일반명: 황금빛의 5각12면체 결정을 가지는 황철석(Pyrite Crystal) 230418-1

형태: 주름진(변형)입방육면체(modified cubic hexahedron)

발견지: Santiago Chuco, La Libertad Department, Peru

환경: 철과황의 포화도가 높고 온도와 압력이 높은 곳에서 생성된 황철석

크기: 14x10x7cm

무게: 1,476g

페루에는 다양한 결정의 황철석이 발견된다. 이 황철석은 입방육면체로 이루어져 군상을 이루는 표본이다. 특이한 것은 입방체의 면이 평면이 아니라 줄무늬의 주름을 가지고 있다는 것이다. 이것은 뒤의 참고자료를 보면 이해할 수 있다. 그것은 온도가 약간 더 높거나 과포화가 더 크면 부드러운 황철석 큐브(smooth cubes)가 형성되는데 과포화도가 증가함에 따라 입방체는 점점 더 줄무늬를 가지게 된다는 말이다. 즉 이 표본이 만들어 진 퇴적지는 황과 철이 풍부하므로 과포화도가 높은 곳이고 줄무늬가 있다는 말은 온도와 압력이 높아서 유동성이 좋으므로 평면보다는 굴곡진 면을 가질 수 있는 환경이라는 말이다.

황철석은 일반적인 황화광물(sulfide mineral)이며, 규칙적인 결정면을 가진 광물, 다시 말해 광물 특유의 결정형을 완벽하게 갖추며 성장한 광물의 모양인 자형(自形, euhedral shape)과 금과 유사한 금속 광택으로 인해 많은 수집가들의 관심을 끌었다. 특히 나라별, 장소별로 다른 모습을 하고 있는 황철석은 그야말로 수집과 연구의 대상이 되었다. 최근에 빌 코르두아 박사(Dr. Bill Cordua, University of Wisconsin-River Falls)가 매질에 존재하는 원소의 온도와 농도의 함수로서 결정 형성의 열역학적 및 운동학적 측면을 고려하여 황철석 결정 성장을 이해하는 실험에 성공했다.

황철석(FeS2)는 가장 일반적인 천연 황화광물로 항상 인류의 관심을 끌었다. 수정이 다른 더 단단한 물질에 부딪힐 때 발생하는 불꽃은 그리스어로 불을 의미하는 pyr라는 이름에서 유래한 것이다. 바보의 금(fool´s gold)이라는 돌은 몇몇 금 탐사자들을 파산으로 이끌었다. 금과 너무 유사한 황철석은 금탐사자들을 바보로 만들었다. Maya와 같은 고대 문명에서도 황철석을 장식품으로 사용했다.

이 황화물은 또한 한약(Korean medicine)에서 사용되어 왔으며, 독일에서 2차세계대전시 부족한 가솔린을 제조하기위해 석탄액화(coal liquefaction)할 때 촉매(catalysis)로 사용되어 400만톤이상제조되었지만 석유화학의 진전으로 이 기술은 사장되었다. 광촉매(photocatalysis), 충전식 나트륨/리튬 배터리 및 태양 전지와 같은 에너지 재료 분야에서 산업적으로 응용된다. 황철석은 또한 유황 환경에 서식하는 주자성세균(走磁性細菌, magnetotactic bacteria)과 같은 일부 유기체의 생광물화 주기(유기체에 있는 무기물의 형성 사이클, biomineralization cycle)의 일부로 사용되는데 이것은 생명의 기원에서도 중요한 역할을 했을 것이다.

황철석은 상업적 가치가 낮은 Fe와 S라는 매우 흔한 원소로 구성되어 있다. 그러나 황철석은 광물 시장에서 아주많이 거래되고 있다. 사실, 황철석은 석탄이나 다양한 금속을 추출하는 동안 광산에서 흔히 발견된다. 이는 불행하게도 용해된 황철석이 강의 산성화에 일조하면서 폐수의 배수 과정에서 환경 문제를 일으킨다. 또한 금속에 대한 황철석의 친화력은 가장 귀한 금속의 추출을 어렵게 만들었기 때문에 항상 부정적으로 보였다. 그러나 오늘날에는 금속에 대한 친화력의 단점을 전자 폐기물에서 금속을 추출하기 위해 사용하여 환경을 복원하는데 연구와 탐구를 하고 있다.

황철석을 포함하는 화산암이나 퇴적암 그리고 변성암 또는 실험실에서 합성된 물질의 경우, 황철석 결정은 특정측면(specific facets) 다시 말해 입방체(cubic), 팔면체(octahedral), 십이면체 결정(dodecahedral crystals) 또는 팔면체(octahedron)에 의해 변형된 정육면체(cube modified)를 보여준다. 

