변성작용(Metamorphism)은 암석에 큰 압력이 나 높은 온도가 가해질 때 화학성분의 가감이나 교대가 일어나는 현상을 말하며，기존 암석이 변성작용을 받아 형성된 새로운 암석을 변성암(Metamorphic Rock) 이 라 한다. 변성암은 화성암· 퇴적암 및 기존 변성암으로 부터 만들어 진다.
퇴적암ㆍ화성암도 마찬가지. 변성이란, 암석의 환경이 변화하면서 수반되는 모든 종류의 변화를 지칭한다. 보통 암석의 성질을 변화시키는 환경 요소는 열, 압력과 유체분압 세 가지를 가리킨다. 그리고 암석이 겪는 변화는 보통 조직(texture), 광물조합, 조성, 동위원소 비 등 다양한 모든 변화를 포괄한다. 뿐만 아니라 변성 작용은 굳이 닫힌계일 필요가 없으며 보통 변성암은 열린계(open system)를 가정하게 된다. 따라서 변성암의 진화 과정을 역추적한다는 것은 쉬운 일이 아니다.
위의 정의에만 근거하게 되면, 암석의 풍화, 퇴적물의 속성작용과 같은 현상도 변성으로 보게 된다. 그러나 '전통적으로' 변성암석학에서 말하는 변성은 이러한 저온 구간에서 일어나는 일들은 포함되지 않는다. 보통 약 150~200도 이상에서 일어나는 변화부터 변성 작용으로 포함시킨다. 변성 작용이 적용되는 상한선은 암석이 녹아버리는 시점이다. 휘발성 물질(물)이 많이 포함되어 있고 압력이 하부지각 정도에 이르면 보통 650도만 이르러도 암석이 녹기 시작하지만, 물이 별로 없게 되면 1000도 이상에서도 암석이 버텨낸다.
한편, 변성을 받기 전의 암석을 모암(protolith)라고 한다. 모암은 어떤 암석이든 될 수 있지만, 보통 모암의 성질을 분류하게 되면, 초염기성암(ultramafic), 고철질(mafic), 규장질(felsic) 화성암 기원, 탄산염암(carbonate) 기원, 그리고 퇴적암 기원(pelitic)으로 나누게 된다. 각 성분에 따라 나타나게 되는 변성암의 타입 광물이 변화하게 된다.
변성암에서 중요한 것은 보통 4가지 요소로 정리된다. 온도, 압력, 암석 성분, 그리고 유체 함유량이 그것인데, 유체 함유량을 암석의 성분으로 포함시켜 '성분'이라고 말하게 되면 3가지가 되고, 암석의 성분이 모암에 의해 결정된다면, 결국 변성암의 조직과 광물조성을 변화시키는 것은 온도와 압력이 된다. 따라서 변성암을 연구하는 데 있어 가장 기본은 압력과 온도를 제한하는 것이 된다.
어떤 모종의 암석이 특정한 압력과 온도 구간에 이르게 되면, 보통 그 압력과 온도에 가장 전형적으로 잘 자라는 광물들이 포함되게 된다. 지구 규산염질 암층의 성분은 보통 그 범위가 제한적이기 때문에, 해당 압력 온도에 만들어질 수 있는 변성 광물의 종류 역시 제한되는 것이다. 예컨대 충돌대의 환경에서 온도가 매우 높아지게 되면 사장석과 휘석이 암석을 주로 구성하게 된다.
따라서 만약 모암 성분을 고정시켜놓고 압력과 온도를 계속 변화시키면, 다양한 광물 조성의 압력-온도 영역이 나타나게 될 것이다. 1920년에 펜티 엘리스 에스콜라 (Pentti Eelis Eskola, 1883 ~ 1964) 라는 유명한 지질학자가 이 도표를 정립시켰는데, 이것이 변성상(metamorphic facies) 도표이다. 이 때 에스콜라가 기준으로 삼은 모암은 현무암이다.
