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오늘부터는 암석학, 지질학으로 들어간다. 이번 강의를 통해 암석학을 매듭짓고 싶다. 물리학을 해 보고 관문 돌파해보니 모듈이 많이 나온다. 준비한 모듈이 30여개이다. 오늘 강의부터는 깔끔한 모듈 2개가 나온다. 암석학은 한 달이면 끝나는 프로젝트이다. 암석 이름 50개를 암기하면 끝난다. 영어단어 100개 정도는 1주일에 암기할 수 있다. 30개 정도면 나이 먹은 사람도 할 수 있다. 한 달이 아니라 1주일이면 끝낼 수 있고, 평생 바깥에 나가면 모든 돌들이 말을 걸어올 것이다. 명확한 패턴이 있고, 패턴만 알면 당연히 그렇구나!”를 알게 된다.

 

지질학을 하기에 가장 안 좋은 지대가 열대지역이다. 온대지방도 그렇다. 가장 좋은 데는 산에 나무가 없는 곳, 사막, 돌 밖에 없는 곳에 가서 일주일만 노출되어 있으면 된다. 오늘도 몽골고비사막, 호주사막, 데스밸리(Death Valley)가 생각난다. 데스밸리는 낮에 계곡에 가서 돌 줍는 재미가 중독같다. 이쪽도 끝판왕이 있다. 전세계 해변의 모래를 분석하는 것이다. 모래는 해변가 마다 다 다르다.

 

공부는 끝이 있다. 끝을 맺는 분야가 30군데 있다. “슈뢰딩거 방정식이 끝이다. 암석학이 끝이다. 더 이상 없다. “학문은 영원히가 아니다. 연구원들이 쓰는 논문의 디테일한 포인트는 전 세계 아무도 모른다. 몇 년 지나면 대가가 쓴 리뷰 페이퍼가 나오는데 그것을 따라가면 그 분야는 끝나는 것이다. 학문은 끝이 있다.

 

암석학, 광물학은 이전의 자연과학 지식 하나도 없어도 된다. 다만 알파벳 30개를 알고, 대원칙 하나를 알면 된다. 일주일만 훈련하면 모든 원리를 알게 된다. 원리가 3, 법칙은 전하중화의 법칙하나이다. 알파벳이 주기율표 원소 30개이다. 이 분야는 동작 빠른 초등학생이 대학교수보다 빨리 갈 수 있다.

 

나는 전공 안한 분야 들어갈 때 화두는 이걸 어떻게 빨리 공부할 것인가? 여기에 숨겨진 패턴은 무엇인가?” 항상 이것을 본다. 오랫동안 보니까 보인다.

 

주기율표를 안다고 하면 암석학에 들어오면 단 하나의 지식이 압도적으로 중요하다는 것을 알게 된다. 지식은 평등하지 않다. 가장 중요한 지식이 빅뱅이다. 빅뱅에서 단 하나의 중요한 정보는 137억 년 전에 한 점이었다는 것이다. 지금은 수많은 갤럭시가 있다. 우주에서 모든 것은 시작점이 있다. 언제 시작했는지 뭐든지 물어보라. 꽃은 언제 시작되었나? 14천만 년 전이다. 꿈은 언제 출현했나? 14천만 년 전이다. 손가락이 5개가 된 것은? 35천만 년 후이다. 다세포동물은? 10억 년 전이다. 자연과학에서 가장 중요한 지식은 우주에 시간이 가장 오래된 것은 137억 년 전이라는 것이다.

 

암석은 기본적으로 만들어지는데 1000만 년 걸린다. 흙과 돌은 완전히 다른 것이다. 소변과 대변이 완전히 다른 것처럼. 대변은 일주일 안 봐도 안 죽지만, 소변은 일주일 안 보면 죽는다. 결정적 지식이 5개를 안 넘는다. 자연과학에서 가장 결정적 지식은 대칭이고, ’전하보존의 법칙이다.

 

지금부터 프로젝트를 한 달 잡고 30개만 암기하고 나면 밖에 돌들이 말을 걸어올 것이다. 암석학에서 X-ray diffraction으로 물질을 밝혀내면, 지구상의 모든 광물이 동일한 패턴이다. 암석학이 결코 잡다한 학문이 아니다. 모든 암석학 논문은 조성 데이터를 수록한다. 조성별로 들어가는 것이 9가지인데, 그 분포의 %로 현무암이다, 감람암이다 분류하는 것이다. 광물학은 그 분포 밖에 없다. 그것을 보여준다. 오늘 강의 끝나고 나면 진짜 그거 밖에 없네!”라고 소리 지르면 끝난다. 클라크 수(Clarke Number)라고 한다. 고등학교 지구과학 책에도 나오는데 아무도 강조 안 해서 모른다.

