변성 작용
변성 작용(metamorphism)은 기존의 암석(원암)이 다른 광물 조성이나 조직을 가진 암석으로 변하는 과정이다. 변성 작용은 보통 150 °C (300 °F)가 넘는 온도에서 일어나며, 종종 높은 압력이나 화학적으로 활성인 유체의 존재 하에 일어나기도 하지만, 변성되는 동안 암석은 대부분 고체 상태를 유지한다.[1] 변성 작용은 지구 표면이나 바로 밑에서 일어나는 변화인 풍화나 속성 작용과는 구분된다.[2]
변성 작용에는 광역, 접촉, 열수, 충격, 그리고 동력 변성 작용 등 다양한 형태가 존재한다. 이들은 일어나는 온도의 특징, 압력, 속도, 그리고 반응성 유체의 개입 정도에서 차이가 있다. 압력과 온도가 증가하는 조건에서 일어나는 변성 작용을 전진 변성 작용(prograde metamorphism)이라 하고, 온도와 압력이 감소하는 조건은 후퇴 변성 작용(retrograde metamorphism)이라 한다.
변성암석학은 변성 작용을 연구하는 학문이다. 변성암석학자들은 변성 과정을 이해하기 위해 통계역학과 실험암석학에 크게 의존한다.
변성 과정
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변성 작용은 기존 암석이 높은 온도에서 물리적 또는 화학적으로 변환되는 일련의 과정이며, 실제로 크게 녹지는 않는다. 변성암 형성에서 가열의 중요성을 처음으로 인지한 사람은 현대 지질학의 아버지로 자주 묘사되는 스코틀랜드의 선구적인 자연주의자 제임스 허턴이다. 허턴은 1795년에 스코틀랜드 고원의 일부 암석 층이 원래는 퇴적암이었으나 엄청난 열에 의해 변형되었다고 기록했다.[3]
허턴은 압력 또한 변성 작용에서 중요하다고 추측했다. 이 가설은 그의 친구인 제임스 홀에 의해 검증되었는데, 그는 대포 통으로 만든 간이 압력 탱크에 백악을 넣고 철 주조 공장의 용광로에서 가열했다. 홀은 이것이 노천에서 백악을 가열할 때 생성되는 일반적인 생석회가 아니라 대리암과 매우 흡사한 물질을 생성한다는 것을 발견했다. 이후 프랑스 지질학자들은 매몰된 암석을 통해 유체가 순환하는 교대 작용을 변성 작용을 일으키는 과정 목록에 추가했다. 그러나 변성 작용은 교대 작용 없이(등화학 변성 작용) 혹은 압력이 비교적 낮은 수백 미터 깊이에서도(예: 접촉 변성 작용) 일어날 수 있다.[3]
암석은 녹지 않고도 변형될 수 있는데, 이는 열이 원자 결합을 끊어 원자들이 이동하여 다른 원자와 새로운 결합을 형성하게 만들기 때문이다. 광물 입자 사이에 존재하는 공극 유체는 원자가 교환되는 중요한 매개체이다.[4] 이는 기존 광물의 재결정 작용이나, 다른 결정 구조 또는 화학 조성을 가진 새로운 광물의 결정화(신결정 작용)를 가능하게 한다.[1] 이 변환은 원암의 광물을 변성 작용이 일어나는 압력과 온도 조건 하에서 더 안정한(화학 평형에 가까운) 형태로 바꾼다.[5][6]
변성 작용은 일반적으로 100 to 200 °C (212 to 392 °F)의 온도에서 시작되는 것으로 간주된다. 이는 퇴적암 형성의 결과를 낳는 다짐 및 고화 작용으로 인한 속성 변화를 제외한 것이다.[7] 변성 조건의 상한선은 암석이 녹기 시작하는 온도인 고상선에 있다. 이 지점에서 과정은 화성암 과정이 된다.[8] 고상선 온도는 암석의 조성, 압력, 암석의 물 포화 여부에 따라 다르다. 일반적인 고상선 온도는 수백 메가파스칼(MPa) 압력 하의 젖은 화강암의 650 °C (1,202 °F)[9]에서 대기압 하의 젖은 현무암의 약 1,080 °C (1,980 °F)까지 다양하다.[10] 혼성암은 이 상한선에서 형성된 암석으로, 녹기 시작했지만 내화성 잔류물에서 완전히 분리되지 않은 물질의 덩어리와 맥을 포함하고 있다.[11]
변성 과정은 거의 모든 압력에서 일어날 수 있는데, 지표면 근처의 압력(접촉 변성 작용의 경우)부터 16 킬로바(1600 MPa)가 넘는 압력까지 가능하다.[12]
