보웬의 반응 계열 - 교과서에서 사라져버렸지만 매우 중요한

오래전 고등학교 지구과학 교과서에는 보웬의 반응계열(Bowen's reaction series)이 있던 시절이 있었습니다. 보웬의 반응계열은 대학 학부생들도 달달 외울만큼 엄청 중요한 내용입니다. 마그마에서 광물 결정이 정출되는 과정, 규산염 사면체의 결정 구조가 정해지는 논리, 풍화 침식에 잘 견딜 수 있는 이유 등 너무나 많은 이야기를 보웬의 반응계열 하나만으로 설명이 가능하기에 엄청나게 중요한 내용인데, 어찌된 연유인지 교육과정에서 빠졌고, 이제는 대학 교육과정에서만 볼 수 있는 이야기가 되어 버렸습니다. 그래서 이번 포스팅에서는 고인이 되어버린 보웬의 반응계열을 알아보고자 합니다. 보웬의 반응계열은 교육과정에서는 빠졌지만, 고등학생들도 알아두면 지구과학1은 물론 2의 관련 단원을 이해하는데 한 축이 될 만큼 엄청 많은 도움이 될 것입니다.

  1. 개요

보웬의 반응 계열은 마그마가 냉각되는 과정에서 광물 결정이 정출되는 순서를 다룬 것입니다. 아래 그림은 위의 표지 그림의 영어를 번역한 것인데, 아래 그림으로 보시는게 더 나을 것 같습니다.

가. 연속 반응계열

우선, 보웬의 반응계열은 크게 연속 반응계열과 불연속 반응계열로 구분합니다. 연속 반응계열에는 가장 고온에서 정출되는 Ca-사장석, 그리고 저온에서 정출되는 Na-사장석이 있는데, 고온에서 Ca가 풍부한 사장석이 정출되기 시작하고, 이어서 이미 정출된 결정과 마그마가 계속 화학반응을 하며 점차 마그마에서는 Ca는 감소하고 Na의 정출양이 증가하며, Na가 풍부한 사장석으로 변화해 갑니다. 이 과정에서 이미 정출된 결정의 화학 구조는 변화하지 않습니다. 그래서 연속 반응계열이라 부르고, Ca-사장석과 Na-사장석은 고용체 관계를 가집니다.

나. 불연속 반응계열

연속 반응계열처럼 마그마가 굳으며 조금씩 정출되는 성분이 변화하는건 동일하지만, 이번에는 결정구조가 달라집니다. 최초로 정출되는건 Fe와 Mg가 풍부한 감람석이 정출됩니다. 처음에는 Fe가 풍부한 감람석이, 온도가 떨어지면서 Fe보다 Mg가 정출되기 시작합니다. 그러다가 Fe건 Mg건 조금씩 바닥나기 시작하면 예를들어 Al 같은 다른 원소를 끌어다 정출하기 시작하는데, 그러면서 결정구조가 바뀝니다. 다시말해 아예 다른 모양의 광물이 나오기 시작하는 거죠. 그게 휘석입니다. 정출되는 광물에 Fe나 Mg는 최초에 감람석을 만들때 죄다 끌어다 썼으니 점차 정출되는 광물에는 Fe나 Mg의 양이 감소하고, 상대적으로 Si나 O의 비율이 증가하기 시작합니다. 그러면서 각섬석, 흑운모, 정장석, 백운모, 석영 순으로 정출되고, 점점점 Si와 O의 양이 증가하다 석영에 와서는 죄다 Si, O 덩어리가 됩니다. 그리고 모조리 규산염 광물인 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모, 정장석, 백운모, 석영은 처음에는 Fe나 Mg가 정출될 때에는 Si와 O의 규산염 사면체에 Fe와 Mg가 들러 붙으며 산소가 공유결합할 기회를 주지 않아 독립사면체나 단쇄상구조 또는 복쇄상 구조를 이룹니다. 하지만 감람석, 휘석 등이 정출되며 Fe나 Mg같은 원소를 써버리기 때문에 나중에 정출되는 광물일 수록 이런 원소들이 감소하여 산소에 붙을 양이온이 줄어들게 됩니다. 즉 산소는 자기들끼리 공유결합할 가능성이 높아지며 점점 복쇄상 구조, 층상구조, 망상구조 등으로 광물 결합이 복잡해 질 수 있게 됩니다.

