암석의 생성 조건

본문

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해령 아래에서는 날마다 엄청난 양의 현무암질 마그마가 만들어진다. 그런데 그곳의 맨틀이 따로 데워지는 것은 아니다. 오히려 맨틀이 솟아오르면서 조금씩 식는다. 식는데도 녹는다니 이상하지 않은가? 암석이 녹는 온도는 압력에 따라 달라진다. 그 관계를 그린 그림을 읽으면, 해령의 현무암, 섭입대의 안산암, 깊은 곳에서 굳은 반려암이 각각 어떤 조건에서 생겼는지 해독할 수 있다.

맨틀의 잠재 온도 (°C)

그림 1. 맨틀 페리도타이트가 녹기 시작하는 온도(고상선, 주황)와, 솟아오르는 맨틀이 단열적으로 식는 경로(파랑, 1 km에 약 0.4 °C). 두 선이 만나는 깊이에서 맨틀이 녹기 시작한다(모형).

먼저 알아야 할 것화성암과 변성암(지구과학), 단열 팽창(물리학), 판구조론과 플룸(판구조론과 플룸구조론).

1.7.1압력이 바꾸는 녹는점

대부분의 암석은 녹을 때 부피가 커진다. 그래서 압력이 높으면 녹기가 어려워져, 녹는 온도가 올라간다. 맨틀 페리도타이트가 녹기 시작하는 고상선 온도는 지표에서 약 1100 °C이지만 깊이 100 km에서는 약 1500 °C에 이른다. 해령 아래에서 맨틀이 솟아오르면 압력이 빠르게 줄어든다. 맨틀은 열을 잃을 틈이 없어 단열적으로 아주 조금만 식는다. 그런데 녹는 온도는 압력과 함께 훨씬 빠르게 내려가므로, 어느 깊이에서 맨틀의 온도가 녹는 온도보다 높아진다. 이렇게 압력이 줄어 녹는 것을 감압 용융이라 한다.

정리 1.7.1 마그마가 생기는 세 가지 길

암석은 온도가 오르거나, 압력이 줄거나, 물이 더해져 녹는 온도가 낮아질 때 녹는다. 해령과 열점 아래에서는 감압 용융이, 섭입대에서는 섭입하는 판에서 빠져나온 물이 맨틀의 녹는 온도를 낮추는 함수 용융이, 대륙 지각 아래에서는 뜨거운 마그마가 지각을 데우는 가열 용융이 일어난다.

그림 1에서 잠재 온도를 바꾸어 보자. 보통의 맨틀(약 1350 °C)은 깊이 약 70 km에서 녹기 시작해, 솟아오르는 동안 더 많이 녹는다. 열점 아래의 뜨거운 맨틀(약 1450 °C)은 약 110 km의 더 깊은 곳부터 녹아 마그마가 훨씬 많이 만들어진다. 그래서 하와이와 아이슬란드는 보통의 해령보다 화산 활동이 활발하다. 녹은 마그마는 주변 암석보다 가벼워 위로 올라가 해양 지각의 현무암과 그 아래의 반려암이 된다.¹

1.7.2변성암이 기록한 온도와 압력

암석이 녹지 않을 정도의 온도와 압력을 받으면, 광물들이 그 조건에서 안정한 다른 광물로 바뀐다. 이것이 변성 작용이다. 같은 현무암이라도 차갑고 깊이 끌려 들어가는 섭입대에서는 남색 광물이 많은 청색 편암이 되고, 뜨겁고 깊은 조산대에서는 각섬석이 많은 각섬암이 된다. 그래서 변성암 속의 광물 조합을 상평형 그림에 대어 보면, 그 암석이 어느 온도와 압력을 겪었는지 거꾸로 알아낼 수 있다. 알루미늄 규산염 광물인 남정석, 홍주석, 규선석은 화학식이 같은 다형이라 특히 좋은 온도계와 압력계가 된다.