(1) 변성작용의 요인
어떤 경우 하에서 안정하던 암석도 환경이 달라지면 불안정하게되어， 새로운 환경에서 안정할 수 있도록 변화해 간다. 지각 내부에서 암석의 환경을 결정짓는 주요 요소는 압력·온도·화학성분 등이다.
변성상은 대표적이고 결정적인 광물 조합을 선정하여 도시한 것으로 실제로는 더 복잡하다. 예를 들어, 같은 청색편암상(blueschist facies)이라도 압력과 온도 조건에 따라 로소나이트(lawsonite)가 들어있을 수도 있고 클리노조이사이트(Clinozoisite)가 들어있을 수도 있다.
유의할 점은, 해당 광물 조합은 전형적이긴 하지만 모암이 무엇이냐에 따라 조금씩 다를 수 있고, 극단적으론 전형적인 광물조합이 없을 수도 있다. 예를 들면, 석영질 사암을 백날 변성시켜봐야 석영이 잔뜩 들어간 규암 말고는 변성암을 만들 수 있을 리가 없다!
참고로, 변성대 (Metamorphic zone) 이나 변성 등급(metamorphic grade)와는 다른 개념이라는 것이다. 일부에서는 이들 역시 사용되는 용어이기 때문에 어떤 의미로 사용된 단어들인 지 주의할 필요가 있다.
변성암 중에는 압력이 한쪽으로 크게 작용하여 특이한 층상구조가 생기기도 하는데 이를 엽리라고 한다. 압력이 한 방향으로 작용할때는 암석에 포함된 광물들도 이에 영향을 받는다. 변성암에 포함된 운모, 녹니석 같은 판상광물들이 그 예다.
또한 변성암에 포함된 광물들은 열과 압력에 의해 결정의 크기가 바뀌는데 이를 재결정작용이라고 한다. 변성된 암석의 성질이 원래 암석과 완전히 달라지는 것도 재결정작용 때문이다. 경우에 따라서는 다른 광물 성질들이 섞이면서 재결정작용이 일어나 구성분자마저 다른 변성암이 만들어지는 변성교대작용이 일어나기도한다.
1. diagenesis : 속성작용 영역입니다. 저정도 온도 압력에서는 퇴적암이 형성되는 수준이기에 변성과정은 나타나지 않는다는 것입니다.
2. zeolite : 제올라이트상입니다. 주로 섭입대의 섭입이 시작되는 비교적 작은 압력 환경에서 현무암과 퇴적물, 유체에 의해 나타나는 변성광물입니다. 라는
3. P-P : Prehnite-pumpellyite, 그러니까 프레나이트 - 펌펠라이트 상입니다. 이 아이는 제올라이트와 거의 유사한 환경입니다.
4. Blueschist : 청색편암상입니다. 온도보다는 압력이 유효한 환경에서 만들어지는 변성암인데, 대부분 섭입대 환경에서 나타납니다. 특히 압력에 비해 비정상적으로 낮은 온도는 차가운 해양판이 깊은곳까지 섭입하였을 때 나타날 수 있는 환경이며, 이런 환경에서 현무암이 변성을 겪으며 나타난다고 생각하면 됩니다.
5. eclogite : 에클로자이트상입니다. 청색편암상과 유사한 환경지만 압력이나 온도조건이 더 높습니다. 지각에 비해 엄청나게 높은 압력에서 형성될 수 있으며, 밀도가 굉장히 크다는 특징을 보입니다. 청색편암과 마찬가지로 현무암이 변성을 받아 만들어집니다.
6. greenschist : 녹색편암상입니다. 현무암이 중저온이나 중저압력 환경의 광역 변성환경에 놓이면, 나타날 수 있습니다. 중앙해령에서도 녹색편암이 형성될 수 있다고 하네요.
