광물의 원자구조
광물은 결정화작용(crystallization)에 의해 형성되는데, 결정화작용에서 가스나 액체 상태의 원자들은 일정한 화학비율과 고유의 배열로 결합하여 고체 물질인 광물을 형성합니다. 공유결합 광물인 다이아몬드는 탄소 원자들의 결합을 통하여 결정화된 사레입니다. 지구맨틀의 매우 높은 압력과 온도조건에서 탄소 원자들은 사면체를 이루며 결합하고, 각 사면체는 다른 사면체에 부착하여, 아주 많은 원자들로 이루어진 규칙적인 3차원 구조를 형성합니다. 다이아몬드 결정이 성장함에 따라 사면체 구조가 모든 방향으로 확장되면서 항상 규칙적인 기하학적 배열로 새로운 원자들이 추가됩니다. 다이아몬드는 지구맨틀의 조건을 유사하게 모의한 기계장치의 매우 높은 압력과 온도하에서도 탄소로부터 인공적으로 합성될 수 있습니다.
이온결합 광물인 염화나트륨을 구성하고 있는 나트륨 이온과 염화 이온은 규칙적인 3차원 배열을 이루며 결정화됩니다. 나트륨 이온과 염화 이온의 상대적인 크기 차이는 그들이 더욱 밀착된 배열을 이루며 결합할 수 있게 해 줍니다.
풍부하게 산출되는 광물들의 많은 양이온들은 비교적 작은 반면에, 지구상에서 가장 흔한 음이온인 산소(O₂⁻)를 포함하는 대부분의 음이온들은 큽니다. 음이온이 양이온보다 더 큰 경향이 있기 때문에, 결정의 대부분의 공간은 음이온이 차지하고 있으며, 양이온은 그들 사이의 공간을 채우고 있습니다. 그 결과로 결정구조는 주로 음이온이 어떻게 배열되어 있고, 그들 사이에 양이온이 어떻게 배열되어 있느냐에 의해 결정됩니다.
비슷한 크기와 전하를 갖는 양이온은 서로 치환되어 동일한 결정구조를 갖지만 화학조성이 다른 화합물을 형성하는 경향이 있습니다. 양이온 치환(cation substitucion)은 많은 화산암에서 풍부하게 나타나는 감람석과 같이 규산 이온(SiO₄⁴⁻)을 포함하는 광물들에서 흔히 나타난다. 철 이온(Fe²⁺)과 마그네슘 이온(Mg²⁺)은 서로 크기가 비슷하고, 두 이온은 모두 2가의 양전하를 가지고 있습니다. 그래서 그들은 감람석의 구조 내에서 서로 쉽게 치환됩니다. 순수한 마그네슘감람석의 조성은 Mg₂SiO₄이고, 순수한 철감람석의 조성은 Fe₂Si0₄입니다. 철과 마그네슘을 모두 포함하는 감람석의 조성은 화학식 (Mg, Fe)₂Si0₄로 표시되는데, 이는 철 양이온과 마그네슘 양이온의 수는 변할 수 있지만 하나의 SiO₄⁴⁻ 이온에 대한 그들을 합한 총 수는 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 마그네슘에 대한 철의 비율은 감람석이 결정화되는 용융물질에서 두 원소의 상대적인 존재 비율에 의해 결정됩니다. 마찬가지로 많은 규산염광물에서 알루미늄(Al³⁺)은 규소(Si⁴⁺)로 치환됩니다. 알루미늄 이온과 규소 이온은 크기가 비슷하여 많은 결정구조에서 알루미늄은 규소의 자리를 차지할 수 있습니다. 이러한 경우에 알루미늄 이온(+3)과 실리콘 이온(+4) 사이의 전하 차이는 나트륨(+1)과 같은 다른 양이온들의 수를 증가시킴으로써 균형을 맞춥니다.
광물의 결정화작용
결정화작용은 현미경적 크기의 하나의 결정이 형성되면서 시작됩니다. 결정(crystal)이란 원자의 규칙적인 3차원 배열로, 기본적인 배열이 모든 방향으로 반복됩니다. 결정의 경계는 결정면 (crystal face)이라 부르는 자연적으로 만들어진 평탄한 면입니다. 광물의 결정면은 광물의 내부 원자구조가 외적으로 표현된 것입니다.
결정화작용 동안에 초기의 미세한 결정은 더 크게 성장하는데, 자유롭게 자랄 수만 있다면 그들의 결정면을 유지하면서 자랍니다. 느리게 꾸준히 성장하면서 인접한 다른 결정들의 간섭을 받지 않고 자랄 수 있는 충분한 공간이 주어질 경우, 결정면이 뚜렷한 큰 결정이 만들어집니다. 이러한 이유 때문에 대부분의 큰 광물결정들은 균열이나 공동 같은 암석 내의 빈 공간에 서 만들어집니다.
