류남매 블로그

< 다이아몬드의 생성>

 다이아몬드가 어디서 생성되어 어떻게 인간의 손에 들어오게 되는가는 예나 지금이나 모든 이들의 관심의 대상이다. 20세기 들어 많은 학자가 연구를 거듭하여 현재에 이르러서는 다이아몬드의 형성과정과 지표면으로의 이동 과정에 대하여 많은 정보를 얻을 수 있게 되었다.

---다이아몬드의 생성 조건---

 다이아몬드가 고온 고압 하에서 형성된다는 것은 의심의 여지가 없다. 물질은 높은 온도와 압력이 상호 작용할 때 큰 변화를 일으킨다. 이러한 상호 작용은 다이아몬드의 탄소 원자에 독특한 결합 방식을 나타내며, 이는 또한 다이아몬드를 지구상에서 가장 단단한 광물로 만든다.

 다이아몬드의 형성에 필요한 조건은 과학자들의 오랜 연구 끝에 추정할 수 있게 되었다. 그 추정 온도의 범위는 900~1,300도이며, 압력은 45~60kb AR이다. 1bar는 우리가 생활하는 대기압(1기압은 1.013bar)'와 비슷한 압력으로, 1기압은 수심 10m에 해당하는 압력과 같다. 1kb AR은 1,000bar를 의미하며 45~60kb AR라 하면 대기 압력의 거의 45,000~60,000배에 해당하는 상상하기 어려운 압력이다. 이런 온도와 압력은 거의 140~190km에 해당하며 다리 아몬드는 이 깊이에서 형성된다는 것을 시사한다.

 다이아몬드를 형성시키는 암석은 페리도 타이트(peridotite)와 에클로 자이트(eclogite)의 두 종류의 화성암으로서, 이는 다이아몬드 속에 포함된 내포물 및 다이아몬드와 함께 지표면으로 운반된 암석을 분석함으로써 유추할 수 있게 되었다.

다이아몬드의 주성분이 탄소라는 것은 누구나 잘 알고 있는 사실이다. 탄소 화합물은 일부 (일산화탄소, 이산화탄소 등)'을 제외하고는 모두 유기화합물이다. 따라서 다이아몬드가 형성되는 지하 깊숙한 곳에는 유기물이 존재할 수 없으므로 맨틀에서의 탄소의 존재는 다른 요인으로 설명된다.

 초기 지구는 수많은 미 행성이 충돌하고 합쳐져서 이루어졌다. 이 지상에 덜어진 운석 중에는 상당한 양의 탄소나 유기질이 포함된 콘드라이트가 다수 포함되어 있었다. 이 콘드라이트가 맨틀에 존재하는 탄소의 근원이며, 이 탄소가 페리도 타이트에서 다이아몬드를 형성한다고 생각된다.

 에클로자이트에서는 해저의 현무암이나 그 위에 퇴적된 물질이 한 운동으로 지하 깊숙한 곳으로 섭입(subduction)된 후 퇴적물에 포함되어 있던 유기물 중의 탄소가 다이아몬드 형성의 근원으로 생각되고 있다.

에클로자이트는 페리도 나이트보다 신생 암석으로써, 페리도 타이트에서 형성된 남아프리카의 킴벌리와 핀 슈 광산에서 산출된 다이아몬드는 내포물을 이용한 방사능 연대측정 결과 23억~33억 년 전에 생성된 것으로, 또한 남아프리카의 프리미어 광산과 호주의 아가일 광산에서 산출된 에클로자이트를 기반으로 한 다이아몬드는 11억5천만 년 및 15억8천 만 년 전에 형성된 것으로 알려졋다. 또한 1995년 콩고민주공화국에서 발견된 6억2천8백만 년 전에 형성된 다이아몬드가 가장 최근의 것으로 알려져 있다.

--- 다이아몬드의 지표면으로의 이동 ---

 다이아몬드 광산은 킴벌라이트(kimberlite)나 램프로 아이트(lamproite)라는 마 발견된다. 이 두 종류의 암석은 조암광물이나 화학적 성분이 상당히 유사하지만 발견되는 위치가 킴벌라이트는 그레이톤의 중앙 부분에서, 램프로 아이 트는 그레이톤의 조성 형성된다는 차이가 있다.

  이 킴벌라이트나 램프로 아이 트는 12억 년 전에 생긴 것도 있으나 대부분은 7천, 1억 5천만 년 전에 생긴 것으로 다이아몬드가 이곳에서 형성된 것은 아니며 단지 폐기 타이트나 에클로자이트에서 형성된 것을 마그마의 분출과 함께 지표면으로 운반하는 여 할을 한 것으로 생각된다.

  하지만 과거 약 1,500만 년 동안 새로운 다이아몬드 파이프가 형성되고 있지 않기 때문에 이러한 프로세스는 오늘날에는 이루어지지 않는 듯하다. 지구 내부(지각의 하부~맨틀의 상부)에서 마그마가 발생하는 메커니즘은 아직 아주 규명되지는 않았으나, 지각 하부나 맨틀 상부에서 일시적인 온도의 상승이 일어나 주위의 물질을 용융시켜 생성되는 것으로 알려져 있다. 용암과 가스로 구성된 마그마는 높은 압력을 받게 되면 위로 올라와 지각의 비교적 약한 부분에 모이게 된다.

  마그마는 상승함에 따라 주변의 암석에 열을 빼앗겨 온도가 점차 낮아지게 되어 결정을 정출하게 되는데, 이때 가스는 이들 결정에 들어갈 수 없으므로 남은 마그마에 용해되어 가스의 함유량을 점차 증대시킨다. 이때 가스의 압력이 주위 암석의 압력과 같게 되면 비등과 유사한 현상이 일어나 마그마로부터 분리된 가스가 급속히 팽창하여 압력이 증대되고 위에 있는 암석을 파괴하게 되어 마그마가 상승하게 된다. 일단 통로가 생기면 마그마의 상승은 급속히 이루어져 아주 짧은 시간이 걸리며 지표면에서의 마그마의 분출은 격렬한 화산 분화를 나타낸다.

   하지만 킴벌라이트 마그마는 맨틀과 지반의 중간층 양쪽에서 유입된 딱딱한 암석을 다량으로 포함하고 있어 유동하기 쉬운 용암처럼 균열을 통해 흘러나오는 일은 없었다.

  그 때문에 상승하는 마그마의 압력이 높아져 지표의 암석층은 위쪽으로 부풀어 오르게 된다. 이후 킴벌라이트를 상승시킨 가스가 공중으로 방출되면서 부풀어 올랐던 부분의 중심은 무너져 내리고 이렇게 해서 생긴 함몰 화구 속에서 킴벌라이트는 약 200~300m, 어떤 것은 약 2km의 폭을 지닌 암석의 퇴적물이 되어 응고하게 된다.

  이때 마그마가 올라왔던 통로를 파이프(pipe)라 부르며 하부보다 상부가 넓은 당근 모양의 형태를 나타낸다. 빠른 운반 속도는 다이아몬드가 변화 없이 지표면에 도달하는 데 중요한 역할을 한다. 만약 다이아몬드가 포함된 마그마가 서서히 상승하여 높은 온도와 낮은 압력을 받게 되면 흑연화하는 것으로 알려져 있다.

  이러한 킴벌라이트나 램프로 아이 트는 각 대륙에 걸쳐서 널리 분포되어 있으나 그중 일부만이 다이아몬드를 포함하고 있으며, 그 중 경제적인 산출량을 가지고 있는 광산은 더욱 드물다.