변성작용과 변성암

온도와 압력의 변화에 견디기 위해 암석도 변한다

앞에서 힘을 받은 암석은 끊어지거나 휘어진다고 하였다. 그 밖의 변화는 없을까?

암석은 압력과 온도가
바뀜에 따라
암석 안의 형태도 바뀐다

암석을 이루고 있는 광물 중 낮은 온도에서만 안정한 것이 있다면 온도가 높아지면 그 모양을 바꾸어야만 안정이 된다. 광물의 모양이 바뀌게 되면 그것이 전체 암석의 모양도 바뀌게 할 수 있게 된다.

암석을 구성하는 광물들이 서로 얽혀 있는 형태가 바뀐다든지 어떤 광물이 변화된 환경에 더 안정된 광물로 변한다든지 하여 원래 있었던 암석의 형태와 조직이 바뀌게 되는 것을 변성작용이라고 한다. 변성작용으로 원래의 암석이 다른 형태나 조직의 암석으로 된 것을 변성암이라고 한다.

변성암은 만드는 원인에 따라 변성작용의 유형을 나눌 수 있다. 암석이 관입하는 접촉부에서 주로 온도의 변화에 의해서 나타나는 변성작용을 접촉변성작용이라 한다. 큰 규모로 넓은 지역에 걸쳐서 높은 온도와 압력을 동시에 받는 변성작용을 광역변성작용이라고 한다.

한편 암석에 나타나는 변성광물의 종류에 따라 변성상을 나누기도 한다. 아래 그림은 온도와 압력에 따라서 어떤 암석이 되는가를 나타낸 것이다. 그림 왼쪽에 있는 흰 부분은 암석에 나타날 수 없는 온도, 압력 영역이다, 그림의 아래쪽에 세 선이 만나는 곳에 홍주석, 남정석, 규선석이라고 되어 있다. 이 세 광물은 모두 같은 성분이다. 온도와 압력 조건에 따라 그 모양이 변하여 다른 이름으로 불리며 그것으로 온도, 압력 조건을 알아낼 수 있다.

변성상. P-P; 프레나이트-펌펠리아이트 상

변성암이 광역변성작용에 의해서 그 조직과 광물이 변해나가는 것을 점토암의 변화를 통해서 살펴보자. 아래의 그림은 점토암의 층리를 나타낸다.

점토암(셰일, 이암)의 점토광물이 층리에 나란히 배열되어 있다

압축력이 주어지면 층리에 나란히 있던 점토광물이 층리의 변형과 같은 방향으로 배열된다. 이 단계에서도 여전히 퇴적암 상태이다.

점토광물이 층리를 따라 배열되어 있다

더욱 압력이 세지면
점토광물이 녹니석으로
바뀌기 시작한다

새로 생긴 녹니석은 응력에 수직방향으로 배열된다. 이 단계의 변성암을 슬레이트(slate) 또는 점판암이라고 하고 슬레이트 단계의 조직을 점판 벽개라고 한다. 점판 벽개와 같은 뚜렷한 선 구조를 엽리라고 한다.

원래 퇴적암의 조직과 관계없이 응력에 수직 방향으로 녹니석이 배열된다

슬레이트. 점판 벽개를 보인다

슬레이트보다
변성 정도가 높아지면
변성광물이 더 많이 생긴다.

광물 입자는 맨눈으로 식별이 곤란할 정도로 작지만 엽리면은 강한 광택을 나타낸다. 변성광물들은 모두 압력의 방향에 수직으로 늘어선 상태가 되고 이런 암석을 천매암(phyllite)이라고 한다. 천매암은 슬레이트와 편암의 중간 단계라고 보면 되지만 그 단계가 명확하게 구분이 되는 것은 아니다.

천매암

압력과 온도가 더 높아지면 녹니석은 운모, 석영, 장석으로 바뀌고 없어진다. 운모, 각섬석, 석영, 장석으로 완전히 섞인 상태이지만 판상의 운모, 침상이나 막대상의 각섬석은 압력의 방향으로 배열되어 있다. 이런 단계의 암석을 편암(schist)이라 하고, 천매암과 편암에서 나타나는 이와 같은 조직을 편리라고 한다.

운모, 각섬석과 같이 방향성을 보이는 광물이 압력의 방향에 수직으로 배열된다

편리. Plummer/McGeary/Carlson, Physical Geology, &e Copyright ⓒ 1999, McGrow-Hill Companies, Inc.

편암

더욱 변성이 진행되면 밝은 색 광물인 석영, 장석과 어두운 색 광물인 흑운모, 각섬석이 분리된다. 분리된 형태는 띠를 이룰 경우도 있고, 밝은 색 광물이 덩어리로 뭉쳐지는 경우도 있다. 이와 같은 단계의 암석을 편마암(gneiss)이라 하고 편마암의 이런 조직을 편마구조라고 한다.

밝은 색 광물과 어두운 색 광물이 분리된다

줄무늬를 보이는 호상편마암

편마암

밝은 색 광물이 반점상으로 모인 반상변정편마암

화강암질편마암

지금까지 점토암의 변화에 대하여 살펴보았다. 다른 암석은 어떤 변화를 보일까?

광역변성작용을 받은 현무암은 편암 단계의 온도, 압력에서 녹색편암(greenschist)이 된다. 편리를 잘 보이지 않으면 녹색암(greenstone)이라 한다. 편마암 단계로 온도, 압력이 올라가면 주구성광물이 각섬석과 사장석인 각섬암(amphibolite)이 된다.

녹색편암

각섬암

각섬암

현무암보다 철과 마그네슘 성분이 더 많은 암석인 감람암이 변성되면 사문암(serpentinite)이 된다.

사문암

거의 대부분이 석영으로 구성된 사암은 광역변성작용으로 규암(quartzite)이 되고, 거의 대부분이 방해석으로 구성된 석회암은 대리암(marble)이 된다. 규암과 대리암은 엽리나 선구조가 거의 나타나지 않는 경우가 많다.

규암

규암

규암

대리암

대리암

여러 가지 암석이 광역변성작용을 받아 변화된 변성암을 정리하면 아래 그림과 같다.

점토암이
접촉변성작용을 받으면
광역변성작용을 받은 것과는
다른 형태가 된다

접촉변성암은 주로 열에 의해 변성된 것이며, 압력에 의한 변형작용을 거의 받지 않기 때문에 엽리가 잘 발달하지 않는다. 방향성이 없고 판상이나 막대상 광물들이 일정한 방향으로 배열되지 않는다. 이런 조직을 호온펠스 조직이라 하고 이런 접촉변성암을 호온펠스(hornfels)라고 한다.

호온펠스

호온펠스