변성암

변성상

변성암의 광물조합은 원암에 가해지는 온도와 압력의 범위에 따라 달라진다. 변성암은 특정한 온도 및 압력 조건에 따라 형성되는 변성광물군의 집합으로 정의된다.

변성상(變成相)은 변성암을 형성하는 온도와 압력 조건에 의해서 정의되므로 변성암의 화학조성 및 광물조성과는 무관하다. 예를 들어 이토질의 원암과 현무암이 각각 동일한 온도와 압력 조건에서 변성작용을 받게 되면, 서로 상당히 다른 광물군을 형성하게 되지만 동일한 변성상으로 간주된다.

반대로 유사한 광물군을 갖더라도 변성온도 및 변성압력 조건이 다른 변성암들은 서로 다른 변성상으로 간주된다. 변성상의 발달은 지질시대에 따라 다소 차이를 보여주는데, 예를 들어 그래뉼라이트 암상은 시생대 암석에 집중되어 나타나는 반면, 청색편암상은 제3기 암석에 가장 풍부하게 나타난다.

조직

변성암의 조직에서 가장 두드러진 특징은 광물들이 특정한 평면을 따라 배열되어 있다는 것이다. 엽리는 변성암에서 관찰되는 층리를 지칭하는 조직이다. 슬레이트 벽개는 광물이 한 평면을 따라 쉽게 쪼개질 수 있도록 배열한 면구조이며, 편리는 편암에서 특징적으로 나타나는 반복적이며 두드러진 엽리이다.

구조적 특징

변성암은 동역학적 작용이 활발하게 일어나는 지역에서 많이 형성되며, 지구상에 존재하는 습곡·냅프·단층 등과 같은 큰 규모의 지질구조들과 밀접하게 연관되어 나타난다.

그러나 변성암을 형성하는 주요요인으로 온도만이 작용할 경우에는 위와 같은 지질구조들이 나타나지 않는다.

분포

변성도가 높은 광역변성암은 지하 수십km 지점에 매몰되어야 형성될 수 있으며, 따라서 이들로 구성된 변성암 지역은 조산대나 섭입대와 같이 지구조적인 활동이 활발하거나 활발했던 지역과 연관되어 나타난다. 또한 변성암은 순상지와 같은 안정한 지역에도 분포하며 열변성작용에 의한 변성암은 어디에서나 많이 나타난다.

변성작용의 변수들

변성작용에 영향을 미치는 가장 중요한 3가지 변수로는 온도·압력 및 원암의 조성을 들 수 있다. 변성작용은 150~1,000℃의 온도범위에서 일어난다. 일반적으로 150℃ 이하에서 일어나는 광물의 변화는 속성작용이라고 하여 변성작용과 구분되며, 온도가 1,000℃ 이상으로 증가할 경우에는 화성작용이 일어난다. 암석의 종류에 따라서 변성작용을 일으키는 온도는 다소 차이가 난다.

지구 내부의 온도는 맨틀에서 운반되는 열류, 방사성 붕괴에 의해 발생하는 열, 규산염 용융물에 의해 전달되는 열 등에 의해 결정되며 깊이와 시간에 의해 조절되기도 한다. 압력도 변성작용을 조절하는데, 주로 상부암석의 하중에 의해 발생하므로 두께가 얇은 해양지각보다는 두꺼운 대륙지각에서 크게 나타난다(→ 지각). 그러나 섭입대의 해양지각은 매우 깊은 곳까지 매몰되기 때문에 이곳에서는 고압의 변성조건이 형성된다.

압력이 수직방향 이외의 방향으로 작용할 경우에는 변성암의 변형이 일어나, 변성암의 구조나 조직에 영향을 미친다. 변성암의 화학조성은 원암의 화학조성에 의해 크게 영향을 받게 되므로 대부분의 경우 원암의 화학조성과 같은 조성을 갖게 된다. 만약 변성암의 화학조성이 원암의 화학조성과 크게 다르다면, 이는 유동성이 큰 원소들이나 물 및 이산화탄소 같은 휘발성 원소들에 의한 영향으로 나타나는 현상이다.

