화산암

火山巖, Volcanic Rocks

1 개요

화성암 중에서 비현정질(aphanitic)[1]로 된 암석을 이르는 말이다. 분출암(extrusive rock)이라는 표현도 쓴다. 대부분의 화산암은 지표에 분출하여 쌓인 암석이기 때문이다. 그러나 항상 그렇지는 않으며, 지하에서 굳었지만 환경에 따라 비현정질이 나오기도 한다.

2 설명

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▲ 비현정질 조직을 보여주고 있는 현무암. 암석을 구성하는 광물입자를 눈으로 식별하기 어렵다.

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▲ 현무암을 편광판을 겹쳐 본 단면. 눈으로 구별하기 어려운 광물이 빼곡히 들어찬 배경(석기, groundmass)에 큼직큼직하게 자란 감람석 반정(phenocrysts)이 눈에 잘 띤다.[2]

보통 광물이 0.1 mm 혹은 그 이하의 크기로 나타나면 야외 조사에서 광물을 식별할 수가 없다.[3] 암석을 구성하는 광물이 너무 작아서 이를 식별할 수 없을 지경이 되면 비현정질(aphanitic)이라고 한다. 심한 경우에는 아얘 광물이 없고 유리질로 된 경우도 있다. 대표적인 예가 흑요석. 그리고 이런 비현정질 조직을 갖는 암석을 화산암이라고 부른다.

반드시 암석 전체가 비현정질이어야하는 것은 아니다. 중간중간에 큰 광물이 박혀있을 때도 매우 흔하다. 위 두번째 사진[4]에서 보듯이 전체적으로는 비현정질이지만 중간에 완전히 크기가 다른 큰 광물이 박혀있는 경우가 있다. 사실 암석 전체가 비현정질인 경우보다 이런식으로 큰 광물이 박혀있는 경우가 더 흔한데, 광물 크기가 이봉형(bimodal)이라고 말한다. 분포가 두 개의 봉우리를 갖는다는 뜻이다. 이 중에서 결정 크기가 더 큰 쪽을 가리켜 "반정"이라고 부르고, 작은 쪽을 가리켜 "석기"라고 부른다.[5][6] 그리고 그런 조직을 반상조직이라고 부르는데, 화산암에서는 특히 흔한 조직이다. 반상 조직 중에서 작은 쪽이 특히 비현정질일 경우가 화산암이 된다.[7] 어떤 경우는 반정의 함량이 무척 높아서 부피비로 50% 이상이 반정으로 된 경우도 있지만 여전히 화산암으로 분류한다.

3 형성 원리

현정질과 비현정질은 사실 쉽게 말하면 광물의 개수와 크기를 생각해야하는 문제이다. 현정질 혹은 조립질의 암석은[8] 광물의 개수가 적고 대신에 각 결정의 크기는 크다. 반대로 비현정질은 광물의 개수는 (너무) 많지만 각각의 결정 크기는 무척 작다. 이를 좀 더 암석학적으로 말하면, 조립질 암석은 광물 성장(crystal growth)은 잘 일어난 반면에 결정핵생성(nucleation)은 억제된 것이며, 화산암은 반대로 광물 성장은 어렵지만 결정핵은 많이 만들어진 경우에 속한다.

이를 결정하는 것은 용융체와 주변 환경의 온도 차이이다. 좀 더 엄밀히 말하면 과냉각 정도(ΔT)에 의해 결정된다. 광물은 용융점에 도달했다하여 곧바로 결정화되는 것이 아니라, 실제 온도가 광물의 용융점보다 어느 정도 이상 떨어져야 비로소 만들어지게 된다. 이는 광물이 성장하기 위한 씨앗, 즉 결정핵이 표면적이 부피에 비해 매우 크기 때문에 표면에너지가 매우 높아 불안정하기 때문이다. 따라서 어느 정도 이상 과냉각이 되어야만 이 불안정 영역을 넘어서서 안정적으로 결정을 쌓아올리게 된다. 한편 광물의 성장은 새로운 물질이 곧잘 공급되어 결정이 자라날 때 영양결핍이 되지 않도록 유지해줘야한다. 이는 확산이 잘 일어나야함을 의미하는데 확산은 보통 온도가 높으면 더 잘 일어나는 경향이 있다. 따라서 과냉각도가 낮으면, 확산을 통한 광물 성장은 잘 일어나지만 온도가 높아서 결정핵이 쉽게 부서지게 된다. 그래서 마그마에서는 결정핵을 새롭게 형성시키는 것보다 기존에 자라던 광물이 더 자라는 환경을 조성한다. 그런데 과냉각도가 커지게되면 확산은 점점 억제되는 반면에 결정핵은 쉽게 안정화되기 때문에 결정핵은 많이 만들어지는 반면에 이들이 다른 곳에 이동하여 광물을 덧자라게 해주지는 못한다. [9]

