변성작용의 압력과 시간에 경과에 따른 광물조합의 변화

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온도와 압력이 증가하고 입자간 용액이 존재하는 동안 일어나는 변성작용을 전진변성작용(prograde metamorphism)이라 한다. 이와 반대로 온도와 압력이 감소하고 많은 양의 입자간 용액이 방출된 후에 일어나는 변성작용을 후퇴변성작용(retrograde metamorphism)이라 하는데, 전진변성작용에 비하여 느리고 뚜렷하게 일어나지 않는 것은 용액이 부족하다는 점은 감안하면 당연한 결과다.

지표면에 고변성암을 볼 수 있는 것도 후퇴변성작용이 느리게 일어나기 때문이다. 후퇴변성작용이 급격하게 일어난다면, 고변성작용에 의해 생성된 광물들은 존재하지 않고 과거에 강한 변성작용에 의해 생성된 암석에 관한 대부분의 정보를 잃게 될 것이다. 암석이 가열되면 광물은 재결정작용을 받고 나머지 광물들은 반응하여 새로운 광물이 생성되어서, 최종산물로서 변성암이 생성된다. 가해지는 열은 지구의 내부로부터 공급된다. 암석은 단순히 매몰되거나 주변의 마그마의 관입에 의해서 가열될 수 있다.

매몰될 경우 압력 증가가 수반되며, 마그마 관입도 높은 압력하에서 일어난다. 따라서 변성작용은 열의 근원과 관계없이 온도의 증가에 의해서만 일어난다고 볼 수 없다. 변성작용에 의한 광물조합 변화도 온도와 압력 모두에 의하여 영향을 실험실에서 측정함으로써 지표면에서 일어나는 변성작용의 온도와 압력의 범위를 설정할 수 있다. 온도와 압력이 광물조합에 끼치는 영향에 관해서는 뒷부분에서 다시 설명될 것이다.

고체의 변형과 새로운 조직의 발달에 관하여 설명할 때 압력대신에 응력이라는 용어를 사용하는데, 이는 응력이라는 용어에는 방향의 의미가 함축되어 있기 때문이다. 암석은 고체이고, 고체는 어느 특정한 방향으로 더욱 많은 힘을 받을 수 있는데, 고체에서의 응력은 액체 때와는 달리 방향에 따라 다를 수 있다는 뜻이다. 많은 변성암의 조직은 변성작용동안 차등응력(difference stress) (모든 방향으로 동일하지 않다는 뜻)의 흔적을 기록하고 있다. 반대로 화성암은 액체에서 결정들이 생성되었으므로 균일응력(uniform stress)에 의하여 생성된 조직을 보여준다.

차등응력에 의한 변성작용의 현저한 효과는(폴리머화된(Si4O10)4- 층 구조를 이루는) 운모, 녹니석 등의 규산염광물 조직에서 볼 수 있다. 그림 7.3A는 균일응력 조건에서 자라난 광물들이 불규칙적으로 배열된 전형적인 조직을 나타내는 화강암을 보여준다. 반대로 그림 7.3B는 차등응력 조건에서 광물들이 생성된 고변성암의 사진이다. 그림7.3B는 운모 광물입자가 평행한 방향으로 배열되므로 특정적인 조직을 보여주고 있다.

차등응력조건을 보여주는 변성작용의 다른 예를 그림 7.4에서 볼 수 있다. 본래 균질한 원형의 자갈들이 눌림 작용을 받아서 평평한 원반 형태를 보여준다. 차등 및 균일응력에 의해서는 변성암의 광물조합이 영향을 받는 것이 아니라 조직이 영향을 받게 된다. 이러한 이유 때문에 광물조합과 변성도에 관한 설명할 때 지질학자들은 흔히 응력과 압력이 서로 바꿔서 사용하기도 한다.

 

시간

두 화합물은 보다 높은 에너지 상태에 도달할 수 있을 때만 반응을 한다. 가해진 온도와 압력에서 가능한 가장 낮은 에너지상태에 도달할 때 화학반응에 의한 변화는 멈추게 되는데, 이때 우리는 평형상태에 도달했다고 말한다. 화학반응이 평형상태에 도달하기 위해서는 시간이 필요하다. 메탄가스가 이산화탄소와 물이 생성하는 것도 같은 반응은 매우 급격히 반응하므로 폭발을 하게 된다. 이와 정반대로의 경우에는 반응이 완료되기 위해서는 수백 만년이 걸리는 경우도 있다.

