페그마타이트

페그마타이트(영어: pegmatite)는 매우 거친 조직을 보이는 화성암으로, 일반적으로 크기가 1 cm (0.4 in)보다 크고 때로는 1 미터 (3 ft)보다 큰 거대한 결정을 포함한다. 대부분의 페그마타이트는 석영, 장석, 운모로 구성되어 있으며, 화강암과 유사한 규장질 조성을 갖는다. 그러나 드물게는 중간 조성 및 고철질 페그마타이트도 알려져 있다.

푸른 강옥 결정이 있는 페그마타이트

사우스다코타주블랙힐스의 화이트엘리펀트 광산에서 채취한 레피돌라이트, 전기석, 석영이 함유된 페그마타이트

누나부트 준주배핀섬 북동부의 작은 산악 빙하 카르 헤드월에 있는 원생누대 페그마타이트 군집

세계에서 가장 큰 결정들은 페그마타이트 내에서 발견된다. 여기에는 미세경사장석, 석영, 운모, 스포듀민, 녹주석, 전기석 결정이 포함된다. 일부 개별 결정은 길이가 10 m (33 ft) 이상이다.^[1]

대부분의 페그마타이트는 거대한 결정화된 마그마 덩어리의 마지막 유체 부분에서 형성되는 것으로 생각된다. 이 잔류 유체는 휘발성 물질과 미량 원소가 풍부하며, 점도가 매우 낮아 구성 요소가 빠르게 이동하여 새로운 결정을 형성하는 대신 기존 결정에 합류할 수 있다. 이로 인해 몇 개의 매우 큰 결정이 형성된다. 대부분의 페그마타이트는 일반적인 화성암에서 흔히 볼 수 있는 광물로 구성된 단순한 조성을 가지고 있지만, 일부 페그마타이트는 희귀 원소의 수많은 특이한 광물을 포함하는 복잡한 조성을 가지고 있다. 이 복잡한 페그마타이트는 리튬, 베릴륨, 붕소, 플루오린, 주석 (원소), 탄탈럼, 나이오븀, 희토류 원소, 우라늄 및 기타 귀중한 상품의 채굴에 이용된다.

어원

페그마타이트(pegmatite)라는 단어는 호메로스 그리스어의 πήγνυμι (pēgnymi)에서 유래하며, 이는 “함께 묶다”는 뜻으로, 그래픽 화강암이라고 알려진 조직에서 석영과 장석의 얽힌 결정을 지칭한다.^[2] 이 용어는 1822년 르네 쥐스트 아위에 의해 그래픽 화강암의 동의어로 처음 사용되었다. 빌헬름 카를 리터 폰 하이딩거는 1845년에 이 용어를 현재의 의미로 처음 사용했다.^[3]

일반적인 설명

페그마타이트는 예외적으로 조립질인 화성암으로^[3] 서로 얽힌 결정으로 구성되어 있으며, 개별 결정은 일반적으로 크기가 1 센티미터 (0.4 in)를 초과하고 때로는 1 미터 (3 ft)를 초과한다.^[4] 대부분의 페그마타이트는 화강암과 유사한 조성을 가지므로 가장 흔한 광물은 석영, 장석, 운모이다.^[4][5] 그러나 섬장암^[5] 또는 반려암^[4]과 유사한 조성을 포함하여 다른 페그마타이트 조성도 알려져 있다. 따라서 페그마타이트라는 용어는 순전히 조직적 설명이다.^[6][7] 지질학자들은 일반적으로 이 용어 앞에 조성 설명을 붙여, 화강암 페그마타이트는 화강암 조성을 가진 페그마타이트이고 섬장암 페그마타이트는 섬장암 조성을 가진 페그마타이트이다.^[6] 그러나 영국 지질 조사국 (BGS)은 이 사용을 권장하지 않으며, 전형적인 화강암 조성의 페그마타이트, 즉 장석이 지배적이고 석영과 흑운모가 더 적은 페그마타이트에 대해 흑운모-석영-장석 페그마타이트와 같은 용어를 선호한다. BGS 용어에 따르면, 페그마타이트질 암석(예: 페그마타이트질 반려암)은 본질적으로 동일한 조성을 가진 훨씬 더 조립질인 암석 패치를 포함하는 조립질 암석이다.^[7]

