실리콘: 형성 및 지질 다양성
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형성, 지질학, 그리고 종류
규소: 별의 재에서 석영, 모래, 오팔, 반도체 결정으로
지구 암석 지각 대부분을 이루는 원소인 규소에 대한 지질학 및 재료 개요: 별에서 형성되고, 행성 주기 속을 이동하며, 실리카와 규산염으로 나타나고, 현대 기술에서 정제된 원소 규소가 되는 과정.
- Si
- 원소 실리콘
- 실리카: SiO₂2
- 규산염 광물
- 석영, 칼세도니, 오팔
규소는 자연에서 자유 원소로는 거의 발견되지 않습니다. 보통 실리카로 산소와 결합하거나 대부분 암석의 구조 골격인 규산염 광물로 존재합니다. 석영맥, 장석이 풍부한 화강암, 셰일, 마노, 오팔을 형성하는 동일한 원소가 인간의 가공을 통해 정제된 규소 금속, 다결정 원료, 단결정 웨이퍼가 됩니다.
지질학적 기초로서의 규소
규소 Si는 암석 지구의 주요 골격 원소 중 하나입니다. 산소와 함께 대륙 지각의 화학을 지배합니다.
일반적인 지질 환경에서 규소는 산소와 강하게 결합합니다. 그 결과는 실리카 SiO2이거나, SiO4 사면체로 구성된 훨씬 더 큰 규산염 광물 군입니다. 이 사면체들은 고립된 그룹, 사슬, 판, 3차원 골격으로 연결되어 감람석, 휘석, 운모, 장석, 석영과 같은 다양한 광물을 만듭니다.
규소
원소 Si. 원소 규소는 준금속이며, 자연 상태의 광물로는 드물게 관찰됩니다.
실리카
이산화 규소, SiO₂2석영, 칼세도니, 셰일, 부싯돌, 크리스토발라이트, 코에사이트, 스티쇼바이트는 모두 실리카 형태 또는 실리카가 풍부한 물질입니다.
규산염
알루미늄, 마그네슘, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨과 같은 다른 원소들과 결합된 규소-산소 사면체로 이루어진 방대한 광물군입니다.
산소와 규소는 무게로 대륙 지각의 대부분을 차지하기 때문에, 석영, 장석, 운모, 점토 광물 및 기타 규산염이 풍경과 암석 표본에서 매우 흔합니다.
우주의 기원: 별들이 규소를 만든 방법
규소는 후기 핵융합 단계에서 거대한 별들 안에서 형성됩니다. 이 별들이 초신성으로 생을 마감할 때, 규소를 포함한 물질이 성간 공간으로 흩어집니다. 그 물질 중 일부는 이후 별 형성 지역에서 먼지가 되어, 원시 행성 원반을 형성하는 데 도움을 주는 규산염 입자가 됩니다.
지구는 이 우주 저장소에서 규소를 물려받았습니다. 젊은 행성에 포함된 후, 규소는 마그마, 맨틀 광물, 지각 암석, 퇴적물, 그리고 이후 퇴적 및 변성 주기에 갇혔습니다. 이런 의미에서 모든 석영 알갱이와 장석 결정은 지질학적 산물이자 별 화학의 잔재입니다.
지각 내 실리카 순환
규소는 암석, 물, 생물, 퇴적물, 유체를 통해 이동합니다. 이 순환은 느리지만 지각의 중심 이야기 중 하나입니다.
풍화
규산염 광물은 지구 표면에서 분해됩니다. 화학적 풍화는 용해된 실리카를 방출하고 카올리나이트, 스멕타이트 같은 점토광물 형성을 돕습니다.
운반
강, 지하수, 해수가 용해된 실리카와 석영 알갱이를 풍경, 범람원, 해안선, 해양 분지로 이동시킵니다.
생물학적 흡수
규조류, 방사충, 해면동물은 용해된 실리카를 사용해 오팔 골격을 만듭니다. 이들의 잔해는 규질 진흙으로 쌓일 수 있습니다.
