1. 개요
火成岩 / Igneous Rock마그마 혹은 용융물(melt)이 식어서 생성된 암석이다. 지각의 상당한 양은 화성암으로 구성되어 있다고 알려져 있으나 변성암이 혼합되어 있고 표층에는 퇴적암이 무척 풍부해서 지표에서는 비교적 노출된 양이 적다. 한국에는 중생대에 화성암이 많이 관입했기 때문에 화성암, 특히 화강암류가 풍부하게 분포하고 있다. 화성암은 구성 광물이 다양할 뿐만 아니라 암석이 식으면서 만들어내는 다양한 지질 구조가 자원과 관련이 화성광상은 가장 풍부하게 분포하는 광상으로 알려져 있다.
화성암은 암석학에서 가장 먼저 배우는 암석인데, 암석의 '탄생'을 보통 용융물에서 고화되는 것으로 보기 때문이다. 암석이 녹을 정도로 고온이 되면, 물질 교환이 무척 활발해서 화학적으로 균질해진다. 이는 곧 그 이전의 지구화학적으로 누적되어온 정보가 소실된다는 의미이며 따라서 지구화학적인 대부분의 기법으로는 용융 이전의 상태를 추정할 수 없게 된다. 그러므로 용융된 상태에서는 방사성 동위원소 시계 역시 영점으로 돌아가게 된다. 따라서 지질학적 연대상으로 용융 상태는 나이가 0인 셈이다.
화성암은 마그마가 굳은 뒤에 큰 변화를 겪지 않은 것이므로, 마그마 자체의 성질을 역추적하는데 유용하다. 더 나아가 마그마의 성질은 그것이 만들어진 (용융된) 환경의 지배를 받기 때문에, 마그마가 형성된 환경을 역추적할 수도 있다. 이 역추적의 가장 흥미로운 사례가 바로 플룸구조론의 등장이다. 좀 더 자세히 말하자면, 전 세계 화산암의 화학 성분 분포와 알려진 원소별 성질을 기반으로 지금까지 알려진 마그마 형성 환경 이외의 제 3의 환경이 필요하며, 이 환경은 지각과의 상호작용이 많지 않았던 '원시 환경'이어야 함이 알려지게 된다. 이 때문에 아직 많은 혼합작용을 겪지 않았을 하부맨틀이 후보로 떠올랐다. 이것이 바로 전-맨틀 순환에 대한 지지이자 플룸구조론의 배경이 되는데, 오늘날에도 이 이야기가 확실한 것인지에 대한 구체적인 논의가 지속되고 있다.
바로 이 성질 때문에 화성암은 여러 암상에서 연대상 가장 적합한 암상으로 간주되고 있다. [1] 특히 퇴적층이나 빙하에서 화산암(화산재나 용암류)을 찾아내면 곧 그것을 분석하여 해당 퇴적층이 언제 만들어진 것인지를 추적할 수 있다. 보통 이런 퇴적층이나 빙하 시추 코어 분석에서 화산암보다 더 확실하게 연대를 제공해주는 방법은 화석을 제외하고는 무척 드물다. 화석은 당연하게도 극히 한정적인 환경에서만 보존되므로, 운이 따라주거나 특별한 조건이 맞아떨어져야만 한다.
2. 분류
기초적인 화성암의 분류 도표는 링크에 잘 정리되어 있다.암석학 항목에서 설명하는 암석 분류의 가장 기본적인 2가지 기준에 따라 화성암이 분류된다.
2.1. 조직(texture)
암석은 그 형성 과정에 따라 다양한 조직을 만들게 된다. 이에 따라 다양한 암석명이 뒤따르게 되는데, 화성암을 분류할 때는 보통 2가지 기준을 주로 따지게 된다. 이는 바로 광물의 결정 크기와 색이다.마그마가 냉각될 때, 주변 온도와 마그마의 온도의 괴리가 크게 되면, 결정의 성장률은 저하되고 결정의 성장핵의 개수는 많아지게 된다. 따라서 이 경우 결정의 개수는 많아지며 각각의 결정 크기는 제대로 자라지 못하여 매우 작다. 이 온도 괴리가 너무 크면 무수한 광물 갯수와 무척이나 작은 결정 크기를 가진 상태로 암석이 굳게 된다. 이 때, 육안으로 광물 결정을 분간하는 것은 불가능한데, 이러한 조직을 비현정질(aphanitic)이라고 하며, 이런 조직을 갖는 화성암을 화산암이라고 부른다.[2] 극도로 온도차이가 커지게 되면 아예 광물 성장 자체가 이루어지지 않으면서 암석이 비정질[3]인 상태로 굳게 된다. 이러한 유리질 암석이 규장질인 경우를 흑요석이라고 부르며, 고철질인 경우를 타킬라이트라고 부른다. 그러나 타킬라이트는 흔하게 만들어지지 않아서 보통 유리질 화성암이라고 하면 흑요석이 대부분을 차지하게 된다.
