탐구할 암석 표본은 지구과학 지각 암석 입문의 기초 광물이라 할 수 있는
석영 (石英, Quartz 쿼츠) 천연원석입니다.
회백색 불투명 미정질의 일반적이고 전형적인 석영 덩어리 입니다.
사이즈는 크기 20.0 X 12.2 X 11.5cm, 무게 2,430g 정도 됩니다.
표면에 군데군데 보이는 미세한 노란색 광물질은 금가루로 추정됩니다.
석영은 종종 금이 함유되어 발견되는 암석입니다.
금맥과 석영맥은 서로 밀접한 관계를 가지고 있습니다.
(이에 대한 좀 더 자세한 내용은 아래 마지막 부분에 추가 설명하겠습니다.)
석영은 대륙지각에 풍부하게 존재하며
암석을 이루고 있는 주된 6대 조암광물(Rock forming mineral)이면서
오랜 세월 험난한 풍화에도 끝까지 살아남은 모래 알갱이의 모태이기도 합니다.
특히, 수많은 종류의 크리스탈 보석류의 산실입니다.
석영은 육방정계 및 삼방정계의 결정을 가지며
망상형 이산화규소(SiO2) 성분으로 이루어져 있습니다.
모스 경도(굳기)는 7, 비중은 2.65 입니다.
조흔색은 흰색입니다.
이론상 조흔색은 조흔판의 굳기 이상이면 확인할 수가 없는데요.
조흔판의 굳기는 6.5이기 때문입니다.
따라서 굳기 7 이상의 광물의 경우에는
망치로 광물을 부숴서 가루로 만들었을 때의 색을 조흔색으로 합니다.
석영의 쪼개짐은 쪼개지지 않고 조개 껍질 모양으로 깨짐이 있습니다.
- 석영(石英, Quartz 쿼츠)
· 화학식: SiO2
· 규산염 구조: 망상구조(Framework Silicates)
· 결정계: 육방정계(Hexagonal), 삼방정계(Trigonal)
· 결정형: 육각기둥 모양
· 모스 경도(굳기): 7
· 비중: 2.65
· 쪼개짐(벽개): 발달하지 않음. 패각상단구, 무작위적 깨짐이 특징.
· 결정형: 육각기둥 모양
· 색상: 무색, 백색, 회색, 황색, 자색, 녹색, 청색 등 다양.
석영은 주로 열수암맥과 페그마타이트암맥에서 발견됩니다.
잘 자란 결정은 길이 수 미터에 무게는 수 백 킬로그램에 이르기도 합니다.
석영은 화강암, 사암, 석회암의 주된 구성 광물이며
다른 화성암, 퇴적암, 변성암에서도 흔히 발견됩니다.
석영의 색으로부터 다양한 이름이 붙여져 왔지만
현대에 들어서는 결정의 미세구조에 의해 새롭게 석영의 종류가 분류되고 있습니다.
결정질 석영들은 아직도 색이 중요한 분류기준이지만
미정질 석영의 색은 분류의 부수적 기준이 됩니다.
석영은 1기압에서 온도가 573도를 넘어가면 결정구조가 바뀌게 됩니다.
석영은 개별 결정의 특성에 따라 다양한 이름으로 불립니다.
가장 중요한 구분은 결정질인가 비정질인가 하는 구분입니다.
일반적으로 결정질 석영은 투명한 반면 미정질 석영 종류는 대부분 불투명합니다.
옥수(玉髓, Chalcedony 칼세도니)는 비정질 석영에 대한 통칭입니다.
'옥수'란 동물 뼈의 단면과 같은 무늬를 가진 옥을 말합니다.
옥수는 섬유상 은미정질 석영 결정이 모여 있는 것으로 구상이나 종유상을 이룹니다.
극히 미소한 공극이 많아 밀도가 낮습니다.
비중은 2.60~2.64 입니다.
지방 광택을 보이며 백색, 회색, 흑색, 갈색, 담청색을 나타냅니다.
