고용체(광물) (Solid Solution (Mineralogy))

한 줄 정의: 이온 치환으로 화학 조성이 단성분 사이에서 연속적으로 변하는 광물 계열입니다.

쉽게 풀면

감람석에는 마그네슘과 철이 들어가는데, 크기와 전하가 비슷한 두 이온은 결정 구조를 바꾸지 않고 서로 자리를 바꿔 들어갈 수 있습니다. 그래서 순수한 마그네슘 감람석부터 순수한 철 감람석까지 중간 조성이 끊김 없이 존재합니다. 이런 광물 계열을 고용체라고 합니다.

왜 중요한가

광물 조성은 마그마 온도, 결정화 순서, 변성 조건을 알려 주는 지표라 암석학 논문에서 매우 자주 제시됩니다. 조성을 단성분 비율로 표기하는 방식을 알아야 자료를 읽을 수 있습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"현무암 반정 감람석의 조성은 중심부 Fo88에서 가장자리 Fo80으로 변하는 정상 누대를 보였다."

Fo 값(포스테라이트 단성분 몰%)으로 고용체 조성 변화를 표기한 예입니다.

조금 더 깊게 보면

감람석은 포스테라이트(Fo, Mg2SiO4)와 파야라이트(Fa, Fe2SiO4)를, 사장석은 조장석(Ab)과 회장석(An)을 양 끝 단성분(end-member)으로 둡니다. 사장석에서는 Na+Si와 Ca+Al이 짝지어 바뀌는 짝치환이 일어나 전하 균형을 맞춥니다. 알칼리 장석처럼 고온에서는 섞여 있다가 온도가 내려가면 두 조성으로 갈라지는 용리(exsolution)가 일어나기도 하며, 이는 냉각 역사를 해석하는 단서가 됩니다. 결정이 자라는 동안 마그마와 충분히 반응하지 못하면 중심과 가장자리 조성이 다른 누대 구조가 생깁니다.

주의할 점

'고용체 합금'이 금속 원자가 섞인 재료공학 개념이라면, 광물 고용체는 광물 결정의 이온 치환 계열과 단성분 표기, 용리를 다룹니다. 모든 조성이 어느 온도에서나 연속으로 가능한 것은 아니며, 온도에 따라 섞이지 않는 구간(혼화 간극)이 생기는 계열도 있습니다.