광물학 분류
⑴ 규산염 광물
① 지각에 존재하는 대부분의 광물은 규산염 광물 : 전체 광물의 92%
② 원인 : 지구의 기원이 그런 방식이었음
○ 1st. 초기 태양계에 미행성체가 있었음
○ 2nd. 이들이 모이고 모여 원시 지구를 형성
○ 3rd. 원시 지구를 형성하면서 열 에너지가 발생
○ 4th. 액체상태였던 원시 지구에서 무거원 원소(예 : Fe, Ni)는 지구 중심으로 모임
○ 5th. 지구 전체적으로 풍부한 원소는 Fe이나 지각에서 풍부한 광물은 저밀도 산화 화학종, 즉 규산염 광물임
③ 보충 : 현재 지각 상황
○ 지각의 8대 원소 : 지각은 8개의 원소가 99 % 이상을 차지
O ＞ Si ＞ Al ＞ Fe ＞ Ca ＞ Na ＞ K ＞ Mg
○ 산소가 월등히 많음 (질량비 : 45.2 wt%, 원자비율 : 92 vol%)
○ 어떤 화학종은 분산돼 있고(예 : Rb), 어떤 화학종은 농집돼 있음(예 : Zr(저어콘), Ti(금홍석, 티탄철석))
○ 양이 적은 원소는 농집된 곳에서 채광함
○ 상대적으로 많은 원소인 산소와 규소가 대부분의 광물을 형성 → 규산염 광물이 대부분인 이유
④ 4개의 산소원자가 규소원자를 둘러싸는 구조 (단, 이때는 분자의 이온이 -4로 상당히 불안정함)
○ 규산염 광물은 다른 '양이온'과 결합하여 다양한 형태가 됨
○ '양이온' : 지각의 8대 원소 중 산소, 규소를 제외한 것, 즉 Al, Fe, Ca, Na, K, Mg
⑵ 규산염 광물의 분류
① 분류 기준
○ 기준 1. 규소 원자가 불안정한 -4의 전하를 어떻게 해결하는지 (고온정출, 저온정출과 관련)
○ 기준 2. 암석의 색
○ 기준 3. 연속계열, 불연속계열
○ 연속계열 : 정출 시 양이온의 치환으로만 이루어지는 것
○ 불연속계열 : 정출 시 계속해서 결정 구조가 변하는 것
○ 정출 : 마그마에 의해 광물이 갓 생성되는 것
② 마그마 정출 순서
○ 암기 팁 : 현안유
○ SiO2의 함량이 많을수록 온도가 낮음
○ SiO2의 함량이 많을수록 점성이 높음
○ (주석) SiO2는 유리의 주성분이므로 끈적끈적한 느낌을 상기하면 됨
② 고온정출광물 : 고온에서 정출되는 광물, 다시 철마그네슘 규산염과 비-철마그네슘 규산염으로 구분됨
③ 철마그네슘 광물(ferromagnesian) : 철, 마그네슘이 -4의 전하를 중화
○ 공통 특징
○ 유색광물 : 철, 마그네슘에 의해 녹색, 검정색, 암회색을 띰
○ 철 때문에 밀도가 큼
○ 종류 1에서 종류 4로 갈수록 인접하는 사면체 간에 공유하는 산소의 수가 많아짐
○ 종류 1에서 종류 4로 갈수록 광물의 용융점이 낮아짐
○ 종류 1. 감람석군(olivine group)
○ 화학식 : (Mg, Fe)2SiO4
○ Mg2+과 Fe2+은 이온 반지름이 비슷해 서로 치환됨
○ 구조 : 독립사면체 구조. 독립형 구조
○ 각각의 규산염이 정사면체의 형태로 독립적으로 존재
○ 중간중간 들어가는 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 종류 2. 휘석군(pyroxene group)
○ 화학식 : XYSi2O6 또는 (Mg, Fe)SiO3
○ 구조 : 사슬형 구조
○ 단쇄상 또는 단사슬 구조라고도 함
○ 감람석군의 구조에서 한 줄, 한 줄씩 이어진 구조
○ 규산염 사면체가 양쪽의 산소를 공유
○ 각 선형구조 사이에는 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 특징
○ 능선이 90°
○ 기둥 모양의 결정을 이룸
○ 2방향 쪼개짐이 발달 : 사슬형 구조에서 기인
○ 종류 3. 각섬석군(amphibole group)
○ 화학식 : Ca2Na(Mg, Fe)4(Al, Fe, Ti)3Si6O22(OH, F)2 또는 Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2
○ 구조 : 이중사슬
○ 복쇄상 또는 복사슬이라고도 함
○ 휘석의 구조에서 한 줄이 아니라 두 줄씩 이어진 구조
