변성 작용과 암석의 순환
본문진흙이 굳은 셰일은 부드럽고 쉽게 부서진다. 그런데 산맥 깊은 곳에서는 같은 셰일이 얇게 쪼개지는 점판암이 되고, 더 깊은 곳에서는 반짝이는 광물이 줄무늬를 이룬 편마암이 된다. 녹지도 않은 암석이 어떻게 전혀 다른 모습으로 바뀔까? 그리고 그 줄무늬는 무엇을 알려 줄까?
2.4.1지각 변동과 지질 구조
판과 판이 부딪치는 곳에서는 지층이 큰 힘을 받는다. 지층이 양쪽에서 미는 힘을 받아 휘어지면 습곡이 생긴다. 힘이 암석이 견딜 수 있는 정도를 넘으면 끊어져 어긋나는데 이를 단층이라 한다. 양쪽으로 당기는 힘을 받으면 위쪽 지층이 미끄러져 내려간 정단층이, 미는 힘을 받으면 위쪽 지층이 올라간 역단층이 생긴다. 습곡과 단층을 보면 그 지층이 어느 방향에서 어떤 힘을 받았는지 거꾸로 알아낼 수 있다.
2.4.2변성 작용
암석이 생성될 때와 다른 높은 온도와 압력을 받으면, 녹지 않은 고체 상태에서 광물의 종류와 배열이 바뀐다. 이를 변성 작용이라 하고, 만들어진 암석을 변성암이라 한다. 원래 암석의 성분은 크게 바뀌지 않지만, 새 조건에서 안정한 광물로 원자들이 다시 배열된다.
마그마가 관입한 주변의 암석이 주로 열을 받아 변하는 것을 접촉 변성 작용이라 하며, 셰일은 혼펠스로, 사암은 규암으로, 석회암은 대리암으로 바뀐다. 산맥이 만들어지는 넓은 지역에서 높은 열과 압력을 함께 받는 것을 광역 변성 작용이라 하며, 셰일은 점판암, 천매암, 편암, 편마암으로 차례로 바뀐다.
광역 변성 작용에서는 한쪽 방향에서 강한 압력을 받으므로, 운모 같은 판 모양 광물이 압력에 수직인 방향으로 나란히 늘어선다. 그래서 암석에 평행한 결이나 줄무늬가 생기는데 이를 엽리라 한다. 그림 1에서 온도와 압력을 함께 올리면 엽리가 점점 뚜렷해진다. 변성 정도가 가장 높은 편마암에서는 밝은 광물과 어두운 광물이 따로 모여 띠를 이룬다. 따라서 엽리의 모양만 보아도 변성 정도를 어림할 수 있다. 점판암은 지붕을 덮는 얇은 판으로도 쓰였다.1
2.4.3예제 풀이
지하로 내려갈수록 1 km마다 온도가 25 °C씩 오르고, 압력은 1 km마다 약 0.3천 기압씩 오른다고 하자. 지표 온도가 15 °C일 때, 셰일이 지하 20 km까지 묻히면 온도와 압력은 얼마이며 그림 1에서 어떤 암석이 되는가?
온도는 \(15 + 25 \times 20 = 515\) °C, 압력은 \(0.3 \times 20 = 6\)천 기압이다.
그림 1의 슬라이더를 약 500 °C, 6천 기압에 맞추면 편암 영역에 든다. 운모가 나란히 늘어서 반짝이는 결이 뚜렷한 암석이다. 더 깊이 묻히거나 열을 더 받으면 편마암이 되고, 그보다 더 뜨거워지면 일부가 녹아 마그마가 되어 다시 화성암으로 이어질 수 있다.
변성암에 남은 광물의 조합과 엽리의 방향은 그 암석이 겪은 온도, 압력, 힘의 방향을 기록한 흔적이다. 아래 탐구 카드에서 습곡과 단층, 엽리, 암석의 순환을 직접 따져 보자.
- 대리암과 규암처럼 한 종류의 광물로 이루어진 암석은 압력을 받아도 판 모양 광물이 없어 엽리가 잘 생기지 않고, 알갱이가 커지며 단단해지는 재결정 작용이 두드러진다.
판의 충돌로 지층은 습곡과 단층을 이루고, 높은 온도와 압력을 받은 암석은 녹지 않고 광물과 조직이 바뀌는 변성 작용을 겪는다. 광역 변성에서는 압력에 수직으로 광물이 늘어선 엽리가 생긴다. 그래서 처음 질문의 셰일은 녹지 않고도 땅속의 열과 압력으로 점판암, 편암, 편마암으로 바뀌며, 그 줄무늬는 암석이 받은 압력의 방향을 알려 준다.