지각을 이루는 물질 - 연수자료 중

[개구리처리]

1. 원소

        지각을 구성하는 원소(元素, elements)는 100여종이지만, 함량비(含量比) 1% 이상의 주요 원소는 O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg 등 8개이다. 이 8개의 원소를 지각 구성의 8대 원소라 부르는데, 중량비(重量比)로 볼 때, 전 지각의 약 99%를 차지한다. 특히, 비중이 높은 원소는 O와 Si 인데, 각각 47%와 28%로 전체의 3/4에 달한다. 그러고 보면, 지각의 대부분이 산소와 규소의 덩어리라 해도 과히 틀린 말은 아니다.

        그러나 지구 전체를 두고 본다면, 각 원소의 비중은 다소 달라진다. 지각의 경우와는 달리, 가장 많은 원소는 Fe로 35%에 달하며, 그 다음으로 O, Si, Mg이 각각 30%, 15%, 13%로 비중이 높다.

2. 광물

        광물은 하나의 원소 또는 여러 개의 원소들로 이루어진 암석의 단위 물질로 대부분 무기물이며, 원소의 결합양식에 따라 일정한 화학적인 성분과 물리적인 성질을 지닌다. 지구에 존재하는 광물의 수는 2000여종 이상에 달하지만, 암석을 이루는 주요 조암광물(造岩鑛物, rock forming minerals)은 30여종에 불과하다. 암석은 이 조암광물의 물리․화학 성질과 구성조직에 따라 그 성질이 달라진다. 따라서 암석을 분별해내기 위해서는 이 조암광물의 특성과 그 구성조직을 알아내야 한다. 가장 중요한 조암광물로는 규산염광물(硅酸鹽鑛物, silicate minerals)을 들 수 있다. 특히, 화성암은 거의 전부가 이 규산염광물로 이루어져 있다.

1) 규산염광물

        규산염광물은 산소, 규소 및 금속성 원소로 이루어wu 있으며, 기본 구조는 1개의 규소 원자를 4개의 산소 원자가 둘러싸며 결합한 4면체 구조이다. 이 규산염광물은 무색광물(felsic minerals)과 유색광물(mafic minerals)로 구분된다.

        무색광물은 규산염광물 혹은 규장질광물이라고도 불리며, 영어의 ‘felsic'이란 말에서도 시사되듯이, 석영과 장석류가 이에 속한다. felsic의 fel은 feldspar(장석), 그리고 si는 silica(규소)를 의미한다. 비중은 2.6～2.8g/cm³로 낮은 편이다.

        유색광물은 철-마그네슘 광물 혹은 고철질(苦鐵質)광물이라 불린다. 이는 철과 마그네슘이 많기 때문인데, 영어 mafic의 ma는 magnesium(마그네슘), f는 ferrum(=iron, 철)을 의미한다. 주요 유색광물에는 감람석, 휘석, 감섬석, 흑운모 등이 있다. 이들은 대체로 어두운 색을 띠우고 있으며, 비중이 2.8～3.3g/cm³로 무색광물에 비하여 높은 편이다.

2) 광물의 정출 순서와 풍화 안정도

        마그마¹⁾가 냉각되게 되면, 광물이 정출(晶出)된다. 1928년 보웬(Bowen)이 주장한 마그마 분화작용(magmatic differentiation) 체계에 의하면, 화성암의 조암광물은 연속․불연속 분별결정작용(分別結晶作用, fractional crystalization)²⁾에 의해 생성된다. 소위 보웬의 반응계열(Bowen reaction series)이라 알려진 것이 이것이다. 이에 의하면, 고온의 현무암질 마그마는 냉각되면서 두 경로 즉, 연속적인 사장석 계열³⁾과 불연속적인 철고토광물 계열⁴⁾을 따라 분화되며, 종국적으로는 칼리장석(정장석, potash feldspar), 백운모, 석영 등 저온의 화강암질 성분으로 점차 달라진다(그림 참고자료집 참조). 다시 말하여, 분화 초기에 감람석이 정출되고 분리된 후, 마그마의 성분은 섬록암과 동일해지며, 이 단계에서 마그마가 지표에 도달되면 안산암이 만들어지는데, 이 보다 더 후기 단계로 넘어가면, 마그마는 더욱 규질(硅質, silicic)을 띠면서 화강암질 마그마를 형성한다. 이 단계에서 마그마가 분출하면 유문암이 생겨난다.

