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지르콘
지르콘(Zircon)은 정방 정계의 광물이다. 페그마타이트를 비롯하여 각종 암석에서 산출된다. 다이아몬드 광택이 나는 무색·적색·황색·청색 기타 여러 빛깔을 띤다. 스리랑카·타이·베트남 등지에서는 사광을 이루어 양질의 것이 산출된다.
규산염사면체를 지르코늄이 이어주면서 만들어지는 단단하고 작은 광물이다. 풍신자석이라는 번역어가 있긴 하지만 학술적으로도 일상어로도 사용되지 않아 사실상 죽은 단어가 되었다.
화성암, 변성암, 퇴적암 모두에게서 발견되는 광물이지만 보통은 크기가 무척 작기 때문에 육안으로 발견되는 경우는 경우는 많지 않다. 보통 지르콘 결정의 크기는 0.1~0.3 mm 정도인데, 잘 자란 것도 보통 1 mm를 잘 넘지 않는다. 편광현미경 상으로도 쌀알 관찰하는 정도로 보이게 된다. 이미지 검색을 해보면 상당히 큰 지르콘 결정들도 볼 수 있는데, 이 경우는 드문 경우로 상대적으로 고철질인 페그마타이트나 카보네타이트 환경에서 보고되어 있다. 암석 성분상 지르코늄은 그리 높은 농도를 보이는 원소도 아닐 뿐더러 지르콘이 주성분 광물이 되는 경우도 없지만, 지질학에서는 매우 중요한 광물이다.
개요
지르콘은 규산염 사면체 (SiO4)에 지르코늄(Zr)이 결합되어 정방정계의 결정형을 가지는 단단하고 작은 광물이다. 주로 갈색, 적색, 회색, 노란색을 띤다.
지르콘은 규산염 사면체 (SiO4)를 지르코늄 (Zr)이 이어주면서 만들어지는 단단하고 작은 광물이다. 명칭은 금이라는 의미의 페르시아어 zar와 색깔이라는 단어 gun에서 유래되었다.화성암, 변성암, 퇴적암 모두에게서 발견되는 광물이지만, 주로 화강암 계열 암석에서 가장 많이 발견된다. 보통은 크기가 무척 작기 때문에 육안으로 발견되는 경우는 경우는 많지 않다. 보통 지르콘 결정의 크기는 0.1~0.3 mm 정도인데, 잘 자란 것도 보통 1 mm를 잘 넘지 않는다. 가끔 상당히 큰 지르콘 결정이 발견되는 고철질의 페그마타이트나 카보네타이트 환경에서 생성된 것으로 추정된다. 굳기는 7.5, 비중은 4.2-4.8로 쪼개짐은 거의 나타나지 않으며, 대신 패각상의 깨짐이 나타난다. 주로 갈색, 적색, 회색, 담갈색, 담황색, 백색으로 나타나며, 백색의 조흔색을 가진다.
이처럼 크기가 매우 작은 광물임에도 불구하고 지질학적으로 매우 중요한 광물 취급을 받는 것은 크게 두 가지 성질 때문이다. 첫번째는 지르콘에서 Zr은 4가 양이온이며 이 자리를 우라늄과 토륨, 하프늄과 같은 고준위원소(High Field Strength Elements, HFSEs)가 쉽게 치환할 수 있다는 점이다. 이들은 액체와 너무 친하기 때문에 마그마가 고결작용을 거칠 때 대부분 참여하지 않는다. 이러한 이유에서 지르콘은 그런 고준위원소를 잘 받아들이는 마그마 속 몇 안되는 광물이며 다른 광물들에 비해 고준위원소 농도가 매우 높다. 두번째는 풍화에 무척 강하고 변질도 잘 받지 않는데다가 결정이 만들어지는 온도도 매우 높아서 마그마 속에서도 용융되지 않고 잘 보존되는 특성 때문이다. 지르콘은 한번 만들어지면 그 광물을 가졌던 암석이 다시 마그마 속에서 녹아 없어지거나, 정말 오랜 시간 풍화되어서 지르콘이 마모되어 사라져버리지 않는 이상, 처음 만들어진 지질학적 기록을 잘 유지시켜준다. 이는 지질학적으로 매우 의미가 크기 때문에 매년 지르콘 혹은 지르콘의 연대에 관련된 논문과 연구들이 발표되고 있다. 심지어 화성암, 변성암, 퇴적암을 가리지 않고 산출되는데, 특히 변성암의 경우에는 큰 변성 과정을 거치면 지르콘이 녹거나 동화되는 것이 아니라 원래 결정은 대체로 그대로 유지되면서 결정 위로 덧붙어 새로 자란며 원래 연대와 변성 연대 두 가지를 모두 기록한다.
