지구 내부의 열 : 화산과 마그마

◎마그마

모든 화성암은 마그마의 고화로 생성되며 마그마(magma)는 광물결정과 용존가스가 포함된 암석의 용융체로서, 온도가 충분히 높아서 지각이나 맨틀이 용융될 때 생성된다. 마그마가 지표면에 도착되면 마그마와 함께 암석 쇄설물, 가스 등이 분출되는 데 이를 화산이라 한다.

화산이란 용어인 volcano는 "불의 신"이란 "vulcan"에서 유래되었으며 이는 용암의 분출하는 광경을 떠올리게 한다. 어떤 용암은 뜨거운 유수처럼 유동하기도 하지만 1980년 3월 워싱턴주의 세인트 헬렌스 화산처럼 붉은 구름처럼 분출하기도 한다.

화산은 가장 직접적으로 마그마를 연구할 수 있는 곳이므로, 화산과 마그마의 성질에 대해 먼저 알아보고, 마그마의 냉각에 이해 생성된 화성암의 종류와 마그마의 생성과정에 대해 알아보기로 한다.

용암으로부터 마그마에 대한 세가지 중요한 결론은 1. 마그마는 SiO2함양으로 조성범위를 특징 지울수가 있다. 2. 마그마는 고온이다. 3. 마그마는 유동성을 갖고 있다. 어떤 마그마는 거의 유리창의 유리처럼 견고하지만 액체의 특성을 가진다. 대부분의 마그마는 결정과 액체의 혼합체이다.

 

·화학조성

- 마그마의 화학조성은 지구 구성원소인 Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, H, O로 되어 있다. 마그마의 조성변화는 SiO2, Al2O3, CaO등의 산화염형과 H2O로 표시될 수 있다. 이 중 가장 풍부한 성분은 SiO2이다. 마그마는 일반적으로 SiO2 함량이 50% 내외인 현무암질 마그마, 60% 내외인 안산암질 마그마, 70% 내외인 유문암질 마그마로 3대분 된다(그림1).

그림 1. 세 가지 주요 마그마 기본적인 세 가지 유형 마그마의 평균 조성(무게백분율)은 마그마로부터 고화된 암석에 대한 분석치이다. 마그마는 고상물 이외에도 용존가스를 포함하며, 대부분의 가스는 고화되는 동안에 날아간다. 현무암질 마그마는 용존가스 함량이 낮으며, 안산암질 유문암질 마그마는 용존가스 함량이 높은 편이다.

 

세종류의 마그마의 산출정도는 균등하지 않고 화산분출시 마그마의 80%정도가 현무암질 마그마이며, 안산암질 마그마와 유문암질마그마는 각각 10%내외이다. 킬라우에아(kilauea)와 마우나 로아(Mauna loa)와 같은 하와이 화산은 현무암질이며 워싱턴주의 세인트 헬렌스와 인도네시아의 크라카타우 화산은 안산암질이며 예로스톤(Yallowstone) 국립공원내 화산들은 유문암질이다.

 

⦁마그마의 용존가스

마그마에는 0.2-3% 가량의 가스가 용존되어 있는데 그양은 적지만 마그마의 성질에 큰 영향을 미친다. 가스의 대부분은 수증기이며 약간의 이산화탄소가 포함되어 있는데 이들이 화산으로부터 방출되는 전체가스의 98% 이상을 차지한다. 이외에 N2, Cl2, Ar 가스가 소량 포함되는데 이들은 1%를 넘지 못한다.

 

⦁온도

마그마의 온도를 측정하기는 어렵지만 화산분츨시 측정이 가능하때도 있다. 화산은 매우 위험하기 때문에 화산에서 멀리 떨어져 광학기계를 이용하여 온도를 측정한다. 하와이의 킬라우에아, 이탈리아의 베수비오(Mount vesuvius)화산에서 이러한 방법으로 측정된 온도는 1.000 - 1,200oC범위이다. 실험실에서 합성된 마그마의 연구결과에 의하면 특정조건에서는 마그마의 온도가 1,400oC이상일때도 있을것으로 추정된다.

 

⦁점성

화산체의 사면을 따라 용암이 흘러내리는 광경을 보면 어떤 마그마는 유동성이 매우 높을 것임을 시사한다. 하와이 마우나 로아 화산의 급사면을 따라 흘러내리는 현무암질 용암의 이동속도는 16km/시간 또는 수m/일에 이를 정도로 낮은 것도 많다. 현무암징 용아밍 가옥을 파괴시키는 광경인 그림 4.2에서 보듯이 유동속도는 매우 느려서 인명피해의 우려는 없다. 이런 마그마이 성질은 액보다 고체에 가깝다고 볼수 있겠다.

유동에 저항하는 물질의 내부성질을 점성(viscosity)이라 한다. 점성이 큰 마그마일수록 유동성이 작아진다. 마그마의 점성은 온도와 SiO2 및 용존가스 함량과 같은 화학조성에 의해 결정된다.

 

⦁ 점성에 대한 온도의 효과

고온의 마그마일수록 점성이 낮아 쉽게 이동한다. 화산에서 분출된 매우 뜨거운 마그마는 쉽게 유동하다가 냉각됨에 따라 점성이 높아져서 유동이 느려지다가 정지한다. 그림4.3에서 지질학자가 서 있는 곳의 매끈한 밧줄 모양의 표면을 가진 용암을 하와이에서는 파호에호에(pahoehoe, 하와이 원주민 말로 흑색비단을 뜻함)용암이라 부르는데 이는 고온이며 가스함량이 높아 점성이 작은 용암에서 형성된다. 그 위의 거친모양을 보이는 용암은 하와이에서는 아아(aa)용암으로 부르며 이는 저온이며 가스함량이 낮아 점성이 큰 용암에서 형성된다.

 

⦁점성에 대한 SiO2 함량의 효과

마그마내 SiO44- 음이온들은 판상, 망상구조가 불규칙적으로 중합된 상태로 존재하므로 마그마내 SiO4 사면체의 수가 많아 질수록 이들 중합체들의 크기가 증가하여 마그마의 점성도 증가하게 된다. 이 중합체의 수는 마그마의 SiO2함량에 달려있다. 따라서 유문암질 마그마는 현무암질마그마보다 점성이 크며 암산암질마그마의 점성은 이들의 중간정도에 해당된다.

그림 4.2 가옥은 용암에 견디지 못한다 1989년 6월 킬라우에아화산분출시 하와이의 카라파나(Kalrapana)에서 현무암질용암의 선두부분이 가옥에 화재를 일으키고 있다. 용암류 연변의 화염은 잔디가 타면서 발생한것이다

그림4.3 같은 용암이지만 유동형태는 다르다. 용암의 유동형태는 점성에 의해 결정된다. 동일한 현무암질 조성의 용암이라도 두가지 유동형태를 보인다. 지질학자가 서 있는 부분은 점성에 의해 성성된 파호에호에용암이며 학자가 시료채취를 하고자하는 부분은 높은 점성과 낮은 이동속도에 의해 생성된 아아용암이다. 파호에호에용암은 1595년 분출한것이고 아아용암은 1989년 분출한 것이다.

 

◎마그마의 분출

마그마가 생성되면 주변 암석보다 낮은 밀도를 갖게 되어 서서히 상승하게 된다. 상승하는 마그마도 상부 암석의 하중에 의해 압력을 받으며 이 압력은 심도에 비례한다. 따라서 마그마가 상승함에 따라 마그마의 압력은 감소하게 된다. 마그마내 용존된 가스함량은 압력에 의해 결정된다. 고압일수록 마그마 내 용존된 가스함량은 증가한다. 상승하는 마그마내 가스들은 소다수 내의 기체들과 같은 방식으로 용출되면서 기포를 생성시킨다.

