암석학

Petrology

1 개요

암석학은 여러가지 암석의 이름과 정의를 구축하고, 그들의 성인(genesis)과 구조, 분포를 규명하는 지질학의 한 분파이다. 가장 오랜 전통을 자랑하는 전통적인 지질학 중 하나로 여겨지고 있다. 지구에만 셀 수 없이 많은 암석이 존재하고 각각의 성질이 세부적으로 모두 달라지기 때문에 암석학은 여전히 지질학에서 가장 중요한 연구 분야 중 하나로 자리잡고 있다.

2 암석학의 범위에 대하여

보통 암석학의 분류는 그 접근 방식의 차이와 연결되는 다른 학문과의 관계 때문에 보통 암석의 분류 그 자체에 따라 세분되는 경향이 있다. 암석의 분류는 보통 가장 먼저 화성암, 변성암 그리고 퇴적암으로 시작한다. 따라서 암석학 역시 화성암석학(igneous petrology), 변성암석학(metamorphic petrology) 그리고 퇴적암석학(sedimentary petrology)으로 나뉜다. 그렇지만 보통 퇴적암석학은 퇴적학과 층서학과 잘 어울리고, 암석 성인상의 특별함 때문에 앞선 다른 두 분야와 차이가 가장 심하다. 따라서 보통 암석학이라고 하게 되면 화성암석학과 변성암석학에 중점을 맞추게 된다. [1] 이 때문에 나무위키의 이 영역에서도 암석학이라고 하게 되면 퇴적암석학은 중요하게 다루지 않게 된다. 보통 퇴적암석학이라는 단어는 잘 사용되지 않고, 그 분야는 '퇴적학(sedimentology)'과 '층서학(stratigraphy)' 등의 단어로 설명된다.[2] 요즘에는 암석의 성인을 연구하기 위해 실험적으로 인공암석을 구현해보는 실험암석학이 대두됨에 따라 분야를 나눌 때 퇴적암석학 대신에 실험암석학(experimental petrology)이 들어서 있다.

3 주요 연구 방법

암석학의 연구는 보통 육안 및 확대경 관찰, 박편을 통한 광학적 성질 관찰(편광현미경), 화학분석의 세 가지 과정을 보통 거치게 된다. 화학분석은 보통 시간과 비용이 어마어마하게 늘어나게 되므로 암석학을 위해서는 다년간의 육안~현미경 관찰 방법을 습득해야한다. 그리고 이 관찰을 보통 petrography라고 부른다.[3] 눈으로 보고 관찰하는 게 뭐 얼마나 과학적이겠냐고 말하는 사람도 있겠지만, 상상을 초월하는 섬세한 이야기가 단지 현미경 관찰 하나만으로도 이끌어낼 수 있다. 암석학의 강력한 점 중 하나이며[4] 이후 거쳐야 할 값비싼 화학 분석의 비용을 최소화할 수 있다.[5] 심지어 어떤 경우에는 화학분석 없이 편광현미경만으로도 훌륭한 논문이 나오기도 한다.

실험 암석학의 경우에는 암석이나 인공적인 합성 시료를 녹여서 액상으로 만든 뒤 원하는 과정으로 굳히거나, 시료를 변형시켜 그 결과를 측정하는 방법을 사용한다. 녹여서 굳히는 것은 보통 마그마 환경을 구축하는 것이므로 화성암석학적인 내용을 다루게 되며, 변형 결과를 연구할 때는 변성암석학적인 내용이 주를 이루게 된다.

암석학에서 중요하게 생각하는 물리, 화학적 배경에는 (당연하게도) 열역학이 있으며, 나아가 각 물질의 반응속도론이 함께 고려되고 있다. 이 때문에 암석학에서는 화성암이든 변성암이든 보통 온도, 압력, 그리고 성분별 농도가 가장 핵심을 이루고 있다. 구성 광물, 용융물(melt), 용해된 휘발물질(물, 이산화탄소, 황, 염소, 불소 등) 등의 상(phase)들이 섞인 시스템이 바로 암석이 형성될 때의 시스템에 해당한다. 암석은 그 결과물이며, 암석 속의 온갖 정보를 기반으로 이 조건들을 역유추하여 생성 과정 경로를 재구축하고 있다. [6]

4 암석의 분류법

암석을 구분하는 중요한 요소는 보통 (1) 구성 광물과 (2) 조직(texture)이다.