콜로이드상 실리카가 별로 높지 않은 온도에서 결정되어
암석의 틈을 메운 상태로 산출됩니다.
동심원상의 띠를 이루는 옥수를 마노(Agate)라고 합니다.
한편 일부에서는 미정질 석영에 대한 다른 분류 기준을 제시하기도 하는데요.
미정질 석영의 형태가 알갱이 모양일 경우에는 처트라는 이름을 붙이고
섬유상일 경우에는 옥수로 부르자는 것입니다.
처트는 일반적으로는 미립질 석영으로 된 화학적 퇴적암을 의미합니다.
유리질(비정질) 석영은 레카텔리어라이트(Lechatelierite)라고 불리는데
이것은 모래가 벼락에 맞아서 생기는데, 보통 유리와는 달리 순수합니다.
- 석영(石英, Quartz 쿼츠) 종류
· 옥수(Chalcedony 칼세도니): 엄밀하게는 모든 미정질 석영을 뜻하나
일반적으로는 흰색이나 색이 옅은 것을 칭하고
다른 경우에는 따로 이름이 붙여진 경우가 많음.
· 카르넬리안(Carnelian): 홍옥수, 다홍색 옥수, 반투명.
· 벽옥(碧玉, Jasper 재스퍼): 불투명한 옥수(또는 처트).
불순물이 많이 섞여있음. 빨강, 노랑, 갈색, 녹색.
· 플린트(Flint): 검은색 또는 회색의 미정질 석영. 부싯돌. 주로 처트.
· 마노(瑪瑙, Agate): 줄무니가 있는 옥수. 반투명.
· 오닉스(Onyx): 줄마노. 겹겹이 여러 가지 빛깔의 줄이 져 있는 마노.
마노 중에서 줄무니가 곧고 평행하며 크기가 균질한 것들.
· 사금석(砂金石, Aventurine 어벤추린): 여러 가지의 색깔을 띠게 하는
작은 결정의 내포물을 함유하고 있는 석영.
석영 속에 일정방향으로 배열된 운모, 적철석 등 세린상 광물을 함유한 것.
운모가 박혀있어서 희미하게 반짝이는 것이 보이는 반투명한 옥수.
· 수정(Crystal 크리스탈): 무색 투명한 수정. 백수정.
· 자수정(Amethyst 애머시스트): 투명한 보라색 또는 자주빛의 결정질 석영.
· 황수정(Citrine Quartz 시트린 쿼츠): 노란색, 다홍색을 나타내는 결정질 석영.
· 장미수정(Rose Quartz 로즈쿼츠): 분홍색, 반투명.
이중별효과(Diasterism 디아스테리즘, 투과광에서 반짝거리는 별 효과).
· 연수정(Smokey Quartz): 갈색, 투명한 석영. 알루미늄 때문으로 추정.
· 흑수정(Black Quartz): 어두운 갈색, 불투명한 석영.
· 우유석영(Milky Quartz): 흰색, 반투명 또는 불투명. 이중별효과.
· 호안석(虎眼石, Tiger-eye): 누런 갈색의 광택. 갈고 닦으면 호랑이의 눈처럼 빛남.
보는 방향에 따라 빛깔이 변함. 섬유상의 석영.
- 석영의 압전효과(Piezoelectric Effect)
압전효과의 압전은 한자로 '壓電 누를 압, 전기 전 or 번개 전'을 의미합니다.
기계적 응력에 대한 응답으로 전기를 생성하는 특정 고체들의 특성을 말합니다.
Piezoelectric이란 압전 또는 압착을 의미하는 고전 그리스어 'piezein'에서 파생 된 압전기에서 유래합니다.
석영의 압전효과는 석영 결정에 기계적 스트레스(충격, 압력)이 가해지면 전기가 발생하는 것을 말합니다.
압전효과를 나타내는 광물질은 여러 가지가 있습니다.
가장 대표적인 광물질로 석영, 바륨 타이타네이트(BaTiO3), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 등이 있습니다.