재결정 작용
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변성 과정 중 암석 내 입자의 크기와 방향이 변하는 것을 재결정 작용이라고 한다. 예를 들어, 석회암이나 백악 퇴적암의 작은 방해석 결정들은 대리암이라는 변성암에서 더 큰 결정으로 변한다.[13] 변성된 사암에서 원래의 석영 모래 입자의 재결정 작용은 매우 치밀한 규암(메타규암이라고도 함)을 형성하는데, 이 안에서 종종 더 큰 석영 결정들이 서로 맞물리게 된다.[14] 고온과 고압 모두 재결정 작용에 기여한다. 고온은 고체 결정 내부의 원자와 이온이 이동하여 결정을 재조직하게 하며, 고압은 암석 내 결정들이 접촉하는 지점에서 결정을 용해시키고(압력 용해) 공극에 재침전되게 한다.[15]
재결정 작용 동안 광물의 정체성은 변하지 않고 오직 조직만 변한다. 재결정 작용은 일반적으로 온도가 켈빈 온도 기준 광물 융점의 절반에 도달하면 시작된다.[16]
압력 용해는 속성 작용(퇴적물이 퇴적암으로 굳어지는 과정) 동안 시작되지만 변성 작용 초기에 완료된다. 사암 원암의 경우, 속성 작용과 변성 작용의 분기점은 변형된 석영 입자가 새로운 무변형의 작은 석영 입자로 대체되기 시작하는 지점으로 둘 수 있으며, 이는 편광현미경 하의 박편에서 확인할 수 있는 모르타르 조직을 생성한다. 변성 등급이 높아짐에 따라 추가적인 재결정 작용은 삼중 접합부에서 만나는 다각형 입자를 특징으로 하는 폼(foam) 조직을 생성하고, 이후 거칠고 불규칙한 입자(반상변정 포함)를 특징으로 하는 반상변정 조직을 생성한다.[17]
변성암은 일반적으로 원암보다 조립질 결정으로 이루어져 있다. 결정 내부의 원자들은 주변 원자들에 의해 안정적인 배열로 둘러싸여 있다. 이는 결정 표면에서는 부분적으로 결여되어 있어, 표면을 열역학적으로 불안정하게 만드는 표면 에너지를 생성한다. 더 큰 결정으로의 재결정 작용은 표면적을 줄여 표면 에너지를 최소화한다.[18]
입자 조립화가 변성 작용의 일반적인 결과이지만, 강하게 변형된 암석은 마이로나이트라는 세립질 암석으로 재결정됨으로써 변형 에너지를 제거할 수 있다. 석영, 탄산염 광물, 감람석이 풍부한 특정 종류의 암석은 마이로나이트를 형성하기 쉬운 반면, 장석과 석류석은 마이로나이트화에 저항성이 있다.[19]
상전이
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상전이 변성 작용은 원암의 광물과 화학식은 같으나 새로운 광물이 생성되는 것이다. 이는 결정 내 원자의 재배열을 포함한다. 예로 알루미늄 규산염 광물인 남정석, 홍주석, 규선석이 있다. 세 광물 모두 Al
2SiO
5라는 동일한 조성을 가진다. 남정석은 지표 조건에서 안정하다. 그러나 대기압에서 남정석은 약 190 °C (374 °F)의 온도에서 홍주석으로 변한다. 홍주석은 다시 온도가 약 800 °C (1,470 °F)에 도달하면 규선석으로 변한다. 약 4 kbar(400 MPa) 이상의 압력에서는 온도가 상승함에 따라 남정석이 직접 규선석으로 변한다.[20] 비슷한 상전이가 방해석과 아라고나이트 사이에서도 보이는데, 방해석은 고압과 비교적 저온에서 아라고나이트로 변한다.[21]
신결정 작용
[편집]신결정 작용은 원암과는 다른 새로운 광물 결정을 만드는 것을 포함한다. 화학 반응은 원암의 광물을 소화하여 새로운 광물을 생성한다. 이는 고체 결정 내에서의 원자 확산을 포함할 수 있기 때문에 매우 느린 과정이다.[22]
신결정 작용 반응의 예로는 고압 및 고온에서 파얄라이트가 사장석과 반응하여 석류석을 형성하는 것이 있다. 반응식은 다음과 같다:[23]
-
+ →
(반응 1)
