# 휘석

아프가니스탄에서 산출된 휘석(투휘석) 결정
**휘석**(輝石, pyroxene)은 많은 화성암과 변성암에서 발견되는 중요한 조암 쇄상 규산염 광물이다. 휘석의 일반 화학식은 XY(Si,Al)
2O
6이며, 여기서 X는 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 철(Fe(II)) 또는 마그네슘(Mg) 이온을 나타내고, 드물게 아연, 망가니즈 또는 리튬이 포함되기도 한다. Y는 크로뮴(Cr), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 스칸듐(Sc), 타이타늄(Ti), 바나듐(V) 또는 철(Fe(II) 또는 Fe(III))과 같이 크기가 더 작은 이온을 나타낸다. 장석이나 각섬석 같은 규산염에서는 알루미늄이 규소를 광범위하게 대체하지만, 대부분의 휘석에서는 이러한 대체가 제한적으로만 일어난다. 휘석은 규소 사면체의 단일 사슬로 구성된 공통 구조를 공유한다. 단사정계로 결정화되는 휘석은 **단사휘석**이라 하고, 사방정계로 결정화되는 휘석은 **사방휘석**이라 한다.

휘석을 뜻하는 영어 명칭 'pyroxene'은 '불'(πυρ, *pur*)과 '낯선 사람'(ξένος, *xénos*)을 뜻하는 고대 그리스어 단어에서 유래했다. 휘석은 화산 용암 속에 존재하며, 때때로 화산유리에 박힌 결정으로 발견되기도 하는데, 과거에는 이를 유리 속의 불순물로 간주하여 "불의 이방인"이라는 이름을 붙였다. 그러나 실제로는 용암이 분출되기 전에 결정화된 조기 형성 광물일 뿐이다.

지구의 상부 맨틀은 주로 감람석과 휘석 광물로 구성되어 있다. 휘석과 장석은 현무암, 안산암, 반려암의 주요 광물이다.

## 구조

휘석은 가장 흔한 단쇄(single-chain) 또는 단사슬 규산염 광물이다 (단쇄 규산염의 또 다른 중요한 그룹인 준휘석은 훨씬 덜 흔하다). 휘석의 구조는 금속 양이온에 의해 서로 결합된 음전하를 띤 규소 사면체의 평행한 사슬로 구성된다. 즉, 휘석 결정의 각 규소 이온은 상대적으로 작은 규소 이온 주위에 사면체를 형성하는 4개의 산소 이온으로 둘러싸여 있다. 각 규소 이온은 사슬에서 인접한 규소 이온과 두 개의 산소 이온을 공유한다.

사슬의 사면체는 모두 같은 방향을 향하고 있으므로 사슬의 한쪽 면에는 산소 이온이 두 개, 다른 쪽 면에는 산소 이온이 한 개 배치된다. 좁은 쪽 면의 산소 이온을 정점 산소 이온이라고 한다. 한 쌍의 사슬은 정점 쪽에서 Y 양이온에 의해 서로 결합되며, 각 Y 양이온은 6개의 산소 이온으로 둘러싸여 있다. 결과적으로 형성된 단일 사슬 쌍은 때때로 I-빔에 비유되기도 한다. I-빔들은 서로 맞물려 있으며, 추가적인 X 양이온이 I-빔의 바깥쪽 면을 인접한 I-빔과 결합시키고 남은 전하 균형을 제공한다. 이 결합은 상대적으로 약하며 휘석 특유의 쪼개짐을 발생시킨다.

* [100] 방향에서 본 규소 사면체의 단일 사슬
* [010] 방향에서 본 규소 사면체의 단일 사슬
* 규소 사슬을 따라 본 휘석의 구조. "I-빔"이 녹색 선으로 표시되어 있다. 규소 사슬을 강조하기 위해 규소 이온을 크게 표시했다.

## 화학 및 명명법

휘석의 사슬 규산염 구조는 다양한 양이온을 수용할 수 있는 높은 유연성을 제공하며, 휘석 광물의 이름은 주로 화학 성분에 의해 정의된다.
휘석 광물은 X(또는 M2) 자리, Y(또는 M1) 자리, 사면체 T 자리를 차지하는 화학종에 따라 명명된다. Y(M1) 자리의 양이온은 팔면체 배위에서 6개의 산소와 밀접하게 결합한다. X(M2) 자리의 양이온은 양이온의 크기에 따라 6개에서 8개의 산소 원자와 배위할 수 있다. 1989년 기준년 기준으로 국제광물학연합(IMA)의 신광물명명위원회에 의해 20개의 광물명이 인정되었으며, 이전에 사용되던 105개의 이름은 폐기되었다.