7. amphibolite : 각섬암상입니다. 녹색편암과 유사한 환경이나, 더 높은 온도와 압력을 요구합니다. 쉽게말해 녹색편암이 더 높은 온도와 압력조건에 놓이면 각섬암상의 모습을 보이게 된다고 생각하면 됩니다.
8. granulite : 백립암상입니다. 녹색편암상, 각섬암상과 연속되는 아이쯤으로 생각하면 됩니다. 당연히 마찬가지로 광역변성 환경에서 보일 수 있습니다.
9. hornfels : 혼펠스상입니다. 화강암의 관입과 같은 환경에서 열이 주요하게 작용하여 만들어지는 접촉변성환경에서 나타납니다. 주로 셰일이 변성을 받았을 때 나타난다고 생각하시면 됩니다.
(가) 압력(Pressure)
지하에서 작용하는 압력에는 모든 방향으로 균일하게 가해지는 지압력(Confining Pressure) 과 특정방향에 대하여 더 크게
작용하는 편압(Differential Pressure) 의 두가지가 있다. 이 중 변성작용에 더 큰 역할을 하는 것은 강한 지압력이 작용하는
곳에 가해지는 편압의 작용이다 . 높은 지압력하에서 새로이 생성되는 광물은 가능한 한 작은 공간을 점유하는 광물 즉 밀도가 높은 광물이다. 그 대표적인 예로는 석류석을 들 수 있으며 아주 높은 압력하에서 만들어진다.
(나) 온도(Temperature)
일반적으로 온도가 높아지면 화학반응이 촉진되며 특히 저온에서 불가능한 반응이 고온에서는 가능할 수 있는 경우도 많다. 한 예로 백운모와 녹니석은 어떤 온도이상에서 서로 반응하여 흑운모로 변하지만, 그 온도에 도달하지 못할 때는 서로 접해 있어도 반응이 일어나지 않는다. 통상 온도가 10 0C 상승하면 광물의 유동성은 2배정도 증가한다.
온도와 압력 변화만으로 변성암이 될 수 있는건 아니지만, 이들이 변하지 않으면 변성암 자체가 만들어질 수 없으니 가장 중요한 요인입니다. 퇴적암이 만들어지는 속성작용보다는 온도와 압력 범위가 높아야 되고, 부분 용융이 아닌 완전 용융되어버리는 온도와 압력 범위가 낮아야 합니다.
(다) 화학성분
압력과 온도는 암석의 전체적인 화학성분을 변케할 수는 없다. 화학성분의 변화는 외부로부터 어떤 성분이 가해질때 가능
하다. 화학성분을 변화시키는데 가장 기여하고 있는 것은 마그마로부터 주위의 압석으로 공급되는 액체와 기체 등이다.
온도와 압력 변화만큼이나 엄청나게 중요한 요소입니다. 온도나 압력이 아무리 변화하더라도 활성화 유체가 없으면 변성암은 만들어지기 어렵습니다. 활성화 유체는 광물 입자와 입자사이에 존재하는 아이들로 물을 포함하여 유동성이 있는 모든 유체를 지칭합니다. 입자와 입자사이 공간에 존재할 수도 있고, 높아진 온도와 압력에 의해 광물의 -OH 기에서 빠져나와 물로 존재할 수도 있습니다.
어찌되었든 이들 유체는 기존 광물 결정을 구성하는 입자들의 이동통로 역할을 합니다. 기존 광물의 입자들이 유체로 녹아들며 새로운 광물로 성장하면서 공극은 줄어들고, 기존 광물 입자의 크기는 증가하게 됩니다. 그래서 보통은 변성이 진행되며 유체는 빠져나가고 공극의 크기는 작아지면서 동시에 기존 입자는 형태가 변화함과 동시게 크기가 증가하게 됩니다.