 

실재로 어떤 단계에 올라간 사람은 잡다하게 안 보인다. 딱 몇 가지 밖에 없다는 것이 너무나 박히기 때문에 그걸 확실히 이해 못하면 답답하게 보인다. 누가 됐든지 오랫동안 한 사람이 요거 밖에 없다고 강조하면 100% 믿으면 된다. 그러면 다 풀린다. 전문가가 되는 비법은 간단하다. 10년이나 20년 한 사람 이야기를 그대로 한 달만 흉내 내면 상황이 끝나는데 사람들은 자존심이 있어 죽어도 그렇게 안한다. 그래서 전문가가 드문 것이다. 뒤집어 보면 고소한 것이다. 다 전문가 되면 재미없다. 방법을 안 가르쳐주어 전문가가 못되는 것이 아니고 사람들이 갖고 있는 자존심 때문에 안 되는 것이다

#1

너무 간단해서 1줄이면 끝난다. “SiO2 > Al2O3 > FeO > CaO > MgO, K2O, Na2O” 광물학은 이거 밖에 없다. 지구 어떤 돌멩이도 논문에 실으려면 이 조성 비율을 넣어야 한다. 원자가 어디에 있는가? 우리가 살고 있는 인공환경은 C, H, O밖에 없다. 자연에는 여기에 Na, Mg, K, Ca, Fe, Al 외는 Nothing이다. 이것을 광물학이라고 한다.

 

지구표층에 이 비율이 얼마인지 기억해야 한다. SiO2 65%, Al2O3 15%, FeO 5%, CaO 4%, MgO, K2O, Na2O 는 각 3%이다. 여기서 공통된 것은 O가 박혀 있는 것이다. 지구에 핵이 있고 외핵이 있고 맨틀이 있고 지각은 100km 정도이다. 맨틀은 전체 SiO2이다. 핵은 철과 니켈이다. 대부분 철이다. 지금 핫 이슈는 카본이 맨틀에 있을 수 있다는 것이다. 그 전에 지질학에서는 보통 카본이 우주 전체에 중요한 원소인데, 지구에서 카본이 표층에만 있다고 하였다. 지구 전체 카본이 0.1%이다. 지구 전체에서 가장 많은 원소가 철이고, 다음이 실리콘이고, 산소이다. 맨틀이 2900km이고, 외핵 표면이 100만 기압, 내핵 표면이 300만 기압, 맨틀의 650km 영역이 10만 기압이다.

 

두 번째는 공통점이 산소이면 지구 표층에 광물이므로 지구표층의 대기 중에 산소가 있어야 한다. 이것은 20억년 이후에 불거지기 시작한 ’Great oxidation event‘라는 지구 역사를 반 가르는 사건이다. 시아노박테리아 광합성 결과로 지구 대기가 20억 년 전부터 산소농도가 농축되면서 지구표층의 모든 광물의 기본요소가 이렇게 된 것이다.

 

이 모든 사건이 산소와의 만남이다. 산소가 2가이다. 누구와 만나는가? 수소+1, 카본+4, 실리콘+4가와 결혼이다. 전기를 중화시켜야 한다. 수소 2개가 와서 H2O가 된다. 이것이 바다이다. 바다가 전기중화가 안 되었으면 물고기가 다 감전되어 죽는다. 카본과 결혼하면 CO2로 대기가 된다. 실리콘과 만나면 SiO2 대륙이다. 이것밖에 없다. 지구과학 끝이다. 각주가 지구과학 책이다.

 

H2O는 액체로 바다를 장악하고, CO2는 기체를 하늘을 장악하고, SiO2는 고체로 지구표층을 장악했다. 액체와 만나는 사건에서는 H2O가 등장하고, 대기와 만나는 사건에서는 CO2가 등장한다. 지구 속으로 들어가면 항상 SiO2가 등장한다. 지금 놀라운 것은 맨틀층에도 H2OCO2가 그대로 있다는 것이 밝혀지면서 최근 10년 사이에 지구과학이 달라지고 있다.

 

산소(O), 탄소(C), 규소(Si) 3형제와 조금 다른 네 번째 형제가 철(Fe)이다. 철은 2가와 3가가 있다. Fe2+와 산소가 결혼하면 FeO, Fe(OH)2가 된다. Fe3+와 산소가 결혼하면 Fe(OH)3, FeO(OH), Fe2O3가 된다. FeO(OH)는 괴테의 이름을 딴 Goethite(침철석)이다. 광물의 색깔을 결정하는 3가지 광물 중 하나로 무지하게 많다. 토양에 갈색을 띠면 이 광물이다. 토양에 10%가 있다. (OH)가 붙는 광물을 함수광물이라고 한다. Fe2O3Hematite(적철석)이다. 이 광물은 안정적이고 붉은색이다. 흙의 색을 결정하는 광물은 딱 3개이다. 그 중 2개가 GoethiteHematite이다. Fe3O4Magnetite(자철석)로 철광석 중 자성을 띤다. 어떻게 전기중성을 맞출까? 인수분해하면 풀린다. 기본인 FeO를 인수로 하면, FeO3가 결합하면 Fe3O4가 된다. 해보면 된다. FeO가 기본 광물이라는 것을 알아야 풀리는 문제다. 이런 것이 결정적 지식이다. Fe2+, Fe3+가 동시에 작용한 것이 Fe3O4이다. 포항제철에서 좋은 철 만들려면 다 알아야 되는 것이다. 철이 산화되었다는 것이 이상의 6개 한 모듈이다.

