현재 과학으로 다이아몬드 원산지 알아낼 수 있을까?

다이아몬드 분석을 통해 원산지를 밝혀낼 수 있을까? 가장 이상적인 것은 신속하고 비파괴적인 방법으로 다이아몬드의 지리적 산지를 밝혀내는 것이다. 이러한 방식은 일부 보석에는 적용 가능하지만 다이아몬드에 이를 적용하는 것은 사실상 어려울 것으로 전망된다.

다음은 이와 같은 주제를 자세히 다룬 최근 기사를 요약한 것이다. 젬스 앤 제몰지(Gems & Gemology) 2022년 가을호에 게재된 기사 ‘다이아몬드의 지리적 산지의 분석 방법과 문제점’이다.

서로 다른 지역에서 생성된 보석의 경우 특성이 조금씩 다르다고 생각하는 것이 타당할 것이다. 내포물의 타입이 다를 수도 있고, 성장 패턴, 분광학적 특성, 미량 화학 성분(소량의 불순물은 ‘화학적 지문’ 역할을 함)이 다른 경우도 있다.

루비나 사파이어 등에 있어 미량 화학 성분 분석은 보석 산지 결정에 있어 강력한 도구가 된다. 루비, 사파이어, 에메랄드 등의 보석의 경우 미량 화학 성분의 농도는 대부분 중량 기준으로 100만 분의 1(1ppm)을 초과하며, 때로는 수십에서 수백 ppm에 달하기도 한다. 1ppm의 농도는 양동이를 채운 물속 한 방울을 떠올리면 된다. 아주 소량이다.

하지만 이 정도 농도라면 전 세계 보석 감정소가 사용하는 현대 기술로 쉽게 측정이 가능하다. 가장 널리 사용되는 기술은 LA-ICP-MS(레이저 절삭 유도 결합 플라즈마 질량 분석 측정법)와 LIBS(레이저 유도 파괴 분광법)이다.

하지만 다이아몬드의 미량 화학 성분 농도는 이보다 훨씬 낮기 때문에 측정이 까다롭다. 농도가 낮은 가장 큰 이유는 다이아몬드의 경우 조밀하고 강하게 결합된 탄소 원자로 이루어져 있어 크리스털 성장 과정에서 다른 성분을 배제하는 경향이 있기 때문이다. 미량 화학 성분 농도는 10억 분의 1(실외 수영장 물속 한 방울) 또는 1조 분의 1(올림픽 규격 수영장 20개분 물속 한 방울)까지도 떨어질 수 있다. (그림 1)

보다 전문화된 기술을 적용하면 다이아몬드의 초저 미량 화학 성분 농도도 측정이 가능하다. 가장 유망한 기술은 LA-ICP-MS의 수정된 오프라인 버전 3이다. 하지만 이 기술은 느리고, 비용이 많이 들고, 파괴가 필요하다. 분석 하나에 며칠이 걸리고, 수천 달러의 비용이 들며, 때로는 다이아몬드 표면을 몇 밀리미터가량 파괴해야 할 때도 있다.

일반적인 LIBS와 LA-ICP-MS 분석에 걸리는 시간은 수 초에서 수 분에 불과하고 비용은 몇 달러에서 몇 센트 정도이며, 분석 부분은 매우 작아서 육안으로는 거의 보이지 않는다. 이러한 한계 때문에 지금까지 보석용 다이아몬드에 시행된 고품질 미량 성분 화학 성분 분석 건수는 100건에 못 미친다.

결과는 복잡했지만, 분석 결과 산지가 서로 다른 다이아몬드들이 매우 놀라운 유사성과 중복성을 가지고 있음이 드러났다. 이는 원산지 특정과 관련해서는 고무적인 소식이 아니다. 다이아몬드의 미량 화학 성분 측정 및 분석상 문제점은 다이아몬드의 원산지 특정에 있어 가장 큰 장애물이라 할 수 있다.

하지만 문제는 이뿐만이 아니다. 미래에 기술이 개선되면 분석이 쉬워지고 저렴해질 수도 있겠지만 다이아몬드가 땅속에서 형성되는 방식 자체가 도전을 안겨주기 때문이다. 다이아몬드의 형성에 영향을 미치는 지질학적 과정과 화학 성분은 전 세계적으로 매우 유사하다. 물론 특정 광산과 연관 지을 수 있는 매우 독특한 특징을 가진 다이아몬드도 있다. 더 나아가 서로 다른 광산에서 생산된 다이아몬드들을 여러 개 분석·비교할 경우에는 평균적인 특성 차이가 나타난다.

