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화산암
화산암(火山岩, Volcanic Rocks)은 화성암의 종류 중 하나로, 마그마가 지표에 분출되어 식어 만들어진 암석으로, 냉각 속도가 빠르고, 결정의 크기가 미세한 세립질 또는 유리질 조직을 갖는다. 이산화 규소의 함량에 따라 코마티아이트, 현무암, 안산암, 데이사이트, 유문암 등으로 분류된다.
개요
화산암은 화성암 중에서 비현정질(aphanitic)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.
화산암의 조직
화산암은 마그마가 지표면 가까이에서 또는 지표면에 분출되어 급격히 냉각될 때 생성되기 때문에 세립질 또는 비현정질 내지 유리질의 조직을 갖는다. 마그마가 식어서 생성되는 화성암의 입자 크기는 마그마 내에서 결정을 만드는 데 필요한 핵이 형성되는 속도인 결정핵 형성 속도(nucleation rate)와 결정핵을 중심으로 결정이 성장하는데 필요한 성분이 공급되면서 결정이 얼마나 빨리 성장하는가를 나타내는 성장속도에 의해 결정된다. 이러한 결정핵 형성 속도와 광물의 성장속도는 마그마의 냉각률에 의해 결정된다. 마그마의 냉각이 비교적 빠르게 일어나는 경우에는 결정핵 형성속도는 빠르지만 결정의 성장속도가 매우 느리기 때문에 세립질의 비현정질 내지 유리질 조직을 갖는 화산암이 생성된다. 마그마의 냉각이 매우 급격하게 이루어져 결정핵 형성속도와 성정속도 모두 매우 느린 경우에는 모두 유리질로 되어 있는 화산암인 흑요암(obsidian)이 생성된다.
마그마의 급냉이 이루어지기 전에 마그마 내에 일부의 결정이 생성된 경우에는 이러한 결정들이 반정(phenocryst)으로 존재하는 반상조직을 갖는 화산암이 생성된다. 이와는 달리 반정을 갖지 않는 화산암이 갖는 조직을 무반상 조직이라 한다. 화산암이 지표에서 생성될 때 마그마 내에 있던 기포가 미처 대기 중으로 빠져 나가지 못하고 남아 있던 것이 고화된 후에 암석으로부터 빠져 나가게 되면 기공(vesicle)이라 불리는 구멍을 갖는 화산암이 생성되는데 이러한 조직을 다공질 조직(vesicular texture)이라 부른다. 이러한 기공을 갖는 화산암에 지하수가 침투하는 경우 지하수에 용존되어 있던 이온들이 침전되어 석영, 방해석, 녹니석 등과 같은 이차 광물을 형성하기도 한다. 이러한 광물들은 은행과 같은 둥근 형태를 가지기 때문에 이러한 이차광물을 행인(amygdaloid)이라 부르며, 행인을 갖는 조직을 행인상 조직(amygdaloidal texture)이라 한다.
특징
보통 광물이 0.1 mm 혹은 그 이하의 크기로 나타나면 야외 조사에서 광물을 식별할 수가 없다. 암석을 구성하는 광물이 너무 작아서 이를 식별할 수 없을 지경이 되면 비현정질(aphanitic)이라고 한다. 심한 경우에는 아예 광물이 없고 유리질로 된 경우도 있다. 대표적인 예가 흑요석. 그리고 이런 비현정질 조직을 갖는 암석을 화산암이라고 부른다.
반드시 암석 전체가 비현정질이어야 하는 것은 아니다. 중간중간에 큰 광물이 박혀있을 때도 매우 흔하다. 위 두 번째 사진에서 보듯이 전체적으로는 비현정질이지만 중간에 완전히 크기가 다른 큰 광물이 박혀있는 경우가 있다. 사실 암석 전체가 비현정질인 경우보다 이런 식으로 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. 그리고 그런 조직을 반상조직이라고 부르는데, 화산암에서는 특히 흔한 조직이다. 반상 조직 중에서 작은 쪽이 특히 비현정질일 경우가 화산암이 된다. 어떤 경우는 반정의 함량이 무척 높아서 부피비로 50% 이상이 반정으로 된 경우도 있지만 여전히 화산암으로 분류한다.
형성 원리
현정질과 비현정질은 사실 쉽게 말하면 광물의 개수와 크기를 생각해야하는 문제이다. 현정질 혹은 조립질의 암석은 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.
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.
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.