 

철이 녹이 슨다는 것은 어떤 현상인가? 전형적인 광물학 현상이다. Fe2+Fe + 2e-이다. Fe3+Fe2+ + e-이다. 인체생리학에서는 비타민C3가철을 2가철로 만들어 주는 조효소로 작동한다. 2가철은 물에 녹고, 3가철은 물에 녹지 않는다. 이것으로 지구 바다의 생태계가 완전히 갈라진다. 초기 바다 20억년에는 2가철이 바다에 엄청 녹아 있었다. 그러나 지금 바다에는 2가철이 완전히 없고 지구표면은 완전히 3가철이다. 화성이 붉은 행성이 된 것도 3가철 때문이다. 전자 4개가 나오고 주변에 물이 있고 산소가 공급되면, 4e- + H2O + O2 -> (OH)4-가 된다. 이 상황은 철판이 있다면 비가 와서 물이 철판에 고이고, 공기 중 산소가 들어오면서 철이 전자를 방출하면 전자가 흘러가서 계면에 녹(rust)이 슨 것이다.

 

녹 스는 과정 1단계는 Fe2+ (OH)2- -> Fe(OH)2가 되고, 2단계는 Fe(OH)2 -> FeO + H2O가 된다. 이런 반응이 일어나려면 (OH)4-가 무지하게 많이 만들어져야 하는데, 그런 조건이 빗물에 노출된 철판이라는 것이다. 3단계는 Fe(OH)3 -> FeO(OH) + H2OGoethite가 만들어진다. 광범위한 현상이다. 괴테 이름 붙일 만하다. 괴테가 광물을 3000점 가지고 있었다. 그 정도 되어야 파우스트 같은 소설을 쓸 수 있다. 뭘 알아야 된다. 4단계는 2FeO(OH) -> Fe2O3 + H2O이다. 4단계 과정이 산화철(Fe2O3)이라는 녹이 만들어지는 과정이다. 지금까지 쓴 법칙이 전하중화법칙이다

#2

용광로는 순수한 철을 빼내는 과정이다. 2C + O2 -> 2CO로 일산화탄소이다. 제철산업 용광로에 가장 필요로 하는 것이 일산화탄소로 환원제로 들어간다. 3CO + Fe2O3 -> 2Fe + 3CO2가 된다. 산화철에서 철을 빼내면 이산화탄소가 나온다. 포항제철에 이산화탄소가 엄청 나와서 규제를 받는 이유이다. Magnetite에서 철을 빼내려면, 4CO + Fe3O4 -> Fe + 4CO2이다. 제철산업이 지구온난화 문제와 링크되어 있다.

 

지구 광물학은 지구표층에서 일어나는 현상으로, 지구표층에는 바다가 있고 대기가 있다. ’지구표층환경사는 광물과 바다의 물과의 관계, 광물과 대기 중의 산소와 관계이다. 맨틀층으로 들어가면 광물과 마그마가 작용한다. 마그마는 무엇인가? 녹은 SiO2이다. 액체 상태의 SiO2와 온갖 광물하고 일어나는 사건이다. 요약하면 지구전체로 보면 광물학은 첫째, 대기 중 산소와 광물이 무슨 일이 일어났는가? 둘째, 바다의 물과 광물이 무슨 일이 일어났는가? 셋째, 맨틀 안으로 들어오면 액체상태의 마그마인 SiO2와 광물이 무슨 일이 일어났는가? 또 하나는 지하수이다. ’열수광산이라고 한다. 마그마 지층에 지하수가 마그마 가까이 와서 마그마에 들어 있는 조성 중 양성자(H+)가 기화된 물분자 상태에 들어가 광물과 상호작용한다.

 

SiO2 마그마는 1000도이다. 압력은 10만 기압이다. 두 번째 많은 Alumina(Al2O3)는 준보석으로 강도가 다이아몬드 다음이라 공업용 다이아몬드로 쓴다. Al2O3 + SiO2 -> Al2SiO4로 이름이 3개이다. 홍주석, 규선석, 남정석이다. 지질학의 온도계이다. 이 광물이 발견되면 주변 온도를 알 수 있다.

 

Olivine(감람석)이 마그마를 만나면, (Mg,Fe)2SiO4 + SiO2 -> 2(Mg,Fe)SiO3 Pyroxene(휘석)이 만들어진다.

