암석기재학

암석기재학(petrography), 기재암석학, 암석기술학은 암석학의 한 분야로, 암석에 대한 상세한 기술에 중점을 둔다. 암석기재학을 연구하는 사람은 암석기재학자라고 불린다. 암석 내의 광물 함량과 조직적 관계가 상세하게 기술된다. 암석의 분류는 암석 기재 분석 중에 얻은 정보에 기반한다. 암석 기재 기술은 노두에서의 현장 기록으로 시작하여 손으로 들 수 있는 표본의 육안 설명을 포함한다. 암석기재학자의 가장 중요한 도구는 편광현미경이다. 박편에서 광학 광물학을 이용한 광물의 상세한 분석과 미세 조직 및 구조는 암석의 기원을 이해하는 데 중요하다.

전자 미세 탐침 또는 원자 탐침 단층 촬영을 이용한 개별 광물 입자 분석뿐만 아니라 원자 흡수 분광법, X선 형광 분광법, 레이저 유도 항복 분광법을 이용한 전암 화학 분석이 현대 암석 기재 실험실에서 사용된다. 암석 시료에서 분리된 개별 광물 입자는 광학적 수단이 불충분할 경우 엑스선 회절을 통해 분석될 수도 있다. 편광현미경의 가열 스테이지를 이용하여 광물 입자 내의 미세한 유체 포유물을 분석하면 광물 형성 시 존재했던 온도 및 압력 조건에 대한 단서를 얻을 수 있다.

역사

암석기재학은 1828년 스코틀랜드 물리학자 윌리엄 니콜이 방해석의 일종인 아이슬란드 스파 결정을 특별한 프리즘으로 잘라 편광을 생성하는 기술을 발명하면서 과학으로 시작되었는데, 이 프리즘은 니콜 프리즘으로 알려지게 되었다. 일반 현미경에 이러한 프리즘 두 개를 추가하여 이 기기는 편광 현미경 또는 편광현미경으로 전환되었다. 투과광과 니콜 프리즘을 사용하여 아주 작은 광물 입자의 내부 결정학적 특성을 결정할 수 있었고, 암석 구성물에 대한 지식을 크게 발전시켰다.

1840년대에 헨리 클리프턴 소르비와 다른 사람들의 발전은 암석기재학의 토대를 확고히 다졌다. 이것은 매우 얇은 암석 조각을 연구하는 기술이었다. 암석 조각을 현미경 슬라이드에 부착한 다음 너무 얇게 갈아서 불투명해 보이던 광물 입자를 통해 빛이 투과될 수 있도록 했다. 인접한 입자의 위치는 방해받지 않아 암석 조직 분석이 가능했다. 박편 암석기재학은 암석 연구의 표준 방법이 되었다. 조직적 세부 사항이 암석 내 다양한 광물 구성 요소의 결정화 순서에 대한 지식에 크게 기여했기 때문에, 암석기재학은 암석 형성론으로, 궁극적으로는 암석학으로 발전했다.

암석기재학은 19세기 후반에 주로 독일에서 발전했다.

조사 방법

육안적 특징

현미경의 도움 없이 손 표본에서 볼 수 있는 암석의 육안적 특징은 매우 다양하며 정확하고 완전하게 설명하기 어렵다. 현장 지질학자는 주로 이러한 특징과 몇 가지 대략적인 화학적 및 물리적 시험에 의존하며, 실제 엔지니어, 건축가 및 채석장 관리자에게는 이 모든 것이 매우 중요하다. 암석의 진정한 본질을 결정하기에 자체적으로는 불충분한 경우가 많지만, 일반적으로 예비 분류에 사용되며 필요한 모든 정보를 제공하는 경우도 많다.

