장석

Feldspar

광물의 일종

6twin-feldspar-twin4927.JPG

장석의 성질
화학식CaAl2Si2O8 - NaAlSi3O8 - KAlSi3O8 세 가지 단종[1]의 혼합
결정계삼사정계(Triclinic), 단사정계(Monoclinic)
굳기6.0-6.5
비중2.55 - 2.76
벽개2방향 (90~94도). [2]
규산염구조망상구조(Framework Silicate)
결정형c축으로 인장된 육면체
주요 색상무색, 백색, 분홍색 등

정장석(Orthoclase)의 잘 자란 결정형. 분홍빛 색상과 c축을 따르는 칼스바드 쌍정이 잘 보인다.

지구상에서 가장 흔한 광물 중 하나로서, 땅에서 아무 돌이나 집어들면 이 광물이 어지간해서는 없는 법이 없다. [3] 중국에 장씨가 가장 많은 이유 광물을 분류했을 때 가장 많은 것이 규산염 광물인데 그 중에서도 가장 많은 양을 차지하는 것이 장석이니 어찌보면 당연한 일.

1 분류 체계

장석은 기본적으로 회장석(Anorthite), 조장석(Albite) 그리고 정장석(Orthoclase) 세 가지의 단종으로 구성된다. 그리고 각 단종 사이에는 연속적인 고용체 관계가 성립하나, 회장석과 정장석 사이의 성분으로는 고용체가 만들어질 수 없다. 아래 삼각도표 상에서 색칠된 부분(회색)만이 장석이 산출될 수 있는 범위. 온도에 따라 그 경계의 넓이가 조금씩 달라진다.
feldspartriangle.gif
Anorthite - CaAl2Si2O8 (An) [4]
Albite - NaAlSi3O8 (Ab)
Orthoclase - KAlSi3O8 (Or)

Ca과 Na은 서로 특성이 많이 다르고, 실제로 치환할 때도 Al이 대동되어야함에도 불구하고 완벽한 고용체 관계를 이룬다는 점이 특징적이다. 다만 완전히 친한 것은 아니라서 천천히 식히게 되면 광물 분리가 일어나 퍼사이트/역퍼사이트 조직[5]이 만들어진다.

이렇게만 보면 꽤나 단순한 조성인 듯하지만, Si와 Al 간의 자리 교환, 확산이 무척이나 힘들어서 실제로는 온갖 세부 조직(texture)과 이름이 난무한다. 장석은 실제로 지질학을 전공하는 대학생들에게도 결코 만만한 광물이 아니라서 졸업할 때까지 이들의 특성을 이해하는 경우가 드물다. 이는 장석이 온갖군데에 다 나타나는데다가 그 때마다 지질학적 정보를 잘 간직하고 있기 때문에 가능한 거의 모든 방법으로 연구당하기(?) 때문이기도 하다.

이들은 대체로 연속적인 조성을 보여주기 때문에, An-Ab-Or 세 단종의 고용체 관계이지만, An-Or 사이의 성분은 나타날 수 없어서, 암석기재적인 관점에서는 대략적으로 두 영역으로 구분된다. An-Ab 사이의 영역에 해당하는 장석을 보통 사장석(plagioclase)이라고 부르고, Ab-Or 사이에 들어가는 장석을 알칼리 장석, 혹은 K장석이라고 부른다.[6] 중간 이상의 분화를 거친 마그마는 보통 사장석과 알칼리 장석 두 가지 성분이 각각 산출된다. 대표적인 경우가 화강암.

항상 성립하는 것은 아니라고 할 수 있으나, 알칼리 장석은 보통 분홍빛을 띠고 칼스바드 쌍정이 잘 나타나는 반면, 사장석은 페리클라인, 알바이트 쌍정이 특징적이고 특히 Na 함량이 높으면 새하얀 결정을 보여준다. 화강암이 분홍빛을 띠는 건 정장석이 잘 자라있기 때문이다. (물론 분홍빛을 띠지 않는다고 화강암이 아닌 것은 아니다.)

