다이아몬드 생성과정 자료를 찾아보면, 그 과정이 놀라운 지구 과학적 산물임을 알게 됩니다. 지구 깊은 곳에서, 고온과 고압이라는 극한 조건 아래에서 만들어지기 때문에 생성되기도 힘들 뿐만 아니라, 지표면으로 이동하는 방식이 화산 활동을 통하기 때문이죠.
오늘은 다이아몬드 생성 과정에 대해서 자세히 알아보겠습니다.
다이아몬드 생성과정
자연적인 생성조건
다이아몬드는 지구의 극히 특정한 조건에서만 자연적으로 형성이 되고, 생성 조건으로는 고온과 고압이 조건이어야 한다는 점입니다.
온도는 약 900~1,300°C, 압력은 약 4.5~6 기가파스칼(GPa)이라는 엄청난 고온, 고압 조건인데요.
이 정도의 압력은 무려 지구 표면 압력의 약 45,000~60,000배 수준으로 이러한 조건은 지구 표면에서는 불가능 하며, 지구 내부의 맨틀 깊은 곳(약 150~200km)에서만 가능합니다.
그리고, 다이아몬드의 원소인 탄소가 필요합니다.
다이아몬드는 탄소 하나의 원소로 이루어진 원소 광물로, 지구 깊은 곳의 생물의 잔해에서 비롯된 유기 탄소이거나, 맨틀에 존재하는 무기 탄소를 원료로 형성됩니다.
이렇게 한가지 종류의 원자로만 이루어진 홑원소 물질을 ‘동소체’ 라고 하고, 다이아몬드는 흑연과 함께 탄소 동소체 중 하나 입니다.
맨틀 깊은 곳에서의 다이아몬드 생성과정
다이아몬드는 맨틀 깊은 곳에서 탄소 원자가 고온·고압 조건 아래에서 서로 강하게 결합하여 다이아몬드의 결정 구조를 형성하는 과정을 통해 생성됩니다.
결정이 형성되고 커지게 하려면 이러한 압력과 장기간의 높은 온도가 필요합니다. 이는 지구의 깊은 내부의 특징으로 오직 맨틀 깊은 곳에서만 다이아몬드가 생성될 수 있어요.
이곳에서 맨틀의 교대작용(metasomatism)이라고 알려진 작용을 통해 산화-환원 반응이 반복되어 지는데요.
다이아몬드가 형성되는 데는 수백만 년에서 수십억 년이 걸릴 것으로 보고 있습니다. 지금으로부터 약 10억년~33억년 전에 생겨난 것으로 알려져 있습니다.
맨틀의 교대작용
다이아몬드 생성과정 중 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 맨틀의 교대작용 입니다.
맨틀의 교대작용(Metasomatism)은 지구 맨틀에서 화학적으로 다른 물질(특히 유체나 용융물질)이 맨틀 암석에 침투하면서, 기존 암석의 화학 조성과 광물학적 구조를 변화시키는 과정을 말합니다.
맨틀의 교대작용은 지구 내부에서 물질의 이동과 변화가 되는데, 중요한 과정으로 다이아몬드 생성과정 역시 이 과정을 통한 산화-환원 반응이 핵심입니다.
교대작용은 맨틀 물질의 녹는 점을 낮춰 마그마 형성을 용이하고, 이는 화산 활동과 지각의 생성에 직접적으로 영향을 주게 되고요.
이를 통해 지구 내부의 물질 순환시키고, 다이아몬드, 석류석 등 경제적 가치를 지닌 광물 자원의 주요 원천이 되는 것으로 알려져 있습니다.
또한, 교대작용은 지구 내부의 화학적 조성과 열역학적 특성을 진화시키, 지구의 동역학을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
화산 활동을 통한 지표면 이동
그렇다면, 지구 표면으로부터 무려 150 km가 넘는 깊이에서 생성된 다이아몬드는 어떻게 지표면에서 발견되는 걸까요 ?
