광물은 지각을 이루는 기본 물질이며, 우리 생활에 필수적인 자원입니다. 스마트폰, 자동차, 건물, 배터리 등 현대 문명의 모든 것이 광물에서 시작됩니다. 다이아몬드와 흑연은 둘 다 탄소로만 이루어져 있지만, 원자 배열이 다르면 하나는 가장 단단하고 다른 하나는 가장 무른 광물이 됩니다. 석영은 지각에서 가장 흔한 광물 중 하나이며, 모래, 유리, 반도체의 원료입니다. 장석은 지각의 60퍼센트를 차지하며, 운모는 얇은 판으로 쪼개집니다. 광물은 자연에서 만들어진 고체 무기물로, 일정한 화학 조성과 규칙적인 결정 구조를 가집니다. 현재 약 5000종 이상의 광물이 알려져 있지만, 암석을 구성하는 주요 조암 광물은 수십 종에 불과합니다. 이 글에서는 광물의 정의와 특성, 광물을 구분하는 물리적 성질, 주요 광물의 종류와 용도, 그리고 광물 자원의 중요성을 상세히 알아보겠습니다.
광물의 정의와 형성
광물은 다섯 가지 조건을 만족해야 합니다. 첫째, 자연적으로 만들어져야 합니다. 실험실에서 합성한 결정은 같은 화학 조성과 구조를 가져도 엄밀히는 광물이 아닙니다. 둘째, 무기물이어야 합니다. 생물이 만든 유기물은 광물이 아닙니다. 단, 조개껍질의 탄산칼슘이나 산호는 생물이 만들었지만 무기 광물로 인정됩니다. 셋째, 고체여야 합니다. 물이나 수은은 자연에서 만들어진 무기물이지만 액체이므로 광물이 아닙니다. 얼음은 고체이므로 광물입니다. 넷째, 일정한 화학 조성을 가져야 합니다. 석영은 이산화규소로만 이루어져 있고, 방해석은 탄산칼슘입니다. 다섯째, 규칙적인 원자 배열, 즉 결정 구조를 가져야 합니다. 원자들이 3차원 공간에서 반복되는 패턴으로 배열되어 있어야 합니다. 유리는 이산화규소로 이루어져 있지만 원자가 무질서하게 배열된 비정질이므로 광물이 아닙니다. 광물은 여러 방법으로 형성됩니다. 마그마나 용암이 냉각되면 광물 결정이 성장합니다. 냉각 속도가 느리면 큰 결정이, 빠르면 작은 결정이 만들어집니다. 화강암의 석영, 장석, 운모는 마그마에서 결정화한 광물입니다. 용액에서 침전되어 형성되기도 합니다. 물에 녹아 있던 물질이 농도가 높아지거나 온도가 변하면 광물로 석출됩니다. 소금호수가 증발하면 암염이 침전되고, 석회동굴의 종유석은 탄산칼슘이 침전된 것입니다. 열과 압력으로 기존 광물이 변성되어 새로운 광물이 만들어지기도 합니다. 석회암의 방해석이 변성되면 대리암의 방해석이 되고, 점토 광물은 운모나 석류석으로 변합니다. 생물학적 과정으로도 광물이 형성됩니다. 조개와 산호는 탄산칼슘을 침전시켜 껍질을 만들고, 규조류는 이산화규소 껍질을 만듭니다. 이들이 쌓여 석회암과 규조토가 됩니다.