많은 복잡한 고온 반응이 암석이 녹지 않은 상태에서 광물들 사이에서 일어날 수 있으며, 생성된 각 광물 조합은 변성 당시의 온도와 압력에 대한 단서를 제공한다. 이러한 반응은 고온에서 원자의 빠른 확산 덕분에 가능하다. 광물 입자 사이의 공극 유체는 원자가 교환되는 중요한 매개체 역할을 할 수 있다.[4]
신결정 작용 반응 중 특히 중요한 그룹은 물과 이산화 탄소와 같은 휘발성 성분을 방출하는 반응이다. 섭입대에서 현무암이 에클로자이트로 변성되는 동안, 함수 광물이 분해되어 다량의 물을 생성한다.[24] 이 물은 상부 맨틀로 상승하여 맨틀 암석의 융점 온도를 낮추고, 유동 용융을 통해 마그마를 생성한다.[25] 맨틀 유래 마그마는 결국 지표면까지 도달하여 화산 분출을 일으킬 수 있다. 생성된 화산호의 화산들은 높은 수분 함량으로 인해 매우 폭발적인 위험한 분출을 일으키는 경향이 있다.[26]
물을 방출하는 탈수 반응의 예는 다음과 같다:[27]
-
7 + 10 → 3 + 14 + 4
(반응 2)
-
2 + 2 → 2 + 2 + 2
(반응 3)
탈탄산 반응의 예는 다음과 같다:[28]
-
+ → +
(반응 4)
소성 변형
[편집]소성 변형에서 압력은 원암에 가해지며, 이는 암석을 전단하거나 구부러지게 하지만 부러뜨리지는 않는다. 이를 위해서는 온도가 취성 파괴가 일어나지 않을 정도로 높아야 하지만, 결정의 확산이 일어날 정도로 높아서는 안 된다.[22] 압력 용해와 마찬가지로, 소성 변형의 초기 단계는 속성 작용 중에 시작된다.[29]
유형
[편집]광역
[편집]광역 변성 작용은 지구 지각의 전체 영역에 영향을 미치는 변성 작용을 일컫는 일반적인 용어이다.[30] 이는 주로 조산대(조산 운동이 일어나는 지역)에서 발생하는 동력열 변성 작용을 가리키지만,[31] 침강 분지에서 암석이 지표면 아래 깊은 곳으로 매몰되어 결과적으로 일어나는 매몰 변성 작용도 포함한다.[32][33]
동력열
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많은 지질학자에게 광역 변성 작용은 동력열 변성 작용과 사실상 같은 의미이다.[30] 이러한 형태의 변성 작용은 두 대륙판이나 대륙판과 열도가 충돌하는 수렴형 경계에서 일어난다. 충돌대는 조산 운동이라 불리는 산맥 형성대가 된다. 조산대는 지각의 두꺼워짐을 특징으로 하며, 이 과정에서 깊게 매몰된 지각 암석은 고온과 고압을 받고 강하게 변형된다.[33][34] 이후 산맥의 침식은 조산대의 뿌리를 광범위한 변성암 노두로 노출시키며,[35] 이는 산맥의 특징이 된다.[33]
이러한 환경에서 형성된 변성암은 잘 발달된 엽리를 보이는 경향이 있다.[33] 엽리는 변성 작용 중 한 축을 따라 암석이 단축될 때 발달한다. 이로 인해 운모나 녹니석과 같은 판상 광물의 결정들이 회전하여 단축 방향과 평행하게 정렬된다. 그 결과 밴드, 즉 엽리가 나타나며, 밴드에는 이를 형성한 광물의 색상이 나타난다. 엽리 암석은 종종 벽개 면을 발달시킨다. 점판암은 셰일에서 유래한 엽리 변성암의 예로, 일반적으로 잘 발달된 벽개를 보여 점판암을 얇은 판으로 쪼갤 수 있다.[36]
발달하는 엽리의 유형은 변성 등급에 따라 다르다. 예를 들어, 이암에서 시작하여 온도가 높아짐에 따라 다음과 같은 순서가 발달한다: 이암은 가장 먼저 매우 세립질의 엽리 변성암인 점판암으로 변하며, 이는 매우 낮은 등급의 변성 작용의 특징이다. 점판암은 다시 저등급 변성 작용 지역에서 발견되는 세립질의 천매암으로 변한다. 결정편암은 중급 변성 작용 지역에서 발견되는 중립질에서 조립질 암석이다. 고등급 변성 작용은 암석을 조립질에서 매우 조립질인 편마암으로 변환시킨다.[37]
모든 방향에서 균일한 압력을 받은 암석이나 뚜렷한 성장 습성을 가진 광물이 부족한 암석은 엽리가 발달하지 않는다. 대리암은 판상 광물이 부족하고 일반적으로 엽리가 없으므로 조각품이나 건축 재료로 사용될 수 있다.
