크로마이트

크로마이트(Chromite)는 주로 산화 철(II)과 산화 크로뮴(III) 화합물로 구성된 결정질 광물이다. 한국어로는 크롬철광, 아크롬산염으로 번역된다. FeCr2O4의 화학식으로 나타낼 수 있다. 첨정석 그룹에 속하는 산화광물이다. MgCr2O4와 고용체를 형성하여 마그네슘이 철을 다양한 양으로 대체할 수 있다. 알루미늄 원소의 치환도 발생하여 헤르시나이트 (FeAl2O4)로 이어질 수 있다. 오늘날 크로마이트는 철-크로뮴 합금인 페로크롬 (FeCr) 생산을 통해 스테인리스강을 만드는 데 특히 채굴된다.

크로마이트 입자는 남아프리카 공화국과 인도의 부시벨트와 같은 대규모 고철질 화성 관입에서 흔히 발견된다. 크로마이트는 철 흑색을 띠고 금속성 광택을 가지며, 암갈색 조흔색과 모스 굳기 5.5를 나타낸다.

 특성 
크로마이트 광물은 주로 고철질-초고철질 화성 관입암에서 발견되며 때로는 변성암에서도 발견된다. 크로마이트 광물은 수백 킬로미터 길이와 몇 미터 두께의 층상 구조로 나타난다. 크로마이트는 철질운석에서도 흔히 발견되며 규산염 및 트로일라이트 광물과 함께 형성된다.

 결정 구조 
크로마이트의 화학 조성은 FeCr2O4로 나타낼 수 있으며, 철은 +2의 산화수를, 크로뮴은 +3의 산화수를 가진다. 광석의 구조는 판상으로 약한 면을 따라 파괴가 일어난다. 크로마이트는 박편으로도 나타낼 수 있다. 박편에서 보이는 입자는 자형에서 반자형 결정으로 분산되어 있다.

크로마이트는 Mg, 철(II) [Fe(II)], Al 및 미량의 타이타늄을 포함한다. 크로마이트는 광물 내 각 원소의 양에 따라 다른 광물로 변할 수 있다. 크로마이트는 첨정석 그룹의 일부로, 이는 같은 그룹의 다른 구성원들과 완전한 고용체 계열을 형성할 수 있음을 의미한다. 여기에는 첸밍아이트(FeCr2O4), 시에이트 (FeCr2O4), 마그네시오크로마이트(MgCr2O4) 및 자철석 (Fe2+Fe3+2O4)과 같은 광물이 포함된다. 첸밍아이트와 시에이트는 크로마이트의 다형체이며, 마그네시오크로마이트와 자철석은 크로마이트와 동형이다.

 결정 크기 및 형태 
크로마이트는 괴상 및 입상 결정으로 나타나며, 팔면체 결정으로는 매우 드물게 나타난다. 이 광물의 쌍정은 첨정석 법칙에 따라 {III} 면에서 발생한다.

광물 입자는 일반적으로 크기가 작다. 그러나 3cm에 달하는 크로마이트 입자가 발견되기도 했다. 이 입자들은 크로뮴과 산소의 양이 적은 운석체의 액체에서 결정화되는 것으로 보인다. 큰 입자들은 운석체에서 나타나는 안정적인 과포화 조건과 관련이 있다.

 반응 
크로마이트는 암석이 형성되는 조건을 결정하는 데 중요한 광물이다. CO 및 CO2와 같은 다양한 기체와 반응할 수 있다. 이러한 기체와 고체 크로마이트 입자 간의 반응은 크로마이트를 환원시켜 철-크로뮴 합금의 형성을 가능하게 한다. 크로마이트와 기체 간의 상호작용으로 금속 탄화물이 형성될 수도 있다.

크로마이트는 결정화 과정 초기에 형성되는 것으로 보인다. 이는 크로마이트가 변성암 계열에서 나타나는 고온 및 고압의 변성 효과에 저항하도록 한다. 변성 과정에서 변형되지 않고 진행할 수 있다. 저항력이 낮은 다른 광물은 이 계열에서 사문석, 흑운모, 석류석과 같은 광물로 변성된다.

