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- 지난 15년 동안 거의 5,800개의 알려진 육상 광물 어떻게 형성될 수 있는지 조사
- 약 6천 종류의 지상 광물, 기본 형성의 래시피는 57가지
- 모든 광물의 80퍼센트 이상이 물의 영향으로 형성
- 모든 광물의 약 50%는 생물학적 과정과 직간접적으로 연결돼

육상 광물 형성의 비밀 풀었다.
57가지 "기본 레시피"와 1만500가지 조합이 지구의 광물 다양성을 독특하게 만든다.

압착, 충격, 구워지고 살아있는 생물에 의해 생산돼.
거의 6천 가지의 지상 광물은 57가지 "기본 래시피"와 10,500가지 이상의 성장 변형으로 거슬러 올라갈 수 있다. 그 결과 우리 행성의 광물 형성에 대한 최초의 포괄적인 목록이 작성되었다. 예를 들어 다이아몬드는 9가지 다른 방식으로 형성될 수 있으며 "금빛 운모"인 황철석은 심지어 21가지 방식으로 형성될 수 있다고 밝혔다. 미네랄의 약 80%이 물의 영향 아래에 형성됐으며 약 50%는 생물학이 역할을 했다.  

▲ 이 오팔화된 암모나이트는 생물학과 광물 형성의 상호작용을 보여준다. 원시 동물의 껍질은 그 위에서 발달한 수정 형태의 기초를 형성했다. © ARKENSTONE / Rob Lavinsky

지구에는 태양계에서 고유한 다양한 광물이 있다. 지금까지 거의 5,800개에 달하는 광물이 공식적으로 명명되고 기술되었으며 적어도 1,500개 이상의 광물이 아직 발견되기를 기다리고 있다. 이러한 결정성 화합물 중 다수는 극히 드물며 지구상의 한 곳에서만 발견된다. 다른 것들은 편재하고 암석을 구성하는 광물로서 우리 행성의 모양과 진화를 형성했다.

57가지 기본 레시피, 10,500가지 이상의 변형

이 모든 광물은 언제, 어디서, 어떻게 생겨났을까? 이 질문은 이제 모든 알려진 광물의 형성 경로에 대한 포괄적인 목록을 통해 처음으로 답을 얻었다. 워싱턴 DC에 있는 Carnegie Institution for Science의 수석 저자인 로버트 하젠(Robert Hazen)은 "아무도 이 거대한 작업을 수행한 적이 없다"라고 말했다. 동료인 Shaunna Morrison과 함께 그는 지난 15년 동안 거의 5,800개의 알려진 육상 광물이 어떻게 형성될 수 있는지 조사했다.

"이 연구는 지구의 광물 다양성에 대한 우리의 관점을 근본적으로 바꾼다"라고 Hazen은 말했다. 많은 광물이 한 가지 방식으로 형성될 뿐만 아니라 여러 다른 과정을 통해 형성될 수 있기 때문이다. 결정 구조와 화학 성분 외에도 이러한 다양한 형성 가능성을 고려하면 연구자들이 부르는 것처럼 10,556가지의 다양한 광물 형태 또는 기생 광물 형태가 있다. "각 광물 표본에는 고유한 이야기가 있으며 각각은 지구의 과거에 대한 창이다"라고 Hazen은 말했다.

▲ 이전의 광물 분류는 화학 및 결정 구조만 고려했지만 새로운 관점은 교육 경로에 따라 차별화된다. 예를 들어 이러한 베릴은 다양한 방식으로 발생할 수 있다. © ARKENSTONE/Rob Lavinsky

프랑스 릴 대학의 패트릭 코르디(Patrick Cordier)는 “Hazen과 그의 동료들은 광물을 보는 방식을 근본적으로 바꾸었다. 광물은 이제 물질의 오랜 역사에서 증인이자 랜드마크가 되고 있다”라고 말했다.

물과 생물체의 역할

특히 Hazen과 Morrison은 자연이 광물을 생성할 수 있는 57가지 "기본 조리법"을 확인했습니다. “예를 들어, 지구상의 모든 광물의 80퍼센트 이상이 물의 영향으로 형성된다. 따라서 이 원소는 지구의 풍부한 미네랄에 매우 중요하다”라고 Hazen은 말한다. "동시에 이것은 수성, 달, 화성이 지구보다 광물에 대한 관심이 훨씬 적은 이유를 설명한다." 최소한 4,583개의 광물이 물과 암석의 상호 작용으로 인해 형성된다.

알려진 모든 광물의 약 50%는 생물학적 과정과 직간접적으로 연결돼 있다.
1,900개 광물(34%)은 조개껍데기, 뼈 및 치아의 결정 성분을 포함해 생물학적으로만 형성될 수 있으며, 또한 오일 셰일, 석탄 또는 구아노와 같은 결정화된 유기 물질의 광물도 포함된다. 다른 결정 형태는 첫 번째 조류에 의해 대기로 방출된 산소에 의해 형성된다.