        이와 같은 마그마 분화 이론은 근래에는 몇 가지 점에서 비판을 받고 있다. 특히 현무암질 마그마가 분화되어 거대한 화강암체를 형성키는 어렵다고 보고 있으며, 분화작용이 일어나는 것은 확실하지만, 보웬 등이 주장한 것보다는 훨씬 복잡한 과정을 거치면서 일어나는 것으로 믿고 있다.

        광물의 정출순서가 중요한 것은 광물이 지표의 환경에 노출되었을 때, 정출순서와는 정반대로 광물의 풍화에 대한 안정도가 달라지기 때문이다. 예를 들어, 저온․저압 하에서 정출되는 석영 등의 무색광물은 풍화에 안정적인 반면, 보다 고온․고압 하에서 정출되는 감람석, 휘석 등의 유색광물은 풍화에 불안정하다. 해빈이나 하천의 모래에서 석영 등은 많으나 감람석 등은 찾기 어려운 것도 이러한 때문이다.

3. 암석

        암석은, 광물의 집합체로, 하나 또는 그 이상의 광물들로 구성되며, 성인에 따라 화성암, 퇴적암 및 변성암으로 분류된다. 지각 전체로 보면, 화성암이 가장 많아 65%에 달하며, 변성암은 27%, 그리고 퇴적암은 8%에 불과하다. 그러나 육지 표면에 분포하는 것을 기준으로 보면, 암석의 75%가 퇴적암 내지 변성퇴적암이며, 단지 25%만이 화성암이다.  

1) 화성암

ㅇ 화성암의 분류와 주요 화성암:  화성암(火成岩, igneous rocks)은 마그마가 지하 또는 지표에서 냉각 고결(固結)되어 생성되는 암석으로 마그마의 특성, 냉각 속도, 산출상태 등에 따라 그 종류가 다양하다. 마그마가 냉각되고 분화되는 과정에서 그것이 지닌 화학적인 성분 또한 달라지는데, 그 대표적인 성분 변화는 규산이다. 이 규산(silica, SiO₂)의 함량 정도에 따라, 흔히 화성암은 산성(66% 이상), 중성(52-66%), 염기성(45-52%), 초염기성(45% 이하)으로 분류된다. 대표적인 산성암은 화강암과 유문암, 중성암은 섬록암과 안산암, 염기성암은 반려암과 현무암, 그리고 초염기성암으로는 감람암을 들 수 있다.

        마그마의 냉각 속도는 암석의 석리(石理 혹은 組織, fabric or texture)를 결정한다. 즉, 지하 심처에서 마그마가 서서히 냉각되면, 조암광물이 결정 성장에 충분한 시간을 갖게 되므로, 거의 모두가 결정질이 되지만, 화산활동에 의해 지표로 노출된 것은 급속히 냉각되므로 그럴 시간적인 여유가 없어 이미 지하에서 정출된 일부의 광물을 제외하고는 미정질(未晶質) 혹은 유리질이 된다. 이러한 석리는 화성암을 식별하는 중요한 지표가 될 수 있으므로 화성암 분류의 또 다른 기초가 된다.

        화성암의 종류를 식별하는 기초가 되는 중요한 석리 또는 조직으로는 현정질 조직(顯晶質 組織, phaneritic texture), 비현정질 조직(非顯晶質 組織, aphanitic texture), 반상조직(斑狀組織, porphyritic texture) 등이 있다. 현정질 조직은 육안이나 확대경으로 구성광물을 식별할 수 있는 조직을 말하는데, 광물입자의 크기에 따라 조립질(5mm 이상), 중립질(1～5mm), 세립질(1mm 이하)로 세분되며, 광물입자가 거의 같은 크기이면, 등립질(等粒質)이라 한다. 이에 대하여 비현정질 조직은 육안이나 확대경으로 식별할 수 없는 것으로, 현미경 하에서 관찰 가능한 것은 미정질(微晶質, microcrystalline)이라 하며, 전부 비정질(非晶質)로만 이루어진 것을 유리질(glassy) 조직이라 한다.