보통 화산암은 화산 활동의 산물이다. 화산이 분출하면서 뿜어내는 용암이 가장 전형적인 화산암을 만드는 기작이다. 지하의 마그마에서야 과냉각도가 낮아서 결정 몇 개가 큼직큼직하게 자라고 있었겠지만, 지표로 뿜어져나오게 되면 과냉각도가 급격히 커지면서 광물 성장이 억제된다. 이 때 암석이 굳어가면서 광물은 재빨리 결정핵을 우수수 만들어내게 된다. 이 때문에 아주 작은 광물 결정이 무척 많은 비현정질 조직이 만들어지는 것이다. [10]

참고로, 화산쇄설물에 기반하여 만들어진 암석은 화산암과 구분하기도 한다. 보통 넓은 의미의 화산암은 화산쇄설물과 용암을 모두 포함하기도 하지만, 화산암은 비현정질의 암석을 말하는 반면, 화산쇄설암(pyroclastic rocks)은 작은 화성 기원의 파편이 응집된 것을 말한다. 두 암석은 그 조직이 상이하며, 화산쇄설물이 모이는 조직을 특히 쇄설질(fragmental)이라고 구분한다. [11]

4 화산암의 분류

화산암은 보통 전암성분[12]을 이용하여 구분하게 된다. 그 이유는 화성암 항목을 참고하라. 화성암 항목에서도 설명했듯이 많은 화산암 분류는 그 시작이 전암 분석이다.

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▲ 전형적인 총알칼리 도표(Total Alkali-Silica Diagram)의 모습. X축에는 SiO2의 질량비(%)를, Y축에는 Na2O와 K2O의 질량비(%)를 합한 값을 입력하게 된다.

전암 분석(Whole-rock analyses)자료는 보통 전체 성분을 100%라고 놓고, 1% 이상의 질량비를 차지하는 산화물 성분을 나열하게 된다. 이 중에서 SiO2와 Na2O, K2O 세 성분의 질량비를 위의 도표대로 넣어, 해당 점이 어느 영역에 찍히는 지를 판단, 암석의 이름을 결정하게 된다.

우리가 흔하게 알고 있는 암석 계열인 현무암, 안산암 그리고 유문암은 총알칼리 도표에서 가장 알칼리 함량이 낮은 아래 영역의 계열임을 확인할 수 있다.[13] 이 계열의 경계선을 보면 기준이 SiO2 질량비가 각각 45%, 52% 그리고 63% 정도에 있다는 것을 알 수 있다. 이 경계를 따라 왼쪽부터 차례대로 초고철질, 고철질, 중성질, 그리고 규장질 화산암이라고 부르게 된다.[14] 정확하게 일치하지는 않지만, 대충 이 BADR 계열을 가리켜 준알칼리 계열(subalkaline series)[15]이라고 말한다. 전형적인 섭입대 화산암이 보통 이 준알칼리 계열에 들어가게 된다.

한편 이보다 알칼리 함량이 높은 화산암은 (당연히) 알칼리 계열(alkaline series)이라고 부른다. 알칼리 계열은 여러 수준이 알려져 있는데, 보통 조면현무암(Trachybasalt) 영역에서 조면암(trachyte)로 나아가는 계열과, 바사나이트(basanite) 내지는 테프라이트(tephrite) 계열에서 향암(phonolite)으로 넘어가는 계열이 잘 알려져 있다. 비록 알칼리 계열에서 시작할지라도, 규소 함량이 어느정도 확보되면 조면암에서 유문암으로 넘어가게 되는데, 이 때 만들어지는 유문암은 유문암의 넓은 영역 중에서도 알칼리가 높은 쪽에 분포하므로 특별히 알칼리유문암이라고 말한다.[16]

참고로 이 정의는 생각보다 확립된지 오래되지 않은 명명법[17]이기 때문에 1980년대 중반 이전의 연구 결과나 그 논문을 보게 되면 기이한 암석 이름들이 나타날 수 있다.[18]