페그마타이트 내 개별 결정은 엄청난 크기를 가질 수 있다. 지금까지 발견된 가장 큰 결정은 수천 톤에 달하는 카렐리야의 페그마타이트에서 발견된 장석 결정일 가능성이 높다. 수천 파운드에 달하는 석영 결정^[5]과 너비가 10 미터 (33 ft)를 넘고 두께가 4 미터 (13 ft)에 달하는 운모가 발견되었다.^[8] 사우스다코타주블랙힐스에서는 길이가 12 미터 (40 ft)를 넘는 스포듀민 결정이 발견되었고, 메인주올버니에서는 길이가 8.2 미터 (27 ft)이고 직경이 1.8 미터 (6 ft)인 녹주석 결정이 발견되었다.^[5] 지금까지 발견된 가장 큰 녹주석 결정은 마다가스카르 말라키알리나에서 발견되었으며, 무게는 약 380톤, 길이는 18 m (59 ft), 단면은 3.5 m (11 ft)였다.^[9]

페그마타이트 몸체는 전형적인 관입암 몸체에 비해 일반적으로 크기가 작다. 페그마타이트 몸체의 크기는 수십 미터에서 수백 미터 정도이다. 전형적인 화성암에 비해 상당히 불균질하며, 다양한 광물 조합을 가진 구역을 나타낼 수 있다. 결정 크기와 광물 조합은 일반적으로 벽암에 평행하거나 페그마타이트 렌즈의 경우 동심원적으로 배열된다.^[10]

분류

현대 페그마타이트 분류 체계는 버딩턴(Buddington, 1959)이 발표한 화강암의 심도대 분류와 긴스부르크와 로디오노프(Ginsburg & Rodionov, 1960) 및 긴스부르크 등(Ginsburg et al., 1979)이 페그마타이트를 그 관입 깊이 및 변성 작용과 화강암 플루톤과의 관계에 따라 분류한 방식에 크게 영향을 받았다. 체르니(Cerny, 1991)의 이 분류 체계 개정판이 널리 사용되고 있으며, 체르니(1991)의 페그마타이트 분류는 관입 깊이, 변성 정도 및 미량 원소 함량의 조합으로, 페그마타이트 용융물의 기원과 그 상대적인 분화 정도에 대한 중요한 통찰력을 제공했다.^[11]

화강암질 페그마타이트는 체르니(1991)에 따라 광물학-지구화학적 특성과 관입 깊이에 따라 일반적으로 세 가지 계층(계열 – 패밀리 – 유형 – 하위 유형)으로 분류된다. 계열은 심성(Abyssal), 백운모(Muscovite), 희소원소(Rare-Element), 미아롤리틱(Miarolitic)이다. 희소원소 계열은 조성에 따라 LCT 및 NYF 패밀리로 세분되는데, LCT는 리튬, 세슘, 탄탈럼 농축을 나타내고 NYF는 나이오븀, 이트륨, 플루오린 농축을 나타낸다. 대부분의 저자들은 페그마타이트를 LCT 및 NYF 유형과 하위 유형에 따라 분류한다. 이 분류의 또 다른 중요한 기여는 LCT 페그마타이트가 주로 조산 운동과 관련된 플루톤과 연관되어 있고, NYF 페그마타이트가 주로 비조산 운동과 관련된 플루톤과 연관되어 있음을 보여주는 분류의 암석 발생론적 구성 요소이다.^[12]

최근에는 광물학에 덜 의존하고 지질학적 환경을 더 잘 반영하는 새로운 페그마타이트 분류를 만들려는 몇 가지 시도가 있었다. 이 문제에 대한 가장 주목할 만한 노력 중 하나는 와이즈(Wise, 2022)의 페그마타이트 분류로, 이는 주로 페그마타이트가 결정화되는 마그마의 근원에 초점을 맞춘다.^[13]