 

・비폭발성 분출

- 사람들은 화산폭발을 재앙으로 인식해서 활화산이 있는 지역을 위험한곳이라고 생각하여 이곳을 피하려고 한다. 그러나 지질학자들은 어떤화산들은 매우 안전하다는 사실을 발견하고 이르 통해 화산을 연구하기도 한다. 대재앙을 몰고온 1980년 워싱턴주 세인트 헬렌스 화산폭발, 1982년 멕시코의 엘치콘(띠 Chichon)화산 폭발과는 달리 하와이의 화산과 같은 비폭발성화산은 상대적으로 안전하다.

폭발성 화산과 비폭발성 화산의 차이는 마그마의 점성과 가스함량에 달려 있다. 비폭발성 화산의 마그마는 점성과 가스함량이 낮다. 비폭발성 화산도 초기에는 점성이 낮은 현무암질 마그마 내 가스 기포가 급속히 상승하기 때문에 격렬하게 나타날 수 있다. 현무암질 마그마가 급속히 상승할 경우 급격한 압력 감소가 수반되므로 가스 기포가 마그마로부터 급속히 방출된다(그림4.4). 가스 방출시의 압력이 지표면을 뒤흔들면 용암분말이 화구주변으로 치솟는 분천을 형성한다. 격렬한 분출이 진정되면 뜨거운 용암이 화구로부터 분출되면서 사면을 따라 급속히 흘러내린다(그림4.5).

 

그림4.4 화산의 온도 측정 아이슬란드의 현무암질 화산인 카플라(Kafla)의 분출광경. 방화복을 입은 지질학자가 분출물로부터 수백 m 떨어진 거리에서 관찰하고 있는 모습을 망원렌즈로 촬영하여 분출지와의 거리가 축소되어 보인다.

그림4.5 빠르게 흐르는 용암 낮은 점성을 갖는 현무암질 용암이 본화구로부터 부드럽게 흘러내려가는 과정은 용암이 유체와 같이 자유롭게 유동할수있음을 보여준다 이용암의 온도는 1,100oC정도이며 분출은 1983년 하와이에서 발생하였다.

 

용암표면은 급속히 냉각되어 굳어지나 그 내부의 용암은 계속 유동하게 되어 용암 터널을 형성하게 된다. 이러한 용암 터널은 그 내부를 흐르는 용암의 열 방출을 억제하여 화구로부터 매우 먼 거리까지 용암의 이동을 가능하게 한다. 용암이 냉각되고 용존가스를 계속적으로 방출하게 되면 용암의 점성이 증가하게 되어 유용양태가 변화된다. 초기의 용암은 파로에포에 유동을 보이지만 점성이 증가하고 유동속도가 감소하면서 거친 표면 조직을 갖는 아아 유동을 보인다. 따라서 하와이 유형의 분출과 같은 비폭발성 화산에서는 분천, 파호에호에 용암 및 아아용암을 생성시킨다.

현무암질 마그마가 냉각되고 점성이 증가하면서 가스 기포들의 방출이 점점 어려워진다. 용암이 암석으로 굳게되면, 후기에 형성된 가스 기포는 암석내 포획되어 보존된다. 이러한 기포구멍을 기공이라하고 화성암내 기공이 발달한 것을 다공질 조직이라 한다.

이러한 기포구멍을 기공이라고 하며 화성암내 기공이 발달한것을 다공질 조직이라 한다.(그림4.6) 다공질 현무암의 기공에 지하수로부터 침전된 방해석, 석영, 도는 다른광물이 이차적으로 채워지기도 하는데 이를 행인상조직이라고 한다.

그림 6. 포획된 기포들 캘리포니아 차이나 호수지역에 발달하는 다공질 현무암	그림 7. 기공 충진물 : 방해석, 불석 등의 2차적 광물이 기공을 채워 생성된 행인상 조직이 발달하는 현무암.

 

・ 폭발성 분출

- 점성이 큰 안산암질 또는 유문암질 마그마에서는 가스 기포가 매우 서서히 상승한다. 지표면으로의 마그마 상승에 따라 압력 감소에 따른 용존기체의 팽창과 유출이 급격히 일어난다. 점성질의 유문암질 마그마에서 급격히 생성된 기체 기포가 방출되면 고화되는 용암의 표피는 가스팽창으로 인하여 거친 틈이 생성되는데 이런 암석을 부석(pumice)이라 한다.

어떤 경석은 밀도가 낮아 물에 드기도하는데 이를 부석이라 한다. 태평양 중아에 위치하는 섬의 해변에는 화산폭발시 생성된 부석이 해류를 따라 떠 내려와 흩어져 있기도 한다.

만약 용존가스가 극소량이거나 없는 마그마는 그 조성에 관계없이 용암을 분출한다. 그러나 용존가스가 존재하고 점성이 높을수록 분출되는 가스들에 의해 폭발성 분출을 하게된다.

 

·화산 쇄설물과 테프라

- 화산분출 동안에 방출된 암편을 화산 쇄설물(pyroclast)이라 하고, 화산 쇄설물로 구성된 암석을 화산 쇄설암이라 한다. 아이슬란드의 화산학자인 토라린손(S.Thorarinsson)은 미고결 화산 쇄설물을 그리스어로 “회”라는 의미로 “테프라(tephra)"라는 용어를 사용하였다. 테프라는 마그마 고결에 따라 새롭게 생성된 암편인 본질 화산 쇄설물과 화구 주변 기존암석의 암편인 이질화산쇄설물을 모두 포함하는 의미로서 공중으로 날아와서 쌓인 화산쇄설물을 총칭한다. 화산쇄설물은 그 크기에 따라 화산탄, 화산력, 화산재로 분류된다(표4.1, 그림4.8). 화산재는 연소물질의 잔해를 의미하는 것이 아니라 화산분출시의 세립질 테프라가 연소물질의 잔해인 재와 유사하는 의미에서 관습적으로 사용되는 용어이다.

표1. 화산 쇄설물과 화산 쇄설암

평균입자 지름(mm)	화산쇄설물 (미고결물)	화산쇄설암 (고결물)
>64	화산탄	집괴암
2~64	화산력	역질 응회암
<2	화산재	회질 응회암

	그림4.8 여러 가지 크기의 화산쇄설물 A; 길이 50cm에 이르는 방추형의 거대한 화산탄. B; 화산력이라 불리우는 중간크기의 화산쇄설물. C; 정원의 식물 잎을 덮고 있는 작은 크기의 화산쇄설물인 화산재

 

・분출기둥과 테프라의 낙하

가장 규모가 크고 격열한 폭발성 분화는 가스함양이 높고 실리카가 풍부한 마그마와 관련되어 있다. 마그마의 상승에 따른 급격한 압력감소가 가스의 급격한 팽창을 유발하고 이 압력은 뜨거운 가스와 테프라를 홉합시키면서 격렬히 상승시킨다. 이 뜨거운 혼합체들은 화구 밖의 차거운 대기 속으로 급격히 상승하면서 분출기둥을 형성하는데 대기권 45km 높이까지 치솟기도 한다(그림 4.9)

상승에 필요한 에너지는 본질 화산 쇄설물에서 방출되는 열에너지에서 기인한다.분출기둥과 주변대기의 밀도가 같아지는 고도에서는 부눛ㄹ물이 수평으로 퍼지면서 핵 폭발시 볼수 있는것과 같이 버섯모양의 구름을 형성한다.

