마그마의 기원, 화산의 분포, 마그마 3대 기원에 관하여

마그마의 기원

우리는 이제 마그마 및 화산과 관련된 가장 어렵고 그러나 가장 흥미 있는 의문에 직면하였다. 마그마는 어디서 어떻게 생성되는가? 마그마는 왜 현무암질, 안산암질, 유문암질의 세 가지 주요 유형으로 구성되는가? 세 가지 유형의 마그마가 분출되는 화산의 분포에 대한 이해를 통해 마그마의 기원에 대한 의문의 단서를 찾을 수 있다. 화산들의 분포에 대한 논의를 요약하면 그림 4.36과 같고, 이에 대해서는 다음과 같이 고찰된다.

그림 4.36 화산의 종류 판구조 환경에서 주요 유형 화산의 위치를 보여주는 모식도.

 

· 화산의 분포

- 유문암질 마그마를 분출하는 화산들은 대륙지각에 주로 분포한다. 해양에 분포하는 안산암질 화산에서도 유문암질 마그마가 분출된다. 이러한 관찰결과는 유문암질 마그마를 생성시키는 작용이 대륙지각이나 안산암질 화산 아래의 지각에서 일어나며 해양지각에서는 일어나지 않음을 의미한다. 안산암질 마그마를 분출하는 화산들은 해양지각과 대륙지각에 모두 분포한다. 이는 맨틀에서 생성된 안산암질 마그마가 상부의 지각에 관계없이 상승함을 의미한다. 안산암질 화산은 지형적으로 태평양 주변에 분포한다(그림 4.37A). 현무암질 용암만을 분출하는 화산과 안산암질 화산의 분포를 구분하는 경계선인 안산암선(andestite line)은 태평양의 연안 주변에 걸쳐 있다. 안산암선은 그림1.15에서 보듯이 판의 섭입 경계와 평행하다. 다음 장에서 보듯이 안산암질 마그마는 맨틀 속으로 침강된 구 해양지각이 용융됨으로써 생성 된다.

현무암질 마그마를 분출하는 화산은 해양 및 대륙지각에 모두 분포한다. 따라서 현무암질 마그마의 기원은 맨틀이다. 현무암질 화산의 지형적 분포는 특정한 지각구조와 일치하지 않는데 이는 현무암질 마그마가 맨틀 상부의 지각 종류와 관계없이 맨틀 그 자체의 용융에 의해 생성됨은 의미한다.

다음의 두가지 관찰 결과는 현무암질 마그마의 기원에 대한 중요한 자료가 제공한다. 첫째 해저 산맥의 어디에서나 현무암질 마그마가 분출된다. 해저산맥은 판의 분리 경계와 일치하기 때문에 판 운동과 분리 경계의 마그마는 어떤 상호관계가 있을 가능성이 높다. 두 번째는 거대한 현무암질 화산은 해저산맥에 분포하지 않는다는 점이다. 대표적인 예로서, 하와이의 화산들은 태평양판의 경계부에서 훨씬 떨어진 중앙부의 해양지각에 위치한다. 하와이의 화산들은 현재 활동하고 있는 활화산들이며, 마우나 로아, 킬라우에아, 로이하이 화산열들은 북서방향으로 가면서 연령이 점진적으로 증가한다. 하와이 화산열을 대양 중아에서 엄청난 양으 화산물질을 분출하는 열점 위를 북서 방향으로 서서히 이동하는 태평양판의 운동으로 생성된 것으로 보인다. 이 열점은 최소한 7천만년 전부터 움직이는 판 위에 현무암질 화산을 생설시키고 있는 것으로 보인다. 이는 맨틀의 깊숙한 어떤 지점이 현무암질 마그마의 기원임을 의미한다. 열점의 마그마 생성 원인은 아직 불분명하지만, 중앙해령의 마그마와 열점의 마그마는 판구조 운동에 중요한 역할을 수행하고 있으며, 이들은 맨틀 대류에 의해 생성되는 것으로 보인다.

