퇴적암에 이어 이번에는 변성암에 관한 내용을 다루어 보고자 합니다. 변성암(metamorphic rock)이라는 것은 기존의 암석이 열과 압력에 의해 입자의 종류, 암석의 구조에 변형이 발생하며 새로운 암석이 된 것을 말합니다. 이 말인 즉슨, 암석이 변하기 위해서는 열과 압력의 변화가 반드시 수반되어야 한다는 소리입니다. 이 과정에서 암석을 이루는 광물의 종류가 달라지기도, 입자가 커 지기도 하며, 입자의 배열이 달라지기도 하는 등 다양한 변화를 겪게 됩니다.
앞서 이야기한 것 처럼 변성암이 만들어지기 위해서는 적당한 온도와 압력 증가가 필수입니다. 그러나 온도와 압력의 변화만으로는 변성암이 만들어질 수 없습니다. 가장 먼저 변성암의 형성 조건을 다루어 보겠습니다. 또한 변성암에 대해서도 한 번의 포스팅으로 모든걸 설명하기 글이 너무 깁니다. 그래서 두 세번 끊어서 이야기를 풀어나가도록 해 보겠습니다.
글의 흐름상 중간중간 고교 교육과정을 뛰어넘는 내용을 섞었습니다. 이런 부분은 필요치 않으면 넘어가셔도 됩니다.
1. 변성과정의 종류
가. 온도와 압력
온도와 압력 변화만으로 변성암이 될 수 있는건 아니지만, 이들이 변하지 않으면 변성암 자체가 만들어질 수 없으니 가장 중요한 요인입니다. 퇴적암이 만들어지는 속성작용보다는 온도와 압력 범위가 높아야 되고, 부분 용융이 아닌 완전 용융되어버리는 온도와 압력 범위가 낮아야 합니다. 쉽게말해 온도나 압력이 지나치게 높거나 낮아서 홀라당 녹아버리면 변성이고 뭐고 그냥 마그마가 되 버리니까 변성이 안된다는겁니다. 변성이 가능안 온도와 압력 범위는 아래 그래프를 참고하세요.
나. 활성화 유체
온도와 압력 변화만큼이나 엄청나게 중요한 요소입니다. 온도나 압력이 아무리 변화하더라도 활성화 유체가 없으면 변성암은 만들어지기 어렵습니다. 활성화 유체는 광물 입자와 입자사이에 존재하는 아이들로 물을 포함하여 유동성이 있는 모든 유체를 지칭합니다. 입자와 입자사이 공간에 존재할 수도 있고, 높아진 온도와 압력에 의해 광물의 -OH 기에서 빠져나와 물로 존재할 수도 있습니다.
어찌되었든 이들 유체는 기존 광물 결정을 구성하는 입자들의 이동통로 역할을 합니다. 기존 광물의 입자들이 유체로 녹아들며 새로운 광물로 성장하면서 공극은 줄어들고, 기존 광물 입자의 크기는 증가하게 됩니다. 그래서 보통은 변성이 진행되며 유체는 빠져나가고 공극의 크기는 작아지면서 동시에 기존 입자는 형태가 변화함과 동시게 크기가 증가하게 됩니다.
만약 유체가 없다면? 이런 이동통로가 없는 샘이기 때문에 변성속도는 굉장히 느려집니다. 광물입자가 기존 고체에서 고체로 이동해야 한다고 생각하면 쉽습니다. 엄청 느리겠죠? 후에 서술할 내용이긴 하지만, 전진 변성작용은 변성속도가 빠르고 후퇴 변성작용은 변성속도가 느린데, 이게 다 유체의 존재 여부가 원인이 되기 때문입니다.
다. 시간
온도나 압력, 유체의 존재만큼 또 중요한 것이 시간입니다. 온도와 압력, 유체의 조건까지 모두 갖추었다 하더라도 충분한 시간이 확보되지 않으면 변성암은 만들어 질 수 없습니다. 너무 당연한 이야기입니다. 예를들어 어떤 암석을 변성이 가능한 온도 압력 공간에 넣어놓고 1시간 뒤에 꺼내면 당연히 아무일 없이 멀쩡히 처음 그대로의 돌맹이 모습일겁니다. 변성이 발생하려면 엄청나게 많은 시간이 필요합니다. 따라서 모든 조건이 갖추어졌다 하더라도 충분한 시간이 확보되지 않으면 변성작용은 발생하지 않습니다.