*압전효과(Piezoelectricity): 어떤 물질에 압력을 가했을 때 전기적인 변화가 생기는 현상.
기계적 자극으로 일그러지면 분극 현상이 일어나는 것을 의미.
기계(물리)적 에너지가 전기에너지로 변환되는 것.
석영의 압전효과 특성은 1880년 퀴리 형제(Jacques Curie, Pierre Curie, 프랑스)에 의해 발견되었습니다.
1881년 가브리엘 리프만(Gabriel Lippmann, 프랑스)은 역방향 압전효과를 발견합니다.
그들은 석영 같은 특정한 결정체가 압력을 받을 때 전기를 발생시킨다는 것을 알아냈습니다.
'압력 - 전압 - 전기에너지 - 스파크' 이런 특성이 압전효과 입니다.
(예컨데, 석영을 돌이나 망치로 때리면 부싯돌처럼 불꽃이 튀는 것을 많이 보았을 것입니다.)
이 발견은 이후 전자기기와 센서 기술의 발전에 큰 기여를 하게 되었습니다.
20세기 중반에는 압전 효과를 이용한 다양한 기기들이 개발되었고
지금은 우리의 생활 곳곳에서 활용되고 있습니다.
몇몇 석영 결정구조는 압전특성이 있어서
시계나 라디오 같은 전자 기기의 진동자로 사용되기도 합니다.
석영은 주파수 안정성이 뛰어나서 시계나 전자기기에서 많이 사용되고
바륨 타이타네이트는 높은 압전 성능 때문에 각종 센서와 액추에이터에 많이 쓰입니다.
*액추에이터(Actuator. 작동기, 작동장치)는 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계 장치를 말합니다.
전기나 유압, 압축 공기 등을 이용하는 원동 구동장치를 두루 일컫는 용어입니다.
일반적으로 전류, 작동유압, 기력압 형태로 된 에너지원으로 작동하며
이 에너지를 어떠한 기기의 움직임으로 변환시키는 것을 의미합니다.
석영 시계는 압전효과를 활용한 대표적인 사례입니다.
벽시계 보면 시계판에 'Quartz'라는 단어가 쓰여져 있는 것 많이 보셨죠?
이 "Quartz(쿼츠)'란 단어가 바로 '석영(수정)'을 뜻합니다.
시계 안의 배터리는 석영 수정에 전기 충격을 보내 석영(수정)을 진동시킵니다.
진동 횟수를 세어 1초에 한 번 전기 충격을 생성합니다.
이 충격으로 기어를 통해 시계 바늘을 회전시키는 작은 전기 모터를 구동할 수 있습니다.
전기라이터 또한 압전효과를 이용한 사례입니다.
라이터 내부의 작은 망치가 압전효과를 일으켜 전기를 발생시킨 다음 발생하는 스파크로
가스를 점화시키는 것이 바로 전기라이터의 원리입니다.
또한 압전 센서가 있는데요.
이 센서는 압력을 감지해 전기 신호로 변환해 주는데
자동차의 에어백 시스템, 스마트폰의 터치스크린, 의료 기기 등에서 사용되고 있습니다.
또한, 압전 물질을 이용한 초음파 기기도 많이 사용되는데
의료 진단에서 중요한 역할을 하고 있습니다.
초음파를 이용해 신체 내부를 촬영하는 데 사용되고 있습니다.
태양광 발전도 압전효과를 활용한 것입니다.
'광자의 충격 - 압전효과 - 전기에너지' 이런 원리입니다.
최근에 크리스토퍼 보이시 호주 모내시대학(Monash University) 연구원 연구팀은
지각의 지진 활동은 지층 내부에 형성된 석영 열수에 (석영맥)
스트레스(충격, 압력)을 가함으로써 전기장을 일으켜서 (압전효과)
금(Au) 퇴적물이 형성되도록 만들 수 있다는 사실을 알아냈습니다.
석영맥에서 금맥과 금덩어리가 종종 발견되는 현상을 과학적으로 분석해낸 것입니다.
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