변질작용
매장과 함께 오팔-A는 일반적으로 오팔-CT로 재조직되고 결국 미세결정 석영으로 변하여 셰일, 부싯돌 및 관련 실리카 암석을 만듭니다.
화성암 경로: 마그마가 실리카를 분류하는 방법
마그마는 실리카 함량이 다릅니다. 페리식 마그마는 실리카가 풍부하여 일반적으로 석영, 알칼리 장석, 사장석, 운모를 결정화합니다. 마피 마그마는 실리카가 적고 마그네슘과 철이 많아 감람석, 휘석, 칼슘이 풍부한 사장석 같은 광물을 선호합니다.
마그마가 결정화, 혼합, 동화, 휘발성 농축을 거치면서 실리카는 후기 유체에 농축될 수 있습니다. 이 유체들은 석영맥, 마노로 둘러싸인 공동, 자수정 주머니, 거대편마석 석영 결정체를 생성할 수 있습니다.
| 마그마 유형 | 일반적인 SiO2 범위 | 대표 암석 | 일반적인 규소 함유 광물 |
|---|---|---|---|
| 페리식 | 약 65–77% | 화강암, 유문암, 거대편마암 | 석영, 칼륨장석, 사장석, 백운모 |
| 중급 | 약 55–65% | 섬록암, 안산암 | 사장석, 각섬석, 흑운모, 가끔 석영 |
| 마피 | 약 45–55% | 감람암, 현무암 | 휘석, 감람석, 칼슘이 풍부한 사장석 |
퇴적 및 변질 실리카
석영은 지구 표면에서 물리적으로 내구성이 뛰어나고 화학적으로 저항성이 있어 일반적으로 풍화 과정을 견디며 모래로 남습니다. 이 모래 알갱이들은 사구, 해변, 사주, 사암을 형성합니다. 매장과 시멘테이션을 거치면서 사암은 운반, 둥글기, 분류, 퇴적 에너지에 대한 긴 기록을 보존할 수 있습니다.
이산화규소는 용해된 형태로도 이동합니다. 해양 및 호수 환경에서 생물 기원의 이산화규소는 진흙으로 쌓인 후 매장 과정에서 셰일과 부싯돌로 변할 수 있습니다. 지하수는 공동, 균열 또는 결절에 칼세도니와 석영을 침전시켜 마노 띠, 지오드, 이전 물질의 이산화규소 치환을 생성할 수 있습니다.
석영 모래
둥근 석영 입자는 바람, 강, 파도 또는 빙하에 의한 운반을 기록합니다. 깨끗한 석영이 풍부한 모래는 나중에 석영 사암이 될 수 있습니다.
석영암과 부싯돌
퇴적, 치환 또는 직접 침전으로 형성된 미세립 이산화규소 암석. 많은 경우 날카로운 조개껍데기 같은 파손면을 가집니다.
마노와 칼세도니
화산 공동이나 균열에서 이산화규소가 풍부한 유체로부터 펄스로 침전된 섬유상 미세결정 이산화규소.
변성 및 고압 이산화규소
변성작용은 이산화규소 함유 암석을 반드시 녹이지 않고 재배열합니다. 사암은 상호 연결된 석영 입자로 이루어진 단단한 암석인 석영암으로 재결정됩니다. 편광광 아래에서 석영암은 변형된 입자, 봉합된 접촉면, 재결정된 조직의 모자이크를 드러낼 수 있습니다.
훨씬 높은 압력에서는 이산화규소가 더 밀도가 높은 다형체로 변할 수 있습니다. 코에사이트는 고압 변성 및 충격 환경과 관련이 있으며, 스티쇼바이트는 극한 압력, 특히 충격 사건의 대표적인 형태입니다. 이러한 형태는 일반적인 전시용 결정으로는 거의 발견되지 않으며, 보통 특수 지질 샘플의 실험실 분석을 통해 확인됩니다.