2. 변성과정의 종류
다음으로는 변성과정의 종류에 대해 알아볼 차례입니다. 학생들이 배우는 변성과정은 접촉 변성, 광역 변성 이 두가지인데, 당연한 소리겠지만, 이거보다 더 많은 변성과정이 있습니다. 하나씩 알아보도록 하겠습니다.
가. 접촉변성작용(contact metamorphism)
접촉변성작용은 말 그대로 접촉 과정에서 발생하는 변성작용입니다. 주로 마그마의 관입에 의해 나타나는데, 위 그림과 같이 마그마 관입이 발생하면 기존 암석은 마그마의 열을 받게 됩니다. 기존 암석이 녹지 않는 수준으로만 열을받게되면 주로 열에 의한 변성이 발생하게 됩니다. 이 과정에서 압력의 변화도 겪게되나 열 변화보다는 크지 않습니다. 또한 암석은 열 전도율이 높지 않습니다. 결국 마그마와 접촉해 있는 부분에서만 열에의한 변성이 나타나고, 그 주변부는 별 일 없는 것입니다. 그래서 접촉변성과정이 나타나는 영역을 좁다고 이야기 하는 것입니다. 이렇게 열에 의해 변성이 발생하는 변성과정을 접촉변성작용이라 합니다.
또한 기존 암석의 일부가 열을 받아 슬쩍 엿가락처럼 휘면서 마그마 안으로 쏙 들어가 버리기도 하는데, 이런 경우 마그마가 굳은 뒤 화성암이 됬을 때 화성암과는 뭔가 이질적인 암석이 안에 보이게 됩니다. 이걸 포획암(Xenolith)이라고 합니다. 포획암은 의외로 많이 보이는데, 설악산에서도 몇번 본 적이 있고, 제주도에서도 심심치 않게 나타납니다. 다만 제주도에 보이는 포획암은 맨틀 포획암으로, 마그마가 지하 내부에서 올라오는 과정에서 통로에 있는 맨틀물질을 뜯어낸 것이 원인이라 하네요.
접촉 변성과정에서 가장 대표적으로 나타나는 암석이 혼펠스입니다. 셰일이 열을 많이 받으면 혼펠스라는 암석으로 변성되는것으로 알려져 있습니다. 혼펠스는 뚜렷한 엽리를 관찰하기 어려우며, 세립질 입자로 되어 있습니다.
나. 광역변성작용(regional metamorphim)과 편암 및 편마암
1) 광역변성작용
섭입대에서 나타나는 판 구조 운동 및 조산운동과 관련된 것으로 생각되고 있습니다. 이런 지역은 넓은 범위에 걸쳐 큰 압력변화를 겪으며 동시에 화강암질 마그마의 관입에 따른 온도변화를 겪게 됩니다. 또한 지하 내부로 들어갈 수록 나타나는 지온 증가도 온도 변화의 한 원인으로 알려져 있습니다. 하지만 온도변화의 자세한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다고 하네요. 어찌되었든 광역변성작용이 나타나려면, 접촉변성과는 달리 광범위한 온도와 압력 변화가 있어야 하고, 이런 이유로 접촉변성작용과는 달리 넓은 범위에 걸쳐 나타난다고 합니다.
변성과정에서 압력 변화를 수반하기 때문에 위 그림처럼 입자들은 압력 방향에 수직으로 배열되려 합니다. 스트레스가 작용하는 방향에 수직으로 배열되는 경향이 있고, 이 과정에서 압력 변화에 저항하지 못하는 입자들이 배열되는 것입니다.
2) 편암과 편마암
가장 대표적인 아이가 셰일 -> 슬레이트(점판암) ->천매암->편암->편마암 순서로 나타나는 변성암입니다. 편마암으로 갈 수록 변성이 많이 된 것인데, 여기서 특히 편암과 편마암에는 엽리구조가 매우 잘 나타나는게 특징입니다. 편암에 나타나는 엽리 구조를 편리구조 라고 하고, 편마암에 나타나는 엽리 구조를 편마 구조라고 합니다. 이 밖에도 편암과 편마암에 대해서는 좀 할 말이 많은데, 이 둘의 차이점입니다.
우선 가장 눈에 띄는 특징은 편암은 엽리구조가 얇고, 편마암은 편암보다 두껍다는 것입니다. 보통은 이정도만 하고 넘어갑니다. 그러나 더 알아두어야 할 것이 있습니다. 편암에서 띠를 이루는 입자들은 주로 운모류 광물들입니다. 이 아이들이 압력 저항에 더 잘 견디지 못해 먼저 압력 방향에 수직으로 배열되는 것입니다.