화산암의 분류
화산암의 분류는 크게 두 가지 분류 기준을 이용하여 분류할 수 있다. 한 가지 분류 기준은 국제지질연합(IUGS)에서 제안한 분류 방법인 QAP 삼각 다이어그램을 이용한 분류 방법이다.(오른쪽 사진) 이러한 분류 기준은 암석 내에 존재하는 주요 광물들인 석영, 사장석, 알칼리장석의 광물 모우드(mineral mode)에 따라 분류하는 방법이다. 이러한 분류 기준에 따라 알칼리 유문암, 유문암, 데사이트, 알칼리 석영 조면암, 석영 조면암, 석영 라타이트, 안산암, 석영 안산암, 알칼리 조면암, 석영 조면암, 조면암, 석영 라타이트, 라타이트, 안산암, 현무암 등으로 분류된다. 구성광물로 석영, 사장석, 알칼리장석과 같은 밝은 색을 띠는 광물을 많이 함유하는 알칼리 유문암, 유문암, 데사이트 등은 이러한 광물을 적게 함유하는 안산암, 석영 안산암, 안산암, 현무암 보다 밝은 색을 띤다.
다른 분류 기준은 암석의 화학분석치를 이용하여 분류하는 것으로 가장 널리 사용되는 분류 방법은 국제지질연합(IUGS)의 화학적 분류인 총알칼리와 실리키 함량을 기준으로 하는 TAS(total Alkali Silica) 다이아그램이다.(오른쪽 사진) 화학분석치에 따른 화산암의 분류는 크게 세 가지 계열로 나누어진다. 총알칼리(Na₂O+K₂O) 함량을 많이 갖는 암석들인 고알칼리 계열(peralkaline series) 암석, 상대적으로 낮은 총알칼리 함량을 갖는 암석들은 비알칼리 계열(subalkaline series) 암석, 그리고 이들 사이의 총알칼리 함량을 갖는 암석들인 알칼리 계열(alkaline series) 암석으로 구분된다. 고알칼리 계열에 속하는 암석들은 지구상에서 매우 제한적으로 산출된다. 알칼리 계열에 속하는 암석들로는 SiO₂의 함량이 증가하는 순서에 따라 알칼리 현무암, 하와이아이트, 뮤기어라이트, 벤모어라이트, 조면암으로 분류된다. 제주도에 분포하는 화산암은 알칼리 계열에 해당하는 화산암들로 알칼리 현무암이 대부분을 차지한다. 비알칼리 계열에 속하는 화산암은 SiO₂ 함량이 증가하는 순으로 현무암, 현무암질 안산암, 안산암, 데사이트, 유문암으로 분류된다. SiO2를 많이 가지는 암석일수록 밝은 색을 띠며, 적게 갖는 암석일수록 어두운 색을 띠게 된다.
화산암 중에서도 기공을 갖는 화산암에 대해서는 부석(pumice)이나 스코리아(scoria)라는 이름을 붙인다. 즉 유문암질 마그마가 굳어져 생성된 화산암 중에 기공을 다량 함유하며 다공질 조직을 갖는 밝은 색의 화산암을 부석이라 하며, 현무암질 마그마가 굳어져 생성된 것으로 기공을 많이 갖는 다공질의 어두운 색 화산암을 분석(cinder) 또는 스코리아라 한다. 부석은 밀도가 작은 유문암질 마그마가 굳어져 생성된 것이기 때문에 기공을 많이 함유하고 있을 경우 물에 뜨기도 하는 반면에, 스코리아는 밀도가 큰 현무암질 마그마가 식어서 된 것이기 때문에 기공을 많이 함유하는 경우에도 물에 뜨지 않는다. 화산암 중에서 완전히 화산 유리로 되어 있는 것을 흑요암(obsidian)이라 한다.
화산암의 구성광물
유문암질 마그마가 식어서 생성된 규장질 화산암인 알칼리 유문암, 유문암, 데사이트 등은 주로 석영, Na-사장석, 알칼리장석 등과 같은 담색광물로 이루어져 있으며, 유색광물인 흑운모 또는 각섬석이 부수광물로 들어 있다. 안산암질 마그마가 식어서 형성된 중성질 화산암인 안산암과 석영 안산암, 라타이트, 조면암과 같은 화산암은 석영, Na-Ca 사장석, 알칼리장석과 함께 유색광물인 흑운모와 각섬석이 주요 구성광물로 존재한다. 현무암질 마그마가 굳어져 생성된 고철질 화산암인 현무암질 안산암과 현무암은 주로 담색광물인 Ca-사장석과 유색광물인 감람석과 휘석 등으로 이루어져 있다.
참고자료
같이 보기