암석학

하딩 페그마타이트 광산의 장미 백운모

하딩 페그마타이트 광산의 푸른 인회석 결정

페그마타이트는 새로운 결정의 핵 생성 속도가 결정 성장 속도보다 훨씬 느린 조건에서 형성된다. 큰 결정이 선호된다. 일반적인 화성암에서는 거친 조직이 지하 깊은 곳에서 느린 냉각의 결과이다.^[14] 페그마타이트가 느린 냉각으로 형성되는지 빠른 냉각으로 형성되는지는 불분명하다.^[15] 일부 연구에서는 페그마타이트 조건에서 결정이 하루에 1m에서 10m 범위의 속도로 성장하는 것이 기록되었다.^[16] 페그마타이트는 마그마 덩어리가 결정화되는 마지막 부분이다. 이 최종 유체 부분은 휘발성 물질과 미량 원소가 풍부하다.^[17][3] 잔류 마그마는 용융상과 규소, 알칼리 금속, 기타 원소로 포화된 수성 유체상으로 상 분리를 겪는다.^[8][18] 이러한 상 분리는 마그마의 2/3 이상이 결정화되기 전에 물에 포화될 만큼 충분히 많은 물을 함유한 습윤 마그마에서 형성되어야 한다. 그렇지 않으면 유체상의 분리를 설명하기 어렵다. 화강암은 상 분리가 일어나려면 0.5 GPa (72,500 psi)의 압력에서 4 중량%의 물 함량이 필요하지만, 0.1 GPa (14,500 psi)에서는 1.5 중량%의 물 함량만 필요하다.^[14]

휘발성 물질(주로 물, 붕산염, 플루오린화물, 염화 이온, 인산염)은 수성 상에 농축되어 점도를 크게 낮춘다.^[5] 수성 상의 이산화 규소는 완전히 해중합되어 거의 전적으로 정규산염으로 존재하며, 규소 이온 사이의 모든 산소 다리가 끊어진다.^[19] 낮은 점도는 유체를 통한 빠른 확산을 촉진하여 큰 결정의 성장을 가능하게 한다.^[5]

이 수성 유체가 주변의 기반암으로 주입되면, 광물은 외부에서 내부로 결정화되어 구역화된 페그마타이트를 형성하며,^[5] 서로 다른 광물이 동심원 구역에서 우세하게 나타난다.^[19] 전형적인 침전 순서는 미세경사장석과 석영으로 시작하며, 소량의 숄과 석류석이 포함된다. 그 다음으로는 조장석, 레피돌라이트, 보석 전기석, 녹주석, 스포듀민, 암블리고나이트, 황옥, 인회석, 형석의 침전이 이어지는데, 이는 이전 구역의 일부 광물을 부분적으로 대체할 수 있다.^[5] 페그마타이트의 중심에는 화려한 보석 결정으로 덮인 공동이 있을 수 있다.^[20]

일부 페그마타이트는 더 복잡한 구역화(zoning)를 가지고 있다. 미국 북부 뉴멕시코주 피큐리스 산맥의 하딩 페그마타이트에서는 다섯 개의 뚜렷한 구역이 인식된다.^[21]

• 미립의 석영-조장석 백운모 페그마타이트로 된 흰색 테두리 껍질.
• 매우 조립의 석영, 조장석, 백운모로 된 연속층. 이 구역에는 미세경사장석도 포함되어 있으며, 풍부한 인회석, 녹주석, 탄탈라이트 부속 광물이 있다. 녹주석은 때때로 매우 조립하고 풍부하다.
• 거대한 석영으로 된 연속층. 이 구역은 백운모, 미세경사장석, 클리블랜다이트도 풍부하다.
• 화려한 석영과 칼날 모양의 스포듀민 구역. 스포듀민은 칼날 모양의 결정으로 나타나며, 때로는 거대한 크기로 대부분 무작위로 배열되지만 때로는 빗 모양의 구조를 형성하기도 한다. 부속 광물은 녹주석, 인회석, 미세경사장석, 탄탈럼-나이오븀 광물이며, 특히 이 구역의 하부에 많다. 장미 백운모에 의한 스포듀민의 가상 대체와 클리블랜다이트에 의한 석영의 가상 대체가 일부 발생한다.
• 페그마타이트의 핵 부분으로, "점박이 암석"으로 알려져 있으며, 비교적 미립의 스포듀민, 미세경사장석, 석영으로 구성되어 있으며, 이에 수반되는 더 미립의 조장석, 리튬 함유 백운모, 레피돌라이트, 미크롤라이트, 탄탈라이트가 있다. 스포듀민과 미세경사장석의 대부분은 광범위하게 부식되어 미립의 운모로 대체되었다.