충돌 조산 운동은 해양 지각의 섭입이 선행된다.[38] 섭입대에서 맨틀을 향해 침강하는 섭입판 내부의 조건은 쌍 변성대를 특징으로 하는 그들만의 독특한 광역 변성 효과를 만들어낸다.[39]
스코틀랜드 고원에서의 광역 변성 작용에 대한 조지 배로의 선구적인 연구는 일부 광역 변성 작용이 증가하는 변성 등급의 잘 정의된 지도로 나타낼 수 있는 구역을 생성한다는 것을 보여주었다. 이 배로형 변성 작용은 세계에서 가장 잘 알려진 변성 계열이다. 그러나 배로형 변성 작용은 이암이나 미사암에서 형성된 이질암에 국한되며, 심지어 이질암에서도 유일한 것은 아니다. 스코틀랜드 북동부의 다른 계열은 배로형보다 낮은 압력에서 일어난 뷰컨 변성 작용을 정의한다.[40]
매몰
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매몰 변성 작용은 단순히 암석이 침강 분지에서 지표면 아래 깊은 곳으로 매몰되면서 일어난다.[33] 여기서 암석은 고온과 상부 암석층의 엄청난 무게로 인한 큰 압력을 받는다. 매몰 변성 작용은 저등급 변성암을 생성하는 경향이 있다. 이는 동력열 변성 작용의 특징인 변형과 습곡의 영향을 전혀 보이지 않는다.[41]
매몰 변성 작용으로 형성된 변성암의 예로는 북미 중대륙 리프트 시스템의 일부 암석(예: 수폴 규암)[42]과 호주의 해머슬리 분지에 있는 암석들이 있다.[43]
접촉
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접촉 변성 작용은 일반적으로 관입암인 화성암 주변에서 마그마가 더 차가운 원암으로 관입하면서 발생하는 온도 상승의 결과로 일어난다. 접촉 변성 작용의 영향이 존재하는 관입체 주변 영역을 변성 접촉 변성대,[44] 접촉 변성대, 또는 단순히 접촉 변성대(aureole)라고 부른다.[45] 접촉 변성암은 보통 혼펠스로 알려져 있다. 접촉 변성 작용으로 형성된 암석은 강한 변형의 징후를 보이지 않을 수 있으며, 종종 세립질이고[46][47] 매우 단단하다.[48] 링컨 기념관 외벽과 알링턴 국립묘지의 무명용사의 묘에 사용된 율 대리석은 접촉 변성 작용으로 형성되었다.[49]
접촉 변성 작용은 관입체에 인접할수록 더 크고 접촉부에서 멀어질수록 사라진다.[50] 변성대의 크기는 관입체의 열, 크기, 그리고 원암과의 온도 차이에 따라 달라진다. 암맥은 일반적으로 주변 암석으로 한두 암맥 두께 이상 확장되지 않는 최소한의 변성 작용을 동반한 작은 접촉 변성대를 갖는 반면,[51] 저반 주변의 접촉 변성대는 수 킬로미터 폭에 이를 수 있다.[52][53]
접촉 변성대의 변성 등급은 접촉 변성대 내에서 형성되는 최고 변성 광물에 의해 측정된다. 이는 보통 이질암이나 알루미늄 규산염 암석의 변성 온도와 이들이 형성하는 광물과 관련이 있다. 얕은 깊이에서의 접촉 변성대 변성 등급은 형성 온도 순으로 조장석-녹렴석 혼펠스, 각섬석 혼펠스, 휘석 혼펠스, 규선석 혼펠스이다. 그러나 조장석-녹렴석 혼펠스는 가장 낮은 온도 등급임에도 불구하고 종종 형성되지 않는다.[54]