변성암으로 재결정화될 수 있는 원암의 종류는 매우 다양하다. 따라서 변성암의 화학조성은 매우 다양하지만 이토질·석회질·규장질 및 고철질의 4종류 화학계만으로 비교적 단순하게 구분된다. 변성암을 구성하는 광물들의 종류는 다양하다. 광물조성은 주로 원암의 화학조성에 의해 결정되지만 이밖에도 온도와 압력의 영향을 받는다. 변성암 내에 나타나는 광물들의 수는 '기브스의 상법칙'이라고 하는 열역학 법칙에 따라 제한된다(→ 변형).

변성 화학반응

변성 화학반응에는 기체성분들의 손실이나 광물상의 다형적인 변화 등과 같은 몇 가지 특별한 현상들이 나타난다. 변성작용시 일어날 수 있는 화학반응의 종류는 매우 많다. 일부 화학반응은 지각 내의 한 층준에서 온도와 압력의 상승만으로 일어난다. 순전달 화학반응은 기존 광물상의 파괴와 함께 새로운 광물결정의 성장을 수반하는데, 앨바이트가 경옥이나 석영으로 변환하는 현상이 그 예이다. 교환 화학반응은 기존의 광물상들의 원자들이 단순히 재배치되는 화학반응으로, 이 화학반응은 이미 존재했던 광물들의 조성변화만을 일으킬 뿐 새로운 광물을 형성하지는 않는다.

변성작용의 유형

변성작용은 일반적으로 열수변성작용·동력변성작용·접촉변성작용·광역변성작용의 4가지로 구분된다.

열수변성작용은 열수의 작용이 활발한 지표 근처의 암석 내에서 일어나는 작용으로, 뜨거운 마그마로부터 전달되는 열에 의해 가열된 지하수에 의해 일어난다. 동력변성작용은 방향성을 가진 압력이나 응력에 의해 일어나는 변성작용으로, 그 예로는 단층면에서 일어나는 광물조성의 변화를 들 수 있다. 접촉변성작용은 고온의 마그마에 의해 일어나는 변성작용이며 화성암의 관입암체 주변에 접촉변성대라고 불리는 변질대를 형성한다.

접촉변성작용과 연관되어 있는 변성상들로는 새니디나이트상, 휘석-혼펠스상, 각섬석-혼펠스상, 앨바이트-녹렴석-혼펠스상 등이 있다.

이렇게 형성된 전형적인 암석은 크기가 같은 세립질 입자로 구성된 혼펠스 조직을 갖는다. 흔한 퇴적암이 접촉변성작용을 받을 경우, 광물의 생성순서는 1차적으로 온도 변화에 의해 결정된다. 이런 광물에는 홍주석·근청석·아노르다이트·투휘석·녹석류석·규회석 등이 있다. 광역변성작용은 조산운동과 같은 지구상의 대규모적인 동역학적인 사건들과 연관되어 나타나는 변성작용이다. 대규모 변성암의 상당수는 바로 이러한 광역변성작용에 의해 형성된다.

대부분의 광역변성암은 주로 판과 판이 충돌하는 조산대에서 형성된다. 따라서 근래의 변성암대는 대체로 태평양 연안과 같은 대륙주변부에 평행하게 나타난다(대륙판간 충돌). 과거의 변성암대는 당시의 대륙주변부의 분포상태를 지시해준다. 이런 종류의 대표적 암석으로는 편암과 편마암이 있다. 이들은 크기가 같은 장석 입자가 많이 들어 있는 조립질 암석이다. 조립질인 것과 분포범위가 넓은 것은 지향사(地向斜) 침강지에서 장기간에 걸쳐 일어난 변성작용의 특징이다.

조산대

퇴적순서는 상당한 거리까지 추적이 가능한 경우가 많으며, 변성작용에 따른 광물조성의 변화는 제한된 성분 범위 내에서 확인할 수 있다. 퇴적암이나 화성암의 특정한 종류에서와 마찬가지로, 각 광물조성의 변화는 온도-압력 그래프상에서 특정한 광물조합이 안정한 작은 영역으로 표시된다. 변성암의 형성순서는 광물조성 변화 외에 암석 구조 또는 조직에 일반적인 양상이 있음을 보여준다. 가장 흔한 퇴적암인 셰일은 저(低)변성작용에 의해 운모질의 세립질 암석인 점판암으로 변한다.

