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변성암
변성암(變成岩, metamorphic rock)은 이전에 있었던 암석, 즉 모암이 '형태의 변화'를 뜻하는 변성작용을 받아 변화되어 만들어진 암석을 말한다. 모암은 열(섭씨 150도 이상의)과 강한 압력을 받아 물리적 혹은 화학적 변화를 겪게 된다. 모암은 퇴적암일수도 있고 화성암일수도 있으며 혹은 다른 변성암일수도 있다. 변성암은 지각의 많은 부분을 차지하며 조직과 화학적, 광물조합(변성상) 등으로 분류된다. 변성암은 지표 아래 깊은 곳에서 높은 온도와 위에 놓인 층들의 높은 압력을 받아 만들어질 수도 있고, 수평적 압력, 대륙의 충돌과 같은 조구적 과정에 의해 동반된 마찰, 뒤틀림, 압력 등에 의해서 만들어질 수 있다. 관입한 마그마 주변의 암석이 열을 받아서 만들어질 수도 있다.
침식과 융기에 의해 지표에 노출된 변성암의 연구는 지각 내부의 깊은 곳의 온도와 압력에 대한 매우 가치있는 정보를 제공한다. 변성암의 예로는 편마암, 슬레이트, 대리암, 편암 등이 있다.
목차
개요
변성암은 높은 온도와 압력에 의해 변성작용을 받아(액체로 변하지 않고 고체상태에서) 변화된 암석이다.
변성암은 열과 온도, 화학적 활성기체나 액체에 의해 만들어진다. 높은 온도와 압력을 받은 암석은 새로운 화학조합이나 구조를 갖는 암석으로 변한다. 이때 변성작용을 받는 암석은 액체상태가 아닌 고체상태에서 변성이 일어난다. 만약 암석이 액체상태인 마그마로 변한다면 변성암이 아닌 화성암이 만들어진다.
변성암은 지표면의 암석 중 약 17%를 차지한다. 그러나 지표보다 깊은 곳은 대부분이 변성암으로 되어있다. 이는 지각 외의 나머지 부분은 높은 압력과 온도를 갖기 때문에 암석의 조직과 광물이 변할 수 밖에 없기 때문이다.
변성작용은 암석을 이루고 있는 광물의 배열을 바꾸기도 한다. 이때 층상이나 호상의 엽리를 만들어내기도 하는데 암석 내의 광물들이 평행하게 배열할 때 만들어 진다. 변성암은 이러한 엽리가 있는지 없는지에 따라 크게 엽리가 있는 암석과 엽리가 보이지 않는 암석으로 나누기도 한다. 엽리가 있는 암석으로는 편암과 편마암이 대표적이고 엽리가 없는 암석으로는 석회암이 변성된 대리암과 사암이 변성된 규암이 대표적이다.
변성광물
변성광물은 변성과정에 동반되는 높은 온도와 압력하에서만 생길 수 있는 광물이다. 지시광물이라고 하는 이런 광물들로는 규선석, 남정석, 십자석, 홍주석, 석류석 등이 있다. 모든 광물은 안정하게 존재할 수 있는 온도 압력 범위가 있으며, 변성암 안의 특정한 광물의 존재는 그들 광물이 형성되었을 때의 온도와 압력을 지시해 준다. 비슷한 온도 압력조건에서 안정하게 함께 존재할 수 있는 광물들을 묶어 몇 개의 조(組)를 만들 수 있으며, 이를 변성상(metamorphic facies)이라고 한다. 따라서 광물의 조성으로부터 암석이 생성된 환경을 알 수 있다.
화성암의 형성과정동안 형성된 감람석, 휘석, 각섬석, 운모, 장석, 석영 등도 변성암에서 발견될 수 있으나, 이들이 꼭 변성작용의 결과로 생기는 것은 아니다. 이들은 고온 고압 환경에서 안정하며, 상대적으로 변성과정의 영향을 잘 받지 않는다.
특징
엽리
변성암에서 볼 수 있는 층상구조를 엽리라고 한다. 엽리는 재결정작용동안 압력이 한쪽 방향으로 작용하기 때문에 생긴다. 따라서 접촉변성암에서는 엽리가 나타나지 않는다. 압력이 한 방향으로만 작용하게 되면, 광물들은 판모양을 이루거나 한 방향으로만 길어지는 형태를 취하게 된다. 운모나 녹니석 같은 판상 광물들이 예가 된다. 한쪽 방향으로 작용한 압력은 엽리 조직을 만들게 되고, 때때로 암석이 벽개를 가지게 되기도 한다. 슬레이트는 셰일이 압력을 받아 변성된 암석으로 엽리를 가질 뿐만 아니라 잘 발달된 벽개를 보인다. 한편 암석이 모든 방향에서 압력을 받았거나, 특정한 방향성을 가지는 광물을 포함하지 않을 경우에도 엽리는 생기지 않는다. 대리암은 일반적으로 엽리를 가지지 않기 때문에 건축이나 조각에 이용된다. (엽리는 구성 광물 입자의 크기에 따라서 편리와 편마 구조로 구분한다.