그림 2. 마그마가 생기는 원인에 따라 마그마와 그 마그마가 만드는 암석이 달라진다.

1.7.3예제 풀이

예제 1.7.2

그림 1의 모형에서 고상선은 \(T_s = 1120 + 4.0z - 0.006z^2\) °C, 솟아오르는 맨틀의 온도는 \(T = 1350 + 0.4z\) °C이다(\(z\)는 깊이, km). 맨틀이 녹기 시작하는 깊이를 구하여라. 그 깊이의 맨틀 온도는 얼마인가?

두 온도가 같아지려면 \(1350 + 0.4z = 1120 + 4.0z - 0.006z^2\), 곧 \(0.006z^2 - 3.6z + 230 = 0\)이다. 근의 공식으로 \(z = \dfrac{3.6 - \sqrt{12.96 - 5.52}}{0.012} = \dfrac{3.6 - 2.73}{0.012} \approx 73\) km이다.

그 깊이의 맨틀 온도는 \(1350 + 0.4 \times 73 \approx 1379\) °C이다. 맨틀은 깊이 73 km에서 지표까지 올라오는 동안 30 °C 남짓만 더 식지만, 녹는 온도는 수백 도 내려가 그 차이만큼 점점 더 많이 녹는다. 즉 맨틀은 데워져서가 아니라 눌리던 압력이 풀려서 녹는다. 그래서 판이 벌어져 맨틀이 솟아오르기만 하면, 해령은 따로 열을 받지 않아도 끊임없이 마그마를 만든다.

아래 탐구 카드에서 상평형 그림으로 암석이 겪은 온도와 압력을 해독하고, 같은 과정에서 지하자원이 어떻게 모이는지 알아보자.

맨틀이 녹는다고 해서 통째로 녹지는 않는다. 해령 아래의 맨틀은 보통 10~20%만 녹는 부분 용융을 하며, 녹는점이 낮은 성분이 먼저 녹아 나오므로 마그마는 맨틀보다 규소와 알루미늄이 많다.

마무리

암석의 녹는 온도는 압력이 높을수록 올라가므로, 솟아오르는 맨틀은 거의 식지 않은 채 압력이 줄어 녹는 온도보다 뜨거워지는 감압 용융을 한다. 마그마는 감압, 물의 공급, 가열의 세 길로 생기며, 변성암의 광물 조합은 그 암석이 겪은 온도와 압력을 기록한다. 그래서 처음 질문의 맨틀은 데워지지 않아도 해령 아래에서 솟아오르며 압력이 줄어 녹아 마그마가 된다.

탐구 1

같은 현무암이 어디서는 녹색 편암, 어디서는 청색 편암이 되는 까닭은?

변성상 · 온도–압력 그림 · 지온 구배와 판 경계 · 부분 용융

깊이 = 20 km (그림을 직접 눌러 끌어도 됩니다)

온도 · 압력: —
변성상: —
암석 이름: —

압력은 암석 밀도 2.8 g/cm³로 어림했다(1 km ≈ 0.0275 GPa). Al₂SiO₅ 삼중점(501 °C, 0.376 GPa)은 Holdaway(1971)의 실험값이고, 변성상 경계와 지수 광물의 온도는 교과서에 흔히 쓰이는 대략의 값(모식)이다. 실제 경계는 선이 아니라 폭이 있는 띠이며, 암석의 성분과 물의 양에 따라 옮겨 간다.

