휘석

1. 개요

휘석은 가장 흔한 단일 사슬 규산염 광물로, 금속 양이온에 의해 결합된 규소 사면체의 평행 사슬 구조를 갖는다. 휘석은 화학 조성에 따라 다양한 종류로 분류되며, X, Y, T 자리에 다양한 양이온이 치환될 수 있다. 국제광물학회(IMA)에서는 21종의 휘석을 독립종으로 인정하며, 엔스타타이트, 다이옵사이드, 경옥 등이 이에 속한다. 휘석을 주성분으로 하는 화성암은 휘암이라고 한다.

2. 구조

휘석은 단일 사슬 규산염 광물 중 가장 흔한 형태이다. 휘석의 구조는 규소 사면체(SiO₄)가 반복적으로 연결된 사슬 형태로, 이 사슬들은 금속 양이온에 의해 서로 결합된다. 각 규소 이온은 4개의 산소 이온으로 둘러싸여 사면체를 형성하며, 이웃한 규소 이온과 두 개의 산소 이온을 공유한다. 사슬 내의 사면체는 모두 같은 방향을 향하고 있으며, Y 양이온은 사슬을 묶어 I형강과 유사한 구조를 만든다. 이 I형강 구조는 X 양이온에 의해 인접한 I형강과 결합되며, 이러한 결합은 비교적 약하여 휘석 특유의 벽개를 유발한다.

2.1. 결정 구조

휘석은 가장 흔한 단일 사슬 규산염 광물이다. 휘석 결정의 구조는 금속 양이온에 의해 결합된 음전하를 띤 규소 사면체의 평행 사슬로 구성된다. 각 규소 이온은 4개의 산소 이온에 의해 둘러싸여 있으며, 이 산소 이온들은 규소 이온 주위에 사면체를 형성한다. 각 규소 이온은 사슬 내 이웃 규소 이온과 두 개의 산소 이온을 공유한다.

사슬 내의 사면체는 모두 같은 방향을 향하고 있다. 더 좁은 면의 산소 이온은 꼭대기 산소 이온이라고 한다. Y 양이온은 꼭대기 면에서 쌍을 이루는 사슬을 함께 묶고, 각 Y 양이온은 6개의 산소 이온으로 둘러싸여 있다. 결과적으로 단일 사슬 쌍은 I형강과 유사하다. I형강은 서로 맞물리고, 추가 X 양이온은 I형강의 바깥 면을 인접한 I형강에 결합시키고 나머지 전하 균형을 제공한다. 이 결합은 비교적 약하며 휘석 특유의 벽개를 부여한다.

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2.2. 벽개

휘석 결정에서 각 규소 이온은 4개의 산소 이온에 둘러싸여 사면체를 형성하며, 이웃한 규소 이온과 두 개의 산소 이온을 공유한다. 사슬 내 사면체는 모두 같은 방향을 향한다. Y 양이온은 꼭대기 면에서 쌍을 이루는 사슬을 묶어 I형강과 유사한 구조를 만든다. 이 I형강은 서로 맞물리고, X 양이온이 I형강 바깥 면을 인접한 I형강에 결합시켜 전하 균형을 맞춘다. 이 결합은 비교적 약해서 휘석 특유의 벽개를 만든다.

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3. 화학 조성 및 명명법

휘석 광물의 이름은 주로 화학 조성에 따라 결정된다. 휘석은 X(또는 M2), Y(또는 M1), 사면체 T 자리에 어떤 화학 종이 들어가는지에 따라 명명된다. Y(M1) 자리는 6개의 산소와 팔면체 배위 결합을 하고, X(M2) 자리는 양이온 크기에 따라 6~8개의 산소 원자와 배위될 수 있다. 국제광물학회(IMA) 신광물 및 광물명 위원회는 20개의 광물 이름을 인정했으며, 이전에 사용되었던 105개의 이름은 사용하지 않는다.

일반적인 휘석은 사면체(T) 자리에 대부분 규소(Si)를 포함하고, X와 Y 자리에는 주로 +2 전하를 가진 이온을 포함하여 XY(Si,Al)₂O₆의 화학식을 갖는다.

휘석 구조의 X 및 Y 자리를 차지할 수 있는 양이온에는 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 철(Fe) 외에도 다양한 종류가 있다. 나트륨(Na)이 풍부한 휘석은 "휘석 삼각" 명명법에 해당하며, +1 전하를 갖는 나트륨을 포함하기 위해 Y 자리에 +3 양이온(알루미늄(Al) 또는 철(Fe³⁺))을 추가하여 전하 균형을 맞춘다.

