암석의 관찰과 분류

[돌대사]

암석들은 어떻게 분류해서 그 명칭을 붙여야 하는가? 또는 어떻게 관찰하는 것이 좋은가? 과학전에서 어떤 방향으로 연구해야 하는가? 하는 점들이 초등학교 현장에 있는 교사들이 지니는 공통된 문제들임이 현장 방문을 통하여 알게 되었다. 이러한 문제는 암석에 가까이 접근하여 직접  관찰을 행할 때에 가능하며, 이론적인 지식들은 그것을 뒷받침해 줄 뿐이다. 왜냐하면 암석은 그 자체의 표면과 내부에 자신이 거쳐 온 과정에 대한 여러 기록이 누적되어 있다. 그러므로 그 암석에서 특성을 조사해야 한다고 말할 수 있다.

   여기서는 암석을 기원에 따라 크게 퇴적암, 화성암 및 변성암으로 분류하여 특징을 기술하고 분류 방법을 제안하고자 한다.  

  가. 퇴적암의 특징

  퇴적암은 원래 있던 암석이 풍화와 침식으로 생긴 쇄설물과 화산활동에 의해 생긴 쇄설물들이 운반되어 쌓인다. 그 외에도 물 속에 용해된 채로 이동하다가 침전하여 퇴적한 광물질이 있고, 크고 작은 생물의 유해들이 쌓여서 퇴적암이 된다. 그 결과 <표 1>과 같이 암석의 종류는 기원에 따라 쇄설성,  화학적 및 유기적 기원암으로 나누고 있다(정창희, 1986).

  쇄설성 기원암은 풍화 생성물 중에서 석영, 장석 및 이미 지표에 있던 암석들의 부서진 알갱이 혹은 조각(퇴적암과 변성암)으로 구성되어 있다. 이 쇄설성 암석을 더욱 세분하기 위해서는 알갱이의 크기에 따라 분류한다. 흐르는 물은 쇄설물을 운반하여 분급시키므로 알갱이 크기가 달라진다. 그러므로 알갱이 크기에 의한 분류는 유수의 퇴적 환경을 이해하는 단서가 된다. 이 때 암석은 역암, 사암 및 이암으로 분류하며,  그 기준이 되는 알갱이 크기는 2mm 이상을 자갈, 2mm에서 1/16mm까지를 모래, 1/16mm 이하(실트가 포함:매우 미세한 모래)를 점토로 구분(우경식과 유강민, 1997)하고 있다.

  화학적 기원암은 알갱이를 구성하는 광물질의 화학 성분에 따라 석회암, 암염, 석고 등으로 나누고 있다. 한편, 유기적 기원암은 암석을 구성하는 생물의 종류 혹은 껍질의 성분에 따라 석회암, 규조토, 석탄, 쳐어트 등으로 구분하고 있다.

  일반적으로 퇴적암에는 띠 혹은 층이라고 부르는 층리가 있다. 이것은 알갱이의 성분, 크기, 모양, 배열 상태, 색깔 등이 구성하는 성분이 되어서 평행한 선이나 띠 모양의 구조가 생긴다. 그래서 위, 아래 층과 구별되는데 대개 1cm 이하를 엽리, 그 이상을 층(1cm부터 수 m)이라 한다. 이런 층들은 퇴적암이 생성될 당시의 환경의 변화에 따라 양상(두께, 모양, 색)이 달라진다. 즉, 일기 및 기후가 변화함에 따라서 풍화 정도나 침식 속도나 생물의 흥망 성쇄가 달라지고, 운반 매질인 유량도 달라진다. 그리고 지각 변동에 의하여 퇴적 장소의 깊이와 해류 방향의 변화, 해수 온도와 농도 차이 등이 층의 양상을 형성하게 된다.  

 한편, 퇴적암이 지니는 색깔은 암석 속의 구성 알갱이(광물)의 색깔에 따라 다르며, 알갱이 사이를 채우는 색소들, 철 이온과 탄소(유기물 기원)의 양이나 산화 환원 환경에 따라 달라진다. 철 이온은 광물 성분 중에서 암석이 풍화하여서 생기며 1% 정도만 있어도 색깔은 뚜렷이 나타난다.