질문일본 열도와 알프스에서 나온 변성암 가운데는 푸른빛을 띠는 청색 편암이 있다. 성분을 분석하면 흔한 녹색 편암과 거의 같은 현무암에서 생겼다. 같은 암석이 왜 다른 변성암이 될까?
복원변성 작용은 암석이 녹지 않은 고체 상태에서 온도와 압력이 바뀌어 광물과 조직이 바뀌는 것이다. 지하로 갈수록 온도와 압력이 함께 오르고, 깊이에 따른 온도 증가율을 지온 구배라 한다. 압력은 위에 놓인 암석의 무게로 정해져 P ≈ ρgz이다.
설명성분이 같은 암석이 같은 온도·압력에서 평형을 이루면 같은 광물 조합이 생긴다. 이 조합으로 나눈 온도–압력 영역이 변성상이다. 현무암은 온도가 오르면 녹색 편암상(녹니석·녹렴석·양기석) → 각섬암상(각섬석·사장석) → 백립암상(휘석·사장석)으로 바뀌고, 온도보다 압력이 높으면 청색 편암상(남섬석·로소나이트) → 에클로자이트상(석류석·옴파사이트)이 된다. 셰일에서는 녹니석 → 흑운모 → 석류석 → 십자석 → 남정석 → 규선석 순으로 나타나는 지수 광물이 변성 정도를 알려 준다.
연결어느 변성상이 생기는지는 판 경계의 지온 구배가 정한다. 차가운 해양판이 빠르게 가라앉는 섭입대에서는 깊이 내려가도 덜 데워져 고압·저온의 청색 편암과 에클로자이트가 생기고, 그 안쪽 화산호 아래에서는 고온·저압 변성이 일어난다. 이렇게 나란히 생긴 두 띠를 쌍변성대라 한다. 대륙끼리 충돌한 조산대에서는 중압형 변성(각섬암상, 남정석)이 넓게 일어나고, 관입암 둘레의 얕은 곳에서는 열만 받아 혼펠스(홍주석·근청석)가 생긴다. 온도가 물 포화 화강암의 용융 곡선을 넘으면 암석 일부가 녹기 시작해 밝은 화강암질 띠와 어두운 변성암이 뒤섞인 미그마타이트가 된다.
적용원암을 현무암으로 두고 세 지온 구배선을 차례로 골라 깊이 0 → 55 km로 내려가 보자. 각각 어느 변성상을 거치는가? 원암을 셰일로 바꾸어 충돌 조산대 구배에서 지수 광물이 바뀌는 깊이를 적고, 섭입대 구배선은 왜 용융 곡선을 만나지 않는지 설명해 보자.
판단지상에서 에클로자이트를 볼 수 있다는 것은 그 암석이 깊이 50 km 이상에 내려갔다가 광물이 바뀌기 전에 빠르게 올라왔다는 뜻이다. 변성 반응은 온도가 내려갈 때는 느려서, 암석에는 대개 가장 높은 온도에 이르렀을 때의 광물 조합이 남는다. 따라서 변성암 하나가 알려 주는 것은 지금이 아니라 그 암석이 겪은 최고 조건이다. 또 변성상은 평형을 가정하므로, 물이 부족하거나 시간이 짧으면 낮은 온도의 광물이 그대로 남기도 한다.

확인조건이 달라지면

한 지역에서 남섬석이 든 청색 편암 띠와, 그보다 대륙 쪽으로 홍주석·규선석이 든 편암 띠가 나란히 발견되었다. 가장 알맞은 해석은 무엇입니까?

읽기 2

지층에 남은 무늬로 옛 환경을 어떻게 읽을까?

읽기 · 퇴적 구조와 퇴적 환경

퇴적암에는 알갱이가 쌓일 때의 물결, 바람, 햇볕의 흔적이 굳어 남아 있는데, 이런 흔적을 퇴적 구조라고 한다. 퇴적 구조는 그 지층이 어디서 쌓였는지, 그리고 지층의 위아래가 뒤집혔는지를 알려 준다.