        반상조직은 세립질 혹은 유리질 바탕에 큰 결정이 섞여 있는 것을 말하는데, 큰 결정을 반정(班晶, phenocryst), 바탕 물질을 석기(石基, groundmass)라 한다. 이 반상조직은 현정질 암석이나 비현정질 암석에서 다 나타난다. 이러한 조직이 나타나는 것은 초기 단계에서 서서히 냉각된 후, 다시금 급격히 냉각되는 과정을 밟았기 때문인데, 이 경우 초기 단계에서는 반정이, 그리고 후기 단계에서는 석기가 생겨난다.

        현정질 화성암으로는 마그마가 지하 심부에서 냉각 고결되어 생겨난 암석들인 화강암, 섬록암, 반려암, 감람암을 들 수 있으며, 비현정질 암석으로는 마그마가 지표에서 굳어져 생겨난 현무암, 안산암, 유문암을 들 수 있다.

        . 

ㅇ 화성암의 산출상태: 화성암은 마그마의 산출상태를 기준으로 크게 분출암(extrusive rocks)과 관입암(introsive rocks)으로 분류한다. 분출암이란 말 그대로 화산분출 시 마그마가 지표에 흘러나와 굳어진 것으로 화산암(volcanic rocks)이라고도 부르며, 관입암이란 지하에서 마그마가 냉각 고결된 것을 말한다. 관입암은 다시금 심성암(plutonic rock)과 반심성암(hypabyssal rock)으로 나눌 수 있다. 분출암의 예로는 조면암, 안산암, 현무암, 그리고 관입암의 예로는 화강암, 섬록암, 반려암 등을 들 수 있다(관입암 및 분출암의 산출 상태에 관한 그림은 참고 자료집 참조).

        산출상태의 주요한 것으로는 저반(底盤, batholith) 암주(岩柱, stock), 암상(岩床, sill), 병반(餠盤, laccolith), 암맥(dike) 등이 있다. 저반은 지표에 노출된 심성암의 면적이 100km²이상에 달하는 것을 말하며, 그 이하의 심성암에 대해서는 암주라 한다. 물론, 암주의 하부는 저반으로 연결된다. 서울의 관악산은 일종의 암주이며, 북한산은 저반에 속한다.

        암상은 관입암상과 분출암상이 구분된다. 관입암상은 퇴적암층의 성층면이나 변성암의 엽리를 따라 널빤지 모양으로 관입하여 굳어진 것인 대하여, 분출암상은 용암류가 퇴적층을 피복하여 이루어진 것이다. 병반은 퇴적지층을 관입하여 도움(dome) 모양으로 들어 올리면서 굳어질 때 생겨난다.

        암맥은 퇴적층의 층리나 변성암의 엽리를 가로질러 관입하여 생겨난 판대기 모양의 관입암체이다. 이 암맥은 주변의 암석과는 성질이 다르므로, 지표에 노출되면, 풍화 및 침식에 대한 경연도가 달라, 지형적으로 돌출하거나 오목한 작은 골짜기를 이루는 경우가 많다. 암맥과 유사한 것으로 맥(脈, vein)이 있는데, 이는 기존 암석의 깨진 틈을 석영이나 방해석 등이 채우고 있는 모습을 띠고 있다. 이러한 맥은 유용광물이 농집(濃集)되어 있어 광상(鑛床)을 이루기도 한다.

2) 퇴적암

        퇴적암(sedimentary rocks)은 기존의 암석이 풍화․침식을 받아 생성된 물질이 이동 퇴적된 후, 고화되어 생겨난 암석을 말한다. 퇴적물이 암석이 되는 것은 지표에 가까운 곳, 즉 저온․저압의 조건하에서 다져지고(compaction), 교결되며(cementation), 결정화되는(crystalization) 작용을 거쳐 이루어진다. 이를 속성작용(續成作用, diagenesis)이라 하는데, 이 과정에서 퇴적물(sediments)의 공극이 감소되고, 부피가 줄어드는 반면, 비중은 증가된다. 이 속성작용을 받아 퇴적물이 궁극적으로 암석화 될 때, 이를 암석화 작용(lithification)이라 부른다.

        퇴적암은 기원이 되는 퇴적물의 특성과 퇴적과정에 따라 분류된다. 흔히 퇴적암은 쇄설성 퇴적암과 비쇄설성 퇴적암으로 대분하고, 쇄설성 퇴적암은 다시금 퇴적과정에 따라 수성 퇴적암, 풍성 퇴적암, 화성 퇴적암 및 빙성(氷成) 퇴적암, 그리고 비쇄설 퇴적암은 화학적 퇴적암과 유기적(有機的) 퇴적암으로 분류한다.