그림4.9 플리니언 분출기둥. 1980년 세인트 헬렌스 화산정상에서 분출되는 뜨거운 가스와 세립의 화산 쇄설물로 구성된 분출기둥. 분출기둥이 상승하면서 팽창.냉각되어 주변 대기와 밀도가 같아지면 상승을 멈추고 측면으로 퍼지기 시작한다.

이 구름들은 상층대기의 에 의해 흩어지면서, 쇄설물의 입자들이 낙하되어 지표에 쌓여 테프라층을 형성한다. 예외적으로 거대한 폭발성 분츨에서는 테프라가 1,500km 영역밖으로 흩어지기도 한다. 대기권 높이 치솟는 분출기둥의 세립질 입자와 유황가스들은 고층의 바람을 타고 전 세계로 확산되기도 한다. 이러한 대기오염은 태양광선을 차단하여 수년내에 지표면의 평균기온 1oC정도 하강시키기도 하며, 대기중 세립질 쇄설물에 반사된 태양 빛이 신비스러운 석양을 연출하기도 한다.

 

・화쇄류

뜨겁고 유동성이 큰 테프라들이 화산의 주분출기에 산록을 따라 흘러내리는 것을 화쇄류(pyroclastic flow)라 한다. 화쇄류는 가장 파괴적이고 치명적인 화산분출 유형이다. 화쇄류에 대한 역사기록을 분석해 보면 화쇄류는 화구로부터 100km이상 이동할수도 있고 그 이동속도는 시속 70km 이상에 달한다. 가장 파괴적인 기록은 1902년 펠레화산(Mount pelrre)을 따라 분출된 화쇄류가 서인도제도 마르티니크(Martinigue)섬의 세인트 피에레(St. Piene)시를 덮쳐 2만 9천명의 인명피해를 유발했다.이러한 화쇄류들은 화산체 꼭대기의 뜨거운 용암들이 중력 또는 폭발에 의한 붕괴에 의해 암괴, 화산력, 화산재, 그리고 뜨거운 가스 등과 혼합되어 밀도가 높은 유체의 생성에 기인한다. 지질학자들은 화쇄류에 의해 생성된 분급이 불량한 퇴적층을 ignimbrite 라 부른다. 화쇄류는 분출물들의 부분적 혹은 연속적 낙하에 의해서도 생성된다. 예로 1980년 세인트 헬렌스 화산의 분출동안 850oC에 이르는 고온의 화쇄류가 분출물의 나갛에 의해 생성되어 화산의 북측 사면을 따라 8km를 이동하여 15km2 지역을 덮었다.

 

・ 측면분출

1980년 세인트 헬렌스 화산의 분출에서는 화산의 거대한 폭발적인 분출에 따른 여러 가지 전형적인 특성들을 보여 주었다. 이 화산의 분출과정을 모식적으로 표현하면 그림4.10과 같다. 화산 아래에서 마그마가 상승함에 따라 1980년 5월18일 화산체의 북측 사면이 부플어 올라 사면이 불안정해지면서 암편과 빙하가 골짜기 아래로 떨어지기 시작했다. 사태가 일어나자 화산체 내부의 뜨거운 마그마가 노출되었다.마그마 쳄버 상부에 암석이 제거되자 급격한 압력감소에 따른 용존가스의 폭발로 뜨거운 가스가 파쇄된 암석분말과 혼합되어 화산체의 북측사면에서 수 km떨어진 지점에 위치한 미국지질연구소 관측소에 있던 존슨(David A Johnson)은 5월18일 오후 8시32분에 미국지질연구소 벤쿠버지소에 무선전화로 “벤쿠버, 벤쿠버 그것이 왔다”라는 마지막 교신을 남기고 실종 되었다.

화산체의 측면에서 분출한 거대한 화산쇄설물과 뜨거운 가스가 존슨에게 직접날아왔던 것으로 보인다. 이후 존슨과 관측소의 흔적은 찾을수 없었다. 이 화산 분출로 최소한 63명이 사망했지만 지질학자의 경고에 따른 주민들의 대피가 없었다면 피해는 훨씬더 클것이다.

피해지역은 세인트 헬렌스 분화구에서 30km지역에 까지 미쳤고 주변 600km2지역이 산림이 뜨거운 화산쇄설물에 덮혀 황폐해 졌다.

세인트 헬렌스 화산 이외에도 1956년 분출한 카프카의 캄차카의 베즈미아니(Kamchatka Bezmianny)화산에서도 이와유사한 측면 분출에 다른 피해가 있었다.

그림4.10 1980년 5월 세인트 헬렌산의 화산폭발 과정. A: 지진발생후 증기의 분출이 마그마의 상승을 의미한다. 함몰대가 생성되고 산정상의 북측면이 부풀어 오른다. B. 5월18일 아침, 지진이 산첼ㄹ 뒤흔들어 부풀어 오른 지대가 파괴되면서 사태가 발생한다. C. 격렬한 분출로 또 한번의 사태가 일어나고 마그마의 분출과 분출기둥의 상승이 시작된다. D. 분출강도가 증가되면서 분출기둥에 동반된 화산재가 19km 상공까지 치솟는다

 

◎화산

· 순상화산

- 먼 거리를 유동할 수 있는 용암 분출이 여러 번 누적되어 생성된 큰 화산체를 순상화산이라 한다. 순상화산은 산록의 경사가 매우 완만한 돔형의 산체를 이룬다(그림4.11). 순상화산의 마그마는 뜨겁고 유동성이 높아 완만한 산체를 형성하지만, 계속적인 용암 분출에 따라 마그마가 냉각되면서 점성이 높아지면 이 용암이 유동하기 위해서는 좀 더 급한 산록경사가 필요하다. 따라서 순상화산은 그 정상부로 가면서 산록의 경사가 급해진다.

그림4. 11. 순상화산. 마우나 로아에서 바라본 유동성이 큰 현무암질 용암에 의해 생성된 4,200m높이 순상화산인 마우나 케아. 유동성이 큰 현무암질 마그마에 의해 형성된 완만한 산록경사를 주의해서 보자. 마우나 로아의 북동쪽 지역에서는 이전에 분출된 파호에호에 용암대지가 발달한다.

하와이의 킬라우에아 화산체는 산록의 경사가 5o이하이지만 정상부에서는 10o에 달한다.

순상화산은 특징적으로 현무암질 마그마로부터 형성되므로 화산재와 테프라의 비율은 적다. 하와이, 타이티, 사모아, 갈라파고스 등의 섬들은 거대한 순상화산이다.

・암설구

유문암질 및 안산암질 화산은 다량의 화산 쇄설물을 분출한다. 화산 쇄설물은 소나기 처럼 쏟아지면서 화구 주변에 암설구(tephra cone)를 형성한다(그림4.12). 암설구의 경사는 화산쇄설물의 크기에 의해 결정된다. 세립질화산재로 생성된 암설구는 경사는 30-35o 내외이며 화산력이 우세한 것에서는 25o 내외이다. 화구에서 멀어질수록 화산쇄설물의 양이 점차적으로 감소하기 때문에 암설구 기저 가까이의 경사는 완만해진다.

그림 4.12. 암설구 A : 자이레의 키부화산 분출로 생성된 2개의 작은 암설구. 포물선 모양의 불꽃은 뜨겁고 붉은 화산력과 화산탄의 분출 때문에 생긴 것이다. B : 화산력 크기의 화산쇄설물에 의해 생성된 애리조나의 암설구. 암설구의 기저로부터 흘러나온 작은 현무암질 용암을 주목하라.