 

석회암이 마그마를 만나면, CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2가 된다. CaSiO3는 규회석이다. 화산에서 올라오는 가장 많은 가스는 수증기(H2O)이고, 다음이 CO2이다. 화산에서 왜 CO2가 있는가? 설명할 필요가 없다. 지구상 어떤 땅도 예전에는 바다 밑일 확률이 높다. 그렇다면 동굴도 많고 시멘트가 나온다. 석회암 지대이다. 마그마가 석회암 층을 뚫고 올라오면서 당연히 CO2가 올라올 수밖에 없다. 지구 온난화 주범이다

#3

산소와의 결혼 이야기에서 SiO2 이야기가 70%이고, CO2 이야기가 30%이다. H2O는 따라오는 것이다. 그래서 광물학에서는 SiO250%이다. 그것을 화성암(igneous rock)이라고 한다. 간략하게 도표를 그려놓고 한다. 광물학의 기본 그림이다. 이 전체 이야기가 Si4+ 이야기이다.

전하중화하기 위해 +양이온이 들어온다. +양이온은 Na+, Mg2+, K+, Ca2+ 4개가 식물학이든 동물학이든 광물학이든 비료학이든 해양학이든 얘들이 주인공이다. 생물학에도 단백질에 코어로 들어간다. 여기에 2개가 게스트로 들어온다. Al3+ Fe2+, Fe3+이다. 암석학은 이들 6개와 Si과의 관계이다. 이들과 결혼하는 대장이 Si4+이다. 중매쟁이로 들어오는 O2+가 있고, 간혹 물의 대리로 OH-가 온다. 토양학 전부 이거 밖에 없다

#4

SiO44+에서 온 (Mg,Fe)2SiO4Olivine(감람석)이고, SiO32+에서 온 (Mg,Fe)2SiO3Pyroxene(휘석)이다. Si4O11(OH)2에서 Ca(Mg,Fe)3가 붙은 것이 Ca(Mg,Fe)3Si4O11(OH)2Amphibole(각섬석)이다.

 

(AlSi3O10)(OH)2를 전하중화하기 위해 +양이온 K(Mg,Fe)3가 붙으면 K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2Biotite(흑운모)이다. (Mg,Fe) 대신 Al이 오면 색깔이 희어져서 KAl2(AlSi3O10)(OH)2Muscovite(백운모)이다.

 

Amphibole, Biotite, Muscovite(OH)가 있는 함수광물이다. 물이 들어가서 물렁물렁하다. 결정구조는 판상이다. 판데기로 뜯겨져 나갈 때 금속양이온(Na, Mg, K, Ca)이 빠져 나와서 바다로 흘러가서 최초의 생명이 진화할 때 들어간다. 그래서 우리의 생명의 기원이 점토광물에서 출현했다는 연구이론이 있다.

 

다음은 장석으로 간다. Ca, Na, K-장석이다. 물이 없어 단단하다. 기본구조는 AlSi3O8이다. 전하가 1이라, +1만 오면 된다. 찻번째 Na가 온 것이 Na(AlSi3O8)Albite(조장석)이다. 장석은 중요하다. 길 가다가 돌을 차면 60%는 장석이다. 장마철 끝나면 홍수가 나고 범람하면 바닥이 누런 황토가 된다. 70%는 장석이다. 장석은 물에 녹기 때문이다.

 

두 번째 K를 불러오면 K(AlSi3O8)Orthoclase(정장석)이다. 서울에 많다. 아파트 단지에 건물에 벽이 주황색인데 매끌한 곳에 패턴이 보이는 것이 K-장석이다.

 

세 번째가 Al이 한 개 더 붙은 CaAl(AlSi3O8)Anorthite(월장석)이다. 달을 보면 검게 보이는 곳이 현무암이 범람한 곳이다. 운석이 떨어져 녹아서 평평하게 된 곳이고, 밝은 곳은 월장석이다. 다른 말로 회장석이라고 한다.

 

Quartz(석영)SiO2이다. NaAlSiO4Nepheline(준장석)이다. 장석에 준한다고 하여 무르다.

 

지구상에 이쪽 계열의 광물이 1500종이 넘는다.

 

정장석이 고령토(kaolinite)로 바뀌는 것을 해본다. 2K(AlSi3O8) + 2H2CO3 + H2O > Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + 2HCO3- + 2K+ 로 흙(고령토, Al2Si2O5(OH)4)이 만들어지는 과정이다.

 

만일 3분자 정장석(Orthoclase)이 수소이온이 많은 열수광산의 수증기를 만나면 “3K(AlSi3O8) + 2H+ -> KAl2(AlSi3O10)(OH)2 + 2K+ + 6SiO2로 산업적으로 중요한 물질인 백운모 KAl2(AlSi3O10)(OH)2가 나온다. 백운모(Muscovite)는 화장품 등에 들어가는 산업적으로 중요하다. K-장석이 열수변성이 일어나면 고급광물인 백운모로 바뀐다는 것이다.

