제1장 서론 (Introduction)
1-1. 광물의 정의
자연계는 크게 생물계와 무생물계로 대별된다. 무생물계는 암석이나 토양을 구성하는 광물이 대표하며 광물을 다루는 학문분야를 광물학(mineralogy)이라고 한다.
광물 (mineral)이란 어원은 그리스어 “mna”에서 유래된 라틴어의 “mina”(수직갱도란 의미)와 “minera”(광석덩어리란 의미)에서 유래된 용어로서 “자연 상태에서 무기적으로 생성된 균질한 고체로서 일정한 화학조성과 규칙적인 원자결합을 하고 있는 물질이다”라고 정의할 수 있다 이상의 광물에 대한 정의를 확실히 이해하기 위해서 좀더 자세한 설명이 필요하다.
자연 상태에서 산출된 것이란 인공적이거나 합성된 것은 최소한 광물이라고 할 수 없다. 즉 실험실 또는 공장에서 제조된 광물은 인조다이아몬드, 인조루비 등과 같이 “인조(artficial)” 또는 “합성(synthetic)”이란 단어를 제조된 광물의 이름 앞에 첨가하여 자연산과 구별하고 있다.
B.C. 4∼5세기에 그리스의 Laurium에서 납광물을 제련하면서 생성된 스래그(slag)를 바다에 쌓아 두었는데 이 스래그의 틈에서 lead oxychlorides가 생성되어 19세기에 채광 대상이 되었다. 이런 경우 스래그(slag)는 인공적인 것이지만 lead oxychlorides는 스래그 중의 납과 해수 중의 염소가 자연 상태에서 반응하여 생성된 것이므로 광물이라고 한다.
“무기적”이란 식물이나 동물에 의해서 직접적으로 생성된 유기물은 광물이라고 분류하지 않는다. 즉 굴껍질의 화학성분은 CaCO3로서 방해석과 동일한 화학식을 갖지만 광물이라고 하지 않는다. 단 석유와 석탄은 그 기원이 유기물이지만 예외적으로 광물로 분류한다.
“균질한 고체”란 “물리적 방법으로는 더 이상 간단한 화합물로 분리할 수 없는 단일 고상이어야 한다”라는 의미다. 따라서 액체나 기체는 광물이라고 할 수 없다. 그 좋은 예로서 화학성분은 똑같이 H2O인 물질이 고상인 얼음인 경우에는 광물로 분류되지만 액상이나 기상인 물이나 증기는 광물이라고 할 수 없다. 단 수은은 상온에서 액상으로 존재하지만 예외적으로 광물로 취급하고 있다.
“일정한 화학조성”을 가져야 한다는 것은 광물이 화합물로 존재할 때 그 화합물은 일정한 화학성분으로 구성되어 화학식으로 나타낼 수 있도록 구성성분이 일정한 비율로 결합되어야 함을 의미한다. 석영은 항상 SiO2로 나타낼 수 있다. 석영의 경우는 항상 일정하지만 섬아연석 같은 경우는 어떤 경우나 ZnS로 구성된 것이 아니고 Zn을 Fe, Mn, Cd등이 치환하여(Zn, Fe)S 등으로 이루어지기도 하는데 Fe, Mn, Cd 등이 Zn을 치환하는 범위는 한정되어 있다. 그래서 모든 광물은 고정된 화학조성을 갖지 않고 그 광물이 생성된 환경에 따라서 한정된 범위에서 화학조성을 달리할 수 있다. “규칙적인 원자배열을 한다.”란 광물을 구성하고 있는 원자들이 규칙성을 갖고 공간적으로 배열되어야 한다는 의미이다. X-선에 의해서 결정의 내부구조를 설명하기 훨씬 이전부터 동일한 결정은 규칙적인 외형을 이루고 있다고 생각되어 왔으나 근래에는 X-선 회절분석에 의해서 결정의 외형뿐만 아니라 내부구조도 원자들이 규칙적으로 일정하게 배열하고 있음을 알 수 있게 되었다. 이상에서 살펴본 바와 같이 종래와 같이 광물을 정의하면 예외적인 경우가 많으므로 광물을 “주어진 조건에 안정한 물리화학계의 하나의 상으로서 균질물질이다”라고 보다 포괄적인 정의를 제안하는 학자도 있다.
