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과학교육

마그마 생성

by 포토영 2024. 3. 20.
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 지구 내부에서 상승한 물질인 마그마는 액체 부분을 지칭하는 경우와 그 액체의 결정까지를 지칭하는 경우가 있다. 대부분의 마그마는 고온의 규산염 융해물과 물, 이산화탄소 등의 휘발성 성분을 포함하고 있는데, 우리들이 접할 수 있는 화성암은 마그마에서 휘발성 성분이 빠져나간 것이다. 마그마의 생성 장소는 대체로 상부맨틀 및 지각 하부이며 그곳을 융해시키는 데는 그 온도를 일시적일지라도 액상선 이상으로 올려야 할 것이다. 그러기 위해서는 다음과 같은 메커니즘을 생각할 수 있다.

  (1) 압력의 강하에 따르는 융점의 강화

  (2) 압력이 일정할 때 온도가 상승

  (3) 기계적 에너지가 열적 에너지로 전환

  (4) 온도, 압력은 일정하지만 물 등의 첨가로 고상선(solidus)의 강화

  (5) (1)~(4)의 복합적인 작용 등이다.

  (1)의 메커니즘은 어떤 이유로 지각 운동이 일어나면 이제까지 걸려 있던 압력이 급강하하면서 융점이 내려가는 경우이다. (2)의 메커니즘은 맨틀 물질의 대류 등으로 고온 물질이 상승해 오는 경우이다. (3)의 메커니즘은 두 개의 판(plate)이 부딪칠 때 밀도차 때문에 하부로 스며들어가는 하나의 판이 생길 경우 등이다. (4)의 메커니즘은 실험적인 결과로 화강암은 물을 과잉으로 가해 주면 10Kbar일 때 용융이 시작되는 온도가 무수조건일 때에 비해서 600도까지 저하되는 사실이 밝혀졌다. (5)의 메커니즘은 (1)~(4)의 메커니즘들이 단독으로 일어나는 경우보다 복합적으로 일어날 가능성이 많을 것이다. 여러 가지 광물상으로 형성된 암석이 용융되는 것을 부분용융(partial melting)이라 한다. 부분용융될 때에는 일반적으로 원래 암석 전체의 조성과는 다른 조성의 용융물을 생성한다. 현무암질 마그마가 발생할 때는 맨틀을 구성하고 있다고 추적되는 감람암(peridotite)의 일부분만 용융된다고 생각된다. 따라서 부분용융의 과정은 마그마의 화학 조성을 결정하는데 중요한 요인이 된다. 지하 심부에서 발생하는 마그마의 밀도는 주변 암석의 밀도보다 낮아서 부력으로 상승할 것이다. 그러기 때문에 마그마는 때로는 지표까지 분출하여 교결하기도 하지만 대개의 경우 주변 암석과 밀도의 균형을 유지하면서 지각 내에 일단 체류하여 마그마 저장소(magma chamber)를 만든다고 생각된다. 여기서 마그마는 다양한 화학 조성을 갖는 마그마로 분화한다. 그 후 분출하여 지표에 도달하기도 하고, 고결이 진행되어 지표에 도달할 능력을 상실하게 되면 심성암으로 자리 잡게 되는 것이다.

  마그마는 냉각되면서 결정을 정출 한다. 이때 결정과 마그마를 분리하면 원래의 마그마 조성과는 다른 마그마로 될 것이다. 결정은 마그마와의 밀도 차로 침강(또는 부상) 하기도 한다. 액체에만 어떤 압력이 작용하면 액체만 빠져나가게 된다. 또는 액체의 유동으로 결정이 선택적으로 농집하는 현상이 실제로 일어나는 구조가 있다. 이 밖에도 액체끼리 분리해서 마그마의 조성차를 일으키는 일도 있을 것이다.

  마그마 저장소의 천정 및 벽은 마그마의 중심부보다 온도가 낮기 때문에 여기서 결정이 정출 되어 원래의 마그마와 조성 및 온도가 다르게 된다. 따라서 밀도가 다른 마그마가 가까이에 생성될 것이다. 밀도차로 인해 벽 부근의 마그마는 아래로 가라앉게 되든가 상승하여 천정 근처에 농집 되어 마그마 저장소의 조성은 부분마다 차가 생길 것이다. 또 마그마 저장소의 지하 증온율이 유지되면 어떤 원소는 고온 쪽으로 어떤 원소는 저온 쪽으로 농집하여 조성차를 만들 것이다,

  마그마가 지하 심부에서 상승해 올 때에 주위 암석을 포획하는 일이 때때로 관찰된다. 이에 포획된 외래 암편은 마그마의 조성과 크게 다르며, 마그마는 이를 용융시켜 동화하고, 또는 이와 반응하므로 마그마의 조성이 변화해 간다. 또 두 종류 이상의 마그마는 액체 상태로 서로 혼합하여 불균질 한 조성을 생성하는 경우도 흔히 관찰된다.

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