화성암

화성암은 마그마가 식어서 만들어지는 암석을 말한다. 즉 화성암에서 가장 중요한 점은 ‘마그마’라는 물질과 ‘식는 과정’ 이 2가지이다. 우선 마그마가 어떤 물질인지에 대해 살펴볼 필요가 있다.

마그마는 용융된 액체 상태의 암석, 광물, 용해된 휘발 성분, 미쳐 용융되지 못한 암석들이 뭉쳐서 만들어진 덩어리를 말한다. 지구는 핵을 제외하고(내핵은 고체, 외핵은 액체 상태) 맨틀과 지각이 대부분 고체 상태이다. 이 고체 상태의 암석들이 마그마를 만들기 위해서는 어떤 환경이든 일단 이 암석이 녹아야 한다. 암석이 녹아 액체 상태가 되려면 3가지 조건이 필요한데 감압, 수화, 가열이 바로 그것이다. 이 3가지 조건 중 하나만 만족하면 암석은 용융되어 액체 상태가 될 수 있다.

첫째로 감압은 암석에 가해지던 압력이 감소하는 것을 말한다. 보통 압력이 올라가면 녹는점이 올라가는데 반대로 보면 압력이 내려가면 녹는점이 내려가게 된다. 즉 같은 온도라는 전제에서 고체 상태이던 암석이 압력이 내려가면 녹아서 액체상태가 된다는 것이다. 이 압력이 감소하는 정도는 암석이 매장되어 있는 깊이로 구분을 한다. 압력이 높은 상태라면 보통 아주 깊은 곳에 암석이 위치해 있다는 것을 의미하는 것이다.

지구상의 물질이 온도와 압력에 따라 어떤 상태가 되는지에 대해서는 좀 더 자세히 볼 필요가 있다. 가장 중요하게 봐야 할 점은 녹는점과 온도, 압력이다. 우선 지표면에서는 암석에 가해지는 압력이 기본적으로 낮기 때문에 녹는점이 아주 낮은데 기본적으로 암석의 온도 자체도 낮을 수 밖에 없기 때문에 고체 상태로 존재하게 된다. 그 다음이 맨틀 부분인데 상부맨틀(25 ~ 300km 깊이) 깊이로 내려가게 되면 압력이 높아지면서 암석의 녹는점도 올라가게 된다. 물론 깊이가 깊어지면서 온도도 올라가지만 녹는점까지 올라갈 정도는 아니기 때문에 상부 맨틀 대부분은 암석이 고체 상태로 존재하게 되며 부분적으로 감압, 수화, 가열 과정을 겪은 암석이 액체 상태로 용융이 되어있기도 하다.

마그마는 보통 이 상부맨틀에서 만들어지며 맨틀이 대부분 감람석, 휘석과 같은 고철질 광물로 구성이 된다는 점을 미루어볼 때 마그마가 만들어지는 초기에는 마그마가 고철질 광물로 구성이 되어있을 가능성이 높다. 이 감람암은 위로 1km 상승할 때 녹는점이 3 ~ 4℃정도 내려가는 것으로 알려져 있다. 마그마는 보통 밀도차이에 의해 위로 밀려 올라가는데 그 과정에서 녹는점이 내려가 암석의 용융이 더 활발하게 이루어지게 된다.

둘째로 수화는 물이 암석에 포함되면서 녹는점을 내려서 암석이 용융되는 것을 말한다. 맨틀 대부분을 구성하는 감람암은 물이 포함되면 녹는점이 1,500℃에서 800℃까지 떨어지게 된다. 즉 물이 유입되면 암석은 녹는점이 내려가 융해되어 마그마가 만들어질 수 있게 된다. 이 물은 마그마가 상승하면서 물과 만나 결합하는 그림이 보통 보이는 모습이다.

셋째로 가열은 암석이 용융되는 가장 흔한 모습이다. 암석이 감압이든 수화든 영향을 받아서 녹는점이 내려가도 온도가 녹는점 이상 올라가지 않으면 녹지 않는다. 즉 가열은 암석의 용융에서 결코 빠져선 안 되는 요소라고 볼 수 있다. 이 열이 오는 근원에 대해서는 하부 맨틀이나 핵으로부터 오는 열이라고 알려져 있지만 자세한 경로는 아직 미지수이다.

위의 과정을 통해 만들어지는 마그마는 이산화규소(SiO₂)의 함량에 따라 현무암질, 안산암질 유문암질 마그마 3가지로 나누는데 각각 이산화규소 함유량이 50%, 60%, 70%이다. 초기의 마그마(보통 분화되기 전을 말함)는 보통 현무암질 마그마인 경우가 많다. 즉 SiO₂의 함량이 상대적으로 작다는 것이다. 마그마가 SiO₂의 함량에 따라 구분이 되듯 암석도 똑같이 구분이 되는데 암석에서 SiO₂의 함량이 45% 이하이면 초고철질 암석(Ultrabasic), 45 ~ 53%는 고철질(Basic), 53 ~ 63%는 중성질(Intermediate), 63% 이상은 규장질 암석으로 분류를 한다. 고철질에는 보통 철이온(Fe²⁺)과 마그네슘이온(Mg²⁺)이 풍부하고 규소(Si)가 부족하며 규장질은 반대로 철이온(Fe²⁺)과 마그네슘이온(Mg²⁺)이 부족한 대신 규소(Si)가 풍부한 암석을 말하게 된다. 마그마는 보통 맨틀에서 만들어지며 맨틀 구성성분은 대부분 감람석, 휘석과 같은 고철질 광물이다. 즉 초기에 암석에서 만들어지는 마그마는 대부분 현무암질 마그마이며 이 마그마가 식어서 만들어지는 암석은 대부분 고철질 암석일 가능성이 높다.

