화산암의 이름은 어떻게 정하는가?

용암에서 비롯된 화산암을 구분하여 부를 때는 화학 성분을 이용한다

새로 시작한 스토리펀딩 '쉽게 배우는 지질'을 읽기 위해서는 스토리펀딩 '쉽게 배우는 암석, 광물, 지질'의 내용을 먼저 보기 바란다.

지각을 구성하는 물질 중에서 많은 순서로 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘이라는 것을 스토리펀딩 '쉽게 배우는 암석, 광물, 지질'의 1화에서 이야기하였다.

이런 원소들은
광물을 이루는 성분으로
자리 잡는다

예를 들어 석영 분자의 화학식은 SiO2, 감람석은 (Mg,Fe)SiO3이다. 주요 조암 광물은 금속의 산화물로 구성되어 있으면 석영의 경우 SiO2 단독으로, 감람석의 경우 MgO, FeO, SiO2로 구성된다.

이런 원리를 거구로 생각하면 광물의 화학 성분을 알게 되면 광물의 종류를 알 수 있게 된다. 광물이나 암석 중에 많이 들어 있는 원소의 산화물은 SiO2, Al2O3, FeO, Fe2O3, Na2O, K2O, MgO, NnO, P2O5, TiO2가 있고 이들을 주성분 원소 또는 주성분 산화물이라고 한다.

암석이나 광물 속의 화학 성분을 알아내기 위해서는 여러 가지 기기가 사용된다. 그중에서 주성분 원소를 알아내는 데는 X-선형광분석기(XRF)가 유용하다. 현장에서 바로 성분을 알아내는 휴대용 XRF도 있다.

X-선형광질량분석기(XRF)

휴대용 XRF

암석이나 광물의 시료를 미세한 가루를 내어서 잘 섞어서 일부분만 선택을 하면 시료 중의 일부분의 값이 아닌 평균 성분을 취할 수 있다. 이렇게 준비한 시료를 기기에 넣어서 분석을 하여 산화물 함량을 구한다. 아래의 도표는 암석의 주성분 원소 분석 값을 나타낸 것이다.

주성분 원소의 분석 값

학자들이 주성분 원소 값을 통하여 가장 먼저 하는 것이 암석의 종류를 구분하여 알아내는 일이다. 주성분 원소 값은 특히 화성암의 암석 분류 체계에서 중요하다. 화성암 중 심성암은 암석을 오랫동안 보아 온 전문가라면 맨눈으로 봐서도 암석의 종류를 구분하는데 큰 어려움이 없다.

심성암은 광물이 구분되기 때문에 맨눈으로 암석 구분이 되나(왼쪽) 화산암은 그렇지 않다(오른쪽)

그렇지만 화산암을 구성하고 있는 광물을 구분할 수 없기 때문에 암석의 화학 성분에 의존한다. 암석 중의 SiO2 함량과 알칼리(Na2O+K2O) 함량을 이용한 TAS 도표가 자주 이용된다. 아래의 그림은 우리나라에서 주로 나타나는 화산암을 이 도표에 나타내어 본 것이다.

전체 알칼리 대 SiO2 도표(TAS 도표)

비슷하지만 약간 다른 Le Maitre의 화산암 분류 도표는 아래와 같다. 제주도에서 일부 하와이암(하와이아이트) 영역에 표시되는 것도 있기 때문에 나타내어 보았다.

Le Maitre의 화산암 분류 도표

실제 예를 들어 살펴보자.

아래의 그림은 고기원, 박준범(2010)이 제주도에서 나타나는 암석을 분류 도표에 표시한 것이다. 제주도의 암석은 현무암-조면현무암-현무암질조면안산암-조면안산암-조면암이 주를 이룬다. 같은 지역에서 채집하였지만 그럼에도 불구하고 경향에서 벗어난 것에는 분석에 따른 오차도 감안되어야 한다.

