광물(보석)의 형성과정과 산출

"◎ 보석 광물의 형성 과정과 산출

지구가 언제 어떻게 만들어졌는가에 대한 비밀을 아는 사람은 아무도 없다.
성서에는 창조주가 만들었다고 기록되어있으나, 과학자들은 거대한 항성으로부터 떨어져 나온 우주 물질들이 태양을 중심으로 돌다가 합쳐져서 지구를 만들었다고 추측한다.

지구 과학자들에 의하면, 지구는 평균 반경이 약 6.37km이고, 완전환(球)에 가까운 타원체 모양을 하고 있다고 한다.

지구의 내부가 어떤 물지로 되어 있는지를 알기 우해 미국과 소련에서 시추기를 사용하여 땅속을 파들어 갔으나 고작 10km정도에서 실패하고 말았다.

그러나, 지구물리학적인 지진파 탐사법과 화산암 내에 들어잇는 맨틀 기원의 포획물질(捕獲物質),기타 운석(隕石)에 대한 연구 자료를 종합해 볼대 지구 내부는 균질(均質)한 물질로 되어 있는 것이 아니라 물질의 종류와 특서에 따라 가장 바깥 부분부터 안 쪽으로 지각, 맨틀,핵으로 분류되는 층상구조(層狀構造)를 나타내고 있음을 알수 있다.

◎ 지구의 구조

♣지각

우리가 살고 있는 지구의 최외곽 부분으로서, 5∼70km의 두께를 가진 고체부분이다. 지구 전체에 비해 매우 얇은 부분이므로 지각(地殼,crust)이라고 부른다
지각은 다시 대륙을 이루는 대륙지각(大陸地殼,continental crust)과 해양 저를 이루는 해양지각(海洋地殼, oceanic crust)으로 나뉜다.

대륙지각은 화강암.섬록암.안산암과 같은 화성암(火成岩),사암.쉐일과 같은 퇴적암(堆積岩), 그리고 편마암.대리암과 같은 변성암(變成岩)으로 되어 있다.

해양지각은 주로 현무암과 같은 화성암으로 되어 있다.
대륙지각은 화강암이 주요 구성 물질이므로 화강암층, 해양지각은 현무암층이라고 한다.

지각을 이루는 물질을 화학분석하면 약 90종 이상의 화학원소로 되어 있음을 알수 있으며, 중량 퍼센트로 1% 이상인 원소는 O,Si,Al, Fe, Ca, Na, K, Mg등 8개로 이를 지각구성(地殼構成)8대 원소라고 부른다.

지각을 구성하고 있는 8대 원소를 합하면 지각 전체의 약 98.5%를 차지하며, 나머지1.4%를 Ti,Mn등 기타 80여종의 원소들이 차지한다.

대륙지각은 산소를 제외하면 Si와 Mg성분이 많아서, 시마층(Sima layer)이라고도 부른다.

♣맨틀

지각아래에 있는 부분으로서, 지하2,900km까지 연장된다.
지각과의 경계면을 모호면(Mogorovicic discontinuity)이라고 한다.
페리도타이트(peridotite),튜나이트(dunite),에콜로자이트(ecologite)와 같은 초염기성암으로 되어 잇을 것으로 추측하고 있다.
맨틀(mantle)상부에서 마그마가 만들어 진다.

♣핵

지하 2,900km로부터 중심까지에 해당되는 부분으로, 주성분은 fe와 ni일것으로 추측하고 있어서, 니페층(Nife layer)이라고도 한다.

지진파 연구에 의하면, 지하 5,100km에서 지진파의 속도가 다소 증가하는 것을 알수 있다. 이 사실로부터 핵(核)은 균질한 상태가 아니고 5,100km를 기준으로 다시 이등분 될 수 있음을 알수 있다.

따라서 2,900∼5,100km를 부분으을 외핵(外核,outer core),5,100∼6,371km부분을 내핵(內核,inner core)이라고 한다.

외핵은 액체 상태이고, 내핵은 고체 상태일 것으로 생각하고 있다.
운석(隕石)중 특히 철운석(鐵隕石,iron meteorite)은 핵 부분을 대표하는 것으로 여겨진다.

◎ 암석의 분류

유기질 보석과 인조석을 제외한 모든 보석광문은 지각에 있는 암석 내에서 산출된다.

암석은 여러 종류의 광물로 이루어져 있으며, 동일한 암석이라도 구성 광물의 함량이 정확히 같지는 않다.
암석은 형성 과정에 따라 크게 세 부류로 나뉜다.

♣화성암

화성암(火成岩,igneous rock)은 용융(熔融) 상태의 마그마(magma)가 당속 깊은 곳에서 서서히 굳어지거나 또는 어떤 균열대(龜裂帶)를 따라 지표로 솟아 나온후 굳어져 만들어진 암석이다.

