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2-2. 암석
지구상에는 입자 크기와 색깔이 다른 다양한 종류의 암석들이 존재하는데, 생성 기원에 따라 분류하면 크게 세 종류로 나눌 수 있다:
① 마그마가 굳어져서 생성된 화성암, ② 퇴적물이 굳어지거나 또는 화학적인 침전에 의해 이루어진 광물들이 굳어져서 생성된 퇴적암, ③ 기존의 암석이
생성 당시와 다른 온도와 압력 조건하에 놓일 경우, 새로운 환경에서 안정한 상태로 존재하는 광물들이 모여서 생성된 변성암으로 나누어진다. 이 장에서는
이러한 화성암, 퇴적암 및 변성암의 성인, 종류, 특성 등에 대해 설명하고자 한다.
2-2-1. 화성암
2-2-1-1. 마그마는 어디에서, 어떻게 만들어지는 것일까?
화성암은 암석이 녹아서 된 물질인 마그마가 굳어져서 만들어진 암석을 말한다. 지구의 내부에 존재하는 물질 중에 액체 상태인 것으로
알려진 외핵 부분을 제외한 지구 내부 물질은 대부분 고체로 되어 있는데, 그렇다면 마그마는 어디에서 만들어져 지표면을 향해 올라온 것일까? 액체
상태로 존재하는 외핵물질이 마그마가 된 것일까? 물론 그렇지는 않다. 왜냐하면 외핵은 철과 니켈을 주성분으로 하기 때문에 지각을 구성하는 암석들을
형성하는 주요 조암광물들(주로 산소와 규소로 이루어진 규산염광물)과 화학성분이 다를 뿐만 아니라, 이들은 비중이 커서 지각까지 올라올 수가 없기
때문이다. 그렇다면 화성암을 형성하는 마그마는 어디에서, 어떻게 만들어지는 것일까? 이것을 알기 위해서는 지구 내부의 온도 조건과 암석이 용융되기
위한 물리적인 조건 등에 대해 먼저 알아볼 필요가 있다.
지표면으로부터 지구 내부를 향해 들어갈수록 온도와 압력은 증가한다. 이처럼 지표면에서부터 지구의 내부를 향해 온도가 증가하는
비율을 지온상승률(geothermal gradient)이라고 한다. 그런데 정상적인 상태 하에서는 지온상승률이 지구내부 물질의 용융온도보다 더 낮기 때문에
마그마가 생성될 수 없다. 따라서 마그마가 생성되기 위해서는 조건의 변화가 일어나야 한다. 즉, 지구 내부의 어느 지점의 온도가 정상적인 상태
하에서의 지온상승률이 나타내는 온도보다 더 높은 온도로의 상승이 일어나거나, 아니면 지구내부에 있는 고체물질의 용융온도를 낮추어주는 변화가
일어나야 한다. 고체물질의 용융점은 압력이 낮아질수록 낮아질 뿐만 아니라 순수한 물질로 존재할 때보다 다른 물질이 섞임으로써 혼합물이 될 때
더 낮아진다. 따라서 이러한 조건의 변화가 일어나면 정상적인 지온상승률 하에서도 지구내부에 존재하는 암석의 부분용융이 일어날 수 있다. 다시
말하면 지구내부에서의 마그마의 형성은 고체물질의 용융온도를 낮추어주는 압력 강하 또는 고체물질로의 다른 물질의 유입 등을 통한 녹는점의 강하를
통해 일어날 수 있다. 지구에서 이러한 조건의 변화가 활발하게 일어나는 지역으로는 판과 판의 경계부분에 위치하는 중앙해령(mid-ocean ridge),
해구에서 판이 들어가는 섭입대(subduction zone) 및 판 내부에 위치하는 열점(hot spot)을 들 수 있다(그림2-2-1).
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| 그림 2-2-1. 중앙해령(ocean-ridge), 해구(trench) 및 열점(hot spot)을 보여주는 지구의 내부구조
(그림 출처: athene.as.arizona.edu/~lclose/te...ct4.html). |
①중앙해령: 지구상에서 가장 활발하게 화산활동이 일어나는 지역인 중앙해령 지역은 판과 판이 갈라지는 발산 경계부분으로서 맨틀을 구성하는 암석이
해양지각의 표면을 향해 상승하는 지역이다. 이처럼 암석이 상부로 이동하는 기작에 대해서는 맨틀대류에 의한 상부로의 이동과 섭입대에서의 슬랩
당기기(slab pulling)에 의한 상부로의 이동과 같은 서로 다른 이론이 제기되고 있다. 그러나 어떠한 작용이 중앙해령 부분에서 맨틀을 구성하는 암석을
상부로 이동시키는지에 대해서는 더 많은 연구가 진행되어야 할 것이다.
