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감람석
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감람석(橄欖石, olivin)은 마그네슘과 철로 이루어진 규산염 광물로서 화학식은 (Mg²⁺, Fe²⁺)₂SiO₄이다. 감람석은 지각의 주요 구성 요소이고 매우 흔한 광물이지만, 반투명한 고품질일 경우 보석으로 사용되기도 한다. 8월의 탄생석인 페리도트(peridot)가 바로 감람석의 한 종류이다. 감람석의 영어 올리빈(olivin)은 올리브와 같은 녹색을 띤다는 것에서 유래했다. 달과 화성 등의 운석에서도 다량의 마그네슘이 포함된 감람석이 발견된다.
목차
개요
감람석은 마그네슘과 철 성분을 함유하는 규산염 광물로 화학식은 (Mg,Fe)₂SiO₄이며, 사방정계의 결정형을 가지는 주요 조암광물 중 하나이다. 마그네슘과 철의 함유비가 두 내성분인 고토 감람석 (Forsterite, Mg₂SiO₄)와 철 감람석 (Fayalite, Fe₂SiO₄) 사이에서 위치하는 고용체이며, 올리빈 혹은 클리솔라이트라고 불리기도 한다. 감람석의 성분은 보통 철과 마그네슘의 몰수비로 표현한다. 고토 감람석는 1900 °C에 이르는 높은 녹는점을 가지고 있고, 반면 철 감람석의 녹는점은 1200 °C 정도이다.
감람석의 결정의 색깔은 올리브색 또는 황갈색, 회적색을 띠며, 투명 또는 반투명하다. 조흔색은 흰색이며, 굳기는 6.5∼7, 비중은 3.2∼3.4이다. 쪼개짐은 조개 껍질 모양의 깨짐을 나타낸다. 감람석은 변질하기 쉬운 광물 중의 하나이며, 일반적으로 결정이 깨진 틈이나 그 둘레를 따라 변질되어 사문석(serpentine)으로 변한다.
감람석은 주로 현무암 등의 염기성암이나 초염기성암에 함유되어있다. 철 감람석은, 철과 마그네슘 성분이 많은 현무암질 마그마가 분화할 때 주로 형성되며, 화강암이나 유문암 등에도 포함되어 있는 경우가 있다. 대개 현무암 이나 안산암 등 화산암의 반정으로서 산출되는데, 화산암 속에 입상의 결정으로 산출되며, 감람암 등 심성암에 함유되어 있는 경우도 많다. 지구 지각 내에서 가장 흔한 광물 중의 하나이며 달, 화성, 기타 많은 운석 등에서도 분포하고 있다.
결정 구조 및 분류
규산 마그네슘으로 된 보석
독립사면체 결정구조를 갖는 대표적인 광물이다. 오른쪽 그림에서 볼 수 있듯이 규산염 사면체가 서로 이어지지 않고 다 떨어져 있으며 그 사이를 2가 양이온이 채우고 있다는 걸 알 수 있다. 규산염사면체는 보통 알루미늄(Al)의 치환이 흔치 않으며 2가 양이온은 보통 마그네슘(Mg)와 철(Fe)이다. 이 때문에 다음 두 가지 단종이 가장 핵심적이다.
- 고토감람석 (Forsterite) Mg₂SiO₄
- 철감람석 (Fayalite) Fe₂SiO₄
결정학적으로는 사실 이 광물도 M1, M2 자리가 구분되지만 Mg와 Fe는 서로 치환이 잘 일어나기 때문에 다른 광물에 비해 중요성이 떨어진다.
흔히 말하는 감람석은 감람석 알파상(α-phase)이다. 고압이 되면 감마상(γ-phase)로 상전이를 일으키게 되는데, 이 감마상의 광물을 특히 링우다이트(Ringwoodite)라고 부른다. 그런데 감람석에 마그네슘 함량이 약 85%(Mg/(Mg+Fe)>0.85)일 때는 감마상과 알파상의 상전이가 있기 전에 베타상(β-phase)이 나타나게 된다. 베타상에 해당하는 감람석을 특히 왓셀라이트(Wadselyite)라고 부른다. 그리고 이 왓셀라이트와 링우다이트는 결정 구조가 첨정석 결정구조이기 때문에 별 혼동의 여지가 없으면 스피넬 구조로 상전이했다고 말하면 된다.