그러나 대개의 경우 성장하는 결정들 사이의 공간은 완전히 채워지고, 결정화작용은 빠르게 진행됩니다. 그러면 결정들은 서로를 가로질러 자라고 합쳐져서 결정질 입자(grain)들로 이루어진 고체 덩어리가 됩니다. 이러한 경우 입자들은 결정면을 거의 보여주지 않거나 없습니다. 육안으로 볼 수 있는 큰 결정들은 비교적 드물지만, 암석 내의 많은 광물들은 현미경 하에서 결정면을 보여줍니다.
광물과는 달리, 유리질 물질들-용융체로부터 너무 빨리 고화되어 어떠한 내부 원자질서도 갖지 못한 물질-은 평탄한 면을 갖는 결정을 형성하지 않습니다. 대신에 그들은 만곡 된 불규칙한 표면을 가지는 덩어리들로 발견됩니다. 가장 흔히 발견되는 자연 유리는 화산유리(흑요석)입니다.
광물의 형성과정
액체의 온도를 어는점 아래로 떨어뜨리는 것은 결정화작용이 일어나게 하는 한 가지 방법입니다. 예를 들어, 물에서 0°C는 얼음 결정-광물-이 형성되기 시작하는 온도입니다. 유사하게 마그마 (magma)-뜨거운 용융된 액체 암석 덩어리-는 식으면 고체 광물들로 결정화됩니다. 마그마의 용융점은 포함된 원소들이 무엇이냐에 따라 1,000°C 이상이 될 수도 있습니다. 이 마그마의 온도가 용융점 아래로 떨어지면, 감람석이나 장석 같은 규산염광물의 결정들이 형성되기 시작합니다. (지질학자들은 일반적으로 언다는 것은 차갑다는 것을 의미하기 때문에 어는점보다는 마그마의 용융점을 기준으로 삼습니다.)
결정화작용은 액체가 용액으로부터 증발할 때 일어날 수 있습니다. 용액(solution)은 소금과 물처럼 하나의 화학물질이 다른 화학 물질과 균질하게 혼합된 것입니다. 물이 소금 용액으로부터 증발하면, 결국 소금의 농도가 너무 높아져 용액은 더 이상의 소금을 수용할 수 없게 되는데, 이러한 상태를 포화(saturated)되었다고 말합니다. 만약 증발이 계속된다면, 소금은 침전(precipitate)되거나, 또는 결정이 되어 용액 아래에 가라앉습니다. 식용 소금 퇴적층 또는 암염은 뜨겁고 건조한 만이나 좁고 긴 바다에서 해수가 포화점까지 증발하는 이러한 조건하에서 형성됩니다.
다이아몬드와 흑연(연필심으로 사용되는 물질)은 온도와 압력이 광물의 형성에 미칠 수 있는 극적인 효과를 예시합니다. 이 두 물질들은 동질이상(polymorph)의 광물, 즉 동일한 화학원소 또는 화합물로 이루어졌지만 결정구조가 다른 광물입니다.
그들은 모두 탄소로 이루어졌지만, 다른 결정구조를 갖고 있으며, 모습도 매우 다릅니다. 실험과 지질학적 관찰에 근거하여 볼 때, 다이아몬드는 지구의 맨틀에서 나타나는 아주 고압과 고온의 환경에서 만들어지고 안정한 상태를 유지합니다. 높은 압력은 다이아몬드의 원자들을 밀착된 구조로 압축합니다. 그래서 다이아몬드는 덜 밀착된 흑연보다 더 높은 밀도(density, 단위 부피당 질량을 말하며 g/cm³으로 나타냄)를 갖습니다. 다이아몬드는 밀도가 3.5g/cm³이지만, 흑연은 2.1g/cm³)에 불과합니다. 흑연은 지각의 중압과 중온인 환경에서 형성되고 안정한 상태를 유지합니다.
낮은 온도도 원자들을 밀착시켜 치밀한 구조를 만들 수 있습니다. 예를 들면, 석영과 크리스토발라이트(cristobalite)는 실리카(SiO₂)의 동질이상 광물입니다. 석영은 저온에서 형성되며, 비교적 밀도가 높습니다(2.7g/cm³). 더 높은 온도에서 형성되는 크리스토발라이트는 더 성긴 구조로 되어 있어 밀도도 더 낮습니다(2.3g/cm³).