1. 구성 광물 (암석의 성분)

암석은 보통 광물과 비정질로 구성되어 있다.[7] 대부분의 암석은 비정질이 거의 없이 광물로 구성되어 있다. 그래서 암석의 이름은 보통 구성 광물의 상대비를 기준으로 한다. 구체적인 예를 보고 싶으면 화강암 섹션을 살펴볼 것. 그러나 어떤 경우[8]에는 현실적으로 광물의 상대비를 구할 수 없는 경우가 있다. 이 경우에는 이를 대신할 정의법이 요구된다.[9] 이 때 사용되는 유용한 방법이 전암 분석(whole-rock analyses) 자료이다. 암석 전체의 성분을 구하여 각 원소의 상대농도를 이용하는 것이다. 이 때 두 가지 방법이 있는데 주원소 산화물(major element oxides) 함량을 비교하는 것으로 화산암에서는 대표적인 예로 총알칼리도표(TAS diagram)가 있다. 또 하나 방법은 이론적인 광물비를 계산해내는 것인데, 이를 CIPW Norm 계산이라고 한다. 두 가지 모두 장점이 있고 한계가 있지만 보통 전암 자료가 있으면 이 두 가지 해내는 건 별로 어렵지 않기 때문에 보통 논문에서는 두 값을 병기하게 된다.

2. 암석 조직(rock texture) [10]

비슷한 조성의 암석이라도 형성 조건에 따라 전혀 다른 생김새를 가질 수도 있다. 이 경우 조직이 중요한 요소가 된다. 예컨대 물 속에서 만들어진 석회암과 카보네타이트[11]는 거의 같은 성분으로 되어 있으나 조직이 전혀 다르다. 또한 현무암과 반려암은 전암 성분은 완전히 같을 수 있으나 전자는 석기와 반정으로 구성된 반면에, 후자는 조립질로 된 암석으로 서로 다른 암석이다. 변성암의 경우에도 이는 마찬가지이다. 전암 성분은 비슷하지만 노출된 응력장의 성질이 전혀 다르면 다른 조직의 변성암이 나타나게 된다.

암석의 조직은 눈으로 봐도 확연히 다른 경우도 있지만, 편광현미경을 통해 구별되는 미세한 구조들도 무척이나 많다. 암석의 조직은 변성암이나 화성암에서 암석 형성 과정을 기록하는 데 중요한 역할을 수행하며, 형성이나 변화 과정의 여러 단계를 점진적으로 기록해주기도 한다.

5 암석의 종류

암석 문서 참고
  1. ↑ 실제로 전 세계적으로 사랑받는 암석학 교재인 J.D.Winter가 쓴 암석학 책은 화성암과 변성암만을 다루며, 이는 Raymond나 Philpott, Ague 등이 쓴 암석학 책에서도 그대로 이어진다.
  2. ↑ 이하에 등장하는 암석학은 화성암석학과 변성암석학을 의미함.
  3. ↑ 반면 lithology라는 단어는 '암상'이라는 단어로 번역되는데, 이 단어는 어떤 지역이나 영역의 암석 분포를 지시하는 단어로 사용된다.
  4. ↑ 돈이 적게 든다!
  5. ↑ 동시에 배우려는 사람에게는 지옥문과 같다. 심지어 편광현미경은 글이나 사진으로는 배울 수 없다! 따라서 다년간의 삽질이나 전문가의 가르침이 요구된다. 그러나 한 번 배워놓으면 이후 연구나 공부를 할 때 훨씬 복합적이고 자세하며 흥미로운 이야기들을 끄집어낼 수 있다. 이 능력은 특히 변성암을 공부할 때 빛을 발한다.
  6. ↑ 이 때문에 열역학이라는 학문 자체가 암석학과 긴밀하게 연결되어 있다. 자연에서 산출되는 암석은 보통 극도로 복잡한 열역학 시스템에 해당하며 실제로 20세기의 암석학자들은 열역학의 이론을 발전시키는 데 많은 공을 세웠다. 지금도 다양한 프로그램들이 개발되어오고 있지만, 아직도 이들의 상평형도를 재구축하는 것은 무척이나 까다롭다.
  7. ↑ 퇴적암의 경우에 따라서는 생물체 골격이나 흔적이 남게 되어 있으나, 퇴적암은 보통 고려 대상이 아니므로 논외로 한다.
  8. ↑ 특히 화산암
  9. ↑ 이 사례는 현무암 섹션을 살펴보라.
  10. ↑ 요즘에는 조직이라는 단어보다, 미구조(microstructure)라는 단어를 선호하는 경우도 있다.
  11. ↑ 탄산칼슘이 주구성 성분인 마그마 혹은 그의 고화된 암석