변성작용이 더 진행되면 점판암은 천매암 또는 조립질의 엽상(葉狀) 점판암이 되며, 더 진행되면 편암이 된다. 계속적인 변성작용으로 휘발성 물질이 손실되고 교대(交代) 변화를 일으켜 편마암을 형성하게 되며, 이어서 운모는 없고 휘석-장석-석류석으로 구성된 엽상 암석인 그래뉼라이트로 변하고, 마지막에는 부분용융의 증거를 지니고 있는 혼성암(混成岩)이 된다. 다른 조성을 갖는 암석도 비슷한 형성순서를 나타낸다. 석영사암은 규암으로 변하며, 규산염광물이 압력과 온도에 따라 순서대로 형성되면서 석회암은 대리암이 된다.

염기성 화성암은 녹색편암·각섬암을 거쳐 최종적으로 에클로자이트가 된다. 특징적 광물의 출현은 변성작용의 강도를 나타내는 구별가능한 특징을 제공한다. 흑운모·석류석·십자석·남정석 또는 규선석이 최초로 나타나는 것은 일정한 변성조건을 지시하는 등변도(等變度)에 의해 표시된다.

해양판과 대륙판의 충돌이 일어나는 지역에서는 해양판이 대륙판 밑으로 섭입된다.

차가운 해양판의 빠른 섭입은 고압 및 비교적 저온의 변성조건을 형성하므로, 섭입대로 내려가는 해양지각의 현무암으로부터 고압상계열의 청색편마암상과 에클로자이트상이 생성된다.

해양판의 섭입이 계속해서 일어나면 섭입에 따른 온도 상승으로 부분용융이 일어나 용융물들이 형성되며, 이들은 일본 열도와 같은 화산의 생성에 이용된다. 또한 섭입과 관련된 마그마의 상승은 대륙 쪽의 고압·저온 변성암대 및 이들과 평행한 저온·고온 변성상대로 이루어진 변성쌍대의 발달에도 기여한다.

잘 발달된 변성쌍대는 일본, 캘리포니아, 알프스 및 뉴질랜드 등지에 노출되어 있다. 이밖에도 광역변성암은 미국 서부의 베이슨앤드레인지와 같이 신장단층에 의해 지각의 두께가 얇아지는 지역에서도 노출되어 나타난다. 광역변성작용에 의해 형성되는 변성상들은 저압상에 해당하는 불석상·포도석-펨펠리아이트상, 고압상에 해당하는 청색편암상·에클로자이트상, 중-저압상에 해당하는 녹색편암상·각섬암상·그래뉼라이트상 등이 있다.

분류

육안이나 렌즈로 광물입자들이 구분되며, 광물입자들이 상당한 방향성을 지닌 석리를 보여주는 암석을 편암이라고 한다. 편암내의 광물입자들은 대개 특징적인 방향성을 보여준다.

점토가 풍부한 퇴적암으로부터 발달한 극세립질의 변성암은 완벽한 층리와 함께 층상으로 쪼개지는 슬레이트 벽개를 보여주는데, 이러한 변성암을 가리켜 점판암이라고 한다. 점판암은 운모류와 녹니석류를 풍부하게 포함하고 있다. 편마암은 고온 및 고압 조건의 강한 변성작용에 의해 형성된다. 편마암의 입자크기는 편암에 비해 조립질이고 층리도 잘 발달하지만, 광물입자들의 방향성은 덜 완벽하게 나타난다.

혼펠스는 접촉변성작용에 의해 형성되는 변성암이다. 이들은 세립질이며, 방향성은 거의 보여주지 않는다. 석회암이나 백운암과 같은 탄산염암이 변성작용을 받게 되면 대리암이 형성된다. 압쇄암이란 기계적인 파괴작용에 의해 형성된 동력변성암의 일종이다. 슈도타킬라이트는 압쇄암보다 파쇄가 더 심하게 진행되어 용융이 일어난 동력변성암이며, 천매압쇄암은 파쇄와 더불어 새로운 광물의 성장을 수반하는 동력변성암이다.→ 암석과 광물