite)	Fe₂O₃	각종 기계공업, 합금
	자철석(magnetite)	Fe₃O₄
	능철석(siderite)	FeCO₃