지르콘은 내화재료, 보석, 네른스트 전구의 재료 등으로 쓰일 뿐만 아니라, 지르코늄의 주요 광석이 된다. 주요 산지는 스리랑카, 베트남, 태국 등이다.
구조 및 화학조성
SiO₄사면체와 ZrO₈ 12면체 배위다면체가 모서리를 공유하며 c-축 방향으로 연결되어 사슬을 형성하고, 이웃한 사슬들이 모서리를 공유하며 연결되어 정방정계 구조의 지르콘 구조가 형성된다(그림 1). ZrO₈ 12면체는 삼각형 12개로 둘러싸인 배위다면체이다. 지르콘의 이상적 화학조성은 ZrO₂ 67.2%, SiO₂ 32.85%이다. 지르콘에는 흔히 Hf⁴⁺이 Zr⁴⁺를 치환하여, 지르콘(ZrSiO₄)과 하프논(hafnon, HfSiO₄) 사이에 완전한 고용체가 존재한다. HfO₂ 분석값은 대개 1-4% 정도이나, 최대 24%까지 보고된 바 있다. 또한 Zr⁴⁺와 이온 크기나 전하가 비슷한 U⁴⁺, Th⁴⁺, 중희토류(heavy rare earth elements) 원소들이 상당히 함유될 수 있다. 전하가 3+인 중희토류 이온이 함유될 경우에는 P⁵⁺이 Si⁴⁺를 치환하여 전하 균형이 이루어진다. 방사성원소인 U과 Th 함량이 높은 지르콘은 방사선 때문에 구조가 파괴되면, 비정질의 메타믹트(metamict) 상태가 된다.
물리적 특성
단면이 사각형인 기둥에 사각 지붕이 얹힌 모양의 결정 형태를 갖는다. 벽개가 잘 발달되어 있다. 모스경도는 7.5이나, 메타믹트 정도에 따라 6까지 낮아질 수 있다. 비중은 4.6-4.7이나 메타믹트 지르콘은 3.9까지 낮아진다. 지르콘은 무색, 백색, 회색, 분홍색, 황색, 갈색 등의 다양한 색을 띤다. 굴절률이 1.922-2.015로 매우 높고, 복굴절률도 높다.
타입
지르콘은 크게 두 개의 타입으로 나뉜다.
하나는 하이(High)타입으로써 경도와 비중, 굴절률이 모두 높은 지르콘이다. 이 하이타입 지르콘은 강한 더블링 현상을 보이면서 높은 광채를 보이는 지르콘으로 대표적으로 블루 지르콘이 여기에 속한다. 레드 지르콘이나 오렌지, 브라운 지르콘도 하이타입 지르콘에 속한다.
또 다른 하나는 로우(Low)타입으로써 경도와 비중, 굴절률이 하이타입에 비해 상대적으로 약하다. 이 로우타입 지르콘은 대개 그린 색상이나 옐로우 색상이며 이는 지르콘이 천연적으로 가지고 있는 우라늄이나 토륨 같은 방사선 성분이 오랜 지질학적 시간 동안 지르콘의 결정구조(Crystal Structure)를 붕괴시켜 비정질화된 지르콘이다. (이를 결정학적 용어로Metamictization이라 부른다)
이렇게 생성된 그린 지르콘이나 옐로우 지르콘은 매우 희귀해 수집가 아이템에 속한다. 특히 그린 지르콘은 마치 차보라이트와 같은 색상을 지녔다. 옐로우 지르콘 또한 연한 살색을 지녀 옐로우 크리소베릴과 외관상 구분이 되지 않을 정도이다.