휘석 구조에는 다양한 양이온이 수용될 수 있으며, 양이온 점유 순서는 다음과 같다.

이 표에서 왼쪽에서 오른쪽 순서로, 먼저 모든 규소를 T 자리에 할당하고, 남은 알루미늄과 철(III)을 채운다. 추가적인 알루미늄이나 철은 Y 자리에, 더 큰 이온은 X 자리에 들어갈 수 있다.

1988년, 국제광물학회(IMA)는 휘석의 분류와 명명을 정리했다. 21종이 휘석의 독립종으로 지정되었고, 그 중 13종이 고용체의 단성분으로 사용된다.

아래는 발견된 휘석의 목록이다.
* I. Mg-Fe 휘석
* 1. 엔스타타이트(Enstatite)(En)
* 2. 페로실라이트(Ferrosilite)(Fs)
* 3. 클리노엔스타타이트(Clinoenstatite)
* 4. 클리노페로실라이트(Clinoferrosilite)
* 5. 피조나이트(Pigeonite)
* II. Mn-Mg 휘석
* 6. 돈피코라이트(Donpeacorite)
* 7. 카노아이트(Kanoite)(Ka)
* III. Ca 휘석
* 8. 다이옵사이드(Diopside)(Di)
* 9. 헤덴버가이트(Hedenbergite)(Hd)
* 10 오자이트(Augite)
* 11. 요한세나이트(Johannsenite)(Jo)
* 12. 페테던나이트(Petedunnite)(Pe)
* 13. 에세나이트(Esseneite)(Es)
* 14. 데이비사이트(Davisite)
* IV. Ca-Na 휘석
* 15. 옴파사이트(Omphacite)
* 16. 에지린 오자이트(Aegirine-augite)
* V. Na 휘석
* 17. 제이다이트(Jadeite)(Jd)
* 18: 에지린(Aegirine)(Ae)
* 19. 코스모클로어(Kosmochlor)(Ko)
* 20. 저비사이트(Jervisite)(Je)
* VI. Li 휘석
* 21. 스포듀민(Spodumene)(Sp)

이후, 나만실라이트(Namansilite), 나탈리라이트(Natalyite), 그로스만라이트(Grossmanite), 쿠시로아이트(Kushiroite) 등의 휘석이 추가로 발견되었다.

3.1. 휘석 사변형

칼슘-마그네슘-철 휘석은 휘석 사변형 다이어그램을 통해 분류된다. 엔스타타이트-페로실라이트 계열()은 흔한 암석 형성 광물인 하이퍼스테인을 포함하며, 최대 5 mol.%의 칼슘을 포함한다. 이 계열은 세 가지 다형체인 사방정계 오르토엔스타타이트 및 프로토엔스타타이트와 단사정계 클리노엔스타타이트(및 페로실라이트 등가물)로 존재한다.

칼슘 함량이 증가하면 사방정계 상의 형성이 방지되며, 피조나이트()는 단사정계에서만 결정화된다. 칼슘 함량에 완전한 고용체는 없으며, 약 15~25 mol.% 사이의 칼슘 함량을 가진 Mg-Fe-Ca 휘석은 용출된 결정 쌍에 대해 안정하지 않다. 이는 피조나이트와 오자이트 조성 사이에 혼합성 틈을 유발한다. 오자이트와 다이옵사이드-헤덴버가이트 () 고용체 사이에는 임의적인 구분이 있다. 이 구분은 45 mol.% 이상의 Ca에서 이루어진다. 칼슘 이온은 Y 자리를 차지할 수 없으므로, 50 mol.% 이상의 칼슘을 가진 휘석은 불가능하다. 월라스토나이트는 가설적인 칼슘 종의 화학식()을 갖지만, 구조적 차이로 인해 휘석족으로 분류되지 않는다.

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3.2. 휘석 삼각

나트륨 휘석은 휘석 삼각 다이어그램을 통해 분류된다. +1 전하를 갖는 나트륨을 휘석에 포함하면 "누락된" 양전하를 보충하는 메커니즘이 필요하다. 경옥과 에자린에서 이는 Y 자리에 +3 양이온(각각 알루미늄과 철(III))을 포함하여 추가된다. 칼슘, 마그네슘 또는 철(II) 성분이 20 mol.% 이상인 나트륨 휘석은 옴파사이트 및 에자린-오자이트로 알려져 있으며, 80% 이상인 휘석은 사변형 다이어그램을 사용하여 분류된다.