관입 화성암에서 나오는 마그마성 유체도 변성 반응에 참여할 수 있다. 마그마성 유체의 대규모 첨가는 영향을 받는 암석의 화학적 조성을 크게 수정할 수 있다. 이 경우 변성 작용은 교대 작용으로 이어진다. 관입당한 암석이 탄산염이 풍부하면 결과물은 스카른이 된다.[55] 식어가는 화강암에서 나오는 플루오린이 풍부한 마그마성 물은 종종 화강암의 접촉부 내부 및 인접부에 그라이젠을 형성할 수 있다.[56] 교대 작용으로 변성된 접촉 변성대는 금속 광석 광물의 퇴적을 국지화할 수 있어 경제적 관심 대상이 된다.[57][58]
페니타이트화, 또는 나트륨-교대 작용은 교대 작용을 동반하는 독특한 접촉 변성 작용의 형태이다. 이는 탄산염이 풍부하고 규소가 적은 카보나타이트라는 희귀 유형의 마그마 관입체 주변에서 일어난다. 식어가는 카보나타이트 마그마체는 응고되면서 나트륨이 풍부한 강한 알칼리성 유체를 방출하며, 이 뜨겁고 반응성이 강한 유체는 접촉 변성대 내의 많은 광물 성분을 나트륨이 풍부한 광물로 대체한다.[59]
열수
[편집]열수 변성 작용은 암석과 조성이 다양한 고온 유체 사이의 상호작용의 결과이다. 기존 암석과 침입 유체 사이의 조성 차이는 일련의 변성 작용 및 교대 작용을 유발한다. 열수 유체는 마그마성(관입 마그마에서 기원), 순환하는 지하수, 또는 해수일 수 있다.[33] 해저 현무암에서의 열수 유체 대류 순환은 확장 중심 및 기타 해저 화산 지역 인근에서 광범위한 열수 변성 작용을 생성한다. 유체는 결국 블랙 스모커라고 알려진 해저 분출구를 통해 빠져나간다.[62] 이러한 열수 변질 패턴은 귀금속 광상 탐사의 지침으로 사용된다.[63]
충격
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충격 변성 작용은 외계 물체(예: 운석)가 지구 표면과 충돌할 때 발생한다. 따라서 충격 변성 작용은 초고압 조건과 저온을 특징으로 한다. 생성된 광물(예: SiO2 동질이상)과 조직은 이러한 조건의 특징이다.[64]
동력
[편집]동력 변성 작용은 단층대와 같은 고변형 구역과 관련이 있다.[33] 이러한 환경에서는 암석을 변형시키는 데 화학 반응보다 기계적 변형이 더 중요하다. 암석 내에 존재하는 광물은 종종 화학 평형 조건을 반영하지 않으며, 동력 변성 작용에 의해 생성된 조직이 광물 구성보다 더 중요하다.[65]
암석이 기계적으로 변형되는 세 가지 변형 기작이 있다. 이는 암석 입자의 파쇄 및 회전을 통한 변형인 파쇄암화 작용,[66] 개별 광물 결정의 소성 변형, 그리고 확산 과정에 의한 개별 원자의 이동이다.[67] 동력 변성 구역의 조직은 형성된 깊이에 따라 다른데, 온도와 구속 압력이 지배적인 변형 기작을 결정하기 때문이다.[68]
가장 얕은 깊이에서 단층대는 단층 점토나 단층 각력암과 같은 다양한 종류의 고결되지 않은 파쇄암으로 채워진다. 더 깊은 곳에서는 이들이 더 큰 암석 파편들이 방해석이나 석영에 의해 시멘트화되어 고결된 파쇄각력암과 같은 고결된 파쇄암으로 대체된다. 약 5 킬로미터 (3.1 mi)보다 깊은 곳에서는 파쇄암이 나타나는데, 이는 높은 온도에서만 형성되는 단단한 기질 내의 부서진 암석 파편으로 구성된 매우 단단한 암석이다. 온도가 300 °C (572 °F)를 초과하는 더 깊은 곳에서는 소성 변형이 우세해지며, 단층대는 마이로나이트로 구성된다. 마이로나이트는 대부분의 파쇄암에는 없는 강한 엽리로 구분된다.[69] 이는 주변 암석과 더 미세한 입자 크기로 구분된다.[70]