만약 유체가 없다면? 이런 이동통로가 없는 샘이기 때문에 변성속도는 굉장히 느려집니다. 광물입자가 기존 고체에서 고체로 이동해야 한다고 생각하면 쉽습니다. 엄청 느리겠죠? 후에 서술할 내용이긴 하지만, 전진 변성작용은 변성속도가 빠르고 후퇴 변성작용은 변성속도가 느린데, 이게 다 유체의 존재 여부가 원인이 되기 때문입니다.
(2) 변성암의 구조
암석이 변성작용을 받으면 압력의 방향과 관련하여 평행구조가 생겨나며， 이에는 쪼개짐，편리， 편마구조， 선구선 등이 있다.
(가) 쪼개짐(Cleavage)
세립질인 암석에 틈이 발달되어 쪼개지는 성질을 쪼개짐이라 하며，대표적인 예는 셰일의 약한 변성으로 생성된 슬레이트에서 볼 수 있다. 슬레이트의 쪼개짐은 슬레이트를 구성하는 광물입자들의 배열방향과는 거의 무관하게 압력의 작용에 의해 틈이 발생하며， 일정한 두께의 앓은 판으로 쪼개지는 성질을 보여준다.
(나) 엽리(Foliation)
암석이 재결정작용을 받아 운모와 같은 판상광물이 평행하게 배열되면 변성암은 평행구조를 보여주며，이런 구조를 말한다.
(다) 편리(Schistosity)
재결정되어 만들어진 변성암의 광물들이 세립질이지만 육안으로 구별이 가능하고 엽리를 가질 때 이 구조를 말한다.
(라) 편마구조(Gneissosity)
엽리를 강는 편마암의 입자가 클때 그 암석의 평행구조를 말한다.
(마) 선구조(Lineation)
변성암에 바늘 모양의 광물혹은 주상광물이 한 방향으로 평행하게 배열된 것을 말하며 이 구조는 엽리가 없는 암석에서도
나타날 수 있고 엽리가 존재하는 암석에서는 엽리면에 집중되어 나타난다. 이밖에도 선구조는 습곡축， 소규모습곡， 쪼개짐이나 엽리의 교호선 등에도 나타난다.
(3) 변성암의 종류
변성작용은 변성작용의 요인에 따라 파쇄작용(Cataclasis) , 동력변성작용(Regional Metamorphism) , 접촉변성작용(Contact Metamorphism) 의 셋으로 구분되며， 이에 따라 생성되는 변성암 중 주요한 것은 다음과 같다.
(가) 압쇄암(Mylonite)
암석이 암열대에서 심한 기계적 파쇄작용 (Mylonitization)을 받을 때 , 0.01-0.lmm 의 가루로 부서 진 상태 에 서 굳은 변성암을 말한다. 화강암, 편마암，세립질 암석 등이 파쇄암으로 변하는 경우가 흔하다.
보통 변성암이 형성되는 과정에서 입자의 크기는 커지는 경우가 많습니다. 변성과정에서 열의 영향을 받아 입자의 재결정화가 발생하기 때문인데, 압력이 유효한 파쇄변성과정은 압력에 의해 입자가 깨지는 과정을 수반하고, 이에 입자의 크기가 작아지는 방향의 변성이 발생합니다.
지표부근 암석이 단층과 같은 현상에 의한 압력을 받아 나타나는 변성작용입니다. 이 경우 안구상 편마암이나 압쇄 편마암 등이 나타날 수 있다고 합니다. 파쇄 변성작용은 조금 재미있는 부분이 있습니다. 보통 변성암이 형성되는 과정에서 입자의 크기는 커지는 경우가 많습니다.
변성과정에서 열의 영향을 받아 입자의 재결정화가 발생하기 때문인데, 압력이 유효한 파쇄변성과정은 압력에 의해 입자가 깨지는 과정을 수반하고, 이에 입자의 크기가 작아지는 방향의 변성이 발생합니다.