한편, 냉각시에 주변온도와 마그마의 온도의 괴리가 비교적 작으면, 결정의 성장률이 급격히 올라가며 결정핵을 만드는 작용은 억제된다. 이 때문에 결정의 개수가 현격하게 줄어들며 결정 하나하나의 크기는 커지게 된다. 이렇게 되면 암석은 눈으로도 구분되는 크기의 광물로 구성되게 되는데, 이러한 조직을 현정질이라고 말한다. 그리고 현정질의 화성암을 심성암(plutonic rocks)이라고 부른다. 보통 주변온도와 시스템 온도의 괴리가 작으려면 지하 깊은 곳에서 천천히 식기 마련이므로, 대부분의 심성암은 지하에서 천천히 식은 암석이라고 봐도 무방하다.
하지만 현실은 화산암의 경우 큰 결정도 있고 비현정질 조직도 있다. 이를 반암(pophyry)이라고 하는데, 이는 최소한 2 단계의 성장이 있음을 암시한다. 즉, 마그마 상태에서 먼저 자란 광물과, 나중에 온도 차이가 급격해지면서 급랭한 부분이 공존하는 것이다. 이는 화산암에서 매우 흔한 조직이며 어떤 경우는 큰 결정이 암석의 50% 혹은 그 이상을 차지할 때도 있다.[4] 크게 자라 있는 광물은 특히 '반정(phenocryst)'이라고 하며, 주변의 급랭한 부분을 석기(groundmass)라고 한다. 이러한 반암의 경우에는 화산암으로 분류한다.
2.2. 구성 광물 (암석의 성분)
암석은 기본적으로 광물로 구성되어 있다. 그렇기 때문에 구성 광물의 종류와 상대비가 암석 분류의 가장 기본이라고 할 수 있는데, 화성암의 경우에는 무척 다양한 범위를 갖는다. 이론상으로 광물의 상대비는 부피비를 가지고 구분하게 된다. 구성 광물은 어떤 암석을 정의하기 위해서는 반드시 요구되는 "필수 광물(essential minerals)"이 있으며, 이 암석의 성격을 드러내는 "타입 광물(type minerals)"이 있다. 그리고 암석의 전암 주원소 성분에 크게 영향을 미치지는 않지만[5] 암석 속에 들어있는 미량의 광물을 부성분광물(accessory minerals)이라고 말한다. 암석의 가장 줄기를 이루는 이름을 정의할 때는 필수광물만을 살피게 되며, 그 다음에 타입 광물을 단어 앞에 붙여준다. 부성분광물은 암석명에는 포함시키지 않는다. 전형적인 예는 화강암 항목을 참고.[6]이 때 필수광물은 반드시 암석의 상당량을 차지해야 한다. 이 '상당량'의 정도는 각 암석마다 조금씩 차이가 있을 수 있다. 예컨대 감람석과 휘석이 주로 들어있는 경우 이를 구분하기 위해서는 Ol-Cpx-Opx 삼각도표를 사용하게 되는데, 이 삼각도표가 적용되기 위해서는 필수광물 함량이 부피비로 90% 이상이어야 한다. 만약 사장석이 여기에 많이 들어있다면 사장석은 곧 필수광물로서 고려되어야하며, 이 때는 사장석과 휘석의 함량비에 의해 반려암 등의 다른 이름으로 불리게 된다.
