변성상, 변성교대작용, 판구조론과 변성작용에 대하여

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세계의 변성암들을 살펴보면 암석의 화학조성이 변하지 않음을 알 수 있다. 변성작용동안 일어나는 큰 변화는 H20 및 CO2등의 휘발성 물질들이 추가되거나 방출되는 것이지만, 주된 성분인 SiO2, Al2O3 및 CaO 등은 그대로 유지된다. 따라서 변성작용동안 일어나는 변화는 암석 전체의 화학성분의 변화가 아니라 광물조성의 변화이다.

이런 현상으로부터 내릴수 있는 결론은 일반적인 퇴적암 및 화성암기원의 변성암에서의 광물조합은 암석이 변성작용 동안 받은 온도와 응력에 의해 결정된다는 점이다. 이러한 결론에 의거하여 핀란드의 저명한 지질학자 에스콜라는 1915년 변성상(metamorphism facies)개념을 도입하였다. 이 개념은 어느 특정 성분의 암석에서 변성작용 동안 평행상태에서 생성되는 광물조합은 같은 변성상에 속한다는 것이다.

에스콜라는 변성상은 본래 여러 지역에서 반복하여 나타나는 광물조합들에 의거하여 기재되었는데, 각 광물조합별로 특정한 온도와 응력 조건을 나타낸다는 개념이다. 온도, 응력 및 암석성분이 광물 조합을 결정하는 주된 요인인 점을 알게 됨으로써 지질학자들은 실험을 통하여 얻어진 결과를 변성조건을 결정하는데 이용하게 되었으며, 이제는 암석의 화학조성에 관계없이 광물조합의 온도와 응력조건을 표시할 수 있는 세부적인 암상격자를 작성하는 것이 가능하게 되었다.

이러한 개념은 넓은 범위의 온도압력조건에서 응용될 수 있다. 세 가지 다른 지질환경에서 추정되는 지온경사와 함께 주요 변성상들이 그림 7.14에 표시되어 있다.

에스콜라는 변성작용을 받은 현무암을 연구하였으므로 변성상 개념을 제안할 때 사용한 변성상 이름들은 현무암질의 암석으로 생성되는 광물조합으로부터 유래되었다. 그러나 표 7.1에서 처럼 광물조합은 변성작용시의 온도와 응력 외에도 본래의 암석성분에 의해서도 영향을 받는다. 따라서 다른 변성도의 변성암에서의 광물조합을 비교할 때는 암석들이 같은 화학조성을 이루고 있는지 확인하여야 한다.

 

변성교대작용

이제까지 설명한 변성작용에서는 화학조성이 거의 일정하며 소량의 용액만이 관여하였다. 또한 변성작용을 받은 암석의 공극이 적은 편이며, 변성반응에 관련된 광물로부터 배출되는 H20와 CO2양도 한꺼번에 방출되는 것이 아니라 서서히 방출되므로 용액의 양도 적은편이다.

지질학자들은 변성환경을 설명하기 위하여 “낮은 물-암석 비율”이라는 특수한 용어를 사용한다, 지질학자들이 사용하는 이러한 용어는 용액과 암석의 무게비가 1:10이하라는 뜻이다. 이 정도의 용액이면 변성작용을 위해서는 충분하지만, 많은 암석을 용해하고 암석의 성분을 뚜렷하게 변화시키기에는 충분치 않다.

그러나 물-암석 비율이 높은 경우도 있을 수 있다. 많은 양의 용액이 흐를 수 있는 큰 공간을 갖는 암석의 파쇄대를 하나의 예로 들 수 있다. 이런 경우에는 물-암석의 비율이 10:1 또는 100:1까지 될 수 있으며, 새로운 이온이 첨가되거나 일부 물질이 용액에 의하여 제거되는 등의 작용에 의하여 파쇄대 주변의 암석 성분이 현저하게 변할 수 있다. 변성교대작용(metasomatism)이란 용어는 용액의 이온이 교환됨으로써 암석의 화학성분을 뚜렷하게 변화시키는 작용을 가르킨다

변성교대작용은 특히 그림 7.12에서 볼 수 있는 예와 같이 변성작용을 받는 암석이 석회암인 경우처럼 일반적으로 접촉변성작용과 밀접한 관련이 있다. 냉각되는 마그마로부터 생성되는 변성교대 용액은 접촉변성작용을 받는 암석을 통해 밖으로 이동한다. 용액은 SiO2, Fe, Mg 등의 성분을 용액상태로 운반하므로 투과하는 용액이 도달하지 못하는 곳에 위치한 석회암은 변화가 없지만 냉각되는 마그마와 근접해있는 석회암의 화학성분은 매우 뚜렷한 변화를 보여준다.