3.3. 양이온 치환

휘석은 사슬 규산염 구조를 가지며, 다양한 양이온이 혼입될 수 있어 화학 조성에 따라 이름이 정의된다. 휘석 구조 내에서는 다음과 같은 다양한 양이온 치환이 일어난다.

* 결합된 치환: X 자리에 1+ 이온(예: Na)과 Y 자리에 3+ 이온(예: Al)이 함께 치환되어 전하 균형을 맞춘다. 예시로 경옥(NaAlSi₂O₆)이 있다.
* 혼합 치환: X 자리에 1+ 이온과 Y 자리에 2+ 및 4+ 이온의 혼합물이 결합 치환된다. 예시는 NaFe²⁺_0.5Ti⁴⁺_0.5Si₂O₆이다.
* 쳐마크 치환 (Tschermak substitution): 3+ 이온이 Y 자리를 차지하고, 동시에 4+ 이온(Si) 대신 3+ 이온(Al)이 T 자리를 치환하여 전하 균형을 맞춘다. 예시로 CaAlAlSiO₆가 있다.

이러한 치환들은 휘석의 화학 조성과 물리적 특성을 변화시킨다. 자연 상태에서는 동일한 광물 내에서 둘 이상의 치환이 함께 발견될 수 있다.

휘석에서 양이온이 점유하는 순서는 다음과 같다.

이 표에서 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하며, 먼저 모든 규소를 T 자리에 할당한 다음, 알루미늄, 철(III) 순서로 채운다. 남는 알루미늄이나 철은 Y 자리에, 부피가 큰 이온은 X 자리에 수용될 수 있다.

4. 휘석의 종류

국제광물학회(IMA)에서는 21종의 휘석을 독립종으로 인정하고 있으며, 이들은 화학 조성에 따라 분류된다.

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흔히 발견되는 휘석은 Ca-Mg-Fe 휘석 8종과 Ca-Na 및 Na 휘석 4종이다.

이후, 나만실라이트, 나탈리라이트, 그로스만라이트, 쿠시로아이트 등의 휘석이 추가로 발견되었다.

4.1. 단사휘석

에기린, 오자이트, 사방사염휘석, 다이옵사이드, 에세나이트, 헤덴버그광, 경옥, 저비스광, 요한센광, 카노아이트, 코스모클로어, 나만실라이트, 나탈라이트, 옴파사이트, 페테던나이트, 피조나이트, 스포듀민

4.2. 사방휘석

사방정계에 속하는 휘석으로는 엔스타타이트(Mg₂Si₂O₆), 페로실라이트(Fe₂Si₂O₆) 등이 있다. 엔스타타이트와 하이퍼스테인의 중간 성분은 브론자이트, 하이퍼스테인과 페로실라이트의 중간 성분은 율라이트라고 불린다. 그 외에도 돈피아코라이트((MgMn)MgSi₂O₆) 등이 있다.

4.3. 기타 휘석

Mn-Mg 휘석에는 돈피코라이트와 카노아이트가 있다. Ca-Na 휘석에는 옴파사이트와 에지린 오자이트가 있다. Li 휘석에는 스포듀민이 있다.

1988년 국제광물학회(IMA)에서 휘석의 분류와 명명을 정리하면서 21종을 독립종으로 지정했다. 그 중 Ca-Mg-Fe 휘석 8종(1-5, 8-10)과 Ca-Na 및 Na 휘석 4종(15-18)이 흔히 발견된다.

4.4. 폐기된 휘석 이름

다음은 과거에 사용되었으나 현재는 사용되지 않는 휘석 이름들이다.

* 울반 휘석(Urbanite): 망간과 철이 풍부한 보통 휘석 또는 에지린 보통 휘석.
* 고동 휘석(Bronzite): 철을 함유한 강휘석.
* 사라 휘석(Salite): 철을 함유한 투휘석.
* 셰페리 휘석(Schefferite): 망간을 함유한 사라 휘석 또는 망간 에지린 휘석.
* 자소 휘석(Hypersthene): 강휘석 또는 철 규회석.
* 티탄 휘석(Titanaugite): 티탄을 함유한 보통 휘석.
* 철 사라 휘석(Ferrosalite): 마그네슘이 풍부한 회철 휘석.
* 파사 휘석(Fassaite): 제2철 및 알루미늄이 풍부한 투휘석 또는 보통 휘석.

5. 휘암

주로 휘석으로 구성된 완정질 조립의 초고철질 화성암을 휘암(pyroxenite)이라고 한다.