○ 규산염 사면체가 2개의 산소를 공유
○ 서로 반대 방향을 바라보는 두 사슬이 산소를 공유하는 구조
○ 각 복쇄들 사이에는 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 특징
○ 능선이 120°
○ 기둥 모양의 결정을 이룸
○ 2방향 쪼개짐이 발달 : 이중사슬 구조에서 기인
○ 종류 4. 운모군(흑운모)(mica group)
○ 화학식 : K(Mg, Fe)3(OH)2AlSi3O12 또는 Al2Si2O3(OH)4
○ 구조 : 판상구조
○ 모든 사실이 이어져 하나의 평면을 구성하는 구조
○ 규산염 사면체가 산소 3개를 공유
○ 판과 판 사이에 양이온이 삽입되어 -4의 음전하를 중화
○ 즉, 산소-양이온-산소로 연결된 이온결합으로 반데르발스 힘보다는 크나 힘이 약한 편
○ 약간의 힘을 받아도 얇게 쪼개지는 경향이 존재 : 반데르발스 힘이 적용되는 것에는 흑연이 있음
○ 흑운모는 철마그네슘 광물이지만 백운모는 비-철마그네슘 광물에 속함
○ 흑훈모는 현무암보다 화강암에 많이 들어 있음
○ 1방향 쪼개짐이 발달
④ 비-철마그네슘 광물(non-ferromagnesian) : 알루미늄이 -4의 전하를 중화, 주로 밝은색
○ 망상구조 : 규산염 사면체가 산소 4개를 모두 공유하여 3차원으로 결합
○ 일반적으로 규산염 사면체의 결합이 복잡할수록 안정하여 망상구조는 풍화에 강함
○ 종류 1. 석영
○ 규산염 사면체 사이의 모든 산소를 공유하여 규소와 산소만으로 구성
○ 망상구조
○ 종류 2. 장석군(feldspar group) 중 사장석
○ Ca 장석과 Na 장석의 결정형이 같음 : 규산염 사면체의 규소 일부를 대신하여 양이온이 결합하여 구성
○ 사장석은 2 방향으로 쪼개짐이 일어남
○ Ca 장석과 Na 장석으로 구분 (고용체 관계)
○ 고용체 : 고체가 용액처럼 존재하게 될 때 다른 이온이 기존의 결정구조에 침투하는 것
○ Na+와 Ca2+가 서로 치환이 가능하므로
○ 온도에 따른 Ca 장석과 Na 장석의 함량 : 초기 고온 상태에서 Ca 장석이 먼저 석출됨
○ 감람석도 고용체 광물임
⑤ 저온정출광물
○ 원리
○ 고온정출 광물이 저온정출 광물보다 빨리 만들어짐
○ 고온정출 시 많은 양의 산소와 반응을 함
○ 저온정출 광물이 형성될 때는 산소를 아껴쓰려 하기 때문에 산소를 최대한 공유하려고 함
○ 각 결정 구조가 산소를 최대한 공유하는 구조가 됨 → 망상구조화
○ 종류 1. 정장석(orthoclase) : K2O·Al2O3·6SiO2
○ K 장석이라고도 불림
○ 양이온 함량이 낮은 저온정출 광물
○ 사장석과 달리 저온정출되어 달리 치환될 금속 양이온이 없기 때문에 고용체가 존재하지 않음
○ 조암광물의 약 12%를 차지함
○ 화학적 풍화 작용을 받으면 고령토가 됨
○ 종류 2. 운모군(백운모)(mica group) (위 참고)
○ 종류 3. 석영(quartz) : SiO2, 입체구조(망상구조)
○ 석영은 양이온의 함량이 거의 없음
○ 석영은 다른 광물보다도 공유결합이 이온결합보다 훨씬 많음
○ 풍화에 대한 저항성↑
○ 모스경도↑ : 7
○ 해변의 모래에 석영이 많은 이유도 풍화에 대한 저항성 때문
○ 팁. 후기정출이 될수록 풍화의 저항성이 높아짐
○ 이유 1. 공유결합수가 많아지기 때문
○ 이유 2. 이온성이 낮아지기 때문
⑥ (참고) 점토광물
○ 미립의 층상구조를 가진 규산염 광물
○ 고령토는 점토광물
○ 가소성(plasticity) : 물을 흡수하면 가소성이 있고, 제거하면 단단해짐
⑶ 비규산염 광물
① 지각의 10 %에 해당
② 분류
○ 산화광물(oxides) : 자철석(Fe3O4) 등
○ 황화광물(sulfides)
○ 황산염광물(sulfates)
○ 탄산염광물(carbonates)
○ 원소광물(native elements)
③ 예 : 황철석(FeS), 방연석(PbS), 방해석, 자연동(Cu), 암염(NaCl), 석고 등
○ 방해석 : 탄산염 중 가장 흔함