 

2분자의 감람석(olivine)에 열수와 물이 오면 “2Mg2SiO4 + 2H+ + H2O > Mg3Si2O5(OH)4가 석면(Serpentine, 사문석)이다. 석면에서 만든 공산품이 3000종이다. 로마시대 네로황제는 석면으로 옷을 만들어 입었다. 석면은 습입대에서 나온다. 습입대라서 물이 있고 압력으로 분해되어 양성자가 나오기 때문이다. 전 지구적 이야기이다.

지구가 있다면 바다가 있고, 대기가 있고, 표층에 광물이 있어, 먼저 만나는 것이 산소(O2)이다. 두 번째 물은 OH로 들어온다. 세 번째는 마그마 SiO2와 반응한다. 다음은 마그마 근처에 액체가 있으면 산성용액이 된다. 산성용액에는 H+가 들어가 있다. 뜨거운 온천물에 양성자가 들어가 있는 것이다. 열수광산이 200-300도까지 올라간다. 나머지는 기존광물이 결정화되어 고체상태이다. 첫 번째 대기 중 산소가 만나는 과정, 두 번째 마그마가 만나는 과정, 세 번째 열수용액 H+가 들어가 만나는 과정, 크게 나누면 3가지 과정 밖에 없다. 그래서 지구상 모든 광물이 만들어진다. 지표에서 만들어지는 광물 중 대규모로 일어나는 것이 산화광물로 산소와 만나는 과정이다. 화성이 불자를 쓰는데, Red giant, 붉은 행성이라고 하는 이유는 화성표면에 있는 광물이 현무암이 많은데, 광물과 초기 화성의 바다가 태양풍에 분해가 되어 수소와 산소가 나오면 화성표면에 있는 광물이 산소와 결합되어 산화가 일어나 Hematite(Fe2O3, 적철석)가 되기 때문이다. 지구표면의 색깔은 Fe2O3와 약간의 갈색은 FeO(OH)가 다 결정한다.

 

#5

지금부터는 광물이 지구표면에서 산소분자를 만나서 산화되는 과정을 따져본다.

 

첫 번째 Pyrite(황철석)라는 광물이 중요하다. FeS2이다. 주사위처럼 생겼다. ‘악마의 주사위라고 하는데, 금광 발견할 때 금인 줄 속아 넘어간다. 해변가에 pyrite로 모래가 된 해변이 있다. 산소를 만나면 산화철이 되고 황이 떨어져 나온다. 화학식은 4FeS2 + 3O2 -> 2Fe2O3 + 8S가 된다. 황은 온천지 가면 노란 가루로 흔히 볼 수 있다. 황은 순수 원소이다. 원소금속이라고 한다. 원소광물이 은, 구리, 금이 있다. 은행은 은에서 유래됬다. 인류가 구리와 금을 청동기 시대에 이용한 이유는 원소광물이기 때문이다. 얼음도 광물, 석탄도 광물이다. 광물학이 광범위하다.

 

두 번째 감람석(Olivine)이 산소와 만나면 어떻게 될까? 산화철이 되고 모래가 떨어져 나온다. 지구표면으로 Mg-감람석 보다 Fe-감람석이 올라 올 가능성이 많으므로, 2Fe2SiO4 + O2 -> 2Fe2O3 + 2SiO2가 된다.

 

고형체 (Mg, Fe)라는 것은 Mg2SiO4 또는 Fe2SiO4인데, 두 가지가 다양하게 조성된 비율 값도 가능하다는 것이다. 이를 고형체 관계라고 한다. 단순하게 계산할 때는 2라고 하는 것이 간편하다. 마그네슘-감람석, -감람석이라고 하는데, 또한 고유명사가 있다. 북한산 인수봉이 화강암으로 되어 있는데, 맨틀층으로 들어가면 지구표면 두께 수십 배 이상으로 된 감람암이 있다. 이 하나의 분자가 지구표면에 있는 모든 광물을 합친 것보다 더 많다. 우리는 지구를 기껏해야 10km 표면만 알고 있는데, 2900km까지 들어가 있는 물질이 감람암이다. 지질박물관에 가면 현무암 속에 퍼런 암석이 박혀 있는 것을 볼 수 있는데, 초록색 나는 암석이 지구 속 2900Km까지 가득 차 있다.

 

세 번째는 철-휘석(Fe-Pyroxene)은 제주도 현무암에 깨알 같은 알갱이로 많이 박혀 있다. 그래서 검게 보인다. 화강암은 없는데 현무암은 태양계 모든 행성에 다 있다. 전 지구적 암석일 뿐 아니라 태양계에도 통용되는 암석이다. 산소와 만나면 산화철이 되고 모래가 빠져 나온다. 화학식은 4FeSiO3 + O2 > 2Fe2O3 + 4SiO2가 된다.