 

· 현무암질 마그마의 기원

- 마그마의 기원을 논의하기 위해서는 용융되는 마그마를 생성시키는 암석이 물을 포함하는 지 혹은 포함하지 않는지에 대한 의문이 먼저 해결되어야 한다. 물의 존재는 용융 시작 온도를 낮춘다. 그 다음으로는 어떤 종류의 암석이 용융되는지, 암석이 완전 용융되는지 혹은 부분 용융되는지와 같은 두 가지 의문이 해결되어야 한다. 용융되는 암석의 종류는 생성되는 마그마의 조성이 분명히 영향을 미친다. 부분 용융 대 완전 용융의 관계는 그렇게 간단한 문제가 아니다. 광물은 특정 온도에서 용융된다. 몇 종류의 광물들로 구성된 암석은 200이상의 넓은 온도 범위 구간에서 용융될 수 있으며, 이 용융 온도 구간에는 용융되지 않은 광물 입자와 마그마가 혼재한다. 암석의 불완전한 용융을 통한 마그마의 생성과정은 부분용융에 의한 마그마 분화작용으로 알려져 있다. 용융과정에 대한 자세한 논의는 암석의 용융을 참고하시오.

현무암의 주 구성 광물은 감람석, 휘석, 사장석이다. 이들은 모두 무수광물들이므로 현무암질 마그마는 물을 포함하지 않거나 극소량 포함하는 마그마일 것을 예상된다. 실제로 현무암질 용암에 대한 연구결과, 현무암질 마그마는 최대 0.2% 미만의 물을 포함하는 것으로 알려져 있다. 따라서 현무암질 마그마는 물이 없는 맨틀 물질의 부분 용융에 의해 생성된 것으로 결론지을 수 있다.

맨틀의 정확한 조성에 대해서는 많은 논란이 있지만, 상부 맨틀은 감람석과 석류석이 풍부한 석류석 페리도타이트로 구성되어 있을 것으로 추정된다. 물을 포함하지 않은 석류석 페리도나이트에 대한 부분 용융 실험에서 100km 깊이의 온도- 압력 조건에서는 10-15%의 부분 용융으로 현무암질 조성의 마그마가 생성됨이 밝혀졌다. 아직은 이와 관련된 열의 근원과 일부분의 연약권에서만 현무암질 마그마가 생성되는 점에 대한 의문이 남아 있지만, 현무암질 마그마는 물이 없는 상부 맨틀의 부분 용융 결과로 생성되었다고 결론지을 수 있다.

 

· 안산암질 마그마의 기원

- 안산암질 마그마의 화학조성은 대륙지각의 평균조성에 가까우며, 이로부터 생성된 화성암은 대륙지각 내에서 흠하게 산출된다. 안산암질 마그마가 대륙지각의 완전용융에 의해 생성되었음을 알 수 있고 일부 안산암질 마그마는 이러한 과정에 의해 생성되지만 대륙지각에서 훨씬 떨어진 화산에서도 안산암질 마그마가 분출된다. 이 경우에는 안산암질 마그마가 맨틀이나 해양지각으로부터 생성되었을 것으로 예상된다.

고압환경에서 물이 포함된 해양지각의 부분용융이 안산암질 마그마를 생성시킬 수 있음이 실험적으로 증명되었다. 그러면 실제 자연계에서 어떻게 이 과정이 일어나는가? 암석권판이 연약권내로 섭입될 때 해수로 포화된 현무암질 해양지각도 판의 상부를 덮은 채로 함께 이동한다. 판이 가열되면 결국 물을 함유한 지각이 용융되기 시작한다. 80km 깊이에 해당되는 압력하에서 물을 포함하는 해양지각의 부분용융은 안산암질 조성의 마그마를 생성시킬 수 있다.

