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이웃집과학자

다이아몬드 속 '전무후무 광물' 발견

By 이웃집과학자

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남아프리카 화산 지역의 코피폰테인(Koffiefontein pipe) 광산에서 채굴한 다이아몬드 안에서 특별한 물질이 포착됐습니다. 이 물질은 이전까지 한 번도 발견된 적 없는 새로운 광물(mineral)이었는데요. 다이아몬드 속에 숨어 있던 이 광물의 땅 속 이야기는 무엇일까요?

자연에서 발견한 다이아몬드 모습.

출처AdobeStock
다이아몬드, 맨틀에서 만들어져

다이아몬드는 지구에 매우 흔한 원소인 탄소로 이뤄졌습니다. 탄소가 매우 높은 온도와 압력을 받을 때 만들어집니다. 탄소는 연필심에 사용되는 흑연과 동일한 물질이기도 한데요. 온도와 압력에 따라서 다이아몬드가 되기도, 흑연이 되기도 합니다.


다이아몬드가 지구에서 만들어지기 좋은 조건을 갖춘 곳은 맨틀입니다. 자연적으로 다이아몬드가 형성되려면 알맞은 깊이, 온도, 압력의 환경 조건이 필요합니다. 탄소가 약 150km아래 깊은 곳에 있어야 하고 온도는 약 1,204℃가 필요하죠. 압력은 약 50억Pa로 유지돼야 하는데요. 이렇게 형성된 다이아몬드는 지질학적 작용을 통해 지표로 올라옵니다. 이 과정은 매우 어렵고 성공률이 낮습니다. 맨틀에서 만들어진 다이아몬드는 맨틀까지 이어진 깊은 마그마가 지표로 솟아오르거나, 조산운동처럼 거대한 암석이 융기하는 과정을 통해 지표로 올라올라 오는데요. 조산운동이 빠르게 일어나지 않고 천천히 발생하면 지표에 도달하기 전 이미 흑연으로 분해됩니다. 까다로운 보석이죠?

그래서 다이아몬드 광산은 특별합니다. 다이아몬드는 주로 킴벌라이트 광산에서 만들어지는데요. 킴벌라이트는 맨틀 깊숙한 곳에서 지표로 직접 마그마를 분출하며 만들어진 수직 파이프 형태의 관임암체입니다. 킴벌라이트 파이프는 400km 깊이에서 수일 내에 지표로 빠르게 움직인다고 하는데요. 맨틀에서 지표로 빠르게 올라오기 때문에 흑연으로 분해될 시간이 없습니다. 그래서 우리는 이 광산에서 온전한 다이아몬드 형태의 원석을 찾게되는 거죠. 

다이아몬드 안에 숨겨진 비밀

다이아몬드 채굴 현장.

다이아몬드는 경도가 매우 높은 광물인데요. 심지어 지하에서 빠르게 올라오기 때문에 다이아몬드는 맨틀의 작은 물질들을 지표로 운반하는 택배상자라고 할 수 있습니다. 이는 지구의 깊은 곳을 연구하는 지질학자들에게 매우 유용한 정보가 됩니다.


맨틀의 엄청난 압력과 높은 온도는 주변의 암석과 가스를 녹일 수 있는 초임계점까지 몰고 갑니다. 액체와 기체 사이의 상태에 이르게 만들 정도라고 하는데요. 이렇게 용융된 물질들이 뭉쳐지며 다이아몬드가 형성됩니다. 그 과정에서 주변 물질들을 결정구조 안에 가둡니다. 그래서 다이아몬드는 맨틀의 작고 완벽한 샘플이 됩니다.

새로운 광물, 골드슈미타이트(goldschmidtite)

다이아몬드 속에서 새로운 광물을 발견한 주인공은 알버타대학교(University of Alberta)의 한 박사과정이었습니다. 새롭게 발견된 광물은 근대의 지구 화학(geochemistry)의 창시자인 빅토르 모리츠 골드슈미트(Victor Moritz Goldschmidt)를 기리기 위해 '골드슈미타이트(goldschmidtite)'라 명명됐습니다. 

반짝거리는 다이아몬드 내부에서 연구진은 어두운 색의 작은 얼룩을 보았습니다. 이 포획물은 다이아몬드가 만들어질 당시 암석에 어떤 종류의 광물들이 존재했는지 추측 가능하기 때문에 매우 중요합니다. 참고로 포획물이란 광물이 형성될 때 그 안에 갇혀버린 이물질을 말합니다. 포획물은 다이아몬드가 지구 어느 곳에서 만들어졌는지 가늠하는 단서도 됩니다. 그래서 지각과 외핵 사이의 맨틀 깊은 곳에서 발생하는 특이한 화학 반응에 대한 정보를 과학자들에게 보여줍니다.

다이아몬드 안에서 발견된 아주 작은 골드 슈미타이트(goldschmidtite) 견본.

출처University of Alberta/Nicole Meyer

연구진은 다이아몬드에서 어두운 녹색의 불투명한 광물 하나를 발견했는데요. 연구진은 이 물질이 지하 170km에서 만들어졌다고 추측했습니다. 다이아몬드 안에 포획된 물질의 양은 매우 적은데요. 인간 머리카락 지름의 일부분에 불과한 정도라고 합니다. 육안으로 거의 안보이기도 하는데요. 이렇게 어둡고, 이물질이 들어간 다이아몬드는 보석으로 쓰이기엔 부적절합니다. 하지만 지질학자들에게는 좋은 연구 재료죠. 

연구진이 발견한 골드슈미타이트는 독특한 화학적 구성이 특징입니다. 이번 연구의 공동 저자인 앨버타대학교 Nicole Meyer 박사는 "맨틀은 마그네슘(magnesium, Mg)과 철(iron, Fe) 같은 원소들이 우세한 반면, 골드슈미타이트는 나이오븀(niobium, Nb), 칼륨(potassium, K), 희토류 원소인 란타넘(lanthanum, La)과 세륨(cerium, Ce)의 농도가 높았다"고 밝혔습니다. 

Nicole Meyer 박사에 따르면, 주변에 다른 광물들이 더 풍부하게 존재했지만 골드슈미타이트의 대부분은 칼륨과 나이오븀이 차지했다고 하는데요. 이는 상대적으로 희귀한 원소들이 모여 농집되면서 특이한 물질을 형성했다는 의미입니다. 그리고 이 광물은 다이아몬드가 형성될 때 대륙 깊은 곳에서 영향을 미치는 주변의 유체 프로세스에 대한 단서를 제공합니다.  

하나 갖고 싶다~

출처pixabay

##참고자료##

  • Meyer, Nicole A., et al. "Goldschmidtite,(K, REE, Sr)(Nb, Cr) O3: A new perovskite supergroup mineral found in diamond from Koffiefontein, South Africa." American Mineralogist 104.9 (2019): 1345-1350. 


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