 <표 1>기원에 의한 퇴적암의 분류

암석종류	알갱이 성분	암석 세분방법	암석의 종류
쇄설성 기원암	석영,장석,암석 알갱이가 퇴적	알갱이 크기로	역암, 사암, 이암
화학적 기원암	퇴적한 광물질	알갱이 화학 성분으로	석회암, 암염, 석고
유기적 기원암	생물유해가 퇴적	생물종류나 껍질 성분으로	석회암, 규조토, 석탄

  나. 화성암의 특징

  화성암은 마그마에서 기원한 것으로 그것이 냉각하여 굳어진 암석이다. 일반적으로 마그마는 생성될 때부터 일정한 범위의 화학 성분을 지닌다. 그래서 성분에 따라 보통은 산성 마그마, 중성 마그마, 염기성 마그마로 지칭하여 왔다. 최근에는 <표 2>처럼 전자부터 유문암질(화강암질), 안산암질(섬록암질) 및 현무암질(반려암질) 마그마로 부르고 있다.    

  화성암은 마그마가 냉각하는 시간의 길이에 따라서 광물 알갱이의 크기가 달라진다. 그러므로 분류는 냉각한 위치에 따라, 즉 지각의 표면부분, 중간부분, 깊은 부분(8-10km)인가에 따라서 화산암, 반심성암 및 심성암으로 분류한다. 심성암인 경우에 마그마가 천만년 동안에 냉각하면 알갱이의 크기가 5mm 정도이며 조립질이 된다. 화산암인 경우에 마그마가 물에 접촉하여 급냉하면 석기가, 혹은 정상적으로 공기중에서 1-2년 동안 냉각하면 1mm 이하의 알갱이가 생기며 세립질이 된다. 유문암질 마그마가 냉각하여 굳어지면 화강암, 화강반암 혹은 유문반암 및 유문암을 형성한다. 이 계열의 암석 색깔은 무색광물들(석영과 장석류)이 우세하므로 밝은 색이다. 안산암질 마그마나 현무암질 마그마도 냉각 위치에 따라 각 계열의 암석을 생성하며 전자는 암청색을, 후자는 어두운 색 계열인 검은색이다.

  암석의 표면 무늬<그림 1A>는 심성암의 경우에 결정 알갱이들이 사방에서 서로 강하게 밀착하여 접촉한 무늬를 이룬다. 알갱이 모양은 2 가지로서 다각형과 불규칙한 형이 있다. 화산암의 경우에 현무암과 유문암의 무늬는 다르다. 현무암은 대개 기공이 있는 경우가 많으며, 유문암은 장석질과 석영질이 띠를 이룬 채 함께 흘러서 유동 무늬가 형성된다.    

 <표 2> 화성암의 분류

분       류		심 성 암	반  심  성  암	화 산 암	비      고
마 그 마	유문암질	화 강 암             화강반암/유문반암           유 문 암			밝은 색 암석이 점진적으로 변화하여서 어두운 색 암석이 됨
	안산암질	섬 록 암             섬록반암/안산반암           안 산 암
	현무암질	반 려 암             반려반암/현무반암           현 무 암
알갱이크기		굵다(5mm)	가늘고 중간 알갱이가 섞여있음	가늘다(1mm)	구성 알갱이들의 종류는 달라지기도 한다
표면 무늬  [그림 1A]		알갱이들끼리 서로 밀착하게 접촉하여 석기가 전혀 없다	석기 혹은 가는 알갱이 속에 중간 크기 알갱이가 함께 섞여 있다	석기 속에 가는 알갱이나, 그 틈에 기공 혹은 흐른 흔적이 나타난다.	구성하는 알갱이들이 서로 어울려서 나타내는 모습이다

※ 석기: 마그마가 냉각중에 급냉하여서 알갱이가 전혀 생기지 않고 굳은 부분.

  
다. 변성암의 특징

   변성암은 암석이 고체 상태에서 변형하여 형성된 것이다. 변성 작용의 종류는 동력 변성, 열접촉 및 교대 변성이 있다. 변성을 일으키는 요인도 압력, 온도 및 화학 성분이 있다. <표 3>에서 보면 동력 변성은 온도보다도 압력이 우세한 편이며, 작용을 받으면 암석은 엽리 혹은 선 모양의 광물 알갱이가 일정한 방향으로 배열하므로 표면에 그 흔적이 나타난다. 이런 배열은 삼차원으로 보면 각 면마다 무늬가 다르며 서로 일치하지 않는 면이 있다<그림 1B>.