중앙해령 지역에서는 지각 하부에 존재하는 맨틀 구성 암석의 상부로의 이동에 따른 압력의 감소로 인해 암석의 용융점이 낮아지고 그 결과
맨틀 물질의 부분용융에 의해 마그마가 생성된다(그림 2-2-2). 이처럼 압력강하에 따른 암석의 용융온도 감소에 수반되어 나타나는 암석의 부분용융으로
인해 발산 경계지역인 중앙해령 지역이 지구상에서 가장 활발하게 화산활동이 일어나는 지역이 된 것이다.
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| 그림 2-2-2. 지온상승률과 암석의 용융관계를 보여주는 상평형도
(그림 출처: geosun.sjsu.edu/~jmiller/Geo1_Le...cks.html. |
②섭입대: 지구상에서 화성활동이 두 번째로 활발하게 일어나는 지역은 판과 판이 만나는 수렴경계 지역으로 잘 알려진 섭입대이다. 일반적으로
해양지각이 대륙지각과 만나는 경계지역으로 알려진 해구 지역에서는 더 무거운 해양지각이 대륙지각 아래로 들어가는 섭입이 일어난다. 이때 섭입하는
해양지각은 중앙해령 부분에서 화산활동에 의해 가열된 해수와 해양지각을 형성하는 현무암 사이에 일어난 열수변질작용에 의해 생성된 함수광물,
즉 물을 함유하는 광물을 포함한다. 이러한 해양지각이 섭입대를 따라 지하 심부로 들어감에 따라 온도와 압력의 증가로 인해 함수광물은 불안정해져서
물을 방출하며 새로운 환경에 안정한 무수광물로 바뀌게 된다. 이때 방출된 물은 상부로 이동하여 맨틀웨지를 구성하는 암석으로 유입된다. 이렇게
해서 유입된 물은 암석의 용융온도를 낮추는 역할을 하게 되며 이에 따라 암석의 부분용융이 일어나서 마그마를 생성하게 된다(그림 2-2-3). 이러한
지질작용을 통해 판과 판의 경계부인 섭입대에서는 활발한 화성활동이 일어나게 된다. 이러한 지역으로 태평양판과 유라시아판의 경계부에 위치하는
일본을 예로 들 수 있다.
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| 그림 2-2-3. 지온상승률과 암석의 용융관계를 보여주는 상평형도
(그림 출처: geosun.sjsu.edu/~jmiller/Geo1_Le...cks.html. |
③ 열점: 판과 판의 경계부는 아니지만 마그마가 생성되는 지역으로 판 내부에 위치하는 열점을 들 수 있다. 열점은 하부의 맨틀 구성암석이
이상적으로 높은 온도 상태가 됨에 따라 부피가 팽창하고 이로 인해 암석의 비중이 가벼워지면서 암석이 위로 상승하여 중앙해령 지역에서와
유사하게 압력의 감소에 의한 암석의 용융온도의 감소로 인한 마그마의 생성이 이루어지는 지역이다(그림 2-2-2). 이러한 지질작용에 의해
화산암이 만들어진 대표지역으로 하와이 제도를 이루고 있는 화산섬들을 들 수 있으며 제주도 역시 유라시아판 내부에 위치하는 열점에서
화산활동이 일어나 생성된 것으로 알려져 있다.
2-2-1-2. 화성암의 색 밝기는 왜 다양할까?
화성암은 어두운 색을 갖는 암석에서부터 밝은 색을 띠는 암석까지 다양한 색을 띠는 암석들로 되어있다. 암석의 색은 구성하는
광물의 입자 크기에 따라 영향을 받기는 하지만 대개 암석을 구성하는 주요 조암광물의 색이 어떠한가에 따라 달라진다. 유색광물(mafic mineral)이라
불리는 어두운 색의 광물을 많이 함유할수록 암석의 색은 당연히 어두워지는 반면에, 담색광물(felsic mineral)이라 불리는 밝은 색을 띠는 광물을 많이
함유할수록 그 암석은 밝은 색을 띠게 된다. 화성암을 구성하는 주요 조암광물 중에 유색광물에 해당하는 광물로는 감람석, 휘석, 각섬석류, 흑운모
등을 들 수 있으며, 담색광물로는 사장석, 정장석, 석영 등을 들 수 있다. 이러한 유색광물과 담색광물은 화학조성에 있어서 뚜렷한 차이를 보인다.