파쇄암이 입자 파괴만큼이나 소성 변형과 재결정 작용을 통해 형성되며, 과정 중에 암석이 응집력을 완전히 잃지 않을 수 있다는 상당한 증거가 있다. 다른 광물들은 다른 온도에서 연성을 띠게 되며, 석영이 가장 먼저 연성을 띠고, 서로 다른 광물로 구성된 전단 암석은 동시에 소성 변형과 취성 파괴를 모두 보일 수 있다.[71]
변형률 또한 암석이 변형되는 방식에 영향을 미친다. 지각 중간 및 하부에서 낮은 변형률(10−14 sec−1 미만)에서는 연성 변형이 발생할 가능성이 높지만, 높은 변형률은 취성 변형을 일으킬 수 있다. 가장 높은 변형률에서 암석은 너무 강하게 가열되어 잠시 녹을 수 있으며, 슈도타킬라이트라고 불리는 유리질 암석을 형성한다.[72][73] 슈도타킬라이트는 백립암과 같이 건조한 암석에 제한되는 것으로 보인다.[74]
변성암의 분류
[편집]변성암은 암석 자체의 특성으로부터 결정할 수 있는 경우 원암에 의해 분류된다. 예를 들어, 변성암 조사 결과 원암이 현무암이었음이 밝혀지면 메타현무암으로 기술된다. 원암을 결정할 수 없을 때는 광물 조성이나 엽리 정도에 따라 암석을 분류한다.[75][76][77]
변성 등급
[편집]변성 등급은 변성 작용의 양이나 정도에 대한 비공식적인 지표이다.[78]
배로형 계열(스코틀랜드의 점진적 변성 작용 구역에서 조지 배로가 기술함)에서 변성 등급은 이질암(셰일, 알루미늄질) 기원 암석에서 주요 광물의 출현을 기반으로 한 광물 조합으로도 분류된다:
저등급 ------------------- 중등급 --------------------- 고등급
변성상
[편집]변성상은 변성 사건 동안 특정 온도 및 압력 범위에서 평형 상태에 있던 주요 광물 조합을 가진 인식 가능한 지괴 또는 구역이다. 상은 현무암으로부터 그러한 상 조건 하에 형성된 변성암의 이름을 따서 명명된다.[79]
특정 광물 조합은 해당 원암의 조성에 다소 의존하므로, 예를 들어 대리암의 각섬암상과 이질암의 각섬암상은 동일하지 않다. 그러나 상은 실제 가능한 광범위한 조성의 변성암을 특정 상에 할당할 수 있도록 정의된다. 현재의 변성상 정의는 주로 1921년 핀란드 지질학자 펜티 에스콜라의 연구를 기반으로 하며, 이후 실험 연구를 바탕으로 개선되었다. 에스콜라는 영국 지질학자 조지 배로가 개척한 지표 광물을 기반으로 한 구역 체계를 활용했다.[12]
변성상은 원암, 광물 모드, 또는 조직을 기반으로 변성암을 분류할 때는 일반적으로 고려되지 않는다. 그러나 몇몇 변성상은 더 정밀한 분류가 불가능할 때 상 이름을 암석명으로 사용할 정도로 독특한 특성을 가진 암석을 생성한다. 주요 예로는 각섬암과 에클로자이트가 있다. 영국 지질조사국은 백립암상을 거친 암석의 분류로서 백립암을 사용하는 것을 강력히 반대한다. 대신 그러한 암석은 종종 그라노펠스로 분류된다.[76] 그러나 이것이 보편적으로 받아들여지는 것은 아니다.[77]
| 온도 | 압력 | 상 |
|---|---|---|
| 저 | 저 | 제올라이트 |
| 낮은 중온 | 낮은 중압 | 프레나이트-펌펠라이트 |
| 중~고 | 저 | 혼펠스 |
| 저~중 | 중~고 | 청색편암 |
| 중 → 고 | 중 | 녹색편암→각섬암→백립암 |
| 중~고 | 고 | 에클로자이트 |
자세한 내용은 다이어그램을 참조하시오.