물이 포함되는 해양지각의 용융에 관해서는 아직 많은 연구가 필요하지만, 많은 안산암질 마그마들이 이와 같은 과정에 의해 생성된 것이라는 이론을 뒷받침할 수 있는 두 가지 증거가 있다. 첫째는 활화산과 안산암선과의 관련성이다(그림 4.37). 안산암선은 판의 섭입 연반부와 밀접하게 연관되어 있다. 둘째는 섭입대와 관련한 안산암질 화산의 분포이다. 섭입대를 넘어가면, 물이 포함된 해양지각을 포획한 판이 연약권 내부로 침강한다. 해구에서 침강된 심도가 80km, 수평거리로 250km의 영역이 호상의 화산대 연변이다. 이러한 상황은 그림 4.38에서 보는 바와 같이 일본의 안산암질 성층화산들에 의해 잘 설명된다.

그림 4.37 안산암선의 분포 태평양 주변을 따라 형성된 안산암 분포 한계선. 이 선 안쪽의 해양지대에서는 안산암질 마그마는 없으며, 이 선 바깥 쪽에서는 안산암질 마그마와 현무암질 마그마의 분출이 함께 있다. 태평양 분지 안쪽의 미우나 로아와 같은 화산은 현무암질 마그마는 분출되지만 안산암질 마그마는 분출되지 않는다. 이 선의 외측에 있는 사스타산과 후지산에서는 현무암질 마그마뿐만 아니라 안산암질 마그마도 분출된다.

그림 4.38 일본의 화산 안산암질 마그마를 분출하는 호상열도와 해구와의 관계. 호상열도인 일본인 일본해구와 평행하게 발달한다. 지난 백만년 동안 활동한 검은 점으로 표시된 안산암질 화산은 호상의 경계 뒤에 한정되어 배열되어 있다.

 

· 유문암질 마그마의 기원

- 다음의 두 가지 관찰은 유문암질 마그마가 대륙지각 기원임을 시사한다.

1. 유문암질 마그마를 분출하는 화산들은 대륙지각 내에 한정되어 분포하거나 안산암질 화산활돌이 있는 지역에 한정되어 나타난다.

2. 유문암질 마그마를 분출하는 화산들은 엄청난 양의 수증기를 방출하며 유문암질 마그마로부터 생성된 관입암들은 운모와 각섬석과 같은 함수광물들을 상당량 포함한다. 함수광물의 물은 마그마내 용존되어 있던 것들이다.

이 두 가지 사실은 대륙 지각의 평균조성인 안산암질 조성을 갖는 물을 포함하는 암석의 부분용융의 결과로 유문암질 마그마가 생성됨을 의미한다. 실험적 연구결과도 이와 부합한다. 실험적 연구에서 대륙지각의 평균조성과 동일하고 물을 포함하는 암석이 부분용융되어 생성된 마그마의 조성은 유문암질이었다. 지각 암석의 용융에 대한 열은 맨틀로부터 유래한 것으로 추정된다.

유문암질 마그마가 생성되면 상승하기 시작한다. 그러나 마그마의 SiO2 함량이 높아 점성이 매우 크기 때문에 서서히 상승한다. 서서히 상승함에 따라 마그마의 압력은 감소한다. 용융점 강하에 대한 물의 효과는 압력감소에 따라 감소된다. 또 다른 열원에 의해 마그마가 가열되지 않는 한 상승하는 마그마는 고결되어 지하에 관입암체를 생성한다. 마그마가 찬 암석 속을 상승하는 동안 마그마의 온도를 상승시킬 열원은 거의 없다. 따라서 상승하는 유문암질 마그마는 서서히 냉각되면서 고화되기 시작한다. 대부분의 유문암질 마그마는 지표로 분출하여 용암이나 테프라를 생성시키기 보다는 지하에서 고화되어 화감암질 저반을 생성시킨다.

 

----  잘 보셨으면  "좋아요" 부탁해요?  010-3816-1998. 감사함다. -----