유색광물은 철과 마그네슘을 상대적으로 많이 함유하는 반면에, 담색광물은 규소, 칼륨, 및 나트륨을 상대적으로 많이 함유한다. 따라서 마그마의
화학성분에 따라서 이로부터 생성되는 주요광물의 종류도 달라진다. 상대적으로 많은 양의 철과 마그네슘을 함유하는 반면에 적은 양의 규소, 칼륨,
및 나트륨을 함유하는 마그마로부터는 유색광물들이 상대적으로 많이 생성되는 반면에, 이와 반대의 조성을 갖는 마그마로부터는 담색광물이 많이
생성된다.
규소의 함량이 낮은 반면에 마그네슘과 철의 함량이 상대적으로 높은 마그마를 고철질 마그마(mafic magma)라 부르며, 이와는
반대로 상대적으로 높은 규소, 칼륨 및 나트륨을 함유하는 마그마를 규장질 마그마(felsic magma)라고 부르며, 이 두 마그마의 중간적인 성분을
가지는 마그마를 중성질 마그마(intermediate kagma)라고 부른다. 고철질 마그마에 해당하는 마그마로 현무암질 마그마(basaltic magma)가
있으며, 규장질 마그마에 해당하는 것으로 유문암질 마그마(rhyolitic magma)가 있다. 중성질 마그마에 해당하는 것으로 안산암질
마그마(andesitic magma)가 있다. 그러면 마그마의 화학조성은 무엇에 의해 결정되는 것일까? 즉, 철과 마그네슘이 상대적으로 많이 들어 있는
고철질 마그마와 이와는 달리 규소, 칼륨 및 나트륨이 많이 들어있는 규장질 마그마는 각각 어디에서 어떻게 만들어지는 것일까?
서로 다른 화학성분을 갖는 마그마는 일차적으로 어떠한 암석이 녹아서 마그마가 되느냐, 즉 마그마의 근원암이 무엇이냐에 따라
달라진다. 고철질 마그마인 현무암질 마그마는 대개 맨틀을 구성하는 암석이 녹아서 만들어지는 반면에, 규장질 마그마인 유문암질 마그마는 하부지각
물질이 녹아서 만들어진다. 맨틀을 구성하는 암석은 주로 감람석과 휘석으로 이루어진 유색광물이 90% 이상을 차지하는, 따라서 마그네슘과 철을 많이
함유하는 반면에 규소를 적게 함유하는 암석으로 되어 있다. 이와는 달리 하부지각은 맨틀을 구성하는 암석보다는 규소, 칼륨 및 나트륨을 많이 함유하는
반면에, 마그네슘과 철을 적게 함유하는 암석으로 되어있다. 이처럼 서로 다른 화학조성을 가지는 암석이 녹게 되면 이로부터 생성된 마그마는 그러한
근원암의 화학조성을 반영하는 조성을 갖게 되는 것이다. 그 결과 맨틀 물질의 용융에 의해서 만들어지는 현무암질 마그마는 어두운 색을 갖는
유색광물을 많이 포함하는 화성암을 형성하는 반면에, 하부지각 물질의 용융에 의해서 만들어지는 유문암질 마그마는 밝은 색을 갖는 담색광물을 많이
갖는 화성암을 형성하게 된다. 이처럼 마그마의 화학조성에 따라 색을 달리하는 화성암이 생성되는 것이다.
2-2-1-3. 화성암의 입자 크기는 왜 다양할까?
화성암을 보면 암석에 따라 입자의 크기가 서로 다른 것을 알 수 있다. 육안으로도 식별이 가능할 정도로 큰 입자들로 이루어져 있는
암석에서부터, 편광현미경을 이용하여 관찰하여야만 식별이 가능한 작은 광물 입자로 되어 있는 암석, 또는 광물 입자가 아닌 유리질로 되어 있는
암석까지 다양한 암석들을 볼 수 있다. 마그마로부터 이처럼 다양한 크기를 갖는 입자들이 형성되는 되는 어떤 요인들이 관련되는 것일까?