화성암은 형성된 위치에 따라 다시 심성암(深成岩)과 화산암(火山岩)으로 분류된다. 심성암은 마그마가 땅속 깊은 곳에서 천천히 냉가되어 만들어지며, 이때 마그마내에 있는 100여종의 원소들이 서로 결합하여 육안으로 식별이 가능할 정도의 크기인 광물결정(鑛物結晶)을 형성하게 된다.
경우에 따라서는 융해점(融解點)이 높은 광물부터 순서적으로 만들어지면서 마그마 챔버(magma chamber)밑으로 가라앉게 되는데, 이를 분별정출작용(分別晶出作用, magmatic differentiation)이라고 한다.

마그마의 온도가 고온에서 저온으로 변해 감에 따라 두 경로를 따라 광물이 정출(晶出)된다. 즉, 감람석→휘석→각섬석→흑운모→갈리장석→백운모→석영 순서인 불연속계열(不連續系列)과 Ca가 풍부한 아노르타이트(anorthite) 로부터 시작하여 Na성분이 점차 증가하다가 결국 Na가 풍부한 알랍이트(albite)사장석까지 만들어지는 연속계열(連續系列)이 동시에 일어난다.

화산암은 고온.고압상태의 마그마가 지각(地殼)에 발달한 균열 등의 어떤 통로를 따라 분출한 후 급격히 식어져서 만들어진 암석으로서, 구성광물 입자 크기가 작아서 육안으로는 식별이 안되는 경우가 많다.

심성암에는 반려암, 섬록암.화강암.페그마타이트 등이 있으며, 화산암에는 현무암. 안산암.유문암.킴벌라이트 등의 암석이 있다.
반려암 내에는 페리도트, 화강암에는 석영, 페그마타이트에는 전기석. 베릴.토파즈와 같은 보석광물이 산출되며, 현무암 내에는 루비와 사파이어, 킴벌라이트에는 다이아몬드가 산출되고 있다.

♣퇴적암

암석이 지표에 노출되면 비, 바람, 눈, 빙하작용(氷河作用)등에 의해 끊임없이 풍화되어 우수(雨水)나 바람, 빙하 등에 의해 운반된 후 바다 도는 호수 밑에서 쌓이게된다.

이때 쌓여진 물질을 퇴적물(堆積物)이라 하며, 물렁한 퇴적물이 후일 여러작용에 의해 단단해지면 이를 퇴적암(堆積岩,sedimentary rock)이라 부른다.

퇴적물 또는 퇴적암 내에는 풍화되기 전의 화성암 또는 변성암 내에 있던 보석 광물이 운반되어 그대로 퇴적물에 섞여 있을 수도 있고(다이아몬드.루비.사파이어.토파즈등),퇴적암 사이를 흐르는 지하수나 지표수(地表水)의 작용에 의하여 보석광물이 직접 생성될수도 있다.(오팔.터키석.공작석.칼새도니등)퇴적암에는 쉐일.석회암.사암.역암등이 있다.

♣변성암

화성암과 퇴적암이 지하에서 높은 온도를 가지는 마그마의 관입(貫入)을 받거나 조산운동(造山運動)에 의한 높은 압력을 받게되면 원래 암석의 화학성분,구조,조직등에 변화가 일어나 변형된 새로운 형태의 암석이 만들어지는데, 이를 변성암(變成岩, metamorphic rock)이라 한다.

마그마 관입에 의한 열(熱)에 의해 변성되면 열변성작용(熱變成作用,조산운동과 같은 지구조(地球造)운동에 수반되는 압력으로 변형되면 동력변성작용(動力變成作用)을 받았다고 한다. 사암과 석회암이 열변성 작용을 받으면 각각 규암과 대리암이 된다.

쉐일이 동력변성작용을 받으면 압력이 점점 커짐에 따라 쉐일→점판암→천매암→편암→편마암으로 변한다.
편암 또는 편마암 내에는 루비.사파이어.남정석.석류석등이 많이 산출되며, 버어마의 대리암 내에는 루비가 많이 산출된다.

◎ 보석광물의 생성과 산출

♣보석광물의 생성

이미 앞에서 설명하였듯이 보석광물은 화성암.퇴적암.변성암 모두에서 발견된다. 천연에서 보석광물이 생성되는 환경을 요약하면 다음과 같다.

(1)마그마로부터의 정출

규산염 물질이 녹은 거대한 액체 덩어리를 마그마라고 하는데, 온도와 압력이 대단히 높다.
마그마가 주위로부터 열을 계속 공급받지 못하면 천천히 냉각되는데, 이때 화학 원소들이 결합하여 광물이 만들어진다. 다이아몬드.루비.사파이어.페리도트.저어콘.토파즈.베릴. 스포듀민.전기석. 크리소베릴.석영등이 이 환경에서 만들어 진다.

