나뭇잎 교과서

마그마와 화성암

맨틀은 뜨겁지만 대부분 고체입니다. 그렇다면 화산에서 나오는 마그마는 어디서 녹은 것일까요? 그리고 같은 마그마에서 어떤 때는 현무암이, 어떤 때는 반려암이 되는 까닭은 무엇일까요?

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마그마와 화성암

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제주도의 돌하르방은 검고 구멍이 숭숭 뚫린 현무암으로, 북한산의 바위는 희고 굵은 알갱이가 보이는 화강암으로 되어 있다. 둘 다 마그마가 식어서 굳은 화성암인데, 왜 이렇게 다를까? 그리고 마그마는 처음에 어디서, 왜 생길까?

그림 1. 화성암은 SiO₂ 함량에 따라 색이, 식는 속도에 따라 알갱이 크기가 달라진다. SiO₂가 적고 빨리 식으면 어둡고 알갱이가 작은 현무암, 많고 천천히 식으면 밝고 알갱이가 큰 화강암이 된다.
먼저 알아야 할 것지구 내부의 층상 구조, 판의 경계(통합과학), 광물과 결정(중학교).

2.3.1마그마의 생성

지구 내부는 깊이 들어갈수록 온도가 높지만, 맨틀은 대부분 고체 상태이다. 압력이 높으면 암석이 녹는 온도도 높아지기 때문이다. 암석이 녹아 마그마가 되려면 녹는 온도가 낮아지거나 온도가 올라가야 한다.

정리 2.3.1 마그마가 생기는 세 경우

해령이나 열점 아래에서는 맨틀 물질이 상승하며 압력이 낮아져 녹는다(압력 감소). 섭입대에서는 내려가는 해양판에서 빠져나온 물이 맨틀의 녹는 온도를 낮춘다(물의 공급). 섭입대 위에서 올라온 뜨거운 마그마가 대륙 지각을 데워 녹이기도 한다(온도 상승).

해령과 열점에서 맨틀이 녹아 생긴 마그마는 SiO₂가 적은 현무암질이고, 대륙 지각이 녹아 생긴 마그마는 SiO₂가 많은 유문암질(화강암질)이다. 섭입대에서는 그 중간인 안산암질 마그마가 많이 생긴다. 그래서 마그마의 종류를 보면 그 지역이 어떤 판의 경계에 있는지 짐작할 수 있다.

2.3.2화성암의 분류

마그마가 지표로 분출하거나 지표 가까이에서 빨리 식으면 결정이 자랄 시간이 없어 알갱이가 작거나 유리질이 된다. 이런 암석을 화산암이라 한다. 땅속 깊은 곳에서 천천히 식으면 결정이 크게 자라 알갱이가 굵은 심성암이 된다. 한편 SiO₂가 적은 마그마에는 철과 마그네슘이 많아 감람석, 휘석 같은 어두운 광물이 생기고, SiO₂가 많으면 석영과 장석 같은 밝은 광물이 많다.1

그림 1에서 SiO₂ 함량과 냉각 속도를 바꾸어 보자. 같은 현무암질 마그마도 천천히 식으면 반려암이 되고, 같은 유문암질 마그마도 빨리 식으면 유문암이 된다. 두 기준을 함께 쓰면 화성암을 여섯 가지로 나눌 수 있다. 같은 마그마에서도 식는 곳에 따라 화산암과 심성암이 함께 만들어질 수 있다.

조직 \ SiO₂52% 이하52~63%63% 이상 화산암 (작은 알갱이)현무암안산암유문암 심성암 (큰 알갱이)반려암섬록암화강암 어두운 색밝은 색
그림 2. 화성암은 SiO₂ 함량(색)과 조직(알갱이 크기)의 두 기준으로 여섯 가지로 나뉜다.

2.3.3예제 풀이

예제 2.3.2

어떤 암석은 SiO₂ 함량이 약 72%이고 맨눈으로 보이는 굵은 석영과 장석 알갱이로 되어 있다. 다른 암석은 SiO₂가 약 48%이고 알갱이가 너무 작아 맨눈으로 구별되지 않으며 작은 구멍이 많다. 두 암석의 이름과 생성 장소를 설명하여라.

첫 번째 암석은 SiO₂가 63%보다 많아 밝은 광물이 많고, 알갱이가 굵어 땅속 깊이에서 천천히 식었다. 따라서 화강암이며, 대륙 지각이 녹아 생긴 마그마가 지하 깊은 곳에서 굳은 것이다.

두 번째 암석은 SiO₂가 52%보다 적고 알갱이가 작아 빨리 식었으므로 현무암이다. 작은 구멍은 용암 속 기체가 빠져나간 자리로, 지표에 분출한 용암이 식은 것을 보여 준다. 제주도와 한탄강의 현무암이 그런 예이다.

북한산의 화강암은 원래 땅속 깊이 있었지만, 위를 덮고 있던 암석이 오랜 세월 깎여 나가면서 지표로 드러났다. 아래 탐구 카드에서 마그마의 생성과 화성암의 분류를 직접 해 보자.