마그마로부터 형성되는 입자들의 크기에 영향을 미치는 주요 요인으로는 마그마의 냉각속도를 들 수 있다. 그림 2-2-4에서 볼 수 있는
것처럼 과냉각된 정도가 크면 클수록, 즉 냉각속도가 빠르면 빠를수록 이 마그마로부터 형성되는 입자의 크기는 작은 반면에, 과냉각 정도가 작은
마그마로부터 형성되는 입자들은 상대적으로 큰 크기를 갖게 된다. 냉각되는 마그마로부터 입자들이 형성될 때 이들 입자의 크기는 두 가지 요인,
즉 결정을 형성하는 과정에서 처음으로 형성되는 결정핵의 형성속도인 핵형성속도(nucleation rate)와 이 결정핵을 중심으로 결정이 성장해 나가는
속도인 성장속도(growth rate)에 의해 영향을 받는다.
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| 그림 2-2-4. (그림 출처: www.tulane.edu/~sanelson/eens212...ocks.htm). |
이 두 가지 요인들이 마그마로부터 생성되는 입자들의 크기에 어떻게 영향을 미치는지를 그림을 통해 살펴보면 다음과 같다. 그림에서 볼 수 있는
것처럼 과냉각 정도가 작은 경우(그림 2-2-4의 A영역)에는, 핵형성속도는 느린 반면에 결정의 성장속도가 빠르기 때문에 커다란 입자들로 이루어진
암석이 생성된다. 이러한 상태 하에서 만들어진 암석은 육안으로 식별이 가능할 정도로 커다란 입자들로 이루어진 암석을 형성하며, 이러한 암석을
관입암(intrusive rocks) 또는 심성암(plutonic rocks)이라고 한다. 과냉각 정도가 큰 경우(그림 2-2-4의 C영역)에는, 핵형성속도와 결정의 성장속도가
모두 느리기 때문에 결정을 만드는 핵의 수가 작아서 결정 입자들이 잘 만들어지지 않을 뿐만 아니라 성장속도도 느리기 때문에 거의 대부분이
화산유리로 된 암석이 형성된다. 이러한 암석은 유리질의 분출암(extrusive rocks) 또는 화산암(volcanic rocks)을 형성하게 된다. 위의 두 가지
경우와는 달리, 과냉각 정도가 중간 정도인 경우(그림 2-2-4의 B영역)에는, 결정의 핵형성 속도는 빠른 반면에 성장속도가 느리기 때문에, 마그마로부터
결정을 만드는데 필요한 핵은 많이 형성되지만 이들 결정핵으로부터 결정이 성장하는 속도가 느리기 때문에 작은 광물 입자들로 이루어진 암석이
형성된다. 이처럼 화성암의 입자 크기가 다양한 것은 마그마가 냉각되는 속도와 밀접한 관련을 맺고 있는 것으로, 마그마가 식는 속도는 마그마가
지표면으로부터 지하 심부를 향해 얼마나 멀리 떨어져 있는가에 따라 영향을 받기 때문에, 지하 심부에서 마그마가 서서히 식어서 형성된 암석은
상대적으로 커다란 입자들로 이루어진 관입암을 형성하는 반면에, 지표면에서 마그마가 빠르게 식어서 된 암석은 아주 작은 입자들 또는 화산유리로
이루어진 화산암을 형성하게 된다.
2-2-1-4. 화성암에는 어떤 종류의 암석이 있을까?
위에서 화성암들이 어떻게 해서 밝기와 입자 크기를 달리하는 다양한 종류의 암석들로 이루어지게 되었는지를 살펴보았다. 이처럼 다양한
밝기와 입자 크기를 보여주는 화성암 들 중에 대표적인 암석의 종류에 대해 살펴보면 다음과 같다. 먼저 어두운 색을 띠는 암석들은 현무암질 마그마가
굳어져서 만들어진 암석으로서 입자 크기가 커다란 광물들로 이루어져 있으면 반려암(gabbro,, 그림 2-2-5-A), 아주 작은 광물입자들이나 화산유리로
이루어져 있으면 현무암(basalt, 그림 2-2-5-B)이라 한다. 이와는 달리 밝은 색을 띠는 화성암들은 유문암질 마그마가 굳어져서 만들어진 암석으로서,
입자의 크기가 커다란 광물들로 이루어진 암석이면 화강암(granite, 그림 2-2-6-A), 아주 작은 광물 입자들이나 화산유리로 이루어진 화성암이면
유문암(rhyolite, 그림 2-2-6-B)이라 한다. 중간정도의 밝기를 가지는 화성암들은 안산암질 마그마가 굳어져서 만들어지는데, 이러한 암석들 중에
커다란 광물입자들로 이루어진 암석을 섬록암(diorite, 그림 2-2-7-A), 아주 작은 광물입자들이나 화산유리로 이루어진 암석을
안산암(andesite, 그림 2-2-7-B)이라고 한다.