1네 가지 퇴적 구조

비스듬한 줄무늬가 여러 겹 엇갈린 붉은 사암 절벽 — 첫째 사진은 미국 자이언 국립공원의 나바호 사암에 남은 *사층리*로, 옛 사막의 모래 언덕이 바람에 옮겨 가며 쌓였다. 둘째 사진은 남아프리카공화국 프리토리아층군의 규암에 남은 물결 자국, 곧 연흔이다. 사진: Zion National Park · 퍼블릭 도메인 · Wikimedia Commons / JMK · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

물결 모양의 주름이 나란히 새겨진 암석 — 첫째 사진은 미국 자이언 국립공원의 나바호 사암에 남은 *사층리*로, 옛 사막의 모래 언덕이 바람에 옮겨 가며 쌓였다. 둘째 사진은 남아프리카공화국 프리토리아층군의 규암에 남은 물결 자국, 곧 연흔이다. 사진: Zion National Park · 퍼블릭 도메인 · Wikimedia Commons / JMK · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

바닷가 암반에 다각형으로 갈라진 틈이 굳어 있는 모습 — 첫째 사진은 영국 스코틀랜드 해안의 암석에 굳어 남은 건열로, 진흙이 마르며 갈라진 틈이다. 둘째 그림은 *점이 층리* 모식도로, 한 층 안에서 아래는 굵고 위로 갈수록 가는 알갱이가 쌓인다. 사진: Anne Burgess · CC BY-SA 2.0 · Wikimedia Commons

구조	생기는 과정	주로 쌓인 곳	위아래를 가리는 법
사층리	물이나 바람이 한쪽으로 흐르며 모래를 경사면에 비스듬히 쌓음. 기울어진 방향이 흐름 방향	사막의 모래 언덕, 하천, 삼각주	비스듬한 층이 아래에서는 완만하게 휘어 닿고, 위에서는 잘려 있음
점이 층리	물속에서 흙탕물이 한꺼번에 쏟아질 때(저탁류) 무거운 알갱이가 먼저 가라앉음	대륙 사면 아래 깊은 바다, 호수	아래가 굵고 위가 가늚
연흔	얕은 물의 물결이나 바람이 모래 표면에 주름을 만듦	얕은 바다, 호숫가, 사막	뾰족한 마루가 위를 향함
건열	물에 잠겼던 진흙이 햇볕에 드러나 마르며 갈라짐	갯벌, 건조 기후의 얕은 호수	쐐기 모양 틈이 아래로 갈수록 좁아짐

2퇴적 환경

퇴적물이 쌓이는 장소를 퇴적 환경이라고 하며, 크게 셋으로 나눈다. 선상지, 하천, 호수, 사막, 빙하 같은 육상 환경에서는 산소와 닿아 철이 산화된 붉은 지층이 흔하다. 삼각주, 해빈(모래 해안), 석호, 갯벌 같은 연안 환경에서는 연흔, 건열, 사층리가 잘 생긴다. 그리고 대륙붕, 대륙 사면, 심해저로 이루어진 해양 환경에서는 대륙붕에 조개 같은 해양 생물 화석과 석회암이, 대륙 사면 아래에 점이 층리가 쌓인다.

한 지층에서 퇴적 구조, 알갱이의 크기, 화석을 함께 보면 환경을 좁힐 수 있다. 예를 들어 건열 위에 해양 생물 화석이 든 지층이 쌓여 있다면, 드러났던 갯벌이 점점 물에 잠긴 것, 곧 해수면이 높아졌다고 해석할 수 있다.

판단퇴적 구조 하나만으로 환경을 확정하지는 않는다. 사층리는 사막에서도 하천에서도 생기고, 연흔도 바람과 물 모두 만들기 때문이다. 또 지각 변동으로 지층이 뒤집히면 “아래 지층이 더 오래되었다”는 지층 누중의 법칙을 그대로 쓸 수 없으므로, 이때는 퇴적 구조로 먼저 위아래를 판정한다.

확인조건이 달라지면

가파르게 기울어진 지층에서 한 층을 살펴보니, 지금 위쪽에 굵은 자갈이 있고 아래쪽으로 갈수록 알갱이가 가늘어진다. 이 지층에 대한 해석으로 가장 알맞은 것은?

