현무암

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玄武巖
Basalt

1 정의

화산 작용으로 생겨난 돌의 일종. 보통 거무튀튀하며 종종 기공(vesicle)이 많이 발달해있다. 같은 부피의 다른 암석에 비해 비교적 무겁다. 학술적으로는 다음 세 조건을 만족하는 암석을 가리킨다.

• 1) 미정질 : 암석을 구성하는 광물의 입자가 매우 작음 (보통 눈으로 구분하기 어려운 정도를 의미).
• 2) 화성암 : 마그마(쉽게 말해 녹은 암석)가 굳어서 만들어짐.
• 3) 필수광물(essential mineral)이 칼슘사장석(calcic plagioclase)과 보통휘석(augite)일 것

하지만 미정질 암석의 필수광물의 비율(modal percentage)을 알아내는 것은 매우 어렵다. 따라서 미정질의 화성암, 즉 화산암(volcanic rocks)의 경우, 전암(全巖, whole rock)의 알칼리 성분(소듐과 포타슘)과 규소 함량의 비율을 통해 정의하기도 한다. 이 때는 총알칼리도표(Total Alkali versus Silica diagram, TAS diagram)가 유용하게 사용된다. 이에 따르면 현무암은 45 ~ 52%의 이산화규소 함량을 가지며 알칼리 함량은 약 5wt% (무게비) 이하인 화산암으로 정의된다.

이렇게 정의가 2가지로 나뉘는 것은, 첫번째 정의는 모든 암석에 일반적으로 통용할 수 있는 잣대를 적용한 것이며, 두번째 정의는 그 정의를 활용할 자료를 실제로 얻어내기가 현무암에 대해서는 어렵기 때문이다. 실제 화산을 연구할 때는 두번째 정의가 더 많이 사용된다. 하지만 두 정의가 서로 어긋나는 것은 아니다.

암석학의 가장 기본적인 방침은 "암석의 형성 과정에 대한 정보 없이 암석의 이름을 붙일 수 있어야 한다"는 것이다. 인간의 수명이 한 몇억년은 돼서 마그마가 암석이 될 때까지 죽치고 관찰할 수 없는 이상, 인간이 '알' 수 있는 암석의 형성과정은 증거가 아무리 탄탄해도 불확실성이 있기 때문이다. 즉, 야외에서 암석을 보고 혹은 암석을 지금 분석해서 얻을 수 있는 정보에 의해서 암석의 이름이 붙여질 수 있어야 한다. 따라서 현무암의 정의에는 "지표로 분출됨"과 같이 형성 과정을 지시하는 정보는 가능한 제외하는 것이 옳다. 실제로 현무암이라고 해서 항상 지표로 분출된 것은 아니며, 지하에서 형성되기도 한다.

2 산출

현무암은 화산 활동에 수반되는 가장 흔한 암석 중 하나이다. 세립질의 암석이기 때문에 주변과의 온도차이가 상당해야하기 때문에 지표에 분출한 상태로 많이 관찰된다. 그러나 상부지각의 암맥으로도 현무암이 발견된다. 한편, 현무암이 가장 많이 산출하는 곳은 해령이다. 해령에서는 매년 20km³의 현무암을 쏟아내고 있으며 그 양은 전체 화산암의 60%를 넘는 양이다.

현무암질 마그마는 맨틀 암석이 부분용융되면 만들어진다. 보통 작게는 10% 미만, 크게는 25% 이상의 용융이 발생하면서 현무암질 마그마가 만들어진다. 보통 현무암질 마그마는 마그마가 만들어진 이후 겪게 되는 동화작용(Assimilation)과 분별결정작용(Fractional crystallization), 마그마 혼합 등이 가장 조금 진행되어 있다. 따라서 마그마가 만들어지는 환경에 대한 연구를 진행할 때 가장 선호되는 암석이다.

지표에서 사실 현무암은 여기 저기 깔려있지만, 굳이 유명한 곳을 꼽자면 다음과 같다.

국외: 콜롬비아강 현무암 지대, 하와이 제도, 데칸 고원, 동아프리카 열곡대, 라인(Rhine) 지구대, 아이슬란드 등
국내: 제주도, 철원, 전곡, 아산, 평택, 간성, 포항, 울릉도, 백령도 등

3 조직(texture) 및 육안상의 특징

대부분의 현무암은 화산작용에 의해 마그마가 지상으로 분출할 때 생성된다. 분출 당시 비교적 빠르게 식어 결정 형성이 빠르게 이루어져서 입자의 크기가 작은 편이며 바탕이 단단하다. 송송 뚫린 구멍은 일명 기공(氣孔)이라고도 하는데 용암이 식을 때 가스가 빠져나온 흔적이다. 성분에 따라 반정 종류는 조금씩 달라지지만 장석이 많은 경우가 있고, 감람석이 박혀있기도 하다. 휘석이 같이 산출하는 것도 이상하지 않다. 각섬석은 흔하지 않으나 알칼리 함량이 무척 높으면 가능하다. 석기(groundmass)는 유리질이거나 미세한 광물결정(microlite)이 산재해 있어 일반적으로 새카맣다. 반정이 거의 없는 현무암도 얼마든지 발견되고 있다.

