變性巖, Metamorphic Rock
1 개요
변성(metamorphism)을 받은 암석. 변성이란, 암석의 환경이 변화하면서 수반되는 모든 종류의 변화를 지칭한다. 보통 암석의 성질을 변화시키는 환경 요소는 열, 압력과 유체분압 세 가지를 가리킨다. 그리고 암석이 겪는 변화는 보통 조직(texture), 광물조합, 조성, 동위원소 비 등 다양한 모든 변화를 포괄한다. 뿐만 아니라 변성 작용은 굳이 닫힌계일 필요가 없으며 보통 변성암은 열린계(open system)를 가정하게 된다. 따라서 변성암의 진화 과정을 역추적한다는 것은 쉬운 일이 아니다.
위의 정의에만 근거하게 되면, 암석의 풍화, 퇴적물의 속성작용과 같은 현상도 변성으로 보게 된다. 그러나 '전통적으로' 변성암석학에서 말하는 변성은 이러한 저온 구간에서 일어나는 일들은 포함되지 않는다. 보통 약 150~200도 이상에서 일어나는 변화부터 변성 작용으로 포함시킨다. 변성 작용이 적용되는 상한선은 암석이 녹아버리는 시점이다. 휘발성 물질(물)이 많이 포함되어 있고 압력이 하부지각 정도에 이르면 보통 650도만 이르러도 암석이 녹기 시작하지만,[1], 물이 별로 없게 되면 1000도 이상에서도 암석이 버텨낸다.
한편, 변성을 받기 전의 암석을 모암(protholith)라고 한다. 모암은 어떤 암석이든 될 수 있지만, 보통 모암의 성질을 분류하게 되면, 초염기성암(ultramafic), 고철질(mafic), 규장질(felsic) 화성암 기원, 탄산염암(carbonate) 기원, 그리고 퇴적암 기원(pelitic)으로 나누게 된다. 각 성분에 따라 나타나게 되는 변성암의 타입 광물이 변화하게 된다.
2 변성상 (Metamorphic facies)
변성암에서 중요한 것은 보통 4가지 요소로 정리된다. 온도, 압력, 암석 성분, 그리고 유체 함유량이 그것인데, 유체 함유량을 암석의 성분으로 포함시켜 '성분'이라고 말하게 되면 3가지가 되고, 암석의 성분이 모암에 의해 결정된다면, 결국 변성암의 조직과 광물조성을 변화시키는 것은 온도와 압력이 된다. 따라서 변성암을 연구하는 데 있어 가장 기본은 압력과 온도를 제한하는 것이 된다.
어떤 모종의 암석이 특정한 압력과 온도 구간에 이르게 되면, 보통 그 압력과 온도에 가장 전형적으로 잘 자라는 광물들이 포함되게 된다. 지구 규산염질 암층의 성분은 보통 그 범위가 제한적이기 때문에, 해당 압력 온도에 만들어질 수 있는 변성 광물의 종류 역시 제한되는 것이다. 예컨대 충돌대의 환경에서[2] 온도가 매우 높아지게 되면 사장석과 휘석이 암석을 주로 구성하게 된다.[3]
따라서 만약 모암 성분을 고정시켜놓고 압력과 온도를 계속 변화시키면, 다양한 광물 조성의 압력-온도 영역이 나타나게 될 것이다. 1920년에 P. Eskola라는 유명한 지질학자가 이 도표를 정립시켰는데, 이것이 변성상(metamorphic facies) 도표이다. 이 때 Eskola가 기준으로 삼은 모암은 현무암이다.
▲ P. Eskola가 정립하고 이후 저자들이 수정해나가면서 만들어진 변성상 도표. P-P는 Prehnite-Pumpellyite facies의 약자.
변성상은 대표적이고 결정적인 광물 조합을 선정하여 도시한 것으로 실제로는 더 복잡하다. 예를 들어, 같은 청색편암상(blueschist facies)이라도 압력과 온도 조건에 따라 로소나이트(lawsonite)가 들어있을 수도 있고 클리노조이사이트(Clinozoisite)가 들어있을 수도 있다.
유의할 점은, 해당 광물 조합은 전형적이긴 하지만 모암이 무엇이냐에 따라 조금씩 다를 수 있고, 극단적으론 전형적인 광물조합이 없을 수도 있다. 예를 들면, 석영질 사암을 백날 변성시켜봐야 석영이 잔뜩 들어간 규암 말고는 변성암을 만들 수 있을 리가 없다!
참고로, metamorphic zone 이나 metamorphic grade와는 다른 개념이라는 것이다. 일부에서는 이들 역시 사용되는 용어이기 때문에 어떤 의미로 사용된 단어들인 지 주의할 필요가 있다.[4]
3 변성 과정
변성 과정은 전진 변성 작용과 후퇴 변성 작용으로 크게 나눌 수 있다. 전진(prograde)이란, 온도가 올라가거나(heating), 압력이 올라가는(burial) 방향으로 진행되는 것을 말한다. 반대로 후퇴(retrograde)는, 암석이 식거나(cooling) 융기(exhumation)하는 과정을 말하게 된다.
3.1 전진 변성 작용
전진 변성 작용은 국부적인 온도 급증을 말하는 접촉변성작용(contact metamorphism)과 넓은 면적에 영향을 미치는 광역변성작용(regional metamorphism)으로 나뉘게 된다. 접촉변성작용은 높은 온도의 열원[5]이 암석에 접근하면서 국부적으로 열을 받아 만들어지는 것이다.