대부분의 경우에는 Mg와 Fe가 들어있지만, 간혹 Mg은 거의 없고 망가니즈(Mn)의 함량이 높을 때가 있다. 이를 Knebelite라고 부르며, Fe, Mg가 모두 결핍되고 Mn으로 되어 있으면 이를 Tephroite라고 부른다. 드물게 칼슘(Ca)이 많이 들어간 경우도 있는데, 이를 Monticellite라고 부른다. 이 경우는 Lamprophyre의 일종인 Alnöite 같은 암상에서 보고되어 있다. 이들을 모두 묶어 감람석군(olivine group)이라고 말한다.
특징
감람석은 상부맨틀에 가장 많이 들어있으며, 약 60 - 70%를 차지하고 있다. 감람석은 마그네슘, 철, 규소, 산소로 구성되어 있고, 화학조성은 (Mg,Fe)₂SiO₂ 이며, 색깔은 옅은 녹색, 녹색, 짙은 녹색을 띠고 있다(아래 그림). 감람석에 철이 약 10% 정도 포함되어 있다. 따라서 지표에 노출되어 있으면 산화되어 원래의 녹색에서 누런색 - 누런 갈색으로 변해간다. 철이 들어있지 않고 마그네슘만 들어있는 감람석(Mg₂SiO₂)을 훠스터라이트 (forsterite)이라 부르고, 반면에 마그네
감람석이 주요 광물(99 % 이상)로 이루어진 암석을 감람암(dunite)이라고 부른다. 사방휘석과 단사휘석이 10 % 이상 들어있는 맨틀 암석을 레졸라이트(lherzolite)라 부르고, 휘석이 90 % 이상 들어있는 암석을 파이록시나이트(pyroxenite), 또는 휘석암 이라고 부른다. 큰 감람석은 연마하여 보석으로 사용된다. 보석상에서 감람석은 페리돗(peridot)이란 이름으로 불리며, 반지, 목걸이, 귀걸이로 만들어져 팔리고 있다.
물리적 성질
감람석은 밀도가 3.22 - 4.39 g/cm³ 이고, 경도가 6.5 - 7 이다. 맨틀상부의 물리적인 성질은 감람석의 물성에 크게 달려있다. 지구 내부 구조 연구에 중요한 지진파의 전파속도와 이방성은 감람석의 광물선호방향(crystal preferred orientation; CPO) 에 크게 영향을 받는다
감람석의 지진파 이방성
지진파 이방성이란 지진파가 전파해 나갈 때 방향에 따라 속도가 다르게 나타나는 현상으로, 지구내부 구조를 밝혀내는데 중요한 역할을 한다. 감람석을 지진파가 통과할 때 감람석의 [100]축을 따라 지진파가 가장 빠르게 전파하며, [010]축을 따라 가장 느리게 전파한다. 맨틀 상부의 암석 속에는 감람석이 가장 많이 들어 있기 때문에, 이곳에서 지진파의 전파속도는 감람석이 어떤 방향으로 배열을 하고 있는가에 크게 달려있다. 감람석의 배열되는 방식이 감람석 내부의 물의 함량에 따라 달라진다는 것이 2001년에 처음으로 발견되었다. 감람석이 변형될 때 물이 없거나 적은 경우(< 200 ppm H/Si)에 감람석의 [100]축이 전단 방향에 평행하게 배열되지만, 물이 많이 들어 있으면 (> 200 ppm H/Si) 감람의 [001]축이 전단방향에 평행하게 배열된다는 것이다.
감람석의 생산 및 이용
감람석은 세계 최대 생산국인 노르웨이 그리고 스웨덴, 일본, 미국, 파키스탄 등에서 생산한다. 대한민국 강원도 고성에서도 상당량의 감람석이 매장되어 있으나 그 개발은 아직 미진하다.
감람석은 주로 제철소에서 용재 조절재, 소결제, 다양한 용도의 펠릿, 금속 모양을 다듬는 주조 사포, 그리고 높은 녹는점과 부식 저항성이 있는 내화재 용도로 이용된다. 미세한 입도의 감람석은 금속의 용접 자국을 제거하는 연마재로도 사용된다.
감람석과 리튬 이온 전지
매우 안전하고, 수명이 길고, 값도 싸며, 그리고 환경친화적이기에 감람석은 리튬 이온 전지의 양극 소재로 쓰인다. 일반적으로 양극 소재의 구조는 (Li¹⁺M²⁺)P⁵⁺O₄인데 감람석 구조에서 산화수 +2의 금속 하나가 +1의 리튬으로, +4의 규소가 +5의 인으로 대체되면 비슷한 결정 구조가 되기에 올빈계 양극재라고 불리고 있다.