휘석 명명법칼슘, 마그네슘, 철 휘석의 휘석 사각형 명명법나트륨 휘석의 휘석 삼각형 명명법
전형적인 휘석은 사면체 자리에 주로 규소를 가지고 있으며 X와 Y 자리에 주로 +2 전하를 가진 이온을 가지고 있어 대략적인 화학식은 XYT
2O
6가 된다. 일반적인 칼슘–철–마그네슘 휘석의 이름은 '휘석 사각형'에서 정의된다. 엔스타타이트-페로실라이트 계열([Mg,Fe]SiO
3)에는 흔한 조암 광물인 하이퍼스텐이 포함되며, 최대 5 mol.%의 칼슘을 함유하고 세 가지 동질이상인 사방정계의 오르토엔스타타이트와 프로토엔스타타이트, 단사정계의 클리노엔스타타이트(및 그에 대응하는 페로실라이트)로 존재한다. 칼슘 함량이 증가하면 사방정계 상의 형성이 억제되며, 피존나이트([Mg,Fe,Ca][Mg,Fe]Si
2O
6)는 단사정계에서만 결정화된다. 칼슘 함량에는 완전한 고용체가 존재하지 않으며, 칼슘 함량이 약 15~25 mol.% 사이인 Mg-Fe-Ca 휘석은 한 쌍의 이탈된 결정에 대해 안정적이지 않다. 이는 피존나이트와 보통휘석 조성 사이에 미량 고용 간격을 유발한다. 보통휘석과 투휘석-헤덴버가이트 (CaMgSi
2O
6−CaFeSi
2O
6) 고용체 사이에는 임의의 구분이 존재한다. 이 구분은 Ca > 45 mol.%에서 이루어진다. 칼슘 이온은 Y 자리를 차지할 수 없으므로 칼슘이 50 mol.%를 초과하는 휘석은 불가능하다. 관련 광물인 규회석(CaSiO
3)은 가상의 칼슘 말단 성분(Ca
2Si
2O
6)의 화학식을 갖지만, 중요한 구조적 차이로 인해 대신 준휘석으로 분류된다.

마그네슘, 칼슘, 철만이 휘석 구조의 X와 Y 자리를 차지할 수 있는 양이온은 아니다. 휘석 광물의 두 번째 중요한 계열은 '휘석 삼각형' 명명법에 해당하는 나트륨이 풍부한 휘석들이다. 1+ 전하를 가진 나트륨의 포함은 "부족한" 양전하를 보충하기 위한 메커니즘이 필요함을 의미한다. 경옥과 에지린에서는 Y 자리에 3+ 양이온(각각 알루미늄과 철(III))을 포함함으로써 이를 해결한다. 칼슘, 마그네슘 또는 철(II) 성분이 20 mol.% 이상인 나트륨 휘석은 옴파사이트 및 에지린-보통휘석으로 알려져 있다. 이러한 성분이 80% 이상이면 휘석은 사각형 도표를 사용하여 분류된다.

화성 토양의 첫 번째 엑스선 회절상 – CheMin 분석을 통해 장석, 휘석, 감람석 등이 밝혀졌다 ("락네스트"의 큐리오시티 로버)
휘석 구조의 다양한 자리에는 넓은 범위의 다른 양이온들이 수용될 수 있다.

**휘석 내 양이온 점유 순서**| **T** |  | Si | Al | Fe3+ |
| **Y** |  |  | Al | Fe3+ | Ti4+ | Cr | V | Ti3+ | Zr | Sc | Zn | Mg | Fe2+ | Mn |
| **X** |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  | Mg | Fe2+ | Mn | Li | Ca | Na |

이온을 자리에 할당할 때의 기본 규칙은 이 표에서 왼쪽에서 오른쪽으로 작업하는 것이다. 먼저 모든 규소를 T 자리에 할당한 다음, 남은 알루미늄과 마지막으로 철(III)로 해당 자리를 채운다. 여분의 알루미늄이나 철은 Y 자리에, 더 부피가 큰 이온은 X 자리에 수용될 수 있다.