 

                                               <그림 1> 화성암과 변성암의 겉표면에서 관찰할 수 있는 무늬 스케치
                                                     A) 화성암의 표면 모습(김중욱 외 3., 1998),  
                                                     B) 3 차원으로 본 변성암의 표면(Fichter and Farmer, 1977)
                                                         변성암과 퇴적암은 전체 표면의 무늬가 같은 모양이 아니다.

    원래 암석이 동력 변성을 받으면 암석 속에서 새로운 결정이 성장한다. 이 결정 알갱이는 변성정도가 낮을 때는 눈으로 식별하기가 어려우나, 변성도가 높아짐에 따라 점차 결정이 눈으로 식별할 수 있을 정도로 커진다. 성장한 결정은 편마암에서는 5mm 정도로 알갱이가 되기도 한다. 따라서 변성암은 변성도가 낮은 것부터 점판암, 천매암, 편암 및 편마암으로 분류하는데 암석 표면에 있는 무늬로 보통 확인할 수 있다.

   한편, 열접촉 변성은 온도 요인이 작용에 관여한 것이므로 알갱이의 일부가 용융하여 재결정 작용이 일어난다. 그러므로 조직은 알갱이 무늬<그림 1B>가 나타나며, 원래 암석의 무늬도 없어지지 않는 경우가 대부분이다. 그 예로 호온펠스에 퇴적암의 층무늬가 남아있다. 암석의 강도는 구성 알갱이에 굳기에 따라 다르며, 석영 성분이 알갱이 사이에 많은 경우는 재결정 작용에 의해서 매우 단단히 굳어진다. 이런 작용으로 형성된 암석은 규암, 호온펠스, 대리석 및 비누암 등이다.

 <표 3> 변성암의 분류(Fichter and Farmer, 1977)

작용	요인	표면 무늬	전 체 특 징	암  석   특  징		원암석	암석명
동 력 변 성	압력 ∨ 온도	일정 방향으로 엽리 or 선 모양의 무늬 배열있음(암석의 원래 무늬는 없어져 버림) 「그림 1B」	눈으로 광물 알갱이 식별이 어렵다	치밀하고, 흐린 광택	얇은 판으로 잘 쪼개짐	쇄설성 퇴적암	점판암
							천매암
				비단광택	녹니석, 백운모가 겨우 보임
			눈으로 광물 알갱이 식별이 쉽다	얇게 부서짐(1-10mm),가는 알갱이	석영, 운모 잘 보임, 석류석이 출현, 파동구조		편  암
				검고 밝은색 띠로 배열, 굵은 알갱이	밝은 색:석영,장석, 검은색: 운모와 각섬석	심성암	편마암
열 접 촉	온도	알갱이 무늬가 있음(암석이 지닌 원래 무늬는 나타남) 「그림 1B」	유리보다 단단함	석영 우세, 다양한 밝은 색 계통		사  암	규  암
				어둡고 치밀, 가는 알갱이		이  암	호온펠스
			유리와 손톱사이	산에 반응, 희고 검은 색		석회암	대리암
			손톱보다 약하다	청색 혹은 녹회색 계통, 미끄런 촉감, 활석과 기타 물질		퇴적암	비누암

