철광석 광맥은 어떻게 생겨났을까?

Home - SCIENCE WAVE

 

 

인류는 문명이 시작되던 당시부터 여러 가지 광물을 생존의 도구로 이용해왔다. 금, 은, 철, 구리, 아연 등 모두가 중요한 광물이다. 이 중에서 가장 중요한 광물을 지적한다면 단연 철(鐵 iron)일 것이다. 이처럼 귀중한 철이 대량 매몰된 지역을 철광(鐵鑛 iron ore)이라 하고, 철광이 대량 산출되는 곳을 철광산이라 한다. 철광산은 왜, 어떻게 일정한 곳에만 형성되어 있을까?

 

​

지구가 처음 탄생했을 때는 모든 금속들이 용광로 내부처럼 녹은 상태로 혼합되어 있었다. 지상에는 운석으로 떨어진 철광을 제외하면, 별도로 형성된 철광이 없었다. 다시 말해 지각이 냉각되었을 때 ‘지구 용광로’ 속의 원소들은 거의 고르게 뒤섞인 상태로 지각을 이루고 있었으므로, 당시에는 지구 표면 어디나 철 원소가 일정한 비율로 존재하고 있었다. 그런데 왜 철은 철광이라 부르는 곳에 집중적으로 퇴적되어 있을까?

 

 

 

무게 500g인 이 운석의 주성분은 철과 니켈이다. 운석은 다른 천체의 암석 조각이다. 이 운석은 지상으로 떨어지면서 대부분 타버리고 내열성이 강한 철을 비롯한 몇 가지 금속 성분만 남은 것이다. 이런 철운석을 우연히 발견한 인류의 조상은 유난히 무겁고 단단한 운석으로 도끼, 칼, 화살촉 등을 만들어 귀중하게 사용하기 시작했다.

 

​

원자번호 26번인 철은 지구상에 가장 풍부하게 존재하는 원소의 하나이다. 철은 지각의 5%를 차지할 정도로 많이 존재하는 물질이며, 지구 내부의 핵에도 대량 존재한다. 오늘날 인류가 철광산에서 파내는 철은 원소(Fe) 상태가 아니라 적철광(Fe2O3) 및 자철광(Fe3O4)이라 부르는 산소화합물 상태로 대부분 존재한다. 그렇다면 지구 표면에 드러난 철 원소는 어떤 이유로 산소와 화학결합하게 되었을까?

 

​

과학자들은 지구상에 적철광과 같은 철 화합물이 형성되기 시작한 시기가 약 18억 년 전이라고 생각한다. 그러면 왜 18억 년 전일까? 그 시기는 지구상에 광합성을 하는 원시식물이 수중에 처음 탄생한 때이다. 18억 년 전, 원시식물이 광합성 작용을 하게 되자, 수중과 대기 중에 그때까지 거의 없었던 산소가 가득하게 되었고, 이때부터 산소는 지각에 포함된 철 원소와 화합하여 Fe2O3(산화제이철, 적철광)과 Fe3O4(사산화철, 자철광) 등 몇 가지 종류의 산화철을 만들게 되었다.

 

 

 

 

적철광 덩어리이다. 적철광에는 69.9%의 철이 포함되어 있다.

​

 

이때 바다 속에서 산소와 결합하여 가장 많이 생겨난 산화철이 적철광(제이산화철)이다. 이때부터 산화철 분자들은 지각에서 분리되어 해저에 대량 침전하기 시작했다. 산화철은 수억 년 동안 퇴적되면서 풍부한 지각의 원소인 규소와 섞여 산화철의 층을 형성하게 되었다.

​

​

이렇게 해저에 퇴적된 산화철의 층은 지각변동이 있을 때 수면 밖으로 나와 오늘날의 철 광맥을 형성하게 되었다. 철광석이 형성된 이런 과정을 보면, 지구상에 철광산이 형성되도록 도와준 것은 고대의 원시 식물이었던 것이다.

 

 

 

 

퇴적된 철광석의 단면이다. 이 사진에서 회색 부분이 철광이고, 붉은색은 벽옥이라 불리는 암석층이다.

 

 

 

벽옥(碧玉 jasper)이라는 암석은 규소와 철 분자가 섞인 암석 종류이다. 벽옥은 규소와 철의 혼합 정도에 따라 여러 가지 색을 나타내며, 고급 장신구나 도자기 등을 만드는 재료가 된다.

 

 

인류와 철의 관계

 

 

 

철광산에서 파내어 작은 조각으로 만든 철광이 쌓여 있다. 제철소로 운반하기 위해 부두에 쌓아둔 원광을 선철(船鐵 shipping iron)이라 부른다. 오늘날 철광을 가장 많이 생산하는 나라는 브라질과 오스트레일리아이다.

 

 

 

 

철광석 중에 철을 끌어당기는 자성을 가진 철광을 자철광 또는 자철석(lodestone)이라 한다. 자철광의 생산량은 소량이다. 자철광 역시 적철광과 같은 원인으로 생성되었지만, 왜 자성을 갖게 되었는지는 아직 확실히게 밝혀지지 않았다. (본사 블로그 중에서 <왜 자철광만 자력을 갖게 되었나?> 참조)

 

 

인류의 역사는 원시시대, 석기시대, 청동기시대, 철기시대로 나누기도 한다. 현재는 철기시대이다. 세상의 모든 건축물은 철 구조물로 뼈대를 세우고 있다. 자동차, 기차, 기계, 선박, 자전거 모두 철로 만든다. 오늘날 철을 원료로 하여 가장 많이 생산하는 제품은 단단한 성질을 가진 강철(steel)이다.

​

​

인류가 지금처럼 고도로 풍요롭고 편리한 세상을 만들게 된 것은 전적으로 지각에 풍부히 매장된 철 덕분이다. 특히 철 중에 자력을 가진 자철광이 없었더라면 나침반도 없고 오늘의 전자기 시대를 맞이하지 못했을 것이다. 인간은 사람마다 자기 체중의 0.005%에 해당하는 약 4g의 철을 가지고 있다. 바로 생명을 지켜주는 적혈구 속의 헤모글로빈 분자이다. - YS

 

 

 

인류 최초의 안경, 어떻게 만들어졌을까?