그러나 광물의 부피비[7]를 항상 정량적으로 구하기 어려운 경우도 있다. 이 경우에는 전암분석(whole-rock analyses)이 요구된다. 특히 화산암의 경우 석기(groundmass) 부분의 광물 부피비를 잰다는 것은 사실상 불가능하기 때문에 전암분석이 유용하게 사용된다. 오랜 세월 전암분석을 한 결과, 화성암을 지질학적으로 의미있게 분류하는 데 유용한 몇 가지 원소가 있다는 것이 알려졌다. SiO2, K2O, Na2O, CaO, Al2O3가 특히 중요하게 다뤄진다. 그 중에서도 가장 먼저 고려되는 성분이 SiO2이며, 이는 최소 암석에 40% 이상은 포함되어 있을 뿐 아니라 최대 70%가 넘기도 하여 넓은 스펙트럼을 구별해낼 수 있기 때문이다.
이에 따라 화산암 내의 SiO2가 질량비로 45% 이하인 경우를 '초염기성암'이라고 부르며, 45%~52%는 '염기성암', 52~65%는 '중성암', 63% 이상은 '산성암'이라고 구분하기도 한다. 그런데 이 명칭은 더 이상 사용하지 않는 것을 권장하고 있다. 이 '염기'와 '산'이라는 단어는 과거에 암석이 액체에서 침전된다고 생각하던 시절로부터 내려오는 단어이며 실제로는 부적절한 표현이기 때문이다. 광물 모드비에 따라 분류하는 것이 정석으로 받아들여지면서 위 단어들 대신에 각각 초고철질(ultramafic), 고철질(mafic), 중성(intermediate), 규장질(felsic)암이 쓰이게 된다.[8] 그나마도 학술적으로는 자주 사용되지 않는데, 이는 규산염 함량과 함께 알칼리 성분을 고려하게 되면, 총알칼리(TAS) 도표를 만들 수 있게 되며 기초적인 암석명이 깔끔하게 도출되기 때문이다. 총알칼리 도표는 대부분의 화성암의 진화계열을 잘 보여주고 있어 지금도 화산암 분류에서 가장 기초적인 도표로 사용되고 있다.
여기에 보충하여 또 다른 기법이 사용되는데, 그것이 CIPW norm 계산법[9]이다. 전암분석 자료에서 휘발성 성분을 모두 제외한다고 가정하고 해당 성분을 후보 광물이 적절히 나눠가질 때 만들어질 가상의 광물비를 산출하는 것이다. 이 계산에 의해 나타나는 광물비는 결코 진짜 광물비가 아니지만, 이 계산 결과를 보면 암석의 전암성분에 대한 대략적인 성질이 쉽게 눈에 들어오게 된다. 예컨대 CIPW norm 계산에 따르면 하석(nepheline)과 석영(quartz)은 함께 도출될 수 없기 때문에 둘 중 어떤 광물이 포함됐냐에 따라 이 암석이 규산염포화암석인지 불포화암석인지 곧바로 알아낼 수 있다. 이 계산은 엑셀로 쉽게 할 수 있기 때문에 앞선 두 방법과 함께 흔하게 수행된다.
여기서 한 가지 짚고 넘어가야할 점은, 광물의 종류는 수 천 가지인데, 암석의 이름이 이 모든 조합에 붙어있을까하는 것이다. 답은 '그렇지 않다'이다. 이는 지질학에서 매우 중요한 점인데, 지구의 성분이 어느정도 범위 내에서만 움직이며 지구의 온도, 압력 조건에서 만들어질 수 있는 광물 조합은 매우 적다. 따라서 실제로 지질학에서 접할 수 있는 암석의 이름은 생각보다 줄어들게 된다. 즉, 지구의 조성은 큰 범위에서 고정되어 있을뿐만 아니라, 자연에서 암석이 만들어지는 과정이 무수히 많은 것이 아니라는 결론이 나온다. 이는 암석이 형성되고 진화하고, 나아가 지구가 변화하는 데 있어 그 경로가 제한적이라는 것을 의미한다.
2.3. 간단한 요약
- 조직상의 분류 : 마그마가 지하 깊은 곳에서 식은 후 고체화되어 나올 경우 심성암이라고 한다. 매우 천천히 식기 때문에 결정이 맨눈으로 보일만큼 커지게 된다. 마그마가 분출후 지표에서 식은 경우 화산암이라고 한다. 화산암은 마그마의 성질에 따라 달라지지만 매우 빨리 식기 때문에 결정이 매우 작거나 아예 유리처럼 산출되기도 한다[10].
