변성작용(변성작용의 범위, 변성작용이 끼치는 영향들, 용액에 의한 화학적 반응)

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변성작용(metamorphism)이란 온도와 압력의 변화에 의하여 지각내의 암석에 발생하는 광물조합 및 조직의 모든 변화를 말한다. 변성암은 고체상태에서 변화가 일어나기 때문에 특별한 관심의 대상이다. 결정질 물질로 이루어진 지각이 판들이 이동하고 충돌할 경우, 암석들은 눌리고, 당겨지고, 휘어지고, 열을 받는 등 다양한 방법으로 영향을 받는다.

만약에 두 차례 또는 그 이상의 영향을 받더라도 모든 변화가 고체 상태에서 이루어지므로 그 이전 형체의 흔적은 남게 된다. 고체는 액체나 기체와는 달리 고체를 변화시킨 영향을 보존하는 경향이 있다. 여러 의미에서 변성암은 매우 복잡하다고 간주되고, 또한 여러 종류의 암석 중에서 가장 흥미로운 암석이기도 한다. 변성암에는 지각에서 일어났던 모든 사건들이 보존되어 있다. 그들이 보존하고 있는 기록들을 해석하는 것이 지질학자들의 임무이다.

예로, 판들이 충돌하는 경우에는 판의 경계를 따라 독특한 종류의 암석이 생성된다. 따라서 과거 판들의 경계면에의 위치를 결정하려면 변성암들을 연구함으로써 알 수 있다. 지질학자들은 또한 얼마나 오랫동안 판구조 운동이 지속되었는가를 결정하기 위해서 변성암으로부터 얻은 증거를 이용하려고 시도하고 있다. 이제까지의 증거에 의하면, 판구조 운동은 적어도 20억년 이상 지속되어왔다.

변성작용의 범위

변성작용에 관하여 자세히 설명하기 전에 변성작용의 범위를 정의할 필요가 있다. 변성작용은 100℃이상의 온도와 수백 MPa 이상 압력의 영향을 받은 퇴적암과 화성암에서의 광물조합과 조직의 변화를 의미한다. 변성작용은 풍화작용이나 속성작용에 의한 변화를 가르키는 것은 아닌데, 풍화작용과 속성작용 모두 100℃이하의 온도와 낮은 압력조건에서 일어나기 때문이다.

변성작용은 고체상태 암석에서의 변성화를 의미하지만 용융에 의한 변화를 의미하지는 않는다. 함수부분용융이 시작되는 온도와 변성암으로부터 생성되는 마그마의 양은 함유된 H2O에 의하여 결정된다. 따라서 변성작용의 상한선은 함유된 H2O의 양에 의하여 좌우되는 온도의 범위에 해당한다. 변성작용 상한선은 마그마가 생성되기 시작하는 온도 압력 조건과 중복된다. H2O가 소량의 경우에는 적은 양의 부분용융이 일어나며, 용융물질은 변성암내에 그대로 남게 된다.

용융에 의해서 생성된 화성암 부분과 변성암 부분이 서로 섞여 있는 암석을 혼성암(migmatite)이라 부른다. 많은 양의 마그마가 부분용융에 의해 생성되면 수면위로 상승하면서 상부의 변성암을 관입하게 된다. 결국에는 함수부분용융에 의해 생성된 많은 양의 마그마는 관입화성암으로 고화된다. 결과적으로 우리는 화강암 저반과 대규모의 변성암이 밀집하게 연관되어 산출되는 지역은 섭입대와 판들의 충돌대를 따라서 발견된다.

변성작용이 끼치는 영향들

변성작용을 간단히 요리에 비유할 수 있다. 요리를 하는 경우 최종 음식은 어떤 재료를 써서 어떤 조건에서 요리를 하는가에 달려있다. 암석에 있어서도 마찬가지다. 최종 산물은 암석의 초기 구성성분과 변성조건에 의해 결정된다. 변성작용을 받은 암석의 화학성분은 온도 압력과 함께 새로 생성되는 광물조합을 결정하는 역할을 한다. 그러나 온도와 압력이 변성작용에 끼치는 영향은 그렇게 간단한 것만은 아니다.

이 조건들은 용액의 존재유무, 높은 온도와 압력에 노출된 시간, 또는 변성작용 동안 단순한 압축을 받았는지 아니면 뒤틀림작용을 받아 파쇄 되었는지 등에 의해 큰 영향을 받게 된다.

용액에 의한 화학적 반응

퇴적암 입자들 사이의 수많은 공간과 화성암내의 갈라진 미세한 틈을 공극이라 하는데, 공극은 물이 주성분인 용액으로 채워져 있다. 용액은 기체, 염, 또는 주변 암석의 광물성분 등이 소량 용해되어 있으므로 순수한 물로 발견되는 경우는 절대 없으며, 높은 온도에서는 액체보다는 기체상태로 존재한다. 그럼에도 불구하고 입자간 용액(intergranular fluid)이라 불리는 이 용액은 변성작용 시 매우 중요한 역할을 한다.

변성작용을 받은 암석의 온도와 압력이 변하게 되면, 입자간 용액의 성분도 따라 변한다. 용해되어 있는 성분의 일부는 용액에서 분리되어 변성암내에 새로운 광물로 성장하기도 하고, 다른 성분이 광물로부터 용해되어 나오기도 한다. 입자간 용액은 이러한 현상에 의하여 화학적 반응을 촉진시키는 운반매체 역할을 하게 된다.

입자간 용액이 없거나 소량만 존재할 경우에는 변성작용이 느리고 새로운 광물이 생성될 때 원자들이 고체 상태인 광물들 사이를 통해 이동해야 하기 때문에 건조한 암석이 열을 받게 되면 변화가 일어나지 않는다. 암이 파쇄 등으로 입자간 용액이 투입되면 원자의 이동은 빠르므로 새로운 광물은 빨리 성장할 수 있으며 변성작용은 보다 현저하게 일어난다. 암석이 지하 깊이 매몰되어 압력이 높아지는 변성작용이 진행되면 공극을 줄어들게 되고 입자간 용액은 암석 밖으로 빠져나오게 된다.

암석이 높은 온도의 영향을 받게 되면 함수광물들은 무수광물들로 재결정되고 물은 방출된다. 방출된 물은 입자간 용액과 섞여서 변성암 밖으로 서서히 빠져 나오게 된다. 이런 이유로 고변성작용을 받은 암석은 저변성암에 비하여 함수광물과 입자간 용액이 줄어들게 된다. 입자간 용액은 액체이므로 변성작용 동안 방출된 용액에는 광물성분이 소량 용해되어 있다. 이 용액이 지각운동에 의해 형성된 균열된 틈을 따라 이동한다면 용해되어 있던 광물 성분이 침전하여 암맥이 생성된다(그림7.2).

 

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