전진 및 후퇴
[편집]변성 작용은 전진 변성 작용과 후퇴 변성 작용으로 더 나뉜다. 전진 변성 작용은 온도와 (보통) 압력 조건이 증가함에 따라 광물 조합(공생)이 변하는 것을 포함한다. 이는 고체 상태의 탈수 반응이며, 물이나 이산화 탄소와 같은 휘발성 성분의 손실을 포함한다. 전진 변성 작용은 경험한 최대 압력과 온도의 특징을 가진 암석을 생성한다. 변성암은 일반적으로 지표면으로 되돌아올 때 더 이상의 변화를 겪지 않는다.[80]
후퇴 변성 작용은 감소하는 온도(및 보통 압력) 하에서 재휘발 작용을 통해 암석을 재구성하는 것을 포함하며, 이를 통해 전진 변성 작용에서 형성된 광물 조합이 덜 극단적인 조건에서 더 안정한 조합으로 되돌아갈 수 있게 한다. 이는 비교적 드문 과정인데, 전진 변성 작용 중에 생성된 휘발성 성분은 일반적으로 암석 밖으로 이동하여 냉각 중에 암석과 재결합할 수 없기 때문이다. 국지적인 후퇴 변성 작용은 암석의 균열이 지하수가 냉각되는 암석으로 들어갈 수 있는 경로를 제공할 때 일어날 수 있다.[80]
평형 광물 조합
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변성 과정은 원암을 최대 안정 상태인 열역학적 평형에 더 가깝게 만든다. 예를 들어, 전단 변형력(비수력학적 변형력)은 열역학적 평형과 양립할 수 없으므로, 전단된 암석은 전단 변형력을 완화하는 방식으로 변형되는 경향이 있다.[81] 주어진 조성의 암석에 대해 가장 안정한 광물 조합은 깁스 자유 에너지를 최소화하는 것이다.[82]
여기서:
- U는 내부 에너지 (SI 단위: 줄),
- p는 압력 (SI 단위: 파스칼),
- V는 부피 (SI 단위: m3),
- T는 온도 (SI 단위: 켈빈),
- S는 엔트로피 (SI 단위: 줄/켈빈),
즉, 변성 반응은 원암의 총 깁스 자유 에너지를 낮추는 경우에만 일어난다. 더 거친 결정으로의 재결정 작용은 표면 에너지를 줄임으로써 깁스 자유 에너지를 낮추며,[18] 상전이와 신결정 작용은 벌크 깁스 자유 에너지를 감소시킨다. 반응은 시약의 깁스 자유 에너지가 생성물의 것보다 커지는 온도와 압력에서 시작된다.[83]
광물상은 원자들 사이의 더 단단한 결합을 반영하는 더 낮은 내부 에너지를 가질 때 일반적으로 더 안정하다. 더 높은 밀도(더 낮은 몰 부피 V로 표현됨)를 가진 상은 고압에서 더 안정하며, 질서가 덜 잡힌 구조(더 높은 엔트로피 S로 표현됨)를 가진 광물은 고온에서 선호된다. 따라서 홍주석은 알루미늄 규산염 동질이상 중 밀도가 가장 낮아 저압에서만 안정하며, 규선석은 질서가 가장 적은 구조를 가지고 있어 고온에서 안정한 형태이다.[84]
지정된 온도와 압력에서 특정 광물의 깁스 자유 에너지는 다양한 분석 공식으로 표현될 수 있다. 이는 실험적으로 측정된 특성 및 광물 조합의 상 경계에 대해 보정된다. 지정된 온도와 압력에서 암석의 주어진 벌크 조성에 대한 평형 광물 조합은 컴퓨터로 계산할 수 있다.[85][86]
그러나 다양한 종류의 다이어그램을 사용하여 평형 광물 조합을 표현하는 것이 매우 유용하다.[87] 여기에는 암석성 생성 격자[88][89]와 상호작용 그림(조성 상 다이어그램)이 포함된다.[90][91]
암석성 생성 격자
[편집]암석성 생성 격자는 주어진 암석 조성에 대한 압력 및 온도 조건에서 실험적으로 유도된 변성 반응을 플롯하는 지질학적 상평형 그림이다. 이를 통해 변성암석학자들은 암석이 변성되는 압력과 온도 조건을 결정할 수 있다.[88][89] 표시된 Al2SiO5 네소규산염 상평형 그림은 알루미늄, 규소, 산소로만 구성된 조성의 암석을 위한 매우 단순한 암석성 생성 격자이다. 암석이 다른 온도와 압력을 겪음에 따라, 이는 세 가지 주어진 동질이상 광물 중 하나가 될 수 있다.[84] 여러 상을 포함하는 암석의 경우 많은 상 변환 사이의 경계를 플롯할 수 있지만, 암석성 생성 격자는 빠르게 복잡해진다. 예를 들어, 암석성 생성 격자는 알루미늄 규산염 상 전이와 알루미늄 규산염 플러스 칼륨 장석에서 백운모 플러스 석영으로의 전이를 모두 보여줄 수 있다.[92]
상호작용 그림
[편집]암석성 생성 격자가 온도와 압력 범위에 걸쳐 단일 조성에 대한 상을 보여주는 반면, 상호작용 그림은 고정된 온도와 압력에서 광물 조합이 조성에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 상호작용 그림은 암석 조성의 변화가 특정 압력 및 온도 조건에서 암석 내에 발달하는 광물 공생에 어떤 영향을 미치는지 분석하는 훌륭한 방법을 제공한다.[90][91] 세 개 이상의 성분을 묘사하는 것이 어렵기 때문에(삼각 다이어그램처럼), 일반적으로 가장 중요한 세 가지 성분만 플롯하지만, 때때로 네 가지 성분에 대한 상호작용 그림이 정투상도 사면체로 플롯되기도 한다.[93]
같이 보기
[편집]참고 자료
[편집]- Marshak, Stephen (2009). 《Essentials of Geology》 3판. W. W. Norton & Company. ISBN 978-0393196566.