전하 중성을 달성하기 위한 모든 메커니즘이 위의 나트륨 예시를 따르는 것은 아니며, 몇 가지 대안적인 체계가 존재한다:

1. X 및 Y 자리에 각각 1+ 및 3+ 이온의 결합 치환. 예를 들어, Na와 Al은 경옥(NaAlSi
2O
6) 조성을 만든다.
2. X 자리의 1+ 이온과 Y 자리의 동일한 수의 2+ 및 4+ 이온 혼합의 결합 치환. 이는 예를 들어 NaFe2+
0.5Ti4+
0.5Si
2O
6로 이어진다.
3. 3+ 이온이 Y 자리와 T 자리를 차지하는 체르막(Tschermak) 치환으로, 예를 들어 CaAlAlSiO
6로 이어진다.

자연에서는 동일한 광물 내에서 하나 이상의 치환이 발견될 수 있다.

## 휘석 광물

녹색 휘석의 박편
미국 애리조나주 길라 카운티 산카를로스 인디언 보호구역의 맨틀-감람암 포획암. 이 포획암은 녹색의 페리도트 감람석이 지배적이며, 검은색 사방휘석 및 첨정석 결정, 그리고 드문 잔디색 투휘석 입자가 함께 나타난다. 이 이미지의 미립질 회색 암석은 모암인 현무암이다. (축척 미상)
대부분 휘석 광물로 구성된 암석인 휘석암 샘플 (화성에서 온 운석 ALH84001)
* 단사휘석 (단사정계)
	+ 에지린, NaFe3+Si
	2O
	6
	+ 보통휘석, (Ca,Na)(Mg,Fe,Al,Ti)(Si,Al)
	2O
	6
	+ 클리노엔스타타이트, MgSiO
	3
	+ 투휘석, CaMgSi
	2O
	6
	+ 에세나이트, CaFe3+[AlSiO
	6]
	+ 헤덴버가이트, CaFe2+Si
	2O
	6
	+ 경옥, Na(Al,Fe3+)Si
	2O
	6
	+ 저비사이트(Jervisite), (Na,Ca,Fe2+)(Sc,Mg,Fe2+)Si
	2O
	6
	+ 요한세나이트(Johannsenite), CaMn2+Si
	2O
	6
	+ 카노아이트, Mn2+(Mg,Mn2+)Si
	2O
	6
	+ 코스모클로르, NaCrSi
	2O
	6
	+ 나만실라이트(Namansilite), NaMn3+Si
	2O
	6
	+ 나탈리아이트(Natalyite), NaV3+Si
	2O
	6
	+ 옴파사이트, (Ca,Na)(Mg,Fe2+,Al)Si
	2O
	6
	+ 피터더나이트(Petedunnite), Ca(Zn,Mn2+,Mg,Fe2+)Si
	2O
	6
	+ 피존나이트, (Ca,Mg,Fe)(Mg,Fe)Si
	2O
	6
	+ 스포듀민, LiAl(SiO
	3)
	2
* 사방휘석 (사방정계)
	+ 엔스타타이트, Mg
	2Si
	2O
	6
	+ 브론자이트, 엔스타타이트와 하이퍼스텐의 중간 단계
	+ 하이퍼스텐, (Mg,Fe)SiO
	3
	+ 율라이트(Eulite), 하이퍼스텐과 페로실라이트의 중간 단계
	+ 페로실라이트, Fe
	2Si
	2O
	6
	+ 돈피코라이트(Donpeacorite), (MgMn)MgSi
	2O
	6
	+ 느와닝가이트(Nchwaningite), Mn2+
	2SiO
	3(OH)
	2·(H
	2O)

* 단사휘석 지질 온도 압력계
* 에메랄드 – 때때로 보석류에서 스포듀민의 녹색 변종인 히데나이트로 대체되기도 한다.
* 장미석
* 규회석

* C. Michael Hogan (2010). Calcium. eds. A. Jorgensen, C. Cleveland. Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment.

* Mineral Galleries
* 비디오 섹션: Lunar Explorers (유튜브 링크: The Lunar Crust)
* 〈Pyroxene〉 11판. 《브리태니커 백과사전》 **22**. 1911. 696쪽.