        퇴적암은 화성암이나 변성암과는 구분되는 여러 특징들을 지니고 있다. 층리(層理, stratification 혹은 bedding), 사층리(斜層理cross bedding), 물결자국(漣痕, ripples), 건열(乾裂, sun crack 혹은 mud crack), 화석(化石, fossils) 등이 그것인 데, 이는 특히 수성 및 풍성 퇴적암에서 잘 관찰된다.

ㅇ 쇄설성 퇴적암(clastic sedimentary rocks)

- 수성 퇴적암: 수성 퇴적암은 유수, 파랑 등 물에 의하여 운반되고 퇴적되어 생겨난 암석을 말하는 것으로 퇴적된 장소는 바다, 호수 및 하천이다. 이 퇴적암은 퇴적물의 입자 크기에 따라 역암, 사암, 미사암, 셰일 등으로 세분된다. 퇴적물의 입자 크기는 흔히 아래와 같이 구분한다.

boulder(거력) 256mm 이상

cobble(중력) 64～256mm

pebble(소력)  4～64mm

granule(왕사) 2～4mm

sand(모래)    0.063～2mm

silt(미사)     0.002～0.063mm

clay(점토)    0.002mm 이하

        역암(conglomerate)은 주로 위의 자갈(거력, 중력 및 소력, 원력 내지 아각력)들이 규산분, 철분, 석회분 등에 의하여 엉겨 붙어 암석화된 것을 말하는데, 단층선을 따라서 파쇄된 암편들이 고결된 것에 대해서는 단층각력암(breccia)이라 하여 이와는 구분하고 있다. 사암은 주로 모래가 굳어진 것인데, 색깔에 따라서 적색 사암, 회색 사암 등이 구분되며, 기타 장석 입자가 많은 장석질사암(arkose), 석영 등의 암편이 고결된 경사암(硬砂岩, greywacke) 등이 있다. 미사암(혹은 실트스톤)은 주로 실트(미사, silt)가 고결된 암석이며, 셰일은 주로 점토가 고결된 것인데, 실트스톤과 세일의 중간 것으로는 이암(泥岩, mudstone), 이회암(泥灰岩, marl) 등이 있다.

- 풍성 퇴적암: 바람에 의해 퇴적물이 운반되어 암석화된 것을 말하며, 이는 풍성 사암과 뢰스(黃土, löss)를 포함한다. 풍성 사암은 사구사가 고결된 것을 말하는 것으로 과거에 모래사막이었던 곳이거나, 사빈의 배후지역에서 많으며, 암석에 사층리가 잘 발달되어 있다.

        이에 대하여 뢰스는 제4기 플라이스토세 동안에 빙하 및 빙하유수성 퇴적물에서 바람에 의해 세립물질이 재이동 퇴적되어 생겨난 것이다. 따라서 과거에 빙하에 덮여 있었던 곳의 주변, 그리고 대하천 주변지역에 뢰스가 많다. 유럽의 북서부, 미국의 북동부, 중국의 황토고원은 그 대표적인 지역이다. 뢰스 구성물질의 크기는 0.01～0.05mm(실트)가 많으며, 입자 중에는 석영, 장석, 운모, 방해석 등이 많다. 이 뢰스는 구성입자의 크기도 작지만, 수직절리가 잘 발달되고, 층리가 없는 점에서 보통의 풍성 사암과는 잘 구분된다.

        한편, 뢰스에 대하여 지리학에서는 암석이란 말을 잘 쓰지 않고, 퇴적물의 하나로 분류하고 있으나 지질학에서는 암석의 하나로 분류하는 경향이 있는 것 같다. 어찌되었든 이 뢰스는 완전히 고화된 것은 아니며, 그렇다고 전적으로 미고화된 것도 아니어서 중국 등지에서는 이 뢰스에 굴을 만들어 주거지로 이용하기도 한다. 

- 화성 및 빙성 퇴적암: 화성 퇴적암이란, 화산 분출 시, 상공으로 방출된 화산쇄설물(pyroclastics)이 지표에 쌓여 암석화된 것을 말한다. 흔히 4mm 이하의 화산재가 고결된 것에 대해서는 응회암(tuff)라 하고, 화산탄, 화산암괴, 용암, 화산재 등이 고결된 것에 대해서는 집괴암(agglomerate)란 용어를 사용한다.