감람석 운동장과 위해성
2010년에 학교 운동장 조성 사업의 일환으로 몇몇 학교에 "친환경" 감람석 운동장이 조성되었다. 기존에 사용하던 인조 잔디 운동장이 관리 및 오염물질 처리에 문제가 있자 이를 대체하기 위한 시도였다. 하지만 기준치 이상의 석면과 같은 유해 물질이 검출되면서 현재는 철거된 상황이다. 이는 시간이 흐르면서 감람석으로부터 발생한 것으로 보인다. 즉, 감람석이 물과 반응하여 변질되면서 사문석(serpentine, Mg₃(Si₂O₅(OH)₄))이라는 규산염 광물이 생성되는 데 그중 섬유상의 크리소타일(chrysotile)이 바로 석면이다.
보석으로서의 감람석: 페리도트
보석으로서 가치를 갖는 감람석은 특별히 페리도트(peridot)라는 명칭이 따로 존재한다. 이는 감람석이 아주 풍부하게 들어있는 감람암(peridotite)의 어원이다.
보석 등급의 감람석은 어두운 올리브색에 가까울수록 높은 가치를 갖는다고 알려져 있으며, 다른 광물과 마찬가지로 불순물이 없고 고유한 색이 균질하게 잘 나타나야 한다. 감람석은 다른 색이랄게 없기에 보석에서도 녹색만이 알려졌다. 같은 녹색 보석의 대명사격인 에메랄드와는 묘하게 색 차이가 있다. 에메랄드보다 페리도트 쪽이 황녹색에 더 가깝다.
8월의 탄생석으로, 부부의 행복과 친구와의 화합, 지혜, 혁명, 성실, 덕방 등의 의미를 지녔다. 또한 결혼 16주년을 기념하기 위해 추천되는 보석이다. 하와이에서는 원주민들이 다이아먼드헤드라는 화산 분화구에서 발견된 페리도트를 다이아몬드로 여겼기 때문에 '하와이안 다이아몬드'라고 했고, 중세 유럽에서는 밤이 되어도 빛을 잃지 않고 오히려 밤의 빛 아래에서 더욱 빛난다는 보석의 특징 때문에 '이브닝 에메랄드'라고 했다. 태양이 내린 선물이라는 이미지와 함께 어두운 밤에도 빛을 잃지 않는 신비함 때문에 악령으로부터 보호하고 근심을 떨쳐버리기 위한 호신부로 쓰였는데, 이때는 금으로 장식하는 것을 으뜸으로 쳤다.
어원은 분명하지 않으나 라틴어로 보석을 뜻하는 faridat에서 유래되었다는 설과, 고대 영어로 오팔의 한 종류를 뜻하는 pedoretés에서 유래되었다는 설 등이 있다. 가장 오래된 관련 기록으로 홍해의 자바가드(Zeberget) 섬에서 채취했다는 기록이 있는데, 이 당시에는 뿌연 안개 때문에 페리도트 채취가 힘들어 그리스어로 '찾아다니다'는 뜻을 지닌 토파즈라 불렸다고 한다. 유럽에는 십자군 전쟁 때 소개되어 교회 장식으로 널리 쓰였다. 독일 쾰른 대성당의 성체현시대에는 200캐럿이 넘는 페리도트를 장식했다.
전세계적으로는 이 자바가드를 포함하여 미얀마, 하와이, 미국, 호주, 노르웨이, 스리랑카, 멕시코, 브라질 등의 광산에서 채취되고 있다. 1994년 파키스탄과 아프가니스탄 국경지대에서 발견되어 생산되는 고급 페리도트는 '카슈미르 페리도트'라는 명칭으로 불린다.
페리도트의 관리법은 다음과 같다.
- 페리도트는 비교적 경도가 낮다. 탄자나이트보다 약간 높은 6.5~7이기 때문에 관리 시 주의를 기울이지 않으면 표면에 마모된 흔적이 쉽게 남는다. 사실 이건 어지간히 튼튼한 다이아몬드 같은 게 아닌 한 거의 대다수 보석들에서도 마찬가지로 주의해야 할 부분이다.
- 세척 시 맑은 물이나 비눗물에 헹궈낸 후 부드러운 천으로 닦아야 하며 열이나 부딪침으로부터 주의를 기울어야 한다.
- 또한 페리도트는 복굴절이 심해 지르콘과 같이 더블링 현상(선이 두 개로 보이는 현상)이 가장 심하게 나타난다.
참고자료
같이 보기