놀랍게도, 다이아몬드가 지표면으로 이동하는 방식은 화산 활동입니다.
사실, 다이아몬드가 지표면으로 이동할만한 분출은 아직 단 한 번도 인류가 직접 분출을 목격한 적이 없는 종류의 미스터리한 분출 방식입니다.
지질학자들은 약 25억년 전에 다이아몬드의 첫 방출이 생성했다고 믿고 있고, 가장 최근의 방출은 4천 5백만년 전으로 추정하고 있습니다.
그렇다면, 오늘날 화산 폭발로 마그마가 분출되면, 이를 통해서도 다이아몬드가 지표면으로 이동할 수 있을까요?
비교하자면, 수십억 년 전에 발생한 화산 분출은 폭발적이었지만, 상대적으로 요즘의 분출은 상당히 유순(tame)합니다.
오래전의 분출은 다이아몬드 결정이 생성되는 깊은 곳에서 시작된 반면, 오늘날의 분출은 깊은 곳에서 비롯된 것이 아니기 때문에 오늘날의 분출과는 그 차이가 있죠.
킴벨라이트 관(Kimberlite Pipe)
자, 오래전의 화산이 다이아몬드를 지표면으로 밀어냈다면, 왜 다이아몬드를 채굴 해야 하는 걸까요 ?
그 이유는 다이아몬드가 킴벨라이트 관(Kimberlite Pipe) 라고 불리는 화성암을 통해 지표로 운반되었기 때문입니다.
화산 폭발시 발생한 마그마가 표면으로 나오면, 킴벌라이트(kimberlite)라고 알려진 화성암(igneous rock)으로 냉각이 됩니다.
킴벌라이트는 일반적으로 대륙 지각(crust) 중 가장 오래된 부분으로, 다이아몬드가 여기에 둘러쌓여서 올라오기 때문에 변성되지 않고 그대로 지표면으로 올라올 수 있게 됩니다.
이를 킴벨라이트 관(Kimberlite Pipe) 라고 부릅니다.
한편, 지표면에 올라온 킴벨라이트는 바람과 비, 눈, 얼음 등의 자연적인 풍화과정을 통해 오랜 기간을 통해 침식이 되는데요.
그래서, 다이아몬드 가공하는 사람들은 이 다이아몬드를 채굴함으로서 그 시간을 단축하게 됩니다.
한편, 다이아몬드의 최대 생산국은 남아프리카와 캐나다로, 이곳에서는 수천 개의 킴벌라이트가 발견되었습니다.
다이아몬드 채굴과정
- 암석 찾기
- 암석 지역에서 다이아몬드 채굴
- 다이아몬드 분리
다이아몬드 채굴의 첫 단계는 다이아몬드가 포함된 암석을 찾는 것입니다.
지질학자들은 위성 이미지와 항공 촬영등의 지형 분석을 통해, 킴벨라이트(Kimberlite) 같은 다이아몬드 광물 함유 암석을 탐색합니다.
두번째 단계로, 찾아낸 암석 지역의 유형에 따라 암석 채굴을 하게 됩니다.
암석 표면 가까운 곳에 위치한 경우에는 거대한 구덩이를 파서 광물을 추출하는 방식을 쓰고요.
깊은 지하에 매장된 다이아몬드의 경우에는 채굴 터널과 샤프트를 만들어 암석을 끌어올립니다.
대표적으로는 남아프리카공화국의 킴벌리 광산(Big Hole) 과 러시아의 미르니 광산(Mirny Mine)이 있습니다.
해저에 퇴적된 다이아몬드를 채굴하는 방식도 있는데요. 해저의 자갈층을 대형 흡입 장치로 끌어올려 다이아몬드를 분리하는 것으로, 나미비아 연안에서 해양 채굴이 활발히 이뤄지고 있습니다.
세번째 단계로, 채굴된 암석에서 다이아몬드를 분리하는 과정을 거치게 됩니다.