이제 다음으로 중요한 점은 마그마가 식는 과정이다. 초기의 마그마는 고철질 마그마이며 이 마그마는 보통 주변 암석들에 비해 밀도가 낮기 때문에 위로 상승하게 되며 위로 올라가는 과정에서 마그마가 식기 시작한다. 여기서 녹는점이 비교적 높았던 물질이 먼저 식게 되는데 보통 철이온(Fe²⁺)과 마그네슘이온(Mg²⁺)이 풍부한 고철질 암석이 제일 먼저 식게 된다. 이는 현무암질 마그마에서 고철질 암석이 만들어지면서 상대적으로 마그마 내에 고철질 성분이 많이 줄어들게 된다. 즉 현무암질 마그마가 식으면 고철질 암석이 만들어지며 현무암질 마그마는 SiO2함량이 상대적으로 많은 안산암질 마그마로 바뀌게 되며 똑 같은 과정으로 안산암질 마그마는 유문암질 마그마로 바뀌게 된다. 이렇게 마그마에서 녹는점이 높은 물질들이 순서대로 식는 과정을 분화라고 한다. 현무암질 마그마는 마그마 생성 초기의 마그마로 분화 초기 마그마라고도 표현할 수 있다.

2. 화산암(Volcanic Rocks)

심성암이 화성암 중 조립질로 된 암석을 말한다면 화산암은 비현정질(입자 크기가 0.1mm 이하)로 구성된 암석을 말한다. 화산암은 보통 마그마가 지표면 밖으로 분출이 되는 환경에서 만들어지기 때문에 분출암(Extrusive Rocks)이라고도 하는데 항상 이렇지는 않고 지표면 아래에서 마그마가 굳어도 비현정질의 암석이 만들어지기도 한다. 그래서 화산암은 화성암 중 비현정질로 구성된 암석이라고 표현하는 것이 더 정확하다고 볼 수 있다.

위에서 화산암은 광물 크기가 0.1mm 이하인 비현정질로 구성된 암석이라고 정의를 했지만 사실 암석 전체가 비현정질일 필요는 없다. 내부를 현미경으로 관찰해보면 보통 비현정질 광물 사이에 큰 광물이 박혀있는 경우가 많다. 여기서 결정 크기가 더 큰 쪽을 ‘반정(Phencrysts)’이라고 하고 결정 크기가 작은 쪽을 ‘석기(Groundmass)’라고 부른다. 그리고 이렇게 반정과 석기로 이루어진 조직을 반상조직이라고 부르는데 화산암에서 흔히 볼 수 있는 조직이다. 이 반상조직이 나타나는 이유는 마그마가 밀도차이로 인해 지표면으로 상승하는 과정에서 내부 광물 중 일부가 천천히 식어서 결정이 만들어지기 때문이다. 이렇게 마그마 내부가 부분적으로 천천히 식어서 결정이 충분히 자란 다음 지표면으로 분출되면 빠르게 식어서 광물 크기가 아주 작은 비현정질의 암석이 만들어지게 된다. 이 비현정질 부분이 위에서 언급된 ‘석기’가 되며 지표면으로 분출되기 이전에 자랐던 광물은 ‘반정’이 되는 것이다.

화산암은 크게 이산화규소(SiO₂)의 무게 함량과 Na₂O, K₂O를 합친 무게 함량의 퍼센트 비율에 따라 보통 분류가 나뉘게 된다. 위에 표는 총알칼리도표라고 하는데 표를 보면 우리에게 친숙한 화산암인 현무암(Basalt), 현무암질 안산암(Basaltic Andesite), 안산암(Andesite), 석영 안산암(Dacite), 유문암(Rhyolite)들이 알칼리 함량이 1 ~ 10% 정도로 아주 낮다는 것을 확인해 볼 수 있다. 그리고 SiO2의 함량이 45% 이하이면 초고철질 화산암(Ultrabasic), 45 ~ 53%는 고철질(Basic), 53 ~ 63%는 중성질(Intermediate), 63% 이상은 규장질 화산암으로 분류를 한다. 위에서 언급된 현무암, 안산암, 석영안산암, 유문암(영어 앞글자를 따서 BADR 계열이라고 한다)을 준알칼리 계열이라고 부른다. 그리고 준알칼리 계열의 화산암보다 알칼리 함유량이 높으면 알칼리 계열이라고 부르게 된다.

2-1 현무암

위의 표를 보면 알 수 있듯이 현무암은 고철질이며 알칼리 함유량이 적은 준알칼리 계열에 속하는 화산암이다. 고철질이라는 얘기는 이산화규소(SiO2)의 양이 상대적으로 적고 철(Fe)과 마그네슘(Mg)의 함량이 높다는 이야기이며 이는 마그마가 분화되기 이전, 즉 초기 마그마라는 이야기가 된다. 이 마그마는 현무암질 마그마라고 표현이 되며 이산화규소 함량이 50% 이하인 상태가 된다. 분화가 되기 전이기 때문에 온도가 가장 높은 마그마이며 끈적끈적한 기름처럼 움직이며 제일 유동성이 큰 마그마이다. 이 마그마가 분출이 되고 식으면 고철질 마그마에서 주로 나타나는 휘석, 감람석이 많이 산출되며 사장석도 같이 발견이 된다.