탐구 3

암석 표본의 조직과 성분으로 그 암석이 생긴 과정을 알아낼 수 있을까?

실험 · 암석 감정 · 화성암·퇴적암·변성암의 성인과 분류

표본

화성암

퇴적암

변성암

돋보기 눈금은 0.1 mm이고, 0.06 mm보다 작은 알갱이는 맨눈과 돋보기로 구별되지 않는다. 색지수는 돋보기 시야에 점 100개를 찍어 어두운 광물에 떨어진 점의 수를 센 값이다. SiO₂는 분석 기관에 의뢰한 형광 X선(XRF) 값이라 보고, ±0.5 %의 우연 오차를 두었다. 표본의 조성은 각 암석의 대표값이고, 그림은 모식이다.

탐구 문제학교 화단의 경계석, 하천의 자갈, 건물 벽의 판석은 모두 암석이다. 이름표가 없는 암석을 보고 그것이 마그마에서 굳었는지, 쌓여서 굳었는지, 열과 압력으로 바뀌었는지 알아낼 수 있을까?
복원마그마가 식어 굳으면 화성암, 퇴적물이 다져지고 교결되면 퇴적암, 이미 있던 암석이 녹지 않은 채 열과 압력을 받아 광물과 조직이 바뀌면 변성암이다. 생긴 과정(성인)이 다르면 알갱이의 모양과 배열(조직)이 다르게 남는다.
설계먼저 조직을 본다. 서로 맞물린 결정이면 화성암이나 변성암, 둥글거나 부서진 알갱이가 교결물로 붙어 있으면 퇴적암이다. 결정질이면서 광물이 한 방향으로 늘어선 엽리가 있으면 변성암이다. 그다음 입자 크기(냉각 속도), 색지수와 SiO₂ 함량(마그마의 성분), 염산 반응(탄산염 광물)으로 이름을 좁힌다.
분석화성암은 그래프의 두 축으로 나뉜다. 알갱이가 1 mm보다 작으면 지표 근처에서 빨리 식은 화산암, 크면 깊은 곳에서 천천히 식은 심성암이다. SiO₂가 52 % 미만이면 염기성(현무암·반려암), 52~63 %면 중성(안산암·섬록암), 63 %를 넘으면 산성(유문암·화강암)이고, SiO₂가 많을수록 색지수는 작다. 변성암은 엽리의 발달로 점판암 → 천매암 → 편암 → 편마암 순서로 변성 정도가 높아지고, 엽리가 없는 규암(사암에서), 대리암(석회암에서), 혼펠스(셰일이 마그마 옆에서 구워진 것)도 있다.
측정표본 1번부터 돋보기로 보고 입자 크기를 재자. 결정이 보이면 점 세기로 색지수를 구하고, SiO₂ 분석값을 받아 그래프에 놓아 보자. 그래프의 화성암 영역 밖에 찍힌 표본은 어떤 성인일까? 같은 흰색인 규암과 대리암, 같은 검은색인 현무암과 혼펠스는 어떤 시험으로 가를 수 있는가?
오차·안전색만으로 이름을 정하면 자주 틀린다. 풍화된 겉면은 색이 다르므로 망치로 깨뜨린 새 면을 본다. 점 세기는 100점이라 ±5 %쯤 흔들리고, 알갱이가 큰 암석은 표본 한 조각이 전체를 대표하지 못할 수 있다. 같은 이름의 암석도 SiO₂가 수 % 범위로 다르므로 경계값 근처는 여러 증거를 함께 쓴다. 망치질할 때는 보안경을 쓰고 파편이 다른 사람 쪽으로 튀지 않게 하며, 묽은 염산(약 0.1 mol/L)은 피부와 눈에 닿지 않게 스포이트로 한 방울만 떨어뜨린 뒤 물로 씻어 낸다.

확인조건이 달라지면

흰색 표본이 서로 맞물린 결정으로 되어 있고 엽리가 없다. 묽은 염산에는 반응하지 않고, 유리판을 긁으면 흠집이 난다. SiO₂는 약 95 %이다. 이 암석은?