(2)열수 용액으로부터의 정출

암석 사이를 흐르는 지하수가 심부(深部)에 있는 마그마로부터 열을 받으면 수백도까지 뜨거워진다.
이 뜨거워진 물을 열수(熱水,hydrothermal solution)라고 한다. 열수가 주변 암석을 오랜기간 안 흐르게되면, 자연히 주변 암체(岩體)에 있던 원소(元素)들을 용해하게 된다.
만약 이 열수 암석 내에 발달한 단층(斷層)과 같은 균열대(龜裂帶)를 충전(充塡)하거나 혹은 온도가 낮아지면 용해도가 감소하게 되어 용해물질 대부분을 광물로서 정출(晶出)시키게 된다. 자수정.백수정.에머럴드.황철석.형석등이 주로 만들어진다.

(3)동력 변성 작용시 만들어지는 경우

기존의 암석이 지구조(地球造) 운동에 수반되는 엄청난 압력을 받게 되면 원암(原岩)을 구성하고 있던 광물들이 서로 반응하여 높은 압력 조건에 안정한 새로운 광물을 만든다.
에머럴드.크리소베릴.석류석.경옥.루비.아이올라이트.남정석등이 만들어진다.

(4)열변성 작용시 만들어지는 경우

기존의 암석에 지하로부터 고온의 마그마가 관입하면 마그마 관입체(貫入體)와 접촉하는 기존 암체는 마그마로부터 새로운 화학 원소 뿐만아니라, 열을 공급받아 그 온도에 알맞는 안정된 새로운 화합물(化合物),즉 광물을 만들게 된다.
루비.사파이어.스리넬.크리소베릴.라피스 라쥬리 등이 만들어 진다.

(5)천열수로부터의 정출

지표 가까이 흐르는 지하수나 빗물 등도 주변 암체를 구성하고 있는 성분 원소를 용해시킨다. 그리고 이들의 온도는 100℃이하인데, 이를 천열수(淺熱水)라고 한다.
이와 같이 온도가 비교적 낮은 열수가 지표 가까이를 흐르다가 온도의 하강, 또는 pH,Eh등의 변화가 생길 경우, 용해되어 있던 성분을 정출시킨다. 터키석.오팔,칼세도니.공작석 등이 그 예이다.

◎ 보석광물의 산출

♣보석 광물이 집중적으로 산출되는 대표적 공급원(供給源)이 몇가지 있다.

(1)페그마타이트

분화(分化)말기(末期)의 마그마 내에는 수증기 뿐만아니라 기타 휘발성이 높은 F,CI,B와 같은 원소와 마그마 분화 초기에 사용되지 않은 Zr,Be,U, Th같은 원소가 상당량 농집(濃集)하게 된다.

페그마타이트는 수증기 압력이 높은 상태에서 만들어 지기 때문에 거대한 광물 결정들로 이루어져 있다.

이때 희귀한 광물도 많아 만들어진다. 거정질(巨晶質)의 황수정.자수정.백수정.정장석.아마죠나이트등과 같은 조암광물(造岩鑛物)뿐만 아니라 베릴.전기석.토파즈,스포듀민.크리소베릴.인회석.저어콘과 같은 보석광물이 집중적으로 산출될수 있다.
마다가스카르에 있는 페그마타이트는 보석광물의 보고(寶庫)로서 유명하다.

(2)킴벌라이트

다이아몬드를 함유하는 연기성 내지 초염기성 암석으로서, 각력암질(角礫岩質)조직을 나타내는 것이 특징이다.
킴벌라이트 파이프(Kimberlite pipe)라고도 한다.

색깔은 연두색 계통이 많으나 유백색,회색,녹색등도 있다. 킴벌라이트의 성인(成因)에 대해서 아직은 명확히 알려진 바가 없으며, 킴벌라이트에 수반되는 다이아몬드가 킴벌라이트 암석이 만들어질 때 생성된 것인지, 아니면 킴벌라이트가 지표(地表)로 분출할 때 포획된 포획물인지는 아직 확실치가 않다.
킴벌라이트는 남아프리카 공화국, 소련, 중국등지에 분포한다.

(3)변성암

버어마 북부에 분포하고 있는 대리암과 태국 및 인도의 편마암 내에는 루비.사파이어.스피넬 등이 풍부하게 존재한다. 콜롬비아의 편암 내에서는 에머럴드가 산출된다.

(4)사광상

스리랑카,파키스탄,브라질에는 보석을 많이 함유하고 있는 사력층(砂礫層)이 있어서 유명한데, 이를 사광상(砂鑛床)또는 충적광상(沖積鑛床)이라 한다. 대체로 지표 3∼5m밑에는 집중적으로 산출된다.

그곳은 과거에 큰 강의 바닥이었던 곳으로, 풍화작용을 받은후 물에 의해 운반되어 온 보석광물들이 마치 퇴적물 형태로 쌓인 것이다.
베트남과 태국에 걸쳐서 분포하는 충적층(沖積層)에도 루비.사파이어.저어콘등이 많이 존재한다. 남아프리카 공화국의 여러 충적층과 호주의 해변가 모래에는 다이아몬드가 다량 산출된다.
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