급격하게 식으면 주상절리(柱狀節理)라 하여 육각형으로 굳은 절리 구조를 만들 때도 있다. 현무암이라는 이름도 일본의 지질학자 고토 분지로가 겐부동굴이라는 동굴의 이 육각형 지형을 보고 거북이와 비슷하다 하여 현무암이라 붙였다고 한다. 한국에서는 제주도 돌하르방으로 유명하다.

4 성분상의 분류

앞서 설명한 대로 현무암은 다양한 지역에서 산출하기 때문에 어떤 환경에서 어떻게 만들어졌냐에 따라 그 조성이 미묘하게 달라진다. 가장 변화폭이 좁고 전형적인 현무암은 역시 해령에서 산출하는 보통 중앙 해령 현무암(Normal mid-ocean ridge basalt, N-MORB)이다. 이 현무암은 쏠레아이틱 현무암으로서, 비호정성 원소가 상당히 결핍되어 있고 K2O, Al2O3, TiO2, MgO, P2O5 등의 주원소가 비교적 조금 들어있다는 것이 특징적이다. Sr, Nd, Pb 동위원소에서도 결핍 해령 맨틀(Depleted MOR Mantle)의 위치에 놓이는데, 이는 오랜 시간동안 마그마가 만들어지면서 기원 맨틀암석이 비호정성 성분이 탈탈 털렸다는 뜻이다.

한편, 해양섬 현무암(Ocean Island Basalt, OIB)도 대규모 화성암 지대(LIP)를 포함하여 쏠레아이틱 현무암이 주류를 이루나 그 성분이 해령과는 미묘하게 다르다. 이들은 비호정성 원소가 상당히 풍부하고, 해령 현무암에서 비교적 적었던 TiO2, Al2O3, K2O, MgO, P2O5 등이 부화(enriched)되어 있다는 특징이 있다. 동위원소 상으로도 144Nd가 적고, 87Sr이 비교적 풍부하여 부화(enriched) 된 성질을 가지고 있다. 이 때문에 해양섬 마그마는 판구조 운동에 의해 지속적으로 비호정성 원소를 빼앗긴 상부맨틀이 아니라, 아직 많은 초기 성분을 갖고 있는 하부 맨틀에서 기원했을 것이라고 예상되고 있다. 그러나 해양섬 마그마가 쏠레아이틱 성분인 경우는 활발한 마그마 형성이 유지될 때에 국한된다. 마그마의 공급원에서 그들의 공급이 영 시원찮아지게 되면 용융 정도가 떨어지게 되면서 점점 알칼리 현무암 계열로 변해가게 된다. 이들은 쏠레아이틱과 반정(phenocryst)에서 석기, 성분까지 상당한 차이를 보이는데, 가장 먼저 눈에 들어오는 것은 상당히 부화된 Na2O+K2O 성분이다. 이들은 상당량의 감람석을 반정으로 갖는 것이 특징적이다.

한편, 화산호 현무암(Island Arc Basalt)은 보다 다양한 구성을 갖는데, 이는 화산호 현무암의 성분을 좌지우지하는 요소가 무척 다양하기 때문이다. 화산호가 젊은 시절에는 매우 결핍된 상부 맨틀이 재활용되면서 유체(fluid)에 잘 녹아드는 일부 부원소(trace elements)를 제외하면 무척이나 결핍된 양상을 보여준다. 초기에 물이나 이산화탄소가 들어가면서 유체에 잘 들어가는 성분만 부화되는 것. 이 때 현무암은 일종의 쏠레아이틱 성격을 보여준다. 그러나 안정적인 섭입대가 구축되면서 이들이 성숙해지게 되면 화산호의 전형적인 조성이라 할 수 있는 칼크-알칼리 현무암 계열이 나타나게 된다. 칼크-알칼리 현무암 계열은 비교적 고압환경에서 분별작용을 겪기에 장석의 성장이 억제되고 휘석이 먼저 형성되며 금속산화광물이 보다 일찍 관여하면서 지속적으로 마그마 밀도가 떨어지며 AFM 도표에서의 FeO 부화 경로가 최소화된다.

이외에도 현무암 혹은 현무암 계통의 암석들이 많이 분포하는데, 이들은 킴벌라이트, 열곡대(혹은 지구대), 배호분지(back arc basin) 등에서 다양하게 산출하고 있다.

페리도트와 밀접한 관련이 있다. 현무암이 종종 감람석이 대부분을 차지하는 맨틀 암석(감람암)을 포획하고 있기 때문이다. 물론 대부분의 맨틀 암석에서 발견되는 감람석(페리도트)는 품질이 그리 좋지 않으므로 현무암을 뒤지지는 말자.

P-500 바잘트 대함 미사일의 '바잘트(Базальт)'가 현무암이라는 뜻이다. 여담으로 후속작인 P-700 그라니트(Гранит)의 뜻은 화강암.