 광상 분포 
섬네일|left|유콘 준주의 크로마이트 광상. 검은색 띠는 크로마이트이며, 백금족 원소도 함유한다. 회색 암석은 표백된 초고철질 암석이다.
크로마이트는 지구 맨틀에서 유래한 감람암 내의 정누적암 렌즈 형태로 발견된다. 또한 층상 관입암의 초고철질 관입암에도 나타난다. 또한 일부 사문암과 같은 변성암에서도 발견된다. 크로마이트 광석 광상은 초기 마그마 분화 작용으로 형성된다. 이는 흔히 감람석, 자철석, 사문석 및 강옥과 관련이 있다. 남아프리카 공화국의 광대한 부시벨트 관입 복합체는 일부 층이 90% 크로마이트로 구성되어 희귀한 암석 유형인 크로마이타이트(광물 크로마이트와 크로마이트를 함유한 암석인 크로마이타이트를 비교)를 형성하는 대규모 층상 고철질에서 초고철질 화성암체이다.Guilbert, John M., and Park, Charles F., Jr. (1986) The Geology of Ore Deposits, Freeman,  몬태나주의 스틸워터 관입 복합체 또한 상당한 양의 크로마이트를 함유한다.

상업적인 채광에 적합한 크로마이트는 소수의 매우 큰 광상에서만 발견된다. 크로마이트 광상에는 크게 2가지 유형이 있다: 층상 광상과 포디폼 광상이다. 층상 관입암의 층상 광상은 크로마이트 자원의 주요 원천이며 남아프리카 공화국, 캐나다, 핀란드, 마다가스카르에서 발견된다. 포디폼 광상의 크로마이트 자원은 주로 카자흐스탄, 튀르키예, 알바니아에서 발견된다. 짐바브웨는 층상 및 포디폼 광상 모두에서 주목할 만한 크로마이트 매장량을 보유한 유일한 국가이다.

 층상 광상 
층상 광상은 대규모 판상 형태로 형성되며, 일반적으로 층상 고철질에서 초고철질 화성암 복합체 내에서 형성된다. 이 유형의 광상은 전 세계 크로마이트 매장량의 98%를 얻는 데 사용된다.

층상 광상은 일반적으로 선캄브리아 시대에 형성되었으며 크라톤에서 발견된다. 이러한 광상이 형성된 고철질에서 초고철질 화성암 지역은 아마도 화강암이나 편마암을 포함하는 대륙 지각에 관입되었을 것이다. 이러한 관입암의 형태는 판상 또는 깔때기 모양으로 묘사된다. 판상 관입암은 실 (sill) 형태로 배치되었으며, 이러한 관입암의 층리는 평행하다. 이러한 판상 관입암의 예는 스틸워터 관입 복합체 및 버드 리버 그린스톤 벨트에서 볼 수 있다. 깔때기 모양의 관입암은 관입암의 중심을 향해 경사져 있는 것으로 보인다. 이는 이 관입암의 층리에 향사 구조를 부여한다. 이러한 유형의 관입암의 예는 부시벨트 관입 복합체 및 그레이트 다이크에서 볼 수 있다.

크로마이트는 크로마이타이트로 구성된 여러 층으로 층상 광상에서 볼 수 있다. 이 층들의 두께는 1cm에서 1m 사이이다. 측면 깊이는 70km에 달할 수 있다. 크로마이타이트는 이 층들의 주요 암석으로, 50-95%가 크로마이트로 구성되어 있으며 나머지는 감람석, 사방휘석, 사장석, 단사휘석 및 이들 광물의 다양한 변성 생성물로 구성되어 있다. 마그마에 물이 존재한다는 징후는 갈색 운모의 존재로 확인된다.

 포디폼 광상 
포디폼 광상은 오피오라이트 지층 내에서 발생하는 것으로 보인다. 오피오라이트 지층의 층서는 심해 퇴적물, 베개 용암, 암맥군, 반려암 및 초고철질 구조암으로 이루어져 있다.

이러한 광상은 초고철질 암석, 특히 구조암에서 발견된다. 포디폼 광상의 풍부도는 구조암 상단으로 갈수록 증가하는 것으로 볼 수 있다.

포디폼 광상은 형태가 불규칙하다. "포드(Pod)"는 지질학자들이 이 광상의 불확실한 형태를 표현하기 위해 사용하는 용어이다. 이 광상은 모암의 엽리와 평행한 엽리를 보여준다. 포디폼 광상은 불일치, 준일치, 일치하는 것으로 설명된다. 포디폼 광상의 크로마이트는 비자형 결정으로 형성된다. 이 유형의 광상에서 볼 수 있는 광석은 결절상 조직을 가지며, 크기가 5-20mm인 느슨하게 뭉쳐진 결절이다. 포디폼 광상에서 볼 수 있는 다른 광물은 감람석, 사방휘석, 단사휘석, 파르가사이트, Na-운모, 조장석 및 경옥이다.