주로 채굴된 암석을 작은 조각으로 부수어 다이아몬드가 포함된 광석을 추출 하는 방식인데요. 중력 분리, X 레이 분리, 그리스 벨트 방식 등을 이용해 분리합니다.
- 중력 분리: 다이아몬드의 높은 밀도를 이용해 중량이 다른 광물을 분리
- X 레이 자동 분리: 다이아몬드의 형광 특성을 감지 하여 X 레이를 이용한 자동 분리
- 그리스 벨트: 다이아몬드가 기름에 잘 달라붙는 성질을 이용해 나머지 광물을 분리
다이아몬드 특징
다이아몬드는 지구상에서 가장 단단한 물질로, 독특한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있어서 다목적 용도로 사용되는데요.
보석
무엇보다도 높은 광학적 특성과 반짝임으로 인해 가장 인기 있는 보석 중 하나 입니다. 반지, 목걸이, 귀걸이 등 고급 장신구 제작에 사용되죠.
산업용 절단 및 연마재
다이아몬드는 다른 거의 모든 광물보다 경도가 높은 특성 때문에, 다이아몬드 가루는 훌륭한 연마재로, 금속 표면에 부착되어 다른 물질을 자르거나 갈아내는 용도로 많이 사용 됩니다.
다만 철을 포함한 물질을 자르거나 연마하는 용도로는 적합하지 않은데요. 다이아몬드는 탄소 재질이라 철과의 친화성이 강해서 철을 갈아내면 마모가 급속도로 진행되기 때문입니다. 철을 자르거나 갈아낼 때는 보통 질화붕소 재질의 날이 달린 공구를 대신 사용해야 합니다.
전자 부품 열 관리
우수한 열 전도성을 가지므로 전자 부품(예: 반도체 칩)의 열 관리에 사용됩니다. 특히, 합성 다이아몬드는 높은 열 전도성과 전기 절연 특성을 활용해 전자 장치의 기판 및 방열판으로 사용됩니다.
과학, 의료, 첨단 기술
이외에도 과학분야에서는 다이아몬드의 강도를 이용해 극한의 압력을 재현하는 실험 장비 – 다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell)로 사용됩니다.
의료 분야에서는 정밀한 절삭 기기나 외과용 메스의 날, 인공 관절 및 치과용 도구로도 쓰이고요.
첨단 기술 분야에서는 레이저 광학 장치, X선 기기, 그리고 다이아몬드 내의 질소-빈틈 결합(Nitrogen-Vacancy Center)을 활용해 양자 메모리와 센서로도 사용됩니다.
합성 다이아몬드는 가짜인가요 ?
결론부터 말하면, 합성 다이아몬드는 자연 다이아몬드와 물리적 화학적 특성이 같은 진짜 다이아몬드 입니다. 다만, 형성 과정이 다를 뿐인데요.
합성 다이아몬드는 탄소(C) 원자로 구성되어, 자연 다이아몬드와 동일한 입방체 결정 구조를 가지며, 모스 경도(10), 굴절률(2.42), 열 전도성 등 모든 물리적 특성이 동일합니다.
생성 과정으로는 실험실에서 고온·고압(HPHT) 또는 화학 기상 증착(CVD) 기술을 이용해 몇 주에서 몇 달 만에 만들어집니다.
실제로 국제 다이아몬드 인증 기관(GIA 등)에서 합성 다이아몬드도 정식 감정을 통해 인증서를 발급합니다. 다만 가격과 희소성에서 차이가 있습니다.
가짜 다이아몬드
한편, 가짜 다이아몬드인 모조 다이아몬드도 있는데요.
예를 들어, 큐빅 지르코니아(CZ)는 다이아몬드를 흉내 낸 합성 물질로, 화학적·물리적 특성이 다릅니다.
모이사나이트(Moissanite) 역시 다이아몬드와 유사한 광학적 특성을 가진 합성 물질이지만, 구성과 특성이 다릅니다.
마무리
오늘은 독특한 광물인 다이아몬드 생성과정에 대해 알아보았습니다.
다음에 또 다른 컨텐츠로 뵈요.