마그마의 고화(보웬의 반응계열)에 대하여

화성암의 종류는 수백 종에 달하지만 대부분은 그 산출은 흔하지 않다. 그러나 이러한 사실은 하나의 성분의 마그마로부터 다양한 화성임이 생성될 수 있다는 것을 시사한다.

고화되는 마그마는 수종의 다른 광물들을 생성시키는데, 이들 광물의 정출온도는 각각 다르다. 결정작용이 일어나고 있는 어떤 시점에서 용융체가 결정들과 분리될 수 있다면 원 마그마의 조성과는 전혀 다른 또 다른 마그마와 화성암이 생성될 수 있다.

결정- 용융체간의 분리과정은 다양하다. 예를 들면, 압축작용은 결정-용융체로부터 용융체를 압축시켜 분리할 수 있다. 또다른 과정으로서, 초기에 정출한 결절들의 밀도는 용융체보다 크기 때문에 마그마 쳄버 바닥에 가라앉고 고상 결정츨을 형성하여 결정과 용융체간의 분리가 일어날 수도 있다. 이러한 과정에 의한 마그마 조성의 변화를 분별결정작용에 의한 마그마 분화작용이라고 부른다.

 

· 보웬의 반응계열

- 캐나다 태생 지질학자인 보웬은 분별결정작용에 의한 마그마 분화작용의 중요성을 처음으로 인식한 과학자이다. 안산암질 또는 유문암질 마그마보다는 현무암질 마그마가 훨씬 더 일반적이므로, 그는 현무암질 마그마가 근원 마그마이며, 다른 마그마는 현무암질 마그마의 분화작용으로 생성된다고 믿었다. 그의 이론에 따르면, 분별결정작용 때문에 하나의 마그마로부터 연무암과 유문암이 모두 생성될 수 있다. 그러나 현재까지의 연구결과로는 이러한 극단적 분화작용은 매우 드물며, 단지 분별결정작용이 다양한 조성의 화성암을 생성시키는 매우 중요한 작용임에는 틀림없는 것으로 밝혀졌다.

보웬은 현무암질 조성의 마그마로부터 초기에 정출되는 광물은 감람석과 Ca-사장석(아노르사이트)이며, 유문암질 마그마로부터 정출되는 사장석은 주로 Na-사장석(앨바이트질)이며, 안산암질 마그마에서 정출되는 사장석은 이의 중간 조성에 해당됨을 밝혔다.

보웬의 실험결과는 이러한 관찰결과에 대한 일반적인 설명을 제시하여 준다. 보웬은 현무암질 마그마로부터 결정화된 초기의 사장석이 아노르사이트질 조성이었다고 하더라도, 결절화 작용이 진행됨에 따라 그 조성이 앨바리트질로 변화되고 잔류액상에 대한 결정의 비는 증가한다는 사실을 밝혔다. 이러한 사실은 만약 결정과 잔류액상간에 화학적 평행이 유지된다면 모든 사장석 결정들은 마그마가 냉각됨에 따라 그 조성이 연속적으로 변화된다는 사실을 의미한다.

보웬은 냉각되는 마그에서 광물조성이 연속적으로 변화하는 것을 연속반응계열이라고 명명하였는데, 이는 광물의 조성은 연속적으로 변화되지만 그 결정구조는 변화되지 않는다는 것을 의미한다. 연속 반응계열에서 조성변화의 속도는 사장석 구조에서 네가지 이온의 확산속도에 의해 결정된다. 평행상태를 유지하기 위해서는 먼저 정출된 결정에서 Ca2+와 Al3+이온이 빠져나오면, 용융체에서 결정내부로 Na+와 Si4+이온이 확산되어 들어가 그 자리를 교대하여야 한다. 이러한 확산은 매우 느리게 진행된다. 이온의 확산속도보다는 마그마의 냉각속도가 훨씬 빠르기 때문에 평형상태가 유지되기는 매우 어렵다. 그 결과, 누대조직을 갖는 사장석 결정이 생성된다. 아노르사이트질인 중심부의 사장석은 앨바이트질인 외곽부에 사장석 또는 잔류 마그마와 화학적 비평형 상태에 있다.