여기 기록되지 않고 있는 수많은 변형의 황철석이 있다. 우선 화석에 등장하는 치환된 황철석은 화석을 예술의 경지에 오르게 하기도 한다. 

[참고]

황철석 결정의 모양이 다른 이유((Why Pyrite Crystals Have Different Shapes)_

일부 광물은 다양한 결정 형태로 우리들에게 나타납니다. 예를 들어, 황철석은 일반적으로 입방체(cubes), 팔면체(octahedrons), 5각12면체(pyritohedrons), 20면체(icositetrahedron)또는 이러한 형태의 일부 조합을 형성해서 나타나기도 한다. 모든 황철석은 철과 황 원자의 내부 배열이 동일한 FeS2로 되어있다. 그렇다면 왜 황철석 결정이 다른 모양을 가져야 할까? 이러한 모든 형태는 동일한 내부 원자에 영향을 끼치는 요소들에 대하여 변수로 포함시킬 수 있다고 본다. 이것들은 온도(temperature), 압력(pressure), 산도(acidity), 그리고 황철석이 성장한 유동체의 조성과 같은 것들이 있다. 결국 환경에 많은 영향을 받는 광물이 황철석이라는 말이다.

다양한 형태를 제어하는 것이 무엇인지 아는 것은 실질적으로 매우 중요하다. 페루(Peru), 일본(Japan), 유타(Utah)의 구리 광산(copper mines)에서 황철석을 연구하는 지질학자들은 광맥의 풍부한 부분에 황철석이 5각12면체(pyritohedrons) 형태로 포함되어 있는 반면, 광맥이 별로 없는 지역에는 8면체(octahedrons) 형태로 황철석이 포함되어 있고, 척박한지역(barren zones)에는 정육면체(cubes) 형태로 황철석이 포함되어 있음을 발견했다.

다양한 종류의 황철석 결정을 형성하는 조건은 최근 펜실베니아주립대학의 머로칙과 반스(Murowchick and Barnes)에 의해 연구되었다. 그들은 실험실의 통제된 조건에서 황철석 결정을 성장시켰다. 그들은 황철석이 다양한 온도와 과포화도(degrees of supersaturation)에서 막대형(rods), 매끄러운 입방체(smooth cubes), 줄무늬(홈이있는)입방체(striated (grooved) cubes), 팔면체(octahedrons,), 5각12면체(pyritohedrons) 또는 수지상결정(dendrites)를 형성할 수 있음을 발견했다.

이러한 요소는 결정이 성장(crystals grew)하는 속도를 제어한다. 예를 들어 막대(rods)모양의 황철석 결정은 낮은 온도와 적은 양의 용해된 철 및 황의 조합으로 인해 성장 속도가 느릴 때 형성된다. 이 결정은 켄터키주 홀스갭(Halls Gap, Kentucky)의 정동석(geodes)에서 발견되는 바늘 모양의 황철석 결정(needle-like pyrite crystals)과 매우 유사하다.

온도가 약간 더 높거나 과포화가 더 크면 부드러운 황철석 큐브(smooth cubes)가 형성된다. 과포화도가 증가함에 따라 입방체는 점점 더 줄무늬가 된다. 결국 더 높은 온도 또는 과포화도에서는 8면체(octahedrons)가 형성되고 그 다음에는 5각12면체(pyritohedrons)이 형성된다. 이들은 전 세계 여러 곳에서 발견되는 일반적인 형태의 황철석이다. 이제 우리는 그들의 분포와 발생이 무작위가 아니라 황철석이 성장한 당시 해당 지역의 화학적 조건에 대한 중요한 정보를 제공한다는 것을 알 수 있다.

가장 높은 과포화도에서 결정 성장은 매우 빠르며 창문에 형성되는 수지상의 서리 결정처럼 보이는 황철석 형태의 이상한 수지상(odd dendritic)황철석이다. 이러한 습성을 보이는 천연 황철석 결정체는 매우 드물지만 심해저 온천 주변에서 보고된 바 있다. 이러한 설정에서는 뜨거운 물이 지각에서 나오고 바닷물에 의해 즉시 차가워지기 때문에 황철석 성장이 매우 빠르다. 

조사된 광산에서 광맥의 가장 풍부한 부분은 황철석이 형성되고 있는 곳으로 가장 빠르고 유동체의 근원에 가장 가까운 것으로 보인다. 따라서 황철석 결정 형태를 사용하여 고대 열수 시스템을 매핑(map an)하는 것이 가능하다는 말이 된다. 이것은 새로운 퇴적지(deposits)를 찾고 오래된 퇴적지를 이해하는 싸고(cheap) 쉬운 방법으로 이어질 수 있다는 말이 된다.

참고: 

-빌 코르두아 박사(Dr. Bill Cordua, University of Wisconsin-River Falls)

-남부 캘리포니아 광물학회 (Mineralogical Society of Southern California)