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  2. 마그마에서의 광물 정출

마그마에서의 결정 성장과정에 따라 마그마의 결정분화작용을 설명할 수 있습니다. 마그마에서 감람석과 같이 고온 정출광물이 먼저 결정으로 성장함에 따라 용액 자체에는 Fe나 Mg와 같은 원소의 양은 감소하고 상대적으로 Si, O, Na의 비율은 증가하게 됩니다. 이렇게 마그마의 성분이 점차 변화하다, 덜 변한체로 지상으로 분출해 버리면 초고철질, 또는 고철질 마그마로 분출하는 것이고, 충분히 결정히 정출된 뒤 분화해 버리면 규장질 마그마가 분출된다는 논리로 생각하면 됩니다.

하지만 마그마의 결정분화작용은 아직 논란의 여지가 많다 합니다. 실제 현무암질 마그마, 안산암질 마그마, 유문암질 마그마 등이 생성되는건 마그마가 결정분화작용을 받아 이렇게 화학 조성이 다른 마그마가 만들어 질 수도 있지만, 애당초 마그마를 만든 모암의 조성 자체가 다르기 때문이라는 이론이 더 지배적입니다.

  3. 규산염 광물과의 연계

서두에서 말한것 처럼 규산염 광물의 결정구조를 정하는 것에도 밀접하게 관련됩니다. 처음에 정출되는 원소는 Fe나 Mg가 많은 아이들이 나오는데, 그러다 보니 Fe나 Mg가 O와 결합해 버리면서, O 입장에서는 공유결합하기가 어려워 집니다. 그래서 초기 정출 광물들은 독립사면체형이 나옵니다. 

 

하지만 마그마에서 Fe나 Mg같은 양이온이 먼저 튀어나옴에 따라 나중에는 마그마에 이들 원소가 적어집니다. 이로인해 나중에 정출되는 결정들은 산소가 공유결합할 수 있는 기회가 생깁니다. 그래서 휘석 각섬석 흑운모로 갈수록 공유결합 산소가 증가하며, 단쇄상 구조, 복쇄상 구조, 층상구조 형태로 변화합니다.

 

그래서 순서를 보면 감람석(독립사면체)->휘석(단쇄상구조)->각섬석(복쇄상구조)->흑운모(층상구조)->정장석(망상구조)->석영(망상구조) 와 같지 점차 공유결합하는 산소의 수가 증가하는 방향으로 정출되는 것입니다.

  4. 풍화침식과의 연계

감람석, 휘석과 같이 산소와 이온결합하는 양이온은 결합력이 약하고, 공유결합하는 산소는 결합력이 강합니다. 결합력이 약하면 외력에 쉽게 부서질 수 있습니다. 그래서 감람석과 같은 아이들은 풍화침식에 약하고, 석영과 같은 아이들은 풍화침식에 매우 강한 것 입니다. 그래서 암석은 풍화침식에 의해 감람석과 같은 아이들이 먼저 제거되며, 마지막 까지 살아남는 아이들이 석영입니다. 

 

모래사장에 있는 모래들은 죄다 석영입니다. 이들이 석영일 수 밖에 없는 것은, 그동안의 모진 풍화침식을 겪으면서 끝까지 살아남았기 때문입니다. 

 

이상 보웬의 반응계열에 대해 간략히 알아보았습니다. 마지막으로 Ca 사장석과 Na 사장석, 정장석의 성분에 따른 변화를 나타내는 삼각 다이아그램을 소개하며 글을 마칩니다.