1-2. 광물학의 내용
광물학은 광물을 연구대상으로 하는 자연과학의 일 분과로서 광물의 형태, 물리적 및 화학적 성질, 산상과 성인을 연구하여 광물을 분류하며 산업에의 응용분야를 연구하는 학문으로서 이상의 연구 분야에 따라서 광물학은 다음과 같이 세분된다.
1) 결정학(Crystallography) : 결정의 외형과 결정구조를 연구하는 분야로서 결정구조를 연구하는 분야를 X-선 결정학이라고 한다.
2) 광물화학(Chemical Mineralogy 또는 Mineral Chemistry) : 광물과 관련된 화학적 현상 및 원리를 연구하여 광물을 연구하는 화학적 방법 등이 포함된다.
3) 광물 물리학(Physical Mineralogy 또는 Mineral Physics) : 물리적 방법으로 광물의 물리적 성질, 즉 경도, 벽개, 비중, 색, 광택, 발광성, 열적 및 전기적 성질을 연구하는 분야이다.
4) 결정화학(Crystal Chemistry) : 결정의 내부구조와 화학적 성질과의 관계를 연구하는 분야이다.
5) 광물광학(Optical Mineralogy) : 광물의 광학적 성질을 연구하는 분야로서 주로 편광현미경과 광석현미경을 이용하여 연구한다.
6) 기재광물학(Descriptive Mineralogy) : 광물의 물리적, 화학적, 결정학적 성질, 산출 상태, 용도 등을 자세히 체계적으로 기재하고 광물을 분류하는 분야이다.
7) 응용광물학(Applied Mineralogy 또는 Economic Mineralogy) : 광물의 물리 화학적 생성조건 등을 연구하여 광물의 용도 등을 연구하는 학문으로서 공업이 발달함에 따라서 점차 그 필요성이 증대되어가고 있다.
이외에도 광물학의 발전과 연구분야의 확대에 따라서 열광물학(Thermomineralogy), 보석광물학(Gemmology), 우주광물학(Cosmic mineralogy), 해양광물학(Marine Mineralogy) 및 환경광물학(Environmental Mineralogy)등이 있다.
1-3. 광물학 분야의 문헌
광물학은 그 중요성 때문에 선진 제국에서는 광물을 연구하는 정기논문집을 발행하고 있다. 예를 들면 미국의 “American Mineralogist”, 영국의 “Mineralogical Magazine”, 독일의 “Zentralblatt fur Mineralogie”, 일본의 “Mineralogist”, 캐나다의 “Canadian Mineralogist” 등이 발행되고 있으며 우리나라에서도 광물학회지가 발행되고 있다.
광물학 교재로서는 1837년에 J.D. Dana가 발행한 “Dana’s System of Mineralogy”, Deer등 (1992)이 발행한 “조암광물 (Rock Forming Minerals)”, Brian Mason & L.G. Berry의 “Elements of Mineralogy”, William D. Nesse의 “Introduction to Mineralogy”, Andrew Putnis의 “Introduction to Mineral Sciences” 등이 있으며, 국내에서 발행된 교재로서는 손치무와 윤석규 교수의 “광물학개론(박영사)”과 김수진 교수의 “광물학원론” 등이 있다.
1-4. 광물학 발달 개략사
광물 이용에 관한 역사는 인류가 탄생한 초기부터 시작되었고, 광물을 채굴하고 야금에 관한 증거는 고대 원시문화에서부터 남겨져 있다. 광물학에 관한 연구는 Theophrastus (ca. 387-272 BC)로 거슬러 올라가야 한다. 그는 광물과 암석의 역사상 최초의 저자인데 서명은 “On Stone”이다. 그로부터 약 400년 후 AD 77 경인 로마 황제시대에 사용되었던 금속광물, 보석광물 및 색소를 다룬 문헌들을 발췌하여 광물학에 관한 사전적인 책자를 만들었다. 1500년 후인 1556년에 독일의 물리학도이자 채광 기술자인 Georg Bauer (라틴어로 Geogious Agricola)는 “De Re Metallica”에 광물의 경도 (굳기) 및 쪼개짐 (벽개)과 같은 물리적 성질을 자세히 기술하고, 개념을 정리하여 광물을 감정하는 기초를 서술하였다.