보웬은 화성암에서 산출되는 사장석 결정에서 흔히 초기에 정출된 것으로 보이는 결정의 중심에는 아노르사이트질이며 결정의 외곽으로 갈수록 앨바이트질이 점진적으로 증가하는 동심원상의 누대조직을 보이며 산출되는 사실을 발견했다(그림 4.39A). 보웬은 누대조직을 갖는 결정의 존재는 매우 중요한 의미를 갖는다고 지적하였다. 이노르사이트질 사장석이 정출되면 잔류액상이 결정과 평행상태를 유지하지 않는 한 이 액상은 반드시 앨바이트질이 풍부해진다. 보웬에 따르면 중심부의 아노르사이트질 사장석의 존재는 분별결정작용에 의한 마그마 분화작용의 증거라고 하였다. 만약 마그마가 부분적으로 결정화되면서 누대조직을 갖는 결정들을 포함하고 있는 상태에서 용융체가 결정화와 분리되면 마그마는 앨바이트질 마그마가 생성되고, 잔류 결정체들은 아노르사이트질 암석이 된다.

보웬은 장석의 연솟 반응계열 이외에도 몇 가지 반응과정을 발견했다. 냉각되는 현무암질 마그마에서 가장 먼저 생성되는 광물은 감람석이다. 현무암질 마그마에는 SiO2가 약 50% 포함되어 있는 반면 감람석에는 SiO2가 40% 포함되어 있기 때문에, 감람석이 정출되면 잔류액상에는 SiO2가 좀 더 풍부해진다. 결국 감람석 결정은 잔류액상의 Sio2와 다시 반응하여 SiO2가 더 풍부해진 휘석을 생성시킨다(그림 4.39B). 휘석은 다시 잔류액상과 반응하여 각섬석을 생성시키고, 각섬석은 다시 반응하여 SiO2가 더욱 풍부한 흑운모를 생성시킨다. 이러한 반응 계열은 초기에 생성된 광물이 잔류액상과 반응하여 완전히 다른 성분의 광물을 생성시키는데, 이를 불연속반응계열이라 한다. 만약 감람석 중심부에 희석으로 둘러쌓이면, 감람석이 완전한 반응에 의해 휘석으로 전환된 경우보다는 잔류액상이 좀 더 SiO2가 풍부한 상태가 된다. 보웬은 연속반응계열과 불연속 반응계열 모두에서 부분적 반응이 일어난다면, 극단적인 경우에는 현무암질 마그마의 분별 결정작용에 의한 분화작용에 의한 유문암질 조성의 잔류 마그마가 생성될 수 있다고 하였다(그림 4.40).

현무암질 마그마로부터 분별 결정작용에 의해 거대한 유문안ㅁ질 마그마의 생성이 가능할 것인가에 대해서는 의문점이 많다. (1) 잔류 마그마는 SiO2가 풍부한 유문암질 조성으로 되기 훨씬 이전에 마그마의 결정작용이 완료된다. (2) 현무암질 마그마의 극히 일부분만이 유문암질 마그마로 분화될 수 있음이 계산결과 밝혀졌다. (3) 유문암질 마그마는 대륙지각에서 생성된다.

만약 유문암질 마그마가 현무암질 마그마의 분별결정작용에 의해 생성된다면, 현무암질 마그가 가장 흔한 해양지각에서도 유문암질 마그마를 어느 정도 발견할 수 있어야 한다. 비록 유문암질 마그마는 대부분의 대륙지각의 부분 용융으로 생성되지만, 보웬 반응계열은 화성암의 생성에 매우 중요하다. 화성에 대한 대부분의 연구에서는 화성암의 생성에 분별결정작용이 중요한 역할을 한다는 증거를 곳곳에서 확인할 수 있다.

그림 4.39 비평행 반응의 증거. 보웬 반응계열을 설명하는 증거. A : 연속 반응 계열을 보여주는 안산암내의 사장석 누대구조. 누대구조의 중심부분은 아노르사이트가 풍부하고 외각으로 갈수록 앨바이트가 풍부하다. 결절의 크기는 2mm이다. B : 반려암 내 감람석 결정이 반응 관계에 의해 휘석과 각섬석으로 둘러싸여 있는데 이는 불연속 반응 계열을 설명해 준다. 광물의 직경은 3mm이다.

그림 4.40. 보웬의 반응 계열 현무암질 조성의 마그마로부터 초기에 정출되는 광물은 감람석과 Ca 사장석이다. 냉각작용과 결정화 작용이 진행될 수록 감람석은 잔류용액과 반응하여 휘석을 정출시킨다. 휘석을 다시 잔류 용액과 반응하여 각섬석을 정출시키고, 동일한 과정에 의해 각섬석은 흑운모를 생성시킨다. 감람석과 함께 결정화된 초기의 Ca 사장석은 냉각작용이 진행됨에 따라 잔류용액과 반응하여 Na가 풍부한 사장석으로 그 조성이 연속적으로 변해간다. 광물이 정출될 수록 이와 접하고 있는 잔류용액의 조성은 점점 더 SiO2 성분이 풍부해져 결국 유문암질 조성의 마그마가 생성된다.

 

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