1.1 사장석(Plagioclase)

00760%252520IMG_0409%25252025%252520cm%252520diabase%252520mushroom%252520rock%252520Death%252520Valley.jpg
▲ 사장석이 주(主)반정으로 나오는 화산암의 모습. 하얗게 자란 길쭉한 결정이 모두 사장석이다. 흰색에 긴 상자모양, 가까이서보면 꽤나 투명한 느낌이 전형적이다. 화산암에서 보다시피 무척 흔하게 나타나는 반정이다. 반정뿐만 아니라 석기에서도 흔해빠진 성분이다.


plagioclase-145C918897B408AEEA5.jpg
▲ 반려암의 편광현미경상에서 본 사장석. (1) 개방니콜(좌): 전체적으로 relief가 낮고 다색성이 없지만 다소 지저분한 표면[7]을 갖는다. 두 방향의 벽개가 보인다. (2) 직교니콜(우): 무채색의 간섭색(흰색~회색~검은색),[8] 그리고 검고 흰 직선의 줄무늬가 핵심적인 특징이다. 저 줄무늬는 반복쌍정(polysynthetic twins)에 의한 것으로 사장석의 가장 상징적인 모습이다. 결정계와의 각도에 따라 페리클라인 쌍정과 알바이트 쌍정이 있으며, 이 사진에서는 흔히 그렇듯이 알바이트 쌍정이 우세하다.[9] 그러나 약하게 페리클라인 쌍정도 보이는데, 페리클라인 쌍정은 알바이트 쌍정과 각도가 거의 90도이다. [10]

1.2 알칼리 장석(Alkali-feldspar)

Rhyolite.jpg
▲ 유문암에서 발견되는 (매우 잘 자란) 장석 반정. 분홍빛을 띠는 네모난 결정들이 알칼리-장석이다. 새하얀 것은 (아마도) 사장석이다.

trachiteleucite0199(2).jpg
▲ 조면암에서 발견된 알칼리-장석 반정. [11] 직교니콜 상에서 나타나는 (사장석과 마찬가지의) 무채색이 눈에 먼저 들어온다. 알칼리장석은 보통 알바이트 쌍정이 잘 발달하지 않으며 대신에 광물을 두쪽 내는 듯한 (사진에서 보듯이) 마네바흐(Manebach), 바베노(Baveno) 및 칼스바드(Carlsbad) 쌍정[12]이 특징적이다.

2 지질학적 배경

Al과 Si는 모두 지각에 풍부한 원소이며, 거기에 Na, K은 지각에 농집되어 있다. 그리고 Ca은 완전히 고철질(mafic)이나 초고철질(ultramafic)이 아닌 이상 상당량이 포함되어 있다. 즉, 장석을 구성하는 모든 원소는 대략적으로 모두 지각에 풍부한 원소들로만 이루어져 있다. 결과적으로 장석은 지각에서 흔하디 흔한 광물이다. 얼음[13]을 제외하면 지표에서 가장 쉽게 접할 수 있는 광물이 된다.

그렇기 때문에 다양한 암석학적 연구에서 장석의 연구는 빼놓기 어렵다. 장석은 Si와 Al 간의 교환과 확산이 어렵기 때문에 주변과 쉽게 동화되지 않아서 누대구조(zonning)가 특히나 쉽게 발달한다. 뿐만 아니라 다양한 쌍정 구조와 세부 구조가 민감하게 발달하여 장석이 나타나는 암석의 기본적인 지질학적 역사를 가늠하는 데 핵심을 이루고 있다.

화성암에서는 보통 초고철질암인 감람암 중, 최상부(저압) 환경에서 소량으로 관찰된다. 휘석이나 감람석이 포용하지 못하는 Al을 가져가는 광물에 해당하며 이 때는 Na이나 K 함량이 무척이나 낮기 때문에 보통 회장석에 가까운 광물로 나타난다. 현무암이나 반려암에서도 알칼리 원소 부족하기는 매한가지라서 이 경우에도 회장석에 가까운 성분으로 나타나는데, 그 함량이 감람암에 비하면 훨씬 많다. 특히나 반려암에서는 반 혹은 그 이상이 장석으로 되어 있기도 하며, 심한 경우에는 90% 이상이 회장석으로만 되어 있기도 하는데, 이런 암석을 회장암(Anorthosite)이라고 부른다. 마그마가 분화함에 따라 장석은 구성 성분이 조금씩 변하면서 평형을 이루어 정출되는데, 점점 알칼리 장석 방향으로 나아가게 된다. 알칼리 성분이 부족한 마그마에서는 Ab 방향으로, 알칼리가 풍부한 마그마는 Or 방향까지 나아간다.

변성암에서도 나타나는데 보통은 초기의 수화 광물이 탈수되면서 재결정되거나, 부분용융시에 용융물의 고화 형태로 나타날 때 많이 발견된다. 탈수나 부분용융이 가세하는 편마암에서는 흔하게 볼 수 있는 광물이다. 너무 고압 환경에 이르면 안정하지 않은데, 단적으로 조장석(Ab)은 고압 환경에서 휘석[14]과 석영으로 바뀌어버린다.