변성작용에 의하여 암석에서 발생하는 화학반응은 후자에 해당한다. 특정한 온도압력에서 변성암이 반응하는데 걸리는 시간을 측정할 수 있는 신뢰할 만한 방법은 없다. 그러나 고온 고압 조건에서 반응시간이 길어지면 다른 광물입자가 생성될 수 있다는 점은 실험을 통하여 쉽게 밝혀질 수 있다. 고온 고압 조건에서 지속된 변성환경에서는 조립질 암석이 생성될 수 있지만, 저온 저압 조건에서 반응시간이 짧을 경우에는 세립질 암석이 생성될 수 있다는 결론이다.

 

조직의 변화

대부분의 변성암들은 차등응력 조건에서 생성되며, 그 결과로서 뚜렷한 방향성을 갖는 조직이 발달한다. 변성작용이 진행됨에 따라서 운모와 녹니석과 같은 층상광물들이 자라기 시작하며, 광물들은 그림 7.3B에서 볼 수 있는 것처럼 층의 방향이 최대 응력방향과 수직으로 이루는 방향으로 배열된다.

새롭게 생성된 판 형태의 운모류 광물들이 보여주는 면 조직을 엽리(foliation)라 부르는데(그림7.5), 라틴어로 나뭇잎을 의미하는 folium으로부터 유래하였다. 엽리를 보여주는 암석들은 얇은 판으로 떨어져 나가는 경향이 있다. 엽리는 뚜렷하거나 미약하게 보이는 경우도 있지만, 엽리가 관찰될 경우 변성작용을 받았다는 중요한 증거가 된다.

 

점판벽개

저변성작용의 가장 초기에는 위에 놓인 암석의 무게에 의하여 응력이 발생한다. 따라서 새롭게 생성되는 층상구조 광물인 엽리는 변성작용을 받는 퇴적암의 층리면과 평행한 방향으로 발달하게 된다. 깊게 매몰되거나 판의 충돌에 의한 압축력에 의하여 평평한 퇴적층이 습곡으로 변하면 층상광물인 엽리방향은 더 이상 층리방향과 평행인 관계를 이루지 않는다(그림 7.6).

저변성암은 미세한 입자들로 구성되어 있으므로 새로 형성된 광물입자들은 현미경을 이용하여야 관찰할 수 있는데, 이때의 엽리를 점판벽계(slaty cleavage)라 부른다. 점판벽계는 저변성암이 면을 따라 판 형태의 조각으로 깨지는 특성을 말한다(그림7.7)

 

편리

중변성작용 및 고변성작용을 받게 되면 입자들이 커지고 광물입자들을 육안으로 관찰할 수 있다. 조립질 변성암의 엽리를 편리라 부르는데, 편리는 평평하지 않을 수도 있다. 편리(schistosity)는 쉽게 쪼개진다는 의미와 조립질 층상광물들이 평행한 방향으로 배열되는 점을 가르키는 schistos라는 라틴어로부터 유래하였다. 편리는 입자가 크다는 점에서 점판벽개와 다르다. 중변성암과 고변성암은 석영, 장석 및 다른 광물들의 배열에 의하여 휘어져 있으면서도 약간 변형을 받은 면을 따라 부서지는 경향이 있다.

광물조합의 변화

변성작용은 새로운 조직을 만들어 낼 뿐 아니라 새로운 광물조합을 생성한다. 온도와 압력이 증가함에 따라 새로운 광물조합이 연속적으로 생겨난다. 일정한 암석성분에서의 각 광물조합은 특정한 온도와 압력의 범위를 나타낸다. 이러한 광물들은 화성암이나 퇴적암에서는 거의 발견되지 않으며, 이들의 존재는 암석이 변성작용을 받았다는 유력한 증거가 된다. 이러한 변성광물의 예로서 녹니석, 사문석, 녹염석, 활석 및 Al2SiO5의 세 가지 동질이상 광물인 남정석, 규선석, 홍주석 등을 들 수 있다. 셰일이 변성작용을 받을 때 변성도에 따라 광물 조합이 어떻게 변하는가 그림 7.7에 표시되어 있다.

 

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