▲ 방해석은 물이 관여하여 형성된 미네랄의 전형적인 예다. © ARKENSTONE/Rob Lavinsky

600가지 이상의 인공 광물

이 광물 그룹에는 인간 없이는 존재할 수 없는 603개의 변종도 포함된다. 그 중 264개는 채광에 의해 만들어졌다. 오래된 광산의 벽, 광석 더미 또는 구덩이에서 형성을 위한 화학적 및 기후 조건으로 만들어졌다. 234개의 다른 광물이 불에 의해 생성되었다. 예를 들어 탄층에서 또는 세라믹, 벽돌 또는 석회의 표적 소성이다. 143개의 광물도 금속 가공과 그로 인한 슬래그에 의해 생성되었다.

공식적으로 광물로 인정되는 이러한 인위적인 고형물 외에도 공식적으로 광물로 분류되지 않는 수천 가지가 더 있다고 연구원들은 보고했다. 여기에는 수많은 인공 반도체 재료, 광자 결정, 합성 보석 또는 특수 합금이 포함된다. 연구팀은 “안트로세 시대의 이 모든 물질은 앞으로 수백만 년 동안 지질 지층에 남을 것”이라고 말했다.

기원은 이미 지구의 초기에

광물이 형성된 시기와 관련해 광물 간에도 분명한 차이가 있다. "육상의 광물 다양성의 대부분은 우리 행성의 최초 2억 5천만 년 전으로 거슬러 올라간다"라고 Hazen과 Morrison은 보고했다. 3,534가지 유형의 광물이 이 초기 지구 기간에 이미 생성되었을 것이다. 296 광물은 원시 구름의 먼지에서 응축되거나 초기 소행성에서 형성되었기 때문에 지구 자체보다 더 오래되었을 수도 있다. 운석에서 발견된 일부 광물 알갱이는 70억 년이 될 수 있다.

흥미로운 점은 41개의 희귀 원소가 지구 광물 자원의 불균형적으로 큰 부분을 차지한다는 점이다. 여기에는 카드뮴 및 몰리브덴과 같은 전이 금속뿐만 아니라 금, 은, 비소, 수은, 우라늄, 텔루르 및 텅스텐과 같은 귀금속 및 중금속도 포함된다. Hazen과 Morrison은 "이러한 원소는 지각의 원자 1만개 중 1개 미만을 구성하지만, 약 2,400개 광물(42.4%)의 필수 구성 요소다"라고 설명했다.

다양한 레시피를 가진 '금빛 운모’

이 연구는 광물이 생성 경로의 가능한 수에 따라 크게 다르다는 것을 보여준다. 알려진 결정의 59%는 한 가지 방법으로만 형성될 수 있다. 결국, 광물의 4분의 1은 두 가지 다른 형성 가능성을 가지고 있다. 결정질 고체의 8%에 대해 형성으로 이어질 수 있는 4가지 이상의 다른 "레시피"가 있다. 9가지 광물은 15가지 이상의 형태를 가지고 있다.

선두 주자는 황철석이다. "금빛 운모"라고도 알려진 이 황화철 광물은 21가지 다른 방식으로 형성된다. 범위는 화산 폭발, 석탄 화재, 운석, 고온, 물 환경, 풍화 및 열수 분출구에서 미생물 경로까지 확장된다.
각각 18개의 형성 형태를 갖는 광물에는 커런덤, 적철광, 자철광 및 백운석이 포함되며 방해석, 혼블렌드 및 금홍석에 대한 17개의 "레시피"가 여전히 있다. 암석을 형성하는 중요한 광물 석영에는 14개의 다른 형성 경로가 있다. 결국 다이아몬드는 여전히 9가지 다른 공정을 통해 형성될 수 있다. 지구의 맨틀에 있는 고압 및 열의 "고전적인 제조법" 외에도 탄소 결정은 타버린 별의 가스 외피 층의 응축이나 운석 충돌에 의해 형성된다.

▲ 황철석(금빛 운모)은 21가지 다른 방법으로 형성될 수 있다. 이 황화철은 이런 광물 중에서 선두 주자다. © ARKENSTONE/롭 라빈스키

다른 행성에도 중요

지상 광물에 대한 새로운 발견은 우주에서의 생명체 탐색과 외계 행성 탐사에도 중요하다.
“달, 화성 및 기타 지상 세계에는 어떤 광물 형성 조건이 존재할까? paragenetic 모드를 캡처하고 각 광물 종을 이러한 범주 중 하나 이상에 할당함으로써 우리는 새로운 관점에서 외계 광물을 볼 수도 있다”라고 Hazen과 Morrison이 기술했다.

예를 들어 화성에서 광물의 다양성은 지구에 물이 있었는지, 얼마나 오래, 어떤 형태로 존재했는지에 따라 결정적으로 달라진다. 달의 광물은 차례로 지구의 인공위성이 초기에 어떻게 발전했는지 보여줄 수 있다. 외계 행성의 경우 우리에게 전혀 없는 광물 "레시피"가 있는지에 대한 흥미로운 질문이 제기된다.

국제 광물학 협회(International Minerological Association)의 Anhuai Lu 회장은 "광물의 진화를 이해하는 것은 우주를 탐험하고 거주 가능한 행성과 외계 생명체를 찾는 새로운 방법을 열어준다"라고 말했다.
(American Mineralogist, 2022; doi: 10.2138/am-2022-8099)
출처: Carnegie Science Earth and Planets Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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