  1. SiO₂가 많은 마그마는 끈적끈적하여 기체가 잘 빠져나가지 못하므로 폭발적으로 분출하는 경우가 많다. 현무암질 마그마는 묽어서 용암이 넓게 흘러 완만한 순상 화산을 만든다.
마무리

마그마는 압력 감소, 물의 공급, 온도 상승으로 암석의 일부가 녹아 생긴다. 화성암은 SiO₂ 함량이 많을수록 밝고, 천천히 식을수록 알갱이가 크다. 그래서 처음 질문의 현무암은 SiO₂가 적은 마그마가 지표에서 빨리 식어 검고 알갱이가 작고, 화강암은 SiO₂가 많은 마그마가 땅속에서 천천히 식어 밝고 알갱이가 크다.

탐구 1

마그마는 어디서, 왜 만들어질까?

깊이–온도 그래프 · 용융 곡선
상태
—
이 깊이에서 녹기 시작하는 온도
—
생기는 마그마
—

위의 상황을 누르거나, 그래프 위의 점을 끌어 보세요.

  1. 질문지하 100 km의 맨틀은 1000 °C가 넘는다. 그런데도 맨틀은 대부분 고체이다. 마그마는 어떤 조건에서 생길까?
  2. 복원암석이 녹기 시작하는 온도는 고정된 값이 아니다. 압력이 높을수록 높아지고, 물이 섞여 있으면 낮아진다.
  3. 설명그래프의 점선(평소 지하 온도)은 빨간 곡선(물 없는 맨틀의 용융 곡선)보다 늘 왼쪽에 있어서 맨틀은 녹지 않는다. 그래서 녹이려면 점이 곡선을 넘거나, 곡선이 점을 넘어와야 한다.
  4. 연결방법은 세 가지이다. 해령과 열점에서는 맨틀이 올라오며 압력이 줄어 녹고, 섭입대에서는 물이 공급되어 곡선이 왼쪽으로 옮겨 오며, 대륙 지각 아래에서는 마그마가 지각을 데워 온도가 오른다. 그리고 맨틀이 녹으면 현무암질, 대륙 지각이 녹으면 유문암질 마그마가 된다.
  5. 적용‘해령’을 누르고 점이 올라가는 동안 온도가 얼마나 변하는지 보자. ‘섭입대’에서는 점이 움직이지 않는데도 녹기 시작하는데, 무엇이 움직였는지 확인해 보자.
  6. 판단곡선은 실험 결과의 모양만 따른 모식이다. 또 ‘녹기 시작함’은 전부 녹는다는 뜻이 아니어서, 실제로는 암석의 몇 %에서 수십 %만 녹는 부분 용융이 일어나고, 녹은 액체가 모여 위로 올라간다. 그래서 맨틀은 감람암인데 마그마는 SiO₂가 더 많은 현무암질이 된다.

확인조건이 달라지면

어떤 섭입대에서 해양판이 매우 오래되고 차가워, 판에서 물이 빠져나오는 깊이가 더 깊어졌다. 화산이 생기는 위치에 대한 설명으로 가장 알맞은 것은?

탐구 2

현무암과 화강암은 왜 알갱이 크기가 다를까?

냉각 속도 · SiO₂ 함량 · 화성암 분류
조직
—
암석
—
어두운 광물
—

막대를 놓으면 다시 굳힌다. 주황색은 아직 녹아 있는 부분이고, 결정 크기와 광물 비율은 모식이다.

  1. 질문제주도 현무암은 알갱이가 거의 보이지 않고, 화강암은 알갱이가 손톱만큼 크다. 둘 다 마그마가 식어서 된 암석인데 왜 다를까?
  2. 복원마그마가 식으면 광물 결정이 생긴다. 그리고 결정은 작은 씨앗(핵)에서 시작해 주변의 원자를 붙여 가며 자란다.
  3. 설명그래서 빨리 식으면 여기저기서 씨앗이 한꺼번에 생기고 자랄 시간은 짧아, 작은 결정이 빽빽한 세립질이 된다. 반대로 천천히 식으면 씨앗은 적고 오래 자라 큰 결정이 맞물린 조립질이 된다. 아주 급하게 식으면 결정이 생기지 못하고 유리처럼 굳는다.
  4. 연결그런데 식는 속도는 어디서 식는지로 정해진다. 지표로 분출하면 화산암, 지하 깊은 곳에서 굳으면 심성암이고, 여기에 SiO₂ 함량이 더해져 여섯 칸의 분류표가 된다. 또 SiO₂가 많을수록 석영, 정장석 같은 밝은 광물이 늘어 암석 색이 밝아진다.
  5. 적용‘식는 곳’ 막대만 끝에서 끝으로 옮겨 보면, 성분은 그대로인데 암석 이름이 화강암에서 유문암으로 바뀐다. 이번에는 ‘천천히 식다가 분출’을 켜고, 큰 결정과 작은 결정이 섞인 까닭을 설명해 보자.
  6. 판단알갱이 크기는 식은 속도를 말해 줄 뿐, 식은 깊이를 직접 재는 것은 아니다. 두꺼운 용암 한가운데는 지표에서도 꽤 천천히 식기 때문이다. 또 분류 경계인 52%, 63%도 연속적인 변화에 그은 약속이다.

확인조건이 달라지면

어떤 암석은 밝은색이고, 큰 결정 몇 개가 눈에 보이지 않을 만큼 작은 결정들 사이에 박혀 있다. 이 암석에 대한 추론으로 가장 알맞은 것은?

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