제주도 암석의 TAS 도표

같은 지역의 마그마에서 비롯된 암석의 자료를 TAS 도표에 찍어보면 위의 그림과 같이 일정한 영역으로 연속되는 경향을 보인다. 위의 도표에서 나타내지는 않았지만 제주도의 삼방산을 이루는 암석은 안산암일까? 조면암일까? 추론하여 보자.

한 마그마에서 비롯된 암석이 나타내는 경향

위의 그림과 같이 도표에 화산암의 화학 성분을 표시하면 한 마그마에서 비롯되었다고 여겨지는 암석은 일정한 경향성을 보인다. 또한 특정 지역에서 발생한 암석은 어떤 경향에만 모이는 성질이 있다. 이와 같은 것을 토대로 암석의 계열을 구분한다.

화학 성분 중에서 알칼리 금속 원소(K, Na)의 함량이 높은 계열과 그렇지 않은 계열을 각각 알칼리 계열 암석, 비알칼리 계열 암석으로 구분한다. 아래 그림에서 중간을 가로지르는 선 위로는 알칼리 계열, 아래는 비알칼리 계열이라고 한다.

알칼리 계열과 비알칼리 계열의 구분

이 분류 도표에 우리나라의 화산암 자료를 표시해보면 제주도의 암석은 거의 알칼리 계열에, 우리나라 남부 지방에서 산출되는 화산암 자료는 대부분 비알칼리 계열로 나타난다.

비알칼리 계열 암석을 알칼리, 철, 마그네슘을 꼭짓점으로 하는 도표(AFM 도표)에 그리면 아래의 그림과 같이 두 방향의 경향으로 또 나누어진다. 한 경향은 마그네슘의 함량이 점점 줄어듦에 따라 철의 함량이 일정하게 줄어든다. 다른 한 경향은 마그네슘의 함량이 급격히 줄어듦에도 불구하고 철의 함량이 줄어들지 않는다. 그러다가 어느 간계에서 철이 갑자기 줄어드는 변곡점이 나타난다.

AFM 도표에 그려지느 쏠레이암 계열과 칼크-알칼리암 계열

그림에서와 같이 철과 마그네슘이 일정하게 계속 줄어드는 암석 계열을 칼크-알칼리 계열, 철이 계속 남아있다가 갑자기 소모가 되는 계열을 쏠레이암(쏠레아이트) 계열이라고 한다.

AFM 도표 이외에도 칼크-알칼리암과 쏠레이암을 구분하는 도표는 SiO2 대 FeO*/MgO 도표가 있다(FeO*=FeO+Fe2O3). 이 두 도표를 함께 사용하지 않고는 칼크-알칼리암과 쏠레이암을 구분하기 어렵다. 아래의 그림은 제주도의 암석을 구분하기 위해 쓴 도표로 앞에도 언급한 고기원, 박준범(2010)의 도표다. 여기서 쏠레이암을 표시해 둔 것은 잘못 표시된 것이다.

아래 도표에서 ThB, ThA는 잘못 표기된 것이다

위 그림을 통하여 고기원, 박준범(2010)은 ThB라 표시하고 쏠레아이트현무암, ThA라 표시하고 쏠레아이트안산암이라 하였다. 그렇지만 이 영역은 현무암, 현무암질안산암으로 부르는 것이 옳다. 또한 이 도표 만으로는 쏠레이암의 여부를 알아낼 수도 없다. 암석이 칼크-알칼리암 계열인지 쏠레이암 계열인지를 알아내기 위해서는 아래의 그림과 같이 AFM 도표와 SIO2 대 FeO*/MgO 도표를 함께 사용하여야 한다.

쏠레이암 계열과 칼크-알칼리암 계열을 구분하기 위해 쓰이는 도표

암석의 종류와 암석 계열을 알아보는 것 외에도 암석의 화학성분을 이용하여 알아낼 수 있는 것들은 또 무엇이 있을까?

참고자료
고기원, 박준범 (2010) 제주도의 화산활동에 관한 연구(III) : 40Ar/39Ar 절대연대자료에 근거한 제주도 형성 초기 용암 분출 기록. 자원환경지질, 43권, 163-176.