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| 그림2-2-5. (A) 반려암 사진 (그림 출처: www.ux1.eiu.edu/~cfjps/1300/igne...ges.html).
(B) 현무암 사진(그림 출처: geology.com/rocks/basalt.shtml). |
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| 그림 2-2-6. (A) 화강암 사진(그림 출처: www.beg.utexas.edu/mainweb/publi...nite.htm).
(B)유문암 사진(그림 출처: geology.com/rocks/rhyolite.shtml). |
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| 그림 2-2-7. (A) 섬록암 사진(그림 출처: geology.about.com/od/rocks/ig/ig...rite.htm).
(B) 안산암 사진(그림 출처: www.indiana.edu/~g103/G103/wk3/wk3.html). |
마그마가 지표로 흘러나와 굳어진 화산암은 암석 내에 구멍이 발달된 특징적인 모습을 보여주기도 한다. 이처럼 마그마가 지표면으로
흘러나온 것을 용암(lava)라고 한다. 용암이 굳어질 때 용암 내에는 H2O나 CO2와 같은 기체들로 이루어진 기포가 존재한다. 이러한 기포들이
용암으로부터 서서히 빠져나가면서 굳어질 때 암석 내에 기공(vesicle)이라고 불리는 빈 공간이 생기게 된다. 이러한 기공을 많이 가지고 있는
암석은 상대적으로 가벼운 특성을 갖는다. 밀도가 상대적으로 가벼운 유문암질 마그마가 지표면에 흘러나와 굳어질 경우 이와 같은 기공을
다량 포함하는 가볍고 밝은 색을 띠는 화산암이 형성되는데 이 화산암을 부석(pumice)이라고 한다. 부석은 기공을 많이 가지고 있기 때문에 물에
뜨는 특성을 보인다(그림 2-2-8-A). 그러나 현무암질 마그마가 지표에 흘러나와 굳어질 경우에 기공을 많이 포함하는 화산암이 생성될지라도 이 암석은
물에 뜨지 않는다. 왜냐하면 밀도가 큰 현무암질 마그마가 굳어져 생성되었기 때문이다. 이처럼 현무암질 마그마가 지표면에 흘러나와 생성된
암석으로서 기공을 많이 가지고 있는 검은색의 현무암을 스코리아(scoria)라고 한다(그림 2-2-8-B).
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| 그림 2-2-8. (A) Pumice(그림 출처: gccweb.gccaz.edu/earthsci/imagea...mice.htm).
(B) Scoria (그림 출처: geology.csupomona.edu/alert/igne...oria.htm). |
2-2-2. 퇴적암
지표 또는 지표면 근처에서 만들어지는 퇴적암은 어떤 지질작용에 의해 만들어지는가에 따라 크게 세 가지 종류, 즉 쇄설성 퇴적암,
화학적 퇴적암, 유기적 퇴적암으로 나누어진다.
2-2-2-1. 쇄설성 퇴적암
쇄설성 퇴적암이란 퇴적물이 쌓여서 고화된 퇴적암을 말한다. 지표면에 놓여있는 암석이 풍화작용을 받아 다양한 크기를 갖는 퇴적물로
바뀌게 된다. 커다란 암석이 지표면에 노출되면 일차적으로 외부로부터 작용하는 기계적인 힘에 의해 더 작은 암석으로 부수어지는 물리적인 풍화작용을
겪게 되며, 이런 과정이 반복되는 과정에서 물이 암석 속으로 유입되면서 물과 암석이 상호작용이 일어나는 화학적 풍화작용을 통해 암석을 구성하는
광물이 분해되면서 아주 작은 크기의 퇴적물로의 변화하게 된다.