원소 실리콘과 정제된 실리콘 금속
원소 실리콘의 눈에 띄는 덩어리는 보통 자연 결정이 아니라 인공적으로 만들어진 것입니다.
자연산 순수 실리콘에 대한 보고는 드물며 일반적으로 현미경 크기의 입자나 운석, 화산 시스템, 또는 매우 환원적인 미세 환경과 같은 특이한 상황에서 발견됩니다. 일반적인 산소가 풍부한 암석에서는 실리콘이 이산화규소 또는 규산염 광물 형태로 존재할 가능성이 훨씬 높습니다.
정제된 실리콘은 석영 또는 기타 이산화규소가 풍부한 원료에서 시작됩니다. 전기로에서 이산화규소는 탄소와 반응하여 금속공학 등급 실리콘과 일산화탄소를 생성합니다. 추가 정제를 통해 태양광 및 전자용 원료인 다결정 실리콘, 단결정 실리콘 웨이퍼 또는 기타 기술적 형태를 얻을 수 있습니다.
금속공학용 실리콘
이산화규소의 탄소열 환원으로 생산됩니다. 이는 많은 산업용 실리콘 제품과 추가 정제 경로의 기초입니다.
다결정 실리콘
많은 상호 연결된 결정으로 만들어집니다. 깨진 조각은 은회색의 금속성 표면과 날카로운 조개껍데기 같은 파손면을 보일 수 있습니다.
단결정 웨이퍼
초크랄스키(Czochralski) 또는 플로트 존(float-zone) 성장과 같은 제어된 결정 성장 방법으로 재배됩니다. 이 웨이퍼들은 마이크로일렉트로닉스 및 일부 태양광 기술과 관련된 정제된 형태입니다.
파손된 실리콘은 날카롭고 부싯돌 같은 가장자리를 가질 수 있다. 완성된 조각은 조심스럽게 다뤄야 하며, 실리콘은 적절한 기술적 통제 없이 연마, 드릴링 또는 마모해서는 안 된다.
SiO2 다형체
실리카는 여러 구조 형태로 나타난다. 화학식은 SiO로 유지될 수 있음.2 원자 배열은 온도, 압력 또는 충격 이력에 따라 변함.
| 형태 | 일반적인 환경 | 지질학적 의미 | 일반적인 가시성 |
|---|---|---|---|
| 석영 | 저온에서 중간 온도의 지각 환경 | 일반 암석과 맥에서 가장 흔한 결정질 실리카 형태. | 결정, 맥, 지오드, 모래 및 석영암으로 흔함. |
| 트리디마이트 | 고온 화산 환경 | 특수한 화산 조건을 기록함. | 보통 작고 광물학적으로 연구됨. |
| 크리스토발라이트 | 고온 화산암 및 실리카가 풍부한 유리 | 화산 공동, 흑요석 및 비결정질 유리에서 형성될 수 있음. | 때때로 구상 조직으로 보임; 종종 현미경적임. |
| 코에사이트 | 고압 변성 및 충격 환경 | 깊은 매몰, 섭입 또는 충격 압력의 지표. | 드물며 일반적으로 실험실 확인 필요. |
| 스티쇼바이트 | 극한 압력 환경, 특히 충격 충격 | 매우 높은 압력 형성 조건을 나타냄. | 일반적인 수집품에서는 드물며, 분석적 확인이 필수적임. |
| 오팔 | 저온 실리카 침전 | 수화된, 비결정질에서 미약한 결정질 실리카; 보석 오팔은 정렬된 실리카 구체에서 회절을 보임. | 장식 및 보석 맥락에서 흔하지만 석영보다 민감함. |
실리콘 함유 물질의 종류와 형태
“실리콘”이라는 단어는 흔히 느슨하게 사용되지만, 지질학적 정확성이 중요하다. 원소 실리콘, 실리카 광물, 수화된 오팔, 실리콘 카바이드가 화학적으로 관련되어 있지만 기원, 구조, 관리가 매우 다르다.
