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4-5. 정출 순서와 풍화에 대한 저항도
1900년대 초 미국의 수도 와싱턴에 있는 지구물리 연구소 (Geophysical Laboratory)에서
보웬 (M.L. Bowen)과 그의 동료들은 마그마로부터 흔히 만들어지는 광물들의 정출 순서에 대해 실험적
연구를 수행하였다. 이 연구 결과 얻어진 정출 순서는 마그마가 냉각됨에 따라 어떻게 진화해 가는지를
잘 설명하였으며, 뒤에 사람들은 이 정출 순서를 '보웬의 반응계열 (Bowen's reaction series)'이라고 부르게
되었다 (그림 4-5-1).
이 보웬 반응 계열을 이해하기 위해 간단한 예를 들어보자. 현무암 마그마로부터 광물이 정출한다고
생각하자. 온도가 섭씨 1400도 정도일때 이 마그마로부터 정출되는 광물은 감람석 (olivine)과 Ca-사장석
(Ca-riche plagioclase)이다. 만일, 마그마가 이로부터 더 낮은 온도로 냉각되고 이미 정출한 감람석과
Ca-사장석이 마그마와 계속 접촉한다면, 이들 (광물과 마그마)는 서로 반응하여 감람석은 휘석으로
Ca-사장석은 상대적으로 Na 성분이 보다 증가한 사장석으로 바뀐다. (보웬 반응 계열 상의 광물 정출에대한
보다 자세한 사항은 해당 암석학 서적을 참고하도록 하자).
보웬의 반응 계열은 '연속 반응 계열 (continuous reaction series)'과 '불연속 반응 계열
(discontinuous reaction series)'로 나눌 수 있다. 연속 반응 계열 상의 광물은 망상 구조
(framework structure)를 갖는 장석으로, 마그마가 냉각됨에 따라 장석과 멜트가 반응하여 Ca를 Na가
치환하는 반응이 진행된다. 온도가 내려감에 따라 불연속 반응 계열을 따라 정출하는 광물들은
독립 사면체 형의 감람석, 홑사슬(single chain)형의 휘석, 겹사슬(double chain)형의 각섬석, 그리고
층상구조를 갖는 운모이다. 이 불연속 반응 계열 상의 광물들의 구조를 살펴보면, 온도가 내려감에 따라
SiO4 사면체의 중합(덧 붙이기; polymerization)이 일어나는것을 알 수 있다.
연속 반응 계열 상의 사장석이 고용체를 이루고 온도에 따라 Ca-사장석에서 Na-사장석으로 조성이 달라지는
것처럼, 불연속 반응 계열 상의 광물들도 대부분 고용체를 이루며 온도에 따라 조성을 달리한다. 예를
들면, 감람석은 forsterite (Mg-olivine)에서 fayalite (Fe-olivine)으로, 휘석은 enstatite
(Mg-pyroxene)에서 ferrosilite로 (Fe-pyroxene), 흑운모는 phlogopite (Mg-biotite)에서 annite
(Fe-biotite)로 단성분 조성이 바뀐다. 이러한 화학 조성의 차이에 따라 광물 구성 성분 간 이온결합성을
계산하면, 같은 계열의 광물에 대하여 온도가 낮아질수록 이온결합성이 낮아지는 것으로 나타나며, 광물의
평균 이온결합성도 종류에 상관 없이 온도가 낮아지며 따라서 낮아지는 것으로 계산된다. 이는 이온 결합이
공유 결합보다 훨싼 멀리까지 힘을 미치게 되어 보다 높은 온도에서도 결합을 쉽게 이룰 수 있기 때문인
것으로 생각된다. (실제 보웬의 반응 계열을 따라 정출되는 광물들의 평균 이온 결합성이 얼마나 되는지
앞에서 소개된 이온결합성 평가식을 이용하여 계산하여 보자).
지금까지 논의된 보웬의 반응계열에 따른 마그마 내 정출의 특징을 정리하면, 마그마의
온도가 낮아짐에 따라 광물이 정출되는 양상은 1) 보다 많은 수의 SiO4 사면체의 덧붙이기,
2) 그리고 결합의 이온성 감소로 특징지워진다. 이 것은 이들 조암 광물들의 풍화에 대한 저항 정도를
설명하는데 매우 중요한 사실이다.
우리는 이미 경험적으로 냉각되는 마그마 방 내에서 나중에 정출되는 광물일수록 풍화에
강하다는 것을 알고 있다 (예를 들면, 감람석보다는 석영이 훨씬 풍화에 강하다). 그 이유를 물어보면
많은 사람들이 다음과 같이 대답한다:
"풍화는 지푤환경에서 일어나는 일이다. 따라서, 지표환경보다 월등히 높은 온도 암력에서 만들어진
광물들은 지표 환경에서 불안정해지고, 그 결과가 풍화로 나타나는 것이다. 풍화에 대한 저항도는 광물의
생성 환경이 풍화환경과 얼마나 다른가에 따라 결정되는데, 비로 이러한 이유로 지표 환경과는 더욱 다른
높은 온도 압력에서 생성되는 광물들, 즉 마그마 방 내에서 먼저 형성되는 광물일수록 풍화에 약한 것이다.
"
광물의 풍화에 대한 저항도를 이와 같이 해석하는 것은 언뜻 매우 합리적인 것처럼 보인다.
그러나 이 것은 정확한 해석이 아니다. 여기에 재미있는 질문이 두 가지 있다. 다이아몬드는 감람석보다
훨씬 높은 온도 압력에서 생성된다. 그렇다고 다이아몬드가 감람석보다 풍화에 훨씬 약한가? 소금은 지표
환경, 즉 상온 상압에서 만들어지는 광물이다. 그렇다면, 소금은 석영보다 훨씬 풍화에 강한가? 이 두
질문에 대한 답은 물론 '아니오'이다. 따라서, 광물의 풍화에 대한 저항도를 단순히 생성 환경의 차이로
설명할 순 없다.
광물의 풍화에 대한 저항 정도는 광물 구성 성분 간의 결합 특성과 그 세기에따라 정해진다.
일반적인 것은 아니지만, 적어도 광물에 있어서는 공유 결합력이 이온결합력보다 강하다. 따라서 광물의
이온결합성이 낮아지면 결합력이 더 세다고 말할 수 있으며, 이는 결국 풍화에 대한 저항력이 강하다는 말이
된다. 앞에서 살펴본대로, 냉각되는 마그마 방에서 늦게 정출되는 광물일수록 SiO4 사면체의
덧붙이기 및 성분의 치환에 의해 이온결합성이 감소하므로 풍화에 대한 저항력이 증가하는 것이다.
풍화와 결합의 종류와 관련해 재미있는 점이 또 하나 있다. 지구상에서 동토 지역이나 사막
지역과 같은 극한 지역이 아니면 소위 화학적 풍화가 기계적(물리적) 풍화보다 훨씬 우세하다. 즉, 대부분
의 침식 및 지형 형성 작용에 화학적 풍화가 크게 기여한다. 이 화학적 풍화란 바로 물과 광물과의
반응에 의해서 진행되는 일이다. 물은 극성 물질 (polar substance)로 부분적인 양극과 음극을 갖는
물질이다. 이러한 극성 물질인 물은 이온 결합 성격이 강한 물질들과 보다 쉽게 반응하며, 따라서 광물의
이온성이 높을수록 보다 쉽게 풍화시킨다. 이 것이 마그마 방에서 늦게 정출되는 광물일수록 풍화에
강한 또 하나의 이유이다.
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