 

그러면 화성이 붉고, 황토길, 전라도 해남의 고구마 잘 자라는 붉은 밭은 다 산화철이다. 타는 목마름, 땅끝마을 이제 순례할 수 있다. 해남고구마가 잘 되는 이유는 붉은 땅이기 때문이다. 고구마가 잘 되려면 통풍이 잘 되어야 하고 알갱이를 느낄 수 있어야 한다. 남해안에 비가 많이 오면 녹스는 과정이다. 비가 오다가 쨍쨍 마르면 토양이 다 산화된다. 산화되면서 모래가 생기니 통풍이 잘된다. 암석학 하면 토양학은 그냥 들어간다. 토양학 들어가면 지난 5억년 동안 고생대 데본기에 토양층이 지구에 형성되고, 해양척추동물이 육상척추동물로 바뀌는 과정을 이해할 수 있다. 곧장 생물학 지식과 링크된다. 또 인도네시아, 태국의 비가 많이 오는 데서 붉은 벽돌이 많이 생긴다. 그것을 라테라이트(laterite)라고 한다. 대만, 베트남에는 라테라이트 붉은 도자기가 유명하다.

 

광물이 산소에 노출되는 것을 풍화(Weathering)라고 한다. 풍화는 바람이 아니다. 풍화는 99.9%가 비이다. 바람이 아무리 불어도 비가 안 오면 안 바뀐다. 비가 오면 표면이 씻겨져 나가고 안에 있는 광물이 드러나면 곧장 산화가 된다. 지구 표면에 산소가 20억 년 전부터 있었다. 그 이전 지구초기 20억년 동안은 표면에 산소가 없었다. 이 모든 광물은 Great oxidation event의 결과이다. 광합성의 부산물로 산소가 대기로 올라가서 무차별적인 산화가 일어났다. 산소와 빠르게 결합하는 것을 폭발했다고 하고, 조금 느리게 결합하는 것을 불탄다고 하고, 더 느리게 결합되는 것을 소화된다고 하고, 더 더욱 느리게 100년 동안 결합하는 과정을 늙는다고 한다. 피부가 쭈글해지는 것도 산화현상이다. 모두가 같은 현상이다.

 

H4SiO4를 규산이라고 한다. 곧장 분해가 되어 SiO44-로 빠져나간 것을 염기(base)라고 한다. 다음에 중화시키기 위해 철과 마그네슘의 금속양이온이 들어와서 염기와 결합한 형태를 염(salt)이라고 한다. 그래서 규산염광물이라고 하는데 1500종류가 있다. 분해하면 SiO2가 되어 광물의 반은 규산염 광물이다.

 

비가 많이 오는 라테라이트 지형에 가면 알루미늄과 비가 만나면 Al3+ + H2O -> Al(OH)2+ + H+가 된다. 토양학의 결정적 수식이다. 알루미늄 토양에 빗물이 들어가면 양성자가 나와서 토양이 산성화 된다. 알루미늄이 많은 토양에 열대지방에 비가 많아지면 토양산성화가 일어난다.

 

비가 계속오면 Al(OH)2+ + H2O -> Al(OH)2+ + H+ 가 되어 토양이 더 산성화 된다. 그래서 이런 지역에는 산성토양에 적응하는 몇몇 작물만 집약적으로 키우게 된다. 기후조건과 토양조건을 결합하면 어떤 작물이 자라는지 알 수 있다.

 

또 비가 온다. 최치원이 중국 유학 가서 남긴 시에 窓外三更雨(창외삼경우). 燈前萬里心(등전만리심)”이라고 하였다. 백미에 속하는 문학작품이다. 고국 신라를 그리워하면서 밤 삼경에 등불을 앞에 두고 공부하면서 소나기가 쏟아지니 등불 앞에서 만리 떨어져 있는 신라 소식이 그립다고 하였다. 이 공식 적으면 생각나는 시이다. 지구라는 행성에서 물이라는 액체가 비로 내려진다는 것은 신비스런 현상이다.

 

또 비가 오면 Al(OH)2+ + H2O -> Al(OH)3 + H+ 가 되는데, Al(OH)3Gibbsite로 지구표면의 색깔을 결정하는 3번째 광물이다. Hematite(적철석, Fe2O3), Goethite(침철석, FeO(OH)), Gibbsite(Al(OH)3), 3가지가 지구표면의 색깔을 결정한다.

 

또 비가오면, Al(OH)3+ H2O -> Al(OH)4- + H+ 가 된다.

 

다음 과정은 지구온난화, 해양산성화, 토양산성화, 인체산성화를 이해하는 수식이다. 지구 생명의 역사에서 이 만큼 중요한 수식이 없다.

CO2 + H2O -> H2CO3

H2CO3 -> H+ + HCO3-

HCO3- -> H+ + CO32-

발생비율은 탄산(H2CO3)1%, 중탄산염(HCO3-)90%, CO32-10%이다. 석회암 동굴, 위산분비, 혈액중화, 대륙이동을 이해하려면 이것을 알아야 한다. 일본의 동경대 교수는 지구의 역사는 이산화탄소가 대기와 대륙과 대양을 45억년동안 순환한 역사라고 하였다. 광물학에서는 CO32-가 핵심이다.