| 카테고리 | 정의 | 일반적인 외관 | 형성 환경 |
|---|---|---|---|
| 원소 실리콘 | 일반적으로 인간이 정제한 Si | 금속성 표면을 가진 은회색 덩어리, 웨이퍼 또는 기술 조각. | 실리카와 탄소에서 생산되어 산업 또는 전자용으로 정제됨. |
| 대결정 석영 | 결정질 SiO2 | 투명, 흰색, 보라색, 노란색, 연기색, 분홍색 또는 포함된 결정과 지오드. | 열수맥, 페그마타이트, 공동, 동굴 및 변성암. |
| 칼세도니와 아게이트 | 미세결정질에서 극미세결정질 실리카 | 왁스 같은, 띠가 있는, 반투명 또는 불투명 덩어리; 아게이트, 재스퍼, 셰르트 및 플린트 포함. | 유체 침전, 다이아제네시스 대체, 공동 충전 및 실리카가 풍부한 지하수 시스템. |
| 오팔 | 수화된 비정질 실리카 | 일반 오팔, 보석 오팔, 파이어 오팔 및 오팔화된 물질. | 균열, 퇴적물, 화산암 또는 풍화 프로필에서의 저온 실리카 침전. |
| 탄화 규소 | 천연 모이사나이트 또는 합성 카보런덤으로 알려진 SiC | 면이 깎인 모이사나이트, 무지갯빛 합성 클러스터, 연마용 입자 또는 기술용 웨이퍼. | 천연 모이사나이트는 드물며, 대부분의 눈에 띄는 SiC는 실험실 또는 용광로에서 성장된 것입니다. |
자수정
철 관련 색소 중심과 방사선 조사로 색이 나는 보라색 쿼츠. 지오드와 열수 공동에서 흔히 발견됩니다.
시트린
노란색에서 꿀색 쿼츠. 일부 시트린은 자연산이며, 상업용 재료의 대부분은 열처리된 자수정 또는 스모키 쿼츠입니다.
스모키 쿼츠
알루미늄 관련 결함과 자연 방사선 상호작용으로 회색에서 갈색을 띠는 쿼츠.
로즈 쿼츠
분홍색 쿼츠로, 색상은 재료 유형에 따라 미량 원소, 결함 또는 미세 섬유 포함물과 관련이 있을 수 있습니다.
아게이트
규소가 풍부한 반복적인 침전으로 형성된 띠 모양 칼세도니로, 화산 공동이나 퇴적 결절에서 자주 발견됩니다.
재스퍼
불투명하고 불순물이 섞인 칼세도니로 철 산화물, 점토, 유기물 또는 기타 포함물에 의해 색이 나타납니다.
석영암과 부싯돌
조밀한 미세결정 실리카 암석으로 종종 조개껍질 모양으로 균열이 나며 퇴적 또는 생물 기원의 실리카 역사를 보존합니다.
귀중 오팔
규칙적인 구조일 때 빛을 산란시켜 색의 변화를 일으키는 미세 구체가 배열된 수화 실리카.
용어, 문서화 및 처리 인식
명확한 용어 사용이 혼란을 방지합니다. “규소”는 원소 Si를 의미해야 하며, “실리카”는 SiO를 가리킵니다.2“실리케이트”는 규소-산소 사면체를 중심으로 한 더 큰 광물군을 의미합니다. “실리콘”은 고분자 계열로 광물이 아닙니다.
- 원소 규소의 경우: 알려진 경우 정제 규소, 규소 금속, 다결정 규소 또는 단결정 규소로 설명해야 합니다.
- 쿼츠 종류의 경우: 인정된 광물 종류 이름을 사용하고, 알려진 경우 자연색과 열처리 또는 방사선 처리된 재료를 구분해야 합니다.