탐구 4

같은 마그마에서 왜 서로 다른 암석이 여러 가지 나올까?

상평형 그림 · 공융계와 고용체 · 분별 결정 작용 · 부분 용융

처음 마그마의 An 함량 = 25 % 온도 = 1500 °C (왼쪽으로 끌면 식고, 오른쪽으로 끌면 데워집니다)

있는 상: —
액체의 조성 (An %): —
결정의 비율 (질량): —

1기압, 물이 없는 조건. 끝점의 녹는점(투휘석 1391.5 °C, 회장석 1553 °C, 조장석 1118 °C)과 투휘석–회장석 공융점(1274 °C, An 42 %)은 Bowen(1913, 1915)과 그 뒤의 실험(Greig & Barth 1938, Osborn 1942 등)으로 정해진 값이다. 그 사이의 곡선은 이 값들을 잇도록 계산한 모식이며(사장석은 이상 용액 모형), 조성은 질량 %로 단순화했다.

질문현무암질 마그마 하나가 지하에서 천천히 식으면, 아래쪽에는 감람석이 많은 암석이, 위쪽에는 SiO₂가 많은 암석이 생기기도 한다. 처음에는 한 덩어리의 액체였는데 어떻게 성분이 다른 암석으로 나뉠까?
복원마그마는 한 온도에서 한꺼번에 굳지 않는다. 녹는점이 높은 광물이 먼저 정출되고, 그만큼 남은 액체의 조성이 바뀐다. 광물이 생기는 순서를 정리한 것이 보웬의 반응 계열이다. 불연속 계열은 감람석 → 휘석 → 각섬석 → 흑운모, 연속 계열은 Ca가 많은 사장석 → Na가 많은 사장석이고, 마지막에 정장석, 백운모, 석영이 정출된다.
설명온도–조성 그림에서 한 점의 상태는 그 점이 놓인 영역으로 정해진다. 두 상이 함께 있는 영역에서는 그 온도의 수평선(공존선)이 경계와 만나는 두 점이 액체와 결정의 조성이고, 양은 지렛대 규칙으로 정해진다. 전체 조성 점에서 액체 쪽 끝까지의 길이가 결정의 양에 비례한다. 투휘석–회장석계는 두 광물이 서로 섞이지 않는 공융계여서 먼저 한 광물이 정출되고, 액체가 공융점(1274 °C)에 이르면 두 광물이 함께 정출된다. 조장석–회장석계는 두 성분이 어떤 비율로든 섞여 한 결정이 되는 고용체이고, 결정은 늘 액체보다 An이 많다.
연결사장석에서 먼저 생긴 결정을 액체에서 떼어 내거나(가라앉거나), 결정 속까지 반응할 시간이 없으면 분별 결정 작용이 된다. 남은 액체는 공존선을 따라 끝까지 Na 쪽으로 가고, 결정에는 안쪽이 Ca, 바깥이 Na인 누대 구조가 남는다. 같은 원리로 현무암질 마그마에서 감람석·휘석·Ca 사장석이 빠지면 남은 액체는 SiO₂와 Na·K가 많은 안산암질·유문암질로 바뀐다. 거꾸로 암석을 데우면 공융점에서 처음 녹아 나온 액체는 원래 암석과 조성이 다르다. 이것이 부분 용융이며, 맨틀 감람암이 조금 녹아 현무암질 마그마가 되는 것도 같은 원리이다.
적용투휘석–회장석계에서 An 25 %와 An 70 %로 각각 식혀 보자. 처음 정출되는 광물과 마지막 액체의 조성은 어떻게 다른가? 다음으로 An 25 % 고체를 1200 °C에서 천천히 데워 보자. 처음 생긴 액체의 조성은 얼마인가? 사장석계로 바꾸어 An 70 %를 평형과 분별로 각각 1200 °C까지 식히고, 아래 결정 단면과 남은 액체의 조성을 비교해 보자.
판단실제 마그마는 성분이 여럿이고 물이 녹아 있어, 녹는 온도가 이 그림보다 수백 °C 낮아지기도 한다. 그래서 이 그림의 온도를 실제 마그마에 그대로 쓰면 안 된다. 또 마그마의 다양성이 분별 결정 작용만으로 생기지도 않는다. 주변 지각을 녹여 섞는 동화 작용, 다른 마그마와의 혼합, 원래 암석의 부분 용융 정도가 함께 작용한다.