이 총알칼리 도표에서는 특이한 환경의 암석은 포함시키지 못한다는 (사소한) 한계가 있다. 예컨대 세립질 카보네타이트나 스필라이트(spilite)등이 그 예이다. 이 단어들은 흔히 볼 암석은 아닌지라 번역된 한국어도 잘 없다!
  1. ↑ 0.1mm 정도보다 작은 미정질이거나 유리질인 경우
  2. ↑ 화려한 색깔을 띠는 덩어리가 대부분 감람석이다. 새카만 덩어리는 빛이 투과하지 않는 철-티타늄 산화광물(Fe-Ti oxides)들이다.
  3. ↑ 전형적인 광물인 경우 1 mm크기로만 자라도 무슨 광물인지 알 수 있을 때가 있다. 지질학에서 맨눈으로 식별 가능하다는 뜻은 지질학에서 자주 사용하는 루페(확대경)를 통한 관찰을 포함한다.
  4. ↑ 박편 스캔 사진이다.
  5. ↑ 표현에서 짐작할 수 있듯이, bimodal한 분포를 갖는 건 화산암에서만 일어나지는 않는다. 심지어 화강암도 bimodal 분포를 보인다. 당장 인도 옆을 싸고 있는 화강암 블록을 보면 유달리 큰 결정이 박혀 있는 걸 볼 수 있다. 다만 이 때는 일반적으로는 '석기'라는 단어를 쓰지 않는다. 반정과 석기는 보통은 비현정질에서 많이 사용된다. 또한 변성암에서도 bimodal 분포를 보이기도 하는데, 이 때는 반정이 아니라 반상변정(pophyroblast)이라고 한다.
  6. ↑ 반정이라는 단어는 반점처럼 자란 결정이라는 한자 단어다.
  7. ↑ 작은 쪽이 아주 비현정질은 아니지만 조립질이라고 부르기도 뭐한 애매한 상황에서 사용하는 단어가 hypabyssal이라는 단어이다. 한국에서는 반심성암이라는 단어를 사용하는데, diabase나 diorite가 대표적인 예이다.
  8. ↑ 광물이 눈으로 보일 정도로 큼직큼직하게 자라서 암석을 구성하는 것. 화성암에서 이를 심성암이라고 부른다.
  9. ↑ 교통수단이 잘 발달하면 응집된 큰 도시를 만들 수 있겠지만, 그렇지 못하면 부족국가가 와장창 만들어지는 것이라고 생각해보자.
  10. ↑ 역으로 말하면 과냉각도가 확실하게 보장되는 환경이라면 지표가 아니라도 얼마든지 화산암 같은 암석을 만들 수 있다. 주변이 차가운 암석으로 된 곳으로 파고드는 암맥(dyke)은 지하에서 굳었지만 비현정질 조직을 갖는 경우가 심심치 않게 존재한다.
  11. ↑ 엄밀한 조직상의 분류로는 두 분류가 상이하지만, 성분상의 분리로 가게 되면 덜 엄격해진다. 성분상의 구분을 하게 되는 이유가 화산쇄설물과 화산암이 같기 때문에 그 구분이 모호해지게 된다. 그럼에도 불구하고 실제 학술적 표현을 자세히 들여다보면 두 암상을 다르게 취급한다는 것을 느낄 수 있다.
  12. ↑ 암석을 대표한다고 판단하는 암석조각 전체의 성분비를 구한 값.
  13. ↑ 앞 글자를 따 BADR 계열이라고 말한다.
  14. ↑ 염기성, 산성이라는 표현은 옛표현이며 지금은 잘 사용하지 않는다.
  15. ↑ 혹은 비알칼리 계열
  16. ↑ 참고로 백두산의 상층부 암상이 전형적으로 조면현무암에서 조면암, 알칼리유문암으로 가는 암석 진화 계통을 따르고 있다.
  17. ↑ Le Bas et al., 1986; Le Maitre et al., 2002 etc.
  18. ↑ Tristanite, Essexite 등이 그런 예이다. (전공진입자들을 위해 첨언하면) 사실 교과서에는 아직 실리지만, hawaiite 같은 단어도 요새는 공식적으로는 지양하는 표현이다. IUGS 공식명칭을 권고하기 때문. 다만 hawaiite, mugearite, 및 benmoreite 계열은 화산암 연구 뿌리가 깊은 지역(예컨대 이탈리아)에서 자주 사용되던 단어라서 아직도 심심치 않게 사용한다. 더군다나 이 단어에 내포된 의미(Na2O/K2O ratio)가 나름 중요하기 때문에 이 표현들은 알아두면 좋다.