광물의 물리적 성질
광물을 구별하는 데는 여러 물리적 성질을 사용합니다. 색은 가장 눈에 띄는 특징입니다. 석영은 무색 투명하고, 장미석영은 분홍색이며, 자수정은 보라색입니다. 하지만 색만으로는 광물을 확실히 구별할 수 없습니다. 같은 광물도 불순물에 따라 색이 달라지기 때문입니다. 조흔색은 광물을 조흔판에 긁었을 때 나타나는 가루의 색입니다. 겉보기 색보다 일정하여 광물 감정에 유용합니다. 적철석은 금속 광택의 검은색이지만 조흔색은 적갈색입니다. 황철석은 황금색이지만 조흔색은 검은색입니다. 광택은 광물 표면의 빛 반사 정도입니다. 금속 광택은 금속처럼 강하게 반사하며, 황철석, 자철석이 이에 속합니다. 비금속 광택은 다시 유리 광택, 진주 광택, 수지 광택, 견사 광택 등으로 나뉩니다. 석영은 유리 광택, 활석은 진주 광택을 냅니다. 경도는 광물의 단단함입니다. 모스 굳기계를 사용하며, 1에서 10까지 10단계로 나뉩니다. 활석이 1로 가장 무르고, 다이아몬드가 10으로 가장 단단합니다. 석고는 2, 방해석은 3, 형석은 4, 인회석은 5, 정장석은 6, 석영은 7, 황옥은 8, 강옥은 9입니다. 손톱의 경도는 약 2.5, 구리 동전은 3.5, 유리는 5.5, 강철 칼은 6.5입니다. 경도가 낮은 광물은 경도가 높은 광물에 긁힙니다. 쪼개짐은 광물이 일정한 방향으로 깨지는 성질입니다. 운모는 한 방향으로 완벽하게 쪼개져 얇은 판이 되고, 방해석은 세 방향으로 쪼개져 능면체를 만듭니다. 석영은 쪼개짐이 없고 불규칙하게 깨집니다. 쪼개짐은 결정 구조의 약한 결합 방향을 반영합니다. 비중은 같은 부피의 물에 대한 광물의 무게 비율입니다. 대부분의 조암 광물은 비중이 2.5~3.5입니다. 금속 광물은 비중이 크며, 금은 19.3, 황철석은 5.0입니다. 밀도가 높을수록 무겁게 느껴집니다. 자성도 중요한 성질입니다. 자철석은 자석에 강하게 끌리며, 자철석 자체도 자성을 띱니다. 형광성을 가진 광물도 있습니다. 자외선을 비추면 빛을 내는 성질로, 형석은 이름처럼 형광을 냅니다.
주요 광물의 종류
규산염 광물
규산염 광물은 규소와 산소를 기본 골격으로 하는 광물로, 지각의 90퍼센트 이상을 차지합니다. 규산염 사면체라는 기본 단위가 다양하게 결합하여 여러 종류의 광물을 만듭니다. 석영은 가장 단순한 구조로, 모든 규산염 사면체가 산소를 공유하여 3차원 망을 이룹니다. 화학식은 이산화규소입니다. 경도 7로 단단하고, 쪼개짐이 없으며, 유리 광택을 냅니다. 무색 투명한 수정, 분홍색 장미석영, 보라색 자수정, 황색 황수정 등 다양한 색을 띱니다. 모래의 주성분이며, 유리와 반도체의 원료입니다. 장석은 지각에서 가장 흔한 광물군으로, 전체의 60퍼센트를 차지합니다. 정장석과 사장석으로 나뉩니다. 정장석은 칼륨을 포함하며 분홍색이나 흰색입니다. 경도 6이며 두 방향으로 쪼개집니다. 화강암과 편마암의 주성분이며, 도자기와 유리의 원료입니다. 사장석은 나트륨과 칼슘을 포함하며 흰색이나 회색입니다. 현무암과 안산암에 많습니다. 운모는 얇은 판으로 쪼개지는 광물입니다. 흑운모는 철과 마그네슘을 포함하여 검은색이고, 백운모는 칼륨과 알루미늄을 포함하여 은백색입니다. 한 방향으로 완벽하게 쪼개지며, 얇은 판은 탄력이 있습니다. 과거에는 창문 유리로 사용했고, 현재는 전기 절연체로 쓰입니다. 감람석은 마그네슘과 철의 규산염으로, 올리브색을 띱니다. 맨틀의 주요 광물이며, 현무암에서 볼 수 있습니다. 보석 품질의 감람석을 페리도트라고 합니다. 휘석과 각섬석은 어두운 색의 규산염 광물로, 철과 마그네슘이 풍부합니다. 현무암과 안산암의 주요 구성 광물입니다.