쇄설성 퇴적암은 어떤 크기의 퇴적물 입자들이 모여서 굳어졌는가에 따라 서로 다른 암석이 된다. 암석의 풍화작용에 의해 형성되는
퇴적물은 입자 크기에 따라 크게 네 종류로 분류된다. 2mm 이상의 크기를 갖는 비교적 커다란 퇴적물 입자를 자갈(gravel)이라 하고, 2mm보다는 작지만
1/16mm 보다 큰 입자를 모래(sand), 1/16mm 보다 작고 1/256mm보다 큰 입자를 실트(silt), 1/256mm보다 작은 아주 미세한 입자를 점토(clay)라고
한다(표 2-2-1).
| 표 2-2-1. 입자 크기에 따른 퇴적물의 분류(표 출처: www2.ocean.washington.edu/oc540/lec02-2/) |
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자갈은 대개 하나의 광물로 이루어져 있기 보다는 여러 가지 서로 다른 광물들이 모여서 된 암편으로 되어있다. 이러한 자갈들이
모여서 굳어진 퇴적암을 역암(conglomerate)이라고 한다. 역암은 마치 자갈과 시멘트를 섞어서 굳혀 놓은 콘크리이트와 같은 모양을 하고
있다(그림 2-2-9-A). 모래는 대개 하나의 광물로 이루어진 경우가 많은데, 모래로서 발견되는 광물로는 풍화에 강한 광물인 석영이 가장 흔하며,
석영보다 양적으로는 적게 관찰되지만 종종 관찰되는 광물로는 장석류가 있다. 이러한 석영이나 장석과 같은 광물로 이루어진 모래가 굳어져서
만들어진 암석을 사암(sandstone)이라고 한다(그림 2-2-9-B).
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| 그림 2-2-9. (A)역암 사진(그림 출처: geology.com/rocks/conglomerate.shtml).
(B)사암 사진 (그림 출처: geology.about.com/od/rocks/ig/se...tone.htm). |
지역에 따라서 해빈에서 발견되는 모래를 구성하는 광물의 종류가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 즉 해빈 주변의 주 암석이
무엇인가에 따라 해빈을 구성하는 모래를 구성하는 광물의 종류가 다르게 나타난다. 예를 들어, 현무암과 같이 어두운 색의 화산암이 주요 암석으로
나오는 하와이 제도의 해변에서 발견되는 모래는 그림에서 보는 바와 같이 주로 유색광물로 이루어진 검은 색의 모래로 되어 있으며, 산호초가
우세하게 자라는 섬 주변의 해빈에서는 산호로 된 모래가 발견된다. 또한 모래보다 작은 크기를 갖는 실트가 쌓여서 굳어진 퇴적암을
미사암(siltdtone)이라고 한다. 미사암은 대개 아주 작은 석영입자들과 점토광물로 되어 있다. 실트보다 더 작은 점토들이 쌓여서 굳어진 암석을
이암(mudstone) 또는 셰일(shale)이라고 한다. 이암과 세일 모두 점토가 굳어져서 된 암석이지만 쪼개짐이 잘 나타나는 암석을
셰일(그림 2-2-10-A)이라고 하는 반면에, 쪼개짐이 없는 괴상의 암석을 이암(그림 2-2-10-B)이라고 한다. 이암이나 셰일은 주로 점토광물이라고
하는 아주 작은 광물입자들이 굳어진 암석이다.
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| 그림 2-2-10. (A) 셰일 사진(그림 출처:www.pitt.edu/~cejones/GeoImages/...es1.html).
(B) 이암 사진(그림 출처: www.geolsoc.org.uk/gsl/cache/off...F7629445). |
그러면 퇴적물이 퇴적암으로 변화하는 과정에는 어떤 지질학적 작용이 수반되는 것일까? 퇴적물이 굳어져서 퇴적암으로 되는 작용은
다져짐작용(compaction)과 교결작용(cementation) 두 단계를 걸쳐서 일어나는데, 이러한 과정을 암석화작용(lithification)이라고
한다. 다져짐작용은 그림 2-2-11에서 보는 것처럼 퇴적물과 퇴적물 사이의 빈 공간인 공극을 줄여줌으로써 입자와 입자 사이의 거리를 좁혀주는 작용을
말한다. 이러한 다져짐작용은 퇴적물의 계속된 쌓임에 따른 하중의 증가로 인해 일어난다. 다져짐작용이 진행되는 동안 퇴적물과 퇴적물 사이의 빈
공간을 채우고 있던 물인 공극수는 밖으로 빠져 나가게 된다. 다져짐작용이 어느 정도 진행된 이후에는 공극을 채우고 있던 물속에 용존되어 있던
성분들이 침전됨으로써 고체화합물을 형성하게 된다. 이러한 고체화합물인 광물들은 콘크리트에서 자갈과 자갈 사이를 채우며
단단히 결합시켜주는 시멘트와 같은 역할을 하는 것으로 이러한 작용을 교결작용이라고 한다. 교결물질로서 가장 흔하게 생성되는 것은 물속에
녹아있던 실리카(SiO2)가 침전되어 형성된 석영과 칼슘이온이 탄산염 음이온과 결합하여 침전된 탄산칼슘 침전물인 방해석(CaCO3)이다. 이러한
교결작용을 통해서 퇴적물은 단단한 퇴적암으로 변하게 되는 것이다.