탄산칼슘을 시험하기 위한 작은 산 병, 암석과 광물의 경도를 확인하기 위한 칼, 그리고 그 구조를 확대하기 위한 휴대용 렌즈가 있으면 현장 지질학자는 암석이 어떤 그룹에 속하는지 좀처럼 난감해하지 않는다. 세립종은 이런 식으로 결정하기 어려운 경우가 많고, 모든 암석의 미세한 광물 구성 요소는 일반적으로 현미경 검사를 통해서만 확인할 수 있다. 그러나 사암이나 거력암이 다소 둥글고 물에 마모된 모래 알갱이로 구성되어 있다는 것을 쉽게 알 수 있으며, 만약 둔하고 풍화된 장석 입자, 빛나는 운모 조각 또는 작은 방해석 결정이 포함되어 있다면 이것들도 관찰을 피하기 어렵다. 셰일과 점토암은 일반적으로 부드럽고 세립이며 종종 층상 구조를 가지며 미세한 유기체나 식물 파편을 포함하는 경우가 많다. 석회암은 칼날로 쉽게 표시되고 약한 냉산과 쉽게 반응하며 종종 온전하거나 부서진 조개껍데기 또는 기타 화석을 포함한다. 화강암이나 현무암의 결정질 특성은 한눈에 명확하며, 전자는 흰색 또는 분홍색 장석, 투명한 유리질 석영, 반짝이는 운모 조각을 포함하는 반면, 후자는 황록색 감람석, 검은색 휘석, 회색 줄무늬 사장석을 보여준다.

다른 간단한 도구로는 취관(분리된 결정의 용융성을 시험하는 데 사용), 고니오미터, 자석, 돋보기 및 비중계가 있다.^[1]

현미경적 특징

화산 모래 알갱이의 편광 현미경 사진; 위 사진은 평행 편광, 아래 사진은 직교 편광, 왼쪽 중앙의 스케일 박스는 0.25밀리미터.

 이 부분의 본문은 광학 광물학입니다.

익숙하지 않은 유형의 암석이나 너무 미세하여 손 렌즈로는 구성 광물을 식별할 수 없는 암석을 다룰 때 현미경이 사용된다. 현미경으로 관찰되는 특징에는 색상, 평면 편광 하에서의 색상 변화(다색성, 하부 니콜 프리즘 또는 최근에는 편광 필름에 의해 생성됨), 입자의 파괴 특성, 굴절률(일반적으로 캐나다 발삼과 같은 장착 접착제와 비교하여), 광학 대칭(복굴절성 또는 등방성성)이 있다. 이러한 특징들을 종합하면 광물을 식별하고 주요 원소 조성을 상당히 정확하게 추정하는 데 충분하다. 현미경으로 광물을 식별하는 과정은 상당히 미묘하지만, 기계적이기도 하다. 컴퓨터가 이를 수행할 수 있는 식별 키를 개발하는 것이 가능하다. 광학 암석기재학에서 더 어렵고 숙련된 부분은 입자 간의 상호 관계를 식별하고 이를 손 표본, 노두 또는 지도에서 보이는 특징과 연관시키는 것이다.

구성 요소 분리

분석을 위한 순수한 시료를 얻기 위해 분쇄된 암석 분말의 성분을 분리하는 것은 일반적인 접근 방식이다. 이는 강력하고 강도 조절이 가능한 전자석으로 수행될 수 있다. 약한 자기장은 자철석을, 이어서 적철석 및 기타 철광석을 끌어당긴다. 철을 포함하는 규산염은 정해진 순서로 따라온다—흑운모, 엔스타타이트, 휘석, 각섬석, 석류석 및 유사한 철-마그네슘 광물이 차례로 추출된다. 마지막으로, 백운모, 방해석, 석영, 장석과 같은 무색의 비자성 화합물만 남는다. 화학적 방법도 유용하다.

약산은 분쇄된 석회암에서 방해석을 용해시켜 백운석, 규산염 또는 석영만 남긴다. 플루오르화수소산은 석영보다 장석을 먼저 공격하며, 조심스럽게 사용하면 휘석이나 고철질석을 용해하기 전에 암석 분말 내의 이러한 물질과 모든 유리질 물질을 용해시킨다.

비중을 이용한 분리 방법은 훨씬 더 넓은 적용 범위를 가진다. 이 중 가장 간단한 것은 수비법으로, 토양의 기계적 분석 및 광석 처리에서 널리 사용되지만, 구성 성분들이 일반적으로 비중에서 크게 다르지 않기 때문에 암석에서는 그렇게 성공적이지 않다. 대부분의 조암 광물을 공격하지 않지만 비중이 높은 유체가 사용된다. 요오드화칼륨 수은 (비중 3.196), 붕텅스텐산 카드뀁 (비중 3.30), 요오드화메틸렌 (비중 3.32), 브롬포름 (비중 2.86), 또는 브롬화아세틸렌 (비중 3.00) 용액이 주로 사용되는 유체이다. 이들은 (물, 벤젠 등으로) 희석하거나 증발시켜 농축할 수 있다.