        빙성 퇴적암은 암괴, 점토 등 빙하 퇴적물(till)⁵⁾이 빙하에 의해 운반 퇴적되어 고결된 것을 말한다. 빙성암(氷成岩, tillite)가 대표적이다.

ㅇ 비쇄설성 퇴적암: 비쇄설성 퇴적암은 화학적인 침전 과정을 생긴 화학적 퇴적암과 동식물의 유체가 쌓여 이루어진 유기적 퇴적암이 구분된다. 화학적 퇴적암의 종류로는 석회암, 고회석(dolomite), 암염, 석고, 칼리암염, 적철광, 갈철광 등을 들 수 있으며, 유기적 퇴적암으로는 석회암, 백악(chalk), 규조토, 석탄 등을 들 수 있다.

3) 변성암

        변성암이란 화성암, 퇴적암 등 기존의 암석이 변성작용을 받아 원래의 암석과는 물리․화학적인 성질이 다른 암석이 된 경우를 말한다. 여기서 변성작용(metamorphism)이란 기존 암석의 생성 당시와는 다른 온도 및 압력의 조건하에서 그리고 새로운 화학물질이 공급되는 환경하에서 일어나는 구성광물 및 암석의 변화작용을 말한다. 이는 풍화작용이나 속성작용이 일어나는 지하의 깊이보다 더 깊은 지하, 그러나 암석이 용융되는 지하 깊이 이상에서 발생하며, 암석의 고화된 상태는 유지하면서 물질교대가 일어나는 변화이다.

ㅇ 주요 변성작용과 변성암

-광역변성작용(regional metamorphism): 이는 기존 암석(주로 퇴적암)이 하방요곡운동(down warping)과 같은 지각운동에 의하여 지하 심부에 놓이게 됨에 따라 일어나는 변성작용이다. 이는 동력변성작용(thermodynamo metamorphism)이라고도 하며, 암석이 이러한 변성작용을 받게되면, 압력 방향과 관계있는 편리(片理, schistosity), 편마구조(gnissosity), 선구조(lineation), 쪼개짐(fracture 혹은 cleavage) 등의 구조가 생겨나며, 운모(mica)와 같은 판상(板狀)의 광물이 생성된다.

        암석이 재결정작용을 받아 운모와 같은 판상의 광물이 평행하게 배열될 때 나타나는 평행구조를 엽리(葉理, foliation)이라 하며, 엽리 구조를 보이면서 구성광물이 육안으로 식별할 수 있을 정도이거나 세립질일 때는 편리, 이에 대하여 광물 입자가 조립질일 때는 편마구조라 한다.

        광역변성작용을 받아 생성된 암석으로는 편마암, 편암, 천매암, 슬레이트 등을 들 수 있다. 셰일이 광역변성작용을 받게 되면, 그 강도에 따라 슬레이트(점판암), 천매암, 편암, 편마암 등으로 변화된다.

        편마암(gneiss)은 편마구조가 발달된 암석으로 퇴적암에서 기원한 준편마암과 화성암에서 기원한 정편마암이 구별되며, 이를 광물 성분에 따라 나누면, 화강편마암, 운모편마암 등이 있다. 이에 대하여 편암(schist)은 편리가 발달된 암석으로 가장 분포가 넓은 변성암이다. 이는 광물 성분에 따라 운모편암, 석영편암 등이 구분된다.

- 접촉 변성 작용(contact metamorphism): 마그마가 기존의 암석을 관입하면서 마그마에서 발생하는 열과 화학성분에 의하여 그 주변의 암석이 변화되는 작용을 말한다. 대표적인 암석으로는 호온펠스(hornfels)를 들 수 있다.

- 파쇄변성작용(cataclastic metamorphism): 지각운동 시 수반되는 단층 등에 의하여 암석이 물리적인 압력을 받아 파쇄(破碎)되면서 변질되는 작용을 말한다. 이 변성작용에 의하여 생겨난 대표적인 변성암으로는 압쇄암(mylonite)을 들 수 있다. 압쇄암은 파쇄작용으로 생겨난 0.01～0.1mm 크기의 작은 암석 가루가 재고결되어 생겨난 암석인데, 입자 크기가 작아 육안으로 압쇄 현상을 식별키는 어렵다. 파쇄작용의 정도가 더 해지면, 파쇄암은 천매편마암, 안구편마암 등으로 점차 달라진다.