광역변성작용은 암석이 지하로 매몰되고, 온도가 올라가거나 강한 응력장에 놓이게 되는 등, 보다 넓은 범위에서 발생하는 환경 변화에 기인한다. 이는 보통 판구조론에 따른 힘과 열의 움직임이 그 원인이며, 대부분의 변성암은 이러한 과정 속에서 만들어지게 된다.
이외에도 매우 짧은 시간 내에 강한 전단응력을 받아 만들어지는 암석을 특히 동력변성에 의한 것이라 말하기도 하고, 드물지만 운석의 강력한 힘과 열에 의해 변성된 경우를 충격변성의 결과라고 말하기도 한다.
야외에서 조사할 수 있는 대부분의 변성 작용은 접촉 변성 작용이나 광역 변성 작용에 속한다. 특히 그 규모를 따질 때 광역 변성 작용은 사실상 전진 변성 작용의 대부분을 차지하고 있다. 전진 변성 작용은 고압, 고온으로 향하는 과정이 핵심이며, 보통 저압 고온 경로 (접촉 변성)와 고압 고온 경로(섭입), 그리고 그 사이의 범위에서 일어나는 충돌대 경로 세 가지 정도의 전진변성이 전형적인 모습이다.[6] 세 경로 모두 더 고온, 고압에 더 잘 견디는 광물이 새롭게 자라나는 것이 특징이다. 보통 고온, 고압으로 갈수록 광물은 더 밀도가 높고 무수 광물에 가까워져간다. 광역 변성에서 가장 상징적이고 흔한 변성 광물로는 석류석, 근청석, 강옥, 알루미늄 규산염 광물,[7], 운모[8] 등이 있다. 그러나 사실 흑운모, 백운모, 장석, 휘석과 각섬석[9]과 같이 흔하다고 생각되는 광물들은 변성암에서도 역시 흔한 변성 광물이다.
3.2 후퇴 변성 작용
변성암이 결국 지표로 노출된다는 것은, 고온, 고압 환경에서 다시 저온 저압 환경에 도달했다는 뜻이다. 따라서 어느 시점부터 암석은 고온 고압 환경에서 저온 저압 환경으로 되돌아가야하는데, 이 때 암석은 가만히 있지 못하고 다시 평형을 이루려고 한다. 이 과정을 후퇴 변성 과정이라고 한다. 비록 저온 저압은 에너지가 낮기 때문에 평형을 맞추기 위한 에너지가 충분치 않아 전진 변성처럼 암석을 완전히 갈아엎어버리지는 못한다. 하지만 유체(특히 물)가 관여하게 되면, 활성화 에너지를 매우 낮춰버리기 때문에 암석이 쉽게 변해버리게 된다.
따라서 후퇴 변성 작용은 보통 물이 관여하는 경우가 많으며, 실제로 저온 저압 환경은 보통 물이 풍부하다. 결국 후퇴 변성 작용은 보다 부피가 크고 물이 함유된 광물로 다시 붕괴되는 과정을 겪는 것을 기대할 수 있다. 예컨대 석류석이 흑운모로 변해버리는 것은 전형적인 후퇴 변성 작용의 예라고 할 수 있다. 또한 에클로자이트 같은 암석은 상승하면서 후퇴변성작용을 일으켜 각섬암 쯤으로 변해버리는 것도 얼마든지 가능하다.
후퇴 변성 작용이 있기 때문에 지하 깊은 곳의 암석을 연구하는 것이 쉬운 일이 아니다. 암석이 비록 최고 변성 조건에 도달했을지라도, 그 상태가 유지되리라는 보장이 없기 때문이다. 예컨대, Fe-Mg의 치환을 이용한 지온계(geothermometer)는 이 치환이 평형을 이루는 순간만을 기록하기 때문에 그 이상의 활발한 교환이 있던 온도는 지시할 수 없어 온도 범위에 치명적인 한계를 가지게 된다. 또한 지하 깊은 곳의 암석을 연구하고 싶더라도, 대부분의 지질학적 과정에서 지표로 올라오는 암석은 오랜 시간을 통해 올라오기 때문에 원상태를 보존하지 못한다. 이 때문에 킴벌라이트와 같이 지질학적 관점에서 순식간에 올라온 암석은 중요한 연구 대상으로 지목되고 있다.
4 특징
변성암중에는 압력이 한쪽으로 크게 작용하여 특이한 층상구조가 생기기도 하는데 이를 엽리라고 한다.[10] 압력이 한 방향으로 작용할때는 암석에 포함된 광물들도 이에 영향을 받는다. 변성암에 포함된 운모, 녹니석같은 판상광물들이 그 예다.
또한 변성암에 포함된 광물들은 열과 압력에 의해 결정의 크기가 바뀌는데 이를 재결정작용이라고 한다. 변성된 암석의 성질이 원래 암석과 완전히 달라지는 것도 재결정작용 때문이다. 경우에 따라서는 다른 광물 성질들이 섞이면서 재결정작용이 일어나 구성분자마저 다른 변성암이 만들어지는 변성교대작용이 일어나기도한다.
5 변성암에 속하는 암석
- 혼펠스
- 규암 : 사암이 접촉변성되거나 광역변성될 경우.
- 대리석 : 석회암이 접촉변성되거나 광역변성될 경우.
- 슬레이트 (점판암)
- 천매암
- 편암, 편마암 : 셰일, 현무암, 화강암이 광역변성될 경우.