재결정작용
변성 과정 동안 광물의 크기가 변화하는 것을 재결정작용이라고 한다. 예를 들면, 석회암 안에 들어있는 작은 방해석의 결정은 대리암으로 변성되면서 크게 자라게 된다. 석영의 모래 입자가 모여서 된 사암은 변성과정동안 석영 입자들이 재결정작용을 거치면서 입자 사이의 빈공간을 결정들이 모두 채워서 빈틈없는 규암이 된다. 재결정작용에는 온도와 압력 모두 영향을 준다. 높은 온도에 의해서 광물 안의 원소와 이온이 이동할 수 있게 되고, 높은 압력으로 인해 광물간의 접촉점에서 용융이 시작될 수 있다.
변성작용의 또 다른 기작은 광물 사이에서 용융 없이일어나는 화학반응이다. 광물사이로 원자들의 교환이 일어나고, 새로운 광물이 형성된다. 암석에서 볼 수 있는 광물의 조합을 통해서 어떤 온도·압력 조건에서 변성작용이 일어났는지 알 수 있다.
변성교대작용
변성교대작용(metasomatism)은 변성과정동안에 화학조성이 심하게 변하는 경우를 의미한다. 주변 암석에서 새로운 원소들이 유입됨으로써 일어난다. 물은 이들 원소들을 빠르고 멀리 이동시킬 수 있다. 변성교대작용을 겪은 암석은 원래 암석에는 없는 원소를 많이 가지게 되거나, 원래 가지고 있던 원소를 잃어버리기도 한다. 그러나 재결정작용이 일어나는데에 새로운 원소들이 반드시 공급되어야 하는 것은 아니다.
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 온도가 매우 높아지게 되면 사장석과 휘석이 암석을 주로 구성하게 된다.
따라서 만약 모암 성분을 고정시켜놓고 압력과 온도를 계속 변화시키면, 다양한 광물 조성의 압력-온도 영역이 나타나게 될 것이다. 1920년에 펜티 엘리스 에스콜라 (Pentti Eelis Eskola, 1883 ~ 1964) 라는 유명한 지질학자가 이 도표를 정립시켰는데, 이것이 변성상(metamorphic facies) 도표이다. 이 때 에스콜라가 기준으로 삼은 모암은 현무암이다.
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, 변성대 (Metamorphic zone) 이나 변성 등급(metamorphic grade)와는 다른 개념이라는 것이다. 일부에서는 이들 역시 사용되는 용어이기 때문에 어떤 의미로 사용된 단어들인 지 주의할 필요가 있다.
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.
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 판 구조론에 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. 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, 운모 등이 있다. 그러나 사실 흑운모, 백운모, 장석, 휘석과 각섬석과 같이 흔하다고 생각되는 광물들은 변성암에서도 역시 흔한 변성 광물이다.
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, 철(Fe)- 마그네슘(Mg)의 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.
변성작용의 종류
접촉변성
접촉변성은 관입이 일어났을 때 주변 암석이 겪는 변성작용이다. 변성이 가장 심한 곳은 마그마와 접하는 부분이고, 관입체에서 멀어질수록 온도와 비례하여 변성의 정도는 약해진다. 관입한 마그마 부근의 변성이 일어난 부분을 변성흔적대(contact metamorphism aureole)라고 한다. 접촉면 부근에서는 변성교대작용에 의한 광상이 형성되기도 한다. 관입암체의 크기가 1 km 이상이면 100 m 정도의 범위까지 변성 작용의 흔적이 남는다.
접촉변성에 의해 변성된 암석은 보다 더 강하고, 입자가 보다 커지는 특징을 보이는 경우가 많다. 입자 크기가 작고, 알갱이 사이에 빈공간이 없으며, 엽리가 없는 접촉변성암을 지칭하는 용어로 혼펠스라는 용어가 널리 쓰인다. 셰일은 갈색 흑운모로 이루어진 이질 혼펠스로 변성된다. 이회암(marl)이나 불순물이 섞인 석회암은 회색에서 황회색, 녹회색을 띄는 라임-규산염-혼펠스나 규산염질 대리암으로 변성되는데, 여기에는 오자이트, 석류석, 규회석, 기타 탄산염을 주요성분으로 하는 광물이 풍부하게 들어가 있어어 거칠고 쪼개지기 쉽다. 돌러라이트나 안산암은 각섬석과 흑운모가 새로 자라고 원래 있던 장석이 부분적인 재결정작용을 거치면서 돌러라이트혼펠스나 안산암혼펠스로 변성된다. 쳐트나 플린트는 미정질의 석영암(quartz rock)으로 변성되고 사암은 쇄설성 구조를 잃어버리고 입자들이 서로 맞물려 있는 구조를 얻으면서 규암으로 변성된다.