(나) 안구상 편마암(Augen Gneiss)
파쇄작용에 의한 변성암 중 유색광물과 무색광물이 호층(Alteration)을 이뤄 호상구조(Banded Structure) 를 잘 보여주는
완전히 재결정된 편마암으로서， 변성되기 전의 큰 자형결정이 마모·압연되어 눈 (Augen) 모양의 단면을 나타내는 구상변정(Porphyroblst) 을 포함하는 암석이다. 엽리는 뚜렷하지 못하다.
(다) 편마암(Gneiss)
입도가 큰 두 종류 이상의 광물들이 불완전·불규칙한 호층을 이루며 편마구조를 보여주는 동력변성작용에 의한 암석으로서，장석을 가장 많이 포함하며 석영·운모·각섬석·휘석·석류석을 포함한다. 구조와 광물성분및 원암의 종류에 따라 다시 세분된다.
섭입대에서 나타나는 판 구조 운동 및 조산운동과 관련된 것으로 생각되고 있습니다. 이런 지역은 넓은 범위에 걸쳐 큰 압력변화를 겪으며 동시에 화강암질 마그마의 관입에 따른 온도변화를 겪게 됩니다. 또한 지하 내부로 들어갈 수록 나타나는 지온 증가도 온도 변화의 한 원인으로 알려져 있습니다.
하지만 온도변화의 자세한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다고 하네요. 어찌되었든 광역변성작용이 나타나려면, 접촉변성과는 달리 광범위한 온도와 압력 변화가 있어야 하고, 이런 이유로 접촉변성작용과는 달리 넓은 범위에 걸쳐 나타난다고 합니다.
1) 구조에 의 한 분류
화강편마암·섬록편마암(Diorite Gneiss) 반려편마암(Gabbro Gneiss), 흑운모 편마암(Mica Gneiss), 각섬석편마암(Hornblende Gneiss) , 휘석편마암(Augite Gneiss)
2) 원암의 종류에 의한 분류
정편마암(Orthogneiss : 화성암 기원)， 준편마암(Paragneiss : 퇴적암 기원)，역암편마암(Conglomerate Gneiss : 역암 기원)，규암 편마암(Quartzite Gneiss)
(라) 편암(Schist)
가장 분포가 넓은 동력 변성암으로서 육안으로 결정의 구별은 가능하나 편마암보다는 작은 결정의 변성암이다. 엽상구조는 편마암보다 얇고 뚜렷하며 편리에 따라 잘 쪼개지는 파면은 침상을 이루는 경우가 많고 주 성분광물은 석영， 백운모， 견운모，부성분광물은 흑운모，각섬석， 녹니석，흑연，휘석 등으로서 장석류는 적은 편이다.
(마) 천매암(Phyllite)
변성정도가 편암보다 낮고 슬레이트보다는 높은 변성암으로서 구성광물의 입자는 식별이 어려울 정도로 작다. 편리면은 강한 광택을 발하는데 이는 세립의 견운모에 의한 것이다. 세립의 석영과 견운모가 주성분광물이며 녹니석，녹렴석， 방해석도 다소 들어있다. 전체적으로 슬레이트보다는 입도가 크며 변성정도가 높은 천매암 중에는 석류석 같은 커다란 반상변정이 포함되는 경우도 있다.
(바) 슬레이트 (Slate)
보통， 육안으로 식별할 수 있는 광물이 발견되지 않는 입도가 작은 변성암으로서， 현미경 하에서도 석영 중 일부가 관찰가능할 뿐이다. 슬레이트는 평행한 앓은 판으로 쪼개짐이 특징이므로 판암으로도 불린다. 슬레이트는 셰일로 부터 변성된 암석으로서 변성정도에 따른 생성순서는 다음과 같다.
셰 일→슬레이트(점판암→운모판암)→천매암→편암
슬레이트의 쪼개짐은 엽리와 관계없이 발달되며， 어떤 곳에는 층리와 칙각으로 나타난다. 따라서 층면의 주향과 경사를 측정할 때는 쪼개짐과 층리의 구분에 세심한 주의가 필요하다.
