역학적 변형작용과 화학적 재결정작용(변성분대)
변성작용의 종류
온도와 압력의 변화에 의하여 일어나는 변성작용은 역학적 변형작용과 화학적 재결정작용으로 크게 구분할 수 있다. 이 두 종류 작용은 보통 함께 일어나지만, 가끔 변성작용에 의한 변화는 화학적 재결정작용보다는 역학적 변형작용에 의한 영향이 크거나 그 반대인 경우도 있다. 역학적 변형작용으로서는 마모, 파쇄 및 엽리의 발달 등을 들 수 있다. 그림 7.4에서 볼 수 있는 변형된 역암은 역학적 변형이 큰 영향을 끼친 하나의 예이다.
화학적 재결정작용으로서는 암석이 열을 받음으로써 발생하는 광물의 성분변화, 새로운 광물의 생성 및 H2O와 CO2의 손실 등을 포함한다. 여러 가지의 변성작용은 이러한 두 가지 작용의 강약의 정도를 나타낼수 있다.
파쇄변성작용
화학적 재결정작용이 일어나지 않고 역학적 변형작용만 일어날 수도 있다. 이런 변성작용은 부분적으로 일어나며 화성암에서 주로 관찰된다. 예를 들면, 화강암처럼 조립질 암석이 매우 강한 차등응력을 받게 되면 각각의 입자들은 파쇄되어 분말처럼 된다.
이런 종류의 변형작용을 파쇄변성작용(cataclasic metamorphism)이라한다. 파쇄변성작용이 진행될 때, 광물입자와 암석조각들은 길게 늘어나고 엽리가 발달하게 된다. 그림 7.11에서 두 사진들은 파쇄변성작용에 의한 화강암의 단계적인 변화를 보여준다.
접촉변성암의 변성흔적 넓이는 관임압체의 규모와 변성작용을 받는 암석에 포함된 H2O함량의 영향을 받는다. 불과 수 m 두께 정도의 암맥이나 암상처럼 소규모의 관입이 일어나는 경우에는 용액이 없다면 불과 수 cm 두께의 변성흔적대가 생성된다. 단단하고 균질한 크기의 입자들이 치밀하게 맞물려있는 변성암을 혼펠스(hornfels)라 부른다. 대규모 관입암체는 소규모 암체에 비하여 많은 열에너지를 수반하며, 많은 양의 H2O기체를 방출한다. 관입암체의 직경이 1km 이상 되는 경우, 100m이상 두께의 변성흔적대가 형성되며 변성암은 조립질로 나타나는 경향이 있다.
용액이 통과한 대규모 변성흔적대 내는 그림7.12처럼 동심원상으로 분포하는 광물조합들을 관찰할 수 있다. 각 변성대에서는 특정 온도범위에 해당하는 특징을 발견할 수 있다. 온도가 높은 관입체 접촉부에서는 석류석, 휘석과 같은 무수광물들이 발견된다. 좀 더 떨어진 곳에서는 녹염석과 각섬석과 같은 함수광물이 나타나고, 더욱 먼 곳에서는 운모와 녹니석이 발견된다. 각 변성대의 광물조합은 온도와 압력은 물론이고 관입을 당하는 암석과 용액의 화학성분에 의하여 영향을 받는다.
매몰변성작용
협재되는 화산성쇄설물을 포함한 퇴적물이 퇴적분지에 깊게 매몰되면 300℃이상의 온도를 받게 된다. 매몰된 퇴적물은 많은 양의 공극수를 함유하고 있는데, 이 공극수는 화학적 재결정작용을 촉진시키며 새로운 광물들이 생성되도록 영향을 끼친다. 물을 많이 포함하는 퇴적물은 약하므로 고체라기보다는 액체처럼 작용하며, 따라서 매몰변성작용(burial metamorphism) 중 받는 응력은 균일한 경향이 있다.