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| 그림 2-2-11. 다져짐작용(compaction)과 교결작용(cementation)을 보여주는 모식도
(그림 출처: www.geolsoc.org.uk/gsl/site/GSL/...pid/3559) |
퇴적물이 처음으로 쌓인 후, 암석화작용이 일어나는 동안, 그리고 암석화작용 이후에 일어나는 모든 물리적, 화학적, 생물학적 변화를
총괄하여 속성작용(diagenesis)이라 한다. 속성작용은 다져짐작용과 교결작용에 더하여 불안정한 광물을 보다 안정한 광물 형태로 바꿔주는
재결정작용(recrystallization)을 포함하는 작용이다.
2-2-2-2. 화학적 퇴적암
자연에 존재하는 모든 물속에는 다소량의 물질이 녹아 있으며, 이러한 용존성분들은 수온의 감소나 증발과 같은 자연현상이 일어나면
포화상태에 도달하게 됨으로써 새로운 고체화합물을 침전시키게 된다. 이러한 무기적인 화학작용에 의해 생성된 광물이 퇴적되어 생성된 퇴적암을
화학적 퇴적암이라고 한다. 화학적 퇴적암에 해당하는 암석으로 대표적인 것을 들면 바닷물이나 호수에 성분들이 침전되어 만들어진 암염, 석고,
쳐어트, 백악 등을 들 수 있다.
2-2-2-3. 유기적 퇴적암
바닷물 속에 살던 생물 중에는 단단한 껍데기를 갖는 것들이 있다. 어라한 생물들이 죽게 될 경우에 잔존 유해물들이 쌓여 굳어진
퇴적암이 형성될 수 있는데, 이러한 퇴적암을 유기적 퇴적암이라고 한다. 우리가 흔히 관찰할 수 있는 석회암은 대개 이러한 작용을 통해서 만들어진
퇴적암이다. 석회암이외에도 유기적 퇴적암에 해당하는 암석으로서 석탄을 들 수 있다. 석탄은 관엽식물이 늪과 같이 산소와 차단된 환원 환경에서
쌓여서 만들어진다. 즉 식물이 환경환경에서 쌓이면 H2O와 CH4와 같은 기체가 방출되면서 탄소가 점점 더 집적되어 최종적으로는
고체 탄소만으로 이루어진 석탄이 만들어지게 된다. 석탄은 순수한 고체 탄소의 함량이 어느 정도인가, 즉 탄화도에 따라 서로 다른 이름으로 불리게
된다. 토탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄으로 갈수록 탄화정도가 우수한 것으로서 좀 더 순수한 고체 탄소로 이루어져 있기 때문에 좀 더 효율적인 화석연료로
사용 된다.
2-2-3. 변성암
2-2-3-1. 변성작용
2-2-3-1-1. 변성작용이란?