- Vernon, Ronald Holden (2008). 《Principles of Metamorphic Petrology》. Cambridge University Press. ISBN 978-0521871785.
각주
[편집]- 1 2 Marshak 2009, 177쪽.
- ↑ Vernon 2008, 1쪽.
- 1 2 Yardley 1989, 1–5쪽.
- 1 2 Yardley 1989, 5쪽.
- ↑ Yardley 1989, 29–30쪽.
- ↑ Philpotts & Ague 2009, 149, 420–425쪽.
- ↑ Bucher 2002, 4쪽.
- ↑ Nelson 2022.
- ↑ Holland & Powell 2001.
- ↑ Philpotts & Ague 2009, 252쪽.
- ↑ Philpotts & Ague 2009, 44쪽.
- 1 2 Yardley 1989, 49–51쪽.
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- ↑ Jackson 1997, "metaquartzite".
- ↑ Yardley 1989, 154–158쪽.
- ↑ Gillen 1982, 31쪽.
- ↑ Howard 2005.
- 1 2 Yardley 1989, 148–158쪽.
- ↑ Yardley 1989, 158쪽.
- ↑ Yardley 1989, 32–33, 110, 130–131쪽.
- ↑ Yardley 1989, 183–183쪽.
- 1 2 Vernon 1976, 149쪽.
- ↑ Yardley 1989, 110, 130–131쪽.
- ↑ Stern 2002, 6–10쪽.
- ↑ Schmincke 2003, 18, 113–126쪽.
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- ↑ Yardley 1989, 75, 102쪽.
- ↑ Yardley 1989, 127쪽.
- ↑ Boggs 2006, 147–154쪽.
- 1 2 Jackson 1997, "regional metamorphism".
- ↑ Jackson 1997, "dynamothermal metamorphism".
- ↑ Jackson 1997, "burial metamorphism".
- 1 2 3 4 5 6 7 Yardley 1989, 12쪽.
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- ↑ Fossen 2016, 184–186쪽.
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- ↑ Philpotts & Ague 2009, 443쪽.
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- ↑ Philpotts & Ague 2009, 161–162쪽.
- ↑ Philpotts & Ague 2009, 447–470쪽.
- 1 2 Yardley 1989, 32–33, 52–55쪽.
- 1 2 Philpotts & Ague 2009, 424–425쪽.
- 1 2 Yardley 1989, 32–33쪽.
- 1 2 Philpotts & Ague 2009, 447쪽.
- ↑ Philpotts & Ague 2009, 453쪽.
- ↑ Philpotts & Ague 2009, 454–455쪽.
외부 링크
[편집]- Recommendations by the IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks, 1. How to Name a Metamorphic Rock
- Recommendations by the IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks, 2. Types, Grade, and Facies of Metamorphism
- Recommendations by the IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks, 3. Structural terms including fault rock terms
- Recommendations by the IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks, 4. High P/T Metamorphic Rocks
- James Madison University: Metamorphism 보관됨 2011-03-04 - 웨이백 머신
- Barrovian Metamorphism: Brock Univ.