·성층화산

- 분출 시간이 긴 안산암질의 거대한 화산들은 용암과 화산 쇄설물을 교대로 분출시킨다. 점성이 큰 용암과 화산 쇄설물이 교대로 쌓인 급경사의 화산을 성층화산이라 한다. 일반적으로 화산쇄설물은 용암과 비슷한 량이거나 이보다 많다.

수천 M 높이의 성층하산은 암설구와 비슷한 급경사의 산록면을 갖는다. 암설구에서 처럼 성층화산의 정상부는 40O 내외의 경사를 갖지만 화산체 기저 가까이에서는 6-10O 의 완만한 경사를 갖는다. 암설구와 성층화산의 구별은 용암층의 존재유무에 따른다. 성층화산에서 용암층은 화산쇄설물의 유실을 방지하는 역할을 하기 때문에 화산체의 크기가 암설구에 비해 매우 크다. 아름답고 급한 경사면을 갖는 대표적인 성층화산인 일본의 후지산은 수세기 동안 시인들의 감성을 자극해온 대표적인 성층화산이며(그림4.13) 이외에 미국 워싱턴주의 레이니어(Rainier)화산과 베이커(Baker)화산, 오리곤주 후드(hood)화산이 대표적인 성층화산이다.

그림4.13 전형적인 성층화산 전형적인 성층화산을 보여주는 우둑 솟아 있는 눈 덮인 거대한 일본 후지산.

 

·분화구, 칼데라, 그 밖의 화산형태

화산지역에 독특한 지형으로 순상화산이나 성층화산에 발달하는 균열대를 따라 용암이나 화산 쇄설물이 분출되어 소규모의 기생화산이 발달하기도 한다(그림4.14). 용암이나 테프라로 구성된 작은 기생화산들은 열극위에 발달되어 주 화산체의 산록을 따라 작고 수많은 여드럼 처럼 흩어져 분포한다.

그림4.14 화산지역의 전형적인 특징. A. 화와이 미우나 케아 산 산록의 기생화산. 전방의 기생화산은 나호나오헤라 부르며 후방의 큰 순상화산은 코알라(Kohala)라 부른다. 나호나오헤는 2만년전에 생성되었다 B. 1965년 화와이 화산 폭발시 열극을 따라 분출한 화산가스내 자연황이 응축되어 식생을 죽이고 지표면을 노랗게 물들인 전경

지하심부 마그마에서 기포로 상승하던 가스들은 중앙하구 뿐만아니라 주변의 소규모 화구를 통해 방출된다. 방출된 가스들은 대부분이 수증기이지만 일정량의 유독성 유황가스도 포함하고 있다.(그림4.14B)

화산활동이 중지되어도 마그마 쳄버는 수백년 또는 수천년 동안 뜨거운 상태로 남아 있다. 이 지역에 하강하는 지하수가 가열되면 균열대를 따라 상승하면서 온천을 형성한다. 이탈리아, 일본, 아이슬란드, 그리고 뉴질랜드의 화산지대에 분포하는 온천은 건강에 유익할뿐 아니라 중요한 에너지원이기도 하다.

수직으로 발달하는 틈새의 물이 가열되어 단속적으로 물과 증기를 뿜어내는 온천을 간헐천(geyser)이라 한다.(그림4.15) 간헐천의 분출이라는 의미의 아이슬란드어의 geysir에서 유래되었다. 대부분의 간헐천은 아이슬란드, 뉴질랜드, 미국의 옐로스톤국립공원에 분포한다.

그림4.15 아이슬랜드의 거대한 geysir 이름을 따서 모든 간헐천을 geyer라 한다.

・ 분화구

- 분화구는 대부분의 화산 정사부에 가스, 화산쇄설물, 용암 등을 분출한 깔때기 모양의 요지를 분화구라 한다

 

・ 칼데라

많은 성층화산과 순상화산의 정상부에는 분화구가 아닌 거대한 분지가 발달하는데 이를 칼데라라 한다. 칼데라는 급경사의 내측벽으로 둘러싸인 직경이 수km 이상인 원형분지이다. 칼데라는 마그마 챔버가 부분적으로 비게되어 일어나는 함몰에 의해 형성된다. 다량의 용암과 화산쇄설물의 방출로 마그마 챔버가 비게되면 상부의 암석이 수직으로 발달하는 균열대를 따라 서서히 침강한다. 오리곤주의 크레이터호는 6600년전의 거대한 화산쇄설물의 분출후 생성된 직경이 8km에 달하며 원형의 칼데라이다(그림4.16)

이화산은 마자마산(Mount Mazama)이라 불리는 화산 폭발로 생성된 것이다. 크레이터호(Crater lake)와 그 주변의 미국과 캐나다 지역에는 아직도 곳곳에 이때 분출한 화산쇄설물이 분포한다(그림4.17)

그림 4.16. 크레이터호 한때 거대한 성층화산이었던 정상부가 함몰되어 생긴 왕관 모양의 직경 8km 칼데라에 형성된 오리곤의 크레이터호. 호수내의 위자드 섬은 칼데라를 생성시킨 함몰 이후에 생성된 암설구이다.

그림4.17. 과거의 분출 잔류물 크레이터호 국립공원의 뾰족탑들. 6600 년 전 마자마 산의 화산폭발로 생성된 두 터운 화산 쇄설물등이 심한 침식작용을 받아 형성된 지형이다.

약 75km3 분량의 화산쇄설물이 방출된후 마그마 쳄버 상부의 암석은 함물되었다(그림4.18).

옐로스톤국립공원 지역에는 거대한 화산 쇄설물이 분출 이후에 생성된 칼데라가 곳곳에 존재한다.

그림4.18. 6600년 전 마자마 산의 화산폭발에 의한 크레이터 호의 생성과정 A : 마자마 산 정상부로부터 화산쇄설물이 분출됨 B : 분출이 절정에 이르며 화산재로 구성된 열운이 냉각되면서 하강하여 화산쇄설물이 산의 측면을 따라 흘러 내린다. C : 비어 있는 마그마 쳄버 속으로 마자마 산의 정상부가 함몰되어 직경 8km의 칼데라를 형성한다. D : 분출 말기에 위자드 섬이 생성된다. 이 칼데라에 물이 채워져 크레이터 호가 형성됨.

 

・재충전 돔

칼데라 형성 후에도 화산활동이 반드시 중단되는 것은 아니고 마그마가 챔버에 다시 보충되면 함몰된 칼데라 바닥을 다리 밀어 올려 돔모양을 형성하는데 이를 재충전 돔이라 한다.

계속해서 조그만 암설구가 칼데라 내에 생성되기도 하는데 크레이터호의 위자드(Wizard)섬은 이러한 암설구이다.

 

・ 용암 돔

화산의 주 분출기 이후에 분출되는 용암에는 매우 적은 양의 가스만이 남아 있다. 점성이 크고 끈적끈적한 용암이 짜내어지면 용암 돔을 형성한다. 세인트 헬렌스 화산의 중앙 분화구에는 200m 높이의 용암돔이 성장하고 있다.(그림4.19)

그림4 19. 용암돔 1982년 5월 워싱턴주 세인트 헬렌스 화산의 분화구에 있는 용암 돔. 돔위에 치솟는 화염은 증기이다.

 

・열하분출

지하의 열곡대를 따라 용암이 분출되는 것을 열하분출이라한다(그림4.20). 열하분출은 주로 현무암질 마그마와 관련이 있으며, 대지 현무암이라 불리는 용암들이 광범위한 열하분출로 현무암 평원이 형성된다. 아이슬란드의 1783년 라키화산 분출은 연장이 32Km에 달하는 열곡을 따라 용암이 분출된 대표적인 열하분출이다.