메타믹트(Metamict) 그린 지르콘과 옐로우 지르콘은 대개 스리랑카에서 생산된다. 이밖에도 레드와 오렌지, 브라운 지르콘도 스리랑카에서 생산되고 있다. 대표적인 지르콘 색상인 블루 지르콘은 캄보디아에서 생산된다. 캄보디아에서 생산되는 적갈색 지르콘이 열처리 과정을 거쳐 매우 아름다운 블루 지르콘으로 재탄생된다.
지르콘의 가격은 블루 지르콘이 가장 비싸며 다음으로 레드, 오렌지, 옐로우, 브라운 순이다.
그린 지르콘은 매우 희귀하고 차보라이트와 같이 맑은 색상이 드물기 때문에 수집가 아이템으로 분류된다.
지르콘이 들어있는 일별 탄생석
- 01월 05일 - 골든 지르콘 (Golden Zircon) ㅡ 슬픔과 의혹의 제거
- 02월 15일 - 핑크 지르콘 (Pink Zircon) ㅡ 고통의 완화
- 03월 25일 - 피치 지르콘 (Pitch Zircon) ㅡ 고통의 구원
- 03월 27일 - 퍼플 지르콘 (Purple Zircon) ㅡ 많은 대화
- 04월 10일 - 화이트 지르콘 (White Zircon) ㅡ 모든 것을 건 마음
- 04월 19일 - 바이올렛 지르콘 (Violet Zircon) ㅡ 세속성과 정신성
- 05월 03일 - 그린 지르콘 (Green Zircon) ㅡ 평화의 소원
- 05월 14일 - 블루 그린 지르콘 (Blue Green Zircon) ㅡ 떠나가는 고통
- 06월 28일 - 블루 지르콘 (Blue Zircon) ㅡ 환각, 꿈꾸는 마음
- 07월 31일 - 레드 지르콘 (Red Zircon) ㅡ 평안
- 08월 6일 - 다크 그린 지르콘 (Dark Green Zircon) ㅡ 정신의 위안
- 08월 13일 - 옐로 지르콘 (Yellow Zircon) ㅡ 출산의 슬픔
- 09월 22일 - 지르콘 (Zircon) ㅡ 순수
- 12월 12일 - 소프트핑크 지르콘 (Soft Pink Zircon) ㅡ 묘약
지질학적 배경
지르콘은 지르코늄이 너무 낮은 농도로 있지만 않다면 변성암이나 화성암에서 얼마든지 자라날 수 있다. 보통 지르콘이 가장 흔하게 발견되는 암석은 화강암 계열의 암석이다. 편광현미경을 이용하면 흑운모나 백운모 혹은 결정 경계면에서 쉽게 찾아볼 수 있다.
이렇게 크기가 작은데도 불구하고 아주 중요한 광물 취급을 받는 것은 크게 두 가지 정도의 성질 때문이다. 하나는 이 광물이 무척 풍화에 강해서 어지간한 환경에서는 손상되지 않는다는 점이고, 또 하나는 이 광물에서 Zr은 4가 양이온이며 이 자리를 우라늄과 토륨, 하프늄이 쉽게 치환할 수 있다. 보통 Zr, Hf, Th, U은 고준위원소(High Field Strength Elements, HFSEs)라고 부르는 집단에 속한다. 이들은 마그마가 결정을 만들 때 대부분 참여하지 않는다. 액체와 너무 친하기 때문인데, 바로 이 지르콘은 그런 고준위원소를 잘 받아들이는 마그마 속 몇 안되는 광물이다. 그래서 지르콘 내에는 다른 광물과는 비교를 거부할 정도로 고준위원소 농도가 높다.
그런데 우라늄과 토륨, 하프늄은 모두 동위원소 연대측정법에 탁월한 능력을 가진 원소들이다. 특히 그 중에서 우라늄은 포타슘(칼륨)과 함께 현재 가장 정밀한 연대자료를 제공해주는 고정밀연대측정(High-precision geochronology)의 주인공들이다. 그런데 연대측정에서 가장 중요한 것은 연대 초기값에 들어가는 모원소의 농도인데, 흥미롭게도 우라늄이 붕괴하여 만들어지는 납 원소는 4가 양이온이 아니라 1~2가 양이온이다. 더군다나 원자반경에도 차이가 꽤 있다. 그래서 지르콘이 성장할 때 우라늄은 잘 받아들이지만 납은 거의 들어갈 수가 없다.