 건강 및 환경 영향 
크로마이트에서 추출된 크로뮴은 야금, 전기 도금, 페인트, 태닝, 제지 생산 등 여러 산업에서 대규모로 사용된다. 육가 크로뮴에 의한 환경 오염은 주요 건강 및 환경 문제이다. 크로뮴은 천연 광석과 같은 안정적인 화합물에서 볼 수 있듯이 3가 (Cr(III)) 형태로 가장 안정하다. Cr(III)는 동물과 인간의 지질 (생물학) 및 포도당 대사에 필요한 필수 영양소이다. 반면, 두 번째로 안정적인 형태인 육가 크로뮴 (Cr(VI))은 일반적으로 인간 활동을 통해 생성되며 자연에서는 거의 볼 수 없으며 (홍연석에서처럼), 다량 섭취 시 동물과 인간을 죽일 수 있는 고독성 발암물질이다.

건강 영향

크로마이트 광석을 채굴하면 페로크롬 생산을 목표로 하며, 크로뮴 대 철 비율이 높은 크로마이트 농축물을 생산한다. 또한 분쇄 및 가공될 수 있다. 크로마이트 농축물은 환원제인 석탄 또는 코크스와 고온 용광로와 결합하여 페로크롬을 생산할 수 있다. 페로크롬은 크로뮴과 철 사이의 합금인 합금철의 일종이다. 이 페로크롬 및 크로마이트 농축물은 다양한 건강 영향을 일으킬 수 있다. 확정적인 제어 접근 방식과 명확한 완화 기술을 도입하는 것은 인체 건강의 안전과 관련하여 중요성을 제공할 수 있다.Ontario Agency for Health Protection and Promotion (Public Health Ontario), Kim JH, Copes R. Case Study: Chromite mining and health concerns. Toronto, ON: Queen’s Printer for Ontario; 2015. https://www.publichealthontario.ca/-/media/documents/c/2015/case-study-chromite-mining.pdf?la=en

크로마이트 광석이 지표 조건에 노출되면 풍화와 산화가 일어날 수 있다. 크로마이트에서 가장 풍부한 크로뮴 원소는 3가 (Cr-III) 형태이다. 크로마이트 광석이 지표면 조건에 노출되면 Cr-III가 Cr-VI으로, 즉 크로뮴의 6가 상태로 전환될 수 있다. Cr-VI는 광석의 건식 밀링 또는 분쇄를 통해 Cr-III에서 생성된다. 이는 밀링 과정의 습도와 밀링이 이루어지는 대기 때문이다. 습한 환경과 비산소 대기는 Cr-VI를 적게 생산하는 데 이상적인 조건이며, 그 반대는 Cr-VI를 더 많이 생성하는 것으로 알려져 있다.Potential Toxic Effects of Chromium, Chromite Mining and Ferrochrome Production : A Literature Review. MiningWatch Canada. 2012 (PDF). May 2012.https://miningwatch.ca/sites/default/files/chromite_review.pdf

페로크롬 생산 시 질소 산화물, 탄소 산화물 및 황 산화물과 같은 공해물질이 대기 중으로 배출되며, 크로뮴, 아연, 납, 니켈, 카드뮴과 같은 중금속 고농도의 먼지 미립자도 배출되는 것으로 관찰된다. 크로마이트 광석을 고온 제련하여 페로크롬을 생산하는 동안 Cr-III는 Cr-VI로 전환된다. 크로마이트 광석과 마찬가지로 페로크롬은 밀링되어 Cr-VI를 생성한다. 따라서 페로크롬이 생산될 때 Cr-VI가 먼지로 유입된다. 이는 흡입 가능성 및 환경으로 독소의 침출과 같은 건강 위험을 초래한다. 크로뮴에 대한 인간의 노출은 섭취, 피부 접촉 및 흡입이다. 크로뮴-III 및 VI는 인간과 동물의 조직에 축적된다. 이러한 유형의 크로뮴은 신체에서 매우 천천히 배설되는 경향이 있으므로 수십 년 후에도 인체 조직에서 크로뮴 농도가 상승하는 것을 볼 수 있다.