  라. 퇴적암의 관찰과 분류

퇴적암의 관찰을 통하여 밝히려는 것은 무엇일까? 이 점에서 본다면 암석이 퇴적한 환경의 변화를 읽는 것이라 할 수 있다. 쇄설물들만 보더라도 유수량의 정도에 따라 퇴적지에 쌓이는 쇄설물의 크기 빈도가 달라지기 때문이다. 그러므로 환경의 변화를 시사하는 요인을 관찰 준거로 선정하고  실험이 이뤄져야  할 필요가 있다.   <표 4>는 퇴적암중에서 쇄설성 기원인 역암, 사암과 이암을 대상으로 관찰할 기준을 선정하고 관찰 사례를 제시하여 본 것이다. 이 암석의 세부명칭 분류에 필요한 기준은 <표 1>에서 처럼 알갱이의 크기와 알갱이의 수량이다. 크기는 관찰한 범위에서 평균값을 제시하는 편이 합리적이다. 수량은 관찰에 의한 빈도 수로서 자갈, 모래 및 진흙 중에서 상대적으로 많은 것에 대해 등호로 표시하는 법을 제안할 수 있다. 알갱이 모양은 둥근 것과 각이 있는 것으로 구분할 때 상대적인 수량을 표시한다. 암석의 단단하기는 못을 사용할 경우에 암석 표면이 '긁힌다와 긁히지 않는다'로 제안하여 보았으나, 동선과 못 두 가지를 사용한다면 "보다 약하다, 강하다' 표현 방법을 사용하여 부등호로 표시할 수도 있다.<표 4>;<그림 2>.

<그림 2> 암석의 굳기를 비교할 수 있는 굳기세트

   줄무늬는 역암에서도 나타날 수 있는 데, 긴 자갈의 배열 상태로 줄무늬를 확인할 수 있으며, 사암의 경우도 알갱이중에 천매암 조각 또는 셰일 조각같은 긴 알갱이가 있을 때 나타난다. 이암은 층이 없는 점이 특색이나 1cm 이하가 아닌 두꺼운 무늬가 나타나기도 한다.      
 무엇보다 이암의 특징은 쪼개진 암석 조각이 판처럼으로 납짝한 모양이 아니며, 덩어리(괴상)로써 불규칙하게 깨지는 점에 있다.        

퇴적암에서 색깔은 암석명을 분류하는 기준이 되지 않는다. 그러나 색깔은 환경의 특성을 제시하는 단서이므로 관찰할 필요는 있다. 기타 사항에 암석의 색을 바탕색(알갱이 사이의 색)과 알갱이가 지니는 색으로 구분하여 관찰할 수 있다. 바탕색은 12 가지색을 이용하여 관찰하고 형용사로 어둡거나 밝은 정도를 표현하는 법을 제안한다. 예) 검은 갈색, 붉은 갈색,

  퇴적암의 표면을 세밀하게 잘 관찰하려면 암석의 단면을 잘라서 연마하여 가공한 시료<그림 3C;D>를 사용하는 것이 한 가지 방편일 수 있다.

<표 4> 퇴적암의 관찰 기준과 그 결과

기준	가) 암석  (역암)	나) 암석  (사암)	다) 암석 (이암)
알갱이 크기(평균)	자갈	모래	진흙
알갱이수량	자갈 >> 모래 > 진흙	모래 >>>진흙>자갈	진흙 >>> 모래
알갱이 모양	둥글다 >> 각이 있다	각이 있다	구별이 안된다
단단하기	긁히지 않는다	겨우 긁힌다	쉽게 긁힌다
줄무늬	희미하다	뚜렷하다	볼 수 없다
기  타	바탕색- 어두운 붉은색  알갱이색- 밝은 것> 어두운것	바탕색- 회색  알갱이색-회색>>어두운것	검은 회색
범례) >>>:압도적으로 많다(대부분), >>:매우 많다, >:보다 많다

 

   마. 화성암의 관찰

   1) 심성암의 알갱이 관찰

   심성암은 <표 2>에서 본 바와 같이 구성 광물 알갱이가 다양하다. 광물은 일차적으로 색깔로 쉽게 구분할 수 있기 때문에 심성암의 알갱이 관찰은 '암석은 광물의 집합체이다, 한 종류의 광물 알갱이는 다른 암석에서도 똑 같다, '광물 알갱이들은 서로 성질이 다르다' '암석을 구성하는 알갱이들은 성질이 다양하다'는 개념(National academy of sciences, 1997)을 확인할 경우에 필요하다.

  심성암 알갱이를 사용한 실험<그림 3B>은 암석과 알갱이를 관찰하면서 '암석을 구성하는 알갱이들을 찾아 모아보자' '암석을 구성하는 알갱이 종류는 몇 개인가' '암석의 알갱이중 수량이 많은 순서 결정하기' 또는 '알갱이를 색깔로 구분하여 골라보자' '알갱이의 모양은 똑 같은가' 등을 제안 할 수 있다.