모든 물질은 물리ㆍ화학적인 조건이 바뀌면 상태가 불안정해지기 때문에 새로운 조건에서 안정한 상태로 변화하게 된다. 암석 역시 물리적,
화학적 조건이 바뀌면 새로운 조건에서 안정한 상태로의 변화가 일어나는데, 이러한 과정을 변성작용(metamorphism)이라고 한다. 암석이 변성작용을
받게 되면 크게 두 가지 측면에서의 변화가 일어난다. 하나는 변성작용을 받기 이전에 그 암석을 구성하고 있던 광물들이 새로운 환경에서 안정한
광물들로 바뀌는 광물 종류의 변화가 일어나며, 또 다른 한 가지는 기존의 암석이 가지고 있던 조직과는 다른 조직으로의 변화가 일어난다. 여기에서
조직(texture)이라는 것은 암석을 구성하고 있는 광물 입자의 모양과 크기 및 광물입자들의 배열상태 등을 나타내는 용어이다. 따라서 조직의 변화가
일어난다는 것은 암석의 모양이 원래의 것과 다른 모양으로 바뀌는 것을 의미한다. 변성작용은 고체 상태에서 일어나는 작용이기 때문에 짧은 시간
동안에 일어나는 것이 아니라 상당히 오랜 기간에 걸쳐 일어나는 작용이다. 이러한 변성작용을 받아서 새롭게 생성된 암석을
변성암(metamorphic rocks)이라고 한다. 모든 암석은 변성작용을 받아 변성암으로 변화될 수 있다. 즉, 화성암이 변성작용을 받아서 변성암이
될 수 있고, 퇴적암이 변성작용을 받아서 변성암이 될 수 있고, 기존의 변성암 역시 또 다른 변성작용을 받아서 새로운 변성암으로 변할 수 있다.
2-2-3-1-2. 변성작용은 왜 일어나는 것일까?
변성작용은 어떠한 조건들이 변화할 때 일어나며, 변성작용에 영향을 미치는 요인들로는 무엇이 있을까? 우선 변성작용을 일으키는 가장
중요한 요인들로는 온도와 압력을 들 수 있다. 온도와 압력의 변화가 일어나면 새로운 온도와 압력 조건에서 안정한 광물들과 조직으로의 변화가
일어난다. 온도와 압력이 증가함에 따라 일어나는 변성작용을 전진변성작용이라 하며, 이와는 반대로 온도와 압력이 감소함에 따라 일어나는 변성작용을
후퇴변성작용이라고 한다.
온도 변성작용을 일으키는데 중요한 역할을 하는 온도의 상승은 주로 마그마의 관입에 의해 일어난다. 마그마가 상승하여 지표면 부근에
머물면 주변암과의 온도 차이 때문에 마그마는 주변에 있는 암석으로 열을 빼앗기면서 서서히 식게 되며, 이때 열을 흡수한 주변암석은 변성작용을 받게
된다. 이처럼 관입한 마그마와 접촉하고 있는 주변암이 열을 흡수함으로써 변화를 받아 일어나는 변성작용을 접촉변성작용이라고 한다. 이 때 관입암체를
둘러싸며 생성되는 변성암은 접촉면에서 멀어지면서 광물의 종류를 달리하는 띠를 형성하는데 이러한 띠를 접촉변성대(contact aureole)라고
한다(그림2-2-12). 생성되는 접촉변성대의 규모는 주로 두 가지 요인에 의해 영향을 받는다. 하나는 관입하는 마그마의 규모이며, 다른 하나는 마그마에
의해 관입당하는 주변암의 성질이다. 즉 주변암내에서 마그마 주변으로 열을 이동시켜주는 통로 역할을 하는 구조선이나 운반매체 역할을 하는 유체를
얼마나 많이 함유하고 있느냐에 따라 영향을 받는다. 먼저 접촉변성작용 결과 생성되는 변성암체의 규모는 관입한 마그마의 규모에 비례해서 커진다. 즉
관입한 마그마의 규모가 작으면 그 결과 주변에 생성되는 접촉변성대의 규모도 작은 반면에, 큰 규모의 마그마가 관입하게 되면 이에 비례해서 커다란
규모를 갖는 접촉변성대가 생성된다. 또한 접촉변성대의 규모는 변성작용을 받는 암석에 단층이나 파쇄대와 같은 구조선이 많이 발달해 있거나 또는 물과
이산화탄소 같은 유체 성분을 다량 함유하는 암석일수록 마그마 주변으로 더 큰 규모의 접촉변성대가 생성된다. 이것은 주변암내에 발달된 구조선들을
따라 열이 더 용이하게 전달될 뿐만 아니라 주변암내에 존재하는 유체들이 열을 전달하는 운반매체 역할을 하기 때문이다. 따라서 동일한 규모의
관입암체에 의해 관입당할 경우, 많은 공극수를 포함하고 있는 퇴적암이나 함수광물을 많이 함유하고 있는 암석이 그렇지 않은 암석보다 더 큰 규모의
접촉변성대를 갖게 된다.
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| 그림 2-2-12. 관입암체 주변에 생성된 접촉변성대를 보여주는
모식도(그림 출처: www.answers.com/topic/aureole). |
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