하지만 개별 다이아몬드 분석에 있어서는 일반적으로 대부분의 다이아몬드가 산지에 관계없이 유사한 지질학적 특성을 공유하고 있다. 대부분의 천연 다이아몬드는 지표면에서 150~200km 떨어진, 대륙의 가장 오래되고 두꺼운 부분인 페리도타이트와 에클로자이트라고 불리는 맨틀 암석 내에서 생성된다. 이 맨틀 암석은 때로 다이아몬드의 생성 과정에서 다이아몬드의 내부로 들어오게 된다. (그림 2)

대부분의 산지에서 생산된 다이아몬드가 이와 같은 종류의 광물 내포물을 가지고 있다. 이는 해당 다이아몬드가 페리도타이트와 에클로자이트 암석에서 유사한 방식으로 생성되었음을 의미한다. 우리는 다이아몬드가 생성된 지질학적 환경이 얼마나 유사한지를 알고 있다. 이 때문에 우리는 미량 화학 성분의 유사성과 중첩성까지 고려해야 하며, 이는 지질학자들 역시 동의하는 바이다. 전 세계의 맨틀은 매우 유사하다.

하지만 대륙의 지각 중 지표면에서 가까운 곳에 있는 암석은 그 차이가 매우 크다. 루비, 에메랄드 등의 유색석은 다양한 지질학적 환경을 가진 지각 부분에서 생성된다. 그 때문에 서로 다른 산지에서 생산된 유색석의 경우 생성 환경상의 다양성 때문에 명확하고 체계적인 차이를 보일 가능성이 (다이아몬드보다) 높다.

또한 일반적으로 유색석의 미량 화학 성분 농도는 다이아몬드보다 높기 때문에 각 지역에서 생산된 유색석은 (반드시는 아니지만) 특이한 미량 화학 성분이나 내포물 등의 특성을 가지게 된다. 지리적 산지 특정을 위해서는 세 가지 기본 단계를 밟아야 한다.

첫째, 각 산지들이 가지고 있는 특성을 파악해야 한다. 미량 화학 성분 분석은 다이아몬드 산지 특정에 있어 가장 유망한 분야로 간주된다. 하지만 기존 데이터에 따르면 첫 번째 단계를 추정하는 것이 쉽지 않을 것 같다. 우선 산지가 확실한 다이아몬드 수천 개를 수집해서 첨단 통계 분석 방법을 통해 분류해야만 이 단계를 충족시키는 것이 가능한지 결론 내릴 수 있기 때문이다.

둘째, 위에서 언급한 것처럼 스톤 특성을 비교한 방대한 데이터가 필요하다. 이는 첫 번째 단계 충족을 입증하는 한편, 이를 원산지 미상의 스톤 평가 시에 기초로 활용하기 위한 것이다. 현재 다이아몬드의 초미량 화학 성분 농도를 측정하기 위해서는 특별 분석 기술이 필요한데, 이는 너무 느리고, 너무 비싸고, 너무 파괴적이어서 연구원들의 방대한 데이터 구축에 어려움을 준다. 각 광산을 대표하는 다이아몬드 컬렉션을 구축하는 것도 만만치 않다. 자연적으로 생성된, 미세하게 서로 다른 특성을 파악하기 위해서는 각 광산마다 수천 개의 샘플을 수집해야 하기 때문이다.

셋째, 보석 감정소들이 이 서비스를 제공할 수 있으려면 이와 같은 특성 차이를 일반적이고 상업적으로 측정할 수 있어야 한다. 미량 화학 성분 분석이 첫 번째와 두 번째 단계를 충족해서 기술적으로는 산지 특정이 가능해질지라도, 분석 과정에서 사용되는 첨단 기술의 일상 적용이 불가능하다면 아무 의미가 없다. 위의 세 단계를 모두 충족시키려는 노력은 (성공한다는 보장 없이) 기술 혁신과 상당한 양의 데이터 축적을 필요로 할 것이다. 특히 다이아몬드의 산지 특정이 지질학적 요인에 의해 제한될 수 있다는 점을 고려할 때 이 분야를 연구할 전문 지식과 재정을 확보한 단체나 기관이 생긴다면 이는 기념비적인 일이 될 것이다.

요약하자면, 임의의 개별 다이아몬드의 산지를 특정할 수 있는 고유한 특성과 관련한 (과학적으로 견고한) 연구는 아직 시행된 적이 없다. 불행히도 실험 분석을 통해서만 산지를 특정한다는 우리의 이상적인 목표는 실현이 요원한 것으로 보인다. 현재와 가까운 미래에 있어 다이아몬드의 원산지를 확인할 수 있는 유일한 방법은 산지국 혹은 산지 광산 정보를 채굴 시점부터 확보하는 것뿐이다.

/ Gems & Gemology

  2022년 가을호 

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예) 귀금속경제신문(www.diamonds.co.kr)