모암이 원래부터 층리나 엽리 구조를 가지고 있었다면, 그 흔적들이 완전히 지워지지 못하고 호상혼펠스가 생길 수 있다. 화석이 재결정과정을 지나는 동안에도 그 형태를 보존할 수도 있고, 접촉변성을 받은 많은 용암에서도 기공을 관찰할 수 있다. 하지만 원래 가지고 있던 광물조성은 유지되지 못한다. 미세 구조는 열 변성작용이 심할 경우 완전히 사라진다. 셰일 안의 작은 석영 입자는 주위의 점토에 완전히 섞이게 되고 용암의 석기들 역시 완전히 재결정된다.
열변성에 의한 재결정작용에 의해서 매우 특이한 종류의 암석이 종종 형성된다. 셰일은 홍주석(또는 키아스톨라이트), 십자석, 석류석, 남정석, 규선석의 거대 결정들이 들어가 있는 근청석암으로 변성될 수 있다. 이들 광물들은 모두 원래 셰일에 있던 알루미늄 성분으로부터 유래되어 생긴 것이다. 상당한 양의 운모가 종종 동시에 생겨서 편암과 비슷한 외관을 가지게 되는 경우도 있다. 석회암은 순수하다면 결정이 큰 대리암으로 변성되지만, 점토나 모래 같은 불순물이 모암에 섞여 있으면, 석류석, 녹렴석, 이도그레이즈, 규회석 등이 만들어진다. 사암은 엄청하게 열을 받게 되면, 거정질 규암으로 변성된다. 화성암은 이 문단에 기술된 고도로 변성되는 단계들은 일반적으로 보이지 않는데, 왜냐하면 화성암의 광물들은 높은 온도에서 생성되었기 때문에 쉽게 변화하거나 재결정작용을 받지 않기 때문이다.
드문 경우에 한하여 암석들이 합쳐져서 스피넬, 규선석, 근청석 같은 어둡고 유리질의 광물이 분리되어 나오는 경우가 있다. 셰일은 현무암맥에 의해서 종종 변성되고, 장석질 사암은 완전히 유리질화될 수 있다. 석탄층을 태우면 유사한 변화를 통해 셰일이 만들어지기도 한다.
퇴적암 배경암과 관입한 화성암 마그마 사이에는 접촉교대작용이 일어나는 경향이 있다. 스카른은 화강암이 석회암이나 백운암에 관입했을 때, 열수에 의한 물질교환을 통해 생겨난다.
광역변성
광역변성은 넓은 지역의 방대한 암석이 변성을 받은 용을 의미한다. 암석은 지각 하부 깊은 곳에서 상부의 암석들의 무게에 의한 높은 압력을 받아 변성되기도 한다. 화성암 관입암을 제외하면, 지각 하부의 암석은 대부분 변성암이다. 판의 수평움직임은 대륙끼리의 충돌을 야기하고 조산대를 형성한다. 조산대에서는 고온 고압의 변성작용이 일어난다. 먼 시간이 지난 후 산맥이 침식에 의해 깎여 나가고 나면 지각 심부에 있던 변성암이 긴 띠 모양으로 넓게 노출된다. 변성작용을 겪으면 모암의 역사를 말해줄 특징들이 사라지고 만다. 재결정작용은 퇴적암의 조직과 화석 등의 특징을 지워버린다. 접촉교대작용은 원 성분을 변화시킨다.
광역변성작용은 암석을 보다 강하게 만들고, 엽리(점판벽개, 편리, 편마구조)같이 판상광물들이 배열되어 만들어지는 조직을 생기게 한다. 따라서 운모나 각섬석 같은 판상 또는 주상의 광물은 서로 장축이 평행하게 배열된다. 이들 암석들은 운모가 들어있는 면을 따라서 쉽게 쪼개진다. 예를 들어 편암의 암석의 표본에서 신선한 쪼개짐면은 이런 판상 광물로 코팅되어 있는 것처럼 보일 수 있으나, 옆면은 그렇지 않고 입자모양의 석영이나 장석의 면을 보게 된다. 편마암에서는 교대하는 편리의 층이 더 두껍고 덜 규칙적이고, 무엇보다 운모가 덜 포함되어 있다. 편마암은 원래 편암보다 장석의 비율이 높다. 장석은 더 단단하고 쪼개지는 성질이 약하다. 편리를 따라 쪼개지는 편마암이 드문 것은 아니나 쪼개짐 면은 평평하지 않다. 편리와 편마암구조(엽리의 주요한 두 형태)는 높은 온도에서 한쪽방향으로 작용하는 힘을 받았을 때 생긴다. 암석 내부에서 물질의 흐름이 광물 입자를 재배열한다.