큰 결정은 페그마타이트의 가장자리에 핵을 생성하고 내부로 성장하면서 더 커진다. 여기에는 매우 큰 원뿔형 알칼리 장석 결정이 포함된다. 애플라이트는 흔히 존재한다. 이들은 페그마타이트를 가로지를 수도 있지만, 더 거친 물질 주위에 구역이나 불규칙한 패치를 형성하기도 한다. 애플라이트는 종종 층상으로 나타나 변형의 증거를 보여준다.^[19] 제노리스는 페그마타이트 몸체에서 발견될 수 있지만, 원래의 광물 함량은 석영과 알칼리 장석으로 대체되어 주변 페그마타이트와 구별하기 어렵다. 페그마타이트는 또한 주변 기반암의 일부를 흔히 대체한다.^[19]

페그마타이트는 용융상보다는 유체 지배적 상에서 결정화될 가능성이 높기 때문에 열수 광상과 관입암 사이의 경계에 걸쳐 있다.^[7] 페그마타이트 형성의 기본 메커니즘에 대한 광범위한 합의가 있지만, 페그마타이트 형성의 세부 사항은 여전히 수수께끼로 남아 있다.^[2] 페그마타이트는 다른 화성암 관입과 일치하지 않는 특징을 가지고 있다. 이들은 반암질이 아니며, 급랭변두리를 보이지 않는다. 오히려 가장 큰 결정은 종종 페그마타이트 몸체의 가장자리에서 발견된다. 애플라이트가 때때로 가장자리에서 발견되지만, 페그마타이트 몸체 내에서 발생하는 경우도 많다. 결정들은 흐름을 나타내는 방식으로 정렬되지 않고 벽에 수직으로 배열된다. 이는 정적인 환경에서의 형성을 의미한다. 일부 페그마타이트는 명확한 공급 통로 없이 고립된 포드의 형태로 나타난다.^[22] 그 결과, 페그마타이트에 대해 변성 또는 변성 교대 기원이 때때로 제안되었다. 변성 페그마타이트는 변성암, 특히 규장질 편마암에서 휘발성 물질을 제거하여 적절한 성분과 물을 적절한 온도에서 방출함으로써 형성될 것이다. 변성 교대 페그마타이트는 암석 덩어리에 뜨거운 변질 유체의 열수 순환을 통해 형성되며, 대량 화학적 및 조직적 변화를 동반한다. 변성 교대 작용은 현재 페그마타이트 형성 메커니즘으로 선호되지 않으며, 변성 작용과 마그마 작용이 모두 페그마타이트 발생에 필요한 조건에 기여할 가능성이 높다.^[2]

광물학

분홍색 정장석 결정이 있는 페그마타이트질 화강암으로, 더 미립의 집적암이 채워진 포획암을 둘러싸고 있다. 캘리포니아 동부 시에라네바다의 록크릭 협곡

대부분의 페그마타이트는 단순한 조성을 가지며, 종종 장석, 운모, 석영과 같은 화강암에서 흔히 볼 수 있는 광물로만 구성된다.^[3] 장석과 석영은 종종 그래픽 조직을 보인다.^[5] 드물게 페그마타이트는 리튬, 세슘, 베릴륨, 주석 (원소), 나이오븀, 지르코늄, 우라늄, 토륨, 붕소, 인, 플루오린과 같은 불친화성 원소로 극히 풍부하다. 이러한 복합 페그마타이트는 녹주석, 스포듀민,^[8] 레피돌라이트, 암블리고나이트, 황옥, 인회석, 형석, 전기석, 트리필라이트, 컬럼바이트, 모나자이트, 몰리브데나이트와 같은 이러한 원소의 특이한 광물을 포함한다. 이들 중 일부는 중요한 광석 광물이 될 수 있다.^[5] 에메랄드와 같은 일부 보석은 거의 전적으로 페그마타이트에서만 발견된다.^[8]

섬장암 페그마타이트는 일반적으로 지르코늄, 타이타늄, 희토류 원소 광물을 포함한다.^[5]

반려암질 페그마타이트는 일반적으로 예외적으로 거친 휘석과 사장석의 서로 얽힌 결정으로 구성된다.^[4]

지구화학

브라질의 리튬이 풍부한 페그마타이트에서 채취한 엘바이트 전기석(올리브 녹색)과 레피돌라이트 운모(보라색)

페그마타이트는 휘발성 원소와 불친화성 원소가 풍부하며, 이는 결정화되는 마그마 덩어리의 최종 용융분획이라는 그럴듯한 기원과 일치한다.^[5] 그러나 구성 광물 결정의 크기가 크기 때문에 페그마타이트의 대표적인 조성을 얻기 어렵다. 따라서 페그마타이트는 종종 페그마타이트를 구성하는 개별 광물을 샘플링하여 특성화되며, 광물 화학에 따라 비교가 이루어진다. 흔한 오류는 벽면 구역이 원래 용융물의 조성을 대표하는 급랭된 경계라고 가정하는 것이다.^[23]

