마그마(화학적 조성)에 대하여

모든 화성암은 마그마의 고화로 생성되며 마그마(magma)는 광물결정과 용존가스가 포함된 암석의 용융체로서, 온도가 충분히 높아서 지각이나 맨틀이 용융될 때 생성된다. 마그마가 지표면에 도착되면 마그마와 함께 암석 쇄설물, 가스 등이 분출되는 데 이를 화산이라 한다.

화산이란 용어인 volcano는 "불의 신"이란 "vulcan"에서 유래되었으며 이는 용암의 분출하는 광경을 떠올리게 한다. 어떤 용암은 뜨거운 유수처럼 유동하기도 하지만 1980년 3월 워싱턴주의 세인트 헬렌스 화산처럼 붉은 구름처럼 분출하기도 한다.

화산은 가장 직접적으로 마그마를 연구할 수 있는 곳이므로, 화산과 마그마의 성질에 대해 먼저 알아보고, 마그마의 냉각에 이해 생성된 화성암의 종류와 마그마의 생성과정에 대해 알아보기로 한다.

용암으로부터 마그마에 대한 세가지 중요한 결론은 1. 마그마는 SiO2함양으로 조성범위를 특징 지울수가 있다. 2. 마그마는 고온이다. 3. 마그마는 유동성을 갖고 있다. 어떤 마그마는 거의 유리창의 유리처럼 견고하지만 액체의 특성을 가진다. 대부분의 마그마는 결정과 액체의 혼합체이다.

 

·화학조성

- 마그마의 화학조성은 지구 구성원소인 Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, H, O로 되어 있다. 마그마의 조성변화는 SiO2, Al2O3, CaO등의 산화염형과 H2O로 표시될 수 있다. 이 중 가장 풍부한 성분은 SiO2이다. 마그마는 일반적으로 SiO2 함량이 50% 내외인 현무암질 마그마, 60% 내외인 안산암질 마그마, 70% 내외인 유문암질 마그마로 3대분 된다(그림1).

그림 1. 세 가지 주요 마그마 기본적인 세 가지 유형 마그마의 평균 조성(무게백분율)은 마그마로부터 고화된 암석에 대한 분석치이다. 마그마는 고상물 이외에도 용존가스를 포함하며, 대부분의 가스는 고화되는 동안에 날아간다. 현무암질 마그마는 용존가스 함량이 낮으며, 안산암질 유문암질 마그마는 용존가스 함량이 높은 편이다.

 

세종류의 마그마의 산출정도는 균등하지 않고 화산분출시 마그마의 80%정도가 현무암질 마그마이며, 안산암질 마그마와 유문암질마그마는 각각 10%내외이다. 킬라우에아(kilauea)와 마우나 로아(Mauna loa)와 같은 하와이 화산은 현무암질이며 워싱턴주의 세인트 헬렌스와 인도네시아의 크라카타우 화산은 안산암질이며 예로스톤(Yallowstone) 국립공원내 화산들은 유문암질이다.

 

⦁마그마의 용존가스

마그마에는 0.2-3% 가량의 가스가 용존되어 있는데 그양은 적지만 마그마의 성질에 큰 영향을 미친다. 가스의 대부분은 수증기이며 약간의 이산화탄소가 포함되어 있는데 이들이 화산으로부터 방출되는 전체가스의 98% 이상을 차지한다. 이외에 N2, Cl2, Ar 가스가 소량 포함되는데 이들은 1%를 넘지 못한다.

 

⦁온도

마그마의 온도를 측정하기는 어렵지만 화산분츨시 측정이 가능하때도 있다. 화산은 매우 위험하기 때문에 화산에서 멀리 떨어져 광학기계를 이용하여 온도를 측정한다. 하와이의 킬라우에아, 이탈리아의 베수비오(Mount vesuvius)화산에서 이러한 방법으로 측정된 온도는 1.000 - 1,200oC범위이다. 실험실에서 합성된 마그마의 연구결과에 의하면 특정조건에서는 마그마의 온도가 1,400oC이상일때도 있을것으로 추정된다.

 

⦁점성

화산체의 사면을 따라 용암이 흘러내리는 광경을 보면 어떤 마그마는 유동성이 매우 높을 것임을 시사한다. 하와이 마우나 로아 화산의 급사면을 따라 흘러내리는 현무암질 용암의 이동속도는 16km/시간 또는 수m/일에 이를 정도로 낮은 것도 많다. 현무암징 용아밍 가옥을 파괴시키는 광경인 그림 4.2에서 보듯이 유동속도는 매우 느려서 인명피해의 우려는 없다. 이런 마그마이 성질은 액보다 고체에 가깝다고 볼수 있겠다.

유동에 저항하는 물질의 내부성질을 점성(viscosity)이라 한다. 점성이 큰 마그마일수록 유동성이 작아진다. 마그마의 점성은 온도와 SiO2 및 용존가스 함량과 같은 화학조성에 의해 결정된다.

 

⦁ 점성에 대한 온도의 효과

고온의 마그마일수록 점성이 낮아 쉽게 이동한다. 화산에서 분출된 매우 뜨거운 마그마는 쉽게 유동하다가 냉각됨에 따라 점성이 높아져서 유동이 느려지다가 정지한다. 그림4.3에서 지질학자가 서 있는 곳의 매끈한 밧줄 모양의 표면을 가진 용암을 하와이에서는 파호에호에(pahoehoe, 하와이 원주민 말로 흑색비단을 뜻함)용암이라 부르는데 이는 고온이며 가스함량이 높아 점성이 작은 용암에서 형성된다. 그 위의 거친모양을 보이는 용암은 하와이에서는 아아(aa)용암으로 부르며 이는 저온이며 가스함량이 낮아 점성이 큰 용암에서 형성된다.

 

⦁점성에 대한 SiO2 함량의 효과

마그마내 SiO44- 음이온들은 판상, 망상구조가 불규칙적으로 중합된 상태로 존재하므로 마그마내 SiO4 사면체의 수가 많아 질수록 이들 중합체들의 크기가 증가하여 마그마의 점성도 증가하게 된다. 이 중합체의 수는 마그마의 SiO2함량에 달려있다. 따라서 유문암질 마그마는 현무암질마그마보다 점성이 크며 암산암질마그마의 점성은 이들의 중간정도에 해당된다.

그림 4.2 가옥은 용암에 견디지 못한다 1989년 6월 킬라우에아화산분출시 하와이의 카라파나(Kalrapana)에서 현무암질용암의 선두부분이 가옥에 화재를 일으키고 있다. 용암류 연변의 화염은 잔디가 타면서 발생한것이다

그림4.3 같은 용암이지만 유동형태는 다르다. 용암의 유동형태는 점성에 의해 결정된다. 동일한 현무암질 조성의 용암이라도 두가지 유동형태를 보인다. 지질학자가 서 있는 부분은 점성에 의해 성성된 파호에호에용암이며 학자가 시료채취를 하고자하는 부분은 높은 점성과 낮은 이동속도에 의해 생성된 아아용암이다. 파호에호에용암은 1595년 분출한것이고 아아용암은 1989년 분출한 것이다.

 

 

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