17세기, 18세기, 19세기를 거치면서 수많은 훌륭한 광물학자들이 배출되면서 광물학에 중요한 발전을 이루어 왔다. 그들 중 대표적인 분만을 아래에 소개한다.
1) Niels Stesen (Nicholas Steno), 덴마크 사람. 1669년 면각일정의 법칙.
2) A. G. Werner, 1750-1817, 독일 사람. 광물을 기술하는데 필요한 광물명의 표준화.
3) Nene-Juste Hauy, 1743-1822, 프랑스 사람 “수학 결정학의 아버지”라고 한다. 결정의 단위포에 관한 이론 제시, 그리고 유리지수의 법칙을 제안.
4) J. J. Berzellius, 1779-1848, 스웨덴 사람. 광물을 화학적으로 분류하는 기초 제공.
5) William Nicol, 1768-1851, Nicol prism 고안(1828). 광물광학 기초를 세움.
6) James D. Dana, 1813-1895, 미국의 Yale대학. A System Of Mineralogy 초판 발행(1837). 4판에서 광물을 화학적으로 분류하였고, 현재 이용되고 있음.
7) Henry Clifton Sorby, 1826-1908, 암석과 광물을 연구하는 암석(편광)현미경 개발.
20세기 초에는 X-선의 발명으로 광물을 이해하는데 미증유의 발전을 이룩하였다. 1912년에 Max von Laue(1879-1960)는 결정이 X-회절을 하고 원자가 규칙적이고 반복적인 내부 배열의 성질을 설명하였다. 1914년 Bragg 부자는 광물의 결정구조를 결정하는 X-회절 방정식(Bragg 방정식)을 개발하였다.
20세기에는 다양한 종류의 기기들이 개발되어 광물의 화학조성을 이해하고 결정구조에 대해 더욱 많은 정보와 지식을 제공하였다. 암석학자와 화학자들은 광범위한 지질환경에 부존된 광물의 화학적 및 암석학적 거동에 대한 우리의 지식을 더욱 깊고 넓게 확대시켰다.
1-5. 인용 또는 참고문헌
본서에 인용 또는 참고한 문헌은 국내에서 출판된 서적과 논문으로 상기남, 김동학, 이동진의 “한국의 광물”, 손치무, 윤석규의 “광물학 개론”, 김수진의 “광물학 원론”, 윤정한 (1989)의 “열수성 금은광상의 성인(서울대학교 박사학위 논문)” 등인데 상기남, 김동학, 이동진의 한국의 광물에서는 주로 광물이 생산되었던 장소나 광산명을 참고하였으며 손치무, 윤석규의 “광물학 개론”과 김수진의 “광물학 원론”에서는 주로 결정구조 부분을 참고하였고, 윤정한(1989)의 열수성 금은광상의 성인 (서울대학교 박사학위 논문)과 윤정한 등 (1989)에서는 한국에서 산출되는 금광물과 황철석, 황동석, 방연석, 섬아연석, 유비철석과 같은 황화광물의 EPMA 분석결과와 사진을 뽑아 본서에 수록하였다. 국외 서적으로는 Brian Mason, L.G. Berry의 “Elements of Mineralogy”, Cornelis Klein & Cornelis S. Hurlbert, Jr.의 “Manual of Mineralogy (after James D. Dana)” 20ed., William D. Nesse의 “Introduction to Mineralogy”, W.A. Deer, R.A. Howie, & J. Zussman의 “Rock-Forming Minerals” 등에서 결정학, 결정화학, 광물화학, 광물물리학, 광물광학, 광물의 분류 및 명명, 각 광물의 특징 등을 참고하였다.
연습문제
1. 광물을 정의해 보아라.

2. 광물학과 관련된 학문분야에는 어떤 것들이 있는가? 그 상호관계를 정리하라.