 

바닷물 속에 90% 생긴 중탄산염과 칼슘이 결합하면 Ca2+ + HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O가 된다. 석회암이 생기고 이산화탄소가 생겨서 대기 중으로 올라간다. 우리가 탄산음료를 차갑게 먹는 이유는 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 이산화탄소가 많이 녹아 들어가기 때문이다. 적도지방의 얕은 바다에서는 온도가 높고 압력이 낮으므로 이산화탄소가 많이 녹지 못해 대기로 이산화탄소가 올라가서 지구온난화의 원인이 된다. 바다가 이산화탄소의 저장고이다. 이산화탄소가 바다에 녹아 들어가면 바다산성화가 되어 산호의 백화현상이 일어난다. 바다가 이산화탄소를 저장하는 임계치에 왔다는 현상이 백화현상이다. 지금은 심각하다. 바다의 완충작용을 지금은 감당하지 못할 수 있다.

 

모든 광물은 9개 조암광물로 인수분해가 가능하다.

Na2O.Al2O3.6SiO2 -> 2Na(AlSi3O8)Albite(조장석)가 된다.

NaO.Al2O3.2SiO2 -> 2Na(AlSiO4) Nepheline(준장석)이 된다.

K2O.Al2O3.6SiO2 -> 2K(AlSi3O8)Orthoclase(정장석)가 된다.

CaO.Al2O3.2SiO2 -> CaAl(AlSi2O8)Anorthite(회장석)가 된다.

 

광물학 끝이다. 다음은 공통점이 산소이다. 이 결혼이 지구과학 전체 다이다. 대기 중에 산소가 출현해야 한다. 지구에서 전체를 다 알아야 한다. 산소는 대기중에 있는 기체산소이다. 광합성으로 나온 Great oxidation event이다

#6

지구이야기 저자 헤이즌(Robert M. Hazen)이 광물학 관점에서 본 지구 역사 45억년을 구분하는 10가지 단계이다.

 

1번은 Chondrite이다. 크기는 0.1mm-1cm인 콩알만한 지구를 구성하는 원물질이다. 광물이 60종으로 되어 있다. 456천만 년 전에 일어난 일이다. 이때는 지구가 출현한 것이 아니고 원물질인 콩알만한 덩어리이다. 광물은 60종류이다.

 

2번은 Asteroid differentiation, 소행성 분화이다. 큰 거는 1000km인데, 지구는 이런 것이 여러 개 뭉쳐서 된 것이다. 그것 하나를 부르는 이름이다. Metallic core층이 형성되고, rocky mantle층이 분화되었다. 455천만 년 전이다.

 

3번은 Igneous evolution, 화성암 진화이다. Volcanism 화산이 일어나고 현무암(Basalt)이다. 455천만 년 전 ~ 40억 년 전까지 대략 55천만년 동안 일어난 일이다. 광물은 300종류이다.

 

4번은 Granitoid formation, 화강암 형성이다. 40억 년 ~ 35억 년 전, 5억년 동안 진행되었다. 현무암(basalt)에서 화강암류(granitoid)로 변화된다. 광물은 1000종류이다.

 

5번은 Plate tectonics, 판구조론이다. 지구과학은 판구조론으로 통합되었다. 판구조론은 행성지구레벨에서 광물의 분자레벨까지 일관되게 설명할 수 있는 이론이다. 여기에 superplume이 더해지면 거의 완벽한 지구과학 이론이다. 분자레벨부터 대륙의 이동까지 다 설명이 된다. “지구과학 = 판구조론이다. 판구조론 핵심은 Subduction(섭입)이다. 판구조론을 아는데 까지 100년이 걸렸다. 많은 증거가 모아지는데 모두가 한 곳을 가리킨 개념이 subduction 개념이다. 대륙판 밑으로 해양판이 들어간 것이 발견된 것은 끊어진 해저케이블을 수리하는 과정에 많은 증거와 결합되어 밝혀졌다. 일본 환태평양에 지진이 일어나는 것 화산이 일어나는 것을 한꺼번에 이해하게 되었다. 적어도 30억년 이전부터 시작했다. 화성, 금성에 판구조가 있는가? 금성에는 없다. 열점은 있는데, 화성에 화산은 열점 화산이다. 화산은 있으나 판의 이동을 발견한 행성은 태양계에 없다. 지구가 살아있는 행성이라는 것은 판이 이동하기 때문이다. 마그마가 생기고 화산이 생기고 온갖 일이 일어난다. 이산화탄소가 화산분출로 일어나고 농도가 시대별로 바뀐다.

 

6번은 Anoxic biological world, 무산소 생물세계이다. 산소 없는 곳에서 어떻게 생명이 가능한가? 39억 년~25억 년 전 사이 14억년 동안 진행되었다. 광물은 1500종류이다.