광역변성작용은 온도와 압력의 관계에 따라 그 양상이 구분될 수 있다. 온도가 높고 압력도 높은 고온 고압형, 압력은 높은데 온도가 낮은 저온고압형, 그 외 중간형이 있다. 특히 저온고압형 중에서도 코어사이트나 다이아몬드가 산출되는, 특별히 지하 깊은 곳까지 내려갔다가 상승한 암석을 초고압변성암이라고 한다. 온도 압력조건은 그 변성암이 생성된 지구조적 환경을 지시하기 때문에 중요하다. 저온고압형 변성암은 판이 침강하는 곳에서 만들어진 것으로 여겨진다. 반면 백립암은 고온 고압형의 변성작용의 결과 생기며, 대륙지각 심부의 환경을 지시한다
동력변성
단층운동에 동반하여 짧은 시간에 암석의 온도와 압력이 높아지게 되는 경우가 있다. 이때 변성을 받은 암석을 동력변성암이라고 한다. 동력변성암에는 미그마타이트(압쇄암) 등이 있다.
충격변성
충격변성암은 운석이 낙하할 때 생기는 국소적인 초고압 환경에서 생겨난 변성암이다.
변성암의 종류
이암, 셰일(진흙), 사암(진흙+모래), 역암(진흙+모래+자갈) 석회암(석회성분), 응회암(화산재), 암염(소금)
사암이 열을 받아 규암이 된다. 석회암이 열을 받아 대리암이 된다.(대리암은 염산과 반응하면 이산화탄소가 발생)
셰일이 열을 받아 혼펠스가 된다.
위 세가지는 오직 열으로 인한 작용이다.
화강암은 열과 압력을 받아 편마암이 된다.
셰일은 열과 압력을 받아 점판암, 편암을 거쳐 편마암이 된다.
현무암은 열과 압력을 받아 녹색 편암을 거쳐 각섬암이 된다.
압력을 받는 것은 편마암 or 편암으로 변하는 과정을 거치는데 '편암'이라는 것은 쪼개질 편을 따서 편암이라고 하는것이므로 압력을 받아 쪼개진다고 생각하면 외우기 용이할 것이다.
또한 혼펠스가 언급되어있는데 셰일이 높은 열을 받게 되면 미세한 광물들이 방향성 없이 치밀하게 짜여서 혼펠스가 된다.
- 변성암에 속하는 암석
- 혼펠스 : 입자의 크기가 조밀하고 밀도가 높은 접촉 변성암을 일컫는 말으로, 셰일이 변형된 것을 일컫는 말이기도 하다. 셰일이 변형되어 만들어진 혼펠스는 주로 흑운모로 구성되어 있다.
- 청금석 : 라주라이트(lazurite)라 부르는 푸른 광물이 주를 이루고, 이와 함께 방해석과 황철석이 성장한 변성암의 일종이다.
- 규암: 사암이 접촉변성되거나 광역변성될 경우.
- 대리암: 석회암이 접촉변성되거나 광역변성될 경우.
- 점판암 : 셰일이 지하에서 압력과 열을 받음으로써 압력 방향에 수직으로 판판하게 단단해진 변성암이다.
- 천매암 : 대부분이 퇴적암, 특히 점토질인 암석이 변성된 것이다.
- 편암, 편마암: 셰일, 현무암, 화강암이 광역변성될 경우.
관련 지역
- 지리산 : 대부분 선캄브리아대 변성암으로 천왕봉은 특이하게 화성암이다.
- 대이작도 : 한반도에서 가장 오래된 변성암이 있다고 한다.
- 백령도 : 규암으로 파도 때문에 동글동글한 돌멩이들이 널려 있다.
참고자료
- 〈변성암〉, 《위키백과》
- 〈변성암〉, 《나무위키》
- 〈변성암〉, 《지질학백과》
- 〈변성암〉, 《두산백과》
- 진이, 〈변성암의 종류와 특징〉, 《네이버 블로그》, 2015-10-17
같이 보기