환경 영향

크로마이트 광업, 크로뮴 및 페로크롬 생산은 환경에 유해할 수 있다. 크로마이트 광업은 경제적 일상재 생산에 필수적이다.Das, P.K., Das, B.P. & Dash, P. Chromite mining pollution, environmental impact, toxicity and phytoremediation: a review. Environ Chem Lett (2020). https://doi.org/10.1007/s10311-020-01102-w

토양 침출 및 산업 활동으로 인한 명백한 배출의 결과로, 크로뮴을 함유한 암석의 풍화는 수층으로 유입될 것이다. 식물에서 크로뮴 흡수 경로는 아직 불분명하지만, 크로뮴은 비필수 원소이므로 크로뮴 종분화와 독립적인 흡수 메커니즘을 가지지 않을 것이다. 식물 연구에 따르면 크로뮴으로 인한 식물에 대한 독성 효과에는 시들음, 잎이 좁아짐, 성장 지연 또는 감소, 엽록소 생산 감소, 뿌리 막 손상, 작은 뿌리 시스템, 사망 등이 포함된다. 크로뮴의 구조는 다른 필수 원소와 유사하여 식물의 미네랄 영양에 영향을 미칠 수 있다.
섬네일|부시벨트 크로마이타이트
산업 활동 및 생산 과정에서 퇴적물, 물, 토양, 공기 모두 크로뮴으로 오염된다. 육가 크로뮴은 토양 미생물 존재, 기능 및 다양성을 감소시키므로 토양 생태에 부정적인 영향을 미친다. 토양의 크로뮴 농도는 토양을 구성하는 퇴적물과 암석의 조성에 따라 다양하다. 토양에 존재하는 크로뮴은 Cr(VI)와 Cr(III)의 혼합물이다. 크로뮴-VI와 같은 특정 유형의 크로뮴은 유기체의 세포로 들어갈 수 있다. 산업 운영 및 산업 폐수에서 발생하는 먼지 입자는 지표수, 지하수 및 토양을 오염시킨다.

수생 환경에서 크로뮴은 용해, 흡착, 강수, 산화, 환원 및 탈착과 같은 현상을 겪을 수 있다. 수생 생태계에서 크로뮴은 무척추동물, 수생 식물, 물고기 및 조류에 생물 농축된다. 이러한 독성 효과는 유기체의 성별, 크기 및 발달 단계와 같은 요인에 따라 다르게 작용한다. 수온, 알칼리도, 염도, pH 및 기타 오염물질과 같은 요인 또한 유기체에 미치는 이러한 독성 효과에 영향을 미친다.

섬네일|크로마이트 사문암 내의 크로마이타이트 띠

 용도 
크로마이트는 내열성이 높아 내화물로 사용될 수 있다. 크로마이트에서 추출된 크로뮴은 크롬 도금 및 부식 방지 초합금, 니크롬, 스테인리스강 생산을 위한 합금에 사용된다. 크로뮴은 유리, 유약, 페인트의 안료로, 가죽 태닝을 위한 산화제로 사용된다. 때로는 보석으로도 사용된다.Tables of Gemstone Identification By Roger Dedeyne, Ivo Quintens, p.189 대부분의 반짝이는 자동차 트림은 크롬 도금이다. 크로뮴을 함유한 초합금은 제트 엔진이 고압, 화학적으로 산화되는 환경, 고온 상황에서 작동할 수 있도록 한다.

 자기질 타일 색소 침착 
자기질 타일은 종종 다양한 색상과 안료를 사용하여 생산된다. 급속 소성 자기질 타일의 색상에 주로 기여하는 것은 검은색  안료인데, 이는 상당히 비싸고 합성된 것이다. 천연 크로마이트는 비싼 에 비해 저렴하고 무기 안료 대안을 제공하며, 타일의 미세 구조 및 기계적 특성이 도입 시 실질적으로 변경되거나 수정되지 않도록 한다.

 갤러리 

 같이 보기 
 특수강
 산화·환원 전위
 환태평양 (온타리오 북부)

 각주 

 외부 링크 

 Minerals.net
 USGS 정보.

분류:내화물
분류:마그네슘 광물
분류:크로뮴 광물
분류:입방정계 광물
분류:첨정석군