그래서 지르콘이 성장할 때는 광물 내에 우라늄 농도는 높은데 납은 측정이 힘들 정도로 없다. 그래서 지르콘은 그 안의 우라늄과 납의 원소 농도비를 재면 곧 연대값이 도출된다! 대부분의 동위원소 연대측정 시스템이 초기값에 대한 불확실성 때문에 등연대선(isocrhon)법을 활용해야한다는 점을 생각해보면 어마어마한 이점이다.
더군다나 지르콘은 풍화에 무척 강하고 변질도 잘 받지 않는데다가 심지어 결정이 만들어지는 온도도 매우 높아서 마그마 속에서 생존하기도 한다. 따라서 지르콘은 한번 만들어지면 그 광물을 가졌던 암석이 다시 마그마 속에서 녹아 없어지거나, 정말 오랜 시간 풍화되어서 지르콘이 마모되어 사라져버리지 않는 이상, 처음 만들어진 지질학적 시계를 고장 한번 내지 않고 유지시켜준다. 이는 지질학자에게는 엄청난 것이기 때문에 지금도 매년 지르콘 혹은 지르콘의 연대에 관련된 논문이 쏟아져내리고 있다. 심지어 화성암, 변성암, 퇴적암을 가리지 않고 산출한다. 그리고 변성암의 경우에는 큰 변성 과정을 거치면 지르콘이 녹거나 동화되는 것이 아니라 원래 결정은 대체로 그대로 있고 그 위에 덧자란다. 즉, 지르콘의 원래 연대와 변성 연대 두 가지를 덧붙여 가지게 되는 것이다.
이 놀라운 이점은 옛날부터 과학자들의 구미를 당겼을 뿐만 아니라, 바로 이 광물 덕분에 지구의 진짜 나이를 처음으로 알게 되었다. 1956년 클레어 패터슨이 최초로 지구 나이를 45.5억년으로 발표했을 때 사용한 연대측정 광물이 바로 지르콘이다. 즉, 온 세계 사람들이 알고 있는 이른바 '지구의 나이'의 값은 사실 지르콘의 연대자료인 것. 나중에 이 운석 속 지르콘 연대가 정말 지구 나이를 대변해줄 수 있는가에 대해서 반백년 동안 검증을 거쳐왔고, 지금까지 큰 무리가 없는 것으로 확인됐다. 한국에서 가장 오래된 암석이라는 것도 변성암 내에서 발견한 지르콘 연대이다.
상업적 가치
특별한 지질학적 조건에서 지르콘은 크고 아름답게 자라는 것이 보고되어 있다. 지르콘은 석영과 비슷하게 미량원소의 종류에 따라 다채로운 색을 내며 어떤 경우에는 아주 화사한 파란빛이나 분홍빛을 띠기도 한다. 이런 경우에는 보석으로 가치가 충분히 있다. 그리고 이 광물의 높은 비중과 작은 결정 크기, 그리고 어디서나 많다는 점 때문에 지르콘을 모으면 지르콘 모래가 된다. 이 모래는 마모제와 같은 용도로도 사용되고, 필요한 경우에는 이를 재가공해 규소 성분을 없애고 지르콘산화물의 원료가 되기도 한다. 즉, 지르코늄 원소 자체를 얻는 원료 광물이 지르콘이다. 이렇게 얻은 지르콘산화물(ZrO₂)은 특별히 (큐빅) 지르코니아 혹은 큐빅 등으로 불린다. 상당한 내구를 가지고 있고 투명하기 때문에 인공 다이아 재료로 사용된다. 색이 있는 지르코니아는 그것대로 유색 보석을 대신하기도 한다.
동영상
참고자료
- 〈지르콘〉, 《나무위키》
- 〈지르콘〉, 《위키백과》
- 〈지르콘〉, 《두산백과》
- 〈지르콘〉, 《지질학백과》
- 김태수 편집장, 〈지르콘(ZIRCON)〉, 《귀금속경제신문》, 2013-12-12
같이 보기