확인조건이 달라지면

투휘석–회장석계에서 An 30 % 고체와 An 60 % 고체를 각각 천천히 데웠다. 두 암석에서 처음 녹아 나온 액체의 조성은 어떻습니까?

읽기 5

암석이 만들어지는 과정에서 쓸모 있는 원소는 어떻게 한곳에 모일까?

읽기 · 화성·변성·퇴적 작용과 지하자원 · 광상의 종류

지각 전체에서 구리는 평균 0.006 % 정도밖에 들어 있지 않는다. 이런 암석을 아무리 캐도 구리를 얻을 수 없다. 그런데 어떤 곳에는 구리가 0.5 % 넘게 들어 있다. 같은 원소가 왜 어떤 곳에만 수십~수백 배로 모여 있을까?

1광상과 농집

쓸모 있는 광물이 경제적으로 캘 수 있을 만큼 모인 곳을 광상이라 한다. 광상이 되려면 지각의 평균 함량보다 몇 배에서 수천 배까지 원소가 농집되어야 한다. 농집을 일으키는 것은 결국 암석을 만드는 세 가지 과정, 곧 마그마의 결정 작용, 변성 작용, 풍화·운반·퇴적 작용이다. 각 과정에서 원소가 광물이나 액체, 물을 따라 나뉘기 때문이다.

원소	지각 평균 함량	캘 만한 품위(대략)	필요한 농집 배율
알루미늄	약 8 %	약 25~30 %(보크사이트)	약 3~4배
철	약 5.6 %	약 30~60 %	약 5~10배
구리	약 0.006 % (60 ppm)	약 0.5 %	약 100배
텅스텐	약 1~2 ppm	약 0.3~1 % WO₃	수천 배
금	약 0.004 ppm	약 1~5 g/t	수백~천 배

지각 평균 함량은 Taylor(1964) 등의 추정값을 반올림했고, 캘 만한 품위는 광상의 크기와 가격, 기술에 따라 달라지는 대략의 값이다.

2마그마가 식을 때, 화성 광상

정마그마 광상

마그마에서 일찍 정출된 무거운 광물이 바닥에 가라앉아 쌓인다. 크로뮴철석, 백금족 원소, 니켈 황화물이 이렇게 모인다. 분별 결정 작용이 그대로 자원을 만드는 경우이다.

페그마타이트 광상

화강암질 마그마가 거의 다 굳고 남은 마지막 액체에는 물과 리튬, 베릴륨, 희토류처럼 결정 구조에 잘 들어가지 못한 원소가 모인다. 이 액체가 굳으면 결정이 매우 큰 페그마타이트가 되고, 장석·운모·리튬 광물을 얻는다.

열수 광상

마그마에서 빠져나온 뜨거운 물에는 금, 은, 구리, 납, 아연, 몰리브데넘이 녹아 있다. 이 물이 틈을 따라 올라가며 식으면 광물이 석영맥 속에 침전한다. 우리나라의 금·은 광산 상당수가 중생대 화강암과 관련된 열수 광상이다.

스카른 광상

마그마가 석회암을 뚫고 들어가면 접촉부에서 열수와 석회암이 반응해 석류석·휘석이 많은 스카른이 생기고, 텅스텐·몰리브데넘·철이 함께 모인다. 강원 영월의 상동 광산은 이런 텅스텐(회중석) 광상으로, 20세기 중반 세계적인 텅스텐 산지였다.