- 아게이트와 칼세도니의 경우: 염색, 안정화, 균열 충전 또는 기타 처리가 알려졌거나 의심될 때 공개해야 합니다.
- 오팔의 경우: 고체 오팔, 더블렛, 트리플렛, 일반 오팔, 귀중 오팔, 처리 또는 안정화된 재료를 구분해야 합니다.
- 코에사이트 또는 스티쇼바이트의 경우: 분석 문서가 필요합니다. 이들은 일반적인 실리카 전시 광물이 아닙니다.
관리 및 취급
규소 함유 재료는 내구성이 매우 다양합니다. 쿼츠는 단단하고 안정적이며, 오팔은 열, 건조, 화학물질에 민감할 수 있고, 균열이 있는 규소는 피부를 베일 수 있으며, 흡입된 실리카 먼지는 심각한 위험입니다.
쿼츠와 칼세도니
일반적으로 내구성이 좋지만 불필요한 화학물질 노출은 피해야 합니다. 다공성 또는 염색된 조각은 강한 세정제와 담금질을 피해야 합니다.
오팔
열 충격, 장시간 직사광선, 강한 화학물질, 초음파 세척, 갑작스러운 건조를 피하십시오. 더블렛과 트리플렛은 추가적인 습기 주의가 필요합니다.
원소 실리콘
깨진 조각은 날카로운 기술 재료로 다루십시오. 적절한 제어 없이 실리콘을 갈거나, 톱질하거나, 드릴하거나, 마모시키지 마십시오.
실리카 먼지
적절한 전문적인 먼지 제어 없이 실리카가 풍부한 암석을 자르거나, 연마하거나, 다듬지 마십시오. 전시물 자체가 문제가 아니라 호흡 가능한 먼지가 문제입니다.
자주 묻는 질문
실리콘은 자연에서 결정 형태로 발견되나요?
자연에서 보이는 원소 실리콘 결정은 매우 드뭅니다. 일반적인 지질 환경에서는 실리콘이 실리카와 규산염 광물로 나타납니다. 교육용이나 전시용으로 보이는 은회색 원소 실리콘 조각은 정제된 산업 재료입니다.
실리콘, 실리카, 규산염, 실리콘(실리콘 고무)의 차이는 무엇인가요?
실리콘은 원소 Si입니다. 실리카는 이산화 실리콘, SiO입니다.2규산염은 실리콘-산소 사면체가 다른 원소와 결합하여 만들어진 광물입니다. 실리콘은 광물이나 암석이 아닌 합성 고분자 계열입니다.
마노와 지오드는 어떻게 형성되나요?
마노는 실리카가 풍부한 유체가 칼세도니를 반복적으로 층으로 침전시킬 때 형성되며, 주로 화산암의 공동이나 퇴적 환경의 결절 내부에서 형성됩니다. 지오드는 공동이 광물 함유 유체가 순환하면서 보통 석영 결정으로 안감이 생길 때 형성됩니다.
무아산나이트는 실리콘의 한 형태인가요?
무아산나이트는 원소 실리콘도 실리카도 아닌 실리콘 카바이드(SiC)입니다. 천연 무아산나이트는 드물며, 대부분의 연마된 보석 무아산나이트와 대부분의 카보런덤은 실험실이나 용광로에서 만들어집니다.
왜 석영에는 이렇게 많은 종류가 있나요?
석영은 기본 화학식이 SiO입니다.2그러나 색상과 질감은 미량 원소, 방사선 조사, 포함물, 성장 조건, 가열, 유체 역사, 그리고 성장 후 변질에 따라 변합니다.
코에사이트와 스티쇼바이트는 수집 가능한 실리카 광물인가요?
이들은 과학적으로 중요하지만 일반적인 캐비닛 광물은 아닙니다. 코에사이트와 스티쇼바이트는 보통 특수한 고압 또는 충격 환경에서 발생하며 분석적 확인이 필요합니다.