그림7.15는 본래 석회암으로부터 생성된 접촉변성암의 사진이다. 새로운 물질이 추가되지 않았다면 석회암으로부터 대리암이 생성되었지만, 변성교대작용을 통하여 석회석은 석류석, 녹색 휘석의 일종인 투휘석 및 방해석 등을 포함하는 암석으로 변하였다. 변성교대용액은 귀중한 금속성분을 함유하게 되면 해저에 생성되는 귀중한 광상을 생성한다.

판구조론과 변성작용

판구조론 학설에 의하여 이루어진 지질학분야의 큰 변화로서 광역변성작용에 의해서 생성된 변성암에서 관찰되는 변성대의 분포에 관한 설명이 가능하게 되었다.  매몰변성작용은 대륙붕과 대륙사면에 쌓인 대규모 퇴적물들이 하부에서 일어난다. 이러한 변성작용은 현재에도 미시시피강 하구의 멕시코만에 쌓이는 두터운 퇴적물에서 일어나고 있는 것으로 알려져 있다.

광역변성작용은 그림 7.16에서 보듯이 판의 섭입경계부에서 일어난다고 알려져있다. 청색편암과 에클로자이트상 변성작용에 해당하는 온도와 압력 조건은 지각의 암석들이 빠른 속도로 섭입하는 판과 함께 침강하는 경우 얻어질 수 있다. 온도에 비하여 압력이 급격하게 증가하게 되고, 암석은 높은 압력과 비교적 낮은 온도의 영향을 받게 된다. 청색편암과 에클로자이트상 변성작용을 받은 암석들은 캘리포니아주의 해안에서 넓은 지역에 산출된다. 청색편마암상은 태평양판이 알래스카 해안과 알루션열도 밑으로 침강하는 태평양판의 섭입대 주변에서 일어나는 것으로 예측된다.

녹색편암상이나 각섬암상에 해당하는 변성조건은 지각이 대륙의 충돌에 의하여 두터워지거나 상승하는 마그마에 의하여 가열되는 지역에서 일어난다. 광역변성작용이 일어나는 곳은 대륙의 충돌이 일어나는 곳에서 가장 흔히 볼 수 있으며, 이처럼 넓은 지역에 걸쳐 생성되는 변성암은 아팔래치아산맥과 알프스산맥에서 발견된다. 이런 변성작용은 대륙지각이 충돌에 의하여 두터워지는 히말라야산맥 하부와 안데스산맥처럼 두터워지며 상승하는 마그마에 의하여 가열되는 곳에서도 현재도 일어나고 있다. 지각이 충분히 두터워지면 암석들은 각섬암상이나 이보다 높은 변성상에 해당하는 변성작용을 받게 되는데, 처음에는 혼성암이 발생하면서 결국 마그마가 생성된다.

변성교대작용은 광역변성작용과 마그마의 활동과 관련이 있으므로 변성교대작용과 열수용액의 생성은 판구조론과 관련하여 설명될 수 있다. 주목할 만한 예로서 북아메리카와 남아메리카의 황동석을 포함하는 구리광상이 분포하는 지역을 들 수 있다. 그림 7.17에서 볼 수 있는 것처럼 성층화산과 연관되어 생성된 광상들이 띠를 이루며 아메리카 대륙의 서부 해안지역을 따라 분포해 있다.

성층화산의 마그마는 섭입된 해양지각의 상부에 위치한 맨틀 암석이 함수부분용융작용을 받아서 생성된 것이다, 이런 마그마는 광상을 생성시키는 열수용액을 생성하는 열 근원으로 작용하며, 마그마는 광상에서 발견되는 금속들을 맨틀로부터 운반하기도 하였다

금속의 공급처가 맨틀에서 생성된 마그마로부터 기원했는지 또는 지각에서 유래하였으며 마그마가 상승하는 과정에서 포함된 것인지에 관해서는 연구가 진행되고 있다. 이런 귀중한 금속들이 어느 곳으로부터 공급되었는지 알 수 없더라도 우리가 지구상에서 광물자원의 풍요로움을 만끽할 수 있는 것은 판구조운동에 의해서 발생하는 화성작용, 변성작용 및 변성교대작용의 종합적인 영향 때문이라 해도 과언이 아니다.

 

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