암석이 흑운모(비중 3.1), 백운모(비중 2.85), 석영(비중 2.65), 올리고클라스(비중 2.64), 정장석(비중 2.56)으로 구성된 화강암이라면, 분쇄된 광물들은 요오드화메틸렌에 뜬다. 벤젠으로 점차 희석하면 위 순서대로 침전된다. 이론적으로는 간단하지만, 실제로는 지루한 과정이며, 특히 하나의 조암 광물이 다른 광물을 포함하는 경우가 흔하다. 신선하고 적합한 암석을 전문가가 다루면 우수한 결과를 얻을 수 있다.^[1]

화학 분석

육안 및 현미경 조사 외에도 화학 연구 방법은 암석기재학자에게 매우 실용적이고 중요하다. 위 과정으로 얻은 분쇄 및 분리된 분말은 암석 내 광물의 화학 조성을 정성적 또는 정량적으로 결정하기 위해 분석될 수 있다. 화학적 시험과 미세한 알갱이의 현미경 검사는 세립 암석의 광물 구성 요소를 구별하는 우아하고 귀중한 수단이다.

따라서 암석 박편에 인회석이 존재함은 암석 박편을 몰리브덴산암모늄 용액으로 덮어 확인된다. 해당 광물 결정 위에 흐릿한 노란색 침전물이 형성된다 (인산염 존재를 나타냄). 많은 규산염은 산에 불용성이어서 이런 식으로 테스트할 수 없지만, 다른 것들은 부분적으로 용해되어 아닐린 염료와 같은 염색제로 염색될 수 있는 젤라틴질 실리카 막을 남긴다 (네펠린, 아날사이트, 제올라이트 등).

암석의 완전한 화학 분석 또한 널리 사용되고 중요하며, 특히 새로운 종을 기술할 때 그러하다. 암석 분석은 최근 몇 년 동안 (주로 미국 지질조사국의 화학 실험실의 영향으로) 높은 수준의 정교함과 복잡성에 도달했다. 스무 개 또는 스물다섯 개의 구성 요소까지 결정될 수 있지만, 실제적인 목적을 위해서는 실리카, 알루미나, 철 및 철 산화물, 마그네시아, 석회, 칼륨, 나트륨 및 물의 상대적 비율에 대한 지식이 암석의 전통적 분류에서 위치를 결정하는 데 큰 도움이 된다.

화학 분석은 일반적으로 암석이 화성암인지 퇴적암인지 나타내는 데 충분하며, 어느 경우든 이러한 분류의 어떤 하위 분류에 속하는지 정확하게 보여준다. 변성암의 경우, 원래 덩어리가 퇴적물이었는지 화산 기원이었는지를 종종 확립한다.^[1]

비중

암석의 비중은 저울과 비중계를 사용하여 결정된다. 마그네시아, 철, 중금속이 가장 많은 암석에서 가장 높고, 알칼리, 실리카, 물이 풍부한 암석에서 가장 낮다. 풍화와 함께 비중은 감소한다. 일반적으로 동일한 화학 조성을 가진 암석의 비중은 결정도가 높으면 높고, 완전히 또는 부분적으로 유리질이면 낮다. 더 흔한 암석의 비중은 약 2.5에서 3.2 범위이다.^[1]

고고학적 응용

고고학자들은 암석기재학을 사용하여 도기의 광물 성분을 식별한다.^[2] 이 정보는 유물을 도기 원료를 얻은 지질학적 지역과 연결시킨다. 점토 외에도 도공들은 종종 "태토" 또는 "무가소성 물질"이라고 불리는 암석 파편을 사용하여 점토의 특성을 변형시켰다. 도기 구성 요소에서 얻은 지질학적 정보는 도공들이 지역 및 비지역 자원을 어떻게 선택하고 사용했는지에 대한 통찰력을 제공한다. 고고학자들은 특정 위치에서 발견된 도기가 현지에서 생산되었는지 또는 다른 곳에서 거래되었는지 판단할 수 있다. 이러한 종류의 정보는 다른 증거와 함께 정착 패턴, 집단 및 개인의 이동성, 사회적 접촉, 무역 네트워크에 대한 결론을 뒷받침할 수 있다. 또한, 특정 광물이 특정 온도에서 어떻게 변형되는지에 대한 이해는 고고학적 암석기재학자들이 세라믹 생산 공정 자체의 측면, 예를 들어 도기를 처음 구울 때 도달한 최소 및 최대 온도를 추론할 수 있게 한다.

같이 보기

• 세라믹 암석기재학