  관찰에 필요한 재료는 심성암중에서 화강암이 아주 적절하며 암석을 모래 크기(2-3mm)로 파쇄하여 준비하는 편이 좋다. 파쇄한 후에 알갱이는 물로 씻어주는 편이 알갱이의 관찰이 쉽다. 이와 같은 소모성 재료로서 '심성암 알갱이'(김중욱 외 3, 1998; 1999)는 신동상사(02-2 213-7209)에서 공급하고 있다.

 <그림 3> 한쪽 면을 연마한 놓은 암석과 알갱이 재료
A:화성암의 3가지,    B:심성암의 알갱이,  C:사암,  D:셰일

 2) 암석 단면에서 관찰

   초등 학교의 자연과 교과에서 화성암중 화강암과 현무암을 암석 재료로 제시하고 있다. 이 암석은 화성암중에서 심성암과 화산암의 대표적인 암석으로써 지표에서 산출하여 쉽게 관찰되므로 기본적으로 관찰하는 대상이 되고 있다. 이 암석들을 잘 관찰하려면 암석의 특징이 잘 드러나는 표면을 가공, 처리할 필요가 있다. 그리고 표면에서 알갱이의 윤곽이 잘 드러나기 위해서는 물을 적셔서 관찰할 수도 있다. [그림 19A]는 연마한 심성암과 퇴적암의 단면을 보여주고 있다. 이와 같이 연마한 화성암편(김중욱 등, 1998; 1999)은 신동상사(02-2213-7209)에서 제작, 공급하고 있어서 암석 재료로 구입할 수 있다.

  화성암에서도 퇴적암과 마찬가지로 암석 안에 형성된 환경을 시사하는 자료들이 있다. 암석 속의 결정 알갱이 모양, 크기와 종류 등으로 형성된 조직(무늬)을 관찰하면 마그마가 거친 과정에 관한 정보를 알 수 있다. 이 암석 재료를 통하여 '암석의 조직(무늬)을 통하여 형성된 과정이 나타난다'는  개념을 확인할 수 있다. <그림 3A>에서 3개 암석 재료의 표면을 스케치하면 <그림 1A>와 같다.

  스케치[그림 1A]를 통하여 심성암은 굵은 알갱이가 서로 경계를 이루면서 서로 붙어 있음을 확인할 수 있고, 마그마에서 모든 성분이 결정 알갱이로 변한 것을 추리할 수 있다. 그러나 반심성암에서는 결정 알갱이 사이에 마그마 성분이 냉각하여 굳은 석기가 존재한다. 이것으로 보아 반심성암은 일정한 장소에 있는 마그마에서 포화한 성분이 결정 알갱이로 형성되고 난 후, 마그마의 잔액과 결정이 함께 이동하여 다른 냉각 환경으로 바뀌었음을 추리할 수 있다. 한편, 화산암은 미세한 결정 알갱이와 둥근 기공 및 석기가 포함되어 있다. 현무암질 마그마가 지표에 분출하고 대기중에서 냉각하여 굳었으므로 마그마중의 가스가 머물러 있었던 곳이 기공이다. 그리고 마그마의 대부분은 급히 냉각하여 굳었으므로 결정이 성장하지 못하고 석기로 되었다.

  바. 변성암의 관찰과 분류

  변성암에서 암석의 명칭은 원래 암석이 변성을 받아서 생긴 조직(무늬)과 일부는 원암의 성분에 근거하여 분류하고 있다<표 3>. 그러므로 <표 3>의 내용중 표면 무늬의 모양과 주요한 특징들은 암석을 분류하는 준거가 되므로 암석 표면의 관찰에서 점검 사항으로 활용할 필요가 있다. 표면의 무늬는 관찰을 통하여 <그림 1B>와 같이 스케치를 할 수 있도록 지도할 할 필요가 있다. 그 과정에서 변성으로 생긴 일부 무늬는 암석의 면마다 모양이 일치하지 않으며, 이 점이 변성암의 성질이라는 것을 인식할 수 있는 기회가 될 것으로 생각한다.