- 성분상의 분류 : 화성암은 이산화규소의 농도가 높을수록 산성을 띄게되고, 그만큼 산소도 많이 포함하게 된다. 그래서 이산화규소의 농도에 따라 산성/중성/염기성으로 분류한다. 산성암은 63% 이상, 중성암은 52%~63%, 염기성암은 45%~52%, 초염기성암은 42% 이하의 이산화규소를 포함한다.
EX) 조립질(입자가 큼)로 되어 있고, 사장석과 휘석이 1:1로 섞여 있는 암석 = 심성암이자 염기성암 = 반려암
3. 화성암에 속하는 암석
| 결정크기 | SiO2少 | ㅡ | SiO2多 |
| 세립질 | 현무암 | 안산암 | 유문암 |
| 조립질 | 반려암 | 섬록암 | 화강암 |
4. 관련지역
1. 화산암- 제주도: 신생대 화산 활동으로 생성된 지역. 한라산이 대표적인 예. 특히 순상화산으로 주상 절리가 발달되어 있다. 유네스코 지정.
- 울릉도: 해저 화산이 폭발하여 만들어진 지형이다. 한라산과는 다르게 유동성이 작은 용암으로 만들어진 종상화산이다.
- 독도: 울릉도와 같이 해저 화산이 폭발하여 만들어진 지형으로 우리나라에서 가장 오래된 화산섬이다.
- 백두산: 용암 대지는 점성이 작은 용암으로 인해 생성되었으나 추후 화산이 폭발하여 화산재가 두껍게 쌓여 응회암층이 생성되었다. 빙하의 흔적이 있는것이 특징.
2. 심성암
- 설악산: 중생대 쯤 용암이 들어와 굳었고, 이후 이것이 노출되어 설악산이 되었다. 덕분에 심성암의 종류인 화강암을 쉽게 볼 수 있다. 노출될 때 기압이 낮아져서 판상 절리가 형성되었고, 풍화와 침식으로 기암절벽이 되었다.
덕분에 멋진 모습을 보여줌. - 북한산, 불암산 : 설악산처럼 중생대 쯤 용암이 들어와 굳었고 지표에 노출되었다.
역시판상 절리가 형성되었다.
한국지리나 지구과학 공부할 때 나온다.
5. 관련 문서
[1] 역으로 생각하면, 퇴적암과 변성암의 연대측정은 화성암이 제공해주지 못하는 다른 정보를 제공해준다는 점에서 유용하다. 예컨대 퇴적암은 해당 퇴적분지 공급원의 연대 분포를 알아내기 때문에 해당 환경의 기반암 연대 분포를 통한 기반암 성질 비교가 가능하다. 변성암 연대의 경우에는 변성연대를 추정할 수 있으며 판구조론에서 매우 중요하게 생각하는 판경계의 변성 환경이 언제 일어났는지 구체적인 자료를 제공해줄 수 있다.[2] 다만 보통 화산암이라는 단어는 지표에서 굳은 경우로 국한할 때가 있는데, 이 때 지하에서 만들어진 화산암은 hypabyssal이라고 구분하게 된다. 그러나 성인에 각별히 신경쓰지 않는 이상 보통 암석을 정할 때 구별하지는 않는다.[3] 비결정성물질이라고도 하며 원자 배열이 액체와 같이 불규칙한 상태를 말한다.[4] 이런 경우는 특히 집적암(cumulate)이라고 구분해버리기도 한다. 집적암이라는 명칭은 심성암에도 붙을 수 있다.[5] 단, Fe2O3와 P2O5는 제외[6] 화강암의 필수 광물은 석영과 장석(그리고 그들의 상대비)이며, 타입광물은 흑운모, 각섬석, 백운모, 휘석 등이 해당된다. 예컨대 백운모가 들어있는 화강암은 '백운모 화강암(muscovite granite)'이라고 부른다. 화강암의 부성분 광물은 대표적으로 모나자이트, 저어콘, 인회석, 알라나이트, 설석(sphene) 등이 있다.[7] 이를 모드(mode)비라고 한다.[8] 단어 자체가 심성암과의 통일성을 확보할 수 있다.[9] Norm 계산법이 여러 가지 있는 데 그중에 가장 유명한 것이 CIPW이다. 4명의 과학자의 첫 글자를 따서 CIPW라고 명명했다.[10] 예를 들면 흑요석