3열과 압력을 받을 때, 변성 광상

변성 작용은 원소를 새로 가져오기보다 이미 있던 성분을 쓸모 있는 광물로 바꾼다. 유기물이 많던 셰일이 높은 온도로 변성되면 탄소가 결정을 이루어 흑연이 되고, 석회암은 대리암(석재), 마그네슘이 많은 암석은 열수와 반응해 활석이 된다. 알루미늄이 많은 변성암의 남정석·규선석·홍주석은 내화 재료로 쓴다. 우리나라의 흑연 광상은 주로 선캄브리아 시대 변성암 지역에 있다.

4풍화·운반·퇴적될 때, 퇴적 광상

풍화 잔류 광상

덥고 비가 많은 곳에서 암석이 오래 풍화되면 잘 녹는 성분은 빠져나가고 알루미늄이 남아 보크사이트가 된다. 장석이 풍화되면 도자기 원료인 고령토가 생기는데, 경남 하동·산청 일대의 고령토가 그 예이다.

사광상

무겁고 잘 닳지 않는 광물(금, 지르콘, 티탄철석, 주석석)은 강물에 실려 가다가 물살이 약해지는 곳에 모인다. 사금이 강바닥의 굽이 안쪽에 모이는 것이 이 때문이다.

화학적·생물학적 퇴적 광상

막힌 바다나 호수에서 물이 증발하면 석고와 암염이 침전한다. 얕고 따뜻한 바다의 생물 껍데기는 석회암이 되고, 늪지의 식물은 석탄이 된다. 바닷물에 산소가 늘어나던 원생 누대 초에는 녹아 있던 철이 산화되어 쌓인 호상 철광층이 생겼고, 오늘날 철광석의 대부분이 여기서 나온다. 바다 밑에 쌓인 유기물이 묻혀 적당한 온도를 받으면 석유와 천연가스가 된다.

우리나라 강원 남부와 충북 북동부의 고생대 초 석회암(조선 누층군)은 시멘트의 원료로, 고생대 후기~중생대 초의 늪지 퇴적층(평안 누층군)은 태백·삼척·정선·문경 일대의 무연탄 광상으로 쓰였다. 퇴적 환경을 알면 어느 지층에서 어떤 자원을 찾을지 예측할 수 있다.

암석이 생기는 과정	농집이 일어나는 방식	대표 자원
분별 결정 작용	먼저 정출된 무거운 광물이 가라앉음	크로뮴, 백금족, 니켈
마그마의 마지막 액체·열수	결정에 들어가지 못한 원소가 남은 액체와 물에 모임	리튬, 금, 구리, 텅스텐, 몰리브데넘
변성 작용	있던 성분이 새 광물로 재결정	흑연, 대리암, 활석, 남정석
풍화	잘 녹는 성분이 빠지고 남음	보크사이트, 고령토
운반·퇴적	무거운 광물이 물살이 약한 곳에 모임 / 증발·생물·산화로 침전	사금, 지르콘 / 암염, 석회석, 석탄, 철광석, 석유

판단광상은 지질학만으로 정해지지 않는다. 같은 광체라도 가격이 오르거나 채굴 기술이 나아지면 광상이 되고, 값이 떨어지면 폐광된다. 상동 광산도 1990년대에 문을 닫았다가 텅스텐 값이 오르자 다시 개발이 추진되었다. 또 자원을 캐는 일은 산성 광산 배수, 중금속 오염, 지반 침하 같은 환경 문제를 함께 남기므로, 매장량과 함께 그 비용도 따져야 한다.

확인조건이 달라지면

화강암이 석회암을 뚫고 들어간 지역과, 화강암이 덥고 습한 기후에서 수백만 년 동안 지표에 드러나 있던 지역이 있다. 각 지역에서 먼저 찾아볼 자원으로 가장 알맞은 짝은?