비규산염 광물
탄산염 광물은 탄산 이온을 포함합니다. 방해석은 탄산칼슘으로, 석회암의 주성분입니다. 경도 3으로 비교적 무르고, 세 방향으로 쪼개져 능면체를 만듭니다. 묽은 염산을 떨어뜨리면 거품을 내며 이산화탄소를 발생시킵니다. 무색이나 흰색이 많지만 불순물에 따라 다양한 색을 띱니다. 시멘트의 원료이며, 대리암은 변성된 방해석입니다. 백운석은 탄산칼슘마그네슘으로, 방해석과 비슷하지만 마그네슘을 포함합니다. 돌로마이트 암석을 구성합니다. 산화 광물은 산소와 금속의 화합물입니다. 적철석은 산화철로, 적갈색이며 조흔색도 적갈색입니다. 가장 중요한 철광석입니다. 자철석은 사산화삼철로, 검은색이며 자성을 띱니다. 역시 철광석으로 쓰입니다. 황화 광물은 황과 금속의 화합물입니다. 황철석은 황화철로, 황금색 금속 광택 때문에 바보의 금이라고 불립니다. 입방체나 12면체 결정을 만듭니다. 과거에는 황산 제조에 사용했습니다. 황동석은 구리와 철의 황화물로, 중요한 구리 광석입니다. 방연석은 황화납으로, 회색 금속 광택이 있고 세 방향으로 쪼개져 정육면체를 만듭니다. 납의 주요 광석입니다. 섬아연석은 황화아연으로, 아연 광석입니다. 황산염 광물은 황산 이온을 포함합니다. 석고는 황산칼슘의 수화물로, 경도 2로 매우 무릅니다. 손톱으로 긁힙니다. 흰색이며 진주 광택을 냅니다. 건축 자재로 널리 쓰이며, 석고보드와 깁스의 원료입니다. 중정석은 황산바륨으로, 비중이 4.5로 높습니다. 석유 시추에 사용합니다. 할로겐 광물은 할로겐 원소를 포함합니다. 암염은 염화나트륨으로, 식탁염과 같습니다. 입방체 결정을 만들고, 세 방향으로 쪼개집니다. 바닷물이 증발하여 만들어지며, 식품과 화학 공업에 필수적입니다. 형석은 불화칼슘으로, 다양한 색을 띠며 자외선에 형광을 냅니다. 경도 4로 모스 굳기계의 기준 광물입니다.
광물 자원의 중요성
광물은 현대 문명의 기반입니다. 건설에 쓰이는 시멘트, 유리, 도자기는 모두 광물에서 만듭니다. 금속은 광석에서 제련하며, 철, 구리, 알루미늄, 아연 등 산업의 필수 재료입니다. 반도체는 초고순도 규소로 만들며, 배터리는 리튬, 코발트, 니켈을 필요로 합니다. 스마트폰 하나에는 수십 종류의 광물이 들어갑니다. 희토류 원소는 전자제품, 풍력 발전기, 전기차 모터에 필수적입니다. 광물 자원은 재생 불가능합니다. 한번 캐내면 다시 만들어지기까지 수백만 년이 걸립니다. 따라서 지속 가능한 이용이 중요합니다. 재활용이 필수적이며, 폐전자제품에서 금속을 회수하는 도시 광산 개념이 주목받고 있습니다. 광물 탐사와 채굴은 경제적으로 중요하지만 환경 문제를 일으킵니다. 산을 깎고 지하수를 오염시키며, 유해 물질을 방출합니다. 친환경적 채굴 기술과 복원이 필요합니다. 광물은 지구의 선물이자 인류 문명의 토대입니다. 광물을 이해하고 현명하게 사용하는 것은 지속 가능한 미래를 위한 열쇠입니다.