용암이 열극을 중심으로 양쪽방향으로 각각 64Km, 48km를 유동하여 주변 588km2지역을 덮었으며 분출된 용암은 12km2에 달한다. 이 용암분출로 엄청난 직접적인 인명 및 재산피해를 냈으며 9,336명의 사람들이 이와 관련되어 기근으로 목숨을 잃었다.

그림4.20 열하분출 1984년 하와이 미우나 로아의 열하분출 전경. 평행하게 발달하는 일련의 열극을 따라 현무암질 용암이 분출되고 있다. 촤측상단의 암설구는 분출초기에 생성된것임에 유의하라.

선사시대에 더 큰 열하분출이 있었다는 좋은 증거로 워싱턴주 현무암의 용암층인 로자(Roza)용암은 22,000km2지역에 거쳐 분포하며 이때 분출된 용암의 양은 650km3에 달한다.

 

・베개 현무암

지구에서 가장 규모가 큰 화산계는 해저에 있다. 해저산맥 중심부의 열극계는 현무암질 마그마의 주요 상승 통로이다. 해수가 현무암질 마그마를 급냉시키면 매우 독특한 용암모양이 형성된다. 용암의 온도가 최대인 해저화산의 열극 가까이 갈수록 용암류가 급냉되어 유리질 표면을 형성한다. 이 용암류는 불과 20cm내외의 용암층으로 구성된 현무암체에 불과하다. 용암분출구에서 멀어질수록 용암의 온도가 감소하면서 크기가 수 cm에서 수 m에 달하는 베개구조가 생성된다. 베개현무암(pillow basalt)이란 크기가 수 cm에서 최대 수 m 크기의 베개모양의 현무암체가 불연속적으로 배열된 구조를 말한다(그림4.21)

베개 모양은 현무암질 용암의 표면이 급냉되어 형성된다. 깨지기 쉬운 급냉부에 틈이 생기면 아직 용융상태인 마그마가 새어나오게 되고, 새어나온 용암이 급냉되는 과정을 반복하게 된다. 결국에는 두윽ㄴ 모양의 베개용암이 쌓이게된다. 해양지각내 대부분의 용암은 베개모양의 현무암으로 구성되어 있다.

그림4.21. 베게용암 동태평양 해령의 중앙 열곡대에서 촬영된 베개현무암

 

・화산재해

매년 전세계적으로 약 50개 이상의 화산분출이 일어나고 있기 때문에 화산분출이 드문 현상은 아니다. 일반적으로 현무암질 순상화산은 위험한것이 아니지만 세인트 헬렌스와 크라카타우 화산같이 대규모 화산쇄설물을 방출하는 안산암질 또는 유문암질 성층화산은 매우 파괴적이다. 수백만명의 사람들이 성층화산이나 그 주변에 살고 있는데 이런 유형의 화산 폭발시에는 5가지 유형의 피해를 유발한다.

① 뜨겁고 유동성이 큰 화쇄류와 이와 관련된 폭발에 의해 수많은 인명피해가 유발된다. 대표적인 예가 1902년의 펠레화산 폭발과 1980년 세인트 헬렌스 화산폭발이다.

② 테프라와 유독성 가스가 사람들을 질식시킨다. AD. 79년 베수비오 화산 폭발시 수많은 사람들이 유동성 가스에 질식된 후 테프라에 의해 메물되었다.(그림 4.22)

③ 테프라는 화산폭발이 끝난후에도 매우 위험하여 비나 눈 녹은 물이 급경사면의 화산체에 쌓여 있는 테프라 퇴적층을 약화시켜 산사태를 일으킨다. 1985년 콜럼비아의 네바도(Nabado)화산은 폭발당시는 거의 위험성이 없었으나 화산정부의 빙하가 녹으면서 산사태가 일어나 2만명의 인명피해가 있었다.

④ 해저화산의 격렬한 분출은 쓰나미라고 불리는 거대한 해파를 일으킨다. 크라카타우 화산폭발에 의해 발생된 쓰나미에 의해 자바섬과 인도네시아의 섬 해안에 살고 있던 3만6천명이 희생되었다.

⑤ 테프라의 분출은 농작물과 가축에 큰 피해를 입히고 이에 따른 기근으로 수많은 인명피해가 발생한다.

1800년 이후에는 대규모 인명피해를 발생시킨 18개 화산폭발이 있었다. 앞으로도 이런 위험한 화산폭발이 발생할 것임이 틀림없다. 과거 및 현재의 화산폭발과 관련된 자료를 활용하면 어느정도 화산피해를 예견할 수가 있다. 지질학자들은 재해 가능성을 경고하고 주민들을 안전한 지역으로 언제 대피시킬것인지를 조언할 수가 있다.

그림4.22 고대 화산재해 AD79년 이탈리아의 베수비오화산 폭발시 독가스에 의해 질식하여 화산력에 묻혀 화석화된 5명의 품페이 주민들. 수세기가 지나는 동안 시체는 분해되어 없어졌지만 그모양은 테프라의 공동내 각인되어 있다. 발굴자는 이 흔적을 발견하고 이를 정밀한 석고주물로 떠서 보존하였다

◎화성암

- 화성암은 마그마가 냉각, 고결되어 생성된다. 분출암은 용암이 고화되어 생성되며, 관입암은 마그마가 지각이나 맨틀 내에서 고화되어 생성된다. 화성암의 연구를 통해 마그마가 지하에 어떻게 생성되어 이동하는가에 대한 자료를 얻을수가 있다. 마그마의 기원을 논의하기전에 화성암의 분류와 관입암의 산출상태에 대하여 먼저 알아보자. 분출암과 관입암은 암석조직과 광물구성을 근거로 분류된다.

 

・조직

- 화성암의 가장 명확한 조직적 특성은 구성 광물의 입자 크기와 결합양식이다. 광물입자의 크기와 결합양식은 화성암의 조직을 결정하는 중요한 두가지 특성이다.

 

・광물입자의 크기

관입암은 마그마가 지각내에서 천천히 냉각되므로 큰 광물입자로 성장할 충분한 시간을 가질수가 있어 조립질로서 산출된다. 그림4.24 A는 조립질 화성암의 예이다.

그림4.23 현정질 화성암. 크고 뚜렷히 관찰 가능한 광물입자가 현정질 화성암의 특징이다. A. 석영(옅은 회색), 칼륨장석(분홍), 그리고 사장석(회색)이 캘리포니아의 데스밸리(Death Valley)에서 산출되는 화강암의 시료에서 관찰된다. 분홍색 칼륨장석 결정의 크기는 약 1cm이다. B. 페그마타이트에서 산출되는 거대 결정. 노스다코타 주의 블랙힐(Black hills)에서 산출되는 화강암질 조성의 폐그마타이트 노두에서 거정질의 흑운모(흑색), 칼륨장석(분홍), 석영(백색)이 관찰된다. 칼륨장석의 입자크기는 10cm이거나 그 이상이다

조립질암석은 각 광물입자가 육안으로도 쉽게 보인다 뜻으로 현정질암(phanerite)이라고 한다. 특히 조립질은 광물입자의 장경이 2mm이상일때를 의미한다.

예외적으로 큰 광물입자를 포함하는 관입암을 페그마타이트(그림4.23B)라 한다. 이 용어는 평균입자 지름이 2cm 혹은 그 이상인 암석에 적용된다. 때로는 페그마타이트내개개의 광물입자 크기가 수 m를 넘는 경우도 보고된바 있다. 관입암에 비해 분출암은 급히 고화됨으로 세립질 혹은 유리질로 산출된다. 세립질의 암석은 확대경을 이용해야만 각 광물입자를 뚜렷하게 보f수 있다는 뜻에서 비현질암(aphanerite)이라 한다(그림4.24A). 실질적으로 이용어는 광물입자의 크기가 최대 2mm이하임을 의미한다.