 

화성은 광물이 500종류이다. 지구가 살아있다는 증거는 광물의 종류가 많다는 것이다. 광물의 종류가 많으면 표층이 산화되고 광물 종류가 많아지면 풍화되어 토양층이 다양한 원소로 구성되고, 고생대로 넘어가면 대륙에 식물이 등장한다. 광물이 다양하지 않으면 식물 시스템은 달라진다. 광물이 토양으로 바뀌기 때문이다. 온대, 아열대, 열대로 가면서 토양이 바뀌고 기후가 바뀌면서 식생대가 바뀐다. ‘토양+기후는 식생이 결정되고, 식생이 결정되면 인간문화가 결정된다.

 

7번은 Great oxidation event이다. ‘1차 산소혁명이라고 한다. 이 사건 이전에는 지구대기에 산소가 없었다. 이 사건이 지구대기에 가장 큰 충격을 주었다. 25억 년 ~ 19억 년 전에 일어난 사건이다. 이 사건의 핵심은 광합성(Photosynthesis)이다. 가장 큰 사건은 지구 표면의 광물이 1%,농도의 산소로 산화되어 광물이 4500종이 생긴다. 그래서 지구에는 생명이 1000만종 이상 분포할 수 있는 근거가 마련된다. 그것이 SiO2 Al2O3, FeO, CaO 등이 만들어진 사건이다.

 

8번은 intermediate ocean, 중간바다이다. 19억 년 전 ~ 10억 년 전에 걸쳐 대략 원생대 10억년 동안 지구 전체 생태계가 안정화 되었다는 것이다. 바다가 두 층으로 나뉘어져 250m 까지 표층은 Cyanobacteria가 장악을 해서 광합성을 폭발적으로 하고, 4000m까지의 심층은 황산염 환원세균에 의해 Sulfide reduction이 일어난다. ‘해양 무산소 사건이다. 지구 생태환경이 stable화 되어 이 기간에는 생물의 진화가 느리게 진행되었고, 황화수소 때문에 지독한 유독가스로 가득 차 있는 지구생태계가 되었다.

 

9번은 Snowball earth, 눈덩이 지구이다. 10억 년 전 ~ 57천만 년 전까지이다. 지구전체가 1km 빙하로 덮였다. 그 결과로 빙하가 깨지고 2차 산소혁명(2nd oxidation event)”이 일어난다. 빙하기 끝나고 반동으로 일어난 사건이 2차 산소혁명이다. 20억 년 전, 1차 산소혁명으로 대기 중 산소가 1%가 되고, 10억 년 전부터 제2차 산소혁명으로 대기 중 산소농도가 21%까지 올라간다. 1차 산소혁명으로 진핵세포가 출현하고, 2차 산소혁명으로 다세포생물이 출현한다. 1차 산소혁명의 결과 4500종의 광물이 생기고, 이것이 토양으로 바뀌면서 고생대 데본기부터 토양층이라는 지구의 피부가 생겼다. 그러면서 해양척추동물이 육상으로 올라오는 사건이 생겼다. 2차 산소혁명을 이해해야 지금의 다세포동물, 인간과 물고기를 이해할 수 있다.

 

10번은 Phenolic era, 현생대이다. 현생대가 고생대-신생대까지이다. 57천만 년 전~ 현재까지이다. 이때 일어난 사건은 Bio-mineralization(생광물화)Bio-weathering(생기후화)이다. 삼엽충의 눈이 방해석이다. 광물이 생물시스템에 들어왔다. 대륙표면이 식물 뿌리에 의해서 분해되고 토양층이 형성되었다. 흙의 출현은 대륙에 식물이 진출한 고생대 데본기 이후다. 데본기 이전에는 강물이 흐르면 숲이 완성되지 않아 유기물이 다 씻겨 내려갔다. 데본기부터 자유곡류하천이 출현하고 토양층이 출현하고 토양층을 바탕으로 양치식물 숲이 형성되고, 그 과정에서 고생대 말에 양치식물 중 한 종이 종자고사리로 바뀐다. 종자고사리에서 중생대로 가서 나자식물이 출현하고 백악기 초에 피자식물인 꽃식물이 출현한다. 신생대로 오면 꽃식물과 영장류의 생리공생이 일어난다. 거기서 우리 중추신경계 진화까지 연결된다.

 

오늘 강의를 마무리한다. 모든 광물은 SiO2, Al2O3, FeO, CaO, MgO, K2O, Na2O로 인수분해 된다는 것을 깨달으면 혼자 할 수 있다. 조암광물 9개를 암기해야 한다. 결국은 산소와 실리콘의 결합문제이다. 규산염광물이 1500종이 넘는다. 규산염광물이 눈에 확 들어오면 그때서야 탄산염 광물로 내려간다. 탄산염 광물을 이해해야 생물의 진화와 링크할 수 있다.