퇴적암의 경우에도 발견되며, 장석이 워낙 지표에 많다보니 섞여들어가는 것이라고 보는게 편하다. 기원지에서 멀리 떨어진 퇴적물일수록 장석 함량이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 다른 광물에 비해 풍화 속도가 느려 잘 남는 것이기도 하다. 풍화되면 다른 광물처럼 점토광물(clay minerals)로 변해버리기 때문에 퇴적암에서 장석은 보통 영 상태가 안 좋은 모습으로 남아있다.

한편 장석은 알루미늄을 다량으로 포함하는 가장 대표적인 화성, 변성 광물 중 하나이므로, 지표 및 지표 근처에서 풍화를 받아 다양한 점토 광물로 변하게 된다. 이에 따라 사장석은 알루미늄 원광으로 잘 알려져 있는 보크사이트 광상을 형성하는 원료 광물이기도 하다.

3 준장석(Feldspathoid)

장석은 지질학적 과정에서 여러모로 애착을 받는 광물인 모양인지, 심지어 재료가 부족할 때도 어떻게든 장석을 만들려고 애를 쓴다. Si와 O가 좀 부족한 환경이 되면 부족한대로 장석과 비슷하게 결정을 쌓아올리는데, 이 때 뒤틀린 장석 결정들을 가리켜서 준장석이라고 부른다. 대표적인 준장석으로는 하석(네펠린, nepheline), 백류석(류사이트, leucite), 방소다석(소달라이트, sodalite)[15] 등이 있다. 보통 알칼리 성분은 풍부한데 그에 비해 Si와 O가 조금 부족하면 이러한 준장석이 만들어지게 된다. 그래서 몬조니암이나 섬장암 같은 알칼리 마그마 기원의 암석에서 관찰된다.

4 상업적 가치

물론 광상에서야 보통 불순물 취급받는다. 다만 일부 잘 자란 장석은 보석 내지는 준보석 취급을 받는다. 대표적인 예가 장석의 일종인 라브라도라이트, 문스톤, 선스톤, 정장석, 아마조나이트, 안데신 등이 포함된다. 또한 준장석의 한 예인 라주라이트도 그 특별한 색상 때문에 보석 취급받는다.
  1. ↑ End-member. 성분상의 가장 순수한 종류.
  2. ↑ a축을 포함하는 두 면. 즉 {001}과 {010}.
  3. ↑ 일상적으로 마주하는 암석 중에는 석회암, 대리암, 규암 정도가 예외라고 하겠다. 사암에는 장석이 소량이지만 있다!
  4. ↑ 괄호 속은 각 단어의 약자. 여기서부터는 편의상 An, Ab, Or로 표기한다.
  5. ↑ Perthite/antiperthite. 광물의 벽개면을 따라 어울리지 못하는 성분이 빠져나와 띠 모양으로 굳은 조직.
  6. ↑ 옛날 번역서를 보면 칼리장석이라는 단어를 쓰기도 했다. 지금은 잘 안 보이는 듯하다.
  7. ↑ 석영과 구분되는 특징이기도 하다.
  8. ↑ 박편이 두꺼우면 노르스름한 색이 나타날 수도 있다.
  9. ↑ 사진에서 보이는 굵직굵직한 검고 흰 무늬가 알바이트 쌍정 무늬
  10. ↑ 종종 아래 알칼리-장석의 특징적인 쌍정인 칼스바드 쌍정은 사장석에서도 발달할 때가 있다. 그리 희귀한 경우도 아니어서 칼스바드 쌍정과 반복쌍정이 함께 나타나는 경우도 많이 관찰된다. 칼스바드 쌍정이 있더라도, 반복쌍정이 발달하는 경우 사장석으로 판단하면 잘 틀리지 않는다.
  11. ↑ 개방니콜에서는 사장석과 마찬가지로 조금 지저분한 표면의 투명함이 특징이다.
  12. ↑ 각각은 쌍정은 현미경상에서의 모양은 거의 같으나 각도가 각각 다르다. 주로 나타나는 것은 칼스바드 쌍정이다.
  13. ↑ 얼음도 광물이다! 광물을 정의하는 기준에 얼음이 모두 해당하기 때문이다. 얼음-물의 관계를 돌-마그마의 관계로 생각하면 납득하기 쉽다.
  14. ↑ 그 중에서도 jadeite.
  15. ↑ 얘도 group 이름이다.