 

그림4.24 비현질암. 확대경이 필요. 비현질암에서는 현미경의 도움이 없이 기의 입자의 관찰이 불가능하다. A. 각 입자간의 구별이 불가능한 다공질의 현무암시료. 시료 옆은 박편이며 크기는 약3cm⨉2cm이다. B. 박편의 3mm⨉2mm부분의 현미경 관찰사진. 관찰되는 광물은 사장석(흰색), 휘석(얼룩진 갈색), 감람석(암갈색)이다.

큰 입자와 작은 입자가 혼재하는 화성암의 특별한 조직이 있다. 이런 조직을 갖는 암석은 반암(porphry)이라 하는데 이는 그림 4.25에서 보는 바와 같이 세립질의 광물 입자 혼합체 위에 산포되어 있는 큰 광물입자를 포함하는 화성암을 의미한다. 반암에서 고립되어 있는 큰 입자를 반정이라 부르는데 이는 조립질 화성암에서 광물이 생성되는 동일한 방식으로 지각내 마그마의 느린 냉각으로 생성된다. 반정을 둘러싸고 세립질의 석기는 부분 고화된 마그마가 위로 급히 상승하였음을 의미하는 증거를 보여준다. 새로운 환경에서 마그마는 급히 냉각되고 그 결과 석기를 구성하는 후기 광물입자는 모두 매우 작다. 많은 분출암들이 반암들이다.

그림 4.25. 반상조직. 반상조직은 두 가지 유형의 입자크기 집단이 특징이다. 이 사진은 노르웨이 오슬로에서 산출되는 반암사진으로 세립의 기질내에 큰 장석 반정을 보여준다. 암석은 반상질 안산암이다. 암석은 반상질 안산암이며 사진의 영역의 크기는 약 8cm이다

・ 유리질 암석

용암이 흔히 급속히 냉각 그리고 고결되면 원자들이 광물속으로 결정화되는 시간이 없게 되고 대신에 준광물인 유리가 생성된다. 대부분 혹은 완전히 유리로 구성된 분출암을 흑요암(obsi야an)이라 한다. 이러한 암석은 깨어진 표면이 독특한 형태를 보인다. 깨진 면은 조개껍질 모양과 같은 평탄한 곡선으로 구성된다.(그림4.26) 또다른 흔한 유형의 유리질 화성암은 경석인데 화산기원의 유리질 기공 집합체이다. 대부분 유리질이며 세립의 화산쇄설물은 마그마 조각들의 분출에 따른 급속한 냉각 때문에 거의 대부분 혹은 부분적으로 유리질이다

그림4.26 유리질 암석. 뉴멕시코주 제메즈산에서 산출되는 흑요암은 거의 대부분이 유리질이다. 조성은 유문암질이다. 굴곡진 홈은 깨어진 유리에서 관찰되어지는 전형적인 깨짐의 특징이다. 시료크기는 10cm이다

・화성암의 광물입자 배열형태

약 200년 전, 제임스 허튼은 스코틀랜드 지역의 야외조사에서 특징적인 조직을 갖는 조립질의 암체가 퇴적암의 층리를 교차하면서 관입하고 절단하는 것을 관찰하였다. 그가 관찰한 조직은 방향성이 없는 광물입자들이 조각 그림 맞추기처럼 견고하게 배열되어 있는 것이었다. 허튼은 이러한 배열조직이 실험실에서 용융물질이 서서히 결정화되었을때 생성되는 조직과 유사하다고 생각하였다. 허튼은 다른 암석를 절단하는 암체는 언젠가 한번은 용융되었던 것이며 수많은 입들의 특징적인 배열형태는 마그마의 고화작용에 기인한다고 결론지었다. 거의 대부분의 현정질 화성암은 허튼이 관찰한 광물입자의 특징적인 배열조직을 갖는다.(그림4.27)

그림 4.27. 자연이 만든 조각 그림 맞추기. 편광현미경으로 관찰된 화강암의 사진. 광물입자들이 어떻게 결합되어 견고한 구조를 이루는지 주목하고 이는 전형적인 화성암의 조직이다. 관찰되는 광물은 백운모(녹색), 각섬석(황색), 석영(무색) 그리고 장석(회색 및 연한 청색)이다. 크기는 1cm.

 

·광물구성

유리질 혹은 주로 유리질인 분출 화성암을 제외하고 마그마가 고화할 때 생성되는 광물구성은 화성암을 분류하는 주요기준이 된다. 주어진 조성 마그마에서 형성되는 광물구성은 관입암과 분출암에서 모두 동일하다. 그 암석간의 차이는 조직에 있다. 화성암 조직이 결정되고 나면 광물구성에 근거하여 암석명을 명한다. 암석명을 명명할때에는 그림4.28과 같은 도표을 이용하면 편리하다. 모든 화성암은 석영, 장석(칼리장석, 사장석), 운모(흑운모, 백운모), 각섬석, 휘석, 감람석등 6개 광물이나 그 조합으로 구성된다. 그림4.28의 세로축은 암석내 광물의 구성비율을 의미한다. 암석내 각광물의 구성비율을 측정한후 그림4.28에서 암석이 세립질인지, 조립질인지를 결정하고 구성비율에 해당되는 지점을 찾으면 암석이름을 명명할 수가 있다. 암석이 반상조직을 보이면 광물조합에 의해 결정된 이름은 수식어로 그리고 석기의 조직에 대한 용어를 명사로 이용한다. 예로 석기가 세립질인 암석은 화강암질 반암, 또는 화강섬록암질 반암이라 한다. 그림 4.28을 이용할 때 각 화성암들간의 경계가 명확히 구분되는것이 아니라 조직과 광물조성이 점진적으로 변화한다는 점에 유의하여야 한다.

그림4.28. 화성암의 명명 일반적인 화성암의 광물 구성 비율. 암석 유형간의 경계는 점선으로 표시되어 있듯이 점이적인 것이다. 어떤 암석의 조성 범위를 정하기 위해서는 점선을 수직 아래로 연결해 본다. 그러면 도표 측면에 숫자로 광물의 함량을 추정할 수 있다. 석영과 장석이 풍부한 암석을 규장질암이라 하며, 이는 밝은색을 띤다. 휘석, 각섬석, 감람석이 풍부한 암석을 고철질암이라 하고 어두운 색을 띤다.

암석의 색도 암석을 명명하는데 유용한 정보를 제공하는데 석영, 장석, 백운모는 밝은 색이며 흑운모, 각섬석, 휘석, 감람석은 Fe를 포함하는 광물이므로 어두운색을 띈다.

감람석은 Fe를 포함하는 광물이지만 다른 유색광물들처럼 어두운 색은 아니다. 그림4.28의 왼쪽의 암석일수록 밝은 색을 띠고 오른쪽으로 갈수록 어두운 색을 띤다. 섬록암과 반려암의 경계는 유색광물이 무색광물보다 많은 부분에 위치하며 안산암과 현무암도 이와 동일한 암색부분에 위치한다.

 

- 관입암의 종류

・ 화강암과 화강섬록암

화강암과 화강섬록암의 주 구성광물은 석영고 장석이다.(그림4.28, 4.29) 이 외에 흑운모, 백운모, 각섬석이 존재하기도 한다. 많은 화강암에서 각섬석이 산출되기도 한다.

화강암의 명칭은 칼륨 장석이 부피비로 전체 장석류의 35%이상이면서 석영을 포함하는 암석에 적용된다. 화강섬록암의 명칭은 전체 장석이 65% 이상이 사장석인 화강암류에 적용된다. 육안으로 장석의 구별하는 것이 쉽지 않기 때문에 이런 유형의 암석에는 화강암질이라는 용어를 사용한다.