그렇다면 편마암은? 편마암의 경우 이제 운모류 광물만 압력방향에 수직으로 재 배열되는게 아니라 여기에 더하여 석영, 장석류 광물까지 압력 변화에 못견디고 압력이 작용하는 수직방향으로 재 배열됩니다. 그러다보니 훨씬 뚜렷한 검정색 흰색 줄이 보이게 됩니다.
위 그림에서 schist가 편암, gneiss가 편마암입니다. 편마암에서 훨씬 뚜렷한 줄무늬가 나타나는것을 확인할 수 있습니다.
다. 파쇄변성작용
지표부근 암석이 단층과 같은 현상에 의한 압력을 받아 나타나는 변성작용입니다. 이 경우 안구상 편마암이나 압쇄 편마암 등이 나타날 수 있다고 합니다. 파쇄 변성작용은 조금 재미있는 부분이 있습니다. 보통 변성암이 형성되는 과정에서 입자의 크기는 커지는 경우가 많습니다. 변성과정에서 열의 영향을 받아 입자의 재결정화가 발생하기 때문인데, 압력이 유효한 파쇄변성과정은 압력에 의해 입자가 깨지는 과정을 수반하고, 이에 입자의 크기가 작아지는 방향의 변성이 발생합니다.
라. 매몰변성작용
섭입대에서 발생하는 변성과정입니다. 섭입대에서 해양판 상부의 일부 지층은 섭입과정에서 해양판과 함께 들어가지 못하고 대륙지각 방향으로 타고 올라가면서 압력을 받아 냅다 휘어지는 아이들이 있는데, 이런 아이들을 오피올라이트(ophiolite)라고 합니다. 대륙지각인데도 쌩뚱맞게 상층에 맨틀물질이나 해양지각 물질이 있는데, 이런 놈들이 해양판과 함께 섭입되지 못하고 대륙지각에 있어 이질적으로 존재하여 따로 붙여진 이름입니다.
매몰변성작용이 바로 오피올라이트에서 나타납니다. 이렇게 오피올라이트가 형성되는 비교적 낮은 온도와 압력 조건에서 다량의 퇴적 공극수가 공급되고, 이 과정에서 새로운 결정이 성장하며 나타납니다. 가장 유명한 아이로 지올라이트(zeolite), 프레나이트(prehnite)가 있습니다.
마. 해령에서 발생하는 변성작용
해령에서도 변성작용이 나타날 수 있습니다. 해령에서는 수 많은 열과 열수가 공급되고, 이 과정에서 입자의 화학적 재결합 및 원자 교대가 나타나는데, Ca와 Na의 치환, 감람석, 휘석등이 녹니석으로 변화하는 과정에서 녹색편암이나 각섬암상(amphibolite) 등이 나타날 수 있다 합니다.
3. 종합
후에 변성상에 대한 그래프를 소개하며 다시한번 다루기는 할건데, 많은 변성과정에 대해 알아보며, 이놈들을 종합할 시간을 먼저 가져볼까 합니다.
- 접촉변성과정 : 주로 열에의한 변성, 위 그래프에서 A 선이 접촉변성과정을 따릅니다.
- 광역변성과정 : 열과 압력이 모두 작용하는 변성, 위 그래프에서 B 선이 접촉변성과정을 따릅니다.
- 파쇄변성과정이나 섭입대 : 파쇄변성과정은 압력 변화가 주를 이룹니다. C 그래프 방향의 얕은곳에 해당하고, 섭입대의 경우 C 그래프 전반에 해당된다 보면 됩니다.
- 매몰변성과정 : 약한 열과압력이 작용하니 B 그래프의 얕은 곳까지만 해당한다 보면 됩니다.
다룰 내용이 많다보니 글이 좀 길어졌습니다. 다음 포스팅에서 변성지시광물, 변성상 등에 대해 마저 다루겠습니다.
'교과서 밖 지구과학 > 지질' 카테고리의 다른 글
| 지진파의 진행 1- 주시곡선, 스넬의 법칙, P-S시 (0) | 2023.03.18 |
|---|---|
| 변성과정과 변성암2 (6) | 2023.03.15 |
| 던햄(Dunham)과 포크(Folk)의 방식을 이용한 석회암의 자세한 분류방법 (2) | 2022.10.12 |
| 퇴적암 1 - 퇴적물과 퇴적작용 (1) | 2022.09.20 |
| 지구 내부 탐사의 원리 - 중력 이상 (0) | 2022.08.23 |
댓글