(사) 혼펠스 (Hornfels)
주로 셰일로 부터 생성된 접촉변성암으로서 흑색세립(1 mm이하의
직경)의 치밀견고한 암석이다. 편리의 발달은 없거나 불량하고 주요구성광물은 석영·흑운모·백운모·장석이며 석류석·홍주석·근청석·휘석·각섬석이 포함된다. 파면이 쇠뿔이 부러졌을 때처럽 꺼칠 꺼칠한 면을 보여주므로 혼펠스라는 이름이 붙여졌으나 협의의 혼펠스 외에 석회질암석+의 혼펠스도 었다.
접촉변성작용은 말 그대로 접촉 과정에서 발생하는 변성작용입니다. 주로 마그마의 관입에 의해 나타나는데, 위 그림과 같이 마그마 관입이 발생하면 기존 암석은 마그마의 열을 받게 됩니다. 기존 암석이 녹지 않는 수준으로만 열을받게되면 주로 열에 의한 변성이 발생하게 됩니다. 이 과정에서 압력의 변화도 겪게되나 열 변화보다는 크지 않습니다.
또한 암석은 열 전도율이 높지 않습니다. 결국 마그마와 접촉해 있는 부분에서만 열에의한 변성이 나타나고, 그 주변부는 별 일 없는 것입니다. 그래서 접촉변성과정이 나타나는 영역을 좁다고 이야기 하는 것입니다. 이렇게 열에 의해 변성이 발생하는 변성과정을 접촉변성작용이라 합니다.
(아) 변후안산암(Propylite)
화산에서 공급된 열수에 의해 안산암(Andesite)이 변질되어 생성된 암석으로서 녹색을 띤다.
(자) 영운암(Greisen)
화강암이 열수작용을 받아 석영과 백운모만으로 구성된 암석
(차) 규암(Quartzite)
석영립을 주성분으로 하는 사암 또는 화강암이 큰 압력에 의해 입자들이 서로 껴안는 형태로 변성된 암석으로서，파면은 석영의 파면처럼 매끈한 면을 보여준다.
(가) 대리암(Marble)
석회암이나 돌로스톤 (Dolostone)이 압력과 열의 작용을 받으면 방해석 결정의 집합체인 결정질 석회암(Crystalline Limestone)으로 변하는데 이를 대리암이라 한다.
(타) 무연탄과 토상흑연(Anthracite & Graphite)
암석이 압력과 열을 받으면 먼저 무연탄으로 변하고 다음에는 토상흑연으로 변한다.
( 파) 사문암(Serpentine)
감람석，각섬석，휘석 등으로 이루어진 초염기성암이 열수의 작용을 받아， 암녹색，암적색，녹황색의 광택을 보이며， 일정한 결정이 보이지 않고 변성시 분리된 방해석이 불규칙한 흰무늬를 나타내는 것을 사문암이라 한다. 사문암 내에는 암선(Asbestos)이 맥상으로 협재하는 경우가 많으며 본암은 풍화에 매우 약한 특성을 갖고 있어 토목시공 시는 주의를 요하는 암석이다.
* 변성상 개념도
- 접촉변성과정 : 주로 열에의한 변성, 위 그래프에서 A 선이 접촉변성과정
- 광역변성과정 : 열과 압력이 모두 작용하는 변성, 위 그래프에서 B 선이 접촉변성과정
- 파쇄변성과정이나 섭입대 : 파쇄변성과정은 압력 변화가 주를 이룹니다. C 그래프 방향의 얕은곳에 해당하고, 섭입대의 경우 C 그래프 전반에 해당 됩니다.
- 매몰변성과정 : 약한 열과압력이 작용하니 B 그래프의 얕은 곳까지만 해당 됩니다.