배쏘리쓰에서 유래한 페그마타이트는 두 가지 계열로 나눌 수 있다: 나이오븀, 이트륨, 플루오린의 점진적인 농축과 베릴륨, 희토류 원소, 스칸듐, 티타늄, 지르코늄, 토륨, 우라늄의 농축이 특징인 NYF 페그마타이트 계열; 그리고 리튬, 세슘, 탄탈럼의 점진적인 축적과 루비듐, 베릴륨, 주석, 바륨, 인, 플루오린의 농축이 특징인 LCT 페그마타이트 계열이다.^[24]

NYF 페그마타이트는 알루미늄 함량이 비교적 낮은 (준알루미늄질에서 준알칼리질 화강암) A형에서 I형 화강암에서 분별되었을 가능성이 높다. 이들 화강암은 고갈된 지각 또는 맨틀암에서 유래했다. LCT 페그마타이트는 알루미늄 함량이 더 높은 (과알루미늄질 화강암) S형 화강암 또는 어쩌면 I형 화강암에서 형성되었을 가능성이 가장 높다.^[24]

중간형 페그마타이트(NYF + LCT 페그마타이트)도 알려져 있으며, 이는 초기 NYF 마그마체가 용융된 비고갈 상부 지각암으로 오염되어 형성되었을 수 있다.^[24]

경제적 중요성

2017년 기준 세계 주요 광상의 리튬 등급 및 매장량 산포도

페그마타이트는 종종 희귀 원소와 보석을 포함한다.^[25] 예를 들어 아쿠아마린, 전기석, 황옥, 형석, 인회석, 강옥 등이 있으며, 종종 주석 (원소), 희토류, 텅스텐 광물 등과 함께 발견된다.^[17][3] 페그마타이트는 석영과 장석 모두를 채굴하는 데 사용되어 왔다.^[26] 석영 채굴의 경우, 중앙에 석영 덩어리가 있는 페그마타이트가 특히 관심 대상이었다.^[26]

페그마타이트는 리튬의 주요 공급원인데, 스포듀민, 리시오필라이트 또는 주로 레피돌라이트에서 얻는다.^[27] 세슘의 주요 공급원은 구역화된 페그마타이트에서 나오는 광물인 폴루사이트이다.^[28] 전 세계 베릴륨의 대부분은 페그마타이트 내 비보석 품질 녹주석에서 얻는다.^[29] 탄탈럼, 나이오븀, 희토류 원소는 그린부쉬스 페그마타이트,^[30] 르완다와 콩고 민주 공화국의 키바라 벨트, 에티오피아의 켄티카 광산, 모잠비크의 알토 리고냐 지방,^[31] 브라질 미나스제라이스주의 미브라 (볼타) 광산과 같이 전 세계 몇몇 페그마타이트에서 공급된다.^[32]

분포

주목할 만한 페그마타이트 발생지는 전 세계 주요 크라톤과 녹색편암 상 변성대에서 발견된다. 그러나 페그마타이트 발생지는 경제적 광물화가 발견될 때만 잘 기록된다.^[33]

페그마타이트는 불규칙한 암맥, 병반, 광맥 형태로 발견되며, 배쏘리쓰(거대한 관입 화성암 덩어리) 가장자리에서 가장 흔하다.^[3] 대부분은 대규모 관입과 공간적으로, 그리고 유전적으로 밀접하게 관련되어 있다. 이들은 관입 자체 내에 광맥이나 암맥 형태로 존재할 수 있지만, 더 흔하게는 특히 관입 위쪽의 주변 기반암으로 확장된다.^[19]

일부 변성암에 둘러싸인 페그마타이트는 더 큰 관입과의 명확한 연결이 없다. 저등급 변성암 내 페그마타이트는 석영과 탄산염 광물이 지배적이다. 고등급 변성암 내 페그마타이트는 알칼리 장석이 지배적이다.^[19]

반려암질 페그마타이트는 일반적으로 반려암 또는 휘록암 덩어리 내에 렌즈 형태로 발생한다.^[4] 섬장암 페그마타이트는 알칼리 화성 복합체에서 흔하다.^[19]

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  프랑스 누아르무티에 섬의 어두운 운모편암에 있는 페그마타이트(옅은 색)
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  스코틀랜드 스카이섬의 페그마타이트(분홍색)
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  콜로라도 거니슨블랙캐니언 국립공원의 칼륨 장석 페그마타이트
• 
  헤르시니아 페그마타이트 암맥이 스페인 카탈루냐 캅 데 크레우스 반도의 에디아카라기 편암을 관입함^[34]