섬록암의 주 구성 광물은 사장석이고 석영과 운모의 산출은 없으며 각섬석이나 휘석이 산출되도 한다(그림4.29). 섬록암도 흔히 산출되는 화성암이지만 화강암이나 화강섬록암보다는 흔치 않다.

・ 반려암

검은색의 섬록암은 유색광물인 휘석과 감람석이 50% 넘으면 반려암이라 한다.(그림4.28, 4.29) 반려암의 성인과 연관이 있는 90% 이상이 감람석으로 구성된 조립질 화성암을 페리도타이트라 한다.

·분출암의 종류

- 유문암과 데사이트

화강암의 조성을 갖는 비현정질암이 유문암이다(그림4.28, 4.29); 화강섬록암의 조성을 갖는 비현정질암은 데사이트이다. 유문암과 데사이트는 석영을 포함한다; 이들의 차이저은 화강암과 화강섬록암에서와 같이 유문암에는 칼륨장석이 우세하고 데사이트에는 사장석이 우세한 점이다.

현미경 없이는 비현정질 화성암내 세립질의 장석을 구분하기 어려운 경우도 많기 때문에 데사이트는 유문암과 구별하기는 매우 어렵다. 이런 의문이 생길 경우, 많은 지질학지들은 두 암석을 단순히 유문암이라 부르며, 유문암질 데사이트로 부르기도 한다.

다행히 많은 경우 유문암과 데사이트는 비현정질 석기에 석영이나 장석 반정을 갖는 반상조직을 갖는다. 암석내 반정이 부피비로 5% 혹은 그 이상으로 산출되는 경우에는 유문암질 반암 혹은 데사이트질 반암의 명칭을 사용한다.

유문암과 데사이트는 항상 거의 흰색에서 회색을 띠며, 황색, 적색 또는 자색을 띠기도 한다. 흑요암도 유문암 혹은 데사이트와 동일 조성을 갖는 경우도 많다. 이러한 흑요암은 어두운 색을 띠거나, 심지어 검은색을 띠기도 하여 화성암은 실리카 함량이 높을수록 밝은색을 띤다는 원칙이 모순되게 보이기도 한다. 그러나, 조각난 유문암질 흑요암의 얇은 모서리는 약간 흐린 유리처럼 색이 거의 없이 투명하게 보인다. 검은 색조는 유리내 균질하게 퍼져있는 소량의 어두운색의 작은 광물질 때문이다.

 

- 안산암

데사이트와 유사하지만 석영이 부족한 화성암이 안산암이다(그림 4.28, 4.29). 남아메리카 서측의 주요 산맥인 안데스의 이름에서 유래된 안산암은 회색, 자색이며 무색을 띠기도 한다. 안산암은 각섬석, 휘석, 사장석을 반정으로 하는 반상조직으로 흔히 산출되나 석영을 반정으로 갖지는 않는다. 반정이 많을 때에는 안산암질 반암으로 명명된다.

 

- 현무암

해양지각의 주 구성 암석은 현무암이며, 현무암은 세립질이지만 반상질인 경우도 있으며 암색은 암회색 혹은 흑색을 띤다. 조성적으로는 반려암과 동일하며 가장 일반적인 분출암이다. 반상질 현무암의 반정은 사장석, 휘석, 감람석 등이다.

 

그림 14. 일반적인 화성암류 조립질과 세립질 화성암의 비교, 고철질암은 규장질암에 비해 색이 검다

 

·화산 쇄설암류

테프라의 상승과정은 화성기원이지만 하강과정은 퇴적기원이다. 따라서 화산 쇄설암류는 화성암과 퇴적암의 중간적인 특성을 가지며 화산 쇄설암이라는 용어 자체에도 이러한 의미가 포함되어 있다. 제 4장에서 논의되듯이 퇴적암의 분류는 입자의 크기에 근거한다. 테프라가 화산탄 크기로 구성되면 집괴암(agglomerate), 화산력 또는 화산재 크기로 구상되면 응회암(tuff)이라 부른다(그림 4.30). 표4.1에서 보듯이 응회암은 역질 응회암과 회질 응회암으로 세분되기도 한다.

테프라가 화산 쇄설암으로 전환되는 과정은 두 가지가 있다. 가장 일반적인 첫 번째 과정은 지하수 유입에 의한 석영 또는 방해석과 같은 고결물질의 첨가이다. 그림 4.30A는 시멘트화 작용으로 생성된 유문암질 역질 응회암이다. 두 번째 과정은 뜨겁고, 유리질인 화산재 입자들의 용결이다. 화산재가 뜨겁고 소성적인 특징을 가지면 각 입자들이 서로 밀착되면서 유리질의 화산 쇄설암을 형성하는데, 이를 용결 응회암(welded tuff)이라 부른다(그림 4.30B).

그림 4.30 화산쇄설성 화성암 A. 네바다주 클라크 지방에서 화산력과 화산재릐 고결로 생성된 역질 응회암. B. 뉴 멕시코주 제메즈산에서 산출된 용결 응회암. 검게 신장된 부분은 유리질의 화산 쇄설물이 다져지는 동안 압착되어 생성되는 것이다. 두 시료의 크기는 4cm이다.

 

◎심성암체

화산 아래에는 마그마 쳄버와 마그마가 지표면에 도착할 수 있는 이동 통로가 있다. 활화산의 마그마 이동 통로를 직접 관찰할 수는 없지만, 과거의 이동 통로가 침식되어 노출된 것을 관찰할 수 있다(그림 4.31). 이 통로에는 마그마가 지하에서 고화된 관입암으로 채워져 있다.

관입암으로 구성된 모든 암체는 그 모양이나 크기에 관계없이 지하 세계의 그리스 신 pluto의 이름을 따서 심성암체(pluton)이라 한다. 심성암을 생성시킨 마그마는 현재 심성암체가 발견된 지점에서 기원된 것은 아니다. 마그마는 마그마가 생성된 위치에서 주변 암석 속으로 상승하여 관입하였다.

 

· 소규모 심성암체

소규모 심성암체는 그 크기와 모양에 따라 여러 가지 이름으로 불려진다. 가장 일반적인 심성암은 그림 4.32와 같으며, 이들에 대해 간략히 설명하면 아래와 같다.

- 암맥

과거 화성활동에 대한 가장 명확하고 흔한 증거가 암맥(dike)이다. 암맥은 피관입암의 층리면을 절단하는 판상의 평행한 두면을 가진 화성암체이다(그림 4.33). 판상이라는 것은 암맥이 두께보다는 수평 연장이 훨씬 크다는 것을 의미한다. 그림 4.31은 쉬프룩 사진에서도 몇 개의 암맥을 관찰할 수 있다. 암맥은 마그마가 열극으로 짜여질 때 생성된다. 예를 들면, 그림 4.20의 열하분출에서는 분화말기에 열극을 따라 채워진 현무암질 마그마의 냉각 결과로 지금은 반려암질 암맥이 생성되어 있을 것이다.

- 암상

퇴적암의 층리에 평행하게 관입된 판산의 화성암체를 암상(sills)이라 한다(그림 4.33B). 일반적으로 암맥과 암상은 같이 잘 산출된다(그림 4.32). 암맥과 암상도 큰 규모로 발달할 수 있다. 실례로 짐바브웨의 그레이트 다이크는 폭이 8km, 연장이 500km에 달하는 반려암질 암맥이다. 그레이트 다이크는 지각내 거대한 틈을 채워서 생성된 것이다. 거대한 암상의 예는 뉴욕 허드슨 강 연변의 팰리세이트 레이트 다이트처럼 반려암질이다. 이 암상은 약 2억년 전에 퇴적암의 층리를 따라 관입하였으며, 이후 융기작용으로 암상 상부의 퇴적암이 침식되어 노출된 상태이다.