결과적으로 매몰변성작용에 의해서는 역학적 변형이 미미한 편이며, 변성암의 조직은 광물조합이 완전히 변하더라도 변질받지 않은 퇴적암처럼 보인다.
접촉변성작용
접촉변성작용(contact metamorphism)은 마그마 주변에서 일어난다. 이런 변성작용은 화학적 재결정작용을 수반하며, 현저한 온도의 상승에 의한 영향 때문에 발생한다. 마그마 주변의 응력은 균질하므로 역학적 변형작용은 미미하거나 일어나지 않는다. 관입체 주변의 암석은 열의 영향으로 변성작용을 받게되는데, 변질대 또는 변성흔적대(metamorphism aureole)를 생성하게 된다(그림7.12).
매몰변성작용의 조건을 나타내는 광물군으로서는 불석(zeolite)이 있다. 불석은 장석과 유사한 화학조성을 하면서도 물을 함유한다. 속성작용 이후 첫 번째 변성작용인 매몰변성작용은 판의 경계부에 의치하는 해구와 같은 깊은 퇴적분지에서 주로 일어난다. 온도와 압력이 증가함에 따라 매몰변성작용은 점차적으로 광역변성작용으로 변한다.
광역변성작용
대륙지각에서 볼 수 있는 변성암은 수만 ㎢로 발견되는데, 이런 대규모 변성암은 광역변성작용(regional metamorphism)으로 생성된다.접촉변성작용이나 매몰변성작용과는 달리 광역변성작용 시에는 화학적 재결정작용 외에도 차등응력과 역학적 변형을 받게 된다. 결과적으로 광역변성작용을 받은 암석은 뚜렷한 엽리를 보여주는 경향이 있다. 점판암, 천매암, 편암 및 편마암은 광역변성작용을 받은 암석에서 흔히 볼 수 있으며, 이러한 암석들은 산맥이나 산맥이 침식을 받아 남아있는 지역에서 주로 발견된다.
광역변성작용을 받아 생성된 산맥은 대륙판 조각들끼리 섭입을 하거나 충돌을 하는 곳에서 나타난다. 대륙이 충돌하는 동안에는 대륙 가장자리를 따라 분포하는 퇴적암들은 강한 차등응력을 받게 된다. 점판암, 천매암, 편암, 편마암으로 나타나는 엽리는 이런 강한 응력 때문에 생겨나며 따라서 광역변성작용은 판의 운동에 의해 일어난다.
녹색편암과 각섬석도 광역변성작용의 산물이다. 이러한 암석들은 현무암질의 고해양지각의 일부가 대륙지각과 합쳐진 후 나중에 변성작용을 받은 곳에서 생성된다. 광역변성작용 동안 발생하는 현상을 알아보기 위하여 수평압축응력을 받는 지각의 조각을 살펴보면, 지각의 암석은 습곡을 받고 휘게 된다.
변성분대
같은 화학조성을 하고 있는 암석들을 서로 다른 광물조합을 이루는 일련의 몇 개 지역으로 구분할 수 있었다. 각 광물조합은 새롭게 나타나는 광물들에 의해 특징 지워진다. 저변성암에서 고변성암으로 이르는 지역에서 새로운 광물조합을 나타내는 특징적인 지시광물들(index minerals)을 선정하였다.
지시광물들은 녹니석, 흑운모, 석류석, 남정석, 규선석 순으로 나타난다. 셰일의 화학조성을 같는 암석에는 스코틀랜드지역에서 등변성도선을 결정하였다. 등변성도선(isograd)은 변성암에서 어떤 광물이 처음 나타나는 지점을 연결한 선이다. 등변성도선은 여러종류의 변성암을 연구하는데 널리 이용되며, 광역변성작용과 마찬가지로 매몰 및 접촉변성작용에서도 이용된다. 등변성도선 사이의 지역을 변성분대(metamorphic zone)라 한다. 녹니석대, 흑운모대 등으로 표시하는데, 변성암들간 서로 관계를 보여주는 지도에서 사용된다(그림7.13).