- 병반

퇴적암의 층리에 평행하게 관입한 화성암체로서 피관입암의 상부가 위로 굽어 돔형인 것을 병반(laccolith)이라 한다. 병반은 암상의 일종이다.

- 화도와 암경

화구 아래의 원통형의 마그마 이동 통로를 화도라고 하며 화도 주변의 암석이 침식되어 화도 내의 화성암체가 노출된 것을 암경이라고 한다. 그림 4.31은 뉴멕시코주 쉬프룩에 있는 전형적인 암경의 모습이다.

그림4.31 암경 뉴멕시코주 쉬프룩 A .이 암경 주변을 과거 둘러쌓던 암설구가 침식되어 제거되었다. B. 침식 이전의 화산으로 복원된 모식도.

 

· 대규모 관입암체

- 저반

저반(batholith)은 가장 큰 관입암체로서 불규칙한 관입 형태를 갖는다. 대부분의 저반은 그 조성이 약간씩 다른 여러 개의 관입암체로 구성되는데, 이는 저반을 생성시키는 마그마의 조성이 변화하고 있었음을 의미한다. 어떤 저반은 연장이 1000km, 폭은 250km에 달한다. 알래스카의 브리티쉬 콜럼비아의 코우스트 레인지 저반은 연장이 1500km에 달하는 북아메리카에서 가장 큰 관입암체이다(그림 4.34).

그림 4.32에서처럼 저반의 아래부분은 어떤 모양인지 확실치가 않다. 저반의 경계부위가 거의 수직으로 발달하고 있어 저반이 지각의 하부까지 연장 발달하고 있을 가능성도 있다. 지구물리학적 탐사와 현저히 침식된 화성암체의 연구결과에 의하면 이러한 예상이 적절하지 않은 것으로 예상된다. 저반의 두께가 20~30km에 불과한 것으로 예상되어 저반은 폭과 연장에 비해 매우 얇은 것으로 추정된다. 저반의 크기에 알맞은 거대한 열극계가 존재하지 않기 때문에 저반의 열극계로의 마그마 주입으로 생성된 것은 아니다. 저반을 생성시키는 마그마가 서서히 상승할 수 있다 하더라도, 또 다름 과정이 저반 생성에 관계되어야 할 것으로 보인다.

상승하는 마그마는 상부의 암석을 포획하며, 포획된 암석은 상승하는 마그마보다 밀도가 크기 때문에 마그마 내에 침강할 것이다. 침강되는 암괴들은 마그마와 반응하여 부분적으로 용융될 것이다. 마그마내 용융되지 않는 암괴들이 마그마 하부에 가라앉아 고화되면 포획암(xenolith)을 형성한다(그림 4.35, 그리스어로 Xenos는 “낯선”을 의미하며 lithos는 돌을 의미).

- 암주

저반처럼 암주(stocks)도 불규칙한 형태를 갖는 화성암이지만 최대 크기가 10km를 넘지 못한다. 그림 4.32를 보듯이 암주는 저반의 한 부분이거나 부분적으로 침식된 저반 상부의 일부분이다.

그림 4.32. 심성암 심성암의 다양한 산출상태를 보여주는 지각부분의 단면 모식도. 많은 관입암체들은 화산과 연결되는 경우가 많으며, 관입암과 분출암은 서로 밀접한 관계를 갖고 있다.

그림 4.33. 암맥과 암상 판상의 심성암 A : 애리조나주 그랜드 캐년 국립공원. 수평 셰일층을 절단하는 반려암질 암맥 B : 덱사스주 빅벤드 국립공원 내 퇴적암 상 ․ 하부 층리에 평행하게 관입한 반려암질 암상(암갈색)

그림 4.34 거대한 관입암 남 알래스카와 브리티쉬 콜럼비아의 코우스트 레이지 저반보다는 작아 보이지만 서로 인접하여 발달하고 있는 아이다호, 시레라 네바다, 남 캘리포니아의 저반들. 각각의 거대한 저반들은 지각 물질의 부분 용융으로 생성된 마그마가 변성암을 관입하여 생성된 것들이다.

그림 4.35 포획암 알래스카의 이스트 레인지 화강암의 관입동안에 갇힌 포획암.

 

◎ 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.

 

◎마그마의 고화

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.

 

◎ 마그마 광상

- 마그마의 부분 용융과 분별결정작용의 과정은 귀중한 대규모 광상을 생성시키기도 한다. 생성과정이 마그마와 관련된 광상을 마그마 광상이라 한다. 마그마가 분별결정작용에 따른 분화과정을 겪게 되면, 초기에 정출되는 광물에 포함되어지지 않는 화학원소들은 잔류 마그마 내에 점진적으로 농집된다. 잔류 마그마의 분리나 결정 작용은 이들 원소가 풍부해진 화성암을 생성시킨다.

유문암질 마그마의 결정 작용의 결과로 생성되는 페그마타이트는 이러한 과정에 의해 생성되는 대표적인 예이다. 화강암질 암주나 저반이 생성되는 동안 일어나는 마그마 분화작용에 의해 일부 페그마타이트가 생성될 수 있다. 페그마타이트에는 Ba, Ta, Nb, U, Li 등의 미량원소들이 상당량 농집될 수 있으며, 이들 원소 함량이 특히 높은 페그마타이트는 유용한 광상으로 개발될 수 있다.

분별결정작용에 의한 마그마 분화작용 시 초기에 생성된 광물이 마그마 챔버의 바닥에 가라 앉으면 또 다른 종류의 광상이 생성될 수 있다. 결정침전이라고 불리는 이 과정에 의해 종종 유용한 광석광물의 분리가 일어나므로 광상을 형성하기도 한다. 세계 대부분의 유용한 크롬광산은 이러한 과정에 의해 크롬철석(FeTiO3)이 집적되어 형성되었다(그림4.41). 남아프리카, 짐바브웨, 구소련에 분포하는 대규모 크롭광산은 이 유형에 속한다. Ti의 주요 공급원인 티탄철석광상도 이와 동일한 마그마 분화작용에 의해 생성된다.

아직 완전한 연구가 부족하지만 결정침전과 유사한 농집과정으로서 물과 기름이 분리되듯이 어떤 마그마들은 두 가지의 불혼합 액상으로 분리되기도 한다. Cu, Ni이 풍부한 황화물 액상은 밀도가 커서 마그마 쳄버 바닥에 가라앉는다.

냉각 및 결정작용이 완료되어 생성된 화성암의 기저에는 Cu 또는 Ni이 풍부한 광상이 된다. 세계 최대의 니켈광상인 은타리오주의 서드베리광상은 이런 과정에 의해 생성된 것으로 추정되며 캐나다, 오스트레일리아, 짐바브웨에 분포하는 대규모의 니켈광상도 이러한 과정에 의해 생성된 광상들이다.

그림 4.41. 마그마 분화작용(분별결정작용) A : 감람석, 크롬철석, 장석의 세 가지 광물 입자가 마그마 쳄버 바닥에 차례로 침전하여 원래 마그마의 조성과는 현저히 다른 조성을 가진 세 유형의 암석을 생성시킨다. B : 남아프리카 부쉬벨트 화성암 복합암체의 분별결정작용에 의해 생성된 사장석(회색)과 크롬철석(검은색)의 층리.

 

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